一种聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统及方法与流程

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1.本发明涉及聚光太阳能高温气化生物质技术领域，特别涉及一种聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统及方法。

背景技术：

2.相关技术中，聚光太阳能高温气化生物质指的是利用高度集中的太阳辐射作为高温过程热源，在惰性气体氛围中驱动生物质进行高温气化反应。过程中，气化反应焓变的太阳能被以化学能储存起来，使原料能得到升级。聚光太阳能辐射系统通过使用反射镜或透镜将大面积的太阳光聚焦到小面积的太阳能反应器上，从而产生非常高的热流密度。其中，有两种可能的方式将太阳能热量传递给生物质：直接或间接的。与间接加热相比，利用太阳直接照射可以更快地达到气化温度，效率更高；但不利之处在于无法储热储能。
3.现有的聚光太阳能处理生物质的系统中，主要分为两类，一类是主要针对单个装置进行设计和操作，设计原理过于简单和功能过于单一，不能有效利用太阳能和生物质能，对能源利用率和物质的循环使用效率低下；特别是对于太阳能气化装置的结构设计非常少，很难满足目前能源结构调整下对太阳能和生物质能联合开发利用的需求。另一类主要是针对多联产系统和方法的提出，对主要部件的详细结构设计和操作方法鲜有涉及，几乎均未能够有效地将太阳能、生物质能、产品化学能和工业余热能等进行充分利用和有机结合，对于能源的利用存在较严重浪费，同时没有充分避免各种能源的本身缺点进行更有效利用。

技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，能够有效提高能源利用率。
5.本发明还提出一种应用于聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统调节方法。
6.本发明的一方面实施例的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，包括：配料预处理系统，包括生物质粉碎机、金属氧化物罐、平板式太阳能集热器及螺旋给料机，所述生物质粉碎机的输出端与所述金属氧化物罐连接，所述金属氧化物罐与所述螺旋给料机的输入端连接，所述平板式太阳能集热器用于加热所述螺旋给料机中的物料；气化反应装置，所述气化反应装置的输入端与所述螺旋给料机的输出端连接；聚光太阳能集热装置，包括反射镜阵列、复合抛物面聚光器及双曲面反射镜，所述复合抛物面聚光器安装于所述气化反应装置的顶部，所述双曲面反射镜设置于所述复合抛物面聚光器的上方，太阳能辐射经所述反射镜阵列及所述双曲面反射镜反射后汇聚在所述复合抛物面聚光器；蓄热装置，与所述气化反应装置连接，所述蓄热装置设置有熔融盐；金属冶炼系统，包括飞溅冷凝器和金属单质储罐，所述飞溅冷凝器与所述气化反应装置连接，所述金属单质储罐与所述飞溅冷凝器连接；余热锅炉，所述余热锅炉的输入端与所述飞溅冷凝器连接；有机朗肯循环发电系
统，输入端与所述余热锅炉的输出端连接；控制终端，用于调节所述聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统。
7.一些实施例中，所述气化反应装置包括回转炉体和固定顶盖，所述固定顶盖通过迷宫密封方式与所述回转炉体连接，所述回转炉体具有物料进口、混合气体出口、气化剂入口、料渣排污口及物料腔，所述熔融盐在所述物料腔内的运动状态为漩涡运动。
8.一些实施例中，所述螺旋给料机包括输料螺旋、旋转输料管及给料机外壳，所述螺旋给料机具有烘烤腔和给料机物料出口和给料机气体出口，所述旋转输料管的一端与所述金属氧化物罐连通，所述输料螺旋盘绕于所述旋转输料管，所述旋转输料管的另一端与所述给料机物料出口连通后通过连接管道与所述物料进口连通，所述给料机气体出口与所述气化剂入口连通，所述混合气体出口与所述飞溅冷凝器的输入端连通。
9.一些实施例中，所述气化反应装置还包括温度传感器和料位传感器，所述温度传感器和所述料位传感器均安装于所述回转炉体。
10.一些实施例中，所述螺旋给料机还包括温度控制装置，所述温度控制装置设置于所述烘烤腔。
11.一些实施例中，还包括甲醇生产系统，所述甲醇生产系统包括甲醇合成器，所述甲醇合成器与所述有机朗肯循环发电系统连接。
