CN1435369A - 一种生物质催化裂解制取氢气的方法及其装置 - Google Patents

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常杰
王铁军
吕鹏梅
吴创之
陈勇
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Abstract

本发明公开了一种生物质催化裂解制取氢气的方法，包括下列步骤：空气经空气预热器升温后通入流化床反应器，与生物质燃烧产生高温，同时水蒸汽发生器产生的水蒸汽从流化床反应器的不同区域通入，大部分生物质在高温环境下流态化，并在催化剂的作用下在流化床反应器的不同区域发生催化气化、水煤气变换和焦油裂解反应产生富氢燃气，富氢燃气进入旋风分离器除去灰尘，除灰后的燃气经固定床反应器裂解焦油后进入提纯后处理工序。本发明还公开了用于实现上述方法的装置。本发明方法转化率和能量利用效率高，无废水、废气和废渣排放，对环境不造成破坏；所需的生物质具有广泛的适应性，原料可再生，可实现资源－能源－环境的一体化可持续性利用。

Description

一种生物质催化裂解制取氢气的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种生物质催化裂解制取氢气的方法以及实现该方法的装置。
背景技术
对矿物燃料的依赖性已经威胁到许多国家的能源安全，其使用也带来全球环境的污染，清洁能源的利用已经成为21世纪国民经济可持续发展的重大方向。氢本身无毒无臭，与氧气燃烧时生成纯净的水，对环境零污染，已经作为燃料在航天事业中发挥了重大的作用。目前世界上90％的氢来自化石燃料(煤、石油和天然气)的水蒸汽重整(Steam Reforming)，成本高，且排放SOx、NOx等环境污染物。生物质以其可再生、产量巨大、碳循环、低污染物排放等特点而成为一种很有前途的氢源。国内外有关生物质高效利用的研究主要在气化发电和液化制备化学品替代化石燃料方面，生物质在制氢中的前景才刚被专家认识到。
将生物质催化裂解反应与焦油催化裂解及碳和CO的水蒸汽变换反应相结合，使这些反应分别在流化床中相同和不同的区域定向进行，并使放热反应的热量为吸热反应所用，从而最大限度地产氢，该方法至今还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种将生物质催化裂解制取氢气的方法以及实现该方法的装置。
本发明提供的生物质催化裂解制取氢气的方法，包括下列步骤：
(1)空气经预热器升温后进入流化床反应器的燃烧区，与部分生物质燃烧产生催化裂解所需的高于600℃的高温环境；
(2)生物质经螺旋进料器进入流化床反应器，少部分与热空气燃烧提供催化裂解所需的温度，大部分在流化床反应器的裂解区在催化裂解催化剂的作用下进行催化气化产生H2、CO等可燃气体；
(3)在蒸汽发生器中产生的水蒸汽通入流化床反应器的不同区域，在水煤气变换催化剂的作用下发生水煤气变换反应产生富氢燃气；
(4)富氢燃气中所含的焦油在流化床反应器上部的焦油裂解区在焦油裂解催化剂的作用下进行催化裂解形成富氢燃气；
(5)从流化床反应器出来的富氢燃气中所含的灰尘在旋风分离器中离心分离，灰尘积累在灰室中，定期排放；
(6)除灰后的富氢燃气经固定床焦油裂解器净化后进行提纯后处理。
本发明的工作气体为空气或/和水蒸汽，生物质原料为一定粒度的动植物原料，流化床反应器包括燃烧区、催化气化区和焦油催化裂解区，催化裂解催化剂为铁系催化剂，水煤气变换催化剂为碱金属催化剂，焦油裂解催化剂为镍基催化剂，上述催化剂在空气流的作用下悬浮于反应器的不同区域，产生的富氢燃气含氢气70％以上。
用于实现本发明的方法的装置包括：
一个流化床反应器，该反应器包括燃烧区、催化气化区和焦油催化裂解区；
一个料仓、螺旋进料器及冷却系统，其中料仓与螺旋进料器连接，冷却系统设在螺旋进料器与流化床反应器之间；
一个鼓风机及空气预热器，鼓风机与空气预热器连接，空气预热器与流化床反应器的底部连接；
一个水蒸汽发生器，该发生器产生的水蒸汽通入流化床反应器的不同区域；
一个旋风分离器及灰室，旋风分离器与流化床反应器的上部连接，灰室与旋风分离器的下部连接；
一个固定床反应器，该反应器与旋风分离器的上部连接。
本发明方法具有以下突出优点和积极效果：
1、生物质催化气化、焦油催化裂解、碳及CO水蒸汽变换等反应进行集成，使放热反应的热量为吸热反应所用，提高了转化率和能量利用效率。
2、在焦油产生的同时将其转化为H2和CO，未转化的焦油在后续的固定床反应器及缓和的条件下裂解为H2和CO，显著降低了焦油含量同时提高了氢的产率。
3、所需生物质原料具有广泛的适应性，包括所有植物废料，且进料前不需干燥到很低的含水量。
4、无废水、废气和废渣排放，对环境不造成破坏。
5、利用生物质产氢，原料可再生，实现了资源-能源-环境的一体化可持续性利用。
附图说明
图1为生物质催化裂解制取氢气的装置示意图。
具体实施方式
空气经鼓风机5升压后，经空气预热器4升温到300℃以上通入流化床反应器7的下部，流经分布板后与料仓1进入并通过螺旋进料器3送入的松木粉燃烧产生700℃以上的高温。流化床反应器7与螺旋进料器3之间由通冷却水的冷却系统2降温，以保证生物质进料的畅通。同时水蒸汽发生器6产生的经过过热的水蒸汽从流化床反应器7的不同区域通入，大部分松木粉在高温环境下流态化，并在铁系催化剂、碱金属催化剂和镍基催化剂的作用下在流化床反应器7的不同区域发生催化气化、水煤气变换和焦油裂解反应0.5～1秒，产生含氢50～70％的富氢燃气，富氢燃气进入旋风分离器8除去灰尘，灰尘积累在灰室9中定期排放，除灰后的燃气经固定床反应器10在焦油裂解催化剂的作用下裂解焦油后进入提纯后处理工序。

