本實(shí)用新型屬于合成氣制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種化學(xué)鏈燃燒制備合成氣的裝置。

背景技術(shù)：

生物質(zhì)能源作為一種潔凈而又可再生的能源，是惟一可替代化石能源轉(zhuǎn)化成氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料以及其它化工原料或者產(chǎn)品的碳資源。生物質(zhì)是H₂O 和 CO₂ 在太陽(yáng)能作用下的反應(yīng)產(chǎn)物，其具有清潔、可再生的優(yōu)點(diǎn)，并且在整個(gè)循環(huán)過程中CO₂是零排放的。全國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約7億噸，除部分作為造紙?jiān)虾托竽溜暳贤?，約3億噸可作為燃料使用，折合約1.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。其它農(nóng)業(yè)廢棄物約1.3億噸。利用生物質(zhì)通過一定手段制備合成氣具有理論可行性。

合成氣是替代傳統(tǒng)石油合成化工產(chǎn)品的重要原料，在化工行業(yè)中具有十分重要的地位。隨著化石能源的日益枯竭和日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題，利用生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)制備合成氣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。合成氣是以H₂和CO為主要組分供化學(xué)合成用的一種原料氣，是替代傳統(tǒng)石油合成化工產(chǎn)品的重要原料，其生產(chǎn)和應(yīng)用在化工行業(yè)中具有非常重要的地位，可以作為中間體用于石油化工行業(yè)或制備各種高品質(zhì)液體燃料和化學(xué)品，如合成二甲醚、混合醇、氨、降解性聚合物等，其中通過費(fèi)托合成制備二甲醚是重要的途徑之一。

相比傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化方式，CO₂作為生物質(zhì)氣化的氣化介質(zhì)研究較少，目前主要圍繞煤的CO₂氣化研究。但是該氣化方式具有其他方式不可代替的優(yōu)勢(shì)，一方面該過程將CO₂與生物質(zhì)中的C進(jìn)行反應(yīng)，得到的CO可以作為還原氣、能源氣和液化過程的基本原料等。另一方面，CO₂是溫室效應(yīng)的主要影響氣體，如果該技術(shù)能夠得到有效的利用，可以將環(huán)境中的CO₂加以利用，從而減少環(huán)境中的CO₂含量。因此生物質(zhì)的CO₂氣化技術(shù)具有研究?jī)r(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種化學(xué)鏈燃燒制備合成氣的裝置和方法，其省去了額外的CO₂以及水蒸氣的制備過程，利用生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物并產(chǎn)生大量熱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)反應(yīng)的能源充分利用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種化學(xué)鏈燃燒制備合成氣的裝置，其包括化學(xué)鏈燃燒室、設(shè)于化學(xué)鏈燃燒室外且位于化學(xué)鏈燃燒室上部的生物質(zhì)熱解室、以及氧載體再生裝置；其中，所述化學(xué)鏈燃燒室的頂部設(shè)有生物質(zhì)氧載體混合料進(jìn)口，化學(xué)鏈燃燒室內(nèi)的下部設(shè)有傾斜放置的篩網(wǎng)，篩網(wǎng)將化學(xué)鏈燃燒室的下部劃分為集灰區(qū)和氧載體儲(chǔ)存區(qū)兩部分，集灰區(qū)開設(shè)有第一出灰口，氧載體儲(chǔ)存區(qū)連接有氧載體第一回流管；所述生物質(zhì)熱解室的上部開設(shè)有生物質(zhì)進(jìn)料口，生物質(zhì)熱解室的下部設(shè)有第二氣體出口和第二出灰口；所述氧載體再生裝置包括旋風(fēng)分離器和外部包覆有加熱裝置的氧載體再生管，旋風(fēng)分離器出口通過氧載體第二回流管與化學(xué)鏈燃燒室的頂部相連通，氧載體再生管的一端與旋風(fēng)分離器進(jìn)口相連接，氧載體再生管的另一端與氧載體第一回流管相連通，且氧載體再生管遠(yuǎn)離旋風(fēng)分離器的端部開設(shè)有空氣進(jìn)口；所述化學(xué)鏈燃燒室的頂部設(shè)有第一氣體出口并通過管路與生物質(zhì)熱解室的頂部相連通，位于生物質(zhì)熱解室內(nèi)的化學(xué)鏈燃燒室部分的外壁上設(shè)有加熱裝置。

