CN106675661B - 一种物料连续热解气化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物料连续热解气化的方法，包括如下内容：（1）原料和催化剂进入微波热解气化系统，落至微波反应腔的一级旋转圆盘并随着转动依次经过干燥、活化和热解处理；（2）热解处理后的物料落入微波反应腔的二级旋转圆盘并与热解挥发分一起在水蒸气的作用下继续进行气化和重整反应；（3）经步骤（2）处理得的固体产物，通过二级推进挡板从二级旋转圆盘的中间开孔落入微波反应腔下方的储渣罐，在搅拌和螺旋双重作用下排出反应系统，而气体产物则由微波反应腔底部的环形筛板进入沉降室，经沉降处理得到气化产品。该方法裂解速度快、气化效率高，得到气体产品品质高，能够满足合成液体燃料的要求，具有良好应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种物料连续热解气化的方法。
背景技术
传统加热方式通过辐射、对流以及传导由表及里进行加热，为了避免温度梯度过大，加热速度往往不能太快，也不能对物料的各组分进行选择性加热。由于微波可以直接穿透进入物料内部，与传统加热方式相比，微波加热可以实现物料内外均衡加热，具有升温速率快、能量利用效率高的优点，而且微波可对物料中介电特性不同的组分进行选择性加热。因此微波加热的特殊性使其热解产物与传统气化技术相比具有更大优势，是一种很有前景的物料加热方式。
以间歇式固定床为代表的微波技术虽然实现了物料的微波热解气化等一系列过程，却解决不了微波加热过程的连续化以及放大问题，而连续化的微波加热技术则是实现微波大规模应用的必由之路。目前微波热解气化的连续化方法主要包括回转窑、钢带窑、螺旋通道窑、圆盘旋转窑等。其中，回转窑存在窑体密封和气体携带灰尘量大的问题，钢带窑在高温下会发生钢带微波介电改变引起形变导致安全隐患，螺旋通道窑物料填充度较低影响加热效率，而且上述几种方法存在的共性问题是难以在维度上同时放大，这对于处理生物质、煤炭等面广量大的物料显然是不适用的。
圆盘旋转窑是利用物料在托盘上圆周运动时进行加热，理论上圆盘每旋转一周，即完成一次裂解过程，同时可根据物料性质调整转速来控制热解气化过程，其最大特点是避免通过延长某一维度来保证物料充分热解的问题，在一定范围内实现了反应器多维度的同时放大，有利于微波反应器的规模化和工业化。CN201310263370.X公开了一种圆盘式微波连续裂解装置及其用于裂解废旧橡胶的方法，采用圆盘式裂解腔体，并通过非金属密封板分成上下腔体，其中微波发生器在腔体的上部，固体产物导出输送在下部，这种布局不仅实现了裂解过程的连续性，而且提高了废旧轮胎微波裂解效率，所得产物的比率大约为可燃气体40%、液体油10%、炭黑50%。但该方法将微波发生器设置在反应腔上部存在热解挥发分污染微波引导装置以及微波透波材料窗台，进而导致微波能量此处聚集损坏微波元件。CN201180072503.4提出从反应腔下部引入微波，产生的热解挥发分能够从反应腔上部被抽出，避免了微波发生器污染的问题，同时在旋转圆盘上方形成较佳的微波能量区域，有利于微波辅助式快闪热解裂解。但该方法中微波源的布置仅限于反应腔的下部，空间位置有限，若要实现快闪热解裂解，需要配备大功率磁控管以增加微波场强度，这会大幅度增加成本。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种物料连续热解气化的方法，该方法裂解速度快、气化效率高，得到气体产品品质高，能够满足合成液体燃料的要求，具有良好应用前景。
本发明的物料连续热解气化的方法，包括如下内容：
（1）通过螺旋输送的原料和催化剂进入微波热解气化系统，在重力作用下落至微波反应腔的一级旋转圆盘并随着转动依次经过干燥、活化和热解处理；
（2）热解处理后的物料在一级推进挡板的作用下落入微波反应腔的二级旋转圆盘并与热解挥发分一起在水蒸气的作用下继续进行气化和重整反应；
（3）经步骤（2）处理得的固体产物，包括催化剂、焦炭和灰分通过二级推进挡板从二级旋转圆盘的中间开孔落入微波反应腔下方的储渣罐，在搅拌和螺旋双重作用下排出反应系统，而气体产物则由微波反应腔底部的环形筛板进入沉降室，经沉降处理得到气化产品。
