CN115535963A - 一种生物质化学链循环制氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物质能转化利用技术领域，具体是一种生物质化学链循环制氢系统，包括通过管路依次连接的生物质气化装置、双功能反应装置、冷凝装置、储水装置，所述储水装置外设置有加热装置，储水装置通过气体管路连接双功能反应装置，双功能反应装置顶部通过管路连接集气装置，所述双功能反应装置设置有加热机构，其内部设置有载氧体。本发明的系统将生物质固相进料变为气相进料，与载氧体混合接触更充分，大幅提高原料转化率。

Description

一种生物质化学链循环制氢系统
技术领域
本发明涉及生物质能转化利用技术领域，具体是一种生物质化学链循环制氢系统。
背景技术
与传统化石燃料相比，氢气具有热值高、无污染、不产生温室气体等优点，经济、无污染、新型的制氢技术研发意义重大。化学链制氢是以水蒸气作为氧化剂引入到蒸汽反应器中来氧化载氧体，同时水蒸气中的氢也被还原成氢气。
其中，生物质化学链制氢技术因其独有的优势，开发利用潜力巨大，其优势主要包括：1、在化学链制氢工艺中，CO2和H2分别在载氧体还原过程和水蒸气制氢过程产生，是不同反应阶段的反应产物，避免了催化重整制氢等传统工艺下需将CO2分离造成的能量损失；2、生物质作为一种重要的可持续和环境友好型能源，原料来源广泛，且提高了生物质能源的能量品位和整个工艺过程的经济性，实现农林固体废弃物的资源化高效利用，提高了生物质能与其他能源的竞争力。
但是，目前生物质化学链制氢工艺中存在一定的问题，一是生物质化学链制氢多采用生物质粉末状进料，由于原料和氧载体都是固相组分，在反应过程中存在诸多问题，如传热传质效果差、混合不充分导致转化率低等，二是由于现有工艺中载氧体的还原反应和水蒸气制氢过程在不同反应器进行，与天然气重整制氢等工艺相比，反应器数量增加，经济性降低，工艺流程较为复杂。
因此，亟需开发一种经济、高效的生物质化学链制氢系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种生物质化学链循环制氢系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种生物质化学链循环制氢系统，包括通过管路依次连接的生物质气化装置、双功能反应装置、冷凝装置、储水装置，所述储水装置外设置有加热装置，储水装置通过气体管路连接双功能反应装置，双功能反应装置顶部通过管路连接集气装置，所述双功能反应装置设置有加热机构，其内部设置有载氧体，为化学链制氢燃烧装置。
上述结构中，生物质原料在生物质气化装置内进行气化反应，产生的气体经气体管路进入双功能反应装置内，与载氧体接触被充分被氧化为CO2、H2O和少量CO等气体，之后进入冷凝装置，其中H2O在冷凝过程中与其他气体分离，冷凝为液态水并收集至储水装置，然后利用加热装置将液态水加热为水蒸气后，再次通入双功能反应装置与载氧体发生制氢反应，产生氢气送入集气装置。
所述生物质气化装置包括反应腔体，反应腔体内分别设置有上加热板、下加热板，生物质气化装置采用双层电加热板设计，生物质原料被充分加热发生气化反应。
所述下加热板分别连接有旋转机构及升降机构。上层板固定不动，下层板可通过下部连接的升降装置上下移动、改变层间空间大小，进而起到调节上下板间压力的目的。另外，为了使气化反应进行的更彻底，一是可根据生物质进料量调节上、下加热板间距离，二是下层加热板可在旋转机构作用下做水平旋转运动，对生物质原料起到一定的扰动作用，提高生物质固相原料的分布均匀程度，促进热量传递。
气化反应过程中生成的焦油、灰分等由除杂口进入反应器下部空间，气体通过气体管路输送至双功能反应装置。
所述下加热板连接有压力传感器，对上下层板间的压力进行监测。
所述双功能反应装置内设置有一个或多个立式反应管，立式反应管内装填有载氧体。双功能反应装置的多管设计增大反应处理量，且可根据不同处理量配置反应管数量，另外，当单个反应管出现故障时，不用马上停工，不影响整体的长周期运行，可待统一检修时再进行维修。
所述双功能反应装置内设置有气体改道器，气体改道器连接生物质气化装置输出的气体，所述气体改道器包括相互连通的缓冲区及分布区，缓冲区为圆柱体空腔，分布区包括圆柱体空腔及其上部的多个排气管道。通过气体改道器可方便快捷的实现对双功能反应器的供气，使燃烧反应和产氢反应在双功能反应装置内能够顺利进行，且满足对各个反应管进行供气的要求。
所述双功能反应装置顶部设置有气体输出管道，输出管道分别连接冷凝装置及集气装置，配合实现反应装置的双功能。
