CN109704277A - 一种生物质气化制氢装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生物质气化制氢装置及方法，包括：生物质炭气联产装置，所述生物质炭气联产装置燃气出口通过管道连接于蒸汽锅炉、热风炉，所述生物质炭气联产装置生物炭出口后接制氢流化床，所述热风炉通过管道连接于蓄热式热交换器，所述蒸汽锅炉蒸汽出口通过管道连接于蓄热式热交换器，所述蓄热式热交换器蒸汽出口通过管道连接于制氢流化床。本发明通过将少量空气均匀通入生物质炭气联产装置，在满足燃气热值及产量稳定情况下，尽量将生物质气化温度控制在较低水平，同时通过合理设计气化炉，调节生物质在炉内的停留时间，保证生物质炭的品质和质量。
Description
技术领域
本发明涉及生物质利用技术领域，具体为一种生物质气化制氢装置及方法。
背景技术
氢能作为“二次能源”，国际上的氢能制备来自于矿石燃料、生物质和水，工艺主要有电解制氢、热解制氢、光化制氢、放射能水解制氢、等离子电化学法制氢和生物制氢等。电解水制氢技术是以水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量，则可使水分解成氢气和氧气。提供电能使水分解制得的氢气的效率一般在75％～85％。其中工艺过程比较简单，也不会产生污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。除了生物制氢技术外，其它方法都是通过自然界中已经存在的碳氢化合物——天然气、煤、石油等一次能源中提取出来的，这种方法制取所得的氢，已经成为了二次能源，它不仅消耗掉了相当大的能量，而且所得效率相当低；并且在其制取过程还对环境产生了污染。
生物质是传统的可再生资源，我国生物质能资源非常丰富，生物质制氢技术不仅可以提供洁净能源，而且能有效利用生物质这种丰富的可再生资源，同时可大大减少现有生物质不合理利用方式所带来的二次污染。现有的生物质气化制氢技术目前还存有一定问题，气化过程会产生焦油，焦油的冷凝会堵塞管道，并且在后续的制氢过程中影响催化剂的活性。因此需要一种不会被焦油问题所影响的生物质气化制取氢气的装置和技术，将生物质高效转化为氢气。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种生物质气化制氢装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种生物质气化制氢装置，包括：生物质炭气联产装置，所述生物质炭气联产装置燃气出口通过管道连接于蒸汽锅炉、热风炉，所述生物质炭气联产装置生物炭出口后接制氢流化床，所述热风炉通过管道连接于蓄热式热交换器，所述蒸汽锅炉蒸汽出口通过管道连接于蓄热式热交换器，所述蓄热式热交换器蒸汽出口通过管道连接于制氢流化床。
所述制氢流化床包括水气反应段、水气转化反应段、二氧化碳吸附段，所述水气转化反应段设置在二氧化碳吸附段下侧，水气反应段设置在水气转化反应段下侧，水气反应段一侧设有制氢流化床给料装置，制氢流化床给料装置连接于生物质炭气联产装置生物炭出口，将制氢流化床分为三段，通过合理的调节各段温度，提高氢气的品质和产气量。
所述蓄热式热交换器包括蓄热体A、蓄热体B，所述蓄热体A、蓄热体B并联设置。
一种生物质气化制氢方法，包括以下步骤：
1)生物质送入生物质炭气联产装置后，与加入的少量空气发生氧化还原反应，产生的能量保持系统运行在稳定的反应状态，并促进生物质中的挥发份热解生成燃气、固定碳转化成生物质炭，从而实现生物质原料高效转化成燃气和生物质炭。生物质炭送入制氢流化床给料装置；
2)燃气通过管道分别送入蒸汽锅炉和热风炉内燃烧，产生蒸汽和高温烟气；
