CN105366640B - 一种基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的方法及装置 - Google Patents

一种基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的方法及装置，初级燃气经过预热后与水蒸汽充分混合，经过催化反应后经过提纯得到氢气；所述经过催化反应后的混合气体与初级燃气进行换热实现初级燃气的预热，之后再对混合气体提纯得到氢气。本发明所需的原料气为生物质气化后的初级燃气，成本低廉，实现了生物质气化的综合利用，为工业用氢气的来源提供了新的思路；本发明的装置对生物质初级燃气的适应性较好，可以通过调节水蒸汽的量来实现对不同组分的生物质初级燃气的催化重整；本发明利用催化重整后的燃气显热预热生物质初级燃气，实现了余热利用，降低了装置能耗，提高了催化重整的效率。

Description

一种基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的方 法及装置
技术领域
本发明涉及氢气制备装置领域，特别涉及一种基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的方法及装置。
背景技术
能源是维持和发展社会经济、人类生活及物质文明的最基本要素。氢气，是最清洁的能源。与煤，石油等化石相比，燃烧产物是水，不会污染环境。目前，最主要的制氢方法主要有两种，一种是通过化石燃料的转化制氢，另一种是电解水制氢，前一种方法使得化石燃料的消耗进一步加剧，后者则生产效率低，能耗大。
生物质能由于其可再生性，具有广泛的应用前景。目前，我国生物质能的利用还是采取的直接燃烧方式，不仅利用效率低，而且造成了环境污染。因此需要采用更为高效的生物质能的利用方式。生物质气化为生物质能的利用提供了一种高效的选择。然而，目前生物质气化主要制备混合气体燃料和合成气，经济效益较低。
本发明基于上述问题，利用生物质气化的初级燃气作为原料，水蒸汽催化重整制备氢气，原料成本低廉，提高了生物质气化的经济效益，实现了生物质的综合利用，为氢气制备提供了另一种来源。
发明内容
本发明旨在为解决生物质气化气的利用问题，提供一种基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的装置。该装置结构简单，使用寿命长，对各种初级燃气的品质适应性好，利用催化重整后的燃气显热预热生物质初级燃气，实现了余热利用，降低了装置能耗，提高了催化重整的效率；生产的氢气纯度高，可以满足工业生产的原料需求。
本发明的技术方案如下：
一种基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的方法，初级燃气经过预热后与水蒸汽充分混合，经过催化反应后经过提纯得到氢气；所述经过催化反应后的混合气体与初级燃气进行换热实现初级燃气的预热，与初级燃气换热之后的混合产气经过氧化钙隔层，脱去二氧化碳和水蒸汽；之后通过只允许氢气分子通过的半透膜隔层，分离得到氢气。
所述初级燃气经过预热之后的温度为400℃—500℃。
所述水蒸汽通过如下得到：将去离子水通入蒸汽发生器，将蒸汽发生器的内部加热器的温度调节到400℃—500℃，将水加热气化形成水蒸汽。
所述催化反应的温度为600℃—850℃。
所述催化反应的温度为700℃—800℃。
一种基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的装置，包括初级燃气储罐、用于初级燃气预热的换热器、产生水蒸汽的蒸汽发生器、气体混合器、用于催化初级燃气和水蒸汽反应产生氢气的重整器、氢气分离室以及氢气储罐；
所述初级燃气储罐与所述换热器连接，所述换热器与所述气体混合器连接；所述蒸汽发生器与所述气体混合器连接；经过换热器预热的初级燃气与水蒸汽在所述气体混合器中混合；所述重整器的气体出口与所述换热器连接，将催化反应后的产气通入换热器与通过换热器的初级燃气换热实现初级燃气的预热；所述氢气分离室与所述换热器连接；
所述氢气分离室内部为氧化钙粉末隔层和半透膜隔层；所述半透膜隔层上的微孔直径大于氢气分子直径，小于混合产气中中其他分子直径；所述混合产气首先进入氧化钙隔层，脱去水蒸汽和二氧化碳；然后进入半透膜隔层分离出氢气，通入氢气储罐进行收集。
所述蒸汽发生器包括内部加热器，去离子水通过蠕动泵通入蒸汽发生器，将内部加热器的温度调节到400℃—500℃，将水加热气化产生水蒸汽。
所述催化剂为镍基碳纤维载体催化剂。
本发明的有益效果是：其一，所需的原料气为生物质气化后的初级燃气，成本低廉，实现了生物质气化的综合利用，为工业用氢气的来源提供了新的思路；其二，本装置对生物质初级燃气的适应性较好，可以通过调节水蒸汽的量来实现对不同组分的生物质初级燃气的催化重整；其三，利用催化重整后的燃气显热预热生物质初级燃气，实现了余热利用，降低了装置能耗，提高了催化重整的效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图。
图2为本发明一种优选实施例的重整器的结构示意图。
图3为氢气分离室的结构示意图。
