一種生物質熱解及生物質熱解氣化學鏈制氫的裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種生物質熱解及利用生物質熱解氣制氫的裝置，該裝置主要包括生物質熱解氣化裝置和化學鏈制氫反應裝置，所述化學鏈制氫反應裝置主要利用具有尖晶石結構的NiFe2O4氧載體與生物質熱解氣好水蒸氣交替反應，從而制備純凈的氫氣。化學鏈制氫反應裝置設置有多個不同截面直徑的區段，用于調節氣體流通速度，從而控制反應的速率和完全性。本發明的裝置具有操作簡單、能耗低，生物質處理的焦油含量低、制氫過程還可以同時生產生物碳材料等優勢，實現了生物質的高效清潔轉化的目的。
【專利說明】一種生物質熱解及生物質熱解氣化學鏈制氫的裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及生物資源重新利用生產清潔能源的【技術領域】，特別是涉及一種生物質 熱解及利用生物質熱解氣制氫的裝置。
【背景技術】
[0002] 氫是一種清潔高效，環境友好的理想能源，氫在全球范圍內的使用正在不斷擴大。 傳統氫的來源主要是從石化燃料中制備，生產過程會產生粉塵、氮硫氣體等，造成環境污 染。
[0003] 利用生物質制備氫是目前最有研究前景的科研項目之一。生物質是可再生的環保 資源，來源豐富。利用生物質制氫可以大大減少目前生物質不合理利用帶來的二次污染，實 現C0 2的近零排放，有利于改善環境污染問題，保護自然環境，促進人類可持續發展。
[0004] 當前研究較多的生物質熱解氣化制氫技術是生物質在氣化介質如空氣、水蒸氣、 純氧等參與下經氣化產生含氫的燃料氣，再經重整、凈化、分離、提純制取氫氣，氣化反應器 一般為固定床和流化床反應器。雖然這種先產生氫氣再凈化、分離提純的工藝和技術路線 可以實現生物質熱解制氫，如美國夏威夷大學turn S等在富氧條件下研究生物質流化床水 蒸氣氣化制氫，獲得氫氣產量128g/kg生物質，扣除惰性氣體氫氣最高組成為57. 4%，國內 中科院廣州能源研究所，中國科技大學、東南大學等單位也從理論和實驗上對該工藝路線 進行了研究，證實了其可行性，但該技術方案因需加重整、凈化、分離提純等環節使得工藝 復雜，能耗較高，極大地推高了制氫成本，并且制取氫氣純度較低，焦油含量相對也較高，一 種良好的生物質制氫裝置不僅能實現生物質重整制氫技術路線，還應考慮到裝置的能耗、 制氫成本、制氫純度、焦油含量及裝置操作性等。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有生物質熱解氣化制氫裝置中存在的缺點，提供一種新 型的生物質熱解氣化制氫的反應裝置，制取的氫氣純度接近100%，且不需要復雜的提純分 離工藝。
[0006] 為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：
[0007] -種生物質熱解及利用生物質熱解氣制氫的裝置，包括：將生物質熱解生成生物 質熱解氣的生物質熱解氣化裝置、利用所述生物質熱解氣化裝置中生成的生物質熱解氣和 水蒸氣交替與氧載體發生氧化還原反應制備氫氣的化學鏈制氫反應裝置；所述生物質熱解 氣化裝置與化學鏈制氫反應裝置通過熱解氣輸送管相連通；
[0008] 所述化學鏈制氫反應裝置包括第一區段、第二區段和第三區段，第二區段置于第 一區段與第三區段之間，第一區段與第三區段的截面直徑均大于第二區段；所述第一區段 為熱解氣布送區段，所述第一區段設有反應氣體入口，生物質熱解氣化裝置通過熱解氣輸 送管連通所述反應氣體入口；所述第二區段為氧化還原反應發生區段，氧載體設于所述第 二區段內；所述第三區段為氣流緩沖區段，設有氣體輸出口。
[0009] 本發明利用生物質熱解氣化裝置將生物質熱解氣化生成生物質熱解氣，將所述的 生物質熱解氣引入化學鏈制氫反應裝置中與其中的氧載體發生氧化還原反應，氧載體被還 原；然后停止通入生物質熱解氣，將反應氣體切換到水蒸氣，處于還原狀態下的氧載體與高 溫水蒸氣發生反應生成氫氣；化學鏈制氫反應裝置中的尾氣經冷卻后即得純凈的氫氣。
[0010] 在實際操作中，生物質熱解氣和水蒸氣均從第一區段引入到化學鏈制氫反應裝置 中，所述第一區段的反應氣體入口還與外源氣體輸入管連通。為了生物質熱解氣和水蒸氣 兩種反應氣體之間不會發生串混，在生物質熱解氣停止通入后，先通入惰性氣體，再通入水 蒸氣，所述惰性氣體和水蒸氣均可通過外源氣體輸入管通過。
[0011] 較佳地，所述氧載體為具有尖晶石結構的NiFe204。
[0012] 較佳地，所述化學鏈制氫反應裝置的工作溫度為800?1000°C。
[0013] 較佳地，所述第一區段內還設有布風排料裝置；所述布風排料裝置包括：設置在 第一區段內的布風板以及設置在布風板底部的排料管和高溫球閥。
