CN219136697U - 生物质氢与一氧化碳提取装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及新能源领域，提供了一种生物质氢与一氧化碳提取装置，该装置包括裂解反应釜、第一气体分布室、蒸汽发生器、气体催化重组反应釜和气体脱水净化仓；生物质物料在裂解反应釜内被高温无氧裂解，生成固相物和第一气相物；第一气相物及蒸汽在第一气体分布室混合后进入气体催化重组反应釜，与来自裂解反应釜的固相物，经高温无氧逆向热化学反应重组，生成第二气相物；第二气相物在气体脱水净化仓内脱水净化后得到一氧化碳和氢气。本实用新型采用生物质无氧裂解,使气相与固相物质热相分离+气相与固相物质在内循环装置中再进行逆向热相催化重组，消除生物质气体中二氧化碳、焦油、水蒸汽等成分，大幅度提高氢气和一氧化碳产量，节约成本。

Description

生物质氢与一氧化碳提取装置

技术领域

本实用新型涉及新能源技术领域，特别涉及一种生物质氢与一氧化碳提取装置。

背景技术

甲醇作为一种新能源清洁燃料，可实现高效燃烧，降低有害物质排放，特别是对降低碳和氮氧化物排放的效果尤其显著。在电力、氢能、天然气、氨等众多新能源和清洁能源中，甲醇是唯一能在常温常压下以液态形式存在的能源，不仅兼具汽油、柴油的燃烧特性，使用安全也更便捷。发展甲醇燃料，对我国实现“双碳”目标、保障能源安全、促进经济健康可持续发展具有重要的意义，也是新能源发展方向。

甲醇是一种有机化合物，是由氢与一氧化碳高温高压催化合成，制备甲醇的原料为氢和一氧化碳，目前我国提取氢和一氧化碳主要是从煤炭中提取。从生物质中提取氢与一氧化碳制备甲醇代替从煤炭中提取氢和一氧化碳制备甲醇，将成为国内外发展的大趋势。2022年8月4日，英国政府向12个旨在提高英国可持续生物质产量的项目拨款3200万英镑。另外还向22个项目提供了500万英镑，以支持从生物质和废物中产生氢气的新技术。目前我国已有少量从生物质中提取氢和一氧化碳制备甲醇。

目前无论是国内还是国外，从煤炭或生物质中提取氢和一氧化碳均采用气化技术工艺，气化技术工艺提取氢和一氧化碳存在以下两大难题，尚未解决：

一是氢和一氧化碳提取效率低，气化气体中氢和一氧化碳含量较少，二氧化碳、焦油、水蒸汽及氮气含量较多。

二是气化气体净化成本高，气化气体净化时产生大量的含焦油和积碳废水易污染，难处理，却成本高。

实用新型内容

本部分的目的在于概述本实用新型的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。

鉴于上述和/或现有的存在的问题，提出了本实用新型一种生物质氢与一氧化碳提取装置及方法，低成本解决生物质气化气体中氢和一氧化碳含量低，二氧化碳、焦油、水蒸汽及氮气含量较多的难题，及气化气体净化时产生大量的含焦油和积碳废水难处理难题。

本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供了一种生物质氢与一氧化碳提取装置，包括裂解反应釜、第一气体分布室、蒸汽发生器、气体催化重组反应釜和气体脱水净化仓：

所述裂解反应釜，用于生物质物料的高温无氧裂解，生成固相物和第一气相物；

所述第一气体分布室，用于接收来自所述裂解反应釜的第一气相物，及来自所述蒸汽发生器的蒸汽，并将二者的混合气送入所述气体催化重组反应釜；

所述气体催化重组反应釜，用于接收来自所述裂解反应釜的所述固相物，及来自所述第一气体分布室的所述混合气，经高温无氧逆向热化学反应重组，生成第二气相物；

所述气体脱水净化仓，接收所述第二气相物，并经脱水和净化，得到一氧化碳和氢气。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气体催化重组反应釜设置在所述裂解反应釜的下部，所述第一气体分布室设置在所述气体催化重组反应釜的下部；所述裂解反应釜的一侧设置所述蒸汽发生器，相对的另一侧设置所述气体脱水净化仓；

