CN113336191A - 生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法及氢气的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法及氢气的制备方法。在活化炉中二次炭化料与水蒸气反应生成生物质炭和活化炉烟气，生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法包括步骤：对活化炉烟气进行换热处理，输出换热气；对换热气进行干燥处理，输出干燥气；对干燥气进行分离处理，使干燥气中的一氧化碳和氢气分离，输出一氧化碳和氢气。本发明具有以下优点：(1)能够制备纯度达99％以上的氢气；(2)活化炉尾气中的有价资源被充分地回收；(3)充分地利用活化炉烟气的热量，减少高温气体排放；(4)充分地利用一氧化碳，实现无害化排放；(3)工艺和结构简单，自动化程度高，投资成本和运行成本低。

Description

生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法及氢气的制备方法
技术领域
本发明涉及生物质炭生产的技术领域，具体而言，涉及生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法及氢气的制备方法。
背景技术
生物质基多孔炭材料(以下简称为生物质炭)，有机材料如作物秸秆、木材、竹材等再缺氧或无氧条件下热解得到的一种富碳、稳定性较高的固体产物，是一种环境友好型钝化材料，具有多孔性、比表面积大、表面活性官能团丰富、具有固碳减排作用，是一种原料易得的环境友好型材料。
目前生物质炭生产过程主要包括步骤：将生物质原料在绝氧条件下被加热到500～700℃进行一次炭化，得到一次炭化料；对一次炭化料进行磨粉、捏合、挤压成型；成型后的一次炭化料转入炭化炉中在500～700℃进行二次绝氧炭化，得到二次炭化料；二次炭化料进入活化炉中，在800～900℃下用水蒸汽进行活化，即得到生物质炭。
在活化炉中，水蒸汽与二次炭化料在高温条件下接触发生氧化还原反应，产生活化炉烟气主要由一氧化碳、氢气和水蒸气构成。目前，活化炉烟气通常直接排放或作为可燃气体进行燃烧。
发明内容
在新能源领域中，氢能源作为一种环境友好型清洁能源，不仅具有能量密度高、热转化效率高等优点，而且其燃烧产物为水，对环境无污染。但是，氢的制取作为氢能利用的重要基础环节，目前的制备方法普遍都存在制取成本太高的问题。
本申请的申请人考虑到现有技术中活化炉烟气中的氢气存在未被充分利用的技术问题，并且氢气含量高，极有回收价值。
因此，一方面，本发明旨在提供一种工艺简单、成本低、能够充分发挥活化炉烟气价值的活化炉烟气的处理方法；另一方面，本发明旨在提供一种成本低、工艺简单的氢气的制备方法；又一方面，本发明旨在提供一种结构简单、设备投资和运行成本低的活化炉烟气的处理系统。
为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，技术方案如下：
生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，在活化炉中二次炭化料与水蒸气反应生成生物质炭和活化炉烟气，处理方法包括步骤：对活化炉烟气进行换热处理，输出换热气；对换热气进行干燥处理，输出干燥气；对干燥气进行分离处理，使干燥气中的一氧化碳和氢气分离，输出一氧化碳和氢气。
进一步地是，以冷水为冷源对活化炉烟气进行换热处理，使换热后生成的水蒸气流入活化炉中与二次炭化料反应。
进一步地是，采用吸水性干燥剂进行干燥处理。
进一步地是，所述分离处理为变压吸附处理。
进一步地是，变压吸附处理采用的吸附剂为活性炭、硅胶、沸石、分子筛中的任意一种；变压吸附处理的压力为0.3～3MPa，温度为50～150℃。
进一步地是，炭化炉和活化炉一体化设置为转炉；还包括步骤：对换热气进行冷凝处理，使换热气中的焦油冷凝，输出冷凝气，然后对冷凝气进行干燥处理。
进一步地是，活化炉烟气的温度为600～800℃；换热气的温度为300～450℃；冷凝气的温度为100～250℃。
进一步地是，还包括步骤：对干燥气进行除尘处理，输出含尘量≤30mg/Nm3的无尘气，然后对无尘气进行分离处理。
进一步地是，使一氧化碳流入活化炉的燃烧室中燃烧。
为了实现上述目的，根据本发明的第二个方面，提供了氢气的制备方法，技术方案如下：