本发明方法中，步骤（1）所述的原料是指能够在高温条件下发生分解的物质，包括生物质、工业废弃物、煤炭、油页岩等，其中生物质包括玉米秸秆、稻壳、麦秆、木块、树叶或树枝等任何含有木质纤维素的生物质，工业废弃物包括废弃塑料、废弃橡胶轮胎、城市垃圾等有机废弃物，煤炭包括任何低粘结指数的褐煤、低变质烟煤、中变质烟煤和高变质煤。原料形状可以是包括片材、圆形、圆柱、锥形、长方体等任何形状的物质，原料最大方向尺寸不超过50mm，优选5~10mm。
本发明方法中，步骤（1）的原料和催化剂通过螺旋进料器进入微波反应腔并在重力作用自由下落至一级旋转圆盘，处理温度300~600℃，功率密度1×105~6×105W/m3，进料速率1~10kg/h，由于一级旋转圆盘为热解区域，较高的温度会使原料依次发生脱水、活化和热解过程，根据原料性质和催化剂的选择，整个过程的处理时间1~10分钟，可通过一级旋转圆盘转速来控制具体的处理时间。在微波场中，原料中的水分子有利于提高升温速率，而脱水过程又会改变物料结构，起到活化的作用，进一步提高热解或者催化裂解程度，同时生成的水蒸气也可参与到气化重整区内的裂解、氧化、还原以及重整等反应，发挥类似气化气的作用，减少外源性水蒸气用量。原料经过催化裂解处理后转化成大部分热解挥发性产物以及少量半焦，其中半焦占10%~20%，热解挥发分占80%~90%，热解挥发分中包括约10%~30%可冷凝性组分。
本发明方法中，步骤（1）所述的催化剂由炭类微波吸收剂、金属氧化物和氢氧化物三部分组成，炭类微波吸收剂作为载体，金属氧化物和氢氧化物作为活性组分，其中金属氧化物占催化剂质量的1%~10%，氢氧化物占催化剂质量的1%~10%，余量为载体；炭类微波吸收剂包括活性炭、生物焦、石墨等，优选生物焦；金属氧化物是具有两性的金属氧化物，包括氧化镍、氧化钛、氧化锆、氧化镧、氧化硒、氧化铝等中的一种或几种组合，优选氧化镍；氢氧化物包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钙、氢氧化镁等中的一种或几种组合，优选氢氧化钾。上述催化剂与生物质原料投料质量比为1:2~1:20。
本发明的生物质热解催化剂的制备方法，包括如下内容：将炭类微波吸收剂、金属氧化物以及氢氧化物混合置于球磨机中，室温条件下球磨处理，然后将上述粉碎混匀的混合物加入到双螺杆挤出机中，挤出造粒，得到产物。
所述的球磨转速100~150转/分，处理时间为2~8小时；
所述的挤出条件如下：挤出温度25~60℃，挤出速度为0.05~0.15mm/s，挤出头长度为6~20mm，挤出直径为0.5~2mm。
本发明方法中，步骤（2）所述气化和重整反应温度为600~800℃，反应时间1~10分钟，功率密度6×105~10×105W/m3，进口水蒸气流量1~10m3/h，其中进入气化重整区域的水蒸气流量在0.5~5m3/h，其余的水蒸气通过中空旋转轴可以重复回用，水蒸气的温度为120~200℃。在气化重整过程中，从热解过程中形成的半焦能够迅速吸波升温，加速焦油裂解成轻油甚至小分子气体，而在水蒸气的作用下半焦中的挥发性组分不仅能进一步释放出来，而且也能消除生物焦表面积炭，同时也能催化CxHy和CO2进行合成气的转化反应，进一步降低固液含量，提高生物炭转化率。经过气化重整处理后的气体占90~95%，焦油含量0.01~0.1%，半焦5~10%。
本发明方法中，步骤（3）所述催化剂、焦炭和灰分落入到储渣罐后仍然保持着较高温度，由于微波的体加热作用机制，使得焦炭温度能够达到600~800℃，如此高的温度既能加热中空旋转轴的水蒸气，也能保证气体产物在经过筛板和沉降处理时始终保持气态，提高了能量回收利用效率。
本发明方法中，步骤（3）所述的筛板为凸形筛板，凸形长度1~10cm，筛板孔径Φ1~Φ5mm，筛板向下倾斜角度为10°~60°。这样的设计能够降低气体中的颗粒携带量，同时又能将未过筛的颗粒通过筛板斜面汇入储渣罐。
本发明方法中，步骤（3）所述的沉降处理采用多层沉降室，延长气体的停留时间，提高气体中携带颗粒的沉降效率，同时也能促进气体中的水蒸气继续与高温颗粒炭发生反应，进一步降低气体的固体携带量。最终得到的气化产品H2/CO在1.5~2.2之间，焦油含量10~20mg/m3，整个过程生物碳的有效转化率在90~98%。