所述裂解反应釜和所述气体催化重组反应釜之间设置有输送转移机构；所述裂解反应釜与所述第一气体分布室通过管道连通，所述蒸汽发生器与所述第一气体分布室连通，所述第一气体分布室与所述气体催化重组反应釜连通，所述气体催化重组反应釜与所述气体脱水净化仓连通。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述裂解反应釜上部设置有裂解气收集管，所述裂解气收集管与第一内循环管道连通，所述裂解反应釜通过所述裂解气收集管和所述第一内循环管道与所述第一气体分布室连通；

所述蒸汽发生器通过蒸汽排放管道与所述第一气体分布室连通；所述第一气体分布室与所述气体催化重组反应釜连通；

所述气体催化重组反应釜通过第二内循环管道与所述气体脱水净化仓连通。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述裂解反应釜上部设置储料仓，所述储料仓通过物料控制阀及相配合的密封阀与所述裂解反应釜连通。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气体脱水净化仓设置两层过滤层网，分别为脱水过滤层网和杂质吸附过滤层网。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气体脱水净化仓自下而上依次包括第二气体分布室、气体过渡室和气体收集室，所述第二气体分布室与所述气体过渡室通过脱水过滤层网隔开，所述气体过渡室与所述气体收集室通过杂质吸附网隔开；所述第二气体分布室底部设置排污口，所述气体收集室上部设置气体排出口。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述裂解反应釜内设置有物料均衡机。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述蒸汽排放管道设置流量控制阀门。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述裂解反应釜和所述气体催化重组反应釜中均设置有加热棒，所述加热棒与加热室连接，由加热室提供热量。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气体过渡室及气体收集室均设置有填料孔。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述装置为一体式立体罐型，内部安装所述裂解反应釜、第一气体分布室、蒸汽发生器、气体催化重组反应釜和气体脱水净化仓。

使用上述的生物质氢与一氧化碳提取装置的方法，所述方法包括以下步骤：

S1、生物质物料送入裂解反应釜，通过物料均衡机将生物质物料均衡分布；

S2、在第一设定时间、第一设定温度及无氧环境下，生物质物料裂解为第一气相物和固相物；第一气相物包括水蒸汽、氮气、焦油、二氧化碳、一氧化碳、氢气和甲烷；固相物包括固体生物质炭；

S3、固相物通过输送转移机构进入气体催化重组反应釜；第一气相物通过裂解气收集管和第一内循环管道进入第一气体分布室，蒸汽通过蒸汽排放管道进入第一气体分布室；第一气相物与蒸汽的混合气被送入气体催化重组反应釜内；混合气和固相物在第二设定时间、第二设定温度及无氧环境下，经高温无氧逆向热化学反应重组，生成第二气相物；

S4、第二气相物通过第二内循环管道进入气体脱水净化仓，分别经过脱水过滤层网和杂质吸附过滤层网，得到一氧化碳和氢气。

步骤S2中，第一设定时间为60-80分钟，第一设定温度为800-950℃；步骤S3中，第二设定时间为3-5秒，第二设定温度为900-1000℃。

所述生物质物料包括各类秸秆、杂草、树枝中的一种或若干种。

本实用新型的有益效果为：本实用新型采用生物质无氧裂解,使其气相与固相物质热相分离+气相与固相物质在内循环装置中再进行逆向、热相催化重组，消除生物质气体中二氧化碳、焦油、水蒸汽等成分，大幅度提高氢气和一氧化碳产量，节约运行成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本实用新型实施例一种生物质氢与一氧化碳提取装置的整体结构示意图。