氢气的制备方法，包括以下步骤：对活化炉烟气进行预处理，输出温度为50～150℃的干燥气；对干燥气进行分离处理，使干燥气中的一氧化碳和氢气分离，即得到氢气；所述活化炉烟气由二次炭化料与水蒸气在800～900℃下反应得到。所述的预处理优选为依次对活化炉烟气进行换热处理、冷凝处理、干燥处理和除尘处理。
为了实现上述目的，根据本发明的第三个方面，还提供了生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统，技术方案如下：
生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统，在活化炉中二次炭化料与水蒸气反应生成生物质炭和活化炉烟气，处理系统包括：换热单元，用于对活化炉烟气进行换热处理并输出换热气；冷凝单元，用于使换热气中的焦油冷凝并输出冷凝气；干燥单元，用于对冷凝气进行干燥处理并输出干燥气；分离单元，用于对干燥气进行分离处理并输出一氧化碳和氢气。
进一步地是，换热单元采用以冷水为冷源的余热锅炉。
进一步地是，处理系统还包括第一循环单元，所述第一循环单元用于将换热单元输出的水蒸气输入活化炉中与二次炭化料反应。
进一步地是，干燥单元具有并联的至少干燥组件，每个干燥组件包括吸水性干燥剂填充层以及加热装置。
进一步地是，分离单元包括变压吸附柱，变压吸附柱内填充吸附剂。
进一步地是，分离单元还包括对变压吸附柱的温度进行监测的温度传感器以及对压力进行监测的压力传感器。
进一步地是，处理系统还包括第二循环单元，所述第二循环单元用于将分离单元输出的一氧化碳输入活化炉的燃烧室中燃烧。
进一步地是，处理系统还包括储存一氧化碳的第一中间罐以及储存氢气的第二中间罐，第一中间罐和第二中间罐具有压力传感器。
进一步地是，处理系统还包括用于对干燥气进行除尘处理并输出无尘气的除尘单元，分离单元对无尘气进行分离处理。
进一步地是，除尘单元采用对粒度≥5μm的粉尘的拦截率≥95％的过滤装置。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统第一种具体实施方式的结构示意图。
图2为本发明的生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统第二种具体实施方式的结构示意图。
图3为本发明的生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统第三种具体实施方式的结构示意图。
上述附图中的有关标记为：
100-换热单元，200-干燥单元，300-分离单元，400-冷凝单元，500-除尘单元，610-第一中间罐，620-第二中间罐，710-第一循环单元，720-第二循环单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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的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。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
以下具体实施方式中，涉及的活化炉烟气由二次炭化料与水蒸气在800～900℃下反应得到，其温度为600～800℃，具体参见背景技术。
该活化炉烟气的处理方法优选但是不限于采用以下三种具体实施方式，分别为：
第一种具体实施方式中，生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法包括以下步骤：
(1)以冷水为冷源对活化炉烟气进行换热处理，输出换热气；使换热后生成的水蒸气流入活化炉中与二次炭化料反应。
(2)采用吸水性干燥剂对换热气进行干燥处理，输出干燥气。
(3)对干燥气进行变压吸附处理，使干燥气中的一氧化碳和氢气分离，输出一氧化碳和氢气，其中，使一氧化碳流入活化炉的燃烧室中燃烧供能。
当炭化炉和活化炉一体化设置为转炉时，虽然能够提升生产效率，但是会致使活化炉烟气中还含有少量的气态焦油，焦油冷凝将导致管道堵塞，并影响各工段的效率。由此，第二种具体实施方式中，生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法包括以下步骤：
(1)以冷水为冷源对活化炉烟气进行换热处理，输出换热气；使换热后生成的水蒸气流入活化炉中与二次炭化料反应。