12.一些实施例中，所述甲醇生产系统还包括气体混合器、闪蒸分离器和甲醇精馏器，所述闪蒸分离器的输入端与所述甲醇合成器的输出端连接，所述闪蒸分离器的液体输出端与所述甲醇精馏器的输入端连接，所述闪蒸分离器的蒸汽输出端与所述甲醇精馏器的气体输出端与所述气体混合器的输入端连接，所述气体混合器的输出端与所述甲醇合成器连接。
13.一些实施例中，所述蓄热装置包括第一熔融盐罐和第二熔融盐罐，所述第一熔融盐罐与所述气化反应装置连接，所述第二熔融盐罐与所述气化反应装置连接。
14.一些实施例中，还包括净化除尘器和气液分离器，所述净化除尘器的输入端与所述余热锅炉的输出端连接，所述气液分离器的输入端与所述净化除尘器的输出端连接，所述气液分离器的输出端与所述有机朗肯循环发电系统连接。
15.本发明另一方面实施例的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统调节方法，包括如下步骤：获取螺旋给料机内的流量数据，根据流量大小控制生物质进料、第一流量计阀门和鼓风机风量；获取螺旋给料机内的流量数据及转速数据，根据流量大小控制金属氧化物进料速度和输料螺旋转速；获取气化反应装置的温度数据，根据温度大小控制反射镜场面积，并调节真空泵及阀门；获取气化反应装置内的粒位数据，根据粒位高低控制真空泵及阀门，以改变气化反应装置内熔融盐和物料的储量；获取浓度数据，根据h2与co的浓度比值控制co罐及h2罐动作，使h2与co浓度维持在阀值范围。
16.本发明实施例的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，至少具有如下有益效果：
17.1)通过将配料预处理装置、聚光太阳能集热装置、高温太阳能气化装置、金属冶炼系统、合成气制取系统及有机朗肯循环发电系统等众多系统耦合，不仅实现了太阳能和生物质能向合成气、甲醇燃料化学能和余热发电的转化，还实现了金属冶炼，是一套功能完善的多联产集成系统，具有极大的工业应用价值；
18.2)相比常规的工业电解熔融的氯化镁制取镁系统、煤或焦炭气化制取合成气系统以及基于煤气化或利用天然气的合成甲醇系统，该集成系统仅使用太阳能、生物质能等可再生能源，从而大大降低了化石燃料的消耗；同时多联产系统有效利用了各工艺过程中产生的高、中、低温余热，严格遵循“温度对口，梯级利用”的利用原则，避免了能源品位的不匹配、减少不可逆损失、降低了各种余热的浪费，不仅获得了各种化学产品和电能，更多尺度实现了节能减排的目的；
19.3)借助将部分太阳能转化至合成气和甲醇可实现太阳能的高效存储，同时利用设置有熔融盐的储热装置间接储热，将日间充足的太阳辐射储存起来供夜间或阴天继续使用，用于克服太阳使用过程中的间断不平衡的问题，以延长多联产集成系统的稳定运行时间，能够实现可全天连续运行；
20.4)利用高温太阳能作为热源同时驱动生物质气化和金属冶炼，一方面能将太阳能和生物质能两种可再生能源充分挖掘和有效结合，扩宽了可再生能源的利用途径，有利于实现我国现阶段亟需的能源结构调整、优化以及能源环境的可持续发展；同时能提高生物质的有效利用率，降低了合成气中co2的含量，提高了合成气的产率和热值，也有利于后续合成气制甲醇的高效再利用；
21.5)生物质原料在高温气化之前先进行机械粉碎、预热干燥和烘焙等预处理，可以提高生物质原料的气化性能，产生更多的co、h2和更少的co2，从而提高气化产物的品质，提高生物质热值和碳转化效率，减低焦炭的产率，得到更优的生物油品质；
22.6)使用太阳能驱动生物质高温气化，能提高原料的热值、相比于传统燃烧部分生物质原料驱动生物质快速分解过程，聚光太阳能高温气化技术更加节省生物质原料，同时气体产品不受燃烧副产品的污染，减少了对环境污染物的排放，并无需对纯氧进行高耗能处理；
23.7)使用熔融盐作为介质间接气化生物质原料而非直接加热，克服了传统太阳能使用的缺陷，提高了原料的气化效率，提高了合成气的产率，达到高效利用太阳能对生物质进行加值转化的目的，并极大降低传统气化所需的能量消耗；
24.8)本发明设计的多联产系统，系统产物包括高纯度金属单质、生物质油、高品质合成气以及电能等。同时，冶炼的金属种类可视需求进行调整，如mg、zn等；生物质油产品也可根据需求保留或继续通入气化炉中消除，以提高系统合成气的产率或甲醇产率；合成气的生产也可根据需求量进行调整；
25.9)orc采用有机物作为工质，具有系统简易、操作方便、占地面积小、运行维护费用低、投资回收周期短等优点，同时能够很好的匹配各种中低温余热，使能源利用率达到最大，产生的电能和经济效益更多；