其中，1.一氧化碳储罐；2.氢气储罐；3.初级燃气储罐；4.控制箱；5.换热器；6.气体混合器；7.重整器；8.热电偶；9.蒸汽发生器；10.蠕动泵；11.去离子水储液瓶；12.氢气分离室；71.石棉保温层；72.硅碳棒电加热器；73.催化剂床层；74.重整反应器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
下面结合附图对本发明的结构原理工作原理作进一步的说明。
以下所述是本发明的优选实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以下的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
图1为本发明的整体结构框图。如图1所示，本发明的基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的装置，包括初级燃气储罐3、控制箱4、蒸汽发生器9、换热器5、气体混合器6、重整器7、氢气分离室12；换热器5安装于初级燃气储罐3和气体混合器6之间的输送管道上。低温的初级燃气在换热器5中，与重整器7输出的高温混合产气进行换热，初级燃气温度升高，混合产气温度降低。蒸汽发生器9之前连接有蠕动泵10，与蠕动泵10连接有去离子水储液瓶11；去离子水储液瓶11中的去离子水在蠕动泵10的作用下通入蒸汽发生器9中，蒸汽发生器9的内部加热器温度调节到400℃—500℃，将水加热气化产生水蒸汽。气体混合器6分别与换热器5和蒸汽发生器9相连，经过换热器5预热之后的初级燃气与蒸汽发生器9中的水蒸汽分别通入气体混合器6中，并在气体混合器6中充分混合，之后通入与气体混合器6连接的重整器7中。
重整器7的气体入口与气体混合器6连接，气体混合器6中充分混合之后的初级燃气和水蒸汽通过重整器7的气体入口通入重整器7中。重整器7的气体出口与换热器连接，在重整器7内部催化反应之后的初级燃气和水蒸汽形成的混合产气通过重整器7的气体出口通入换热器5中。混合产气在换热器5中与通过换热器5的初级燃气进行换热，实现初级燃气的预热。图2为本发明一种优选实施例的重整器的结构示意图。如图2所示，重整器7内部设有电加热器、重整反应器，电加热器采用碳硅棒作为加热元件，为重整反应器提供600℃—850℃的催化重整反应温度，优选为700℃—800℃；重整反应器内部有催化剂床层，用于添加催化剂，在本发明中，采用的催化剂是纳米碳纤维负载金属镍，具有良好的催化重整活性。预热后的初级燃气和水蒸汽的混合气体在重整反应器内，在催化剂的作用下，发生甲烷水蒸汽重整反应和水煤气变换反应，反应方程为：(1)CH4+H2O→CO+3H2、(2)CO+H2O→CO2+H2。制成以CO、CO2和H2为主的混合产气，进入到换热器5，利用产气余热预热初级燃气。
换热器5中经过与初级燃气换热的混合产气之后通入到氢气分离室12中进行氢气提纯。图3为氢气分离室的结构示意图。如图3所示，氢气分离室12内部设有氧化钙粉末隔层和半透膜隔层，来自换热器5的换热后的低温产气进入氢气分离室12，首先进入氧化钙隔层，脱去二氧化碳和水蒸汽，然后得到一氧化碳和和氢气的混合气体，进入半透膜隔层。由于氢气和一氧化碳等分子的直径不同，氢气分子直径很小，半透膜表面有许多微孔，选择微孔直径略大于氢气的半透膜，使得氢气分子可以透过半透膜，其他更大分子的气体被拦截，这样氢气和一氧化碳就会被分离。分离得到的一氧化碳由一氧化碳出口出去，进入一氧化碳储罐进行收集。分离得到的氢气由氢气出口出去，进入氢气储罐进行收集。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的装置，其特征在于：包括初级燃气储罐（3）、用于初级燃气预热的换热器（5）、产生水蒸汽的蒸汽发生器（9）、气体混合器（6）、用于催化初级燃气和水蒸汽反应产生氢气的重整器（7）、氢气分离室（12）以及氢气储罐（2）；
所述初级燃气储罐（3）与所述换热器（5）连接，所述换热器（5）与所述气体混合器（6）连接；所述蒸汽发生器（9）与所述气体混合器（6）连接；经过换热器（5）预热的初级燃气与水蒸汽在所述气体混合器（6）中混合；所述重整器（7）的出口与所述换热器（5）连接，将催化反应后的产气通入换热器（5）与通过换热器（5）的初级燃气换热实现初级燃气的预热；所述氢气分离室（12）与所述换热器（5）连接；
所述氢气分离室（12）内部为氧化钙粉末隔层和半透膜隔层；所述半透膜隔层上的微孔直径大于氢气分子直径，小于混合产气中其他分子直径；所述混合产气首先进入氧化钙隔层，脱去水蒸汽和二氧化碳；然后进入半透膜隔层分离出氢气，通入氢气储罐（2）进行收集。
2.根据权利要求1所述的基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的装置，其特征在于：所述蒸汽发生器（9）包括内部加热器，去离子水通过蠕动泵通入蒸汽发生器（9），将内部加热器的温度调节到400℃—500℃，将水加热气化产生水蒸汽。
3.根据权利要求1所述的基于生物质气化初级燃气的水蒸汽催化重整制氢气的装置，其特征在于：所述重整器（7）中使用的催化剂为镍基碳纤维载体催化剂。
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