一種基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多種能源互補(bǔ)利用的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)，以利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)固體碳?xì)淙剂细咝饣?br>【背景技術(shù)】
[0002]為應(yīng)對(duì)高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，能源需求量逐年增大，為此煤炭、石油和天然氣等化石燃料被大量消耗，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，這將阻礙未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。
[0003]中國(guó)的一次能源生產(chǎn)總量從2000年的13.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長(zhǎng)至2013年的34億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年一次能源消耗量也由2000年的14.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長(zhǎng)至2013年的37.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。其中水電、核電和風(fēng)電等清潔能源的生產(chǎn)量和消耗量為3.71億噸標(biāo)準(zhǔn)煤和3.68億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，僅占總量的10.91 %和9.81 %。同時(shí)還需指出的是，至2014年中國(guó)的石油對(duì)外依存度已達(dá)到59.6%，我國(guó)的能源安全已受到嚴(yán)重威脅。
[0004]為應(yīng)對(duì)未來(lái)高速增長(zhǎng)的能源需求量和亟待解決的環(huán)境污染問(wèn)題，需對(duì)現(xiàn)有的能源利用技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以提高能源利用效率并實(shí)現(xiàn)能源的清潔利用，同時(shí)我們還需關(guān)注太陽(yáng)能和生物質(zhì)能清潔可再生能源，完善這些可再生能源的利用技術(shù)并大力提高可再生能源所占的份額，也成為各國(guó)科研工作的研宄重點(diǎn)之一。
[0005]太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源，以輻射的形式投射至地球表面，是人類(lèi)可以利用的最豐富的能源，具有一些普通能源無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如清潔、資源量巨大等。在非洲北部和我國(guó)西部等地區(qū)都有著非常豐富的太陽(yáng)能資源，基于太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化技術(shù)的太陽(yáng)能熱發(fā)電站目前已進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)根據(jù)聚光方式的不同可分為線聚光和點(diǎn)聚光，其中拋物槽式和線性菲涅爾集熱裝置采用的是太陽(yáng)能線聚光技術(shù)，其聚光比相對(duì)較低，所能達(dá)到的集熱溫度也相應(yīng)較低；而碟式和塔式集熱裝置采用的是太陽(yáng)能點(diǎn)聚光技術(shù)，雙軸跟蹤，聚光比高，最高集熱溫度能超過(guò)1000°c。
[0006]相對(duì)而言，生物質(zhì)與太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源不同，生物質(zhì)是一種可再生的物質(zhì)能源，能夠更好地替代現(xiàn)有的化石能源，以更好地迎合社會(huì)需求。太陽(yáng)能通過(guò)光合作用生成生物質(zhì)，因此生物質(zhì)能在某種程度可看作是太陽(yáng)能的某種特殊形式，同時(shí)通過(guò)光合作用固碳，也實(shí)現(xiàn)了碳元素的循環(huán)利用。我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，有著豐富的生物質(zhì)資源，2009年中國(guó)的生物質(zhì)秸桿年產(chǎn)量為8.42億噸，其中可收集利用量達(dá)到6.86億噸，利用前景非常廣闊。
[0007]目前生物質(zhì)作能源用途的利用技術(shù)手段主要包括燃燒、熱解和氣化，其中通過(guò)氣化可生產(chǎn)出富含4和CO的合成氣，能夠與高效的燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)相結(jié)合以構(gòu)成整體生物質(zhì)氣化燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)(BIGCC)，或者配置多聯(lián)產(chǎn)利用系統(tǒng)可將合成氣更加高效地轉(zhuǎn)化為甲醇等液體燃料?，F(xiàn)有的生物質(zhì)氣化技術(shù)主要采用自熱型方式來(lái)提供反應(yīng)所需要的熱量，通常選用空氣或濕空氣作為氣化劑，利用空氣中含有的氧成分與生物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)來(lái)為氣化提供充足的熱量，也利用的產(chǎn)生熱量來(lái)維持氣化反應(yīng)器內(nèi)較高的反應(yīng)溫度，同時(shí)水蒸氣和產(chǎn)生的CO2將與生物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)，最后生成HjP CO等成分。這種反應(yīng)體系比較簡(jiǎn)單，氣化反應(yīng)所需要的熱量是通過(guò)燃燒生物質(zhì)來(lái)提供的，提供反應(yīng)熱的生物質(zhì)量約占生物質(zhì)原有輸入量的1/3，不僅導(dǎo)致生物質(zhì)的有利用率較低，同時(shí)產(chǎn)生的合成氣中0)2含量偏高，同時(shí)因燃燒產(chǎn)生的雜質(zhì)還將污染氣化合成氣，使得后期的氣體凈化負(fù)荷增大。