26.10)无需进行变换反应以调整合成气的氢碳比例，降低了系统热能的消耗，并减少了合成气组分的损失。
27.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
29.图1为本发明实施例的聚光太阳能高温气化生物质多联产系统的整体构造示意图；
30.图2为本发明实施例中配料预处理系统的结构示意图；
31.图3为本发明实施例中气化反应装置的结构示意图；
32.图4为本发明实施例中有机朗肯循环发电系统的结构示意图；
33.图5为本发明另一方面实施例的控制终端调节方式示意图。
34.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，其中数字标号指代的名称，字母标号指代的物质。
35.附图标记：
36.生物质粉碎机1，金属氧化物罐1’，螺旋给料机2，平板式太阳能集热器3，碱石灰罐4，气化反应装置5，复合抛物面聚光器6，双曲面反射镜6’，第一熔融盐罐7，第二熔融盐罐8，反射镜阵列9，飞溅冷凝器10，金属单质储罐10’，余热锅炉11，净化除尘器12，气液分离器13，第一压缩机14，第二压缩机15，有机朗肯循环发电系统16，甲醇合成器17，闪蒸分离器18，甲醇精馏器19，气体混合器20，甲醇收集罐21，氦气瓶101，第一流量计102，鼓风机103，料斗104，氧化物控制阀门105，温度控制装置201，旋转输料管202，输料螺旋203，固定顶盖501，物料进口502，混合气体出口503，轴向迷宫式密封环504，保温材料505，高温耐火层506，物料腔507，温度传感器508，料位传感器509，气化剂入口510，料渣排污口511，回转炉体512，板式蒸发器161，膨胀机162，发电机163，板式冷凝器164，发电调节阀165，工质泵166，
37.生物质a，金属氧化物a’，烘焙后的物料b，小分子气体b’，高纯金属单质b”，混合后的的物料c，粗气合成气和金属蒸汽d，生物质料渣e，调整后的粗气化合成气和金属蒸汽f，高温粗合成气g，低温粗合成气g’，冷源端冷却水h，冷源端水蒸气h’，灰分i，除灰后的低温合成气j，高品质合成气k，残留的焦油l，提纯后的合成气m，经过蒸发器降温后的高纯合成气m’，低温工质n，过热蒸汽n’，粗甲醇o，粗甲醇饱和液p，未反应合成气和精馏器的驰放气q，未反应的饱和合成气蒸汽q’，混合后的粗合成气q”，高品质甲醇r，乏汽s，冷凝后的冷凝液s’，空气t，热空气t’。
具体实施方式
38.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
41.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
42.本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
43.参见图1至图4，本发明一方面实施例公开了一种聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，包括配料预处理系统、气化反应装置5、聚光太阳能集热装置、蓄热装置、金属冶炼系统、余热锅炉11、有机朗肯循环发电系统16及控制终端。
44.其中，配料预处理系统包括生物质粉碎机1、金属氧化物罐1’、平板式太阳能集热器3及螺旋给料机2，生物质粉碎机1的输出端与金属氧化物罐1’连接，金属氧化物罐1’与螺旋给料机2的输入端连接，平板式太阳能集热器3用于加热螺旋给料机2；气化反应装置5的输入端与螺旋给料机2的输出端连接，气化反应装置5具有物料腔507，供生物质a进行气化反应；聚光太阳能集热装置包括反射镜阵列9、复合抛物面聚光器6及双曲面反射镜6’复合抛物面聚光器6安装于气化反应装置5的顶部，双曲面反射镜6’设置于复合抛物面聚光器6的上方，太阳能辐射经反射镜阵列9及双曲面反射镜6’反射后汇聚在复合抛物面聚光器6；蓄热装置与气化反应装置5连接，蓄热装置设置有熔融盐；金属冶炼系统包括飞溅冷凝器10和金属单质储罐10’，飞溅冷凝器10与气化反应装置5连接，金属单质储罐10’与飞溅冷凝器10连接；余热锅炉11的输入端与飞溅冷凝器10连接；有机朗肯循环发电系统16的输入端与余热锅炉11的输出端连接；控制终端用于调节聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统。
