CN103708417A

CN103708417A - 一种利用高温水蒸气气化生物质制取氢气的方法及装置

Info

Publication number: CN103708417A
Application number: CN201310690269.2A
Authority: CN
Inventors: 李清海; 张衍国; 蒙爱红; 田甜; 朱轩豫
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: CN103708417B

Abstract

一种利用高温水蒸气气化生物质制取氢气的方法及装置，属于生物质气化技术领域。它高温气化反应器、多流体热交换器、H₂分离器装置、燃气燃烧器、氢氧燃烧器等构成。气化需要的高温水蒸气来自纯O₂和H₂的燃烧，在反应器加热夹套中通入燃气燃烧维持反应器内的温度。氢氧燃烧器喷出的高温水蒸气的温度高于1600℃，高温气化反应器中的温度为1300～1500℃。排放烟气和合成气的废热通过多流体热交换器回收用于加热H₂和O₂，通过分离器装置将气化合成气分离为H₂和燃气两部分。本气化装置具有：产氢率高、不需要催化剂、直接输出纯H₂等特点。

Description

一种利用高温水蒸气气化生物质制取氢气的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种气化装置，尤其涉及一种利用高温水蒸气和生物质在高温条件下气化制取富氢气体的方法和装置，属于生物质气化技术领域。

背景技术

对化石燃料的依赖性已经威胁到世界的能源安全，化石燃料使用也带来全球性的环境污染，利用清洁能源已经成为21世纪国民经济可持续发展的重大方向。氢作为一种二次能源，其利用过程非常清洁，其本身无毒无臭，与氧气燃烧时只生成纯净的水，对环境零污染。目前公知的制取氢气的方法有：(1)电解水制氢；(2)由石油、天然气裂解和重整制取富氢气体，然后进一步提纯为氢气；(3)由煤炭气化后经变换反应制取富氢气体，然后进一步提纯为氢气。这三种制取氢气的方法都依赖于常规的化石能源而不能持续使用，并且在制取氢气时或之前已经排放了二氧化碳等对环境有害的气体。

生物质是资源丰富的可再生能源，又是一种CO₂零排放的洁净能源。从生物质制取氢气可以使氢能技术真正达到对环境友好和永续使用的目的，同时可以使各种生物质资源得到有效的利用。

中国专利CN156265A公开了一种从生物质制取富氢气体的方法和装置，生物质首先在500～800℃低温裂解，低温裂解气体再送入1000℃～1200℃的高温热裂解反应器内反应，可获得氢气含量30%～60%的富氢气体。该方法将反应器分为两段，结构复杂，且没有获得纯氢气。中国专利CN1085522A公开了一种利用太阳能从生物质和水中制取氢气的工艺方法及设备，反应温度200℃～1000℃，氢气的转化率较低。中国专利CN101100621A公开了生物质富氢燃气制备方法及装置，利用催化剂的作用，制备氢气的体积含量达30%～55%。中国专利CN1706743A公开了一种生物质快速裂解制取氢气的方法，采用Ni/A₂O₃为催化剂。中国专利CN102268295A公开了一种生物质高温水蒸气气化制取富氢燃气的方法及其装置，在无催化剂条件下，以水蒸气为气化介质，在固定床气化反应器内900℃～1050℃进行高温水蒸气气化反应。制得的富氢燃气氢气含量在45%～51%以上。中国专利CN102849676A公开了一种固体燃料的高温水蒸气热解-裂解-气化装置及方法，将O₂和H₂燃烧产生的高温水蒸气通入固体燃料中进行低温热解，热解温度500℃～900℃，热解后的重质产物在1000℃高温下再进行水蒸气气化。

现有生物质气化制H₂技术存在H₂产率不高、需要昂贵催化剂等问题。

发明内容

为了克服现有技术缺陷，本发明提出利用高温水蒸气在高温条件下气化生物质制取氢气的方法和装置，利用外供纯O₂以及气化自身产生的H₂燃烧产生高温水蒸气，对生物质进行高温水蒸气气化，高温条件有利于二次反应生成H₂，从而H₂产率高，并且不需要使用催化剂。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种利用高温水蒸气气化生物质制取氢气的装置，它包括生物质进料装置、高温气化反应器、多流体热交换器、H₂分离器装置、燃气储罐、H₂储罐和O₂储罐；生物质进料装置由生物质料仓、给料器、水冷通道构成；在高温气化反应器的外部设置反应器加热夹套，在高温气化反应器的上部位置分别设置氢氧燃烧器和燃气燃烧器，氢氧燃烧器穿过反应器加热夹套与高温气化反应器内部连接，燃气燃烧器从反应器上部***到反应器加热夹套内部；在高温气化反应器的下部设置富H₂合成气出口，富H₂合成气出口通过合成气管道经多流体热交换器与H₂分离器装置入口连接，H₂分离器装置的燃气出口和H₂出口分别与燃气储罐和H₂储罐连接；H₂储罐和O₂储罐分别通过H₂管道、O₂管道经多流体热交换器与氢氧燃烧器相连；燃气燃烧器的进口分别与空气管道和燃气储罐相连。

