CN116216638A - 新型生物质制氢的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型生物质制氢的装置，包括水煤气活性炭生产部分、变换反应部分、燃烧室、高温辐射管、传动部件和过渡管，水煤气活性炭生产部分包括水煤气活性炭生产筒体，水煤气活性炭生产筒体的内部设有生物质炭反应室，所述水煤气活性炭生产筒体通过过渡管与变换反应部分的变换反应筒体连通。本发明装置可以将生物质炭作为制氢气的原料，使得原料标准化，保证了氢气生产原料的稳定性；且本发明装置在制备氢气过程中不会产生对变换反应过程中的催化剂造成污染的物质，催化剂更加稳定。
Description
技术领域
本发明属于氢能生产技术领域，具体是一种新型生物质制氢的装置。
背景技术
氢能作为一种可实现零排放的可再生清洁能源，在其燃烧过程中产生的热值约142.3MJ/kg，约为同质量汽油燃烧产生热值的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，并且其燃烧产物为水。目前，常见的制氢方法有化石燃料制氢法、电解水制氢法、生物质制氢法等。化石燃料制氢法是目前应用最为广泛的制氢方法，但其存在能源转化率低，生产经济成本过高的问题。另外，该方法制氢需要消耗化石燃料资源，并且排放大量CO2气体，因此只能作为当前阶段的过渡制氢技术。电解水制氢法需要消耗大量电能，耗电量约为4.5(kW·h)/m3(标况下)，电解效率为50％～70％。目前，该技术无法大规模推广使用。与化石燃料相比，生物质中硫、氮含量低，因此生物质制氢法具有优秀的环保效益。与化石燃料制氢法、电解水制氢法相比，生物质制氢法能够降解生物质，减少温室气体的排放，促进国家能源结构多样化发展。
目前，生物质制氢技术主要是热化学法制氢，热化学法制氢主要有蒸汽气化制氢技术、超临界水气化制氢技术和生物质热解重整法制氢技术。生物质蒸汽气化制氢技术的研究虽然已经取得一定成果，但是仍有较大不足。生物质蒸汽气化制氢通常能够获得体积分数40％～60％的氢气和高热值合成气，缺点为气化过程中得到的气化气中会有焦油作为副产物产生，在后期变换反应中焦油对催化剂会造成污染，使得催化剂中毒，失去活性。生物质超临界水气化制氢技术存在能耗较大、产生焦油副产物等问题，为解决这些问题，应从反应机理、反应热力学和反应动力学进行进一步研究。虽然生物质超临界水气化制氢技术原料价格较低，但超临界水系统的运行成本与初期投资较高，并且尚无大规模示范性项目，因此短期内还无法推广商业使用。生物质热解重整制氢技术虽然可以在制氢同时获得高附加值产品，但是受到经济性、制氢效率、碳转化效率等多个因素的限制。
总之，热化学法制氢技术存在原材料的预处理(生物质多样性导致生物质热解产物多样性，制氢工艺无法标准化，导致无法产业化)、催化剂的毒性与失活(传统的生物质气化得到的气化气中有大量焦油对催化剂造成污染)问题。本申请重点解决热化学制氢技术存在的问题，如何将原料标准化，如何让催化剂稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种新型生物质制氢的装置，本新型生物质制氢的装置可以将生物质炭作为制氢气的原料，使得原料更加标准化，保证了氢气生产原料的稳定性；且该装置在制备过程中不会产生对变换反应过程中的催化剂造成污染的物质，催化剂更加稳定；且不仅仅可以生产出氢气，也可以生产出活性炭，提高了生物质制氢的稳定性和经济性。