45.本发明实施例的多联产系统工作时，生物质a首先通过配料预处理系统进行机械粉碎、干燥、预热、烘焙等预处理操作，得到生物质颗粒并输送至气化反应装置5中；然后利用反射镜阵列9、复合抛物面聚光器6、双曲面反射镜6’等组成的聚光太阳能集热装置驱动生物质a进行高温气化反应和金属冶炼，同时利用设置有熔融盐的蓄热装置蓄热以维持该多联产系统全天连续不断运行。气化反应装置5制取得的粗合成气，合成气可作为化学产品输出或者经过甲醇生产系统制取甲醇产品。同时，配料预处理系统、气化反应装置5、金属冶炼系统及余热锅炉11等系统工作过程中产生的各种温位的余热，能够用作热源驱动有机朗肯循环发电系统16进行发电，以提高能源利用率。
46.本发明实施例的配料预处理装置、聚光太阳能集热装置、气化反应装置通过对其关键组成模块及其具体设置方式、尤其是对太阳能驱动生物质进行干燥、预热、烘焙、气化的一体化的工作方式，熔融盐的循环利用与储能蓄热，高品质金属单质、合成气等产品的生产，以及对不同温位余热的循环发电利用等众多方面进行研究和设计，能够有效地将太阳能、生物质能、产品化学能和工业余热能等进行充分利用和有机结合，可显著改善对能量利用率、能量消耗和物质循环利用的优化配置，同时借助于熔融盐强化对生物质物料和金属氧化物的传热，不仅更为高效的利用太阳能，而且极大程度地提高了高品质金属单质和合成气的产量，也即提高了甲醇的产量，因而尤其适合于各类高效利用太阳能对生物质物料进行加值转化和金属氧化物碳热还原反应等工艺生产。
47.一些实施例中，螺旋给料机2包括输料螺旋203、旋转输料管202及给料机外壳，螺旋给料机2具有烘烤腔和给料机物料出口和给料机气体出口，旋转输料管202的一端与金属氧化物罐1’连通，输料螺旋203盘绕于旋转输料管202，旋转输料管202的另一端与给料机物料出口连通后通过连接管道与物料进口连通，给料机气体出口与气化剂入口510连通，混合气体出口503与飞溅冷凝器10的输入端连通。
48.本实施例中，生物质a在配料预处理装置中进行机械粉碎、干燥、预热、烘焙等预处理操作。具体的，生物质a可以是木柴、木质废弃物、农业秸秆、牲畜粪便、作物废渣、城市垃圾或水生植物等。生物质a通过漏斗状的料斗104加入生物质粉碎机1中进行机械粉碎，生物质粉碎机1的进口与鼓风机103、第一流量计102和氦气瓶101依次连接，生物质a粉碎后成为小块状或小颗粒，氦气瓶101中的氦气在鼓风机103的作用下进入到生物质粉碎机1中，并将生物质颗粒吹入后续装置中，以进行气化反应。其中，氦气通入量由其间的第一流量计102控制。
49.生物质粉碎机1的出口与螺旋给料机2的进口相连，金属氧化物a’(mgo、zno等)通过金属氧化物罐1’加入，金属氧化物罐1’上设有氧化物控制阀门105，并与控制终端相连接，控制终端将被设置阀值，通过阀门105的张角大小和开闭来控制氧化物a’的通入量，金属氧化物罐1’的出口也与螺旋给料机2的进口相连，金属氧化物a’通过螺旋给料机2中部的旋转输料管202输送，金属氧化物a’在鼓风机103和旋转输料管202的转动下持续流动。鼓风机103及旋转输料管202的设置，有效避免了旋转输料管202堵塞。
50.应当指出，金属氧化物a’在螺旋给料机2中不与物料直接接触，以防止二者在螺旋给料机2中直接参与反应，不利于后续工艺的进行。
51.参见图2所示，生物质颗粒(或物料)通过输料螺旋203进入到螺旋给料机2中，输料螺旋203由电机带动其匀速旋转，通过转动输料螺旋203使生物质a物料分散排布在螺旋给料机2中。
52.本实施例中，螺旋给料机2的外壳设置成透明状，方便实时观察螺旋给料机2内的物料的流动状况，以便及时反馈和调整物料流量和输料螺旋203的转动速度。外壳的上方设置有平板式太阳能集热器3，可吸收来自太阳能的辐射热量，用于对物料进行预热，预热温度优选为90℃左右，以脱除生物质颗粒中含有的外水成分；预热完毕后，螺旋给料机2继续升温至200～300℃，使生物质a达到一定的烘焙干燥效果，以进一步去除生物质a中的挥发分(co2、co、水蒸气等)。烘焙后的生物质a会生成小分子气体b’，小分子气体b’通过给料机2顶部的出口流出。该出口与碱石灰罐4的入口相连，碱石灰罐4出口与气化反应装置5的进口相连。使小分子气体b’通过盛有碱石灰的碱石灰罐4，以吸收co2和水蒸气等；净化后的气体(主要为co)作为气化剂通入后续的气化反应装置5中。螺旋给料机2下部的出口通过流通管道与气化反应装置5连接，烘焙后的物料b通过底部出口流出，并被送至气化反应装置5中。流通管道上分别装有真空泵和第二流量计，分别用于提供流通的动力和控制流量的大小。
