本發(fā)明涉及生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化方法，尤其涉及一種微波誘導(dǎo)載氧體釋熱化學(xué)鏈氣化方法。

背景技術(shù)：

1、生物質(zhì)是僅次于煤、石油和天然氣的全球第四大能源，是一種具有碳中性/零碳特性的可再生能源。相比傳統(tǒng)氣化工藝，化學(xué)鏈氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料化學(xué)能的梯級(jí)利用，可以有效提升氣化品質(zhì)、低能耗、有效控制nox、sox等有害氣體的生成等優(yōu)勢(shì)。

2、常規(guī)化學(xué)鏈氣化工藝存在微波燃料反應(yīng)器中熱量不能獨(dú)立自給的問(wèn)題。載氧體將擔(dān)任來(lái)自空氣反應(yīng)器側(cè)的氧和熱的雙重輸運(yùn)介質(zhì)，同時(shí)給微波燃料反應(yīng)器傳遞穩(wěn)定反應(yīng)所需的晶格氧和熱量，但此種“氧熱一肩挑”的角色定位將導(dǎo)致微波燃料反應(yīng)器內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)氧量和熱量的獨(dú)立調(diào)控。由此將極大地影響到實(shí)際運(yùn)行中微波燃料反應(yīng)器的氣化效率和產(chǎn)氣品質(zhì)，這將成為該技術(shù)大型化進(jìn)程中的一個(gè)重要難題。

3、生物質(zhì)微波加熱氣化可以有效提升氣化反應(yīng)速率，提高產(chǎn)氣率和燃料轉(zhuǎn)化率。此外，微波加熱技術(shù)的快速均勻加熱特性還有利于生物質(zhì)焦油的加熱裂解，從而進(jìn)一步提高氣化效率和氣化品質(zhì)。鐵的氧化物是一種有效的微波吸收介質(zhì)，同時(shí)具有較好的載氧和焦油催化裂解性能，而且成本低廉，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，因此，以鐵基載氧體作為微波吸收劑開(kāi)展生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化具有技術(shù)可行性。載氧體在傳統(tǒng)化學(xué)鏈工藝中所擔(dān)任的新角色可以在微波燃料反應(yīng)器中通過(guò)吸收微波實(shí)現(xiàn)自身快速升溫與相間熱傳遞，擺脫了氧量和熱量之間的耦合關(guān)聯(lián)，從而可以達(dá)到氧氣輸運(yùn)與熱量供給之間的定向調(diào)控與匹配，實(shí)現(xiàn)微波燃料反應(yīng)器在低能耗下的熱量獨(dú)立，確保高的氣化效率和產(chǎn)氣品質(zhì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)化學(xué)鏈氣化過(guò)程微波燃料反應(yīng)器因難以實(shí)現(xiàn)熱量獨(dú)立，導(dǎo)致系統(tǒng)面臨運(yùn)行中難以保證氣化效率和產(chǎn)氣品質(zhì)的難題，本發(fā)明將微波加熱技術(shù)同化學(xué)鏈氣化技術(shù)耦合，提出一種微波誘導(dǎo)載氧體釋熱化學(xué)鏈氣化方法，熱解反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料的干燥與熱解，獲得的粗制熱解氣送至微波燃料反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)二次氣化重整。微波燃料反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)焦炭在水蒸氣和載氧體晶格氧協(xié)同作用下的化學(xué)鏈氣化與重整，獲得高品質(zhì)合成氣；同時(shí)，通過(guò)以載氧體為主的微波吸收劑的介電傳熱作用，完成快速儲(chǔ)放熱，實(shí)現(xiàn)燃料反應(yīng)器的快速均勻加熱及熱量獨(dú)立自給；空氣反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)還原載氧體的氧化再生，從而實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)能源的高效低成本資源化利用。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明微波誘導(dǎo)載氧體釋熱化學(xué)鏈氣化方法，由化學(xué)鏈氣化裝置實(shí)施，氣化裝置包括微波燃料反應(yīng)器、炭顆粒分離器和熱解反應(yīng)器；微波燃料反應(yīng)器的頂端與炭顆粒分離器的入口連通，炭顆粒分離器的出口連接有空氣反應(yīng)器和二級(jí)旋風(fēng)分離器；空氣反應(yīng)器內(nèi)置若干根空氣管道；空氣反應(yīng)器的出口與熱解反應(yīng)器的入口連通，熱解反應(yīng)器上有熱解氣支管與微波燃料反應(yīng)器連通，熱解反應(yīng)器的下方連通有下降管，下降管與微波燃料反應(yīng)器連通；

