本發(fā)明涉及生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化實(shí)驗裝置，尤其涉及一種基于微波的雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化方法及其裝置。

背景技術(shù)：

在眾多生物質(zhì)能源化利用技術(shù)中，化學(xué)鏈氣化(chemicalloopinggasification，clg)作為一種新穎的氣化技術(shù)，通過氧載體中的晶格氧替代常規(guī)氣化反應(yīng)的介質(zhì)，向燃料提供氣化反應(yīng)所需要的氧元素并通過控制晶格氧與燃料的熱值比來獲得以h2和co為主要組分的合成氣。

國際上，針對生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化的研究大多依賴于借鑒煤化學(xué)鏈氣化的研究經(jīng)驗。為獲得較高熱值的合成氣，使得氣化條件較為嚴(yán)苛，通常需要高溫高壓，這會對氣化反應(yīng)的能量輸入提出很高的要求。如何建立一種高效，快速的氣化反應(yīng)裝置是化學(xué)鏈氣化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用面臨的難題。

微波具有波長短(1m～1mm)頻率高(300mhz～300ghz)、量子特性等明顯特征。微波技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、多路通訊、遙感及電視等方面。20世紀(jì)60年代開始，人們逐漸將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于紙類、木材、樹脂擠出等物理加工過程。近年，微波鉬工業(yè)的生產(chǎn)過程中導(dǎo)入微波加熱技術(shù)，不僅可有效提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性，而且體現(xiàn)出節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，其作為實(shí)現(xiàn)綠色工藝的手段之一而到人們的廣泛重視。

根據(jù)以往的生物質(zhì)微波熱解/氣化研究，由于大多數(shù)生物質(zhì)本身的弱微波吸收特性，微波加熱無法有效地實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的直接加熱。通常的做法是將微波吸收劑混入生物質(zhì)中，以提升微波加熱效率。但這又會引發(fā)反應(yīng)物過于復(fù)雜，難以對反應(yīng)過程及反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行有效控制。

為解決生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化技術(shù)中面臨的技術(shù)難題，本發(fā)明提出了一種生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化實(shí)驗裝置及其方法,尤其涉及一種基于微波的雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化方法及其裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于微波的雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化方法及其裝置。解決傳統(tǒng)做法容易引發(fā)反應(yīng)物過于復(fù)雜，難以對反應(yīng)過程及反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行有效控制的技術(shù)問題。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于微波的雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化裝置，包括如下部件：

微波輻射腔13；

填充有微波吸收劑的微波吸收劑負(fù)載槽10；

置于微波輻射腔13與微波吸收劑負(fù)載槽10之間的石英管反應(yīng)腔9；石英管反應(yīng)腔9由電機(jī)11驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)；

所述微波輻射腔13內(nèi)的中部以及對應(yīng)位置的微波吸收劑負(fù)載槽10的下方設(shè)有由磁控管7構(gòu)成的微波發(fā)生器；所述紅外測溫探頭群8分別設(shè)置在磁控管7的兩端；

所述微波輻射腔13的兩端分別連接第一三通閥門4-1和第二三通閥門4-2；

其中，第一三通閥門4-1的a端口連通環(huán)境大氣；第二三通閥門4-2的b端口連通微波輻射腔保護(hù)氣充氣裝置1；所述第二三通閥門4-2的a端口通過管路連通第一三通閥門4-1的b端口，在管路上依次串聯(lián)有保護(hù)氣冷卻裝置2、保護(hù)氣循環(huán)風(fēng)機(jī)3。

所述石英管反應(yīng)腔9的兩端口處分別設(shè)置有微波抑制器6；

第一三通閥門4-1向左撥，微波輻射腔13與環(huán)境大氣接通；

第二三通閥門4-2向右撥，聯(lián)通微波輻射腔保護(hù)氣充氣裝置1與微波輻射腔13，對微波輻射腔13進(jìn)行充氣；

第二三通閥門4-2向左撥，第一三通閥門4-1向右撥，使微波輻射腔13、保護(hù)氣循環(huán)風(fēng)機(jī)3、保護(hù)氣冷卻裝置2形成閉合回路。

