CN103011157B - 一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，包括生物质预处理干燥单元（1），水蒸气低温热解单元（2），高温旋风分离单元（3），蒸汽催化重整单元（4），氢气冷却净化分离单元（5）；其中，所述生物质预处理干燥单元（1）依次连接水蒸气低温热解单元（2），高温旋风分离单元（3），蒸汽催化重整单元（4），氢气冷却净化分离单元（5），所述生物质预处理干燥单元（1）的气体出口与高温旋风分离单元（3）连接。该系统将生物质物料干燥、水蒸气低温热解、焦炭蒸汽活化和热解气体与水蒸气催化重整整合在一起，不仅提高了热解过程中的热利用率，降低了后续工段热解空气中的粉尘和焦油含量，并且简化了活性炭和氢气的生产工艺，投资省，能耗低。
Description
技术领域
本发明涉及化学化工技术领域，具体涉及一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统和方法。
背景技术
生物质低温热解是指在热解温度400℃以上，通过热化学反应将生物质大分子（木质素、纤维素和半纤维素等）分解成小分子燃料物质（焦炭、可燃气体和生物质焦油）的热化学转化技术。热解是生物质燃烧和气化必不可少的初始阶段。其类型按热解温度可分为400～650℃的低温热解，650～850℃的中温热解和850～1100℃的高温热解三种。在热解过程中，由于热量是先由热源传递到物料表面，再由物料表面传递到物料内部，因而生物质的热解过程是由外至内逐层进行，最终得到生物质焦油、可燃气体和焦炭。生物质热解的燃料能源转化率一般在90%以上，可最大限度地将生物质能量转化为能源产品。
目前，我国使用的生物质热解气化技术，主要包括固定床、流化床和直接干馏三种工艺形式。固定床气化一般采用空气作气化剂，设备结构简单、易于操作、投资少；但是用空气作气化剂得到的生物质燃气中N2、O2含量高，热值低（约5000kJ/Nm3），且可燃气体中焦油含量高，易堵塞管路。流化床热解则多数采用固体热载体（加热砂子）或气体热载体为热解过程提供热量；生物质颗粒和热载体间主要依靠气体运动产生的曳力进行碰撞和混合，以实现动量交换和热量交换。其优点是流化床内不含运动部件，结构简单，运行寿命长，处理量大；但是流化气的引入也提高了系统的运行能耗成本，增加了气体产物中的粉尘含量。而在普通生物质直接干馏中，也存在物料加热速率慢，受热不均匀，热效率低等缺点。一方面，由于生物质焦油是高含氧量的碳氢化合物，长时间贮存会发生相分离、沉淀，具有强腐蚀性，因而在物理、化学性质上都存在不稳定因素。另一方面，生物质原料的挥发分高、固定碳含量低，容重小，不利于气化。由于生物质中富含氢，可通过裂解、自热重整、蒸汽重整等制氢工艺生产H2，但是在生物质水蒸汽催化热解气化制H2工艺中，又存在传热传质速率低，催化剂颗粒表面积炭严重，失活快，大量CO2生成抑制了制H2反应，降低了生物质的制H2效率。
可见寻求新的生物质能源高效利用技术，以充分提取生物质原料中的有效成分，提高现有生物质转化效率是目前生物质利用研究的热点领域，用木质纤维素生物质制取活性炭和氢气是生物质能源综合利用的有效途径之一。
发明内容
本发明的目的是解决现有生物质热解气化技术中存在的部分问题，开发生物质特别是可再生木质纤维素生物质能源，提供一种生物质水蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，包括生物质预处理干燥单元1，水蒸汽低温热解单元2，高温旋风分离单元3，蒸汽催化重整单元4，氢气冷却净化分离单元5；其中，所述生物质预处理干燥单元1依次连接水蒸汽低温热解单元2，高温旋风分离单元3，蒸汽催化重整单元4，氢气冷却净化分离单元5，所述生物质预处理干燥单元1的气体出口与高温旋风分离单元3连接。
所述生物质预处理干燥单元1设有多层倾斜的多孔导向隔板。
所述导向隔板开孔率为20-30%，孔径为1.5-3.0mm。
所述导向隔板与生物质原料预处理干燥单元1竖直平面的夹角为20o-40o，相邻倾斜导向隔板的方向相反。
所述水蒸汽低温热解单元2设有多孔气体分布板，气体分布板的开孔率为5-15%，孔径为0.5-1.5mm。
