CN113060704A - 一种有机固体清洁高效制氢装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能源利用技术领域，涉及一种有机固体清洁高效制氢装置及方法。该装置包括干燥装置，烘焙装置、催化气化装置、重整装置、预降温装置、燃烧装置、蒸汽发生器、烟气净化装置及氢气回收装置。该方法采用低温烘焙的方式，烘焙过程将大部分O、N、S等元素以气态产物的形式析出的同时防止了C、H元素的大规模挥发，剩余固体主要成分是C、H元素，提纯的同时提升了固体产物的能量密度，烘焙过程采用直接接触式换热，提升了传热速率。同时，催化气化结合CO2装置内吸附及过程透氢的方式，减少了催化气化装置内的CO2及H2含量，促进水煤气变换反应向正向进行，再结合重装装置对剩余气体中的CH4及CO进行重整，提升了氢气产率。

Description

一种有机固体清洁高效制氢装置及方法
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，具体涉及一种有机固体清洁高效制氢装置及方法。
背景技术
有机物种类繁多，产量巨大，有机物清洁制氢对当今世界所面临的能源危机及环境污染等问题具有深远的意义，有机物制氢方法主要包括生物制氢和热化学制氢，传统生物制氢主要利用产氢微生物分解有机物制氢，但制备过程缓慢，产氢效率低，成本昂贵限值了其工业化发展，传统热化学制氢主要采用气化制氢的方式，通过碳与氧气的燃烧提供制氢过程所必须的能量，再通入水蒸汽与碳或碳的化合物结合生成氢气的方式，此种方式一方面消耗了大量的炭用于供能，另一方面气体产物种类复杂，回收氢气过程困难且回收率较低。
发明内容
为克服现有生产工艺的不足，本发明提供一种有机固体清洁高效制氢装置及方法，对现有的有机物制氢技术做了大范围的改进，提高氢气产率的同时降低其生产能量及物耗，方便其工业化应用。
本发明的技术方案：
一种有机固体清洁高效制氢装置，所述的有机固体清洁高效制氢装置包括干燥装置1、烘焙装置2、催化气化装置3、重整装置4、预降温装置5、燃烧装置6、蒸汽发生器7、烟气净化装置8及氢气回收装置9；
所述的干燥装置1的固体出口通入烘焙装置2，气体出口通入大气；
所述的烘焙装置2的固体出口通入催化气化装置3，气体出口通入燃烧装置6；
所述的催化气化装置3设有透氢膜A10及缓冲装置A11，催化气化装置3的固体产物以灰渣的形式排出，气体产物中的氢气依次经透氢膜A10及缓冲装置A11送入氢气回收装置9，其余气体产物送入重整装置4；
所述的重整装置4设有透氢膜B12及缓冲装置B13，重整装置4的气体产物中氢气依次经透氢膜B12及缓冲装置B13送入氢气回收装置9，其余气体产物经预降温装置5降温后送入烘焙装置2；
所述的预降温装置5接收来自外界的常温水，热水出口通入蒸汽发生器7；
所述的燃烧装置6的烟气出口通入蒸汽发生器7；
所述的蒸汽发生器7的高温水蒸汽出口分别通入催化气化装置3及重整装置4，低温烟气出口通入烟气净化装置8；
所述的烟气净化装置8的达标烟气出口通入干燥装置1。
进一步地，所述的催化气化装置3上部为直筒段，依次套设透氢膜A10及缓冲装置A11；下部为漏斗状，便于灰渣的排出。
一种有机固体清洁高效制氢的方法，步骤如下：
(Ⅰ)低温干燥阶段：待处理的有机固体与氧化钙以一定的比例送入干燥装置1，与来自烟气净化装置8的达标烟气进行直接接触式低温换热，换热过程中有机固体内蒸发的水分随烟气一起排至大气，干燥后的有机固体与氧化钙送入烘焙装置2；
(Ⅱ)烘焙阶段：烘焙装置2内的有机固体与来自重整装置4的经预降温装置5降温的高温可燃气直接接触，有机固体温度升高进行烘焙反应，烘焙过程中生成气相与固相产物，固相产物送入催化气化装置3，气相产物送入燃烧装置6内进行燃烧，整个烘焙阶段维持温度介于150℃～300℃，防止有机固体的大规模热解，烘焙过程中有机固体自身大部分氧、氮、硫元素以气态产物的形式析出，烘焙之后的半焦再进行气化过程中焦油产量几乎为零，进而提升剩余固体物料的能量密度；