3)高温烟气首先通入蓄热式热交换器的蓄热体A中，将蓄热体A加热，在蓄热体A完成蓄热后，切换烟气阀门，高温烟气停止通入蓄热体A，开始通入蓄热体B，在蓄热体A蓄热完成后，将蒸汽送入蓄热体A内，蓄热体A放热对蒸汽进行加热，当蓄热体A放热完成后，切换蒸汽阀门，将蒸汽通入完成蓄热的蓄热体B中，与此同时烟气阀门进行切换，高温烟气重新加热蓄热体A，在蓄热体B放热完成后，切换烟气阀门和蒸汽阀门，将高温烟气通入蓄热体B中，将蒸汽通入蓄热完成的蓄热体A中；后续重复上述过程，实现高温烟气对蒸汽的蓄热式换热。经过加热后的蒸汽通过管道送入制氢流化床；
4)在制氢流化床内，蒸汽与生物质炭发生水气反应和水气变换反应，生成二氧化碳和氢气，经过二氧化碳吸附段除去二氧化碳后，得到高品质氢气。
进一步地，热风炉出口烟气温度为1100～1300℃，蓄热体A、B蓄热完成时温度为1100～1250℃，蓄热体A、B放热完成时温度为900～1100℃，蓄热式热交换器蒸汽出口蒸汽温度为850～1100℃。
进一步地，制氢流化床内添加催化剂，催化剂为含锂或含钾的物质。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)通过将少量空气均匀通入生物质炭气联产装置，在满足燃气热值及产量稳定情况下，尽量将生物质气化温度控制在较低水平，同时通过合理设计气化炉，调节生物质在炉内的停留时间，保证生物质炭的品质和质量。
(2)燃气以高温状态送入锅炉和热风炉内燃烧，防止了焦油因为冷凝而导致的管道堵塞问题，同时将焦油送炉膛进行燃烧，避免了焦油排放导致的环境污染。
(3)通过使用蓄热式热交换器，将蒸汽再加热，为制氢反应提供足够的热量和反应温度，保障了反应的稳定进行。
(4)通过使用含锂或含钾的物质作为催化剂，降低了反应活化能，加快了反应速率。
(5)相比与生物质，生物质炭中挥发分和氧被大量移除，以生物质炭作为气化原料可以得到高品质合成气，且过程中焦油和其他杂质会大幅度减少，避免了生物质直接气化制氢过程中焦油处理、氢气纯度较低等问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以两个元件内部的连通。
如图1所示，一种生物质气化制氢装置，包括：生物质炭气联产装置1，所述生物质炭气联产装置1燃气出口通过管道连接于蒸汽锅炉5、热风炉2，所述生物质炭气联产装置1生物炭出口后接制氢流化床4，所述热风炉2通过管道连接于蓄热式热交换器3，所述蒸汽锅炉5蒸汽出口通过管道连接于蓄热式热交换器3，所述蓄热式热交换器3蒸汽出口通过管道连接于制氢流化床4。
所述制氢流化床4包括水气反应段403、水气转化反应段402、二氧化碳吸附段401，所述水气转化反应段402设置在二氧化碳吸附段401下侧，水气反应段403设置在水气转化反应段402下侧，水气反应段403一侧设有制氢流化床给料装置404，制氢流化床给料装置404连接于生物质炭气联产装置1生物炭出口，将制氢流化床分为三段，通过合理的调节各段温度，提高氢气的品质和产气量。
所述蓄热式热交换器3包括蓄热体A 301、蓄热体B 302，所述蓄热体A 301、蓄热体B 302并联设置。
一种生物质气化制氢方法，包括以下步骤：
1)生物质送入生物质炭气联产装置1后，与加入的少量空气发生氧化还原反应，产生的能量保持系统运行在稳定的反应状态，并促进生物质中的挥发份热解生成燃气、固定碳转化成生物质炭，从而实现生物质原料高效转化成燃气和生物质炭。生物质炭送入制氢流化床给料装置404；
2)燃气通过管道分别送入蒸汽锅炉5和热风炉2内燃烧，产生蒸汽和高温烟气；
3)高温烟气首先通入蓄热式热交换器的蓄热体A 301中，将蓄热体A 301加热，在蓄热体A 301完成蓄热后，切换烟气阀门，高温烟气停止通入蓄热体A 301，开始通入蓄热体B 302，在蓄热体A 301蓄热完成后，将蒸汽送入蓄热体A 301内，蓄热体A 301放热对蒸汽进行加热，当蓄热体A 301放热完成后，切换蒸汽阀门，将蒸汽通入完成蓄热的蓄热体B 302中，与此同时烟气阀门进行切换，高温烟气重新加热蓄热体A 301，在蓄热体B 302放热完成后，切换烟气阀门和蒸汽阀门，将高温烟气通入蓄热体B 302中，将蒸汽通入蓄热完成的蓄热体A 301中；后续重复上述过程，实现高温烟气对蒸汽的蓄热式换热。经过加热后的蒸汽通过管道送入制氢流化床4；