3、微波誘導(dǎo)載氧體釋熱化學(xué)鏈氣化方法包括以下步驟：

4、(1)生物質(zhì)燃料從熱解反應(yīng)器的側(cè)邊加入并與來(lái)自空氣反應(yīng)器的熱載氧體發(fā)生固固接觸熱交換，獲得的粗制熱解氣co、h2、ch3、co2和c2h5從熱解反應(yīng)器上部出口送至微波燃料反應(yīng)器進(jìn)行二次氣化重整，生物質(zhì)焦炭和載氧體顆粒則由熱解反應(yīng)器下部出口進(jìn)入微波燃料反應(yīng)器中進(jìn)行微波化學(xué)鏈氣化反應(yīng)。

5、(2)水蒸氣氣化劑從微波燃料反應(yīng)器的底部進(jìn)入，微波燃料反應(yīng)器的床料載氧體和焦炭顆粒在氣化劑作用下呈湍動(dòng)流態(tài)化運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行氣化反應(yīng)：

6、

7、水氣變換反應(yīng)co+h2o→co2+h2,δh<0

8、

9、焦油重整反應(yīng)焦油+h2o→co2+h2+co+cmhn+…

10、同時(shí)，氣體產(chǎn)物中的h2和co2繼續(xù)參與反應(yīng)：

11、加氫氣化反應(yīng)c+2h2→ch4,δh<0

12、甲烷化反應(yīng)co+3h2→ch4+h2o,δh<0

13、碳?xì)饣磻?yīng)c+co2→2co,δh>0

14、二氧化碳重整反應(yīng)ch4+co2→2co+2h2,δh>0

15、(3)從微波燃料反應(yīng)器出來(lái)的合成氣攜帶還原態(tài)載氧體與殘?zhí)款w粒進(jìn)入炭顆粒分離器，其中載氧體被分離至空氣反應(yīng)器中氧化再生，殘?zhí)款w粒被送回微波燃料反應(yīng)器進(jìn)行二次化學(xué)鏈氣化反應(yīng)，以ch3，co和h2為組分的合成氣從二級(jí)旋風(fēng)分離器出口輸出。

16、微波燃料反應(yīng)器由微波加熱爐和燃料反應(yīng)器耦合而成。

17、空氣反應(yīng)器中內(nèi)置的空氣管道為單孔道，且單孔道內(nèi)分布有孔洞。

18、微波燃料反應(yīng)器作為提升管來(lái)提升生物質(zhì)焦炭及載氧體顆粒。

19、微波燃料反應(yīng)器內(nèi)床料為載氧體及生物質(zhì)焦炭顆粒，在氣化劑流化作用下呈鼓泡湍動(dòng)流態(tài)化運(yùn)動(dòng)。

20、熱解反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器為下行移動(dòng)床結(jié)構(gòu)。

21、微波燃料反應(yīng)器底部通入的水蒸氣氣化劑包括水蒸氣和氧氣。

22、步驟(1)中，微波加熱耦合微波燃料反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度在500-700℃，相比較傳統(tǒng)加熱低200℃。微波氛圍下高品質(zhì)合成氣s的產(chǎn)率超過(guò)70％，焦油含量控制在小于10％。

23、步驟(2)中，微波下載氧體釋放晶格對(duì)氣化合成氣重整并對(duì)氣化焦油進(jìn)行熱裂解和催化裂解。載氧體為以鐵基材料為原料，摻雜碳化硅的復(fù)合載氧體。

24、工作原理：本發(fā)明由熱解反應(yīng)器、微波燃料反應(yīng)器、空氣反應(yīng)器及炭顆粒分離器組成，整體呈現(xiàn)循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)。其中，微波燃料反應(yīng)器為微波湍動(dòng)流化床，屬于循環(huán)流化床系統(tǒng)提升管。熱解反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器均為下行移動(dòng)床結(jié)構(gòu)，位于循環(huán)流化床系統(tǒng)下降管段，即位于本發(fā)明微波誘導(dǎo)載氧體釋熱化學(xué)鏈氣化裝置的下降管段，且熱解反應(yīng)器置于空氣反應(yīng)器的下端。以鐵基載氧體作為微波吸收劑開(kāi)展生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化，將微波燃料反應(yīng)器耦合微波加熱爐進(jìn)行二次氣化重整，熱解反應(yīng)器內(nèi)控制為中溫氣氛，實(shí)現(xiàn)修復(fù)植物的一級(jí)氣化獲得粗制可燃?xì)?。微波燃料反?yīng)器內(nèi)為高溫氣氛，利用載氧體的晶格氧實(shí)現(xiàn)粗制可燃?xì)獾亩螝饣卣?；空氣反?yīng)器中實(shí)現(xiàn)失氧載氧體的氧化再生。分離器和返料器實(shí)現(xiàn)可燃?xì)?、載氧體顆粒、殘?zhí)款w粒之間的定向分離，以及載氧體與殘?zhí)款w粒的再循環(huán)。

