[发明专利]使用含氧介质的热解系统

说明书

技术领域

本发明属于生物质能源技术，特别是生物质热解气化的技术。

背景技术

生物质基本成分是碳水化合物，在较高温度下分解，释放可燃气体，给应用带来方便。当前技术分为有氧热解和无氧热解等。

(1)有氧热解：输入空气，通过内部燃烧产生高温，使生物质原料热解气化。常用设备是上吸式气化炉、下吸式气化炉等。

上吸式气化炉，焦油不经过高温燃烧区，全部残留在燃气中。下吸式气化炉，焦油经过高温燃烧区，分解成H₂和CO等小分子，燃气中残留很少。对于细小原料，常采用流化床气化炉。

有氧热解的特点是原料可以全量气化，但所得燃气热值低，含有较多N₂成分，不适合于向外输送，只能就近点燃利用。

(2)无氧热解：隔绝空气，通过间壁传热或者介质传热，用高温使生物质原料热解气化。

间壁传热的热解气化设备，有干馏釜和螺旋热解炉。前者实行间歇运行，燃气发生不稳，后者实行连续运行，燃气发生稳定。间壁传热的热解气化设备，燃气发生强度不是很高。

介质传热的热解气化设备，有双螺旋热解炉和双流化床热解炉。前者以粗石英砂为介质，用螺旋输送器提升，后者以细石英砂为介质，用气力输送器提升。介质传热的热解气化设备，燃气发生有较高强度。

无氧热解的特点是燃气热值高，不含N2，适合于向外输送，并可用于液体燃料合成。但原料气化不完全，剩余物较多。

(3)纯氧气化：为将生物质原料全量气化，并制取不含N₂的高热值燃气，当前技术采用纯氧气化工艺。用纯氧替代空气的目的，是为了避免N₂进入系统，并提高热能利用效率。

纯氧气化系统需配备复杂的制氧装置，当前技术采用空气分馏法、变压吸附法、膜分离法制取纯氧。特点是设备大型，动力消耗高。

本发明的目标，就是要构建新的热解气化系统，取消复杂的纯氧制造-装置，在小型设备中完成生物质材料的全量气化，并得到不含N₂的高热值燃气。

发明内容

本发明的目标通过如下途径实现：

新的热解系统，沿用介质传热无氧热解模式，但引入金属氧化物介质。通过金属元素变价，在传输热能的同时传输纯氧。

生物质气化是吸热过程。以纤维素C₆H₁₀O₅的高温分解为例，有如下反应式：

C₆H₁₀O₅＝2H₂+2CO+3H₂O+4C    吸热14千焦

C₆H₁₀O₅＝3H₂+3CO+2H₂O+3C    吸热146千焦

C₆H₁₀O₅＝4H₂+4CO+H₂O+2C     吸热278千焦

C₆H₁₀O₅＝5H₂+5CO+C          吸热410千焦

供热充分，则燃气发生量大，木炭和水汽剩余较少。供热不足，则燃气发生量小，木炭和水汽剩余较多。石英砂等惰性介质，仅通过物理变化传输材料显热，不足以支持生物质原料全量气化。

本发明引入金属氧化物介质，通过物理变化传输材料显热，更通过化学变化传输材料潜热，利用金属元素变价释放的纯氧，支持内部燃烧，保证生物质原料全量气化。

新的生物质热解气化系统，仍分为燃烧段和气化段。以氧化铁介质为例，有如下工艺过程：

燃烧段，输入空气与Fe₃O₄混合，通过氧化反应释放热能。其结果是介质升温，生成Fe₂O₃将获得的O₂固定。

反应：2Fe₃O₄+1/2O₂＝3Fe₂O₃    放热232千焦

气化段，干燥原料与炽热Fe₂O₃混合，通过介质的高温引发热解。并通过介质释放的纯氧，支持内部燃烧和充分气化。此过程Fe₂O₃被还原。