CN110819391B

CN110819391B - 一种sofc尾气耦合生物质气化制氢的装置及其使用方法

Info

Publication number: CN110819391B
Application number: CN201911144591.9A
Authority: CN
Inventors: 张俊霞; 王泽华
Original assignee: Shaoyang University
Current assignee: Shaoyang University
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: CN110819391A

Abstract

本发明公开了一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置及其使用方法，属于新能源利用技术领域。本装置包括SOFC系统，预热室，预混室，流化室，布气室，出口通道和分离箱I等结构单元，该装置使生物质先在SOFC尾气余热中干燥和挥发分析出，再经过水蒸气气化制氢，反应后的气化汽经过冷却提纯。该装置综合利用了SOFC尾气中的氢气和余热来提高生物质气化制氢的产氢率，降低生物质气化制氢的能耗，具有节能环保的特点。同时，通过调节本装置的操作参数，如用料质量比、气体流量比、气流流速等，提升生物质气化反应的转化率，降低装置能耗，提升产率。总体而言，本装置利用SOFC尾气中的氢气和余热来提高生物质气化制氢的产氢率，降低生物质气化制氢的能耗。

Description

一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置及其使用方法

技术领域

本发明属于新能源利用技术领域，涉及一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置及其使用方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell)作为第三代燃料电池，是一种可以在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的燃料电池装置，是一种具有广阔发展前景的新能源，然而也同样存在一些问题，比如，目前的技术应用领域中，缺乏对SOFC燃料和氧化剂作用后所产生尾气得有效处置。值得注意的是，SOFC尾气中不仅包含宝贵的氢能源，还有中高温余热，有必要采用合理的装置和方法将其加以回收。

近年来，全国各省都在积极发展生物质能的有效转化和利用，生物质能气化制取氢气是一个非常具有优势的发展方向，然而，生物质气化需要大量的能耗，因此，生物质气化的高能耗低产率现状，仍然是技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对上述技术领域中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置及其使用方法，来解决现有生物质气化制氢产氢率低和能耗高的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置包括SOFC系统，包括：预热室，预混室，流化室，布气室，出口通道和分离箱I；

SOFC系统通过尾气排放管与预混室连接，预混室顶部通过布风板I与预热室连通，预热室的上方设有加料口；预热室通过送料管与流化室连通，流化室底部通过布风板II与布气室连通，布气室的下方设有蒸汽管；流化室上方连接出口通道入口，出口通道内部设有挡板，挡板顶部与出口通道内壁顶部留有空隙，挡板前方的管体底部设有旋风分离器；出口通道出口与分离箱I连接，分离箱I外部设有冷却水套I，分离箱I上部设有分气管I；冷却水套I上设有供水总管和排水总管。

优选地，分离箱I通过分气管I与分离箱II相连，分离箱II外部设有冷却水套II，分离箱II上部设有分气管II；冷却水套II上设有供水分管和排水分管，供水分管的另一端接入供水总管，排水分管的另一端接入排水总管。

优选地，旋风分离器通过回料管接入流化室，回料管通过风管与风机连接，回料管上设有逆止阀；逆止阀采用非机械式的U型阀。

优选地，蒸汽管上安装有蒸汽流量计，尾气排放管和风管上装有浮子流量计。

优选地，布风板I和布风板II为钢板或铸铁板，布风板为整块或拼装组成。

本发明还公开了上述SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置的使用方法，包括以下使用步骤：

1)从加料口向预热室中投入生物质；将SOFC系统排放的尾气通过尾气排放管进入到预混室中，通过布风板I进入预热室中，将生物质在SOFC尾气气氛中反应，得到混合体系；

2)经步骤1)反应后的混合体系送料管进入到流化室中，过热水蒸气通过蒸汽管进入到布气室中，通过布风板II进入流化室中，对混合体系进行进一步气化反应，得到气化汽和未完全气化的物料；

3)经步骤2)反应所得的气化汽和未完全气化的物料流经出口通道，未完全气化的物料被挡板拦截，进入旋风分离器中；气化汽进入到分离箱I中，经过冷却水套I冷却，使氢气和其余大分子气体发生分层，得到分层氢气经分气管I离开分离箱I。

