磁场强化生物质热转化利用的方法及装置
技术领域
本发明涉及生物质热解气化技术，尤其涉及一种磁场强化对生物质热解体系影响及作用规律的方法及装置。
背景技术
生物质从广义角度是指直接或间接利用光合作用形成的有机物质。随着化石燃料的匮乏及对环境造成的污染，绿色、健康、可持续的发展理念成为目前应对全球气候变暖的关键。我国是一个农业大国，生物质资源丰富、分布广泛。生物质能源由于具有清洁、环保、可再生的特点，成为保障世界能源和经济可持续发展的重要手段之一，具有极大的开发利用前景。
生物质热转化技术是生物质能利用主要技术之一，工艺简单、操作方便，在带来经济利益的同时，缓解了资源环境突出的问题。虽然生物质热转化技术已经开始产业化应用，但是当前仍然存在转化率低、能耗高等问题。
传统的生物质热解制备合成气工艺装置以固定床、流化床为主要方式。固定床气化设备简单，操作稳定性好，适合小规模研究生物质反应特性。流化床气化炉具有处理量大、传质传热性能好和过程易于控制的优点，是生物质气化的有效设备之一。但是固定床和流化床生物质热转化工艺仍存在设备复杂、操作繁琐、能耗较高等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁场强化生物质热转化利用的方法及装置。本装置操作简单、经济适用；本方法主要是指磁场通过降低反应温度参数来达到生物质热解产物高值化利用这一目的，可以定向获得某种气体高含量或高热值燃料。通过加热生物质原料及反应过程中磁场对生物质气化物的物理作用，使得热解气化三态产物分布及成分发生变化，研究其成分、产量变化影响规律，且制备生物质燃料的工艺及装置操作简单，能源利用率高。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种磁场强化生物质热解制备燃料的方法，本方法可以提供高温下（600-800℃）磁场对生物质热解过程的影响作用机制。
为实现上述目的，本发明提供一种磁场强化生物质热转化利用装置，它包括圆筒状的石英管，可容纳石英管的高温加热装置，在高温加热装置的外部设置有板状永磁体和永磁体间距调节装置即旋转把手，板状永磁体对称布置于高温加热装置的两侧且平行设置，在石英管的下方通过管路连通有第一焦油瓶，第一焦油瓶通过顶部的连通管路连通有第二焦油瓶，第一焦油瓶和第二焦油瓶均置于冷水槽中，第二焦油瓶的顶部通过连通管路连通有干燥瓶，干燥瓶的顶部通过连通管路连通有集气袋。
所述石英管是由700 mm长、直径55mm的石英材质制作的圆筒形反应装置，所述石英管可耐温1000℃左右，保证生物质热解过程中的高温要求，且石英材质高温下不易发生化学反应，不会对生物质热解过程产生影响；所述绝磁是为了保证在石英管内部反应空间内有磁场存在且相对均匀。
所述高温加热装置是内径60mm、外径160mm的套筒状加热容器，高温加热装置内设有耐高温不导磁Ni-Cr合金材料制成的加热丝，高温加热装置采用聚合纤维P90经过模具化挤压成型，具有较好的隔热功能，避免了外层磁铁高温下消磁问题，为600℃-800℃反应装置提供稳定磁场。此材料不导磁，磁场穿透力强，保证中心反应处有磁场；高温加热装置外部温度在60℃左右，确保磁铁在规定温度下正常工作。高温加热装置特殊的隔热性能使得加热炉外部温度降低，进而降低磁铁耐高温承受温度，避免了外层磁铁高温下消磁问题，为600℃-800℃反应装置提供稳定磁场，磁铁性能选择性更强且装置更加经济实惠。
板状永磁体间的磁场强度在20mT-200mT。永磁体间距调节装置包括带有丝母的丝杠、导槽、固定架、旋转把手，板状永磁体安装在固定架上，固定架固定在丝母上，旋转把手与丝杠连接，板状永磁体由带有刻度并螺旋状旋转把手转动使得板状永磁体在丝杠带动下沿导槽移动，两丝杠之间设有一标尺，到达位置后有定位销插入导槽定位，可保障磁板之间位置准确且安全稳定。
所述板状永磁体是由磁板组成的永磁体，所述磁板是由钕铁硼材质制成的长3000mm、宽2000mm、高5000mm，将其平行对称放置在自制的反应装置台面上，通过控制磁板之间的距离来改变平行空间内磁场强度的大小，磁场强度在10mT-200mT。
所述磁板反应装置台面是由高1000mm、长500mm、宽400mm的方形不锈钢拼接而成，上面有不锈钢钢板承重，且在平行磁板之间的中心位置处留有直径为100mm的圆孔，使反应石英管穿过，平台设置四个轮子，方便装置的移动。
一种磁场强化生物质热转化利用的方法，它包括如下步骤：
原料预处理：加入催化剂与生物质质量比0.65的Ni/CaO（Ni/CaO质量比0.1）催化剂与5g木屑均匀混合，以15MPa的压力在压片机上进行压制，放入密封袋保存；
实验管路连接：将压制成型的生物质（木屑）原料放入热解舟中，进口处塞子塞好，连接好第一焦油瓶、第二焦油瓶及干燥瓶，为保证试验系统无空气及将热解气及时排除，通氮气进行实验，打开氮气瓶减压阀，气体流量计设置30mL/min，通气后用皂膜流量计检查系统气密性；