图2为本实用新型实施例一种生物质氢与一氧化碳提取方法的流程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-1：储料仓；1-2：物料控制阀与密封阀；1-3a：裂解气收集管；1-3b：第一内循环管道；1-4：物料均衡机；1-5：裂解反应釜；1-6：(裂解反应釜)加热棒；1-7：加热室一(裂解反应釜段)；1-8：(物料)输送转移机构；1-9：隔离板；1-10：加热室二；2-1：加热室一(气体催化重组反应釜段)；2-2：第二内循环管道入口；2-3：气体收集管；2-4：(气体催化重组反应釜)加热棒；2-5：排渣口；2-6：第一气体分布室；2-7：气体催化重组反应釜；2-8：裂解气排出口；3-1：压力表与自动泄压阀；3-2：补水口；3-3：蒸汽发生器；3-4：蒸汽排出管道；3-5：加热棒；3-6：排水口；3-7：蒸汽流量控制阀；4-1：气体排出口；4-2：气体收集室；4-3：(气体收集室)填料孔；4-4：杂质吸附过滤层网；4-5：气体过渡室；4-6：(气体过渡室)填料孔；4-7：脱水过滤层网；4-8：第二气体分布室；4-9：第二内循环管道；4-10：排污口。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本实用新型实施例一种生物质氢与一氧化碳提取装置，包括裂解反应釜1-5、第一气体分布室2-6、蒸汽发生器3-3、气体催化重组反应釜2-7和气体脱水净化仓；所述裂解反应釜1-5，用于生物质物料的高温无氧裂解，生成固相物和第一气相物；所述第一气体分布室2-6，用于接收来自所述裂解反应釜1-5的第一气相物，及来自所述蒸汽发生器3-3的蒸汽，并将二者的混合气送入所述气体催化重组反应釜2-7；所述气体催化重组反应釜2-7，用于接收来自所述裂解反应釜1-5的所述固相物，及来自所述第一气体分布室2-6的所述混合气，经高温无氧逆向热化学反应重组，生成第二气相物；所述气体脱水净化仓，接收所述第二气相物，并经脱水和净化，得到一氧化碳和氢气。

如图1所示，在一个具体实施例中，所述装置为一体式立体罐型，内部安装裂解反应釜1-5、第一气体分布室2-6、蒸汽发生器3-3、气体催化重组反应釜2-7和气体脱水净化仓。

所述裂解反应釜1-5优选为长方形，位于所属装置中心上部，上方设有进料口与储料仓1-1，储料仓1-1底部设置物料控制阀和相配合的密闭阀1-2，生物质物料通过物料控制阀和密闭阀1-2，经进料口送入裂解反应釜1-5内；优选的，裂解反应釜1-5上部设置物料均衡机1-4，用于将物料均衡分布；裂解反应釜1-5中部设置有多个加热棒1-6，两侧设置加热室1-7，用于为物料的高温无氧裂解提供热量；裂解反应釜1-5上部设置裂解气收集管1-3a，位于物料均衡机1-4上部，所述裂解气收集管1-3a与第一内循环管道1-3b连通，所述裂解反应釜1-5通过所述裂解气收集管1-3a和所述第一内循环管道1-3b与所述第一气体分布室2-6连通；所述裂解反应釜1-5和所述气体催化重组反应釜2-7之间设置有(物料)输送转移机构1-8，用于从所述裂解反应釜1-5转移物料固相物到所述气体催化重组反应釜2-7。

所述气体催化重组反应釜2-7，设置在所述裂解反应釜1-5下方，优选呈长方形，通过(物料)输送转移机构1-8与所述裂解反应釜1-5连接。裂解反应釜1-5与气体催化重组反应釜2-7之间有隔离板1-9，气体催化重组反应釜2-7上部有气体收集管道2-3，并与第二内循环管道4-9连接，中部有多个加热棒2-4，两侧有加热室2-1。

所述第一气体分布室2-6，位于气体催化重组反应釜2-7下方。

所述蒸汽发生器3-3，优选呈立体方形，位于裂解反应釜1-5与气体催化重组反应釜2-7一侧，上部有排气管道、压力表与自动泄压阀3-1，中下部有多个加热棒3-5，上部一侧有补水管3-2，下部一侧有排水口3-6，内部有蒸汽排出管道3-4与蒸汽流量控制阀3-7，蒸汽排出管道3-4连通第一气体分布室2-6。

