CN113372957B - 一种生物质气化供热联产氢能的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种生物质气化供热联产氢能的装置及方法，包括炭气联产气化炉、燃烧器、锅炉、炭汽反应器、导热油换热器、引风机、出炭螺旋器和脱二氧化碳器，进炭气联产气化炉连接出炭螺旋器，炭气联产气化炉的可燃气出口连接燃烧器，燃烧器连接锅炉，锅炉的烟气出口连接导热油换热器，导热油换热器的烟气出口连接引风机；锅炉的蒸汽出口连接炭汽反应器，导热油换热器的导热油出口连接炭汽反应器的导热油入口，导热油换热器的导热油进口连接炭汽反应器的导热油出口，出炭螺旋器连接炭汽反应器的进炭口，炭汽反应器的富氢出口连接脱二氧化碳器。该装置及方法实现了生物质气化清洁供热的同时得到氢能，显著提高了经济效益和环境效益。

Description

一种生物质气化供热联产氢能的装置及方法
技术领域
本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及一种生物质气化供热联产氢能的装置及方法。
背景技术
在能源和环境的双重压力下，大力开发清洁的可再生能源已成为摆在世界各国政府面前的一个非常紧迫的世界性课题。生物质能和其他新能源相比，具有可再生、污染少、可运输和储存、与现在能源工业最具相容性等特点，因而特别受到关注。中国是一个农业大国，农林生物质资源丰富、数量巨大、品种多样性。在利好的政策背景下，生物质资源化利用在中国获得了长足的发展，但同时也产生工艺、装备上的很多问题。
生物质气化作为生物质资源化利用中一种热化学转化的方法，在国内多所高校进行了深入研究。纵观当前生物质资源化利用气化可燃气的利用大致有以下几个方向：一是可燃气经过深度净化，供燃气轮机发电或者供气；二是可燃气经过初步除尘直接热燃气燃烧，供锅炉燃烧或者产蒸汽推动汽轮机发电。可燃气由于含有焦油、水汽、粉尘，深度净化一直是生物质可燃气利用的世界性难题，国内外很多学者研究了催化剂裂解焦油法、电加热裂解焦油法以及很多物理法去除焦油。催化剂裂解焦油法、电加热裂解焦油法是可以去除焦油，但是成本高，无法工业利用。物理法去除焦油不仅无法深度净化，而且去除的焦油产生污染。因此，国内外学者没有找到一个好的方法，既能去除焦油，也不增加成本的方法。
南京林业大学提出了生物质气化发电联产炭、热、肥技术，对于炭的利用，提出了制备活性炭、炭基肥，壳类生物质制备活性炭，附加值很高，而品质较差的木片类和秸秆类，由于灰分高无法制备活性炭，用来制备炭基肥，但是炭基肥市场接受力不行，因此，急于寻求一种清洁、环保、市场接受的生物质炭的利用方式。
制氢技术一直是制约氢能利用发展的瓶颈。目前制氢方法主要有水制氢、化石能源制氢和生物质制氢等。石化能源制氢技术是目前比较成熟的制氢途径，但制氢过程中需利用大量的天然气、煤和石油等化石燃料，会造成大量的碳排放。石油化工每生产1吨氢气会排放约2.5吨二氧化碳，利用煤炭生产1吨氢气约排放5吨的二氧化碳，因此化石能源制氢技术在环境层面存在限制。生物质是唯一一种以碳氢形式存在的可存储和可运输的可再生能源。生物质制氢具有来源丰富、价格低廉、节能环保和不消耗矿物资源等突出优点，是制氢工业中最具潜力的技术之一。
国内外对生物质气化技术开展了系列研究，取得了比较大的成就和技术进展。对于不同的生产目的和需求，不同气化剂(空气、氧气、水蒸气及其混合气体等)制备气化合成气的组分不同而且各有特点。空气作为廉价的气化剂可用来进行生物质气化生产，但由于大量氮气的存在，严重降低了生物质气的热值，而且不可避免的从系统中带走了部分热量。纯度较高的氧气作为气化剂可大幅提高生物质气的热值，但是成本相对较高。水蒸气作为气化剂和氢源可以在很大程度上提高H2含量和冷煤气效率，是最有潜力的生物质气化制氢技术。1998年美国夏威夷大学的Turn在实验室规模流化床上，开展了生物质气化制氢实验。考察了不同实验参数对气化产氢率的影响，主要有反应器温度、空气当量比(ER)及水蒸气对生物质之比，提出了氢产能的概念。同年意大利拉奎拉大学的Rapagnà研究了生物质流化床气化以及二次催化研究，利用一个带有催化剂的二次反应气对气化气体进行催化重整，获得了氢气浓度为60％以上合成气。国内外基本停留在对生物质气化后可燃气催化合成来制备氢气。