[0008]針對(duì)常規(guī)生物質(zhì)氣化技術(shù)的不足，相關(guān)研宄機(jī)構(gòu)及學(xué)者提出了利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)生物質(zhì)進(jìn)行氣化的高溫太陽(yáng)能熱化學(xué)利用技術(shù)，直接利用高溫聚光太陽(yáng)能產(chǎn)生的高溫?zé)崃縼?lái)驅(qū)動(dòng)并提供生物質(zhì)氣化所需要的反應(yīng)熱，這種利用方式不僅可以規(guī)避常規(guī)生物質(zhì)氣化方式的諸多缺陷，同時(shí)也將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化高品質(zhì)且更容易存儲(chǔ)的化學(xué)能，由此還能拓展太陽(yáng)能的利用途徑。
[0009]利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的生物質(zhì)氣化主要包括生物質(zhì)的干燥、熱解和氣化三部分，同時(shí)生物質(zhì)熱解所需要的熱源溫度較低，熱解反應(yīng)溫度區(qū)間為250?450°C。雖然可利用點(diǎn)聚光技術(shù)提供氣化反應(yīng)所需要850°C左右的熱能，但該技術(shù)的對(duì)材料的要求非常苛刻，投資成本較大。同時(shí)利用較高溫度的熱源先驅(qū)動(dòng)生物質(zhì)的熱解反應(yīng)，將導(dǎo)致嚴(yán)重的能的品位不對(duì)口，使得系統(tǒng)的不可逆損失增大。與此同時(shí)，與常規(guī)生物質(zhì)氣化技術(shù)類(lèi)似，現(xiàn)有的太陽(yáng)能一生物質(zhì)氣化所得到的合成氣中的焦油含量也會(huì)偏高，這將嚴(yán)重影響氣化裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也會(huì)增大合成氣凈化裝置的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也威脅到后續(xù)合成氣利用系統(tǒng)的安全運(yùn)行。由此本發(fā)明通過(guò)改進(jìn)已有的太陽(yáng)能-生物質(zhì)氣化方式，以提高可再生能源的利用效率，并降低設(shè)備成本，以促進(jìn)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0011 ] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的高效氣化，并降低聚光氣化過(guò)程的不可逆損失，以及減少氣化合成氣中的焦油含量。通過(guò)該系統(tǒng)也能夠適用于煤炭等其他碳?xì)涔腆w燃料。
[0012](二)技術(shù)方案
[0013]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括中溫槽式太陽(yáng)能熱解吸收反應(yīng)器1、高溫回轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能氣化反應(yīng)器2、旋風(fēng)分離器3、余熱回收器4、氣體凈化裝置5、定日鏡場(chǎng)6和雙曲面反射鏡7，其中:
[0014]固體碳?xì)淙剂蟖被送至中溫槽式太陽(yáng)能熱解吸收反應(yīng)器1，溫度為450°C以下的中溫太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)該中溫槽式太陽(yáng)能熱解吸收反應(yīng)器I內(nèi)的固體碳?xì)淙剂蟖進(jìn)行熱解反應(yīng)，產(chǎn)生含有焦油、焦炭和烷烴氣體的混合產(chǎn)物b，該混合產(chǎn)物b被送入高溫回轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能氣化反應(yīng)器2 ;其中，固體碳?xì)淙剂蟖至少包含生物質(zhì)或煤炭；在高溫回轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能氣化反應(yīng)器2中，利用定日鏡場(chǎng)6和雙曲面反射鏡7獲取高溫聚光太陽(yáng)能加熱混合產(chǎn)物b，并驅(qū)動(dòng)混合產(chǎn)物b中的焦油和焦炭分別發(fā)生裂解和氣化反應(yīng)，產(chǎn)生富含4和CO的高溫合成氣C，該高溫合成氣c被送至旋風(fēng)分離器3中，借助離心力分離出灰分f后得到的高溫合成氣c’被送至余熱回收器4中；
[0015]在余熱回收器4中，該高溫合成氣c’中的顯熱將水e加熱至高溫水蒸氣e’，高溫水蒸氣e’被送至高溫回轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能氣化反應(yīng)器2中作為氣化劑參與氣化反應(yīng)；
[0016]降溫后的高溫合成氣c’被送至氣體凈化裝置5進(jìn)行深度凈化處理。