(Ⅲ)催化气化阶段：燃烧装置6内燃烧产生的高温烟气送入蒸汽发生器7，蒸汽发生器7对来自预降温装置5的热水进行间接加热或蓄热式加热，换热后的低温烟气通入烟气净化装置8，换热后的热水生成高温水蒸汽，并以热载体及气化剂的形式分别送入催化气化装置3及重整装置4，催化气化装置3内经烘焙后的固相产物与高温水蒸汽及催化剂接触后发生催化气化反应，反应过程中生成固体灰渣及气体产物(H2、CO、CO2、CH4等)；原始添加的氧化钙将气体产物中的CO2吸收并留存于灰渣中，促进水煤气变换反应向正向进行，提升氢气产率，气体产物中的氢气依次经透氢膜A10及缓冲装置A11送入氢气回收装置9进行回收，剩余气体产物送入重整装置4；
(Ⅳ)重整阶段：经催化气化装置3送入重整装置4内的气体产物与来自蒸汽发生器7的高温水蒸汽再次结合重整，重整产物中氢气依次经透氢膜B12及缓冲装置B13送入氢气回收装置9进行回收，其余气体产物经预降温装置5降温后送入烘焙装置2，为下批次有机固体的烘焙过程提供能量。
本发明的有益效果：
(1)采用低温烘焙的方式，不同于传统的热解过程，烘焙过程将大部分O、N、S等元素以气态产物的形式析出的同时防止了C、H元素的大规模挥发，剩余固体主要成分是C、H元素，提纯的同时大幅提升了固体产物的能量密度，烘焙过程采用直接接触式换热，可大幅提升传热速率。
(2)采用催化气化结合CO2装置内吸附及过程透氢的方式，可大幅减少催化气化装置内的CO2及H2含量，促进水煤气变换反应向正向进行，再结合重装装置对剩余气体中的CH4及CO进行重整，可大幅提升氢气产率。
附图说明
图1为本发明整套装置的结构示意图。
图中：1干燥装置；2烘焙装置；3催化气化装置；4重整装置；5预降温装置；6燃烧装置；7蒸汽发生器；8烟气净化装置；9氢气回收装置；10透氢膜A；11缓冲装置A；12透氢膜B；13缓冲装置B。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
待处理的有机固体与氧化钙以一定的比例送入干燥装置1，与来自烟气净化装置8的达标烟气进行直接接触式低温换热，换热过程中有机固体内蒸发的水分随烟气一起排至大气，干燥后的有机固体与氧化钙送入烘焙装置2；烘焙装置2内的有机固体与来自重整装置4的经预降温装置5降温的高温可燃气直接接触，有机固体温度升高进行烘焙反应，烘焙过程中生成气相与固相产物，固相产物送入催化气化装置3，气相产物送入燃烧装置6内进行燃烧，整个烘焙阶段维持温度介于150℃～300℃，防止有机固体的大规模热解，烘焙过程中有机固体自身大部分氧、氮、硫元素以气态产物的形式析出，烘焙之后的半焦再进行气化过程中焦油产量几乎为零，进而大幅提升剩余固体物料的能量密度；燃烧装置6内燃烧产生的高温烟气送入蒸汽发生器7，蒸汽发生器7对来自预降温装置5的热水进行间接加热或蓄热式加热，换热后的低温烟气通入烟气净化装置8，换热后的热水生成高温水蒸汽，并以热载体及气化剂的形式分别送入催化气化装置3及重整装置4，催化气化装置3内经烘焙后的固相产物与高温水蒸汽及催化剂接触后发生催化气化反应，反应过程中生成固体灰渣及H2、CO、CO2、CH4等气体产物，其中添加的氧化钙将CO2吸收并留存于灰渣中，促进水煤气变换反应向正向进行，大幅提升氢气产率，气体产物中的氢气依次经透氢膜A10及缓冲装置A11送入氢气回收装置9进行回收，剩余气体产物送入重整装置4；经催化气化装置3送入重整装置4内的气体产物与来自蒸汽发生器7的高温水蒸汽再次结合重整，重整产物中氢气依次经透氢膜B12及缓冲装置B13送入氢气回收装置9进行回收，其余气体产物经预降温装置5降温后送入烘焙装置2，为下批次有机固体的烘焙过程提供能量。
