一種基于微波的雙源熱耦合化學鏈氣化方法及其裝置與流程

本發明涉及生物質化學鏈氣化實驗裝置，尤其涉及一種基于微波的雙源熱耦合化學鏈氣化方法及其裝置。

背景技術：

在眾多生物質能源化利用技術中，化學鏈氣化(chemicalloopinggasification，clg)作為一種新穎的氣化技術，通過氧載體中的晶格氧替代常規氣化反應的介質，向燃料提供氣化反應所需要的氧元素并通過控制晶格氧與燃料的熱值比來獲得以h2和co為主要組分的合成氣。

國際上，針對生物質化學鏈氣化的研究大多依賴于借鑒煤化學鏈氣化的研究經驗。為獲得較高熱值的合成氣，使得氣化條件較為嚴苛，通常需要高溫高壓，這會對氣化反應的能量輸入提出很高的要求。如何建立一種高效，快速的氣化反應裝置是化學鏈氣化技術工業應用面臨的難題。

微波具有波長短(1m～1mm)頻率高(300mhz～300ghz)、量子特性等明顯特征。微波技術廣泛應用于雷達、導航、多路通訊、遙感及電視等方面。20世紀60年代開始，人們逐漸將微波加熱技術應用于紙類、木材、樹脂擠出等物理加工過程。近年，微波鉬工業的生產過程中導入微波加熱技術，不僅可有效提高反應轉化率、選擇性，而且體現出節能環保等諸多優點，其作為實現綠色工藝的手段之一而到人們的廣泛重視。

根據以往的生物質微波熱解/氣化研究，由于大多數生物質本身的弱微波吸收特性，微波加熱無法有效地實現生物質的直接加熱。通常的做法是將微波吸收劑混入生物質中，以提升微波加熱效率。但這又會引發反應物過于復雜，難以對反應過程及反應產物進行有效控制。

為解決生物質化學鏈氣化技術中面臨的技術難題，本發明提出了一種生物質化學鏈氣化實驗裝置及其方法,尤其涉及一種基于微波的雙源熱耦合化學鏈氣化方法及其裝置。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種基于微波的雙源熱耦合化學鏈氣化方法及其裝置。解決傳統做法容易引發反應物過于復雜，難以對反應過程及反應產物進行有效控制的技術問題。

本發明通過下述技術方案實現：

一種基于微波的雙源熱耦合化學鏈氣化裝置，包括如下部件：

微波輻射腔13；

填充有微波吸收劑的微波吸收劑負載槽10；

置于微波輻射腔13與微波吸收劑負載槽10之間的石英管反應腔9；石英管反應腔9由電機11驅動其旋轉；

所述微波輻射腔13內的中部以及對應位置的微波吸收劑負載槽10的下方設有由磁控管7構成的微波發生器；所述紅外測溫探頭群8分別設置在磁控管7的兩端；

所述微波輻射腔13的兩端分別連接第一三通閥門4-1和第二三通閥門4-2；

其中，第一三通閥門4-1的a端口連通環境大氣；第二三通閥門4-2的b端口連通微波輻射腔保護氣充氣裝置1；所述第二三通閥門4-2的a端口通過管路連通第一三通閥門4-1的b端口，在管路上依次串聯有保護氣冷卻裝置2、保護氣循環風機3。

所述石英管反應腔9的兩端口處分別設置有微波抑制器6；

第一三通閥門4-1向左撥，微波輻射腔13與環境大氣接通；

第二三通閥門4-2向右撥，聯通微波輻射腔保護氣充氣裝置1與微波輻射腔13，對微波輻射腔13進行充氣；

第二三通閥門4-2向左撥，第一三通閥門4-1向右撥，使微波輻射腔13、保護氣循環風機3、保護氣冷卻裝置2形成閉合回路。

所述第一三通閥門4-1與微波輻射腔13之間的連接管路上設有氣壓及氧濃度檢測表5。

所述微波輻射腔13還設有輻射腔鎖12。

一種基于微波的雙源熱耦合化學鏈氣化方法，其包括如下步驟：

步驟一：將物料置于石英管反應腔9中部，并將其左右兩端分別接入惰性載氣及產物收集裝置，先進行預吹掃以清空石英管反應腔9內空氣，并在氣化過程全程保持載氣供給直至反應結束；