(2)对换热气进行冷凝处理，使换热气中的焦油冷凝，输出冷凝气。
(3)采用吸水性干燥剂对冷凝气进行干燥处理，输出干燥气。
(4)对干燥气进行变压吸附处理，使干燥气中的一氧化碳和氢气分离，输出一氧化碳和氢气，其中，使一氧化碳流入活化炉的燃烧室中燃烧。
工业化生产中得到的活化炉烟气中可能还含有少量的粉尘，这些粉尘会在一定程度上影响变压吸附的效率。因此，第三种具体实施方式中，生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法包括以下步骤：
(1)以冷水为冷源对活化炉烟气进行换热处理，输出换热气；使换热后生成的水蒸气流入活化炉中与二次炭化料反应。
(2)对换热气进行冷凝处理，使换热气中的焦油冷凝，输出冷凝气。
(3)采用吸水性干燥剂对冷凝气进行干燥处理，输出干燥气。
(4)对干燥气进行除尘处理，输出含尘量≤30mg/Nm3的无尘气，然后对无尘气进行分离处理。
(5)对干燥气进行变压吸附处理，使干燥气中的一氧化碳和氢气分离，输出一氧化碳和氢气，其中，使一氧化碳流入活化炉的燃烧室中燃烧。
上述具体实施方式中，变压吸附处理采用的吸附剂为活性炭、硅胶、沸石、分子筛中的任意一种；当压力为0.3～3MPa、温度为50～150℃时，变压吸附的效果最好。
可以但是不限于通过控制换热效率来确保变压吸附处理的气体温度在50～150℃。优选地，第一具体实施方式中，控制换热气的温度为100～200℃；第二具体实施方式中，控制换热气的温度为350～500℃，冷凝气的温度为100～200℃；第三具体实施方式中，控制换热气的温度为350～500℃，冷凝气的温度为150～250℃。
利用上述的活化炉烟气的氢气的制备方法的一种具体实施方式具体包括以下步骤：对活化炉烟气进行预处理，输出温度为50～150℃的干燥气；对干燥气进行分离处理，使干燥气中的一氧化碳和氢气分离，即得到氢气。
所述的预处理优选为上述第一具体实施方式中的换热处理-干燥处理、第二具体实施方式中的换热处理-冷凝处理-干燥处理或第三具体实施方式中的换热处理-冷凝处理-干燥处理-除尘处理。
上述的活化炉烟气的处理系统优选但是不限于采用以下三种具体实施方式，分别为：
图1为本发明的生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统第一种具体实施方式的结构示意图。
如图1所示，第一种具体实施方式中，生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统包括：换热单元100、干燥单元200和分离单元300；其中，所述换热单元100用于对活化炉烟气进行换热处理并输出换热气；所述干燥单元200用于对换热气进行干燥处理并输出干燥气；所述分离单元300用于对干燥气进行分离处理并输出一氧化碳和氢气。
图2为本发明的生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统第二种具体实施方式的结构示意图。
如图2所示，第二种具体实施方式中，生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统包括：换热单元100、冷凝单元400、干燥单元200和分离单元300；其中，所述换热单元100用于对活化炉烟气进行换热处理并输出换热气；所述冷凝单元400用于使换热气中的焦油冷凝并输出冷凝气；所述干燥单元200用于对冷凝气进行干燥处理并输出干燥气；所述分离单元300用于对干燥气进行分离处理并输出一氧化碳和氢气。
图3为本发明的生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统第三种具体实施方式的结构示意图。
如图3所示，第三种具体实施方式中，生物质炭生产中活化炉烟气的处理系统包括：换热单元100、冷凝单元400、干燥单元200、除尘单元500和分离单元300；其中，所述换热单元100用于对活化炉烟气进行换热处理并输出换热气；所述冷凝单元400用于使换热气中的焦油冷凝并输出冷凝气；所述干燥单元200用于对冷凝气进行干燥处理并输出干燥气；所述除尘单元500用于对干燥气进行除尘处理并输出无尘气；所述分离单元300用于对无尘气进行分离处理并输出一氧化碳和氢气。
上述三种具体实施方式中：
根据所需的换热效率，换热单元100采用余热锅炉或余热锅炉与其它换热器的组合。