所述冷凝装置包括冷凝外筒，冷凝外筒顶部连接冷凝液入口，冷凝外筒的内部设置有气囊，气囊连接双功能反应装置输出的气体，所述气囊底部通过管路连接储水装置。生物质气化气与载氧体接触后燃烧反应生成的气体产物进入内置气囊，冷凝液从外筒上部进口喷淋对气囊内的气体进行降温，冷凝后的液相水由下部进入储水装置。这种冷凝方式避免杂质掺入，保证了产物纯度。
所述气囊顶部通过管路连接气体处理装置，气囊冷凝分离的气体进入气体处理装置进入后续处理。
所述储水装置为储水瓶，储水瓶输出端通过管路连接双功能反应装置的气体改道器，使得水蒸气进入双功能反应器制氢。
所述加热装置为生物质燃烧炉，采用生物质燃烧的热能对液态水进行加热，能量来源完全为生物质原料，不消耗其他形式的能量。
本发明所达到的有益效果是：
1、本发明的系统将生物质固相进料变为气相进料，与载氧体混合接触更充分，大幅提高原料转化率。
2、本发明的双功能反应装置不仅实现了燃烧反应器的作用，还实现了制氢反应器的功能，简化了工艺布局，降低了设备成本。
3、本发明系统的结构优化：
一是，气化反应器采用上、下双层加热板设计，传热面积大，下层板的旋转功能可增加生物质固相进料的周向和径向运动，促进生物质原料的分布均匀程度，增强传热传质效果，升降机构带动下层板竖直方向间歇运动，调节板间压力，满足不同处理量要求和安全性要求。
二是，双功能反应装置内的多管立式反应管，增大了反应处理量，可根据不同处理量配置反应管数量，氧载体在该过程中先“失氧”被还原、再“得氧”被氧化，是“氧的搬运工”，循环使用效果好。
三是，燃烧反应后的气体产物冷凝即可实现分离，反应最终产物为纯氢，避免了其他工艺中CO2和H2分离的能耗，节能效果显著。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明结构示意图；
图2是生物质气化装置的结构示意图；
图3是双功能反应装置内气体改道器的结构示意图。
图中：1、生物质气化装置；2、双功能反应装置；3、冷凝装置；4、储水装置；5、气体处理装置；6、集气装置；7、反应管；8、气体改道器；81、缓冲区；82、排气管道；9、气囊；10、上加热板；11、下加热板；12、旋转机构；13、升降机构；14、除杂口；15、进料口；16、加热装置；17、冷凝液入口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
如图1所示，一种生物质化学链循环制氢系统，包括通过管路依次连接的生物质气化装置1、双功能反应装置2、冷凝装置3、储水装置4，管路上分别设置控制阀门。所述储水装置4外设置有加热装置16，储水装置4通过气体管路连接双功能反应装置2，双功能反应装置2顶部通过管路连接集气装置6。
其中，如图1、图2所示，所述生物质气化装置1包括反应腔体，反应腔体内分别设置有上加热板10、下加热板11，生物质气化装置1采用双层电加热板设计。所述上加热板10固定连接在反应腔体的顶部。下加热板11分别连接有旋转机构12及升降机构13。所述旋转机构12包括旋转电机及旋转轴，旋转电机通过联轴器带动旋转轴旋转，旋转轴开设有空腔，其空腔内设置有升降机构13，所述升降机构13包括电动缸，其电动推杆的顶端固定连接下加热板11，从而可实现下加热板的旋转及升降运动。
生物质气化装置1顶部设置进料口15，下加热板11设置除杂口14，气化反应过程中生成的焦油、灰分等由除杂口14进入反应器下部空间，气体通过气体管路输送至双功能反应装置2。
所述下加热板11连接有压力传感器，对上下层板间的压力进行监测。
所述双功能反应装置2设置有电加热层，为其中反应提供需要的温度。双功能反应装置2内设置有多个立式反应管7，立式反应管7内装填有载氧体，载氧体可选用Fe2O3/Al2O3、NiO/Fe2O3中的一种组合。立式反应管7由固定支架固定在双功能反应装置2内部，立式反应管7成环形多个均匀分布在反应装置腔体内部，立式反应管表面设置有进出气的孔。双功能反应装置2的多管设计增大反应处理量，且可根据不同处理量配置反应管数量，另外，当单个反应管出现故障时，不用马上停工，不影响整体的长周期运行，可待统一检修时再进行维修。
如图1、图3所示，所述双功能反应装置2内设置有气体改道器8，气体改道器8设置在立式反应管7的下部。气体改道器8连接生物质气化装置1输出的气体及储水装置4送来的水蒸汽。所述气体改道器8包括相互连通的缓冲区81及分布区，缓冲区81为圆柱体空腔，分布区包括圆柱体空腔及其上部的多个排气管道82，排气管道82成环形多个均匀分布，其分布位置对应设置在每个立式反应管7的下部。