具體的，所述化學(xué)鏈燃燒室內(nèi)壁的上部間隔均布有若干向下傾斜的折流板，折流板設(shè)置多層，上層折流板的末端位于下層折流板中部的上方。折流板的作用在于減緩自生物質(zhì)氧載體混合料進(jìn)口進(jìn)入的原料的下落速度，延長(zhǎng)原料（生物質(zhì)和氧載體）在化學(xué)鏈燃燒室內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間，使其充分發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)也有利于熱量的傳遞。

進(jìn)一步的，所述氧載體第一回流管與氧載體儲(chǔ)存區(qū)的連接處設(shè)有用以控制兩者連通或閉合的插板。

使用上述裝置進(jìn)行化學(xué)鏈燃燒制備合成氣的方法，其包括如下步驟：

1）通過加熱裝置控制化學(xué)鏈燃燒室內(nèi)的溫度在800－900℃；將原料生物質(zhì)和氧載體混合后自生物質(zhì)氧載體混合料進(jìn)口進(jìn)入化學(xué)鏈燃燒室內(nèi)，在下落過程中發(fā)生化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)，燃燒反應(yīng)后的小顆粒產(chǎn)物通過篩網(wǎng)并落入集灰區(qū)內(nèi)，燃燒反應(yīng)后的大顆粒產(chǎn)物自篩網(wǎng)滑落入氧載體儲(chǔ)存區(qū)內(nèi)；同時(shí)，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的CO₂氣體與水蒸氣自第一氣體出口排出并通過管路進(jìn)入生物質(zhì)熱解室內(nèi)，與自生物質(zhì)進(jìn)料口進(jìn)入的生物質(zhì)發(fā)生熱解反應(yīng)，熱解反應(yīng)產(chǎn)生的合成氣自第二氣體出口排出；

2）通過加熱裝置控制氧載體再生管內(nèi)的溫度在850－950℃；氧載體儲(chǔ)存區(qū)內(nèi)的大顆粒產(chǎn)物自氧載體第一回流管排出并進(jìn)入氧載體再生管內(nèi)，與自空氣進(jìn)口進(jìn)入的空氣混合后一起輸送至旋風(fēng)分離器內(nèi)，在輸送至旋風(fēng)分離器內(nèi)的過程中大顆粒產(chǎn)物與空氣發(fā)生放熱反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氧載體的再生；

3）再生的氧載體通過旋風(fēng)分離器和氧載體第二回流管進(jìn)入化學(xué)鏈燃燒室內(nèi)參與再次燃燒反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

具體的，所述生物質(zhì)為農(nóng)作物秸稈（如小麥秸稈、玉米秸稈等），所述氧載體為三氧化二鐵顆粒。

本實(shí)用新型裝置中主要包括兩個(gè)反應(yīng)過程：

1、生物質(zhì)的化學(xué)鏈燃燒過程。化學(xué)鏈燃燒是一種新型的燃燒方式，具有高效、內(nèi)分離CO₂、低NO_x等特點(diǎn)?；瘜W(xué)鏈燃燒系統(tǒng)包括兩個(gè)連接的化學(xué)鏈燃燒室和氧載體再生裝置，固體氧載體顆粒在化學(xué)鏈燃燒室和氧載體再生裝置之間循環(huán)。燃料進(jìn)入化學(xué)鏈燃燒室后被氧載體顆粒的晶格氧氧化，完全氧化后主要生成CO₂和少量的水蒸氣。由于沒有空氣的稀釋，產(chǎn)物純度很高，將水蒸氣冷凝后即可得到純度較高的CO₂，而無(wú)需消耗額外的能量進(jìn)行分離，所得的CO₂可用于其它用途。其反應(yīng)式為：

氧載體的再生反應(yīng)式為：

2、生物質(zhì)與化學(xué)鏈燃燒產(chǎn)物CO₂以及H₂O（氣體）的熱解反應(yīng)過程。生物質(zhì)在化學(xué)鏈燃燒室中經(jīng)過化學(xué)鏈燃燒，產(chǎn)物氣（主要是CO₂與H₂O），可直接通入到燃燒反應(yīng)器外的生物質(zhì)熱解室。氧載體在氧載體再生裝置中再生時(shí)放出的熱量可以為外側(cè)生物質(zhì)熱解室內(nèi)生物質(zhì)與CO₂與H₂O發(fā)生的氧化還原反應(yīng)提供部分熱量。多余的CO₂可用于后期的直接封存。發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)有：