因此，需要提供一种新的生物质气化供热联产氢能的装置及方法，来解决现有炭气联产系统中炭的利用价值低、热量利用效率低、环境效益差等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有炭气联产系统中炭的利用价值低、热量利用效率低、环境效益差等问题，提供了一种生物质气化供热联产氢能的装置及方法，该装置及方法实现了生物质气化清洁供热的同时得到氢能，显著提高了经济效益和环境效益。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种生物质气化供热联产氢能的装置，包括进料器、炭气联产气化炉、燃烧器、锅炉、炭汽反应器、导热油换热器、引风机、出炭螺旋器、烟筒和脱二氧化碳器，所述进料器与炭气联产气化炉的进料口连接，所述炭气联产气化炉的出炭口连接出炭螺旋器，所述炭气联产气化炉的可燃气出口与燃烧器的进口相连，所述燃烧器的出口与锅炉相连，所述锅炉的烟气出口与导热油换热器相连，所述导热油换热器的烟气出口与引风机相连，所述引风机的出口与烟筒相连；所述锅炉的蒸汽出口与炭汽反应器的蒸汽入口相连，所述导热油换热器的导热油出口与炭汽反应器的导热油入口相连，所述导热油换热器的导热油进口与炭汽反应器的导热油出口相连，所述出炭螺旋器的出口与炭汽反应器的进炭口相连，所述炭汽反应器的富氢出口与脱二氧化碳器的进口相连。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述炭汽反应器包括壳体、高温热管和旋转布汽装置，所述壳体上设置有导热油夹套，多个所述高温热管位于壳体内侧，且所述高温热管的一端与壳体的导热油夹套内部连通；所述旋转布汽装置包括减速电机、旋转接头、蒸汽主管和蒸汽支管，所述减速电机与旋转接头连接，所述旋转接头上开设有与其内腔连通的蒸汽入口，所述旋转接头与蒸汽主管连通，所述旋转布汽装置连接在壳体的顶盖中心，且旋转布汽装置的蒸汽主管从顶盖中心孔伸入到壳体的内部，所述蒸汽主管上连通有多个蒸汽支管；所述壳体的顶盖上开设有与壳体内侧连通的进炭口和富氢出口，所述壳体的外侧面上部开设有与壳体的导热油夹套内部连通的导热油入口，所述壳体的外侧面底部开设有与壳体的导热油夹套内部连通的导热油出口。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述导热油换热器的导热油出口通过导热油管道与炭汽反应器的导热油入口相连，所述导热油管道上设置有流量调节阀。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述锅炉蒸汽出口通过蒸汽管道与炭汽反应器的蒸汽入口相连，所述蒸汽管道上设置有流量调节阀。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述炭汽反应器的导热油夹套内部和壳体内部均设置有热电偶，所述热电偶用于测量导热油的温度和壳体内部的反应温度。
作为本发明进一步改进的技术方案，多个所述高温热管均匀并间隔的分布在壳体的导热油夹套上。
作为本发明进一步改进的技术方案，多个所述蒸汽支管均匀并间隔的分布在蒸汽主管上。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种生物质气化供热联产氢能的方法，包括：
