CN102515094A - 一种利用生物质制造氢气的装置与方法 - Google Patents

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段绪强
李学林
谢传玉
常春梅
闫海洲
豆斌林
高猛
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Abstract

本发明公开了一种利用生物质制造氢气的装置与方法，属于生物质能源化工技术领域，该装置包括气化段、重整制氢段以及设置在装置内部的喷吹管，底部设有生物质进料口和排渣口，气化段上部设有水蒸气进口，重整制氢段的上部设有气体出口，内部设有催化剂床层与隔灰网。主要经内循环湍流开心式气化生物质和固定床水蒸气催化重整制氢得到富含氢气的气体。有益效果是装置对原料适应性很好，装置单独设置水蒸气进口，增加原料水蒸气用量，方法采用内循环湍流开心式气化和固定床水蒸气催化重整制氢相结合，生产高附加值的氢气产品，提高催化重整的产氢率，生物质原料来源广泛、制氢方法简单、成本很低，能够控制生物质制氢过程中可能产生的二次污染物。

Description

一种利用生物质制造氢气的装置与方法
技术领域
本发明涉及一种利用生物质制造氢气的装置及方法，属于生物质能源化工技术领域。
背景技术
目前世界生物质能消耗和利用，仅次于石油、煤炭和天然气，位居第四位。生物质是即可再生又能直接储存与运输，然而生物质利用技术成本较高，尤其是涉及到废旧塑料和城市有机固体废弃物类生物质，其处置一直是世界各个国家的难题，如何使生物质利用具有盈利性，并能大规模推广使用也是广泛关注的问题。我国城市有机固废产生数量巨大，污染问题日益突出，尤其是废旧塑料等的合理处置已成为很重要的社会和环境问题。目前在包括废旧塑料、城市固体有机废弃物等的生物质混合物料能源转化方面，无论是燃烧利用热能还是裂解产气，都存在着直接利用率不高、成本很高，并产生二次污染等问题。中国发明专利说明书2008年3月12日公开了一种“利用废塑料催化制氢的装置及其方法”（申请号：200710045206.6，公开号：CN101139083），该制氢装置下部为流化床气化段，上部为水蒸气催化重整制氢段，装置气化段部分要保持合适流化状态才能达到高效率的气化，过程采用的空气与水蒸气作为气化剂和重整制氢的原料气，产氢率不高。
发明内容
本发明提供一种利用生物质制造氢气的装置，该装置能够在一个反应器中实现生物质制氢，制氢成本低、产氢率高，同时能够控制生物质制氢过程中可能产生的二次污染。
本发明采用的技术方案是：一种利用生物质制造氢气的装置，包括气化段、重整制氢段以及设置在装置内部的喷吹管，气化段的内部提供生物质原料气化，底部设有生物质进料口和排渣口，还包括设置在气化段上的水蒸气进口，重整制氢段的上部设有气体出口，内部设有催化剂床层与隔灰网，催化剂床层和隔灰网固定连接在喷吹管上，喷吹管进口在装置的顶端与喷吹管连通。
一种利用上述装置将生物质制备为氢气的方法，包括下列步骤：
a. 内循环湍流开心式气化生物质：将生物质粉碎为直径5～10mm的颗粒，生物质是秸秆类生物质、废旧塑料或城市有机固体废弃物，添加与生物质相同粒径的占生物质质量分数2～5%的生石灰，生物质与生石灰的混合物从装置的原料进料口送入装置，以水蒸气和氮气组成的混合气体作为湍流流动气体和气化剂，从装置的喷吹管进口经过喷吹管自上而下喷入装置内，形成开心式内循环湍流流动气化方式，在500～700℃将生物质气化，喷吹管混合气体是由体积分数为80～90%的水蒸气和体积分数为10～20%的氮气组成；
b. 固定床水蒸气催化重整制氢：由装置下段气化生成的粗气体与由水蒸气进口喷入的水蒸气，经过隔灰网和催化剂床层，发生水蒸气催化重整反应，采用的催化剂是KF104型甲醇水蒸气重整催化剂，最终富含氢气的气体产品从气体出口排出。
本发明的有益效果是：本发明很好的将生物质气化和水蒸汽催化重整整合在一个装置中，装置内部结构简单，具有充足的有效空间，有利于高速内循环湍流流动、混合与反应，内部设置的隔灰网，不仅支撑催化剂、阻挡飞灰，同时也兼具气体分配器的作用；装置单独设置水蒸气进口，便于增加原料水蒸气用量，促进反应，本发明制氢可广泛采用众多生物质原料，成本很低，具有较好的环境效果和经济效益；本方法气化阶段采用生石灰为催化剂，不仅起催化气化作用，对气化产生的焦油等污染物具有较好的控制作用；在水蒸气催化重整制氢阶段，添加过量水蒸气，定向转化来自气化阶段的粗气体，以获得较高产氢率，工艺简单、能够控制生物质制氢过程中可能产生的二次污染物。
附图说明
图1为本发明制氢装置的结构示意图；
