阅读说明：本技术 基于高温固体颗粒热载体的太阳能气化系统 (Solar gasification system based on high-temperature solid particle heat carrier ) 是由 白章 胡文鑫 刘启斌 袁宇 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本公开提供一种基于高温固体颗粒热载体的太阳能气化系统,包括：太阳能集热子系统(A),用于对太阳能进行集热,以加热固体颗粒热载体,将热能存储于固体颗粒热载体；气化子系统(B),包括热解反应器(5)及流化床气化反应器(8),热解反应器(5)用于将碳氢固体原料与固体颗粒热载体混合发生热解反应,流化床气化反应器(8)用于将热解反应的固体产物与固体颗粒热载体混合发生气化反应,产生气化合成气；制氢子系统(C),用于根据气化合成气的热量产生水蒸气,并利用气化合成气及水蒸气进行水气变换反应以制备氢气；发电子系统(D),用于利用热解反应产生的不可凝结可燃气体和制氢产生的可燃气体及燃烧气化反应的固体产物发电。(The present disclosure provides a solar gasification system based on a high temperature solid particle heat carrier, comprising: the solar heat collecting subsystem (A) is used for collecting solar energy to heat the solid particle heat carrier and storing heat energy in the solid particle heat carrier; the gasification subsystem (B) comprises a pyrolysis reactor (5) and a fluidized bed gasification reactor (8), wherein the pyrolysis reactor (5) is used for mixing a hydrocarbon solid raw material with a solid particle heat carrier to generate a pyrolysis reaction, and the fluidized bed gasification reactor (8) is used for mixing a solid product of the pyrolysis reaction with the solid particle heat carrier to generate a gasification reaction to generate gasified synthetic gas; the hydrogen production subsystem (C) is used for generating steam according to the heat of the gasified synthesis gas and carrying out water-gas shift reaction by utilizing the gasified synthesis gas and the steam to prepare hydrogen; and the power generation subsystem (D) is used for generating power by using the non-condensable combustible gas generated by the pyrolysis reaction, the combustible gas generated by hydrogen production and the solid product generated by the combustion gasification reaction.)

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统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公开的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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公开的至少一个实施例或示例中。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者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

本公开实施例的主要目的在于提供一种基于高温固体颗粒热载体的太阳能气化系统，该太阳能气化系统利用高温固体颗粒作为热载体实现太阳能高效低成本转化存储和生物质等碳氢原料快速转化。

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于固体颗粒热载体的太阳能气化系统。

如图1所示，该系统包括太阳能集热子系统A、气化子系统B、制氢子系统C及发电子系统D。

太阳能集热子系统A用于对太阳能进行集热，并利用收集的热能加热固体颗粒热载体，以将热能存储于固体颗粒热载体。其中，固体颗粒热载体包括石英砂或方晶石或矾土或碳化硅等。由于固体颗粒热载体的高温热稳定性良好，因而采用固体颗粒作为传热和蓄热介质。

在本公开一实施例中，太阳能集热子系统A例如可以包括定日镜场1、固体颗粒吸收器2、高温颗粒储罐3和低温颗粒储罐4。定日镜场1用于将太阳能汇聚至固体颗粒吸收器2。低温颗粒储罐4用于根据需要将低温固体颗粒热载体送入固体颗粒吸收器2进行加热以吸收汇聚的太阳能。高温颗粒储罐3用于存储加热后的高温固体颗粒热载体。具体的，固体颗粒吸收器2内加热的高温固体颗粒热载体将首先保证系统的热化学转化等利用需求，剩余的高温固体颗粒热载体送入高温颗粒储罐3存储，经利用后的高温固体颗粒热载体S4温度将降低，重新变为低温固体颗粒热载体，则送入低温颗粒储罐4存储。

图2示意性示出了本公开实施例提供的两种太阳能固体颗粒吸收器布置方式图。

其中，固体颗粒吸收器2可采用腔体式或外置式的吸收器，例如可以包括下落式颗粒接收器或绕流式颗粒接收器或旋转离心式颗粒吸收器等。低温固体颗粒热载体在重力作用下从固体颗粒吸收器2的上端运动到下端，以吸收定日镜场1收集的太阳能进行加热，固体颗粒吸收器2通过扰流或旋转的控制固体颗粒热载体的下落速度，以延长固体颗粒热载体在固体颗粒吸收器2中的停留受热时间。