所述第一三通閥門4-1與微波輻射腔13之間的連接管路上設(shè)有氣壓及氧濃度檢測表5。

所述微波輻射腔13還設(shè)有輻射腔鎖12。

一種基于微波的雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化方法，其包括如下步驟：

步驟一：將物料置于石英管反應(yīng)腔9中部，并將其左右兩端分別接入惰性載氣及產(chǎn)物收集裝置，先進(jìn)行預(yù)吹掃以清空石英管反應(yīng)腔9內(nèi)空氣，并在氣化過程全程保持載氣供給直至反應(yīng)結(jié)束；

步驟二：第一三通閥門4-1向左撥，使微波輻射腔13與環(huán)境大氣接通，同時第二三通閥門4-2向右撥，聯(lián)通微波輻射腔保護(hù)氣充氣裝置1與微波輻射腔13；對微波輻射腔13進(jìn)行充氣，并關(guān)注氣壓及氧濃度檢測表5顯示的氧氣水平與內(nèi)部保護(hù)氣壓力；當(dāng)氧濃度低于0.1％時，將第二三通閥門4-2向左撥，第一三通閥門4-1向右撥，使微波輻射腔13、氣壓及氧濃度檢測表5、保護(hù)氣循環(huán)風(fēng)機(jī)3、保護(hù)氣冷卻裝置2形成閉合回路；啟動保護(hù)氣循環(huán)風(fēng)機(jī)3和保護(hù)氣冷卻裝置2，使惰性氣體在閉合回路內(nèi)循環(huán)；整個反應(yīng)過程需要維持微波輻射腔13的正壓，若氣壓及氧濃度檢測表5顯示壓力小于一個大氣壓時，應(yīng)及時啟動微波輻射腔保護(hù)氣充氣裝置1來補(bǔ)充保護(hù)氣；

步驟三：啟動電機(jī)11，使石英管反應(yīng)腔9維持緩速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；

接著啟動磁控管7，通過計算機(jī)控制其輸入功率與頻率；

物料表面溫度由紅外測溫探頭群8進(jìn)行物料表面溫度監(jiān)測，溫度數(shù)據(jù)由計算機(jī)采集存儲；微波吸收劑負(fù)載槽10內(nèi)的溫度由貼片式熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)測，溫度數(shù)據(jù)同樣由計算機(jī)采集存儲；

反應(yīng)結(jié)束，關(guān)閉磁控管7，解除微波輻射腔13輻射腔正壓，打開輻射腔鎖12，取出石英管反應(yīng)腔9清洗。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

相比傳統(tǒng)的電爐加熱，雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化裝置即包含了與傳統(tǒng)電爐相似的加熱方式(微波吸收劑的傳導(dǎo)、對流和表面輻射)，又包含了微波的電磁輻射體加熱，即保證了生物質(zhì)氣化所需要的溫度條件，又引入了微波輻射能的作用，使得整個氣化過程更加穩(wěn)定、高效、快速、安全。具體表現(xiàn)為：

(1)微波轉(zhuǎn)化為熱能的效率更高，更為直接，實(shí)現(xiàn)同樣的氣化條件，其輸入的電能大大降低；

(2)通過微波吸收劑吸收微波升溫，形成一個穩(wěn)定高溫，保證了氣化過程所需要的穩(wěn)定高溫；

(3)微波輻射可直接照射在物料上實(shí)現(xiàn)體加熱，配合微波吸收劑形成的穩(wěn)定高溫加熱，形成雙源熱耦合強(qiáng)化加熱方式；

(4)反應(yīng)腔在整個反應(yīng)過程中不斷旋轉(zhuǎn)，可保證物料的充分混合和受熱，同時緩解氣化過程中產(chǎn)生的氧載體與生物質(zhì)灰分燒結(jié)；

(5)常規(guī)熱電偶和單紅外測溫存在諸多問題，采用紅外測溫探頭群組進(jìn)行非接觸式測溫，可避免測溫探頭對磁場的影響，并有效實(shí)現(xiàn)從低溫到高溫大跨度的測溫范圍，降低了設(shè)備制造的復(fù)雜程度。