53.一些实施例中，螺旋给料机2还包括温度控制装置201，温度控制装置201设置于烘烤腔，温度控制装置201用于检测并控制螺旋给料机2内的烘烤温度。
54.一些实施例中，气化反应装置5包括回转炉体512和固定顶盖501，固定顶盖501通过迷宫密封方式与回转炉体512连接，回转炉体512具有物料进口502、混合气体出口503、气化剂入口510、料渣排污口511及物料腔507。
55.生物质a在气化反应装置5中进行生物质气化和金属氧化物碳热还原等反应。本实施例中，气化反应装置5采用回转式高温太阳能气化反应器，反应器整体呈圆柱状，反应器主体包括可进行回转运动的回转炉体512和固定顶盖501两部分，回转炉体512与固定顶盖501之间采用轴向迷宫式密封环504连接。回转炉体512上部的两侧分别设置有物料进口502和混合气体出口503，该气化反应器上的物料进口502与泵出口相连，混合气体出口503与第一调节阀门入口相连；炉体下部的两侧分别设置有合成气k入口和料渣e排污口，太阳能气化反应器上的合成气k入口与第二调节阀门出口相连，料渣e排污口的出口用于与料渣收集车(图中未显示)的入口连接。
56.上述实施例中，气化反应装置5的物料进口502、混合气体出口503、气化剂入口510及料渣排污口511的设置，使气化反应装置5的内部具有四个方向不同的气流，以便熔融盐在气化反应装置5内呈漩涡运动状态，形成流化态，从而方便将流入气化反应装置5的生物质颗粒较为均匀的冲散在熔融盐中，有效避免物料堆积于一处，确保生物质颗粒充分受热，有利于生物质颗粒更加充分地气化。本实施例的反应器结构紧凑，操作简单，运行和维护成本低；熔融盐通过输送管连接气化反应装置5，能够充分发挥熔融盐的输运性达到储能蓄热的目的。此外，本实施例的气化反应装置5能够有效利用物料和各气流的进出方向，使熔融盐在反应器内形成流化态，增加扰动，使反应更加充分，加大原料的利用率，提高产物的产率。
57.对于熔融盐，优选为三元共晶碳酸盐。本实施例中，熔融盐优选为按照摩尔比为1：1：1的li2co
3-na2co
3-k2co3的混合盐体系，其熔点约为400℃，具有使用温度范围广、传热性能高、工作压力低、价格便宜等一系列优点。
58.一些实施例中，气化反应装置5还包括温度传感器508和料位传感器509，温度传感器508和料位传感器509均安装于回转炉体512。
59.本实施例中，气化反应器腰部安装有温度传感器508和物料传感器509。在工作过程中，温度传感器508用于实时监测气化反应装置5内温度，温度传感器508与控制终端相连接，控制终端将被设置温度阀值，阀值优选为1200℃以上。当气化反应装置5内的熔融盐的温度低于阀值温度时，控制终端通过增加反射镜阵列9面积来增加太阳能辐射输入或者通过控制终端控制真空泵、阀门来增加熔融盐蓄热时间以保证气化反应连续不间断进行。料位传感器509用于监测气化反应装置5内的熔融盐和生物质颗粒的料位高度，并与控制终端相连接，控制终端将被设置阀值。本实施例中，料位高度的阀值优先为占气化反应装置5的1/2～3/4。当料位传感器509监测到料位高度低于阀值时，控制终端通过控制真空泵、阀门和生物质a及金属氧化物a’的给料量来调节气化反应装置5内熔融盐和物料的储量，以确保气化反应装置5内的温度处于较佳的气化反应温度。
60.本实施例中，气化反应装置5的外壳由外而内依次设置有保温材料505和高温耐火层506，用以有效防止热量的流失。气化反应装置5的顶部安装有复合抛物面聚光器6，复合抛物面聚光器6与反射镜阵列9、双曲面反射镜6’共同组成聚光太阳能集热装置。反射镜阵列9包括平板反射镜、支撑镜架、跟踪传动机构及其控制系统(图中未显示)，平板反射镜能够单轴转动，使得反射镜阵列9能够实时追踪太阳能，将太阳光束反聚焦到固定在塔顶的双曲面反射镜6’，双曲面反射镜6’进一步改变太阳光束路径，并将其聚焦反射至气化反应装置5顶部的复合抛物面聚光器6，从而使气化反应装置5获得高温太阳能，高温太阳能迅速使
气化反应装置的内部升温。生物质气化温度为800～1100℃，控制气化反应装置5的内部温度，使进入到气化反应装置5内生物质颗粒发生气化反应。气化反应的产物主要为粗合成气体(co、h2)、少量的生物质油、co2、h2s和水蒸气等气体，以及气化反应后残留的生物质料渣e。其中，料渣e通过气化反应装置5底部的料渣排污口511及时排出。