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种新型生物质制氢的装置，包括水煤气活性炭生产部分、变换反应部分、燃烧室、高温辐射管、传动部件和过渡管，所述水煤气活性炭生产部分包括水煤气活性炭生产筒体，所述水煤气活性炭生产筒体的内部设有生物质炭反应室，所述水煤气活性炭生产筒体通过过渡管与变换反应部分的变换反应筒体连通，所述水煤气活性炭生产筒体的上部开设有用于投放生物质炭的生物质炭入口，下部开设有用于排放活性炭的活性炭出口，所述水煤气活性炭生产筒体与变换反应筒体上均设有水蒸气入口，变换反应筒体的内部设有变换反应室，变换反应室内安装有催化剂，变换反应筒体后端设有氢气出口；所述燃烧室的高温烟气出口与高温辐射管的辐射管烟气入口连通，所述高温辐射管依次贯穿水煤气活性炭生产筒体和变换反应筒体，所述高温辐射管与水煤气活性炭生产筒体和变换反应筒体均转动密封连接；
所述传动部件与所述水煤气活性炭生产筒体或变换反应筒体连接，所述传动部件用于驱动水煤气活性炭生产筒体和变换反应筒体转动。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述水煤气活性炭生产筒体和变换反应筒体的四周均匀开设有多个水蒸气入口。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述水煤气活性炭生产筒体通过四根过渡管与变换反应部分的变换反应筒体连通。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述传动部件采用电机传动机构，所述电机传动机构的输出轴连接有齿轮，所述水煤气活性炭生产筒体上设有与齿轮啮合的环形齿条。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述生物质炭反应室和变换反应室均设有热电偶，所述热电偶用于测量生物质炭反应室和变换反应室的温度。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述水煤气活性炭生产筒体和变换反应筒体内壁上均布置有耐火砖。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的催化剂采用中温变换催化剂。
本发明的有益效果为：
(1)本发明装置利用生物质转化成的生物质炭，将生物质炭投入水煤气活性炭生产部分内，从而作为制氢气的原料，破除了传统生产方法以生物质气化气为原料，保证了氢气生产原料的稳定性。
(2)本发明中水煤气活性炭生产部分创新的将氢气的生产与活性炭生产有机结合，二者生产中以水蒸气为气化剂和活化剂的共同点，既实现生物质炭稳定制气，又得到了高品质活性炭。
(3)本发明通过本装置，采用独特的热辐射结构(即高温辐射管)，有效均匀调控了生物质炭制备一氧化碳、氢气等以及活性炭生产的温度，同时调控了变换反应室内的催化剂的温度。
(4)本发明采用独特的热辐射结构，为本装置提供热量，同时实现了生物质制氢生产的同时得到高品质炭，显著提高了生物质制氢气的稳定性、经济性和环境效益。
(5)本发明中水煤气活性炭生产部分可以将生物质制氢与高质活性炭联合起来，将生物质炭作为制氢气的原料，解决了传统生产中直接用生物质气化气作为制氢原料气，因气化气中会有焦油作为副产物产生，从而导致制氢工艺不稳定，生产无法规模化的问题，以及解决了生物质热解重整法制氢技术中因生物质多样性导致生物质热解产物多样性，制氢工艺无法标准化的问题，本发明中水煤气活性炭生产部分通过生物质炭作为氢气生产的碳源，水煤气反应中生产水煤气的同时得到高品质的活性炭，最后在变换反应部分中CO与水蒸气进行变换反应，得到二氧化碳和氢气混合气，再通过二氧化碳脱除装置脱除其中的二氧化碳，得到氢气，制氢工艺更加标准化，氢气生产原料更稳定；本发明装置在使用的整个过程中，不会产生对变换反应部分中的催化剂造成污染的物质，催化剂更加稳定。