(6)電機(jī)外圍的微波屏蔽網(wǎng)可以對泄漏的微波進(jìn)行阻截，其配合微波抑制器可形成應(yīng)對微波泄漏的雙層防護(hù)，有效防止微波泄漏；

(7)本裝置拆裝清洗簡單易行，且運(yùn)行中所涉及的氣體及液體均無毒無害，整個反應(yīng)過程安全穩(wěn)定，綠色環(huán)保。

綜上所述，本發(fā)明技術(shù)手段簡便易行、高效快速、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、安全穩(wěn)定、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地適用于實(shí)驗室生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化實(shí)驗研究，并具有進(jìn)一步推廣于工業(yè)應(yīng)用的潛力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于微波的雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1局部剖視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

實(shí)施例

如圖1、2所示。本發(fā)明公開了一種基于微波的雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化裝置，包括如下部件：

微波輻射腔13；

填充有微波吸收劑的微波吸收劑負(fù)載槽10；

置于微波輻射腔13與微波吸收劑負(fù)載槽10之間的石英管反應(yīng)腔9；石英管反應(yīng)腔9由電機(jī)11驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)；電機(jī)11外周覆蓋微波屏蔽網(wǎng)。

所述微波輻射腔13內(nèi)的中部以及對應(yīng)位置的微波吸收劑負(fù)載槽10的下方設(shè)有由磁控管7構(gòu)成的微波發(fā)生器；所述紅外測溫探頭群8分別設(shè)置在磁控管7的兩端；

所述微波輻射腔13的兩端分別連接第一三通閥門4-1和第二三通閥門4-2；

其中，第一三通閥門4-1的a端口連通環(huán)境大氣；第二三通閥門4-2的b端口連通微波輻射腔保護(hù)氣(氬氣、氮?dú)?充氣裝置1；所述第二三通閥門4-2的a端口通過管路連通第一三通閥門4-1的b端口，在管路上依次串聯(lián)有保護(hù)氣冷卻裝置2、保護(hù)氣循環(huán)風(fēng)機(jī)3。

所述石英管反應(yīng)腔9的兩端口處分別設(shè)置有微波抑制器6；

第一三通閥門4-1向左撥，微波輻射腔13與環(huán)境大氣接通；

第二三通閥門4-2向右撥，聯(lián)通微波輻射腔保護(hù)氣充氣裝置1與微波輻射腔13，對微波輻射腔13進(jìn)行充氣；

第二三通閥門4-2向左撥，第一三通閥門4-1向右撥，使微波輻射腔13、保護(hù)氣循環(huán)風(fēng)機(jī)3、保護(hù)氣冷卻裝置2形成閉合回路。

所述第一三通閥門4-1與微波輻射腔13之間的連接管路上設(shè)有氣壓及氧濃度檢測表5。

所述微波輻射腔13還設(shè)有輻射腔鎖12。

本發(fā)明通過微波吸收劑吸收微波升溫，反應(yīng)腔中部產(chǎn)生穩(wěn)定高溫。

微波輻射可直接照射在物料上實(shí)現(xiàn)體加熱，配合微波吸收劑形成的穩(wěn)定高溫加熱，形成雙源熱耦合強(qiáng)化加熱。

石英管反應(yīng)腔在整個反應(yīng)過程由電機(jī)帶動緩慢旋轉(zhuǎn)。

采用紅外測溫探頭群組進(jìn)行非接觸式測溫，避免測溫探頭對磁場的影響。

石英管反應(yīng)腔暴露在環(huán)境中的部分包裹著微波抑制器，其采用循環(huán)冷卻水作為吸收介質(zhì)。

反應(yīng)過程中，微波輻射腔內(nèi)保護(hù)氣不斷循環(huán)冷卻，并由氣壓及氧濃度檢測表5監(jiān)控壓力和氧氣濃度。壓力過低或氧氣濃度過高時，將開啟微波輻射腔保護(hù)氣充氣裝置以補(bǔ)充保護(hù)氣；