图2为本发明制氢方法的流程图。
图中：1、一种利用生物质制造氢气的装置，2、气化段，3、重整制氢段，4、喷吹管，5、原料，6、生物质进料口，7、排渣口，8、水蒸气进口，9、气体出口，10、催化剂床层，11、隔灰网，12、喷吹管进口。 
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种利用生物质制造氢气的装置1，包括气化段2、重整制氢段3以及设置在装置内部的喷吹管4，气化段2的内部放有生物质原料5，底部设有生物质进料口6和排渣口7，气化段2上还设有水蒸气进口8，重整制氢段3的上部设有气体出口9，内部设有催化剂床层10与隔灰网11，催化剂床层10和隔灰网11固定连接在喷吹管4上，喷吹管进口12在装置的顶端与喷吹管4连通。
如图2所示，利用上述装置将生物质制备氢气的方法，包括下列步骤：
a. 内循环湍流开心式气化生物质：将生物质粉碎为直径5～10mm的颗粒，生物质是秸秆类生物质、废旧塑料或城市有机固体废弃物，添加与生物质相同粒径的占生物质质量分数2～5%的生石灰，生物质与生石灰的混合物从装置的原料进料口6送入装置，以水蒸气和氮气组成的混合气体作为湍流流动气体和气化剂，从装置的喷吹管进口12经过喷吹管4自上而下喷入装置内，形成开心式内循环湍流流动气化方式，在500～700℃将生物质气化，喷吹管混合气体是由体积分数为80～90%的水蒸气和体积分数为10～20%的氮气组成；
b. 固定床水蒸气催化重整制氢：由装置下段气化生成的粗气体与由水蒸气进口8喷入的水蒸气，经过隔灰网11和催化剂床层10，发生水蒸气催化重整反应，采用的催化剂是KF104型甲醇水蒸气重整催化剂，最终富含氢气的气体产品从气体出口9排出。
在气体出口9采用TS101-GC分析仪器分析氢气、甲烷、CO和CO2的含量。
实施例1： 
将生物质秸秆粉碎至平均颗粒直径为10mm，然后添加占生物质质量分数为5%的生石灰，原料从装置1的生物质进料口6以速率为10kg/h送入；以体积分数为80%的水蒸气与20%氮气混合气体为气化剂，气化剂的总体积流量为30                                                
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/h，气化剂从装置1的喷吹管进口12自上而下经过喷吹管4喷入装置1内；在700℃下气化生物质，气化产生的粗气体与由水蒸气进口8喷入的水蒸气经过隔灰网11进入催化剂床层10，在催化剂的作用下发生水蒸气重整反应。催化剂为KF104型甲醇水蒸气重整催化剂；平均催化剂颗粒直径为0.45mm的，用量为10kg；1小时反应时间内，采用TS101-GC分析仪器分析产品气体成分，测定产品气体平均体积浓度为：12.5%的H2，0.5%的CH4,5%的 CO2,0.8%的CO，其余气体为N2 和水蒸气 。 
实施例2：
将废旧塑料粉碎至平均颗粒直径为5mm，然后添加占生物质质量分数为2%的生石灰，原料从装置1的生物质进料口6以速率为10kg/h送入；以体积分数为90%的水蒸气与10%氮气混合气体为气化剂，气化剂的总体积流量为30/h，气化剂从装置1的喷吹管进口12自上而下经过喷吹管4喷入装置1的底部；在600℃气化生物质，气化产生的粗气体与由水蒸气进口8喷入的水蒸气经过隔灰网11进入催化剂床层10，在催化剂的作用下发生水蒸气重整反应。催化剂为KF104型甲醇水蒸气重整催化剂；平均催化剂颗粒直径为0.45mm，用量为10kg；1小时反应时间内，采用TS101-GC分析仪器分析产品气体成分，测定产品气体平均体积浓度为：16.5%的H2，0.3%的CH4,6%的 CO2,0.2%的CO，其余气体为N2 和水蒸气。
实施例3：
将城市固体有机废弃物分选，除去金属及无机杂质，然后粉碎至平均颗粒直径为5mm，然后添加占生物质质量分数为5%的生石灰，原料从装置1的生物质进料口6以速率为10kg/h送入；以体积分数为85%的水蒸气与15%氮气混合气体为气化剂，气化剂的总体积流量为30/h，气化剂从装置1的喷吹管进口12自上而下经过喷吹管4喷入装置1的底部；在500℃气化生物质，气化产生的粗气体与由水蒸气进口8喷入的水蒸气经过隔灰网11进入催化剂床层10，在催化剂的作用下发生水蒸气重整反应。催化剂为KF104型甲醇水蒸气重整催化剂；平均催化剂颗粒直径为0.45mm，用量为10kg；1小时反应时间内，采用TS101-GC分析仪器分析产品气体成分，测定产品气体平均体积浓度为：11.5%的H2，0.2%的CH4,4.6%的 CO2,0.5%的CO，其余气体为N2 和水蒸气。

