CN113817510A - 一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法和系统，制方法包括：步骤10)在冷态下向石英反应器中加入载氧体，并向石英反应器中持续通入氮气；步骤20)加热石英反应器，使石英反应器的温度达到并维持在预设温度；步骤30)向石英反应器中加入水生植物，水生植物与载氧体混合进行生物质气化，产生生物质合成气；步骤40)将生物质合成气依次经过去焦油、水洗和干燥后，得到高氢合成气。本发明的水生植物微波化学链制备高氢合成气方法和系统，以克服常规生物质化学链气化系统中需要额外蒸汽反应器和蒸汽发生装置，以及传统加热方式易导致受热不均的问题。

Description

一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法和系统
技术领域
本发明属于气化燃烧领域中的制合成气方法，尤其涉及一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法和系统。
背景技术
化石燃料在满足人类能源需求的同时，其加工利用过程中产生的“副产物”也已严重影响我们赖以生存的环境。近年来，随着化石能源消耗以及CO2等温室气体排放的日益增加，寻求一种清洁高效的可替代能源越来越受到人们关注。
氢气能量密度高，且燃烧产物为水，因此清洁无污染，是化石燃料的最佳替代品之一。当前，氢气生产的方式有水蒸气重整、电解水、煤气化；其中，甲烷水蒸气重整制氢SMR工艺成熟并且具备较高的经济竞争力，是大规模制氢气的主要方式。但SMR工艺水蒸气重整过程中需要燃烧大量甲烷为重整提供热量，温室气体CO2的排放仍然较高，而且后续氢气的净化也是一个高耗能的过程。因此，寻求一种高效、低能耗和低碳排放的制氢途径有着非常重要的意义。
化学链技术具有内分离CO2、低损失、低NOx排放的特点，已经得到广泛的关注。化学链燃烧(CLC)首次由Ritcher和Knoche提出，CLC过程中燃料不与氧气直接接触，一般使用金属氧化物作为氧载体，燃料与氧载体在燃料反应器中反应，实现燃料在无N2环境下燃烧，烟气经冷凝脱水后可得到高纯度CO2，CLC可以用于近零排放的燃烧，并实现低成本CO2捕集。化学链技术在制氢中具有同样非常重要，应用化学链技术对制备高氢合成气具有重要的意义。迄今为止，对于生物质做燃料进行化学链制备高氢合成气的研究尚处于探索阶段，存在诸多难题，其中主要包括以下几个方面：
(a)传统的化学链气化技术需要额外的蒸汽反应器，同时还需要与之配合的蒸汽发生器，整个系统较为复杂，投资和运行成本较高。
(b)生物质气化反应需要在一定的温度条件下进行，对于加热温度控制要求较高。在传统加热过程中，热由试样表面传入内部，由于表面温度高于中心温度，因而会产生很大的温度梯度，限制了升温速度，可能导致亚微组织能的不均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法和系统，以克服常规生物质化学链气化系统中需要额外蒸汽反应器和蒸汽发生装置，以及传统加热方式易导致受热不均的问题。
为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法，包括以下步骤：
步骤10)在冷态下向石英反应器中加入载氧体，并向石英反应器中持续通入氮气；
步骤20)加热石英反应器，使石英反应器的温度达到并维持在预设温度；
步骤30)向石英反应器中加入水生植物，水生植物与载氧体混合进行生物质气化，产生生物质合成气；
步骤40)将生物质合成气依次经过去焦油、水洗和干燥后，得到高氢合成气。
作为本发明实施例的进一步改进，所述步骤20)中，采用微波加热的方式加热石英反应器。
作为本发明实施例的进一步改进，还包括：
步骤50)向石英反应器中通入氧气，将被还原的载氧体重新氧化。
作为本发明实施例的进一步改进，所述预设温度为850-950℃。