。

本實(shí)用新型的創(chuàng)新點(diǎn)主要在于：1）生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒的主要?dú)怏w產(chǎn)物（CO₂+H₂O）直接通入外部的生物質(zhì)熱解室內(nèi)，作為生物質(zhì)熱解的氣體原料用于生物質(zhì)的氣化；2）利用生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒過程中氧載體再生時(shí)放出的熱量被氧載體帶入化學(xué)鏈燃燒室內(nèi)，為外部生物質(zhì)熱解室內(nèi)的生物質(zhì)氣化反應(yīng)補(bǔ)入了部分熱量，氧載體同時(shí)起到熱載體的作用，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能量的梯級(jí)利用，使系統(tǒng)能源利用率得到明顯提高；3）實(shí)現(xiàn)氧載體的再生和循環(huán)利用，節(jié)約了原料；4）化學(xué)鏈燃燒室內(nèi)折流板的設(shè)計(jì)延長(zhǎng)了原料在化學(xué)鏈燃燒室內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間，使其充分發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)也有利于熱量的傳遞。5）篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)后大、小顆粒產(chǎn)物的分離，從而便于大顆粒的氧載體再生和循環(huán)使用。

本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，實(shí)現(xiàn)了原料氧載體的重復(fù)循環(huán)利用，并且化學(xué)鏈燃燒產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物被直接用作生物質(zhì)熱解的氣體原料，制備合成出了合成氣。本發(fā)明省去了額外的CO₂與H₂O制備過程，利用生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物并產(chǎn)生大量熱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)反應(yīng)的能源充分利用。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型所述化學(xué)鏈燃燒制備合成氣的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳細(xì)介紹，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種化學(xué)鏈燃燒制備合成氣的裝置，其包括化學(xué)鏈燃燒室7、設(shè)于化學(xué)鏈燃燒室7外且位于化學(xué)鏈燃燒室7上部的生物質(zhì)熱解室8、以及氧載體再生裝置；其中，所述化學(xué)鏈燃燒室7的頂部設(shè)有生物質(zhì)氧載體混合料進(jìn)口15，化學(xué)鏈燃燒室7內(nèi)的下部設(shè)有傾斜放置的篩網(wǎng)3，篩網(wǎng)3的上端固定于化學(xué)鏈燃燒室7的側(cè)壁，篩網(wǎng)3的下端固定于化學(xué)鏈燃燒室7的底面，篩網(wǎng)3將化學(xué)鏈燃燒室7的下部劃分為集灰區(qū)5和氧載體儲(chǔ)存區(qū)2兩部分，集灰區(qū)5開設(shè)有第一出灰口4，氧載體儲(chǔ)存區(qū)2連接有氧載體第一回流管21；所述生物質(zhì)熱解室8的上部開設(shè)有兩個(gè)生物質(zhì)進(jìn)料口（即第一生物質(zhì)進(jìn)料口9和第二生物質(zhì)進(jìn)料口16），生物質(zhì)熱解室8的下部設(shè)有第二氣體出口6和第二出灰口22；所述氧載體再生裝置包括旋風(fēng)分離器12和外部包覆有第一加熱裝置14的氧載體再生管17，旋風(fēng)分離器12出口通過氧載體第二回流管10與化學(xué)鏈燃燒室7的頂部相連通，氧載體再生管17的一端與旋風(fēng)分離器12進(jìn)口相連接，氧載體再生管17的另一端與氧載體第一回流管21相連通，且氧載體再生管17遠(yuǎn)離旋風(fēng)分離器12的端部開設(shè)有空氣進(jìn)口20；所述化學(xué)鏈燃燒室7的頂部設(shè)有第一氣體出口并通過管路與生物質(zhì)熱解室8的頂部相連通（如，與第一氣體出口直接連接的管路分為三個(gè)支路，其中的兩個(gè)支路11并聯(lián)且均與生物質(zhì)熱解室8的頂部相連通，剩余的那個(gè)支路13上設(shè)有閥門用于收集多余的CO₂氣體和水蒸氣），位于生物質(zhì)熱解室8內(nèi)的化學(xué)鏈燃燒室7部分的外壁上設(shè)有第二加熱裝置19。所述化學(xué)鏈燃燒室7內(nèi)壁的上部間隔均布有若干向下傾斜的折流板18，折流板18設(shè)置4層，上層折流板的末端位于下層折流板中部的上方。所述氧載體第一回流管21與氧載體儲(chǔ)存區(qū)2的連接處設(shè)有用以控制兩者連通或閉合的插板1。