步骤1、生物质气化：生物质通过进料器送入炭气联产气化炉，在炭气联产气化炉中发生气化反应，气化得到混合气体，同时得到生物质炭；
步骤2、热燃气的燃烧、供热：步骤1得到的热燃气送入燃烧器燃烧后通入锅炉，锅炉产生蒸汽，一路蒸汽用于供热，另外一路蒸汽提供给炭汽反应器，锅炉烟气出口的高温烟气进入导热油换热器，加热导热油换热器内的导热油，经过换热后的烟气从导热油换热器的烟气出口进入引风机，引风机将烟气通过烟筒排出；
步骤3、炭汽反应制氢：步骤1得到的生物质炭通过出炭螺旋器送入炭汽反应器的进炭口，生物质炭进入炭汽反应器的壳体内部，步骤2中锅炉产生的一路蒸汽进入炭汽反应器的蒸汽入口，且蒸汽依次通过旋转接头、蒸汽主管以及多个蒸汽支管进入炭汽反应器的壳体内部，蒸汽均匀布入生物质炭中，同时，高温导热油从导热油换热器的导热油出口流向炭汽反应器的导热油入口，高温导热油进入壳体的导热油夹套中和高温热管中，将热量快速传至生物质炭中，在炭汽反应器中经过炭汽反应得到富氢气体，富氢气体从炭汽反应器的富氢出口流向脱二氧化碳器，脱二氧化碳器脱除二氧化碳，最终得到氢气；将从炭汽反应器的导热油出口流出的导热油输送至导热油换热器的导热油进口，实现导热油的循环流动。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤3中，高温导热油从导热油换热器的导热油出口流出，并通过导热油管道流向炭汽反应器的导热油入口，该导热油管道上设置有流量调节阀，通过控制流量调节阀从而控制导热油的流量，进而控制炭汽反应器中导热油的温度。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过生物质气化可燃气的燃烧供热的同时，得到部分蒸汽和烟气的热量协同用于炭汽反应器，降低生产成本；
(2)通过炭汽反应器，采用独特的进气、布气，实现炭汽混合均匀，通过导热油、高温热管的联合作用，满足炭所需的反应温度，达到很好的制氢效果；
(3)生产过程中热量集中利用为关键工艺，本系统装置利用自身热量和独特工艺实现了供热联产氢能，显著提高经济效益和环境效益。
(4)生物质在炭气联产气化炉中发生气化反应，产生的热燃气直接送入燃烧器充分燃烧，保证完全燃烧，稳定运行同时降低了氮氧化物产生量，更环保。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明炭汽反应器的结构示意图。
图中：
1、进料器(进料装置)；2、炭气联产气化炉；3、燃烧器；4、锅炉；5、炭汽反应器；6、导热油换热器；7、引风机；8、出炭螺旋器；9、烟筒；10、脱二氧化碳器；5-1、进炭口；5-2、壳体；5-3、导热油入口；5-4、蒸汽入口；5-5、减速机；5-6、高温热管；5-7、导热油出口；5-8、蒸汽主管(搅拌轴)；5-9、蒸汽支管；5-10、富氢出口。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
如图1所示，一种生物质气化供热联产氢能的装置，包括进料器1、炭气联产气化炉2、燃烧器3、锅炉4、炭汽反应器5、导热油换热器6、引风机7、出炭螺旋器8、烟筒9和脱二氧化碳器10，所述进料器1与炭气联产气化炉2的进料口连接，所述炭气联产气化炉2的出炭口连接出炭螺旋器8，所述炭气联产气化炉2的可燃气出口与燃烧器3的进口相连，所述燃烧器3的出口与锅炉4相连，所述锅炉4的烟气出口与导热油换热器6相连，所述导热油换热器6的烟气出口与引风机7相连，所述引风机7的出口与烟筒9相连；所述锅炉4的蒸汽出口与炭汽反应器5的蒸汽入口5-4相连，所述导热油换热器6的导热油出口与炭汽反应器5的导热油入口5-3相连，所述导热油换热器6的导热油进口与炭汽反应器5的导热油出口5-7相连，实现导热油循环加热。所述出炭螺旋器8的出口与炭汽反应器5的进炭口5-1相连，所述炭汽反应器5的富氢出口5-10与脱二氧化碳器10的进口相连。