本发明同时提供一种物料连续微波热解气化系统，包括螺旋进料器、微波反应腔、微波发生器、一级旋转圆盘、二级旋转圆盘、中空旋转轴、筛板、沉降室、储渣罐和螺旋排渣器；螺旋进料器位于微波反应腔上部；微波反应腔外部设置微波发生器；微波反应腔内部设有一级旋转圆盘和二级旋转圆盘，两级旋转圆盘通过中空旋转轴固定；在中空旋转轴上部连有一级推进挡板，中空旋转轴底端与水蒸气回用管相连；二级旋转圆盘上部设有金属衬管，金属衬管连有二级推进挡板；微波反应腔底部为圆环状，由向下倾斜的筛板构成，筛板（圆环环形部分）下方连接沉降室，沉降室设置气体产品出口；微波反应腔底部的非筛板部分（圆环状的小圆部分）与下方储渣罐相通，储渣罐内有搅拌器，并与螺旋排渣器相通。
其中，所述的微波热解反应腔外部侧面分布一定数量的微波石英窗口，每个窗口对应一个微波发生器，单个微波发生器的功率为500~2000W，根据反应器的容积等情况设置具体的窗口数量，一般设置4~50个，保证反应器内的功率密度在1×105~10×105W/m3。
所述的微波热解气化系统采用立式移动床反应器，根据设置旋转圆盘划分不同的反应区间，一级旋转圆盘上部（包括一级旋转圆盘）为热解区域，温度300~600℃；一级旋转圆盘和二级旋转圆盘之间（包括二级旋转圆盘）为气化重整区域，温度600~800℃。每个区的温度由所对应的微波发生器控制，为了避免因温度控制导致的生物质受热不均甚至存在夹生的问题，本发明中所有微波控温机构皆采用连续功率调节以保证物料全时吸收微波而加热。
所述的微波反应腔设有两级旋转圆盘，其中一级旋转圆盘为无底面部分的圆锥结构，圆锥底面直径为微波反应腔内径的1/2~4/5，圆锥的母线与水平方向的夹角为10~45°；二级旋转圆盘为无上下底面部分的倒立圆台结构，圆台的下底面（二级旋转圆盘向上的一侧）直径为微波反应腔内径的1/100~1/10，圆台的上底面的直径为微波反应腔内径的1/5~1/2，圆台的母线与水平方向的夹角为10~45°。一级和二级旋转圆盘通过圆盘底部金属支撑件固定于中空旋转轴，金属支撑件通过螺栓与旋转圆盘连接固定。
本发明所述的两级旋转圆盘结构可以根据现有加工技术进行加工制作，可以一次成型，也可以按照如下结构进行制作。
其中，所述的一级旋转圆盘的结构如下：由圆盘（图3）和金属支撑（图4）两部分构成，圆盘由四块同种材质同种尺寸的扇形环盘围绕相同的圆心角组成，每块尺寸的圆心角为90°，一级圆盘的最小同心圆内径等于或略大于中空旋转轴外径；圆盘的材质为无机杂化材料，选自二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化铝、四氧化三铁、氧化锆、氧化镁中的一种或几种组合；金属支撑由若干金属同心圆环4-1、4-2、4-3、…通过焊接方式构成的圆锥“外斜面”和四组板材（每组包括一对呈对映关系的板材，如4a’和4a”、4b’和4b’’、4c’和4c’’、4d’和4d’’）焊接之上构成的“筋”组成（图4），其中最小的金属同心圆环4-1直接焊接于中空旋转轴6进行固定，“外斜面”与水平方向的夹角为10~45°，所述的四组板材中，4a’和4a”、4b’和4b’’垂直焊接于“外斜面”（图5），4c’和4c’’、4d’和4d’’平铺焊接于“外斜面”（图6），两组垂直或平铺于“外斜面”的板材间夹角为90°，每组垂直和每组平铺于“外斜面”的板材间夹角为45°。四组板材4a’和4a”、4b’和4b’’、4c’和4c’’、4d’和4d’’外端分别连接圆心向内的弧形金属挡片4-1a’和4-1a’’、4-1b’和4-1b’’、4-1c’和4-1c’’、4-1d’和4-1d’’ （图5和图6），金属挡片配有螺栓可用于圆盘的固定。