相比傳統(tǒng)的電爐加熱，雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化裝置即包含了與傳統(tǒng)電爐相似的加熱方式(微波吸收劑的傳導(dǎo)、對流和表面輻射)，又包含了微波的電磁輻射體加熱，結(jié)合了傳統(tǒng)加熱和微波體加熱的優(yōu)點(diǎn)，使得整個氣化過程更加穩(wěn)定、高效、快速、安全。

微波抑制器采用水作為泄漏微波的吸收介質(zhì)，并使用循環(huán)冷卻手段維持水溫，能高效吸收泄漏微波，安全無害。

微波輻射腔充滿惰性保護(hù)氣，防止高溫條件下微波吸收劑與空氣發(fā)生反應(yīng)，并設(shè)有循環(huán)裝置以節(jié)約氣體使用。采用紅外測溫探頭群組，可穿透石英管，實(shí)現(xiàn)從低溫到高溫大跨度的溫度監(jiān)測。

其中微波抑制器6采用水作為泄漏微波的吸收介質(zhì)，并使用循環(huán)冷卻手段維持水溫，能高效吸收泄漏微波，安全無害；微波輻射腔13保護(hù)氣的作用為防止高溫條件下微波吸收劑與空氣發(fā)生反應(yīng)；由于石英的透過的紅外波段為0.14um～4.5um，無法實(shí)現(xiàn)從低溫到高溫大跨度的測溫范圍，因而需要采用紅外測溫探頭群8(高溫探頭和低溫探頭)；電機(jī)外圍的微波屏蔽網(wǎng)可以對泄漏的微波進(jìn)行阻截，其配合微波抑制器可形成應(yīng)對微波泄漏的雙層防護(hù)。

一種基于微波的雙源熱耦合化學(xué)鏈氣化方法，其包括如下步驟：

步驟一：將物料置于石英管反應(yīng)腔9中部，并將其左右兩端分別接入惰性載氣及產(chǎn)物收集裝置(無先后順序)，先進(jìn)行預(yù)吹掃以清空石英管反應(yīng)腔9內(nèi)空氣，并在氣化過程全程保持載氣供給直至反應(yīng)結(jié)束；

步驟二：第一三通閥門4-1向左撥，使微波輻射腔13與環(huán)境大氣接通，同時第二三通閥門4-2向右撥，聯(lián)通微波輻射腔保護(hù)氣充氣裝置1與微波輻射腔13；對微波輻射腔13進(jìn)行充氣，并關(guān)注氣壓及氧濃度檢測表5顯示的氧氣水平與內(nèi)部保護(hù)氣壓力；當(dāng)氧濃度低于0.1％時，將第二三通閥門4-2向左撥，第一三通閥門4-1向右撥，使微波輻射腔13、氣壓及氧濃度檢測表5、保護(hù)氣循環(huán)風(fēng)機(jī)3、保護(hù)氣冷卻裝置2形成閉合回路；啟動保護(hù)氣循環(huán)風(fēng)機(jī)3和保護(hù)氣冷卻裝置2，使惰性氣體在閉合回路內(nèi)循環(huán)；整個反應(yīng)過程需要維持微波輻射腔13的正壓，若氣壓及氧濃度檢測表5顯示壓力小于一個大氣壓時，應(yīng)及時啟動微波輻射腔保護(hù)氣充氣裝置1來補(bǔ)充保護(hù)氣；

步驟三：啟動電機(jī)11，使石英管反應(yīng)腔9維持緩速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；

接著啟動磁控管7，通過計算機(jī)控制其輸入功率與頻率；

物料表面溫度由紅外測溫探頭群8進(jìn)行物料表面溫度監(jiān)測，溫度數(shù)據(jù)由計算機(jī)采集存儲；微波吸收劑負(fù)載槽10內(nèi)的溫度由貼片式熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)測，溫度數(shù)據(jù)同樣由計算機(jī)采集存儲；

反應(yīng)結(jié)束，關(guān)閉磁控管7，解除微波輻射腔13輻射腔正壓，打開輻射腔鎖12，取出石英管反應(yīng)腔9清洗。

如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。