步驟二：第一三通閥門4-1向左撥，使微波輻射腔13與環境大氣接通，同時第二三通閥門4-2向右撥，聯通微波輻射腔保護氣充氣裝置1與微波輻射腔13；對微波輻射腔13進行充氣，并關注氣壓及氧濃度檢測表5顯示的氧氣水平與內部保護氣壓力；當氧濃度低于0.1％時，將第二三通閥門4-2向左撥，第一三通閥門4-1向右撥，使微波輻射腔13、氣壓及氧濃度檢測表5、保護氣循環風機3、保護氣冷卻裝置2形成閉合回路；啟動保護氣循環風機3和保護氣冷卻裝置2，使惰性氣體在閉合回路內循環；整個反應過程需要維持微波輻射腔13的正壓，若氣壓及氧濃度檢測表5顯示壓力小于一個大氣壓時，應及時啟動微波輻射腔保護氣充氣裝置1來補充保護氣；

步驟三：啟動電機11，使石英管反應腔9維持緩速旋轉狀態；

接著啟動磁控管7，通過計算機控制其輸入功率與頻率；

物料表面溫度由紅外測溫探頭群8進行物料表面溫度監測，溫度數據由計算機采集存儲；微波吸收劑負載槽10內的溫度由貼片式熱電偶進行溫度監測，溫度數據同樣由計算機采集存儲；

反應結束，關閉磁控管7，解除微波輻射腔13輻射腔正壓，打開輻射腔鎖12，取出石英管反應腔9清洗。

本發明相對于現有技術，具有如下的優點及效果：

相比傳統的電爐加熱，雙源熱耦合化學鏈氣化裝置即包含了與傳統電爐相似的加熱方式(微波吸收劑的傳導、對流和表面輻射)，又包含了微波的電磁輻射體加熱，即保證了生物質氣化所需要的溫度條件，又引入了微波輻射能的作用，使得整個氣化過程更加穩定、高效、快速、安全。具體表現為：

(1)微波轉化為熱能的效率更高，更為直接，實現同樣的氣化條件，其輸入的電能大大降低；

(2)通過微波吸收劑吸收微波升溫，形成一個穩定高溫，保證了氣化過程所需要的穩定高溫；

(3)微波輻射可直接照射在物料上實現體加熱，配合微波吸收劑形成的穩定高溫加熱，形成雙源熱耦合強化加熱方式；

(4)反應腔在整個反應過程中不斷旋轉，可保證物料的充分混合和受熱，同時緩解氣化過程中產生的氧載體與生物質灰分燒結；

(5)常規熱電偶和單紅外測溫存在諸多問題，采用紅外測溫探頭群組進行非接觸式測溫，可避免測溫探頭對磁場的影響，并有效實現從低溫到高溫大跨度的測溫范圍，降低了設備制造的復雜程度。

(6)電機外圍的微波屏蔽網可以對泄漏的微波進行阻截，其配合微波抑制器可形成應對微波泄漏的雙層防護，有效防止微波泄漏；

(7)本裝置拆裝清洗簡單易行，且運行中所涉及的氣體及液體均無毒無害，整個反應過程安全穩定，綠色環保。

綜上所述，本發明技術手段簡便易行、高效快速、經濟節能、安全穩定、綠色環保的優點，可廣泛地適用于實驗室生物質化學鏈氣化實驗研究，并具有進一步推廣于工業應用的潛力。

附圖說明

圖1為本發明基于微波的雙源熱耦合化學鏈氣化裝置結構示意圖。

圖2為圖1局部剖視圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述。

實施例

如圖1、2所示。本發明公開了一種基于微波的雙源熱耦合化學鏈氣化裝置，包括如下部件：

微波輻射腔13；

填充有微波吸收劑的微波吸收劑負載槽10；

置于微波輻射腔13與微波吸收劑負載槽10之間的石英管反應腔9；石英管反應腔9由電機11驅動其旋轉；電機11外周覆蓋微波屏蔽網。

所述微波輻射腔13內的中部以及對應位置的微波吸收劑負載槽10的下方設有由磁控管7構成的微波發生器；所述紅外測溫探頭群8分別設置在磁控管7的兩端；

所述微波輻射腔13的兩端分別連接第一三通閥門4-1和第二三通閥門4-2；

其中，第一三通閥門4-1的a端口連通環境大氣；第二三通閥門4-2的b端口連通微波輻射腔保護氣(氬氣、氮氣)充氣裝置1；所述第二三通閥門4-2的a端口通過管路連通第一三通閥門4-1的b端口，在管路上依次串聯有保護氣冷卻裝置2、保護氣循環風機3。