余热锅炉以冷水为冷源，冷水换热后输出水蒸气，为了使该水蒸气充分地利用，处理系统还包括第一循环单元710，所述第一循环单元710用于将换热单元100输出的水蒸气输入活化炉中与与二次炭化料反应。
由于活化炉烟气中的氢气和一氧化碳易燃易爆，因此为了提升干燥的安全性，干燥单元200采用吸水性干燥剂进行干燥。
由于干燥剂具有吸水饱和性，为了确保生成效率，干燥单元200具有并联的至少干燥组件，每个干燥组件包括吸水性干燥剂填充层以及加热装置；由此，对于吸水饱和的干燥组件，可以停掉，待加热装置对其加热再生后再启用。
除尘单元500采用对粒度≥5μm的粉尘的拦截率≥95％的过滤装置。
分离单元300包括变压吸附柱，变压吸附柱内填充吸附剂。为了确保适宜的变压吸附温度和压力，分离单元300还包括对变压吸附柱的温度进行监测的温度传感器以及对压力进行监测的压力传感器。
为了充分地利用分离单元300输出的一氧化碳，处理系统还包括第二循环单元720，所述第二循环单元720用于将分离单元300输出的一氧化碳输入活化炉的燃烧室中燃烧。
处理系统还包括储存一氧化碳的第一中间罐610以及储存氢气的第二中间罐620，由此可以稳定一氧化碳和氢气的压力。第一中间罐610和第二中间罐620具有压力传感器，提升安全性。
综上可知，本发明具有以下优点：
(1)能够制备纯度达99％以上的氢气；
(2)活化炉尾气中的有价资源被充分地回收；
(3)充分地利用活化炉烟气的热量，减少高温气体排放；
(4)充分地利用一氧化碳，实现无害化排放；
(3)工艺和结构简单，自动化程度高，投资成本和运行成本低。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

Claims (10)

1.生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，在活化炉中二次炭化料与水蒸气反应生成生物质炭和活化炉烟气，其特征在于：处理方法包括步骤：
对活化炉烟气进行换热处理，输出换热气；
对换热气进行干燥处理，输出干燥气；
对干燥气进行分离处理，使干燥气中的一氧化碳和氢气分离，输出一氧化碳和氢气。
2.如权利要求1所述的生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，其特征在于：以冷水为冷源对活化炉烟气进行换热处理，使换热后生成的水蒸气流入活化炉中与二次炭化料反应。
3.如权利要求1所述的生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，其特征在于：采用吸水性干燥剂进行干燥处理。
4.如权利要求1所述的生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，其特征在于：所述分离处理为变压吸附处理。
5.如权利要求4所述的生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，其特征在于：变压吸附处理采用的吸附剂为活性炭、硅胶、沸石、分子筛中的任意一种；变压吸附处理的压力为0.3～3MPa，温度为50～150℃。
6.如权利要求1所述的生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，其特征在于：炭化炉和活化炉一体化设置为转炉；还包括步骤：对换热气进行冷凝处理，使换热气中的焦油冷凝，输出冷凝气，然后对冷凝气进行干燥处理。
7.如权利要求6所述的生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，其特征在于：活化炉烟气的温度为600～800℃；换热气的温度为350～500℃，冷凝气的温度为150～250℃。
8.如权利要求1所述的生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，其特征在于：还包括步骤：对干燥气进行除尘处理，输出含尘量≤30mg/Nm3的无尘气，然后对无尘气进行分离处理。
9.如权利要求1所述的生物质炭生产中活化炉烟气的处理方法，其特征在于：使一氧化碳流入活化炉的燃烧室中燃烧。
10.氢气的制备方法，包括以下步骤：
对活化炉烟气进行预处理，输出温度为50～150℃的干燥气；
对干燥气进行分离处理，使干燥气中的一氧化碳和氢气分离，即得到氢气；
所述活化炉烟气由二次炭化料与水蒸气在800～900℃下反应得到。
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