61.因气化反应装置5中未送入空气，使得气化反应装置5中主要进行的反应均为气化还原反应，反应式主要包括：
62.c(s)+h2o(g)＝co(g)+h2(g),δhr,298k＝131.5kj/mol
ꢀꢀꢀ
(1)
63.c(s)+2h2o(g)＝co2(g)+2h2(g),δhr,298k＝90.13kj/mol
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(2)
64.c(s)+co2(g)＝2co(g),δhr,298k＝172.46kj/mol
ꢀꢀꢀ
(3)
65.本实施例中，蓄热装置包括第一熔融盐罐7和第二熔融盐罐8，第一熔融盐罐7与气化反应装置5连接，第二熔融盐罐8与气化反应装置5连接，其中，第一熔融盐罐7的熔融盐温度小于第二熔融盐罐8的熔融盐温度。实施过程中，白天太阳能辐射充足时，气化反应装置5内的一部分高温通过熔融盐储存起来，由气化反应装置5底部的管道依次通过真空泵和阀门流入第二熔融盐罐8；当夜晚或者阴天太阳能辐射不足以支撑气化反应时，存储在第二熔融盐罐8中的热流通过熔盐管道重新输入到气化反应器5中。同样地，反应后降温的熔融盐通过低温侧管道流入到第一熔融盐罐7，以此形成融熔盐循环。设置融熔盐储能蓄热，能够使气化反应全天持续不间断进行。
66.生物质a在气化反应装置5内发生气化反应的同时，输送到气化反应装置5内的金属氧化物a’(以mgo为例)在高温条件下发生还原反应，mgo在标准状态下用碳还原氧化镁的最低还原温度为1876℃；在真空状态下，当压力为1.013pa时，mgo的分解温度可降低到993℃左右，两者相差883℃。由此可见，mgo在真空中进行碳还原反应具有很大的优越性。还原剂与mgo反应后生成金属镁和粗气化合成气体d，因为金属镁熔点为648.9℃，沸点为1090℃，故在阀值温度控制下，生成的金属镁和粗气化合成气d一同从气化反应装置5顶部的混合气体出口503排出至后续处理单元。
67.在聚光太阳能生物质气化和mgo还原的耦合反应工艺中，其中mgo为生物质气化反应提供氧源，mgo的还原剂可以是生物质气化过程生成的焦炭和挥发分。在这种同时实现太阳能-生物质热化学利用、金属冶炼-高品质合成气制备的系统中，证明了连续进料的太阳能反应器中联合生产金属单质与合成气的可行性。其中，mgo发生碳热还原反应：
68.mgo(s)+c(s)
→
mg(g)+co(g),δhr,298k＝107.16kj/mol
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(4)
69.气化反应后的粗气化合成气和金属蒸气d和气化反应后的粗合成气d’通过相应的阀门后汇聚于一起，并通过输送管道一同输送至飞溅冷凝器10。1100～1200℃的粗气化合成气和金属蒸气d在飞溅冷凝器10中被冷凝到600～800℃。此时，气态镁被冷凝变成600～800℃，冷源端冷却水h与飞溅冷凝器10低温侧入口连接，与高温粗气化合成气g换热后汽化成水蒸气汽h’，水蒸汽h’与飞溅冷凝器10低温侧出口相连，飞溅冷凝器10的液体产物b”出口与金属单质储罐10’的入口相连，经过高温还原后的高纯度金属单质b”从粗气化合成气中分离出来，储存在金属单质储罐10’中。
70.一些实施例中，聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统还包括净化除尘器12和气液分离器13，净化除尘器12的输入端与余热锅炉11的输出端连接，气液分离器13的输入端与净化除尘器12的输出端连接，气液分离器13的输出端与有机朗肯循环发电系统16连
接。
71.本实施例中，飞溅冷凝器10的气体产物高温粗合成气g的出口与余热锅炉11高温侧的入口相连，高温粗合成气g经余热锅炉11处理后变成300～400℃的低温粗合成气g’，并送入净化除尘器12中。冷源端冷却水h与余热锅炉11低温侧入口连接，与热源端气体产物g换热后汽化成水蒸气h’，水蒸汽h’与余热锅炉11低温侧出口相连。余热锅炉11高温一侧的出口与第三调节阀门相连，第三调节阀门用于控制合成气流通的流量大小，第三调节阀门的出口与净化除尘器12的入口连接。