Claims (4)

1、一种生物质催化裂解制取氢气的方法，该方法包括下列步骤：
(1)空气经预热器升温后进入流化床反应器的燃烧区，与部分生物质燃烧产生催化裂解所需的高于600℃的高温环境；
(2)生物质经螺旋进料器进入流化床反应器，少部分与热空气燃烧提供催化裂解所需的温度，大部分在流化床反应器的裂解区在催化裂解催化剂的作用下进行催化气化产生H2、CO等可燃气体；
(3)在蒸汽发生器中产生的水蒸汽通入流化床反应器的不同区域，在水煤气变换催化剂的作用下发生水煤气变换反应产生富氢燃气；
(4)富氢燃气中所含的焦油在流化床反应器上部的焦油裂解区在焦油裂解催化剂的作用下进行催化裂解形成富氢燃气；
(5)从流化床反应器出来的富氢燃气中所含的灰尘在旋风分离器中离心分离，灰尘积累在灰室中，定期排放；
(6)除灰后的富氢燃气经固定床焦油裂解器净化后进行提纯后处理。
2、根据权利要求1所述的生物质催化裂解制取氢气的方法，其特征在于：所述的生物质为一定粒度的动植物原料。
3、根据权利要求1所述的生物质催化裂解制取氢气的方法，其特征在于：所述的催化裂解催化剂为铁系催化剂；水煤气变换催化剂为碱金属催化剂；焦油裂解催化剂为镍基催化剂。
4、一种用于实现权利要求1的方法的装置，该装置包括：
一个流化床反应器(7)，该反应器(7)包括燃烧区、催化气化区和焦油催化裂解区；
一个料仓(1)、螺旋进料器(3)及冷却系统(2)，其中料仓(1)与螺旋进料器(3)连接，冷却系统(2)设在螺旋进料器(3)与流化床反应器(1)之间；
一个鼓风机(5)及空气预热器(4)，鼓风机(5)与空气预热器(4)连接，空气预热器(4)与流化床反应器(7)的底部连接；
一个水蒸汽发生器(6)，该发生器(6)产生的水蒸汽通入流化床反应器(7)的不同区域；
一个旋风分离器(8)及灰室(9)，旋风分离器(8)与流化床反应器(7)的上部连接，灰室(9)与旋风分离器(8)的下部连接；一个固定床反应器(10)，该反应器(10)与旋风分离器(8)的上部连接。
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