本发明包括但不限于本实施例，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以采用其他方式做出替换，这些替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种有机固体清洁高效制氢装置，其特征在于，所述的有机固体清洁高效制氢装置包括干燥装置(1)、烘焙装置(2)、催化气化装置(3)、重整装置(4)、预降温装置(5)、燃烧装置(6)、蒸汽发生器(7)、烟气净化装置(8)及氢气回收装置(9)；
所述的干燥装置(1)的固体出口通入烘焙装置(2)，气体出口通入大气；
所述的烘焙装置(2)的固体出口通入催化气化装置(3)，气体出口通入燃烧装置(6)；
所述的催化气化装置(3)设有透氢膜A(10)及缓冲装置A(11)，催化气化装置(3)的固体产物以灰渣的形式排出，气体产物中的氢气依次经透氢膜A(10)及缓冲装置A(11)送入氢气回收装置(9)，其余气体产物送入重整装置(4)；
所述的重整装置(4)设有透氢膜B(12)及缓冲装置B(13)，重整装置(4)的气体产物中氢气依次经透氢膜B(12)及缓冲装置B(13)送入氢气回收装置(9)，其余气体产物经预降温装置(5)降温后送入烘焙装置(2)；
所述的预降温装置(5)接收来自外界的常温水，热水出口通入蒸汽发生器(7)；
所述的燃烧装置(6)的烟气出口通入蒸汽发生器(7)；
所述的蒸汽发生器(7)的高温水蒸汽出口分别通入催化气化装置(3)及重整装置(4)，低温烟气出口通入烟气净化装置(8)；
所述的烟气净化装置(8)的达标烟气出口通入干燥装置(1)。
2.根据权利要求1所述的一种有机固体清洁高效制氢装置，其特征在于，所述的催化气化装置(3)上部为直筒段，依次套设透氢膜A(10)及缓冲装置A(11)；下部为漏斗状，便于灰渣的排出。
3.一种有机固体清洁高效制氢的方法，其特征在于，所述的方法是采用权利要求1或2任一所述的装置完成的，步骤如下：
(Ⅰ)低温干燥阶段：待处理的有机固体与氧化钙以一定的比例送入干燥装置(1)，与来自烟气净化装置(8)的达标烟气进行直接接触式低温换热，换热过程中有机固体内蒸发的水分随烟气一起排至大气，干燥后的有机固体与氧化钙送入烘焙装置(2)；
(Ⅱ)烘焙阶段：烘焙装置(2)内的有机固体与来自重整装置(4)的经预降温装置(5)降温的高温可燃气直接接触，有机固体温度升高进行烘焙反应，烘焙过程中生成气相与固相产物，固相产物送入催化气化装置(3)，气相产物送入燃烧装置(6)内进行燃烧，整个烘焙阶段维持温度介于150℃～300℃，防止有机固体的大规模热解，烘焙过程中有机固体自身大部分氧、氮、硫元素以气态产物的形式析出，烘焙之后的半焦再进行气化过程中焦油产量几乎为零，进而提升剩余固体物料的能量密度；
(Ⅲ)催化气化阶段：燃烧装置(6)内燃烧产生的高温烟气送入蒸汽发生器(7)，蒸汽发生器(7)对来自预降温装置(5)的热水进行间接加热或蓄热式加热，换热后的低温烟气通入烟气净化装置(8)，换热后的热水生成高温水蒸汽，并以热载体及气化剂的形式分别送入催化气化装置(3)及重整装置(4)，催化气化装置(3)内经烘焙后的固相产物与高温水蒸汽及催化剂接触后发生催化气化反应，反应过程中生成固体灰渣及气体产物；原始添加的氧化钙将气体产物中的CO2吸收并留存于灰渣中，促进水煤气变换反应向正向进行，提升氢气产率，气体产物中的氢气依次经透氢膜A(10)及缓冲装置A(11)送入氢气回收装置(9)进行回收，剩余气体产物送入重整装置(4)；
(Ⅳ)重整阶段：经催化气化装置(3)送入重整装置(4)内的气体产物与来自蒸汽发生器(7)的高温水蒸汽再次结合重整，重整产物中氢气依次经透氢膜B(12)及缓冲装置B(13)送入氢气回收装置(9)进行回收，其余气体产物经预降温装置(5)降温后送入烘焙装置(2)，为下批次有机固体的烘焙过程提供能量。
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