所述的二级旋转圆盘的结构如下：二级旋转圆盘由圆盘和金属支撑组成，圆盘由四块同种材质同种尺寸的扇形环盘围绕相同的圆心角组成，每块尺寸的圆心角为90°，二级圆盘的最小同心圆内径为微波反应腔内径的1/5~1/2；圆盘的材质为无机杂化材料，选自二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化铝、四氧化三铁、氧化锆、氧化镁中的一种或几种组合；二级旋转圆盘的金属支撑由若干金属同心圆环5-1、5-2、5-3、…通过焊接方式构成的倒立圆台“内斜面”和四组板材（每组包括一对呈对映关系的板材）焊接之上构成的“筋”组成（图8），其中最小的金属同心圆环5-1通过金属焊条与中空旋转轴6连接固定，“内斜面”与水平方向的夹角为10~45°，所述的四组板材中，5a’和5a”、5b’和5b’’垂直于“内斜面”（图9），5c’和5c’’、5d’和5d’’平铺于“内斜面”（图10），两组垂直或平铺于“内斜面”的板材间夹角为90°，每组垂直和每组平铺于“内斜面”的板材间夹角为45°。四组板材5a’和5a”、5b’和5b’’、5c’和5c’’、5d’和5d’’内外两端都连接圆心向内的弧形金属挡片5-1a’和5-1a’’、5-1b’和5-1b’’、5-1c’和5-1c’’、5-1d’和5-1d’’（图9和图10），金属挡片配有螺旋可用于圆盘的固定。
所述的一级（二级）圆盘与金属支撑的连接和固定是通过两组垂直于“外（内）斜面”板材、两组平铺于“外（内）斜面”板材和弧形金属挡片共同实现的。扇形环盘底部通过平铺于“外（内）斜面”板材支撑，扇形环盘的两个半径面由垂直于“外（内）斜面”板材进行包围，扇形环盘的外环面或者内外环面通过金属挡片和螺栓进一步加固。
所述的两级旋转圆盘通过中空旋转轴固定，中空旋转轴贯穿整个微波腔体和储渣罐，中空旋转轴为中空结构，内部可通入水蒸气等反应性气体；旋转轴在一级旋转圆盘和二级旋转圆盘之间部分分布若干气孔；旋转轴在一级旋转圆盘上部设有外套管，其中外套管焊接一级推进挡板，形状为平行四边形，平行四边形锐角与一级旋转圆盘倾斜角互为直角，一级推进挡板尽可能贴近一级旋转圆盘；在储渣罐部分轴外层焊接搅拌机构，搅拌机构是指任何能够起到搅动和推送物料的器件或方式，包括叶式桨、锚式浆、旋桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、桨式搅拌器、锚式搅拌器等。
本发明中，微波反应腔由金属的外壁和陶瓷内胆构成，包括上微波反应腔和下微波反应腔，分别设置内胆，上微波反应腔对应一级旋转圆盘，下微波反应腔对应二级旋转圆盘，并通过法兰连接和密封。
同时法兰结构处不设置微波源，保证上下微波反应腔微波的互相干扰明显降低，使得温度更加容易控制。为了防止上微波反应腔内胆滑落，在上微波反应腔金属外壁底端（法兰结构之上）上焊接内径小于对应的陶瓷内胆外径的圆环状金属衬管来支撑。同理，也在下微波反应腔金属外壁顶端（法兰结构之下）焊接内径小于对应陶瓷内胆外径的圆环状金属衬管。一方面金属内衬紧贴下微波反应腔内胆，在金属衬管上焊接推进挡板能够最大限度接近二级旋转圆盘，同时也能满足二级旋转圆盘生物料的进一步热解（由于内胆处于微波源发生区域）。另一方面，金属衬管也能起到固定陶瓷内胆和密封反应器的要求。
本发明中，位于一级旋转圆盘和二级旋转圆盘之间的法兰下端连有金属衬管，金属衬管上焊接二级推进挡板，二级推进挡板形状为平行四边形，平行四边形锐角与二级旋转圆盘倾斜角互为直角，二级推进挡板尽可能贴近二级旋转圆盘。
本发明并不限于两级旋转圆盘，可根据具体需要，设置多级旋转圆盘和微波反应腔，并通过多个法兰的连接和多级推进挡板设计实现物料的连续微波热解气化；如设置多级旋转圆盘，由上至下第一级至倒数第二级的旋转圆盘的结构相同，下部的倒数第一级旋转圆盘结构与本发明所述的两级旋转圆盘中的二级旋转圆盘相同。
所述的储渣罐位于微波反应腔正下方，储渣罐的内径大于二级旋转圆盘的圆台上底面直径，为微波反应腔内径的2/5~2/3；储渣罐内除了旋转轴上的搅拌机构外，底部有螺旋排渣机构，可根据反应系统内物料堆积情况控制搅拌和排渣速率，在确保物料充分反应的同时，提高整个系统的处理量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、针对现有微波热解气化技术存在连续化以及放大困难的问题，设计开发了具有多级旋转盘（至少为两级）的连续化圆盘旋转窑，延长物料在微波反应腔的停留时间，促进热解气化的充分进行，同时也有利于提高单机的处理规模，克服传统圆盘旋转窑单级旋转盘存在热解不充分以及需要大功率磁控管才能保证较高处理量的问题。另外，这种多级旋转盘的连续化圆盘旋转窑更多在高度上有所增加，占地面积小，更容易规模放大和工业化应用。