所述的蒸汽催化重整单元4包括管式加热炉装置和高温空气燃烧器，由高温空气燃烧器在炉管外燃烧提供催化重整反应的热量。
根据生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统所用的方法，所述生物质预处理干燥单元1采用热解气和水蒸汽的混合气作为热载体和流化介质。
在水蒸汽低温热解单元2采用水蒸汽作为热载体、流化介质和半焦化剂。
将催化剂置于所述管式加热炉装置的炉管内，使得热解气和蒸汽的混合气体流经炉管时，在催化剂的作用下发生催化重整反应。
该系统生产活性炭和氢气的具体工艺过程如下：
（1）将生物质原料破碎到一定粒度（粒径范围：5.0～20mm）后，送入生物质预处理干燥单元内预处理；生物质原料通过多孔导向隔板与流经导向隔板的热解气体和水蒸汽的混合气体逆流接触、换热并被干燥。
（2）干燥后的物料进入水蒸汽低温热解单元，并均匀分布在多孔气体分布板上，水蒸汽经多孔板均匀布气并将生物质颗粒流化加热。由于水蒸汽的热容大，均匀分散在生物质颗粒间的孔隙里，使生物质颗粒的升温速率加快，迅速热解。水蒸汽低温热解单元维持微正压操作，进入水蒸汽低温热解单元内的水蒸汽温度为550～650℃，物料在水蒸汽低温热解室内停留30～90min，可保证水蒸汽将焦炭充分活化。生物质颗粒的流化速度为临界流化速度Umf的1～3倍。在水蒸汽气氛下生物质的低温热解除生物质自身的热解反应外，还可能存在以下反应：
生物质与水蒸汽发生的气化反应：
C+H2O→CO+H2
当水蒸汽过量时，发生
CO+H2O→CO2+H2
在低温条件下生物质与水蒸汽发生双水反应，
C+2H2O→CO2+2H2
（3）高温热解气体（含水蒸汽）通过生物质预处理干燥单元后，热解气体中的部分粉尘和焦油沉淀在生物质物料表面，经高温旋风分离元除尘后，进入蒸汽催化重整单元。
（4）热解气体蒸汽催化重整单元采用管式加热炉装置。将镍基催化剂放置于管式加热炉炉管内，用蓄热式高温空气燃烧器为热解气体蒸汽重整提供热量。热解气体（含水蒸汽）在镍基催化剂作用下在蒸汽重整室内发生催化重整反应，小分子烃类及含氧有机物继续裂解成CH4、H2、CO2和CO等小分子气体，蒸汽重整过程的氢产率高，温室气体排放量少。在500～850℃重整温度下，小分子烃类和含氧有机物可与水蒸汽发生如下重整反应，
2CnHm+2nH2O→nCO2+（n+m/2）CH4
CH4+2H2O→CO2+4H2
（5）富氢气体经氢气冷却净化分离单元冷凝后送至后续工段分离氢气。
本发明提供的有益效果：生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统和方法将生物质物料干燥、水蒸汽低温热解、焦炭蒸汽活化和热解气体与水蒸汽催化重整整合在一起，不仅提高了热解过程中的热利用率，降低了后续工段热解空气中的粉尘和焦油含量，并且简化了活性炭和氢气的生产工艺，投资省，能耗低。
附图说明
图1为本发明生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气系统的工艺流程图
具体实施方式
为更好的说明本发明，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参照图1，本实施例以树皮、茎状农作物和锯木等为原料的生物质低温水蒸汽热解制备活性炭和氢气为例，原料的处理量为0.5t/h，粒径为5.0～10.0mm，收到基水分含量为15.0%。具体实施方式包括以下次序的工艺步骤：
（1）将粒径为5.0～10.0mm的生物质原料送入生物质预处理干燥单元1；物料沿生物质预处理干燥室的导向多孔隔板向下移动，与通过导向隔板的热解气体和水蒸汽的混合物逆流接触、换热并干燥。导向隔板开孔率为20.0%，孔径为1.5mm；
（2）干燥后的物料进入水蒸汽低温热解单元2，并均匀分布在水蒸汽低温热解室2的多孔气体分布板上，多孔板开孔率为5.0%，孔径为0.5mm。温度为550℃的水蒸汽热载体通过多孔板，将生物质颗粒流化并加热。颗粒的流化速度为其临界流化速度的2倍；由于水蒸汽的热容大，当其分散在颗粒孔隙时，可使颗粒升温速率增大，迅速热解。生物质在热解单元内的停留时间为60min。