第一加熱裝置14、第二加熱裝置19可以為常用的電加熱裝置，如電加熱管、電爐絲等，只要能實(shí)現(xiàn)800－950℃范圍的加熱即可，此為本領(lǐng)域共知常識(shí)，故此不再贅述。

使用上述裝置進(jìn)行化學(xué)鏈燃燒制備合成氣的方法，其包括如下步驟：

1）通過第二加熱裝置19控制化學(xué)鏈燃燒室7內(nèi)的溫度在850℃左右；將原料生物質(zhì)（如小麥秸稈、玉米秸稈等，需預(yù)先粉碎以利于反應(yīng)燃燒完全）和氧載體（三氧化二鐵顆粒，顆粒粒度大于生物質(zhì)顆粒粒度）混合后自生物質(zhì)氧載體混合料進(jìn)口15進(jìn)入化學(xué)鏈燃燒室7內(nèi)，在下落過程中發(fā)生化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)。當(dāng)生物質(zhì)與氧載體燃燒反應(yīng)完全后，剩下的生物質(zhì)灰與氧載體繼續(xù)下落，當(dāng)與篩網(wǎng)3接觸時(shí)，由于氧載體與生物質(zhì)灰的顆粒度不同，小顆粒的生物質(zhì)灰通過篩網(wǎng)3并落入集灰區(qū)內(nèi)5（可通過第一出灰口4排出），顆粒度較大的氧載體自篩網(wǎng)3滑落入氧載體儲(chǔ)存區(qū)2內(nèi)；

同時(shí)，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物CO₂氣體與水蒸氣自第一氣體出口排出并通過兩個(gè)支路11進(jìn)入生物質(zhì)熱解室8內(nèi)用作氣化劑（多余的CO₂氣體和水蒸氣經(jīng)過支路13進(jìn)行收集，水蒸氣冷凝分離后，剩余的CO₂壓縮封存），與自第一生物質(zhì)進(jìn)料口9和第二生物質(zhì)進(jìn)料口16進(jìn)入的生物質(zhì)發(fā)生熱解反應(yīng)，熱解反應(yīng)產(chǎn)生的合成氣自第二氣體出口6排出（生物質(zhì)熱解室8內(nèi)產(chǎn)生的固體雜物可通過第二出灰口22定期排出）；

2）通過第一加熱裝置14控制氧載體再生管17內(nèi)的溫度在900℃左右；氧載體儲(chǔ)存區(qū)2內(nèi)收集的氧載體顆粒自氧載體第一回流管21排出并進(jìn)入氧載體再生管17內(nèi)，與自空氣進(jìn)口20進(jìn)入的預(yù)熱后高溫空氣混合后一起輸送至旋風(fēng)分離器12內(nèi)，在輸送至旋風(fēng)分離器12內(nèi)的過程中氧載體顆粒與空氣發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，氧載體的晶格氧得到補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)氧載體的再生，并通過旋風(fēng)分離器12實(shí)現(xiàn)空氣與再生的氧載體的分離；

3）再生的氧載體通過旋風(fēng)分離器12和氧載體第二回流管10重新進(jìn)入化學(xué)鏈燃燒室7內(nèi)參與再次燃燒反應(yīng)，如此實(shí)現(xiàn)氧載體的循環(huán)利用。同時(shí)，氧載體與空氣發(fā)生氧化放熱反應(yīng)放出的熱量被氧載體直接帶入化學(xué)鏈燃燒室7內(nèi)，為外層生物質(zhì)熱解室8內(nèi)的生物質(zhì)氣化補(bǔ)充了熱量，氧載體同時(shí)起到熱載體的作用，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能量的梯級(jí)利用，使系統(tǒng)能源利用率得到顯著提高。