如图2所示，固体颗粒吸收器2可以采用塔顶式布置方案或塔底式布置方案。具体地，太阳能集热子系统A还包括集热塔，用于安装和承载固体颗粒吸收器2，其中，固体颗粒吸收器2安装在集热塔的顶部或底部。其中，在固体颗粒吸收器2安装在集热塔的顶部的情况下，直接通过固体颗粒泵将固体颗粒热载体送入集热塔的顶部以吸收定日镜场1汇聚的太阳能。在固体颗粒吸收器2安装在集热塔的底部的情况下，固体颗粒吸收器2为卧式腔体结构的固体颗粒吸收器，集热塔的顶部还安装有双曲面式二次反射镜，双曲面式二次反射镜用于改变光路并垂直向下反射，将定日镜场1汇聚的光线反射至集热塔的底部卧式腔体结构的固体颗粒吸收器，以使得卧式腔体结构的固体颗粒吸收器中水平移动的固体颗粒热载体吸收太阳能。

气化子系统B用于实现碳氢固体原料气化所包含的热解和气化两个主要反应阶段。

在本公开一实施例中，气化子系统B例如可以包括热解反应器5及流化床气化反应器8，其中，热解反应器5用于将碳氢固体原料S1与固体颗粒热载体混合及传递热能，以驱动发生热解反应。流化床气化反应器8用于将热解反应的固体产物(该固体产物为残碳)与固体颗粒热载体混合以发生气化反应，产生气化合成气。

其中，在起始阶段，热解反应器5将高温固体颗粒热载体S4作为传热和储热介质，直接与碳氢固体原料S1混合，实现热能传递以驱动热解反应。流化床气化反应器8将高温固体颗粒热载体S4作为传热和储热介质，直接与热解反应的固体产物(残碳)混合，实现热能传递以驱动气化反应。在后续反应阶段，热解反应器5将参与气化反应的高温固体颗粒热载体放热后得到的中温固体颗粒热载体与碳氢固体原料S1混合，实现热能传递以驱动热解反应，流化床反应器8用于将高温固体颗粒热载体作为传热和储热介质，直接与热解反应的固体产物(残碳)混合，实现热能传递以驱动气化反应。具体如下：

继续参阅图1，首先，将碳氢固体原料S1送入热解反应器5，并从高温颗粒储罐3中取出适量高温固体颗粒热载体S4送入热解反应器5，使得碳氢固体原料S1与高温固体颗粒热载体S4直接混合以传递热量，通过高温固体颗粒热载体S4存储的热量驱动热解反应，得到热解气体产物及固体产物。其中，碳氢固体原料S1例如可以为生物质、煤、石油焦等燃料。然后，将固体产物送入流化床气化反应器8中，并从高温颗粒储罐3中取出适量高温固体颗粒热载体S4送入流化床气化反应器8，通过高温固体颗粒热载体S4存储的热量驱动气化反应，以产生气化合成气。

在本公开又一实施例中，气化子系统B例如还可以包括燃烧炉9、旋风分离器10及颗粒回热器11。

燃烧炉9用于将气化反应后的固体产物燃烧，以去除未反应完的碳氢固体原料S1，并获得一部分高温热能，使固体颗粒热载体能够再次吸收太阳能，为气化子系统B传递热量。该部分高温热能可以用于发电。

旋风分离器10，用于从燃烧后的产物中分离出释放热量后的高温固体颗粒热载体S4(也即中温固体颗粒热载体)，并将部分中温固体颗粒热载体送入热解反应器5进行后续热解反应，也即除了在最初时刻需要利用高温颗粒储罐3中的高温固体颗粒热载体S4驱动热解反应外，之后的热解反应均可以利用旋风分离器10分离出的部分中温固体颗粒热载体即可。另一部分中温固体颗粒热载体经颗粒回热器11回热后送入太阳能集热子系统A，以循环存储太阳能。驱动热解反应的固体颗粒热载体的温度低于驱动气化反应的固体颗粒热载体的温度，实现能量品位匹配和梯级利用，提高能源综合利用效率。

颗粒回热器11，可采用板壳式、管壳式或者流化床式。其中，颗粒回热器11用于利用冷却水S2回收另一部分中温固体颗粒热载体的热量，然后送入太阳能集热子系统A，以循环存储太阳能。