2、多级旋转盘的连续化圆盘旋转窑通过倾斜的旋转圆盘和推进挡板设计，实现了物料在反应器内的连续热解气化。同时旋转圆盘的中控旋转轴通入低温水蒸气既能保证水蒸气的使用温度，同时也能够避免中控旋转轴因温度过高而变形，延长使用寿命。
3、多级旋转盘的连续化圆盘旋转窑采用反应腔侧壁微波加热，避免传统微波源在反应腔上部被热解挥发分粘结或者下部被生物焦污染的隐患，同时侧壁没有进出料口、进出气口等设置，具有更多摆放微波源的空间，也有利于微波功率的放大和规模化的处理工艺。
4、多级旋转盘的连续化圆盘旋转窑气化工艺采用廉价的微波适应性催化剂提高了热解气化效率，降低了焦油和半焦等副产物的生成，碳的有效转化率明显提高。微波适应性催化剂采用热解过程产生的生物焦作为微波吸收载体，兼具微波弱吸收性和强催化裂解的金属氧化物和氢氧化物作为活性组分，既发挥活性组分的催化活性，同时又避免活性组分长时间微波作用造成的结构性变化失活，延长催化剂使用寿命。
5、多级旋转盘的连续化圆盘旋转窑热解气化工艺将热解、气化和重整等反应过程进行有效集成，提高了整个系统的能源利用效率，降低气化的生产成本，同时采用的螺旋储渣罐、筛板和多层沉降室的组合设计能够进一步降低气体中的固体颗粒携带量，提高物料的碳转化率，为内部碳循环技术利用提供了有效途径。
附图说明
图1 物料连续热解气化反应装置（以两级旋转圆盘为例）结构示意图；
图2 微波反应腔内部结构示意图；
图3 一级旋转圆盘的材料拼接示意图；
图4 一级旋转圆盘金属支撑总体结构示意图；
图5 一级旋转圆盘垂直金属支撑结构示意图；
图6 一级旋转圆盘平铺金属支撑结构示意图；
图7 二级旋转圆盘的材料拼接示意图；
图8 二级旋转圆盘金属支撑总体结构示意图；
图9 二级旋转圆盘垂直金属支撑结构示意图；
图10 二级旋转圆盘平铺金属支撑结构示意图。
其中，螺旋进料器1，微波反应腔2，微波发生器3，一级旋转圆盘4，二级旋转圆盘5，中空旋转轴6，一级推进挡板7，二级推进挡板8，焊条9，金属衬管10，筛板11，沉降室12，气体产品出口13，储渣罐14，搅拌器15，螺旋排渣器16，水蒸气回用管17，金属外套管18，水蒸气气孔19，陶瓷内胆20，法兰21，一级旋转圆盘材料4a、4b、4c、4d，二级旋转圆盘材料5a、5b、5c、5d，一级旋转圆盘垂直金属支撑板材4a’和4a”、4b’和4b’’，一级旋转圆盘平铺金属支撑板材4c’和4c’’、4d’和4d’’，二级旋转圆盘垂直金属支撑板材5a’和5a’’、5b’和5b’’，二级旋转圆盘平铺金属支撑板材5c’和5c’’、5d’和5d’’，一级旋转圆盘金属挡片4-1a’和4-1a’’、4-1b’和4-1b’’、4-1c’和4-1c’’、4-1d’和4-1d’’，二级旋转圆盘金属挡片5-1a’和5-1a’’、5-1b’和5-1b’’、5-1c’和5-1c’’、5-1d’和5-1d’’。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明方案进行详细说明，但本发明不受下述实施例的限制。
如图1所示的物料连续热解气化反应装置，包括螺旋进料器1、微波反应腔2、微波发生器3、一级旋转圆盘4、二级旋转圆盘5、筛板11、沉降室12、储渣罐14和螺旋排渣器15。螺旋进料器1位于微波反应腔2上部；微波反应腔2外部设置微波发生器3；微波反应腔2内部设有一级旋转圆盘4和二级旋转圆盘5，两级旋转圆盘都通过中空旋转轴6固定，其中二级旋转圆盘5通过焊条9与中空旋转轴6连接；在中空旋转轴6上部连有一级推进挡板7，而中空旋转轴底端与水蒸气回用管17相连；二级旋转圆盘5上部设有金属衬管10，金属衬管10连有二级推进挡板8；
微波反应腔2底部为圆环状，由向下倾斜的筛板11构成，筛板11（圆环环形部分）下方连接沉降室12，沉降室12设置气体产品出口13；微波反应腔2底部的非筛板部分（圆环状的小圆部分）与下方储渣罐14相通，储渣罐14内有搅拌器15，并与螺旋排渣器16相通。
