[发明专利]一种生物质水蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学化工技术领域，具体涉及一种生物质水蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统和方法。

背景技术

生物质低温热解是指在热解温度400℃以上，通过热化学反应将生物质大分子（木质素、纤维素和半纤维素等）分解成小分子燃料物质（焦炭、可燃气体和生物质焦油）的热化学转化技术。热解是生物质燃烧和气化必不可少的初始阶段。其类型按热解温度可分为400～650℃的低温热解，650～850℃的中温热解和850～1100℃的高温热解三种。在热解过程中，由于热量是先由热源传递到物料表面，再由物料表面传递到物料内部，因而生物质的热解过程是由外至内逐层进行，最终得到生物质焦油、可燃气体和焦炭。生物质热解的燃料能源转化率一般在90%以上，可最大限度地将生物质能量转化为能源产品。

目前，我国使用的生物质热解气化技术，主要包括固定床、流化床和直接干馏三种工艺形式。固定床气化一般采用空气作气化剂，设备结构简单、易于操作、投资少；但是用空气作气化剂得到的生物质燃气中N₂、O₂含量高，热值低（约5000kJ/Nm³），且可燃气体中焦油含量高，易堵塞管路。流化床热解则多数采用固体热载体（加热砂子）或气体热载体为热解过程提供热量；生物质颗粒和热载体间主要依靠气体运动产生的曳力进行碰撞和混合，以实现动量交换和热量交换。其优点是流化床内不含运动部件，结构简单，运行寿命长，处理量大；但是流化气的引入也提高了系统的运行能耗成本，增加了气体产物中的粉尘含量。而在普通生物质直接干馏中，也存在物料加热速率慢，受热不均匀，热效率低等缺点。一方面，由于生物质焦油是高含氧量的碳氢化合物，长时间贮存会发生相分离、沉淀，具有强腐蚀性，因而在物理、化学性质上都存在不稳定因素。另一方面，生物质原料的挥发分高、固定碳含量低，容重小，不利于气化。由于生物质中富含氢，可通过裂解、自热重整、蒸汽重整等制氢工艺生产H₂，但是在生物质水蒸汽催化热解气化制H₂工艺中，又存在传热传质速率低，催化剂颗粒表面积炭严重，失活快，大量CO₂生成抑制了制H₂反应，降低了生物质的制H₂效率。

可见寻求新的生物质能源高效利用技术，以充分提取生物质原料中的有效成分，提高现有生物质转化效率是目前生物质利用研究的热点领域，用木质纤维素生物质制取活性炭和氢气是生物质能源综合利用的有效途径之一。

发明内容

本发明的目的是解决现有生物质热解气化技术中存在的部分问题，开发生物质特别是可再生木质纤维素生物质能源，提供一种生物质水蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，包括生物质预处理干燥单元1，水蒸汽低温热解单元2，高温旋风分离单元3，蒸汽催化重整单元4，氢气冷却净化分离单元5；其中，所述生物质预处理干燥单元1依次连接水蒸汽低温热解单元2，高温旋风分离单元3，蒸汽催化重整单元4，氢气冷却净化分离单元5，所述生物质预处理干燥单元1的气体出口与高温旋风分离单元3连接。

所述生物质原料预处理干燥单元1设有多层倾斜的多孔导向隔板。

所述导向隔板开孔率为20-30%，孔径为1.5-3.0mm。

所述导向隔板与生物质原料预处理干燥单元1竖直平面的夹角为20°-40°，相邻倾斜导向隔板的方向相反。

所述水蒸汽低温热解单元2设有多孔气体分布板，气体分布板的开孔率为5-15%，孔径为0.5-1.5mm。

所述的蒸汽催化重整单元4包括管式加热炉装置和高温空气燃烧器，由高温空气燃烧器在炉管外燃烧提供催化重整反应的热量。

根据生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统所用的方法，所述生物质预处理干燥单元1采用热解气和水蒸汽的混合气作为热载体和流化介质。

在水蒸汽低温热解单元2采用水蒸汽作为热载体、流化介质和半焦化剂。

将催化剂置于所述管式加热炉装置的炉管内，使得热解气和蒸汽的混合气体流经炉管时，在催化剂的作用下发生催化重整反应。

该系统生产活性炭和氢气的具体工艺过程如下：

（1）将生物质原料破碎到一定粒度（粒径范围：5.0～20mm）后，送入生物质预处理干燥单元内预处理；生物质原料通过多孔导向隔板与流经导向隔板的热解气体和水蒸汽的混合气体逆流接触、换热并被干燥。