4)在制氢流化床4内，蒸汽与生物质炭发生水气反应和水气变换反应，生成二氧化碳和氢气，经过二氧化碳吸附段401除去二氧化碳后，得到高品质氢气。
具体的，热风炉出口烟气温度为1100～1300℃，蓄热体A、B蓄热完成时温度为1100～1250℃，蓄热体A、B放热完成时温度为900～1100℃，蓄热式热交换器蒸汽出口蒸汽温度为850～1100℃。目的在于：提高蒸汽所包含的热量，为反应提供足够的热量和反应温度，保障反应的稳定进行。
具体的，制氢流化床内添加催化剂，催化剂为含锂或含钾的物质。目的在于：降低反应活化能，加快反应的反应速率。
实施例1
木片送入生物质炭气联产装置后，与加入的少量空气发生氧化还原反应，产生的能量保持系统运行在稳定的反应状态，并促进木片中的挥发份热解生成燃气、固定碳转化成木炭，从而实现木片原料高效转化成燃气和木炭。木炭送入制氢流化床给料装置。燃气通过管道分别送入热风炉和蒸汽锅炉内燃烧，产生蒸汽和1300℃高温烟气。1300℃高温烟气首先通入蓄热式热交换器的蓄热体A中，将蓄热体A加热，在蓄热体A达到1250℃完成蓄热后，切换烟气阀门，1300℃高温烟气停止通入蓄热体A，开始通入蓄热体B。在蓄热体A达到1250℃蓄热完成后，将蒸汽送入蓄热体A内，蓄热体A放热对蒸汽进行加热。当蓄热体A放热完成后温度为1100℃，切换蒸汽阀门，将蒸汽通入完成蓄热的1250℃蓄热体B中，与此同时烟气阀门进行切换，1300℃高温烟气重新加热蓄热体A，在蓄热体B温度为1100℃放热完成后，切换烟气阀门和蒸汽阀门，将1300℃高温烟气通入蓄热体B中，将蒸汽通入温度为蓄热完成1250℃蓄热体A中。后续重复上述过程，实现高温烟气对蒸汽的蓄热式换热。经过加热后的1100℃蒸汽通过管道送入制氢流化床。在制氢流化床内，以K2CO3作为催化剂，1100℃蒸汽与生物质炭发生水气反应和水气变换反应，生成二氧化碳和氢气，经过二氧化碳吸附段除去二氧化碳后，得到纯度为99％氢气。
实施例2
稻壳送入生物质炭气联产装置后，与加入的少量空气发生氧化还原反应，产生的能量保持系统运行在稳定的反应状态，并促进稻壳中的挥发份热解生成燃气、固定碳转化成稻壳炭，从而实现稻壳原料高效转化成燃气和稻壳炭。稻壳炭送入制氢流化床给料装置。燃气通过管道分别送入热风炉和蒸汽锅炉内燃烧，产生蒸汽和1200℃高温烟气。1200℃高温烟气首先通入蓄热式热交换器的蓄热体A中，将蓄热体A加热，在蓄热体A达到1150℃完成蓄热后，切换烟气阀门，1200℃高温烟气停止通入蓄热体A，开始通入蓄热体B。在蓄热体A达到1150℃蓄热完成后，将蒸汽送入蓄热体A内，蓄热体A放热对蒸汽进行加热。当蓄热体A放热完成后温度为1000℃，切换蒸汽阀门，将蒸汽通入完成蓄热的1150℃蓄热体B中，与此同时烟气阀门进行切换，1200℃高温烟气重新加热蓄热体A，在蓄热体B温度为1000℃放热完成后，切换烟气阀门和蒸汽阀门，将1200℃高温烟气通入蓄热体B中，将蒸汽通入温度为蓄热完成1150℃蓄热体A中。后续重复上述过程，实现高温烟气对蒸汽的蓄热式换热。经过加热后的1000℃蒸汽通过管道送入制氢流化床。在制氢流化床内，以KOH作为催化剂，1000℃蒸汽与生物质炭发生水气反应和水气变换反应，生成二氧化碳和氢气，经过二氧化碳吸附段除去二氧化碳后，得到纯度为96％氢气。
实施例3