72.其中，净化除尘器12由两部分组成，分别用于除去低温粗合成气g’中的灰分i和co2气体，优选为旋风分离器和氢氧化钙溶液(图中未画出)。低温粗合成气g’经净化除尘器12处理后，分离出灰分i和co2气体，得到更为纯净的低温合成气j，净化除尘器12的出口与气液分离器13的进口相连，气液分离器13用于将净化后的低温合成气j中的气体和液体分离，分离后得到残留到的焦油l和高品质合成气k，高品质合成气k分为三股，其中一股直接作为高品质合成气k产品输出；另一股视下游设备的需求，可用作化工原料的原料气，如生产氨、合成甲醇、进行费托合成或制造氢甲酰化产品等；剩余一股作为气化剂，输入气化反应装置5中，用于促进气化反应装置5中粗合成气的生产。应当指出，本实施例的多联产系统中主要的一股高品质合成气k用于生产制取高品质甲醇产品。
73.上述实施例中，聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统还包括压缩机组，气液分离器13的一侧出口与压缩机组入口连接。其中，压缩机组包括第一压缩机14和第二压缩机15。高品质合成气k经过压缩机组的多重压缩，能够对合成气k进行提压及提纯，且便于输送。
74.提纯后的合成气m作为热源端输入到有机朗肯循环发电系统16当中进行发电。其中，压缩机组的出口与有机朗肯循环发电系统16的换热器进口相连。本实施例中，该换热器优选为板式蒸发器161。有机朗肯循环发电系统16还包括膨胀机162、发电机163、板式冷凝器164及工质泵166，工质泵166与板式冷凝器164之间设置有发电调节阀165。
75.有机朗肯循环(简称orc)发电技术在中低温太阳能热发电方面具有巨大的发展潜力和广阔应用前景，被誉为是当前最有效的利用中低温发电技术之一，其本质是根据不同品位的热源选择不同的工质去匹配。工业余热按照温位品质划分，高品位余热为大于900℃，中品位余热为400～900℃，低品位温度为小于400℃，而一般将低于500℃的温位称为中低温。具体到本发明实施例中，高温粗合成气g经过余热锅炉11处理后变成300～400℃的低温粗合成气g’。在余热锅炉11之后设置有机朗肯循环发电系统16，能够有效利用合成气的余热，提高能源利用率。
76.如图4所示，各系统工作中产生的各温位余热在中低温有机朗肯循环发电系统16中循环利用、进行发电。本实施例中，orc系统采用有机工质r245fa作为循环介质，orc基本循环流程如下：有机工质r245fa在工质泵166中被绝热加压，低温工质n由经板式蒸发器161入口进入，与提纯后的合成气m热源进行换热，在板式蒸发器161中定压吸热后成为过热蒸汽n’，过热蒸汽n’经蒸发器161出口流出，换热后的过热蒸汽n’温度约为100～150℃；过热蒸汽n’流入膨胀机162，在膨胀机162内绝热膨胀做功同时带动发电机163产生电力；膨胀机162出口与板式冷凝器164的进口相连；做功完毕的低温低压乏汽s进入板式冷凝器164中定压冷凝，冷却方式选用空冷，故冷却介质为空气，低温空气t由板式冷凝器164冷端进口侧进
与co的浓度比值控制co罐及h2罐动作，使h2与co浓度维持在阀值范围。
84.应当指出，粒位高低是指气化反应装置5内生物质等物料颗粒的高度，用来反映气化反应装置5内的物料的多少。
85.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

技术特征：

1.一种聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，其特征在于，包括：配料预处理系统，包括生物质粉碎机、金属氧化物罐、平板式太阳能集热器及螺旋给料机，所述生物质粉碎机的输出端与所述金属氧化物罐连接，所述金属氧化物罐与所述螺旋给料机的输入端连接，所述平板式太阳能集热器用于加热所述螺旋给料机内的物料；气化反应装置，所述气化反应装置的输入端与所述螺旋给料机的输出端连接；聚光太阳能集热装置，包括反射镜阵列、复合抛物面聚光器及双曲面反射镜，所述复合抛物面聚光器安装于所述气化反应装置的顶部，所述双曲面反射镜设置于所述复合抛物面聚光器的上方，太阳能辐射经所述反射镜阵列及所述双曲面反射镜反射后汇聚在所述复合抛物面聚光器；蓄热装置，与所述气化反应装置连接，所述蓄热装置设置有熔融盐；金属冶炼系统，包括飞溅冷凝器和金属单质储罐，所述飞溅冷凝器与所述气化反应装置连接，所述金属单质储罐与所述飞溅冷凝器连接；余热锅炉，所述余热锅炉的输入端与所述飞溅冷凝器连接；有机朗肯循环发电系统，输入端与所述余热锅炉的输出端连接；控制终端，用于调节所述聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统。2.