25、由炭顆粒分離器和二級(jí)旋風(fēng)分離器構(gòu)成的分離系統(tǒng)根據(jù)顆粒密度與粒徑的差異，粒徑處于0.35-0.85mm，進(jìn)行選擇性分離，粗載氧體首先被炭顆粒分離器分離，進(jìn)入空氣反應(yīng)器氧化再生，再落入下端的熱解反應(yīng)器與生物質(zhì)物料進(jìn)行固固熱交換，再由下降管送入微波燃料反應(yīng)器繼續(xù)參加反應(yīng)；而細(xì)殘?zhí)款w粒在二級(jí)旋風(fēng)分離器中分離，并經(jīng)過(guò)二級(jí)返料管送入微波燃料反應(yīng)器。

26、熱解反應(yīng)器—微波燃料反應(yīng)器—炭顆粒分離器—二級(jí)旋風(fēng)分離器—微波燃料反應(yīng)器，構(gòu)成生物質(zhì)燃料回路。

27、熱解反應(yīng)器—微波燃料反應(yīng)器—炭顆粒分離器—空氣反應(yīng)器—熱解反應(yīng)器，構(gòu)成載氧體顆粒循環(huán)回路。

28、微波燃料反應(yīng)器底部通入的氣化劑為水蒸氣和少量氧氣，生物質(zhì)物料與氣化劑反應(yīng)生成粗制熱解氣p包括co、h2、ch3、co2、c2h5，之后在以載氧體h為主的微波吸收劑的介電和傳熱作用下，微波燃料反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速均勻加熱，達(dá)到所需氧氣與熱量之間的定向調(diào)控與匹配；同時(shí)，微波氣氛下載氧體h釋放晶格氧實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化合成氣的重整和對(duì)氣化焦油的熱裂解與催化裂解，即從化學(xué)鏈還原反應(yīng)器底部的湍動(dòng)流化床進(jìn)入的載氧體顆粒與粗制熱解氣接觸，載氧體顆粒通過(guò)釋放晶格氧對(duì)粗制可燃?xì)舛螝饣卣蠓嵘撕铣蓺獾钠焚|(zhì)與氣化效率。載氧體顆粒是以鐵基材料為原料，摻雜碳化硅吸波性能優(yōu)良的復(fù)合載氧體，具備“釋氧-吸波-傳熱-催化”一體化作用。

29、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

30、(1)本發(fā)明的微波誘導(dǎo)載氧體釋熱化學(xué)鏈氣化方法實(shí)現(xiàn)了微波燃料反應(yīng)器所需氧量與熱量之間的定向調(diào)控和匹配，解決了常規(guī)化學(xué)鏈氣化過(guò)程因微波燃料反應(yīng)器熱量不能獨(dú)立自給而影響氣化效率和產(chǎn)氣品質(zhì)的難題，同時(shí)通過(guò)微波燃料反應(yīng)器分級(jí)實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，因此，能獲得比傳統(tǒng)氣化工藝和常規(guī)化學(xué)鏈氣化技術(shù)更高的氣化效率、熱效率、可燃?xì)馄焚|(zhì)及焦油裂解效果，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性能和能量利用率的協(xié)調(diào)兼顧，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源的高效低成本資源化利用。

31、(2)本發(fā)明微波誘導(dǎo)載氧體釋熱化學(xué)鏈氣化方法提升了氣化反應(yīng)速率，提高了產(chǎn)氣率和燃料轉(zhuǎn)化率。此外，微波加熱技術(shù)的快速均勻加熱特性還有利于生物質(zhì)焦油的加熱裂解，從而進(jìn)一步提高氣化效率和氣化品質(zhì)。

32、(3)本發(fā)明在微波化學(xué)鏈氣氛下，載氧體除了擔(dān)任釋氧反應(yīng)介質(zhì)，還承擔(dān)了主要的微波吸收劑的角色，構(gòu)建載氧體“釋氧-吸波-傳熱-催化”一體化功能。以鐵基載氧體作為微波吸收劑開(kāi)展生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化具有技術(shù)可行性。此時(shí)，載氧體在傳統(tǒng)化學(xué)鏈工藝中所擔(dān)任的“氧-熱輸運(yùn)介質(zhì)”，即釋氧反應(yīng)介質(zhì)的角色基礎(chǔ)上被增設(shè)了“吸波熱源”這一新角色，由此在微波燃料反應(yīng)器中通過(guò)吸收微波實(shí)現(xiàn)自身快速升溫與相間熱傳遞，擺脫了氧量和熱量之間的耦合關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到氧氣輸運(yùn)與熱量供給之間的定向調(diào)控與匹配，由此有效利用其微波介電性促使微波燃料反應(yīng)器快速加熱以實(shí)現(xiàn)低能耗下的熱量獨(dú)立，從而保證微波燃料反應(yīng)器的氣化效率和產(chǎn)氣品質(zhì)，同時(shí)進(jìn)一步促進(jìn)焦油裂解，從而實(shí)現(xiàn)載氧體釋氧、介電、傳熱、催化裂解多功能一體化。