基于上述结构的气化子系统B，可以实现碳氢固体原料的两级气化，将气化过程分为较低温度下的热解反应和较高温度下的气化反应，避免碳氢固体原料直接进入高温气化炉造成能量利用的不可逆损失，并提高碳氢固体原料的转化率。并且，由于驱动热解反应的固体颗粒热载体的温度低于驱动气化反应的固体颗粒热载体的温度，气化反应可以利用高温固体颗粒热载体作为传热和储热介质，后续的热解反应均可以利用旋风分离器10分离出的部分中温固体颗粒热载体作为传热介质，另一部分中温固体颗粒热载体经颗粒回热器11回热后送入太阳能集热子系统A，以循环存储太阳能，进而实现能量品位匹配和梯级利用，提高能源综合利用效率。流化床气化反应器8实现了碳氢固体原料与固体颗粒的良好掺混，碳氢固体颗粒被加热至气化反应所需温度，同时保证了气化反应体系热量的均匀传递和良好的气化反应动力学条件。燃烧炉9中，通过燃烧实现固体颗粒与未反应原料和部分中间产物的分离，使固体颗粒能够安全地进入集热子系统吸收太阳热能，构成循环。

在本公开又一实施例中，气化子系统B还包括热解气体冷凝器6及焦油储罐7。

热解气体冷凝器6用于利用冷却水S2将热解反应产生的气体产物进行冷凝降温，以分离出焦油和不可凝结可燃气体S6。焦油储罐7用于存储焦油。也即对热解气体产物进行降温冷凝，以分离其中的焦油，并存储于焦油储罐中，可用作化工原料，可进一步加工制取生物柴油等。不可凝结可燃气体S6用于燃气轮机发电机组生产电能。

制氢子系统C，用于利用气化合成气及水蒸气进行水气变换反应以制备氢气，并根据气化合成气包含的热量产生水蒸气。

在本公开一实施例中，制氢子系统C例如可以包括：

一级气体回热器15，用于对气化合成气进行回热降温，并利用回热降温产生的热量加热冷却水S2。

二级气体回热器12，用于利用经一级气体回热器15回热后的冷却水S2回收气化合成气的高温显热，继续加热冷却水S2以生产水蒸汽S3。

将生产的水蒸气S3部分送入流化床气化反应器8用作气化剂，参与热解反应固体产物的气化反应，以作为气化反应的氢源；另一部分水蒸汽将用于变换反应器14，利用气化合成气及水蒸气进行水气变换反应，将气化合成气中的CO转化为H₂，提高H₂含量；可以通过回热控制变换反应的运行温度，保证CO转化率处于较高水平。

净化装置13，用于对降温后的气化合成气进行净化，脱除飞灰、固体颗粒和硫元素等杂质。

气体分离装置16，用于对水气变换反应后的气体进行分离，以得到高纯度的氢气和可燃气体。

发电子系统D，用于利用热解反应的气体产物中不可凝结可燃气体S6和制备氢气过程中得到的可燃气体，驱动燃气布雷顿循环发电，以及通过燃烧气化反应排放的可燃固体产物和利用燃气布雷顿循环的高温排烟热量，驱动蒸汽朗肯循环发电。

具体的，发电子系统D可以包括燃气布雷顿循环发电结构及蒸汽朗肯循环发电结构。其中，燃气布雷顿循环发电结构包括：压缩机17、燃烧室18和燃气透平19。蒸汽朗肯循环发电结构包括：余热锅炉20、蒸汽透平21、冷凝器22、给水泵23，此外，燃烧室18还可以用于直接燃烧净化装置13排出的气化合成气，以调控发电量。

其中，燃气布雷顿循环过程为：空气S5经压缩机17增压以后送入燃烧室燃烧经热解气体冷凝器6得到不凝结可燃气体S6和气体分离装置16得到的可燃气体，并驱动燃气透平19发电。蒸汽朗肯循环过程为：余热锅炉20利用燃烧炉9燃烧产生的高温烟气和燃气透平19高温排烟热量生成水蒸汽，以驱动蒸汽透平21进行发电。余热锅炉20还可以利用二级气体回热器12产生的水蒸气发电，还可以为其它生产工艺提供品质合格的水蒸汽。

根据本公开的实施例，本公开实施例提供的太阳能气化系统，采用固体颗粒热载体做传热工质，向气化反应体系输运太阳热能，固体颗粒热载体与反应物之间的直接接触换热提升了太阳能驱动碳氢固体原料气化体系的传热传质特性，保证了气化反应良好的动力学性能。气化子系统实现碳氢固体原料的两级气化，将气化过程分为较低温度下的热解反应和较高温度下的气化反应，避免碳氢固体原料直接进入高温气化炉造成能量利用的不可逆损失，并提高碳氢固体原料的转化率。该系统利用太阳能提供气化反应所需热量，减少自热气化反应对原料的消耗，同时避免合成气受燃烧产物的污染，提高气化合成气的品质。此外，该系统在气化反应阶段可以将太阳能转化为气化反应产物的化学能，提升了太阳能的能量品位，实现了太阳能的高效转化和储存，由此拓宽其应用技术领域。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。