附图说明
图1为本发明实施例新型生物质制氢的装置结构示意图。
图中：
1、水煤气活性炭生产部分；2、变换反应部分；3、燃烧室；4、高温辐射管；5、生物质炭入口；6、变换反应室；7、生物质炭反应室；8、水蒸气入口；9、传动部件；10、活性炭出口；11、过渡管；12、催化剂；13、燃气入口；14、预热空气入口；15、氢气出口；16、辐射管烟气出口；17、水煤气活性炭生产筒体；18、变换反应筒体；19、耐火砖。
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：
本实施例提供一种新型生物质制氢的装置，如图1所示，包括水煤气活性炭生产部分1、变换反应部分2、燃烧室3、高温辐射管4、传动部件9和过渡管11，所述水煤气活性炭生产部分1包括水煤气活性炭生产筒体17，水煤气活性炭生产筒体17前端高后端低的倾斜设置，方便炭的运动。所述水煤气活性炭生产筒体17的内部设有生物质炭反应室7，所述水煤气活性炭生产筒体17通过多根过渡管11与变换反应部分2的变换反应筒体18连通，过渡管11为四根并四周均匀将水煤气活性炭生产筒体17连接到变换反应筒体18，也即生物质炭反应室7通过过渡管11与变换反应室6连通，水煤气活性炭生产筒体17的前端上部开设有生物质炭入口5，后端下部开设有活性炭出口10；所述水煤气活性炭生产筒体17与变换反应筒体18的四周均匀开设有多个水蒸气入口8；变换反应筒体18的内部设有变换反应室6，变换反应室6内安装有两组催化剂12(可采用中温变换催化剂，具体为铁铬系催化剂)，变换反应筒体18后端设有氢气出口15；所述燃烧室3的燃气入口用于输入燃气，燃烧室3燃烧产生的高温烟气从高温烟气出口输出，燃烧室3的高温烟气出口与高温辐射管4一端的辐射管烟气入口连通，所述高温辐射管4依次轴向贯穿水煤气活性炭生产筒体17的中部和变换反应筒体18的中部，即贯穿生物质炭反应室7和变换反应室6的中心，所述高温辐射管4与水煤气活性炭生产筒体17和变换反应筒体18均转动密封连接(转动密封方式采用现有常用方式)，即水煤气活性炭生产筒体17和变换反应筒体18转动时，高温辐射管4不转动。高温辐射管4用于为生物质炭反应室7和变换反应室6内反应提供热量。
所述传动部件9与所述水煤气活性炭生产筒体17连接，所述传动部件9用于驱动水煤气活性炭生产筒体17和变换反应筒体18转动。其中传动部件9采用电机传动机构，所述电机传动机构的输出轴连接有齿轮，水煤气活性炭生产筒体17上设有与齿轮啮合的环形齿条，电机传动机构与齿轮均支撑在托架上，本装置由带齿轮的固定托架托住，电机传动机构依次通过齿轮和齿条带动水煤气活性炭生产筒体17和变换反应筒体18转动，使得反应更加充分。
所述高温辐射管4的辐射管烟气出口16可以与余热锅炉的烟气入口相连，余热锅炉的水蒸气出口分别与水煤气活性炭生产筒体17的水蒸气入口8和变换反应筒体18的水蒸气入口8相连，为生物质炭反应室7和变换反应室6提供反应所需的水蒸气。
其中，本装置的生物质炭通过生物质炭入口5进入水煤气活性炭生产部分1，经过水蒸气与生物质炭反应后的活性炭从活性炭出口10排出，水蒸气与生物质炭反应产生的气体(CO和H2)通过过渡管11送入变换反应部分2，变换反应中的CO与过量的水蒸气发生反应，获得氢气，本装置的燃烧室3与高温辐射管4相连，高温辐射管4提供反应所需的热量，烟气经过高温辐射管4后送入余热锅炉，余热锅炉产生的水蒸气供给水煤气活性炭生产筒体17的生物质炭反应室7以及变换反应筒体18内的变换反应室6，提供反应所需水蒸气。当然，水煤气活性炭生产筒体17的生物质炭反应室7以及变换反应筒体18内的变换反应室6中反应所需的水蒸气也可以由外部其他设备供给，燃烧室3所需燃气和高温空气可由天然气或者生物质可燃气供给。