（3）高温热解气体（含水蒸汽）通过生物质原料预处理干燥单元1后，热解气体中的部分粉尘和焦油沉积在生物质表面，热解气体再经高温旋风分离单元3除尘后，进入蒸汽催化重整单元4。
（4）将镍基催化剂置于蒸汽催化重整单元4的炉管内，在温度为750℃的水蒸汽存在条件下，热解气体中的小分子烃类及含氧有机物在镍基催化剂作用下在蒸汽催化重整单元4内发生催化重整反应，裂解成CH4、H2、CO2和CO等小分子气体。
（5）富氢气体混合物经氢气冷却净化分离单元5冷凝除尘后送至后续工序分离氢气。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及进步：
（1）将生物质的干燥、水蒸汽低温热解、焦炭水蒸汽活化生产活性炭和热解气体与水蒸汽的催化重整反应整合在一起，利用热解气体与水蒸汽的混合气体对生物质原料进行干燥预处理，可提高热解过程的热利用率；另外，热解气体在流经干燥室的过程中可沉积部分焦油、杂质和灰分，可降低后续工段热解气体中的粉尘和焦油含量；
（2）使用管式加热炉，热解气体经催化重整后可得到高热值、强还原性的富氢气体；
（3）用水蒸汽作为热载体和活性炭制备的活化剂，可一步法生产高比表面积的活性炭，省去了传统活性炭制备过程中的CO2活化步骤，简化了活性炭的生产工艺；
（4）与传统制氢气工艺相比，该方法生产氢气的投资省，能耗低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，其特征在于，包括生物质预处理干燥单元(1)，水蒸汽低温热解单元(2)，高温旋风分离单元(3)，蒸汽催化重整单元(4)，氢气冷却净化分离单元(5)；所述生物质原料预处理干燥单元(1)设有多层倾斜的多孔导向隔板，采用热解气和水蒸汽的混合气作为热载体和流化介质，其中，所述生物质预处理干燥单元(1)依次连接水蒸汽低温热解单元(2)，高温旋风分离单元(3)，蒸汽催化重整单元(4)，氢气冷却净化分离单元(5)，所述生物质预处理干燥单元(1)的气体出口与高温旋风分离单元(3)连接。
2.根据权利要1所述的生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，其特征在于，所述导向隔板开孔率为20-30％，孔径为1.5-3.0mm。
3.根据权利要1所述的生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，其特征在于，所述导向隔板与生物质原料预处理干燥单元(1)竖直平面的夹角为20°-40°，相邻倾斜导向隔板的方向相反。
4.根据权利要求1所述的生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，其特征在于，所述水蒸汽低温热解单元(2)设有多孔气体分布板，气体分布板的开孔率为5-15％，孔径为0.5-1.5mm。
5.根据权利要求1所述的生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，其特征在于，所述的蒸汽催化重整单元(4)包括管式加热炉装置和高温空气燃烧器，由高温空气燃烧器在炉管外燃烧提供催化重整反应的热量。
6.一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的方法，其特征在于，使用权利要求1所述的生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，其中水蒸汽低温热解单元(2)采用水蒸汽作为热载体、流化介质和半焦化剂。
7.一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的方法，其特征在于，使用权利要求5所述的生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，将催化剂置于所述管式加热炉装置的炉管内，使得热解气和蒸汽的混合气体流经炉管时，在催化剂的作用下发生催化重整反应。
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