程序升温：保证系统气密性良好后，打开温度控制柜进行程序升温，30min后升到600℃-800℃；通过永磁体间距调节装置调整板状磁铁间距离，以得到目标磁场强度；
热解气的检测：将热解舟挂在下料挂钩处，推动下料挂钩至石英管的中心位置，打开气袋，收集热解气30min。
本方案的具体特点还有，板状永磁体间的磁场强度在20mT-200mT。
板状永磁体间的磁场强度在20mT-45mT。
本发明的有益效果是磁场能使油分子团的解脱作用占优势而形成小的油分子团,甚至是单个油分子；磁场通过磁化大分子，引起分子骨架诱导极化，使分子间内聚力减小，进而使有机大分子的降解，降低反应温度，此过程降低能耗，提高生物质能源转化率，对生物质热解技术进行了优化升级。与此同时在磁场的作用下可获得高热值产品气及生物油中芳香烃含量上升。磁场的加入对于生物质热转化技术发展来说是一种新尝试和新思路，对解决生物质热转化过程中高能耗、低转化率提供新的解决路径。本专利通过磁场强化生物质热解体系研究发现，磁场强化生物质热解对在不同磁场强度下获得高热值的产品气，对生物质热解过程中焦油的脱氧提出了全新的方式体系。生物质热转化体系中，外加磁场可促进生物质热解气化、焦油裂解、CO2吸收的深度进行。本发明对热解反应装置及生物质热解气化制高热值燃气及焦油脱氧的制备过程进行了优化创新，提出了全新的高效制备燃料技术。通过实施案例结果显示，磁场加入会显著影响生物质热解产物分布及成分变化，尤其是对气体组分变化及生物油脱氧产生明显效果，对高热值燃料品质的提升具有重要作用。本发明方法具有节能环保、产率高等优点，还具有很好的生态效应及经济效应，容易实现规模化、产业化应用。
附图说明
图1为磁场强化生物质热转化利用的工艺流程图。
图中：1-氮气瓶；2-下料挂钩；3-石英管；4-高温加热装置；5-热电偶；6-温度控制柜；7-热解舟；8-板状永磁体；9-旋转把手；10-平台装置；11-轮子；12-干燥瓶；13-集气袋；14-冷水槽；15-第一焦油瓶;16-第二焦油瓶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：如图1所示，一种磁场强化生物质热转化利用装置，它包括圆筒状的石英管3，石英管3顶部设置有塞子，可容纳石英管3的高温加热装置4，在高温加热装置4的外部设置有板状永磁体8和永磁体间距调节装置-旋转把手9，板状永磁体8对称布置于高温加热装置4的两侧且平行设置，在石英管3的下方通过管路连通有第一焦油瓶15，第一焦油瓶15通过顶部的连通管路连通有第二焦油瓶16，第一焦油瓶15和第二焦油瓶16均置于冷水槽14中，第二焦油瓶16的顶部通过连通管路连通有干燥瓶12，干燥瓶12的顶部通过连通管路连通有集气袋13。
所述石英管3是由700 mm长、直径55mm的石英材质制作的圆筒形反应装置，所述石英管3可耐温1000℃左右，保证生物质热解过程中的高温要求，且石英材质高温下不易发生化学反应，不会对生物质热解过程产生影响；
所述高温加热装置4是内径60mm、外径160mm的套筒状加热容器，高温加热装置4有耐高温不导磁Ni-Cr合金材料制成的加热丝，高温加热装置4采用聚合纤维P90（最高耐受温度1850℃）经过模具化挤压成型，此材料不导磁，磁场穿透力强，保证中心反应处有磁场；高温加热装置4外部温度在60℃左右，确保磁铁在规定温度下正常工作。
所述热解过程中循环通入的气体为氮气，氮气可将管路内空气排净保证热解发生前提条件，且将热解气排出管内。
一种磁场强化生物质热转化利用的方法，它包括如下步骤：
原料预处理：加入催化剂与生物质质量比0.65的Ni/CaO（Ni/CaO质量比0.1）催化剂与5g木屑均匀混合，以15MPa的压力在压片机上进行压制，放入密封袋保存；
实验管路连接：将压制成型的生物质（木屑）原料放入热解舟7中，进口处塞子塞好，连接好第一焦油瓶15、第二焦油瓶16及干燥瓶12，打开氮气瓶1减压阀，气体流量计设置流量为30mL/min，通气后用皂膜流量计检查系统气密性；
程序升温：保证系统气密性良好后，打开温度控制柜6进行程序升温，30min后升到650℃；
热解气的检测：将热解舟7挂在下料挂钩2处，推动下料挂钩2至石英管3的中心位置，打开气袋13，收集热解气，收集30min后，将热解气进气相色谱仪进行分析，高温加热装置4进行降温，降温过程仍通氮气保护，防止热解后生物炭在高温环境下被空气氧化；
焦油的检测：称取4mL二氯甲烷溶解焦油，经过过滤灰分，将将热解产生的焦油进气相质谱分析仪（GC-MS）进行成分测定；
实验结果分析：