如图2所示的微波反应腔2包括上下两个部分，并通过法兰21连接和密封，法兰21位于一级旋转圆盘4和二级旋转圆盘5之间。位于法兰21之上的一级推进挡板7板通过中空旋转轴6的金属外套管18进行固定，中空旋转轴6在一级旋转圆盘4和二级旋转圆盘5之间设有若干水蒸气气孔18。法兰21下端连有金属衬管10，金属衬管10上焊接二级推进挡板8并紧贴二级旋转圆盘5，金属衬管10下面与陶瓷内胆20进行密封处理。
如图3~6的一级旋转圆盘4由材料4a、4b、4c、4d拼接组成，并通过垂直金属板材4a’和4a”、4b’和4b’’，平铺金属板材4c’和4c’’、4d’和4d’’进行支撑和金属挡片4-1a’和4-1a’’、4-1b’和4-1b’’、4-1c’和4-1c’’、4-1d’和4-1d’’进行固定。
如图7~10的二级旋转圆盘5由材料5a、5b、5c、5d拼接组成，并通过垂直金属板材5a’和5a’’、5b’和5b’’， 平铺金属板材5c’和5c’’、5d’和5d’’进行支撑和金属挡片5-1a’和5-1a’’、5-1b’和5-1b’’、5-1c’和5-1c’’、5-1d’和5-1d’’进行固定。
本发明的物料连续热解气化装置具体工作过程如下：物料通过螺旋进料器1送入微波反应腔2，并在重力作用下落入一级旋转圆盘4，当一级旋转圆盘4上基本铺满物料时，同时转动一级旋转圆盘4和二级旋转圆盘5，通过一级旋转圆盘4的一级推进挡板7的作用下，物料不断从一级旋转圆盘4落入二级旋转圆盘5，待二级旋转圆盘5基本铺满物料时启动微波发生器3，通过连续调节各微波发生器的功率来实现热解区和气化重整区的温度精确控制。物料在一级旋转圆盘4进行热解反应，生成的半焦被一级推进挡板7送到二级旋转圆盘5，并与气液热解挥发分在水蒸气（从水蒸气气孔19通入）的作用下气化，部分固体（半焦）发生气化反应，部分焦油发生裂解反应，气体中的CxHy和CO2也在焦炭/水蒸气的联合作用下进行重整反应，进一步降低固液含量，提高碳转化率。经过气化和重整处理后的气体从二级旋转圆盘5中间通道进入筛板11并脱除部分气体中的部分固体颗粒物，然后在沉降室12中继续气固分离，从气体产品出口13释放，得到高品质的合成气产品。残留的焦炭和灰分在二级推进挡板8作用下从二级旋转圆盘5中间通道落入储渣罐14，通过搅拌器15的带动，逐步向下移动，最终被螺旋排渣器16移出反应系统。
下面通过实施例进一步说明本发明的效果，其中的百分含量为质量百分含量。
实施例中所使用的催化剂的制备
采用干法球磨的方法，将氧化镍、氢氧化钾和热解过程生成的生物焦按照质量比1:1:10进行混合，并在转速150转/分条件下球磨2小时，得到均匀的炭粉催化剂，然后冷压成条状颗粒，尺寸为φ4mm×6mm，所得催化剂定义为NiO1.0KOH1.0/C10，其中NiO含量为8.33%，KOH含量为8.33%。
实施例1
生物质原料与微波催化剂NiO1.0KOH1.0/C10按照15:1比例通过螺旋进料器1送入微波反应腔2，并在重力作用下落入一级旋转圆盘4（圆锥底面直径为微波反应腔内径的3/5，圆锥母线与水平方向的夹角为15°），当一级旋转圆盘4上基本铺满物料时，同时转动一级旋转圆盘4和二级旋转圆盘5（圆台的下底面直径为微波反应腔内径的19/20，圆台的上底面的直径为微波反应腔内径的1/4，圆台的母线与水平方向的夹角为20°），通过一级旋转圆盘4的一级推进挡板7的作用下，物料不断从一级旋转圆盘4落入二级旋转圆盘5，待二级旋转圆盘5基本铺满物料时启动微波发生器3，设置热解区和气化重整区的温度分别为600℃和800℃，对应的微波功率分别为6×105 W/m3、10×105 W/m3。当微波微波反应腔2到设置温度后，调整进料速率10kg/h，首先原料在热解区处理10min，形成的气液固产物中半焦占20%，热解挥发分占80%，热解挥发分中包括约20%可冷凝性组分。生成的半焦被一级推进挡板7送到二级旋转圆盘5，并与热解挥发分在水蒸气（从水蒸气气孔19通入）的作用下气化，同时控制进口水蒸气流量10m3/h，水蒸气的温度为200℃，其中进入气化重整区域的水蒸气流量在5m3/h，剩余的水蒸气通过水蒸气回用管17循环使用。在水蒸气作用下，部分固体（半焦）发生气化反应，部分焦油发生裂解反应，气体中的CxHy和CO2也在焦炭/水蒸气的联合作用下进行重整反应，此时产物中热解挥发分为92%，其中可冷凝性组分0.05%，而半焦8%，气化重整过程持续10min。经过气化和重整处理后的气体从二级旋转圆盘5中间通道进入筛板11（筛板向下倾斜角度为30°）并脱除部分气体中的部分固体颗粒物，然后在沉降室12中继续气固分离，从气体产品出口13释放，得到高品质的合成气产品，H2/CO在1.95，焦油含量0.0018%（约18mg/m3），整个过程生物碳的有效转化率达到92%。残留的焦炭和灰分在二级推进挡板8作用下从二级旋转圆盘5中间通道落入储渣罐14，通过搅拌器15的带动，逐步向下移动，最终被螺旋排渣器16移出反应系统。