本发明的技术特征还在于：富H₂合成气出口通过合成气管道经多流体热交换器、风机和缓存储罐与H₂分离器装置入口连接；氢氧燃烧器分两层布置，每层均布四支，燃气燃烧器与氢氧燃烧器间隔错列布置；H₂分离器装置采用变压吸附装置。

该装置运行是通过如下方法实现的：

1）生物质料仓中的生物质，通过给料器和水冷通道送入到高温气化反应器中，生物质在反应器中与来自氢氧燃烧器的由氢和氧燃烧产生的高温水蒸气发生气化反应，氢氧燃烧器喷出的高温水蒸气的温度至少为1600℃，高温气化反应器中的温度为1300～1500℃，气化后产生的富H₂合成气从富H₂合成气出口流出并经合成气管道送入多流体热交换器内；

2）来自燃气储罐的燃气和空气在反应器热夹套中燃烧生成的热烟气通过热烟气管道送入多流体热交换器，热烟气经冷却后从烟气排放口排出；

3）H₂储罐中的H₂和O₂储罐中的纯O₂送入多流体热交换器，经多流体热交换器加热后的H₂和O₂送入到氢氧燃烧器进行燃烧产生高温水蒸气，流经多流体热交换器降温后的富H₂合成气通过风机送入缓存储罐，富H₂合成气从缓存储罐进入H₂分离器装置，分离后的纯H₂进入H₂储罐，分离剩余的可燃气体进入燃气储罐。

在多流体换热器内，冷H₂气、冷O₂气和热富H₂合成气在管内流动，热烟气在壳侧流动，通过换热器内隔板的导流以及合成气的接力传热（相当于媒介）等作用，热富H₂合成气、热烟气将热量传递给冷H₂气和冷O₂气，从而回收反应后的余热，提高能量转化效率。

生物质气化后的生成灰渣经排灰渣口排出。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①由于温度高，反应器内固有的二次反应强烈，焦油等重碳氢化合物均分解成小分子化合物，因而产氢率高。例如，采用木材作气化原料，在1350℃进行高温气化，合成气中的H₂体积份额已达到60%以上。②不需要使用催化剂。③仅气化过程中需要的O₂由外部氧源独立供应，H₂可取自***自身气化的产H₂，***可净输出纯H₂。

附图说明

图1为本发明所提供利用高温水蒸气气化生物质制取氢气装置***示意图。

图2为高温气化反应器的A-A剖视图。

图中：1－排灰渣口；2－热烟气管道；3－热烟气出口；4－反应器加热夹套；5－高温气化反应器；6－氢氧燃烧器；7－燃气燃烧器；8－水冷通道；9－生物质料仓；10－给料器；11－空气管道；12－燃气管道；13－O₂管道；14－H₂管道；15－富H₂合成气出口；16－多流体热交换器；17－H₂分离器装置；18－燃气储罐；19－H₂储罐；20－O₂储罐；21－风机；22－合成气管道；23－缓存储罐；24－烟气排放口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

图1为本发明所提供利用高温水蒸气气化生物质制取氢气装置***示意图。它包括生物质进料装置、高温气化反应器5、多流体热交换器16、H₂分离器装置17、燃气储罐18、H₂储罐19和O₂储罐20；生物质进料装置由生物质料仓9、给料器10、水冷通道8构成；在高温气化反应器5的外部设置反应器加热夹套4，在高温气化反应器5的上部位置分别设置氢氧燃烧器6和燃气燃烧器7，氢氧燃烧器6穿过反应器加热夹套4与高温气化反应器5内部连接，燃气燃烧器7从反应器上部***到反应器加热夹套4内部；在高温气化反应器5的下部设置富H₂合成气出口15，富H₂合成气出口15通过合成气管道22经多流体热交换器16与H₂分离器装置17入口连接，H₂分离器装置17的燃气出口和H₂出口分别与燃气储罐18和H₂储罐19连接；H₂储罐19和O₂储罐20分别通过H₂管道14、O₂管道13经多流体热交换器16与氢氧燃烧器6相连；燃气燃烧器7的进口分别与空气管道11和燃气储罐18相连；富H₂合成气出口15通过合成气管道22经多流体热交换器16、风机21和缓存储罐23与H₂分离器装置17入口连接；H₂分离器装置17采用变压吸附装置。

图2为本发明所提供高温水蒸气气化生物质制取氢气装置的气化反应器A-A剖视图，氢氧燃烧器6分两层布置，每层均布四支，燃气燃烧器7与氢氧燃烧器6间隔错列布置。

该装置运行是通过如下方法实现的：

1）生物质料仓9中的生物质，通过给料器10和水冷通道8送入到高温气化反应器5中，生物质在反应器中与来自氢氧燃烧器6的由氢和氧燃烧产生的高温水蒸气发生气化反应，氢氧燃烧器6喷出的高温水蒸气的温度至少为1600℃，高温气化反应器5中的温度为1300～1500℃，气化后产生的富H₂合成气从富H₂合成气出口15流出并经合成气管道22送入多流体热交换器16内；