Claims (2)

1. 一种利用生物质制造氢气的装置（1），包括气化段（2）、重整制氢段（3）以及设置在装置内部的喷吹管（4），气化段（2）的底部设有生物质进料口（6）和排渣口（7），其特征在于，还包括设置在气化段（2）上的水蒸气进口（8），重整制氢段（3）的上部设有气体出口（9），内部设有催化剂床层（10）与隔灰网（11），催化剂床层（10）和隔灰网（11）连接固定在喷吹管（4）上，喷吹管进口（12）在装置的顶端与喷吹管（4）连通。
2. 一种利用上述装置将生物质制备为氢气的方法，其特征在于，包括下列步骤：
a. 内循环湍流开心式气化生物质：将生物质粉碎为直径5～10mm的颗粒，生物质是秸秆类生物质、废旧塑料或城市有机固体废弃物，添加与生物质相同粒径的占生物质质量分数2～5%的生石灰，生物质与生石灰的混合物从装置的原料进料口（6）送入装置，以水蒸气和氮气组成的混合气体作为湍流流动气体和气化剂，从装置的喷吹管进口（12）经过喷吹管（4）自上而下喷入装置内，形成开心式内循环湍流流动气化方式，在500～700℃将生物质气化，喷吹管混合气体是由体积分数为80～90%的水蒸气和体积分数为10～20%的氮气组成；
b. 固定床水蒸气催化重整制氢：由装置下段气化生成的粗气体与由水蒸气进口（8）喷入的水蒸气，经过隔灰网（11）和催化剂床层（10），发生水蒸气催化重整反应，采用的催化剂是KF104型甲醇水蒸气重整催化剂，最终富含氢气的气体产品从气体出口（9）排出。
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