專利名稱：從生物質(zhì)制取富氫氣體的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從生物質(zhì)制取富氫氣體的方法和裝置，特別是生物質(zhì)熱裂解制取富氫氣體的方法和裝置。
背景技術(shù)：
目前公知的制取氫氣的方法有(1)電解水制氫；(2)由石油、天然氣裂解和重整制取富氫氣體，然后進(jìn)一步提純?yōu)闅錃猓?3)由煤炭氣化后經(jīng)變換反應(yīng)制取富氫氣體，然后進(jìn)一步提純?yōu)闅錃狻?br> 氫作為一種二次能源，其利用過程是非常清潔的。世界各國(guó)已經(jīng)意識(shí)到氫能在礦物燃料能源枯竭后作為后續(xù)能源的重要性，因此重視氫能技術(shù)的開發(fā)。一個(gè)完整的氫能系統(tǒng)包括氫的制取、氫的儲(chǔ)存和氫能轉(zhuǎn)換過程。通過各國(guó)科學(xué)家的努力，已經(jīng)在儲(chǔ)氫和氫能轉(zhuǎn)換即燃料電池技術(shù)上取得了很大發(fā)展。但目前公知的上述三種制取氫氣的方法都依賴于常規(guī)的礦物能源而不能永續(xù)使用，并且在制取氫氣時(shí)或之前已經(jīng)排放了二氧化碳等對(duì)環(huán)境有害的氣體。
生物質(zhì)是資源豐富的可再生能源，又是一種二氧化碳零排放的潔凈能源。從生物質(zhì)制取氫氣可以使氫能技術(shù)真正達(dá)到對(duì)環(huán)境友好和永續(xù)使用的目的，同時(shí)可以使各種生物質(zhì)資源得到有效的利用。
本發(fā)明的目的是建立一種通過二次熱裂解從生物質(zhì)制取富氫氣體的方法，所制取的富氫氣體可直接用于需要富氫燃料氣和化工原料氣的場(chǎng)合，或可進(jìn)一步提純?yōu)闅錃狻?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是由低溫裂解反應(yīng)器和高溫裂解反應(yīng)器相連接的二次熱裂解系統(tǒng)。顆粒狀生物質(zhì)原料加入到低溫裂解反應(yīng)器中，通入一定量水蒸氣，移動(dòng)和間接加熱，在隔絕空氣的條件下加熱到500～800℃，使生物質(zhì)發(fā)生熱裂解，生成氣體產(chǎn)物和不被熱解的殘?zhí)?，在低溫裂解反?yīng)器出口處將殘?zhí)恳瞥?。將低溫裂解反?yīng)的氣體產(chǎn)物送入高溫裂解反應(yīng)器，間接加熱到1000～1200℃，并停留至少3秒鐘，得到含氫量為30～容積成分的富氫氣體。將高溫富氫氣體返回到低溫裂解反應(yīng)器，提供低溫裂解所需的熱量并使高溫富氫氣體冷卻。
本發(fā)明的由生物質(zhì)原料制取富氫氣體的方法包括以下兩個(gè)熱裂解過程1.低溫?zé)崃呀鈱⒐腆w生物質(zhì)顆粒加入低溫裂解反應(yīng)器，通入水蒸氣，在隔絕空氣的條件下加熱到500～800℃，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)發(fā)生熱裂解，產(chǎn)生氣體產(chǎn)物和不被裂解的殘?zhí)俊怏w產(chǎn)物中包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷，還有較大分子的碳?xì)浠衔锛礆鈶B(tài)焦油。水蒸氣與生物質(zhì)中的碳發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣和一氧化碳、二氧化碳，從而增加了裂解后氣體產(chǎn)物的體積并且提高了氣體產(chǎn)物中的氫含量。
2.高溫?zé)崃呀鈱⒌蜏亓呀夥磻?yīng)器產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物送入高溫裂解器，間接加熱到1000～1200℃，并停留至少3秒鐘，使氣態(tài)焦油再一次發(fā)生熱裂解，轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃夂吞?。從而增加了氣體中的氫含量并使生物質(zhì)中的氫元素得到充分轉(zhuǎn)換。最終得到含氫量為30～60％容積成分的富氫氣體。