2）来自燃气储罐18的燃气和空气在反应器热夹套4中燃烧生成的热烟气通过热烟气管道2送入多流体热交换器16，热烟气经冷却后从烟气排放口24排出；

3）H₂储罐19中的H₂和O₂储罐20中的纯O₂送入多流体热交换器16，经多流体热交换器16加热后的H₂和O₂送入到氢氧燃烧器6进行燃烧产生高温水蒸气，流经多流体热交换器16降温后的富H₂合成气通过风机21送入缓存储罐23，富H₂合成气从缓存储罐23进入H₂分离器装置17，分离后的纯H₂进入H₂储罐19，分离剩余的可燃气体进入燃气储罐18。

氢氧燃烧器6中的O₂由外部供应，可以采用空气分离等方法获得纯O₂。气化过程中生产高温水蒸气的H₂来自于***自身的产H₂，燃气燃烧器7中的燃气来自***自身产的燃气，***可向外部净输出H₂。生物质气化后的灰渣等经排灰渣口1排出。

在本实施例中，采用的生物质的工业分析和元素分析数据见表1，在1350℃高温反应器内合成的H₂成分见表，H₂的体积份额高达60%以上，产H₂率较高，高于目前的其他一般工艺。

表1生物质的工业分析和元素分析

表2富H₂合成气成分

Claims

1.一种利用高温水蒸气气化生物质制取氢气的装置，其特征在于：该装置包括生物质进料装置、高温气化反应器（5）、多流体热交换器（16）、H₂分离器装置（17）、燃气储罐（18）、H₂储罐（19）和O₂储罐（20）；生物质进料装置由生物质料仓（9）、给料器（10）、水冷通道（8）构成；在高温气化反应器（5）的外部设置反应器加热夹套（4），在高温气化反应器（5）的上部位置分别设置氢氧燃烧器（6）和燃气燃烧器（7），氢氧燃烧器（6）穿过反应器加热夹套（4）与高温气化反应器（5）内部连接，燃气燃烧器（7）从反应器上部***到反应器加热夹套（4）内部；在高温气化反应器（5）的下部设置富H₂合成气出口（15），富H₂合成气出口（15）通过合成气管道（22）经多流体热交换器（16）与H₂分离器装置（17）入口连接，H₂分离器装置（17）的燃气出口和H₂出口分别与燃气储罐（18）和H₂储罐（19）连接；H₂储罐（19）和O₂储罐（20）分别通过H₂管道（14）、O₂管道（13）经多流体热交换器（16）与氢氧燃烧器（6）相连；燃气燃烧器（7）的进口分别与空气管道（11）和燃气储罐（18）相连。

2.按照权利要求1所述的一种利用高温水蒸气气化生物质制取氢气的装置，其特征在于：富H₂合成气出口（15）通过合成气管道（22）经多流体热交换器（16）、风机（21）和缓存储罐（23）与H₂分离器装置（17）入口连接。

3.按照权利要求1所述的一种利用高温水蒸气气化生物质制取氢气的装置，其特征在于：氢氧燃烧器（6）分两层布置，每层均布四支，燃气燃烧器（7）与氢氧燃烧器（6）间隔错列布置。

4.按照权利要求1所述的一种利用高温水蒸气气化生物质制取氢气的装置，其特征在于：H₂分离器装置（17）采用变压吸附装置。

5.采用如权利要求1所述装置的一种利用高温水蒸气气化生物质制取氢气的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1）生物质料仓（9）中的生物质，通过给料器（10）和水冷通道（8）送入到高温气化反应器（5）中，生物质在反应器中与来自氢氧燃烧器（6）的由氢和氧燃烧产生的高温水蒸气发生气化反应；控制氢氧燃烧器（6）喷出的高温水蒸气的温度至少为1600℃，高温气化反应器（5）中的温度为1300～1500℃，气化后产生的富H₂合成气从富H₂合成气出口（15）流出并经合成气管道（22）送入多流体热交换器（16）内；

2）来自燃气储罐（18）的燃气和空气在反应器热夹套（4）中燃烧生成的热烟气通过热烟气管道（2）送入多流体热交换器（16），热烟气经冷却后从烟气排放口（24）排出；

3）H₂储罐（19）中的H₂和O₂储罐（20）中的纯O₂送入多流体热交换器（16），经多流体热交换器（16）加热后的H₂和O₂送入到氢氧燃烧器（6）进行燃烧产生高温水蒸气，流经多流体热交换器（16）降温后的富H₂合成气通过风机（21）送入缓存储罐（23），富H₂合成气从缓存储罐（23）进入H₂分离器装置（17），分离后的纯H₂进入H₂储罐（19），分离剩余的可燃气体进入燃气储罐（18）。