根据权利要求1所述的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，其特征在于，所述气化反应装置包括回转炉体和固定顶盖，所述固定顶盖通过迷宫密封方式与所述回转炉体连接，所述回转炉体具有物料进口、混合气体出口、气化剂入口、料渣排污口及物料腔，所述熔融盐在所述物料腔内的运动状态为漩涡运动。3.根据权利要求2所述的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，其特征在于，所述螺旋给料机包括输料螺旋、旋转输料管及给料机外壳，所述螺旋给料机具有烘烤腔和给料机物料出口和给料机气体出口，所述旋转输料管的一端与所述金属氧化物罐连通，所述输料螺旋盘绕于所述旋转输料管，所述旋转输料管的另一端与所述给料机物料出口连通后通过连接管道与所述物料进口连通，所述给料机气体出口与所述气化剂入口连通，所述混合气体出口与所述飞溅冷凝器的输入端连通。4.根据权利要求2所述的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，其特征在于，所述气化反应装置还包括温度传感器和料位传感器，所述温度传感器和所述料位传感器均安装于所述回转炉体。5.根据权利要求3所述的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，其特征在于，所述螺旋给料机还包括温度控制装置，所述温度控制装置设置于所述烘烤腔。6.根据权利要求1所述的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，其特征在于，还包括甲醇生产系统，所述甲醇生产系统包括甲醇合成器，所述甲醇合成器与所述有机朗肯循环发电系统连接。7.根据权利要求6所述的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，其特征在于，所述甲醇生产系统还包括气体混合器、闪蒸分离器和甲醇精馏器，所述闪蒸分离器的输入端与所述甲醇合成器的输出端连接，所述闪蒸分离器的液体输出端与所述甲醇精馏器的输入端连接，所述闪蒸分离器的蒸汽输出端与所述甲醇精馏器的气体输出端与所述气体混合器的输入端连接，所述气体混合器的输出端与所述甲醇合成器连接。8.根据权利要求1所述的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，其特征在于，所述
蓄热装置包括第一熔融盐罐和第二熔融盐罐，所述第一熔融盐罐与所述气化反应装置连接，所述第二熔融盐罐与所述气化反应装置连接，其中，所述第一熔融盐罐的熔融盐温度小于所述第二熔融盐罐的熔融盐温度。9.根据权利要求1所述的聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统，其特征在于，还包括净化除尘器和气液分离器，所述净化除尘器的输入端与所述余热锅炉的输出端连接，所述气液分离器的输入端与所述净化除尘器的输出端连接，所述气液分离器的输出端与所述有机朗肯循环发电系统连接。10.一种聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统调节方法，其特征在于，包括如下步骤：获取螺旋给料机内的流量数据，根据流量大小控制生物质进料、第一流量计阀门和鼓风机风量；获取螺旋给料机内的流量数据及转速数据，根据流量大小控制金属氧化物进料速度和输料螺旋转速；获取气化反应装置的温度数据，根据温度大小控制反射镜场面积，并调节真空泵及阀门；获取气化反应装置内的粒位数据，根据粒位高低控制真空泵及阀门，以改变气化反应装置内熔融盐和物料的储量；获取浓度数据，根据h2与co的浓度比值控制co罐及h2罐动作，使h2与co浓度维持在阀值范围。

技术总结

本发明公开了一种聚光太阳能高温气化生物质的多联产系统及方法，涉及聚光太阳能高温气化生物质技术领域，该多联产系统包括配料预处理系统、气化反应装置、聚光太阳能集热装置、蓄热装置、金属冶炼系统、余热锅炉、有机朗肯循环发电系统及控制终端。本申请将配料预处理装置、聚光太阳能集热装置、高温太阳能气化装置等众多系统耦合，不仅实现了太阳能和生物质能向合成气、甲醇燃料化学能和余热发电的转化，还实现了金属冶炼，是一套功能完善的多联产集成系统，具有极大的工业应用价值；此外，本申请的多联产系统严格遵循“温度对口，梯级利用”的利用原则，避免了能源品位的不匹配、减少不可逆损失、降低了各种余热的浪费。降低了各种余热的浪费。降低了各种余热的浪费。