如图2所示，所述炭汽反应器5包括壳体5-2、高温热管5-6和旋转布汽装置，所述壳体5-2上设置有导热油夹套，多个所述高温热管5-6位于壳体5-2内侧，且所述高温热管5-6的一端与壳体5-2的导热油夹套内部连通；所述旋转布汽装置包括减速电机5-5、旋转接头、蒸汽主管5-8和蒸汽支管5-9，所述减速电机5-5与旋转接头连接，所述旋转接头上开设有与其内腔连通的蒸汽入口5-4，所述旋转接头与蒸汽主管5-8连通，所述旋转布汽装置连接在壳体5-2的顶盖中心，减速电机5-5与顶盖连接，且旋转布汽装置的蒸汽主管5-8从顶盖中心孔伸入到壳体5-2的内部，所述蒸汽主管5-8上连通有多个蒸汽支管5-9；所述壳体5-2的顶盖上开设有与壳体5-2内侧连通的进炭口5-1和富氢出口5-10，所述壳体5-2的外侧面上部开设有与壳体5-2的导热油夹套内部连通的导热油入口5-3，所述壳体5-2的外侧面底部开设有与壳体5-2的导热油夹套内部连通的导热油出口5-7。本实施例减速电机5-5可带动蒸汽主管5-8和多个蒸汽支管5-9旋转，通过旋转接头上的蒸汽入口5-4，在缓慢的旋转过程中均匀布汽。另外通过高温热管5-6将热量快速加热反应中的生物质炭，从而实现炭汽反应。
所述导热油换热器6的导热油出口通过导热油管道与炭汽反应器5的导热油入口5-3相连，所述导热油管道上设置有电动流量调节阀。该电动流量调节阀可以控制炭汽反应器5中导热油的温度。
所述锅炉4蒸汽出口通过蒸汽管道与炭汽反应器5的蒸汽入口5-4相连，所述蒸汽管道上设置有电动流量调节阀。该电动流量调节阀可以调节炭汽反应器5内炭汽反应所需的蒸汽量。
所述炭汽反应器5的导热油夹套内部和壳体5-2内部均设置有热电偶，所述热电偶用于测量导热油的温度和壳体5-2内部的反应温度。通过热电偶测量炭汽反应器5内导热油的温度进而控制导热油管道上的电动流量调节阀，从而控制炭汽反应器5中导热油的温度。
多个所述高温热管5-6均匀并间隔的分布在壳体5-2的导热油夹套上。多个所述蒸汽支管5-9均匀并间隔的分布在蒸汽主管5-8上。
本实施例还提供一种生物质气化供热联产氢能的方法，包括以下步骤：
步骤1、生物质气化：生物质通过进料器1送入炭气联产气化炉2，在炭气联产气化炉2中发生气化反应，反应温度为650～750℃，气化得到混合气体(CO、CH4、H2、N2等)(即热燃气)，温度为250-400℃，同时得到生物质炭；
步骤2、热燃气的燃烧、供热：步骤1得到的热燃气送入燃烧器3充分燃烧后通入锅炉4，锅炉4产生蒸汽，一路蒸汽用于供热，另外一路蒸汽提供给炭汽反应器5，锅炉4烟气出口的高温烟气进入导热油换热器6，循环加热导热油换热器6内的导热油用于为步骤3提供反应所需的热量，经过换热后的烟气从导热油换热器6的烟气出口进入引风机7，引风机7将烟气通过烟筒9排空。
步骤3、炭汽反应制氢：步骤1得到的生物质炭通过出炭螺旋器8送入炭汽反应器5的进炭口5-1，生物质炭进入炭汽反应器5的壳体5-2内部，步骤2中锅炉4产生的一路蒸汽进入炭汽反应器5的蒸汽入口5-4，且蒸汽依次通过旋转接头、蒸汽主管5-8以及多个蒸汽支管5-9进入炭汽反应器5的壳体5-2内部，蒸汽均匀布入生物质炭中，同时，高温导热油从导热油换热器6的导热油出口流向炭汽反应器5的导热油入口5-3，高温导热油进入壳体5-2的导热油夹套中，并通过高温热管5-6将热量快速传至反应炭中，根据需要温度高低，通过导热油管道上的流量调节阀控制导热油温度，在炭汽反应器5中经过炭汽反应得到富氢气体，富氢气体从炭汽反应器5的富氢出口5-10流向脱二氧化碳器10，脱二氧化碳器10脱除二氧化碳，最终得到氢气；将从炭汽反应器5的导热油出口5-7流出的导热油输送至导热油换热器6的导热油进口，实现导热油的循环流动。