优选地，进入旋风分离器中的未完全气化的物料，通过回料管由送风机抽送回流化室中；经步骤3)所得的分层氢气经分气管I进入分离箱II，再经冷却水套II冷却提纯，得到高纯度的氢气产物，氢气从分气管II中流出并收集。

优选地，步骤1)中，生物质选用稻壳、秸秆、甘蔗皮和松木屑中的一种或多种，生物质的粒径为2～10mm。。

优选地，步骤1)中，尾气排放管中的SOFC尾气质量流量和加料口投入的生物质质量流量比为1:1；步骤2)和步骤3)中，送风机送入的空气和蒸汽管送入的蒸汽质量流量之比为3:7或2:8；蒸汽和空气的总质量流量与生物质质量流量之比为0.6～0.8。

优选地，步骤3)中，旋风分离器的旋转部分直径为0.4m，粒子入口段直径为0.1m，旋转段高0.25m，气流入口速度为14m/s。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明涉及一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置，通过将SOFC尾气与生物质在预热室中充分干燥，利用尾气余热使生物质中的挥发分析出，通过设置流化室和布气室，提供气化制氢的反应场所，通过设置出口通道、挡板和旋风分离器，能够将未完全气化的物料脱离气体产物体系，通过设置分离箱I、冷却水套I、供水总管和排水总管，能够将气体产物体系冷却静置，并在重力作用下将混合气体发生分层，氢气浮在上面，而其余气体下沉，通过两级分离，氢气被净化提纯。

进一步地，通过在分离箱I后再连接分离箱II、冷却水套II、供水分管和排水分管，能够对所产生的气化气进行二次分离处理，有效提高氢气纯度；。

进一步地，通过在旋风分离器上设置回料管接入流化室，使得没有气化完全的生物质颗粒进一步被旋风分离器分离后，回送到流化室中继续进行气化，经过如此反复循环，使得生物质颗粒被完全气化；通过接入风机和逆止阀，控制此循环体系的流速、流向，提升循环效果；通过采用非机械式的U型阀，有助于防止烟气反串。

进一步地，通过在蒸汽管上安装蒸汽流量计，并在尾气排放管和风管上安装浮子流量计，有利于操作人员对气体使用情况的控制，增加装置的使用安全，提高反应物使用效率。

进一步地，布风板为整块或拼装结构，能够配合不同尺寸的预热室和预混室使用；拼装组成时，选用焊接或螺栓方式将布风板板块之间固定，便于实际使用的多种情况，增强设备的使用性。

本发明公开的SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置的使用方法，利用SOFC尾气中的氢气和余热来提高生物质气化制氢的产氢率，降低生物质气化制氢的能耗，具有节能环保的特点，反应后的气化汽经过冷却提纯，使产氢效率提高。

进一步地，通过使用合适种类、合适粒径的生物质材料，合理利用生物质资源，提高其热解气化效率。

进一步地，通过控制SOFC尾气质量流量和生物质质量流量比为1:1，提高SOFC尾气的利用效率；通过控制送风机送入的空气和蒸汽管送入的蒸汽质量流量之比为3:7或2:8，控制蒸汽和空气的总质量流量与生物质质量流量之比为0.6～0.8，能够有效获得较高的氢气产率。

进一步地，通过设置旋风分离器的工作参数，能够提高产物氢气和未完全气化的物料的分离效果，进而有效提高物料使用率。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

其中：1-SOFC系统；2-尾气排放管；3-预混室；4-预热室；5-加料口；6-送料管；7-流化室；8-蒸汽管；9-布气室；10-布风板II；11-逆止阀；12-回料管；13-旋风分离器；14-出口通道；15-分离箱I；16-分气管I；17-分离箱II；18-分气管II；19-供水总管；20-供水分管；21-排气总管；22-排气分管；23-布风板I；24-送风机；25-风管；26-挡板；27-冷却水套I；28-冷却水套II；29-浮子流量计；30-蒸汽流量计。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