产品气结果如下：磁场强度在20mT时，H2含量33.00%、CH4：16.00%、CO：33.00%、CO2:5.00%；磁场强度在35mT时，H2:38.00%、CH4：18.00%、CO：29.00%、CO2:5.00%;磁场强度在60mT时，H2:41.00%、CH4:16.00%、CO:27.00%、CO2:4.70%;磁场强度在80mT时，H2:39.00%、CH4:16.00%、CO:26.00%、CO2:5.00%.（其他未检测出气体不计）
生物油结果如下：在20mT时芳香烃类达最大64.65%，60mT时最少51.14%，35、45、70、80mT时依次为57.05%、52.48%、57.72%、53.77% 与此同时，含氧类酚、酮生物油在20mT时达最少35.34%，60mT时达最大48.86%，35、45、70、80mT时依次为42.95%、47.52%、42.28%、47.23%。
实施例2：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于本实施例作为实施例1的对比例无磁场加入。
通过实验可得如下实验结果：热解气含量依次为：H2：38.00%，CH4：15.00%：，CO：27.70%，CO2：7.20%。
生物油中芳香烃含量55.24%，含氧类酚、酮含量为44.75%。
与实施例1进行对比可得如下表1：
表1.产品气气体及生物油成分含量变化
注：气体单位：体积分数；油类单位：相对质量分数（本专利所有单位皆是）
通过上述实验及表1数据计算产品气热值可以得到，在20、35mT时，产品气热值增加10%左右，由此可知磁场的加入对制备高品质燃气起到重要作用。磁场加入使得生物油含氧量降低，对初级生物油进行提质，进而制得高品质燃料。
实施例3：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例无催化剂加入，反应温度为700℃，磁场强度设置在20mT和200mT。
实验结果分析如下：
在700℃且磁场强度在20mT时，各热解气含量及成分如下：H2：13.00%、CH4:20.10%、CO:43.12%、CO2:13.14%；芳香烃类生物油：32.02%；酚类、酮类生物油：44.50%；其他类生物油：23.48%；
在700℃且磁场强度在200mT时各热解气含量及成分如下：H2：15.03%、CH4:17.03%、CO:52.03%、CO2:15.03%；芳香烃类生物油：48.03%、酚类、酮类生物油：48.65%、其他类生物油：3.32%；
由此可见，热解气中CH4、CO含量明显增加，所以磁场的加入会提高热解气热值，生物油中在200mT下芳香烃含量增加，其他生物油含量降低，说明磁场提高了生物油质量。
实施例4：本实施例与实施例3相同之处不再赘述，不同之处在于，实验条件在800℃下进行，无磁场作用，对实验结果分析如下：
热解气成分及含量：H2：15.00%、CH4:18.00%、CO:52.02%、CO2:14.14%；芳香烃类生物油：36.33%；酚类、酮类生物油：44.50%；其他类生物油：19.17%；
表2.不同温度、磁场强度下热解气成分变化
通过实施例3、4对比且由表2可知，实验系统中磁场的加入明显降低了生物质热解过程中的反应温度100℃左右，热解气中气体含量成分相近，热解气中总热值有所上升；生物油方面，芳烃类含量增加3%-10%，与此同时，生物油中种类减少，主要为酮类酚类及芳香烃。通过以上实验结果分析可知，磁场的加入降低了反应温度，对实验操作参数进行了优化升级，降低能耗，促进能源利用率。
实施例5：本实施例与实施例3相同之处不再赘述，不同之处在于，热解温度800℃、将平行放置的板状磁铁的其中一块紧贴高温热解装置，由于高温热解装置具有良好的隔热性能，使得磁铁在正常工作温度下进行实验，用特斯拉计进行测量得磁场强度为130mT，实验结果及分析如下：
热解气成分及含量：H2：18.20%、CH4:17.00%、CO:54.12%、CO2:10.14%；芳香烃类生物油：40.33%；酚类、酮类生物油：40.50%；其他类生物油：18.17%；
实施例6：本实施例与实施例3相同之处不再赘述，不同之处在于，热解温度800℃、将平行放置的板状磁铁的其中一块紧贴高温热解装置，另一块可改变位置使得高温加热装置中心磁场改变，本实验设置在高温加热装置最近距离，即两块磁铁紧贴高温加热装置，用特斯拉计测量磁场大小为200mT，实验结果及分析如下：
热解气成分及含量：H2：18.01%、CH4:18.03%、CO:50.02%、CO2:11.14%；芳香烃类生物油：38.33%；酚类、酮类生物油：42.50%；其他类生物油：17.17%；
表3.800℃热解气、生物油不同磁场强度下成分分布
由实施案例5、6可知，磁场到达一定大小之后，热解气及生物油成分含量变化不明显，但会产生细微变化，相比不可移动式磁体而言，本装置优势在于双侧可移动，即磁场调节范围更广，但磁场强度的大小和目标产物并不是简单的线性正相关。
