[0001] 本发明属于矿物加工技术领域，尤其涉及一种多尺度耦合作用强化催化生物质热解气化的系统及方法。

[0002]

[0003]

[0004] 目前对生物质能的利用技术主要有生物转化技术、物理化学转化技术、热化学转化技术等，其中，热化学转化技术中的热解气化技术可将低能量密度生物质转化为高能量密度的气、液、固产物。热解气化技术可将生物质中的碳在高温的作用下，通过气化介质，生成含氢量较高的可燃合成气等，广泛用于发电等领域。由于生物质原料自身含水量大、含氧量高、结构复杂、难粉碎、热值低，导致生物质热解气化过程存在转化效率低、产物定向性差、焦油含量高等问题，限制了生物质热解气化技术的规模化应用和整体经济性。

[0005] 微波由特定谐振频率的元件激发电磁振荡而产生。微波作用下，物料中极化分子不断发生旋转、振动、摩擦，进而产生热量。微波具有快速加热、选择性加热、热源即开即停等优点，在高耗能的工业相关领域具有广阔的应用前景。流态化技术是指物料在流体介质作用下呈流体化状态进行加热，具有产品质量均匀、传热传质效果好和自动化水平高等优点。本发明提供一种在微波场、应力场、气固流场、温度场、添加剂等多尺度耦合作用系统，实现秸秆型生物质热解和气化过程的催化强化。

[0034] 实施例1：一种多尺度耦合作用强化催化生物质热解气化的系统，如图1所示，包括给料室1、一级升温热解室2、二级催化气化室3、第一供气装置4、第二供气装置5、第三供气装置6、第一微波发生装置7、第二微波发生装置8、旋风装置9、测温装置10、动力装置11、集料室12和集气罐13。

[0035] 给料室1的底部出口与一级升温热解室2的进料口相连通，一级升温热解室2和二级催化气化室3左右并联为两级连用腔体，成一个整体。二级催化气化室2的出料口与旋风装置9的入口连接，旋风装置的第一出口91与集料室12连接，旋风装置的第二出口92通过动力装置11与集气罐13连接。

[0036] 一级升温热解室2和二级催化气化室3的内部均设有用于将相应腔室分成位于左侧的进料室和位于右侧的出料室的隔板14，隔板14的顶端与相应腔室的内顶壁连接，隔板14的底端与相应腔室的内底壁之间设有用于物料流通的狭窄通道。

[0037] 一级升温热解室的进料室211的底部设有第一进气孔15，一级升温热解室的出料室212的底部设有第二进气孔16，二级催化气化室的进料室311的底部设有第三进气孔17，二级催化气化室的出料室312的底部设有第四进气孔18。第一进气孔15和第二进气孔16均与第一供气装置4相连通，第三进气孔17与第二供气装置5相连通，第四进气孔18与第三供气装置6相连通。

[0038] 一级升温热解室的出料室212内和二级催化气化室的出料室312内均设有一个热电偶19，热电偶19与测温装置10连接。一级升温热解室的出料室212的顶部和二级催化气化室的出料室312的顶部均设有一个出气孔20，出气孔20连接用于实时检测一级升温热解室和二级催化气化室内气体成分及含量变化的气体成分分析仪21。

[0039] 一级升温热解室2的左侧壁的外侧设有第一微波发生装置7，二级催化气化室3的右侧壁的外侧设有第二微波发生装置8。第一微波发生装置7与一级升温热解室2不接触，第二微波发生装置8与二级催化气化室3也不接触。第一微波发生装置7和第二微波发生装置8均通过微波辐射方式加热。第一微波发生装置7和第二微波发生装置8的可调节微波功率范围均为20W～1100W。

[0040] 第一微波发生装置7和第二微波发生装置8均由波导22、磁控管23和天线帽24组成，波导22通过导线与电源25连接，波导22位于磁控管23的下方，磁控管23上装配有微波功率仪26，磁控管23下方的天线帽24插入波导22内。

[0041] 实施例2：一种多尺度耦合作用强化催化生物质热解气化的方法，应用于实施例1所述的多尺度耦合作用强化催化生物质热解气化的系统，包括以下步骤：S1、将秸秆型生物质样品破碎、研磨至粒径≤0.074mm的部分占秸秆型生物质样品总质量的60％并混合均匀，制得秸秆型生物质粉样品，并与碳酸钠粉末按照质量比80:1的比例充分混合均匀，制得混合物料样品，经给料室1均匀给入一级升温热解室的进料室211。

[0042] 所述秸秆型生物质样品是包括小麦、玉米和水稻在内的农作物的秸秆。在本实施例中，所述秸秆型生物质样品是玉米秸秆生物质，其纤维素含量为45％，半纤维素含量为30％，木质素含量为20％，灰分含量为5％。

[0043] S2、第一供气装置4通过第一进气孔15按照流速1000mL/min泵入保护性气体N2，使混合物料样品流动至一级升温热解室的出料室212。

[0044] S3、第一供气装置4通过第二进气孔16按照流速2000mL/min泵入保护性气体N2，使混合物料样品在一级升温热解室的出料室212呈流化状态。

[0045] S4、开启第一微波发生装置7，调节微波功率为600W，由第一微波发生装置7产生的微波进入一级升温热解室2，并使一级升温热解室2内的混合物料样品加热至400℃，使混合物料样品在一级升温热解室的出料室212发生充分热解反应，热解后的混合物料样品从一级升温热解室的出料室212排出，进入二级催化气化室的进料室311。

[0046] S5、第二供气装置5通过第三进气孔17按照流速1000mL/min泵入保护性气体N2，使混合物料样品在二级催化气化室的进料室311流动至二级催化气化室的出料室312。

[0047] S6、开启第二微波发生装置8，调节微波功率为900W，由第二微波发生装置8产生的微波进入二级催化气化室3，并使二级催化气化室3内的混合物料样品加热至800℃。第三供气装置6通过第四进气孔18泵入保护性气体与氧化性气体的混合气体(氧化性气体O2的流量为500mL/min，保护性气体N2的流量为2000mL/min)，使混合物料样品在二级催化气化室的出料室312发生充分气化反应，并使流态化的混合物料样品通过二级催化气化室的出料室312送入旋风装置9。

[0048] S7、混合物料样品进入旋风装置9后，通过气固分离，生成的还原性气体在动力装置11作用下进入集气罐13，生成的大分子焦油和飞灰的混合物进入集料室12。当反应结束后，停止向一级升温热解室2和二级催化气化室3通入气体，并关闭第一微波发生装置7和第二微波发生装置8。

[0049] 在本实施例中，混合物料样品在一级升温热解室2内的停留时间为65min，混合物料样品在二级催化气化室3内的停留时间为65min。

[0050] 本实施例最终获得总气量2.3Nm3/kg，其中氢气浓度为47％，一氧化碳浓度为36％。

[0051] 对比例1：本对比例采用上吸式固定床气化炉对实施例2的玉米秸秆生物质进行热3
解气化，最终得到总气量2.2Nm/kg，其中氢气浓度为46％，一氧化碳浓度为35％。

[0052] 与实施例2所得结果相比，实施例2的总气量提高2.3％、氢气浓度提高2.0％、一氧化碳浓度提高2.5％。

[0053] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。