[0014] 較佳地，所述生物質熱解氣化裝置包括：生物質熱解氣化反應器、設置在生物質 熱解氣化反應器上的進料口和安全閥、置于生物質熱解氣化反應器腔內并將生物質熱解氣 化反應器分隔成兩個腔室的中間折流板、設置在生物質熱解氣化反應器底部的排灰裝置和 灰斗、開口于生物質熱解氣化反應器的熱解氣出口；所述熱解氣出口經熱解氣輸出管與化 學鏈制氫反應裝置的第一區段相連通。較佳地，所述生物質熱解氣化反應器的工作溫度為 800 ?850。。。
[0015] 較佳地，生物質熱解氣化裝置的進料口設有螺桿型推進器。
[0016] 較佳地，所述化學鏈制氫反應裝置連接有將所述化學鏈制氫反應裝置中生成氣體 與固體雜質分離的氣固分離裝置。所述氣固分離裝置為旋風分離器，所述旋風分離器經連 接管道與化學鏈制氫反應裝置的氣體輸出口相連接。
[0017] 通常在較強的氣流下，所述化學鏈制氫反應裝置中的尾氣會夾雜小顆粒的氧載 體，氣固分離裝置用于將尾氣與夾雜的小顆粒氧載體分離，將分離出的氧載體重新返回到 化學鏈制氫反應裝置中利用。
[0018] 本發明的裝置具有操作簡單、能耗低，生物質處理的焦油含量低、制氫過程還可以 同時生產生物碳材料等優勢，實現了生物質的高效清潔轉化的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明實施例的結構示意圖；
[0020] 附圖標記：1_進料口；2-安全閥；3-生物質熱解氣化反應器；4-中間折流板； 5_排灰裝置；6-灰斗；7-熱解氣出口；8-螺桿型推進器；9-熱解氣輸送管；10-外源氣體 輸入管；11-氣體取樣口；12-反應氣體入口；13-第一區段；14-第二區段；15-第三區段； 16-氣體輸出口； 17-旋風分離器；18-生成氣輸出管；19-布風板；20-排料管；21-高溫球 閥。
【具體實施方式】
[0021] 以下結合附圖和實施例對本發明做進一步描述，但本發明不限于以下實施例：
[0022] 實施例1
[0023] 如圖1所示，一種生物質熱解及利用生物質熱解氣制氫的裝置，包括生物質熱解 氣化裝置、化學鏈制氫反應裝置和氣固分離裝置。
[0024] 生物質熱解氣化裝置包括：生物質熱解氣化反應器3、設置在生物質熱解氣化反 應器3上的進料口 1和安全閥2、置于生物質熱解氣化反應器3腔內并將生物質熱解氣化反 應器3分隔成兩個腔室的中間折流板4、設置在生物質熱解氣化反應器3底部的排灰裝置5 和灰斗6、開口于生物質熱解氣化反應器3的熱解氣出口 7。在進料口 1附近設有螺桿型推 進器8。在解氣出口 7上設有氣體取樣口 11。
[0025] 化學鏈制氫反應裝置包括有第一區段13、第二區段14和第三區段15。第一區段 13為熱解氣布送區段，第一區段13設有反應氣體入口 12 ;第二區段14為氧化還原反應發 生區段，第二區段14內設有具有尖晶石結構的NiFe204氧載體；第三區段15為氣流緩沖區 段，第三區段15上設有氣體輸出口 16。其中第二區段14置于第一區段13與第三區段15 之間，第一區段13與第三區段15的截面直徑均大于第二區段14。
[0026] 其中，在第一區段13內還設有布風排料裝置。所述布風排料裝置包括：設置在第 一區段內的錐形布風板19以及設置在錐形布風板底部的排料管20和高溫球閥21。
[0027] 生物質熱解氣化裝置和化學鏈制氫反應裝置通過連通于熱解氣出口 7和反應氣 體入口 12之間的熱解氣輸送管9實現通氣。在反應氣體入口 12上還連接有外源氣體輸入 管10,用于將水蒸氣等氣體引入到化學鏈制氫反應裝置中。熱解氣輸送管9、外源氣體輸入 管10和反應氣體入口 12通過三通閥連接。
[0028] 氣固分離裝置主要包括旋風分離器17。旋風分離器17經連接管道與化學鏈制氫 反應裝置的氣體輸出口 16相連接。旋風分離器17還設有與氣體冷卻裝置連接的生成氣輸 出管18。
[0029] 上述反應裝置中，化學鏈制氫反應裝置的工作溫度為800?1000°C ;生物質熱解 氣化反應器3的工作溫度為800?850°C。
[0030] 實施例2 :
[0031] 選取尖晶石型NiFe204為氧載體材料，經加工后制成粒徑40-80目氧載體顆粒，放 入化學鏈制氫反應系統14中（加入量150-300g)，運行時，開啟反應器外加熱系統，設定兩 反應器反應溫度，生物質熱解反應器3工作溫度為80(TC，化學鏈制氫反應器14工作溫度 為800°C，兩反應器工作壓力為微正壓，打開連接兩反應器管道球閥10,打開兩反應器惰性 載氣11，開始置換兩反應器空氣。