实施例2
生物质原料与微波催化剂NiO1.0KOH1.0/C10按照2:1比例通过螺旋进料器1送入微波反应腔2，并在重力作用下落入一级旋转圆盘4（圆锥底面直径为微波反应腔内径的1/2，圆锥母线与水平方向的夹角为10°），当一级旋转圆盘4上基本铺满物料时，同时转动一级旋转圆盘4和二级旋转圆盘5（圆台的下底面直径为微波反应腔内径的9/10，圆台的上底面的直径为微波反应腔内径的1/5，圆台的母线与水平方向的夹角为45°），通过一级旋转圆盘4的一级推进挡板7的作用下，物料不断从一级旋转圆盘4落入二级旋转圆盘5，待二级旋转圆盘5基本铺满物料时启动微波发生器3，设置热解区和气化重整区的温度分别为300℃和600℃，对应的微波功率分别为1×105 W/m3、6×105 W/m3。当微波微波反应腔2到设置温度后，调整进料速率1kg/h，首先原料在热解区处理1min，形成的气液固产物中半焦占10%，热解挥发分占90%，热解挥发分中包括约10%可冷凝性组分。生成的半焦被一级推进挡板7送到二级旋转圆盘5，并与热解挥发分在水蒸气（从水蒸气气孔19通入）的作用下气化，同时控制进口水蒸气流量1m3/h，水蒸气的温度为120℃，其中进入气化重整区域的水蒸气流量在0.5m3/h，剩余的水蒸气通过水蒸气回用管17循环使用。在水蒸气作用下，部分固体（半焦）发生气化反应，部分焦油发生裂解反应，气体中的CxHy和CO2也在焦炭/水蒸气的联合作用下进行重整反应，此时产物中热解挥发分为95%，其中可冷凝性组分0.02%，而半焦5%，气化重整过程持续1min。经过气化和重整处理后的气体从二级旋转圆盘5中间通道进入筛板11（筛板向下倾斜角度为60°）并脱除部分气体中的部分固体颗粒物，然后在沉降室12中继续气固分离，从气体产品出口13释放，得到高品质的合成气产品，H2/CO在2.2，焦油含量0.001%（约10mg/m3），整个过程生物碳的有效转化率达到98%。残留的焦炭和灰分在二级推进挡板8作用下从二级旋转圆盘5中间通道落入储渣罐14，通过搅拌器15的带动，逐步向下移动，最终被螺旋排渣器16移出反应系统。
实施例3
生物质原料与微波催化剂NiO1.0KOH1.0/C10按照20:1比例通过螺旋进料器1送入微波反应腔2，并在重力作用下落入一级旋转圆盘4（圆锥底面直径为微波反应腔内径的4/5，圆锥母线与水平方向的夹角为45°），当一级旋转圆盘4上基本铺满物料时，同时转动一级旋转圆盘4和二级旋转圆盘5（圆台的下底面直径为微波反应腔内径的99/100，圆台的上底面的直径为微波反应腔内径的1/2，圆台的母线与水平方向的夹角为10°），通过一级旋转圆盘4的一级推进挡板7的作用下，物料不断从一级旋转圆盘4落入二级旋转圆盘5，待二级旋转圆盘5基本铺满物料时启动微波发生器3，设置热解区和气化重整区的温度分别为600℃和800℃，对应的微波功率分别为6×105 W/m3、10×105 W/m3。当微波微波反应腔2到设置温度后，调整进料速率10kg/h，首先原料在热解区处理10min，形成的气液固产物中半焦占20%，热解挥发分占80%，热解挥发分中包括约30%可冷凝性组分。生成的半焦被一级推进挡板7送到二级旋转圆盘5，并与热解挥发分在水蒸气（从水蒸气气孔19通入）的作用下气化，同时控制进口水蒸气流量10m3/h，水蒸气的温度为200℃，其中进入气化重整区域的水蒸气流量在5m3/h，剩余的水蒸气通过水蒸气回用管17循环使用。在水蒸气作用下，部分固体（半焦）发生气化反应，部分焦油发生裂解反应，气体中的CxHy和CO2也在焦炭/水蒸气的联合作用下进行重整反应，此时产物中热解挥发分为90%，其中可冷凝性组分0.1%，而半焦10%，气化重整过程持续10min。经过气化和重整处理后的气体从二级旋转圆盘5中间通道进入筛板11（筛板向下倾斜角度为10°）并脱除部分气体中的部分固体颗粒物，然后在沉降室12中继续气固分离，从气体产品出口13释放，得到高品质的合成气产品，H2/CO在1.5，焦油含量0.002%（约20mg/m3），整个过程生物碳的有效转化率达到90%。残留的焦炭和灰分在二级推进挡板8作用下从二级旋转圆盘5中间通道落入储渣罐14，通过搅拌器15的带动，逐步向下移动，最终被螺旋排渣器16移出反应系统。