所述的步骤3中，高温导热油从导热油换热器6的导热油出口流出，并通过导热油管道流向炭汽反应器5的导热油入口5-3，该导热油管道上设置有流量调节阀，通过控制流量调节阀从而控制导热油的流量，进而控制炭汽反应器5中导热油的温度。
本系统装置用于生物质气化供热联产氢能案例：废弃木片从炭气联产气化炉2上部进料螺旋送入气化炉，点火后，在引风机7的作用下，木片在气化炉发生气化反应，气化反应的过程中随即产生了可燃气，可燃气的温度在250-350℃，同时木片在气化炉炉排的作用下缓慢下落至出炭螺旋器8中，高温可燃气被引入燃烧器3燃烧，燃烧后高温烟气送入锅炉4，产生低温低压蒸汽大部分用于供热，少部分送入炭汽反应器5，通过锅炉4后烟气温度大概400℃，进而进入导热油换热器6，经过换热后烟气通过烟筒9排入大气。导热油换热器6得到高温导热油(1100℃)，送入炭汽反应器5的壳体5-2，通过壳体5-2上布置的高温热管5-6将导热油的热量传递给来自出炭螺旋器8的生物质炭，蒸汽通过旋转接头、蒸汽主管5-8、蒸汽支管5-9均匀布入生物质炭中，生物质炭与蒸汽在高温下(1100℃)发生置换反应，得到富氢气体，富氢气体随后通过脱二氧化碳器10脱除二氧化碳，最终得到氢气。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种生物质气化供热联产氢能的装置，其特征在于：包括进料器(1)、炭气联产气化炉(2)、燃烧器(3)、锅炉(4)、炭汽反应器(5)、导热油换热器(6)、引风机(7)、出炭螺旋器(8)、烟筒(9)和脱二氧化碳器(10)，所述进料器(1)与炭气联产气化炉(2)的进料口连接，所述炭气联产气化炉(2)的出炭口连接出炭螺旋器(8)，所述炭气联产气化炉(2)的可燃气出口与燃烧器(3)的进口相连，所述燃烧器(3)的出口与锅炉(4)相连，所述锅炉(4)的烟气出口与导热油换热器(6)相连，所述导热油换热器(6)的烟气出口与引风机(7)相连，所述引风机(7)的出口与烟筒(9)相连；所述锅炉(4)的蒸汽出口与炭汽反应器(5)的蒸汽入口(5-4)相连，所述导热油换热器(6)的导热油出口与炭汽反应器(5)的导热油入口(5-3)相连，所述导热油换热器(6)的导热油进口与炭汽反应器(5)的导热油出口(5-7)相连，所述出炭螺旋器(8)的出口与炭汽反应器(5)的进炭口(5-1)相连，所述炭汽反应器(5)的富氢出口(5-10)与脱二氧化碳器(10)的进口相连；
所述炭汽反应器(5)包括壳体(5-2)、高温热管(5-6)和旋转布汽装置，所述壳体(5-2)上设置有导热油夹套，多个所述高温热管(5-6)位于壳体(5-2)内侧，且所述高温热管(5-6)的一端与壳体(5-2)的导热油夹套内部连通；所述旋转布汽装置包括减速电机(5-5)、旋转接头、蒸汽主管(5-8)和蒸汽支管(5-9)，所述减速电机(5-5)与旋转接头连接，所述旋转接头上开设有与其内腔连通的蒸汽入口(5-4)，所述旋转接头与蒸汽主管(5-8)连通，所述旋转布汽装置连接在壳体(5-2)的顶盖中心，且旋转布汽装置的蒸汽主管(5-8)从顶盖中心孔伸入到壳体(5-2)的内部，所述蒸汽主管(5-8)上连通有多个蒸汽支管(5-9)；所述壳体(5-2)的顶盖上开设有与壳体(5-2)内侧连通的进炭口(5-1)和富氢出口(5-10)，所述壳体(5-2)的外侧面上部开设有与壳体(5-2)的导热油夹套内部连通的导热油入口(5-3)，所述壳体(5-2)的外侧面底部开设有与壳体(5-2)的导热油夹套内部连通的导热油出口(5-7)。
2.根据权利要求1所述的生物质气化供热联产氢能的装置，其特征在于：所述导热油换热器(6)的导热油出口通过导热油管道与炭汽反应器(5)的导热油入口(5-3)相连，所述导热油管道上设置有流量调节阀。
