[发明专利]利用生物质制取高纯度氢气的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用生物质制取高纯度氢气的工艺方法及装置。包括生物质气化与分步式炭化耦合工艺、碳水热化学反应制氢工艺和变压吸附工艺以及相应的装置系统。氢气产品的纯度在99.99%以上。

背景技术

氢气是一种高品质清洁能源，开发氢能对人类社会未来的发展具有深远的意义。目前主要的制氢途径有：化石燃料制氢、水电解制氢、甲醇制氢、生物质制氢等。其中，化石燃料（煤、石油、天然气等）制氢占到市场上的90%以上。但是化石燃料本身是不可再生能源，且制氢过程能耗极大，是不可持续的制氢途径。因此，必须要开发新的可持续的制氢途径。

生物质制氢，尤其是生物质热化学转化方法制氢，是以生物质这种可再生能源作为原料，基于热化学转化技术来制取氢气，技术相对成熟，较为容易实现产业化生产，是一种很有前景的可持续的制氢途径，可以用来替代化石燃料制氢方法。当前的生物质热化学制氢途径主要包括生物质气化制氢、热解产物催化重整制氢、超临界水气化制氢等方法，但是普遍存在着反应过程复杂（无法对制氢过程进行定量的反应过程描述和分析），富氢气体产物中成分过多（除了H₂、CO、CO₂、CH₄外，还含有多种烷烃、烯烃、芳香烃等有机气体成分），氢气含量较低（通常氢气含量在30%~60%之间），后期提纯困难和能耗过大等技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的生物质制氢方法和装置，解决当前生物质热化学制氢方法中存在的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明利用生物质制取高纯度氢气的制备方法，流程如下：

生物质（a）分别由传送带输送到下吸式固定床气化炉的封闭式连续给料器和固定床炭化炉上封闭式连续给料器；冷空气（h）经过空气预热器加热之后成为热空气（k）进入到下吸式固定床气化炉参与气化反应；气化反应生成的高温气化燃气（b）经过下吸式固定床气化炉的旋风分离器除尘之后在阀门的控制下进入固定床炭化炉中为低温慢速炭化反应提供热量，生成的灰（m）由封闭式连续出灰器排出；

高温气化燃气（b）进入固定床炭化炉后，与炉内的生物质充分接触并加热生物质；炉内的生物质在受热的情况下发生低温慢速炭化反应；慢速低温炭化过程中生成的低温炭（n）进入移动床炭化炉；慢速低温炭化过程中生成的可燃气体和剩余的气化燃气c一起经过高温防爆风机加压并分成三部分：第一部分进入燃气加热器中燃烧并为移动床炭化炉提供热量；第二部分进入内燃机发电系统中作为发电燃料，且产生的电能为整个系统的动力设备提供能量；第三部分进入水蒸气发生器中燃烧并为生产过热水蒸气提供热量；

低温炭（n）进入移动床炭化炉后，在炉内以特定的速率前进，并在燃气加热器的高温加热下发生快速高温炭化反应，并生成具有高反应活性的高温炭（p）；生成的高反应活性高温炭（p）进入流化床碳水反应炉；燃气加热器产生的高温烟气（i）进入空气预热器中，并加热冷空气（h）；

高反应活性高温炭（p）进入流化床碳水反应炉后，在炉内与水蒸气发生器生产的过热蒸汽进行充分反应并生成初级富氢气体（d）；初级富氢气体（d）分别经过流化床碳水反应炉的旋风分离器和冷凝器之后，经由常温防爆风机加压并进入变压吸附装置进行氢气提纯，并获得最终的产品——纯度大于99.99%的高纯氢（e）。

实现本发明的利用生物质制取高纯度氢气制备方法的装置，包括生物质固定床气化装置、生物质固定床低温慢速炭化装置、移动床快速高温深度炭化装置、碳水反应流化床装置、富氢气体冷却装置、氢气提纯装置、空气预热装置、生物质燃气发电系统等子系统及相应的附属装置。由生物质固定床气化装置、生物质固定床低温慢速炭化装置、移动床快速高温深度炭化装置、碳水反应流化床装置、富氢气体冷却装置和氢气提纯装置依次相连；利用空气预热装置回收高温烟气的余热并加热冷空气、生物质燃气发电系统为整个制氢系统中的动力装置提供电能。

如附图所示：

所述的生物质固定床气化装置中，下吸式固定床气化炉的封闭式连续给料器（10）位于下吸式固定床气化炉（1）的左侧上部，封闭式连续出灰器（13）位于下吸式固定床气化炉（1）的底部，下吸式固定床气化炉（1）的左侧中部连接有进气管道，右侧下部连接有出气管道，出气管道的另一端连接下吸式固定床气化炉的旋风分离器（11）后，最后连接到固定床炭化炉（2）的左侧下部位置。