由图1所示，一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置，其组成包括：SOFC系统1上安装有尾气排放管2，尾气排放管2接在预混室3上，预混室3的上端安装有布风板I23，布风板I23的上方安装有预热室4，预热室4的顶部放置有加料口5；预热室4通过送料管6与流化室7相连通，流化室7的下方安装有布气室9，布气室9的下方安装有蒸汽管8，布气室9的上方安装有布风板II10,流化室7的右侧上方安装有出口通道14，出口通道14的下方安装有旋风分离器13，旋风分离器13通过回料管12接在流化室7上，在回料管12上安装有逆止阀11和风管25，在风管25的另一端安装有风机24，在出口通道14的中部下方安装的旋风分离器13的后方位置安装有挡板26；在出口通道14的另一端安装有分离箱I15，分离箱I15的外部安装有冷却水套I27，在分离箱I15的上部安装有分气管I16,分气管I16的另一端安装在分离箱II17上，分离箱I17的外部安装有冷却水套I28，在分离箱II17的上部安装有分气管II18；供水总管19与冷却水套I27相连接，在供水总管19上安装有供水分管20，供水分管20的另一端连接在冷却水套II28；排水总管21与冷却水套I27相连接，在排水总管21上安装有排水分管22，排水分管22的另一端连接在冷却水套II28。

蒸汽管8上安装有蒸汽流量计30，尾气排放管2和风管25上装有浮子流量计29。

布风板I23和布风板II10设计为花板，为了便于固定，四周多留出50-100mm，选择12-20mm厚的钢板或30-40mm厚的铸铁板，为整块结构或拼装结构，采用拼装结构时用焊接或螺栓连接成整块，以免漏风；钢板或铸铁板具有强度高、耐腐蚀的特点，且价格低廉，有利于控制成本投入。

预热室4和流化室7采用不锈钢板加工或耐热砖砌筑，在它们上面安装压力表和温度计。

预混室3采用不锈钢板加工，在上面安装多个尾气排放管。

挡板26采用不锈钢加工，占据通道三分之二的面积。

逆止阀11采用非机械式的U型阀，收集物料可以堆积在U形管中，有助于防止烟气反串。

分离箱I15和分离箱II17设计为瘦高型，有助于混合气体在重力作用下沿高度方向充分分层。

分离箱I15和分离箱II17的材质采用铜铝合金，冷却水套I27和冷却水套II28采用不锈钢加工，在供水总管19上安装流量计、压力表、温度计，在排水总管21上安装温度计。

本发明公开的一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置的使用方法，在使用过程中：SOFC系统1所排放的尾气流经尾气排放管2，进入到预混室3，尾气排放管2上的浮子流量计检测尾气的质量流量，SOFC尾气流经布风板I23后被送入到预热室4中，将从加料口5送入的生物质颗粒托起烘干，令其中的氢气、水蒸气、一氧化碳、甲烷和碳氢化合物等挥发分析出，热解气和物料进一步被送料管6送入到流化室7中，来自流化室7下方的布气室9中充满了被蒸汽管8送入的过热水蒸气，蒸汽管8上的蒸汽流量计用于检测过热水蒸气的质量流量，过热水蒸气流经布风板II10，在流化室7中进一步对物料气化，产生的气化汽和未完全气化的物料流经出口通道14，被挡板26拦截，气化汽进入到分离箱I15中，而未完全气化的物料进入旋风分离器13中，经分离后沿着回料管12被送回到流化室7中，空气通过风机24通过风管25流经逆止阀11，被送入到流化室7中，风管25上的浮子流量计29检测空气的质量流量，空气中的氧气与物料反应产生热量，提供流化室7中气化反应所需的热量，来维持反应完全发生；送入分离箱I15中的气化气被冷却水套I27中的冷却水冷却后，氢气和其余大分子气体发生分层，从分离箱I15上的分气管I16流入到分离箱II17中，因分离不均，氢气仍携带部分其他气体，被分气管I16进一步送入到分离箱II17中，冷却水套II28冷却后，氢气从其他气体中分离后从分气管II18中流出。

SOFC系统选择规格为5～12V的固体氧化物燃料电池堆。

送入加料口5的生物质需要称重，尾气排放管2中的尾气流量和来自加料口5的生物质质量流量比为1:1，生物质料采用稻壳、秸秆、甘蔗皮、松木屑等，粉碎制料的粒径为2～10mm。