3.根据权利要求2所述的生物质气化供热联产氢能的装置，其特征在于：所述锅炉(4)蒸汽出口通过蒸汽管道与炭汽反应器(5)的蒸汽入口(5-4)相连，所述蒸汽管道上设置有流量调节阀。
4.根据权利要求1所述的生物质气化供热联产氢能的装置，其特征在于：所述炭汽反应器(5)的导热油夹套内部和壳体(5-2)内部均设置有热电偶，所述热电偶用于测量导热油的温度和壳体(5-2)内部的反应温度。
5.根据权利要求1所述的生物质气化供热联产氢能的装置，其特征在于：多个所述高温热管(5-6)均匀并间隔的分布在壳体(5-2)的导热油夹套上。
6.根据权利要求5所述的生物质气化供热联产氢能的装置，其特征在于：多个所述蒸汽支管(5-9)均匀并间隔的分布在蒸汽主管(5-8)上。
7.一种生物质气化供热联产氢能的方法，其特征在于：包括：
步骤(1)、生物质气化：生物质通过进料器(1)送入炭气联产气化炉(2)，在炭气联产气化炉(2)中发生气化反应，气化得到混合气体，同时得到生物质炭；
步骤(2)、热燃气的燃烧、供热：步骤(1)得到的热燃气送入燃烧器(3)燃烧后通入锅炉(4)，锅炉(4)产生蒸汽，一路蒸汽用于供热，另外一路蒸汽提供给炭汽反应器(5)，锅炉(4)烟气出口的高温烟气进入导热油换热器(6)，加热导热油换热器(6)内的导热油，经过换热后的烟气从导热油换热器(6)的烟气出口进入引风机(7)，引风机(7)将烟气通过烟筒(9)排出；
步骤(3)、炭汽反应制氢：步骤(1)得到的生物质炭通过出炭螺旋器(8)送入炭汽反应器(5)的进炭口(5-1)，生物质炭进入炭汽反应器(5)的壳体(5-2)内部，步骤(2)中锅炉(4)产生的一路蒸汽进入炭汽反应器(5)的蒸汽入口(5-4)，且蒸汽依次通过旋转接头、蒸汽主管(5-8)以及多个蒸汽支管(5-9)进入炭汽反应器(5)的壳体(5-2)内部，蒸汽均匀布入生物质炭中，同时，高温导热油从导热油换热器(6)的导热油出口流向炭汽反应器(5)的导热油入口(5-3)，高温导热油进入壳体(5-2)的导热油夹套中和高温热管(5-6)中，将热量快速传至生物质炭中，在炭汽反应器(5)中经过炭汽反应得到富氢气体，富氢气体从炭汽反应器(5)的富氢出口(5-10)流向脱二氧化碳器(10)，脱二氧化碳器(10)脱除二氧化碳，最终得到氢气；将从炭汽反应器(5)的导热油出口(5-7)流出的导热油输送至导热油换热器(6)的导热油进口，实现导热油的循环流动。
8.根据权利要求7所述的生物质气化供热联产氢能的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，高温导热油从导热油换热器(6)的导热油出口流出，并通过导热油管道流向炭汽反应器(5)的导热油入口(5-3)，该导热油管道上设置有流量调节阀，通过控制流量调节阀从而控制导热油的流量，进而控制炭汽反应器(5)中导热油的温度。
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Assignor: NANJING FORESTRY University

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Denomination of invention: A device and method for biomass gasification heating and hydrogen energy production

Granted publication date: 20220624

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