所述气体脱水净化仓，优选呈立体方形，位于裂解反应釜1-5与气体催化重组反应釜2-7另一侧，与气体催化重组反应釜2-7的第二内循环管道4-9连接，气体脱水净化仓的底部有第二气体分布室4-8，第二气体分布室4-8下部有排污口4-10，上部有过滤层。第二气体分布室4-8上部设置脱水过滤层网4-7，其上部是气体过渡室4-5，上部有杂质吸附过滤层网4-4。气体过渡室4-5过滤层网上部是气体收集室4-2，气体过渡室4-5及气体收集室4-2均设置有填料孔4-3、4-6，气体收集室4-2上部有气体排出口4-1。

如图2所示，使用上述的生物质氢与一氧化碳提取装置的方法，所述方法包括以下步骤：

S1、生物质物料送入裂解反应釜1-5，通过物料均衡机1-4将生物质物料均衡分布；

S2、在第一设定时间、第一设定温度及无氧环境下，生物质物料裂解为第一气相物和固相物；第一气相物包括水蒸汽、氮气、焦油、二氧化碳、一氧化碳、氢气和甲烷；固相物包括固体生物质炭；

S3、固相物通过输送转移机构1-8进入气体催化重组反应釜2-7；第一气相物通过裂解气收集管1-3a和第一内循环管道1-3b进入第一气体分布室2-6，蒸汽通过蒸汽排放管道3-4进入第一气体分布室2-6；第一气相物与蒸汽的混合气通过气体喷嘴被送入气体催化重组反应釜2-7内；混合气和固相物在第二设定时间、第二设定温度及无氧环境下，经高温无氧逆向热化学反应重组，生成第二气相物；

S4、第二气相物通过第二内循环管道4-9进入气体脱水净化仓，分别经过脱水过滤层网4-7和杂质吸附过滤层网4-4，得到一氧化碳和氢气。

步骤S2中，第一设定时间为60-80分钟，第一设定温度为800-950℃；步骤S3中，第二设定时间为3-5秒，第二设定温度为900-1000℃。

本实用新型的加热室可在装置反应釜内四周贯通，将靠近反应釜四周的物料通过加热室内壁(可用耐高温不锈钢制作)间接方式对物料加热裂解；加热棒作为加热室热能的补充，将装置中心部位的物料进行裂解，因为加热室产生的温度通过间接传热方式传递到装置中心部位时，温度较低，达不到物料裂解所需温度。加热棒传热方式是将加热室产生的高温气体的热量通过中空的加热棒直接传送给四周的物料，进行裂解。

同时，本实用新型采用一个加热室时，它的突出优势是节能减排。一个加热室同时给裂解反应釜、气体重组反应釜、蒸汽发生器通过内循环提供热能，使热能利用率最大化。

本实用新型的化学反应原理说明如下：

裂解反应釜阶段：生物质物料在无氧高温环境下裂解，生物质物料裂解气化需要的热能来自加热室产生的高温气体，而非裂解气化炉内部部分垃圾焚烧产生的热能。由于高温气体中没有氧气，在与物料进行直接接触式热交换时，不会燃烧，不会产生大量的二氧化碳，只是进行热相分解，分解出汽态物和固体炭。根据试验数据，在此阶段，生物质物料在裂解反应釜(气化仓)内分解转化的主要产物：

在100-200℃阶段时，干燥脱水；

在200-400℃阶段时，表面的化合水、一氧化碳、二氧化碳、氢、甲烷析出；

在400-600℃阶段时，软化阶段，分解出焦油、氢、甲烷及烷烃类；

在600-800℃阶段时，半焦化阶段，分解出氢、甲烷；

在800-950℃阶段时，焦化阶段，分解出氢；

气体催化重组反应釜阶段：固相物残碳固体为还原剂，第一气相物中的二氧化碳，及水蒸汽的混合气，经高温、无氧、热相催化条件下进行逆向热化学反应重组，生成第二气相物，第二气相物包括一氧化碳和氢气(较高浓度)、水蒸汽及杂质。反应式如下：

C+H₂O→H₂+CO；

和

CO₂+H₂O→H₂+CO。

其中，混合气体与二氧化碳来源：混合气体来自生物质物料裂解气化阶段产生的物料表面的化合水(蒸汽)、一氧化碳、二氧化碳、氢、甲烷、焦油、及烷烃类等汽态物；二氧化碳：一是生物质内部自身所含有的二氧化碳；二是固体炭渣在裂解反应釜(气化室)气化时产生的二氧化碳。