其中生物质炭反应室7和变换反应室6均设有热电偶，所述热电偶用于测量生物质炭反应室7和变换反应室6的温度。
其中水煤气活性炭生产筒体17和变换反应筒体18内壁上均布置有耐火砖19。
本实施例的水煤气活性炭生产筒体17的水蒸气入口8和变换反应筒体18的水蒸气入口8可以通过旋转接头与余热锅炉的水蒸气出口连接。
本实施例的新型生物质制氢的装置的氢气制备流程，包括以下步骤：
1、水煤气生产：电机传动机构带动水煤气活性炭生产筒体17和变换反应筒体18旋转，同时，来自余热回用部分的余热锅炉的水蒸气送入水煤气活性炭生产筒体17的生物质炭反应室7内，并与生物质炭在900-950℃左右发生反应产生CO与H2，反应需要的热量来自于燃烧室3产生的高温烟气进入贯穿水煤气活性炭生产筒体17和变换反应筒体18的高温辐射管4，水蒸气与生物质炭同时发生造孔反应，得到活性炭，活性炭从水水煤气活性炭生产筒体17的活性炭出口10排出；其中生物质炭在生产筒体17和变换反应筒体18的内部随着活性炭生产筒体17和变换反应筒体18的旋转而运动，运动时与水蒸气进行充分反应；
2、变换反应：水煤气活性炭生产部分1得到的CO与H2为主的混合气体通过过渡管11进入变换反应筒体18内的变换反应室6，在变换反应室6中的催化剂12的作用下与水蒸气(可通过与水蒸气入口8连接的阀门开度控制水蒸气流量)反应得到氢气和二氧化碳的混合气，反应需要的热量同样来自于燃烧室3产生的高温烟气进入高温辐射管4，最终可以得到氢气混合物经过脱二氧化碳和脱水后得到纯氢气；
3、余热回用：从高温辐射管4出来的烟气可以通过余热锅炉回用热产生的水蒸气供给水煤气活性炭生产筒体17的生物质炭反应室7以及变换反应筒体18内的变换反应室6。
本实施例中的电机传动机构、热电偶等均连接有外部电源。
本系统装置案例：燃气通入燃烧室3高温燃烧产生1100℃的高温烟气，在负压的带动下进入高温辐射管4，生物质炭从水煤气活性炭生产部分1的上部进入生物质炭反应室7，利用来自中心高温辐射管4的热量，在900-950℃生物质炭与水蒸气反应产生水煤气(CO\H2以及少量二氧化碳)，同时水蒸气对生物质炭进行造孔反应，得到高品质活性炭，产生水煤气在装置外系统引风机的抽动下，通过中间过渡管11送入变换反应部分2，水煤气利用来自中心高温辐射管4的热量，在催化剂12的作用下，生产二氧化碳和氢气的混合气，最后送入二氧化碳脱除装置和脱水装置得到氢气，经过高温辐射管4的中温烟气继而进入余热锅炉产生水蒸气(供煤气反应与变换反应使用)。
本实施例具有以下优点：
(1)本装置的水煤气活性炭生产部分1利用生物质炭，作为制氢气的原料，破除了传统生产方法以生物质气化气为原料，保证了氢气生产原料的稳定性。(2)本装置的水煤气活性炭生产部分1创新的将氢气的生产与活性炭生产有机结合，二者生产中以水蒸气为气化剂和活化剂的共同点，既实现生物质炭稳定制气，又得到了高品质活性炭。(3本装置采用独特的热辐射结构(即高温辐射管4)，有效均匀调控了生物质炭制备一氧化碳、氢气等以及活性炭生产的温度，同时调控了变换反应室6内的催化剂的温度；可将生物质气化得到组分不稳定的可燃气用于燃烧供应水煤气及变换反应与活性炭生产所需的热，一石三鸟。(4)本装置采用独特的热辐射结构，为系统提供热量，同时实现了生物质制氢生产的同时得到高品质炭，显著提高了生物质制氢气的稳定性、经济性和环境效益。