另一方面，本发明实施例还提供一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气系统，包括加热炉、石英反应器、用于加入水生植物的加料器、进气管、尾气处理装置和集气装置，所述石英反应器设置在加热炉内，所述加料器、进气管和尾气处理装置均与石英反应器连接，所述集气装置与尾气处理装置连接。
作为本发明实施例的进一步改进，所述加热炉采用微波加热方式。
作为本发明实施例的进一步改进，所述尾气处理装置包括依次通过气管连接的异丙醇洗气瓶、水洗气瓶和干燥硅胶洗气瓶，所述异丙醇洗气瓶与石英反应器连接，所述干燥硅胶洗气瓶与集气装置连接。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例提供的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法和系统，采用水生植物作为生物质原料，与载氧体在预设温度下进行生物质气化，生成含氢气的合成气。本发明实施例方法和系统直接利用水生植物中含有的大量水分，相比于传统的利用化学链制合成气，省去外部蒸汽发生装置以及再将水蒸气通入反应装置的过程，使得合成过程和合成系统结构简单，并且提高了合成气中的氢气含量。本发明实施例方法和系统充分利用了水生植物并可以有效的解决水生植物难以处理的问题，对环境保护有较大益处。
附图说明
图1是本发明实施例的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气系统的结构示意图。
图中有：加料器1，进气管2，石英反应器3，热电偶4，控制面板5，加热炉6，出气管7，硅胶软管8，异丙醇洗气瓶9，水洗气瓶10，干燥硅胶洗气瓶11，集气装置12，水生植物A，载氧体B。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法，包括以下步骤：
步骤10)在冷态下向石英反应器3中加入载氧体，并向石英反应器3中持续通入氮气，保证气化过程中保持惰性气氛。
步骤20)加热石英反应器3，使石英反应器3的温度达到并维持在预设温度。
步骤30)向石英反应器3中加入水生植物A，水生植物A与载氧体B混合进行生物质气化，产生生物质合成气。
步骤40)将生物质合成气依次经过去焦油、水洗和干燥后，得到高氢合成气。
上述实施例的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法，采用水生植物作为生物质原料，与载氧体在预设温度下进行生物质气化，生成含氢气的合成气。本发明实施例方法直接利用水生植物中含有的大量水分，相比于传统的利用化学链制氢，省去外部蒸汽发生装置以及气化水再将水蒸气通入装置的过程，使得合成过程简单化，并且提高了合成气中的氢气含量。本发明实施例方法充分利用了水生植物并可以有效的解决水生植物难以处理的问题，对环境保护有较大益处。
优选的，载氧体选用贫铁矿。采用价格低廉、易获得且循环性能良好的贫铁矿作为载氧体，提升了系统的运行效率及H2制取率，节省了设备投资与运行成本。
优选的，步骤20)中，采用微波加热的方式加热石英反应器3。本发明实施例采用微波加热方式对石英反应器3进行加热，具有加热瞬时性、均匀性、节能性、选择性、加热控制性好以及非热效应的优点，结合选用微波吸收效果好的铁矿石作为载氧体，加热速度更快，能耗更少同时制氢效率更高。
优选的，本发明实施例方法还包括：
步骤50)向石英反应器3中通入氧气，将被还原的载氧体重新氧化。
本发明实施例在制得含氢的合成气后，直接向石英反应器中通入氧气，将被还原的载氧体重新氧化，实现载氧体的循环利用。
优选的，预设温度为850-950℃。本实施例方法中，上述温度区间有利于氢气成分的提高，实现高氢合成气的制备。