所述双功能反应装置2顶部设置有气体输出管道，输出管道分别连接冷凝装置3及集气装置6，配合实现反应装置的双功能。
所述冷凝装置3包括冷凝外筒，冷凝外筒顶部连接冷凝液入口17，冷凝外筒的内部设置有气囊9，气囊9连接双功能反应装置2输出的气体，所述气囊9底部通过管路连接储水装置4。生物质气化气与载氧体接触后燃烧反应生成的气体产物进入内置气囊9，冷凝液从外筒上部进口喷淋对气囊9内的气体进行降温，冷凝后的液相水由下部进入储水装置4。所述气囊9顶部通过管路连接气体处理装置5，气囊冷凝分离的气体进入气体处理装置5进入后续净化再利用等处理。
所述储水装置4为储水瓶，储水瓶输出端通过管路连接双功能反应装置的气体改道器8，使得水蒸气进入双功能反应器2制氢。
所述加热装置16为生物质燃烧炉，采用生物质燃烧的热能对液态水进行加热。
采用本发明制氢过程为：生物质原料在生物质气化装置1内进行气化反应，产生的气体经气体管路进入双功能反应装置2内，与载氧体接触被充分被氧化为CO2、H2O和少量CO等气体，之后进入冷凝装置3，其中H2O在冷凝过程中与其他气体分离，冷凝为液态水并收集至储水装置4，然后利用加热装置16将液态水加热为水蒸气后，水蒸汽再次通入双功能反应装置2与载氧体发生制氢反应，产生的氢气送入集气装置6。

Claims (10)

1.一种生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，包括通过管路依次连接的生物质气化装置(1)、双功能反应装置(2)、冷凝装置(3)、储水装置(4)，所述储水装置(4)外设置有加热装置(16)，储水装置(4)通过气体管路连接双功能反应装置(2)，双功能反应装置(2)顶部通过管路连接集气装置(6)，所述双功能反应装置(2)设置有加热机构，其内部设置有载氧体。
2.根据权利要求1所述的生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，所述生物质气化装置(1)包括反应腔体，反应腔体内分别设置有上加热板(10)、下加热板(11)，所述下加热板(11)分别连接有旋转机构(12)及升降机构(13)。
3.根据权利要求2所述的生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，所述下加热板(11)连接有压力传感器。
4.根据权利要求1所述的生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，所述双功能反应装置(2)内设置有一个或多个立式反应管(7)，立式反应管(7)内装填有载氧体。
5.根据权利要求1或4所述的生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，所述双功能反应装置内设置有气体改道器(8)，气体改道器(8)连接生物质气化装置(1)输出的气体，所述气体改道器(8)包括相互连通的缓冲区(81)及分布区，缓冲区(81)为圆柱体空腔，分布区包括圆柱体空腔及其上部的多个排气管道(82)。
6.根据权利要求1或4所述的生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，所述双功能反应装置(2)顶部设置有气体输出管道，气体输出管道分别连接冷凝装置(3)及集气装置(6)。
7.根据权利要求1所述的生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，所述冷凝装置(3)包括冷凝外筒，冷凝外筒顶部连接冷凝液入口(17)，冷凝外筒的内部设置有气囊(9)，气囊(9)连接双功能反应装置(2)输出的气体，所述气囊(9)底部通过管路连接储水装置(4)。
8.根据权利要求7所述的生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，所述气囊(9)顶部通过管路连接气体处理装置(5)。
9.根据权利要求5所述的生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，所述储水装置(4)为储水瓶，储水瓶输出端通过管路连接双功能反应装置的气体改道器(8)。
10.根据权利要求1所述的生物质化学链循环制氢系统，其特征在于，所述加热装置(16)为生物质燃烧炉。
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