(5)本装置将生物质制氢与高质活性炭联合起来，解决了传统生产中直接用生物质气化气作为制氢原料气，因气化气中会有焦油作为副产物产生，从而导致制氢工艺不稳定，生产无法规模化的问题，以及解决了生物质热解重整法制氢技术中因生物质多样性导致生物质热解产物多样性，制氢工艺无法标准化的问题，本装置通过生物质炭作为氢气生产的碳源，水煤气反应中生产水煤气的同时得到高品质的活性炭，最后在变换反应部分中CO与水蒸气进行变换反应，得到二氧化碳和氢气，再通过二氧化碳脱除装置脱除其中的二氧化碳，得到氢气，制氢工艺更加标准化，氢气生产原料更稳定；本实施例在使用的整个过程中，不会产生对变换反应部分中的催化剂造成污染的物质，催化剂更加稳定。
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 (7)
1.一种新型生物质制氢的装置，其特征在于，包括水煤气活性炭生产部分(1)、变换反应部分(2)、燃烧室(3)、高温辐射管(4)、传动部件(9)和过渡管(11)，所述水煤气活性炭生产部分(1)包括水煤气活性炭生产筒体(17)，所述水煤气活性炭生产筒体(17)的内部设有生物质炭反应室(7)，所述水煤气活性炭生产筒体(17)通过过渡管(11)与变换反应部分(2)的变换反应筒体(18)连通，所述水煤气活性炭生产筒体(17)的上部开设有用于投放生物质炭的生物质炭入口(5)，下部开设有用于排放活性炭的活性炭出口(10)，所述水煤气活性炭生产筒体(17)与变换反应筒体(18)上均设有水蒸气入口(8)，变换反应筒体(18)的内部设有变换反应室(6)，变换反应室(6)内安装有催化剂(12)，变换反应筒体(18)后端设有氢气出口(15)；所述燃烧室(3)的高温烟气出口与高温辐射管(4)的辐射管烟气入口连通，所述高温辐射管(4)依次贯穿水煤气活性炭生产筒体(17)和变换反应筒体(18)，所述高温辐射管(4)与水煤气活性炭生产筒体(17)和变换反应筒体(18)均转动密封连接；
所述传动部件(9)与所述水煤气活性炭生产筒体(17)或变换反应筒体(18)连接，所述传动部件(9)用于驱动水煤气活性炭生产筒体(17)和变换反应筒体(18)转动。
2.根据权利要求1所述的新型生物质制氢的装置，其特征在于：所述水煤气活性炭生产筒体(17)和变换反应筒体(18)的四周均匀开设有多个水蒸气入口(8)。
3.根据权利要求1所述的新型生物质制氢的装置，其特征在于：所述水煤气活性炭生产筒体(17)通过四根过渡管(11)与变换反应部分(2)的变换反应筒体(18)连通。
4.根据权利要求1所述的新型生物质制氢的装置，其特征在于：所述传动部件(9)采用电机传动机构，所述电机传动机构的输出轴连接有齿轮，所述水煤气活性炭生产筒体(17)上设有与齿轮啮合的环形齿条。
5.根据权利要求1所述的新型生物质制氢的装置，其特征在于：所述生物质炭反应室(7)和变换反应室(6)均设有热电偶，所述热电偶用于测量生物质炭反应室(7)和变换反应室(6)的温度。
6.根据权利要求1所述的新型生物质制氢的装置，其特征在于：所述水煤气活性炭生产筒体(17)和变换反应筒体(18)内壁上均布置有耐火砖(19)。
7.根据权利要求1所述的新型生物质制氢的装置，其特征在于：所述的催化剂(12)采用中温变换催化剂。
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2023
- 2023-03-28 CN CN202310308943.XA patent/CN116216638A/zh active Pending
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