為了實(shí)現(xiàn)上述方法，本發(fā)明采用了由低溫裂解反應(yīng)器(3)高溫裂解反應(yīng)器(18)組成的生物質(zhì)制取富氫氣體裝置。在低溫裂解反應(yīng)器(3)中，生物質(zhì)被加熱裂解生成氣體產(chǎn)物。該氣體產(chǎn)物經(jīng)低溫裂解反應(yīng)器出氣口(5)與高溫裂解反應(yīng)器進(jìn)氣口(15)相連的管道進(jìn)入高溫裂解反應(yīng)器(18)中，再次被高溫裂解，生成高溫富氫氣體。該高溫富氫氣體又經(jīng)與高溫裂解反應(yīng)器出氣口(17)和低溫裂解反應(yīng)器(3)上的換熱器進(jìn)氣口(6)相連的管道返回低溫裂解反應(yīng)器(3)，對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行加熱。低溫裂解反應(yīng)器(3)一端上部設(shè)有加料器(1)，為了使低溫裂解隔絕空氣，在加料器(1)和低溫裂解反應(yīng)器(3)之間設(shè)有密封回轉(zhuǎn)閥(2)；低溫裂解反應(yīng)器(3)另一端下部設(shè)有殘?zhí)颗懦隹?13)，在低溫裂解反應(yīng)器(3)和殘?zhí)颗懦隹?13)之間設(shè)有密封回轉(zhuǎn)閥(14)以便排炭時(shí)不進(jìn)入空氣。為了使生物質(zhì)在低溫裂解反應(yīng)器(3)中移動(dòng)和充分加熱，低溫裂解反應(yīng)器(3)內(nèi)設(shè)有空心軸螺旋推進(jìn)器(8)，空心軸螺旋推進(jìn)器(8)的一端穿過換熱器出氣室(10)與減速電機(jī)(19)相聯(lián)接，工作時(shí)在減速電機(jī)(19)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。低溫裂解反應(yīng)器(3)的與加料器(1)同一端的端部設(shè)有換熱器出氣室(10)，另一端的端部設(shè)有換熱器進(jìn)氣室(7)，外側(cè)設(shè)有換熱器(4)；換熱器(4)的兩端分別與換熱器出氣室(10)和換熱器進(jìn)氣室(7)相通；空心軸螺旋推進(jìn)器(8)的一端與換熱器進(jìn)氣室(7)相通，另一端在穿過換熱器出氣室(10)的一段上設(shè)有空心軸出氣口(11)，與換熱器出氣室(10)相通；換熱器進(jìn)氣室(7)上設(shè)有換熱器進(jìn)氣口(6)，換熱器出氣室(10)上設(shè)有富氫氣體出氣口(12)。由高溫裂解反應(yīng)器(18)返回的高溫富氫氣體進(jìn)入換熱器進(jìn)氣室(7)后分成兩路，分別經(jīng)換熱器(4)和空心軸螺旋推進(jìn)器(8)匯集到換熱器出氣室(10)，然后經(jīng)富氫氣體出氣口(12)排出。低溫裂解反應(yīng)器(3)靠近加料器(1)的一端側(cè)壁設(shè)有與之相通的水蒸氣進(jìn)口(9)，以便向低溫裂解反應(yīng)器(3)內(nèi)送入水蒸氣；另一端側(cè)壁設(shè)有與之相通的低溫裂解反應(yīng)器出氣口(5)。高溫裂解反應(yīng)器外側(cè)設(shè)置有加熱器(16)，一端設(shè)有高溫裂解反應(yīng)器進(jìn)氣口(15)，另一端設(shè)有高溫裂解反應(yīng)器出氣口(17)。
本發(fā)明的有益效果是從生物質(zhì)制取富氫氣體，可以利用豐富的各種生物質(zhì)資源，使將來的氫能技術(shù)達(dá)到對(duì)環(huán)境友好和永續(xù)使用的目的；用螺旋推進(jìn)器使原料在反應(yīng)中移動(dòng)，具有較廣泛的原料適應(yīng)性；按照溫度梯次，充分利用高溫富氫氣體顯熱，節(jié)約了能源。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