Claims (9)
1.一种物料连续热解气化的方法，其特征在于包括如下内容：（1）通过螺旋输送的原料和催化剂进入微波热解气化系统，在重力作用下落至微波反应腔的一级旋转圆盘并随着转动依次经过干燥、活化和热解处理；（2）热解处理后的物料在一级推进挡板的作用下落入微波反应腔的二级旋转圆盘并与热解挥发分一起在水蒸气的作用下继续进行气化和重整反应；（3）经步骤（2）处理得的固体产物，包括催化剂、焦炭和灰分通过二级推进挡板从二级旋转圆盘的中间开孔落入微波反应腔下方的储渣罐，在搅拌和螺旋双重作用下排出反应系统，而气体产物则由微波反应腔底部的环形筛板进入沉降室，经沉降处理得到气化产品；步骤（1）所述的催化剂由炭类微波吸收剂、金属氧化物和氢氧化物组成，炭类微波吸收剂作为载体，金属氧化物和氢氧化物作为活性组分，其中金属氧化物占催化剂质量的1%~10%，氢氧化物占催化剂质量的1%~10%，余量为载体；炭类微波吸收剂包括活性炭、生物焦或石墨中的一种或多种；金属氧化物是具有两性的金属氧化物，包括氧化镍、氧化钛、氧化锆、氧化镧、氧化硒或氧化铝中的一种或几种组合；氢氧化物包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钙或氢氧化镁中的一种或几种组合。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的原料是生物质、工业废弃物、煤炭或油页岩；其中生物质为玉米秸秆、稻壳、麦秆、木块、树叶或树枝，工业废弃物为废弃塑料、废弃橡胶轮胎或城市垃圾有机废弃物，煤炭为任何低粘结指数的褐煤、低变质烟煤、中变质烟煤和高变质煤。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：原料最大方向尺寸不超过50mm。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）的原料和催化剂通过螺旋进料器进入微波反应腔并在重力作用自由下落至一级旋转圆盘，处理温度300~600℃，功率密度1×105~6×105W/m3，进料速率1~10kg/h，处理时间1~10分钟。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：催化剂与原料投料质量比为1:2~1:20。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述气化和重整反应温度为600~800℃，反应时间1~10分钟，功率密度6×105~10×105W/m3，进口水蒸气流量1~10m3/h，其中进入气化重整区域的水蒸气流量在0.5~5m3/h，其余的水蒸气通过中空旋转轴重复回用，水蒸气的温度为120~200℃。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）所述的筛板为凸形筛板，凸形长度1~10cm，筛板孔径Φ1~Φ5mm，筛板向下倾斜角度为10°~60°。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）所述的沉降处理采用多层沉降室。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）得到的气化产品H2/CO在1.5~2.2之间，焦油含量10~20mg/m3，整个过程生物碳的有效转化率在90~98%。
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