所述石英管反應腔9的兩端口處分別設置有微波抑制器6；

第一三通閥門4-1向左撥，微波輻射腔13與環境大氣接通；

第二三通閥門4-2向右撥，聯通微波輻射腔保護氣充氣裝置1與微波輻射腔13，對微波輻射腔13進行充氣；

第二三通閥門4-2向左撥，第一三通閥門4-1向右撥，使微波輻射腔13、保護氣循環風機3、保護氣冷卻裝置2形成閉合回路。

所述第一三通閥門4-1與微波輻射腔13之間的連接管路上設有氣壓及氧濃度檢測表5。

所述微波輻射腔13還設有輻射腔鎖12。

本發明通過微波吸收劑吸收微波升溫，反應腔中部產生穩定高溫。

微波輻射可直接照射在物料上實現體加熱，配合微波吸收劑形成的穩定高溫加熱，形成雙源熱耦合強化加熱。

石英管反應腔在整個反應過程由電機帶動緩慢旋轉。

采用紅外測溫探頭群組進行非接觸式測溫，避免測溫探頭對磁場的影響。

石英管反應腔暴露在環境中的部分包裹著微波抑制器，其采用循環冷卻水作為吸收介質。

反應過程中，微波輻射腔內保護氣不斷循環冷卻，并由氣壓及氧濃度檢測表5監控壓力和氧氣濃度。壓力過低或氧氣濃度過高時，將開啟微波輻射腔保護氣充氣裝置以補充保護氣；

相比傳統的電爐加熱，雙源熱耦合化學鏈氣化裝置即包含了與傳統電爐相似的加熱方式(微波吸收劑的傳導、對流和表面輻射)，又包含了微波的電磁輻射體加熱，結合了傳統加熱和微波體加熱的優點，使得整個氣化過程更加穩定、高效、快速、安全。

微波抑制器采用水作為泄漏微波的吸收介質，并使用循環冷卻手段維持水溫，能高效吸收泄漏微波，安全無害。

微波輻射腔充滿惰性保護氣，防止高溫條件下微波吸收劑與空氣發生反應，并設有循環裝置以節約氣體使用。采用紅外測溫探頭群組，可穿透石英管，實現從低溫到高溫大跨度的溫度監測。

其中微波抑制器6采用水作為泄漏微波的吸收介質，并使用循環冷卻手段維持水溫，能高效吸收泄漏微波，安全無害；微波輻射腔13保護氣的作用為防止高溫條件下微波吸收劑與空氣發生反應；由于石英的透過的紅外波段為0.14um～4.5um，無法實現從低溫到高溫大跨度的測溫范圍，因而需要采用紅外測溫探頭群8(高溫探頭和低溫探頭)；電機外圍的微波屏蔽網可以對泄漏的微波進行阻截，其配合微波抑制器可形成應對微波泄漏的雙層防護。

一種基于微波的雙源熱耦合化學鏈氣化方法，其包括如下步驟：

步驟一：將物料置于石英管反應腔9中部，并將其左右兩端分別接入惰性載氣及產物收集裝置(無先后順序)，先進行預吹掃以清空石英管反應腔9內空氣，并在氣化過程全程保持載氣供給直至反應結束；

步驟二：第一三通閥門4-1向左撥，使微波輻射腔13與環境大氣接通，同時第二三通閥門4-2向右撥，聯通微波輻射腔保護氣充氣裝置1與微波輻射腔13；對微波輻射腔13進行充氣，并關注氣壓及氧濃度檢測表5顯示的氧氣水平與內部保護氣壓力；當氧濃度低于0.1％時，將第二三通閥門4-2向左撥，第一三通閥門4-1向右撥，使微波輻射腔13、氣壓及氧濃度檢測表5、保護氣循環風機3、保護氣冷卻裝置2形成閉合回路；啟動保護氣循環風機3和保護氣冷卻裝置2，使惰性氣體在閉合回路內循環；整個反應過程需要維持微波輻射腔13的正壓，若氣壓及氧濃度檢測表5顯示壓力小于一個大氣壓時，應及時啟動微波輻射腔保護氣充氣裝置1來補充保護氣；

步驟三：啟動電機11，使石英管反應腔9維持緩速旋轉狀態；

接著啟動磁控管7，通過計算機控制其輸入功率與頻率；

物料表面溫度由紅外測溫探頭群8進行物料表面溫度監測，溫度數據由計算機采集存儲；微波吸收劑負載槽10內的溫度由貼片式熱電偶進行溫度監測，溫度數據同樣由計算機采集存儲；

反應結束，關閉磁控管7，解除微波輻射腔13輻射腔正壓，打開輻射腔鎖12，取出石英管反應腔9清洗。

如上所述，便可較好地實現本發明。

本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。