混合气体与二氧化碳进入气体催化重组反应釜与生物质固体炭逆向碳中和重组催化反应，根据二氧化碳还原反应为一氧化碳的温度试验：

在800℃时，二氧化碳转化率86％-87％。

在900℃时，二氧化碳转化率96％-97％。

在1000℃时，二氧化碳转化率99％

在二氧化碳与生物质固体炭逆向碳中和重组反应的同时，还有其他汽态物质与炭催化反应，以及衍生物之间的反应，总之，在二氧化碳与生物质固体炭逆向碳中和重组反应仓内物料的化学反应较为复杂，最终生成以氢、一氧化碳和少量甲烷为主的第二气相物(燃料气体)。

气体脱水净化仓阶段：第二气相物中的水及其他杂质分别被脱水过滤层网4-7和杂质吸附过滤层网4-4滤除，较高纯度及浓度的一氧化碳和氢气从气体排出口4-1排出收集，进入储存罐，并可被直接送往甲醇合成设备进行甲醇合成。

本实用新型装置及方法可实现不间断连续工作。装置的上料系统和出渣系统为间隙式连续上料与出渣，可保障装置连续工作，装置内可设置物料量显示器，当装置内物料低于设定值时，物料量显示器显示物料不足，开启上料系统和出渣系统，自动上料并出渣，当装置内物料达到设定值时，上料系统和出渣系统自动关闭，停止上料。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述装置包括裂解反应釜、第一气体分布室、蒸汽发生器、气体催化重组反应釜和气体脱水净化仓；

所述气体催化重组反应釜设置在所述裂解反应釜的下部，所述第一气体分布室设置在所述气体催化重组反应釜的下部；所述裂解反应釜的一侧设置所述蒸汽发生器，相对的另一侧设置所述气体脱水净化仓；

所述裂解反应釜和所述气体催化重组反应釜之间设置有输送转移机构，所述裂解反应釜与所述第一气体分布室通过管道连通，所述蒸汽发生器与所述第一气体分布室连通，所述第一气体分布室与所述气体催化重组反应釜连通，所述气体催化重组反应釜与所述气体脱水净化仓连通。

2.如权利要求1所述的生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述裂解反应釜上部设置有裂解气收集管，所述裂解气收集管与第一内循环管道连通，所述裂解反应釜通过所述裂解气收集管和所述第一内循环管道与所述第一气体分布室连通；

所述蒸汽发生器通过蒸汽排放管道与所述第一气体分布室连通；所述第一气体分布室与所述气体催化重组反应釜连通；

所述气体催化重组反应釜通过第二内循环管道与所述气体脱水净化仓连通。

3.如权利要求1或2所述的生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述裂解反应釜上部设置储料仓，所述储料仓通过物料控制阀及相配合的密封阀与所述裂解反应釜连通。

4.如权利要求1所述的生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述气体脱水净化仓设置两层过滤层网，分别为脱水过滤层网和杂质吸附过滤层网。

5.如权利要求1所述的生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述气体脱水净化仓自下而上依次包括第二气体分布室、气体过渡室和气体收集室，所述第二气体分布室与所述气体过渡室通过脱水过滤层网隔开，所述气体过渡室与所述气体收集室通过杂质吸附网隔开；所述第二气体分布室底部设置排污口，所述气体收集室上部设置气体排出口。

6.如权利要求1所述的生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述裂解反应釜内设置有物料均衡机。

7.如权利要求2所述的生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述蒸汽排放管道设置流量控制阀门。

8.如权利要求1所述的生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述裂解反应釜和所述气体催化重组反应釜中均设置有加热棒，所述加热棒由加热室提供热量。

9.如权利要求5所述的生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述气体过渡室及气体收集室均设置有填料孔。

10.如权利要求1所述的生物质氢与一氧化碳提取装置，其特征在于，所述装置为一体式立体罐型，内部安装所述裂解反应釜、第一气体分布室、蒸汽发生器、气体催化重组反应釜和气体脱水净化仓。

Images