竹屑送入生物质炭气联产装置后，与加入的少量空气发生氧化还原反应，产生的能量保持系统运行在稳定的反应状态，并促进竹屑中的挥发份热解生成燃气、固定碳转化成竹炭，从而实现竹屑原料高效转化成燃气和竹炭。竹炭送入制氢流化床给料装置。燃气通过管道分别送入热风炉和蒸汽锅炉内燃烧，产生蒸汽和1250℃高温烟气。1250℃高温烟气首先通入蓄热式热交换器的蓄热体A中，将蓄热体A加热，在蓄热体A达到1200℃完成蓄热后，切换烟气阀门，1250℃高温烟气停止通入蓄热体A，开始通入蓄热体B。在蓄热体A达到1200℃蓄热完成后，将蒸汽送入蓄热体A内，蓄热体A放热对蒸汽进行加热。当蓄热体A放热完成后温度为1050℃，切换蒸汽阀门，将蒸汽通入完成蓄热的1200℃蓄热体B中，与此同时烟气阀门进行切换，1250℃高温烟气重新加热蓄热体A，在蓄热体B温度为1050℃放热完成后，切换烟气阀门和蒸汽阀门，将1250℃高温烟气通入蓄热体B中，将蒸汽通入温度为蓄热完成1200℃蓄热体A中。后续重复上述过程，实现高温烟气对蒸汽的蓄热式换热。经过加热后的1050℃蒸汽通过管道送入制氢流化床。在制氢流化床内，以Li2CO3作为催化剂，1100℃蒸汽与生物质炭发生水气反应和水气变换反应，生成二氧化碳和氢气，经过二氧化碳吸附段除去二氧化碳后，得到纯度为98％氢气。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种生物质气化制氢装置，包括：生物质炭气联产装置，其特征在于：所述生物质炭气联产装置燃气出口通过管道连接于蒸汽锅炉、热风炉，所述生物质炭气联产装置生物炭出口后接制氢流化床，所述热风炉通过管道连接于蓄热式热交换器，所述蒸汽锅炉蒸汽出口通过管道连接于蓄热式热交换器，所述蓄热式热交换器蒸汽出口通过管道连接于制氢流化床。
2.根据权利要求1所述的一种生物质气化制氢装置，其特征在于：所述制氢流化床包括水气反应段、水气转化反应段、二氧化碳吸附段，所述水气转化反应段设置在二氧化碳吸附段下侧，水气反应段设置在水气转化反应段下侧，水气反应段一侧设有制氢流化床给料装置，制氢流化床给料装置连接于生物质炭气联产装置生物炭出口，将制氢流化床分为三段，通过合理的调节各段温度，提高氢气的品质和产气量。
3.根据权利要求1所述的一种生物质气化制氢装置，其特征在于：所述蓄热式热交换器包括蓄热体A、蓄热体B，所述蓄热体A、蓄热体B并联设置。
4.一种生物质气化制氢方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)生物质送入生物质炭气联产装置后，与加入的少量空气发生氧化还原反应，产生的能量保持系统运行在稳定的反应状态，并促进生物质中的挥发份热解生成燃气、固定碳转化成生物质炭，从而实现生物质原料高效转化成燃气和生物质炭。生物质炭送入制氢流化床给料装置；
2)燃气通过管道分别送入蒸汽锅炉和热风炉内燃烧，产生蒸汽和高温烟气；
3)高温烟气首先通入蓄热式热交换器的蓄热体A中，将蓄热体A加热，在蓄热体A完成蓄热后，切换烟气阀门，高温烟气停止通入蓄热体A，开始通入蓄热体B，在蓄热体A蓄热完成后，将蒸汽送入蓄热体A内，蓄热体A放热对蒸汽进行加热，当蓄热体A放热完成后，切换蒸汽阀门，将蒸汽通入完成蓄热的蓄热体B中，与此同时烟气阀门进行切换，高温烟气重新加热蓄热体A，在蓄热体B放热完成后，切换烟气阀门和蒸汽阀门，将高温烟气通入蓄热体B中，将蒸汽通入蓄热完成的蓄热体A中；后续重复上述过程，实现高温烟气对蒸汽的蓄热式换热。经过加热后的蒸汽通过管道送入制氢流化床；
4)在制氢流化床内，蒸汽与生物质炭发生水气反应和水气变换反应，生成二氧化碳和氢气，经过二氧化碳吸附段除去二氧化碳后，得到高品质氢气。
5.根据权利要求4所述的一种生物质气化制氢方法，其特征在于：热风炉出口烟气温度为1100～1300℃，蓄热体A、B蓄热完成时温度为1100～1250℃，蓄热体A、B放热完成时温度为900～1100℃，蓄热式热交换器蒸汽出口蒸汽温度为850～1100℃。
6.根据权利要求4所述的一种生物质气化制氢方法，其特征在于：制氢流化床内添加催化剂，催化剂为含锂或含钾的物质。
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