[0017]上述方案中，所述中溫槽式太陽(yáng)能熱解吸收反應(yīng)器I用于聚焦獲得450°C以下的中溫太陽(yáng)能，并完成固體碳?xì)淙剂系臒峤夥磻?yīng)。所述中溫槽式太陽(yáng)能熱解吸收反應(yīng)器I還包括旋轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置，用以保證固體燃料的順暢流動(dòng)。所述固體碳?xì)淙剂蟖至少包含生物質(zhì)或煤炭。
[0018]上述方案中，所述高溫回轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能氣化反應(yīng)器2為回轉(zhuǎn)式氣化反應(yīng)裝置，其頂部具有入射光線孔，高溫聚光太陽(yáng)能透過(guò)該入射光線孔進(jìn)入該高溫回轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能氣化反應(yīng)器2的內(nèi)部，加熱反應(yīng)物，借助該高溫回轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能氣化反應(yīng)器2的回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)動(dòng)，改善氣化反應(yīng)特性。
[0019]上述方案中，所述定日鏡場(chǎng)6和所述雙曲面反射鏡7用于聚焦并獲得高溫太陽(yáng)能。所述定日鏡場(chǎng)6包括呈陣列布置的多個(gè)定日鏡，該多個(gè)定日鏡收集太陽(yáng)能并將其聚焦至雙曲面反射鏡7以獲取高溫聚光太陽(yáng)能，該高溫聚焦太陽(yáng)能由雙曲面反射鏡7反射并投射至高溫回轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能氣化反應(yīng)器2中。
[0020]上述方案中，所述旋風(fēng)分離器3用于分離氣化合成氣中的固定顆粒，該固定顆粒至少包括灰分；所述余熱回收器4用于回收高溫合成氣c’的顯熱；所述氣體凈化裝置5用于凈化處理合成氣，以滿足后續(xù)設(shè)備的要求。
[0021]上述方案中，所述高溫合成氣c’具有較高的溫度，在余熱回收器4中利用該高溫合成氣c’中的顯熱加熱水e產(chǎn)生高溫水蒸氣e’，該高溫水蒸氣e’ 一部分用作氣化劑直接送至高溫回轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能氣化反應(yīng)器2中，另一部分作為固體燃料的推進(jìn)氣流送至中溫槽式太陽(yáng)能熱解吸收反應(yīng)器I中。
[0022](三)有益效果
[0023]1、本發(fā)明提供的基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)，基于“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的能源利用機(jī)理，借助槽式和塔式這兩種不同的太陽(yáng)能集熱裝置來(lái)依次為生物質(zhì)的熱解和氣化提供與之匹配的熱能，由此能夠優(yōu)化系統(tǒng)的熱能利用效率，降低系統(tǒng)的不可逆損失，并減少設(shè)備的初投資。
[0024]2、本發(fā)明提供的基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)，針對(duì)生物質(zhì)熱解反應(yīng)溫度較低(250?450°C)這一特點(diǎn)，首先利用低聚光比的槽式太陽(yáng)能聚光集熱裝置提供450°C以下的中溫?zé)崮?，用以預(yù)熱生物質(zhì)，并驅(qū)動(dòng)生物質(zhì)發(fā)生熱解反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能能的優(yōu)化利用，而非直接使用與氣化反應(yīng)匹配的熱能來(lái)提供此階段的反應(yīng)熱，因此減少了此反應(yīng)段熱能的不可逆損失量。
[0025]3、本發(fā)明提供的基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)，利用低聚光比太陽(yáng)能集熱裝置完成了生物質(zhì)的預(yù)熱和熱解過(guò)程，由此可將高聚光比的塔式集熱裝置將產(chǎn)生的高溫?zé)崮苋孔鳛樯镔|(zhì)的氣化反應(yīng)熱，不僅實(shí)現(xiàn)了高溫聚光熱能與生物質(zhì)氣化反應(yīng)熱能的品位匹配，以提高熱能的利用效率，而且高溫段的熱能需求量也會(huì)有所減少，這將降低系統(tǒng)整體的投資。
[0026]4、本發(fā)明提供的基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)，生物質(zhì)首先熱解生成焦油和殘?zhí)康龋笤俳柚邷貧饣磻?yīng)裝置繼續(xù)完成氣化反應(yīng)，在適宜的高溫反應(yīng)條件下，焦油更容易分解，與現(xiàn)有的生物質(zhì)氣化方式相比，合成氣中的焦油含量會(huì)大幅降低，這將有助于實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)氣化反應(yīng)及合成氣后續(xù)的利用系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
[0027]5、本發(fā)明提供的基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)，利用氣化反應(yīng)設(shè)備的回轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)，能夠改善反應(yīng)物的傳熱傳質(zhì)特性，因此能夠提高氣化反應(yīng)速率。
[0028]6、本發(fā)明提供的基于槽-塔結(jié)合聚光方式的太陽(yáng)能氣化系統(tǒng)，氣化部分采用回轉(zhuǎn)式的反應(yīng)裝置，能夠保證反應(yīng)器壁面均勻受熱，由此能夠降低反應(yīng)器的熱應(yīng)力，并延長(zhǎng)氣化反應(yīng)裝置的使用壽命。