本发明实施例还提供一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气系统，如图1所示，包括加热炉6、石英反应器3、加料器1、进气管2、尾气处理装置和集气装置12。石英反应器3设置在加热炉6内，加料器1和进气管2均与石英反应器3连接。石英反应器3依次通过出气管7和硅胶软管8与尾气处理装置连接，尾气处理装置与集气装置12连接。其中，尾气处理装置用于气化产物的清洁与收集，加料器1用于向石英反应器3加入水生植物。加热炉6上设有控制面板5，石英反应器3中设有热电偶4，热电偶4与控制面板5连接。热电偶4测量石英反应器3中的温度，并将测量数据传送给控制面板5，控制面板控制加热炉6对石英反应器3进行加热，使得石英反应器的温度达到并维持在预设温度。
本发明实施例的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气系统，采用水生植物作为生物质原料，与载氧体在预设温度下进行生物质气化，生成含氢气的合成气。本发明实施例系统直接利用水生植物中含有的大量水分，相比于传统的利用化学链制氢，省去外部蒸汽发生装置以及气化水再将水蒸气通入装置的过程，使得合成过程和合成系统结构简单，并且提高了合成气中的氢气含量。本发明实施例系统充分利用了水生植物并可以有效的解决水生植物难以处理的问题，对环境保护有较大益处。
优选的，加热炉6采用微波加热方式。本发明实施例采用微波加热方式对石英反应器3进行加热，具有加热瞬时性、均匀性、节能性、选择性、加热控制性好以及非热效应的优点，结合选用微波吸收效果好的铁矿石作为载氧体，加热速度更快，能耗更少同时制氢效率更高。
优选的，尾气处理装置包括依次通过气管连接的异丙醇洗气瓶9、水洗气瓶10和干燥硅胶洗气瓶11，异丙醇洗气瓶9与石英反应器3连接，干燥硅胶洗气瓶11与集气装置12连接。石英反应器3生成的生物质合成气经过异丙醇洗气瓶9吸收焦油，水洗气瓶10位于异丙醇洗气瓶的后端，用于去除异丙醇，另外去除一些夹杂在气体中的灰尘等杂质，最后经干燥硅胶洗气瓶11干燥，获得的高H2含量的生物质气化合成气输入到集气装置12中。
上述优选实施例的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气系统的工作过程如下：
在冷态下向石英反应器3中加入载氧体B。通过进气管2向石英反应器3通入N2，排净石英反应器3内其余气体，使得石英反应器3内保持惰性气氛。采用微波加热的方式加热石英反应器3，使石英反应器3的温度达到并维持在预设温度。通过加料器1向石英反应器3中加入水生植物A。水生植物A与载氧体B接触，在高温下发生生物质热解气化反应，生成以CO、H2和CH4等可燃成分为主的合成气。水生植物A中的水分蒸发产生大量水蒸气参与气化反应，提高合成气中H2含量。生成的合成气依次经过异丙醇洗气瓶9吸收焦油，水洗气瓶10去除异丙醇和一些夹杂在气体中的灰尘等杂质，以及干燥硅胶洗气瓶11干燥，即可获得高H2含量的生物质气化合成气。随后通过进气管2向石英反应器3中通入O2，将被还原的载氧体重新氧化，用于下一次制备高氢合成气。
下面提供3个具体实例。
实例1
水生植物采用水葫芦，载氧体采用某贫铁矿石(Fe2O3 44.16wt％)。
在室温下向石英反应器3中加入5g贫铁矿石。通过进气管2向石英反应器3通入N2，排净石英反应器3内其余气体，使得石英反应器3内保持惰性气氛。采用微波加热的方式加热石英反应器3，使石英反应器3的温度达到并维持在800℃。通过加料器1向石英反应器3中加入5g水葫芦。水葫芦与贫铁矿石接触，发生生物质热解气化反应，生成包含CO、H2和CH4可燃成分在内的合成气。水葫芦中的水分蒸发产生大量水蒸气参与气化反应，提高合成气中H2含量。生成的合成气依次经过异丙醇洗气瓶9吸收焦油，水洗气瓶10去除异丙醇和一些夹杂在气体中的灰尘等杂质，干燥硅胶洗气瓶11干燥，即可获得高H2含量的生物质气化合成气。随后通过进气管2向石英反应器3中通入O2，持续30min，温度为200℃，将被还原的载氧体重新氧化，用于下一次制备高氢合成气。
实例2
水生植物采用水葫芦，载氧体采用某贫铁矿石(Fe2O3 44.16wt％)。