旋风分离器13的旋转部分直径为0.4m，粒子入口段直径为0.1m，旋转段高0.25m，气流入口速度为14m/s。

送风机24送入的风量和由蒸汽管8送入的蒸汽质量流量之比为7:3或8:2。

蒸汽和空气的总质量流量与生物质质量流量之比为0.6～0.8。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置，其特征在于，包括SOFC系统（1），预热室（4），预混室（3），流化室（7），布气室（9），出口通道（14）和分离箱I（15）；

SOFC系统（1）通过尾气排放管（2）与预混室（3）连接，预混室（3）顶部通过布风板I（23）与预热室（4）连通，预热室（4）的上方设有加料口（5）；预热室（4）通过送料管（6）与流化室（7）连通，流化室（7）底部通过布风板II（10）与布气室（9）连通，布气室（9）的下方设有蒸汽管（8）；流化室（7）上方连接出口通道（14）入口，出口通道（14）内部设有挡板（26），挡板（26）顶部与出口通道（14）内壁顶部留有空隙，挡板（26）前方的管体底部设有旋风分离器（13）；出口通道（14）出口与分离箱I（15）连接，分离箱I（15）外部设有冷却水套I（27），分离箱I（15）上部设有分气管I（16）；冷却水套I（27）上设有供水总管（19）和排水总管（21）；

分离箱I（15）通过分气管I（16）与分离箱II（17）相连，分离箱II（17）外部设有冷却水套II（28），分离箱II（17）上部设有分气管II（18）；冷却水套II（28）上设有供水分管（20）和排水分管（22），供水分管的另一端接入供水总管（19），排水分管（22）的另一端接入排水总管（21）；

旋风分离器（13）通过回料管（12）接入流化室（7），回料管（12）通过风管（25）与风机（24）连接，回料管（12）上设有逆止阀（11）；逆止阀（11）采用非机械式的U型阀；

蒸汽管（8）上安装有蒸汽流量计（30），尾气排放管（2）和风管（25）上装有浮子流量计（29）。

2.根据权利要求1所述的一种SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置，其特征在于，布风板I（23）和布风板II（10）为钢板或铸铁板，布风板为整块或拼装组成。

3.权利要求1所述SOFC尾气耦合生物质气化制氢的装置的使用方法，其特征在于，包括以下使用步骤：

1）从加料口（5）向预热室（4）中投入生物质；将SOFC系统（1）排放的尾气通过尾气排放管（2）进入到预混室（3）中，通过布风板I（23）进入预热室（4）中，将生物质在SOFC尾气气氛中反应，得到混合体系；

步骤1）中，尾气排放管（2）中的SOFC尾气质量流量和加料口（5）投入的生物质质量流量比为1:1；步骤2）和步骤3）中，送风机（24）送入的空气和蒸汽管（8）送入的蒸汽质量流量之比为3:7或2:8；蒸汽和空气的总质量流量与生物质质量流量之比为0.6~0.8；

步骤1）中，生物质选用稻壳、秸秆、甘蔗皮和松木屑中的一种或多种，生物质的粒径为2~10mm；

2）经步骤1）反应后的混合体系送料管（6）进入到流化室（7）中，过热水蒸气通过蒸汽管（8）进入到布气室（9）中，通过布风板II（10）进入流化室（7）中，对混合体系进行进一步气化反应，得到气化汽和未完全气化的物料；

3）经步骤2）反应所得的气化汽和未完全气化的物料流经出口通道（14），未完全气化的物料被挡板（26）拦截，进入旋风分离器（13）中，进入旋风分离器（13）中的未完全气化的物料，通过回料管（12）由送风机（24）抽送回流化室（7）中；经步骤3）所得的分层氢气经分气管I（16）进入分离箱II（17），再经冷却水套II（28）冷却提纯，得到高纯度的氢气产物，氢气从分气管II（18）中流出并收集；气化汽进入到分离箱I（15）中，经过冷却水套I（27）冷却，使氢气和其余大分子气体发生分层，得到分层氢气经分气管I（16）离开分离箱I（15）；

步骤3）中，旋风分离器（13）的旋转部分直径为0.4m，粒子入口段直径为0.1m，旋转段高0.25m，气流入口速度为14m/s。