裝置溫度都達到設定值后，打開料倉平衡氣（20ml/min)， 開始進料，生物質在螺旋進料器1推動下進入生物質熱解氣化系統3進行熱解氣化（裝置 所用原料可以為秸桿、木屑、稻殼、甘蔗渣等生物質原料，本發明實施例中以松木粉為代表 進行實驗，進料速率，200g/h)，生成H 2、CO、CH4、C02等氣體，熱解反應器設有氣體采樣口 7， 約5min采樣一次，通過氣相色譜進行成分分析；所生成的生物燃氣經連接管道7、9被引入 化學鏈制氫反應器14與其中的氧載體進行氧化還原反應，氧載體被還原成為FeO、Ni或Fe， 生成尾氣經旋風器16分離后排空，分離的氧載體進入下部密封室，之后返回制氫系統，待 載氧體被完全還原后（約40?60min)，停止生物質進料1，關閉生物質燃氣球閥10,打開化 學鏈制氫反應器的惰性載氣10,置換制氫系統14中未完全反應的生物燃氣（流量為60ml/ min,約10?20min),置換完畢后，打開水蒸氣10 (水蒸氣流量50ml/min，120°C )，處于還 原狀態的載氧體被高溫水蒸氣氧化，水蒸氣裂解產生出H2，經分離冷凝后，約3?5min采樣 一次，通過氣相色譜進行分析，H2純度超過99 %，CO濃度小于0. 05 %，C02濃度小于0. 5 %， CH4濃度小于0. 01 %，氣體中沒有檢測到焦油，待氧載體完全反應后（約20min)，關閉水蒸 氣10,打開惰性氣體閥門10置換反應器殘留氣體（60ml/min，約10?20min)，置換完畢后， 通入空氣10(60ml/min)對制氫系統中氧載體進行進一步氧化，氧化時間約為lOmin，待氧 載體氧化完畢，實驗完成一次循環，如此交替通入生物質、惰性氣體、水蒸氣，反應持續循環 進行。實施結果如下：
[0032] 表1利用物質熱解及熱解氣化學鏈制氫裝置制備氫氣的條件及結果
[0033]
【權利要求】
1. 一種生物質熱解及生物質熱解氣化學鏈制氫的裝置，其特征在于包括：將生物質熱 解生成生物質熱解氣的生物質熱解氣化裝置、利用所述生物質熱解氣化裝置中生成的生物 質熱解氣和水蒸氣交替與氧載體發生氧化還原反應制備氫氣的化學鏈制氫反應裝置；所述 生物質熱解氣化裝置與化學鏈制氫反應裝置通過熱解氣輸送管相連通； 所述化學鏈制氫反應裝置包括第一區段、第二區段和第三區段，第二區段置于第一區 段與第三區段之間，第一區段與第三區段的截面直徑均大于第二區段；所述第一區段為熱 解氣布送區段，所述第一區段設有反應氣體入口，生物質熱解氣化裝置通過熱解氣輸送管 連通所述反應氣體入口；所述第二區段為氧化還原反應發生區段，氧載體設于所述第二區 段內；所述第三區段為氣流緩沖區段，設有氣體輸出口。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述氧載體為具有尖晶石結構的NiFe204。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述化學鏈制氫反應裝置的工作溫度為 800 ?1000。。。
4. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述反應氣體入口還與外源氣體輸入管 連通，所述第一區段內還設有布風排料裝置。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述布風排料裝置包括：設置在第一區段 內的布風板以及設置在布風板底部的排料管和高溫球閥。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述生物質熱解氣化裝置包括：生物質熱 解氣化反應器、設置在生物質熱解氣化反應器上的進料口和安全閥、置于生物質熱解氣化 反應器腔內并將生物質熱解氣化反應器分隔成兩個腔室的中間折流板、設置在生物質熱解 氣化反應器底部的排灰裝置和灰斗、開口于生物質熱解氣化反應器的熱解氣出口；所述熱 解氣出口經熱解氣輸出管與化學鏈制氫反應裝置的第一區段相連通。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述生物質熱解氣化反應器的工作溫度 為 800 ?850 °C。
8. 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述生物質熱解氣化裝置的進料口設有 螺桿型推進器。
9. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述化學鏈制氫反應裝置還連接有將所 述化學鏈制氫反應裝置中生成氣體與固體雜質分離的氣固分離裝置。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述氣固分離裝置為旋風分離器，所述 旋風分離器經連接管道與化學鏈制氫反應裝置的氣體輸出口相連接。
【文檔編號】C10J3/00GK104194834SQ201410332169
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月11日 優先權日:2014年7月11日
【發明者】何方, 魏國強, 黃振, 趙坤, 鄭安慶, 李海濱 申請人:中國科學院廣州能源研究所