在室温下向石英反应器3中加入5g贫铁矿石。通过进气管2向石英反应器3通入N2，排净石英反应器3内其余气体，使得石英反应器3内保持惰性气氛。采用微波加热的方式加热石英反应器3，使石英反应器3的温度达到并维持在900℃。通过加料器1向石英反应器3中加入5g水葫芦。水葫芦与贫铁矿石接触，发生生物质热解气化反应，生成包含CO、H2和CH4可燃成分在内的合成气。水葫芦中的水分蒸发产生大量水蒸气参与气化反应，提高合成气中H2含量。生成的合成气依次经过异丙醇洗气瓶9吸收焦油，水洗气瓶10去除异丙醇和一些夹杂在气体中的灰尘等杂质，干燥硅胶洗气瓶11干燥，即可获得高H2含量的生物质气化合成气。随后通过进气管2向石英反应器3中通入O2，持续30min，温度为200℃，将被还原的载氧体重新氧化，用于下一次制备高氢合成气。
实例3
水生植物采用水葫芦，载氧体采用某贫铁矿石(Fe2O3 44.16wt％)。
在室温下向石英反应器3中加入5g贫铁矿石。通过进气管2向石英反应器3通入N2，排净石英反应器3内其余气体，使得石英反应器3内保持惰性气氛。采用微波加热的方式加热石英反应器3，使石英反应器3的温度达到并维持在950℃。通过加料器1向石英反应器3中加入5g水葫芦。水葫芦与贫铁矿石接触，发生生物质热解气化反应，生成包含CO、H2和CH4可燃成分在内的合成气。水葫芦中的水分蒸发产生大量水蒸气参与气化反应，提高合成气中H2含量。生成的合成气依次经过异丙醇洗气瓶9吸收焦油，水洗气瓶10去除异丙醇和一些夹杂在气体中的灰尘等杂质，干燥硅胶洗气瓶11干燥，即可获得高H2含量的生物质气化合成气。随后通过进气管2向石英反应器3中通入O2，持续30min，温度为200℃，将被还原的载氧体重新氧化，用于下一次制备高氢合成气。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，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。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10)在冷态下向石英反应器(3)中加入载氧体，并向石英反应器(3)中持续通入氮气；
步骤20)加热石英反应器(3)，使石英反应器(3)的温度达到并维持在预设温度；
步骤30)向石英反应器(3)中加入水生植物，水生植物与载氧体混合进行生物质气化，产生生物质合成气；
步骤40)将生物质合成气依次经过去焦油、水洗和干燥后，得到高氢合成气。
2.根据权利要求1所述的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法，其特征在于，所述步骤20)中，采用微波加热的方式加热石英反应器。
3.根据权利要求1所述的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法，其特征在于，还包括：
步骤50)向石英反应器(3)中通入氧气，将被还原的载氧体重新氧化。
4.根据权利要求1所述的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气方法，其特征在于，所述预设温度为850-950℃。
5.一种水生植物微波化学链气化制备高氢合成气系统，其特征在于，包括加热炉(6)、石英反应器(3)、用于加入水生植物的加料器(1)、进气管(2)、尾气处理装置和集气装置(12)，所述石英反应器(3)设置在加热炉(6)内，所述加料器(1)、进气管(2)和尾气处理装置均与石英反应器(3)连接，所述集气装置(12)与尾气处理装置连接。
6.根据权利要求5所述的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气系统，其特征在于，所述加热炉(6)采用微波加热方式。
7.根据权利要求5所述的水生植物微波化学链气化制备高氢合成气系统，其特征在于，所述尾气处理装置包括依次通过气管连接的异丙醇洗气瓶(9)、水洗气瓶(10)和干燥硅胶洗气瓶(11)，所述异丙醇洗气瓶(9)与石英反应器(3)连接，所述干燥硅胶洗气瓶(11)与集气装置(12)连接。
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