附圖是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.加料器，2.密封回轉(zhuǎn)閥，3.低溫裂解反應(yīng)器，4.換熱器，5.低溫裂解反應(yīng)器出氣口，6.換熱器進(jìn)氣口，7.換熱器進(jìn)氣室，8.空心軸螺旋推進(jìn)器，9.水蒸氣進(jìn)口，10.換熱器出氣室，11.空心軸出氣口，12.富氫氣體出氣口，13.殘?zhí)颗懦隹冢?4密封回轉(zhuǎn)閥，15.高溫裂解反應(yīng)器進(jìn)氣口，16.加熱器，17.高溫裂解反應(yīng)器出氣口，18.高溫裂解反應(yīng)器，19.減速電機(jī)。
具體實(shí)施方法本發(fā)明針對(duì)不同的生物質(zhì)原料，采用不同的一次和二次裂解溫度以獲取高含量的富氫氣體。通過加料器和密封回轉(zhuǎn)閥將生物質(zhì)原料送入低溫裂解反應(yīng)器，通入一定流量的水蒸氣。空心軸螺旋推進(jìn)器在電機(jī)減速驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，生物質(zhì)原料在反應(yīng)器中向另一端移動(dòng)，在移動(dòng)中被換熱器和空心軸螺旋推進(jìn)器間接加熱，加熱溫度為500～800℃，使生物質(zhì)原料發(fā)生熱裂解，產(chǎn)生氣體產(chǎn)物和不被裂解的殘?zhí)?，未被裂解的殘?zhí)繌臍執(zhí)颗懦隹谂懦?。將氣體產(chǎn)物從出氣口導(dǎo)出送入高溫裂解反應(yīng)器中，被高溫裂解反應(yīng)器加熱器加熱到1000～1200℃，停留時(shí)間為3秒以上，該氣體產(chǎn)物中氣態(tài)焦油被裂解，得到含氫為30～60％的高溫富氫氣體。該高溫富氫氣體經(jīng)高溫裂解反應(yīng)器出氣口和換熱器進(jìn)氣口相連管道返回低溫裂解反應(yīng)器，經(jīng)換熱器進(jìn)氣室進(jìn)入換熱器和空心軸，并對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行間接加熱。降溫后的富氫氣體聚集到換熱器出氣室，并從富氫氣體出氣口排出。
在以下實(shí)施例中，低溫裂解反應(yīng)器和高溫裂解反應(yīng)器都為圓柱形，空心軸螺旋推進(jìn)器裝于水平放置的低溫裂解反應(yīng)器中，換熱器與低溫裂解反應(yīng)器殼體在截面上為同心圓并有一個(gè)共同的金屬壁，高溫裂解反應(yīng)器外側(cè)的加熱器為電加熱器，受熱金屬全部采用耐高溫鋼材制作。
實(shí)施例1用鋸末為原料，在低溫裂解反應(yīng)器中通入質(zhì)量流量為加入鋸末量的20％，溫度為300℃的水蒸氣。低溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為500℃，高溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為1000℃，停留時(shí)間為3秒。得到含氫為30.3％的高溫富氫氣體。
實(shí)施例2用鋸末為原料，在低溫裂解反應(yīng)器中通入質(zhì)量流量為加入鋸末量的20％，溫度為300℃的水蒸氣。低溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為650℃；高溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為1100℃，停留時(shí)間為10秒。得到含氫為44％的高溫富氫氣體。
實(shí)施例3用鋸末為原料，在低溫裂解反應(yīng)器中通入質(zhì)量流量為加入鋸末量的20％，溫度為300℃的水蒸氣。低溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為800℃；高溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為1200℃，停留時(shí)間為10秒。得到含氫為56％的高溫富氫氣體。
實(shí)施例4用玉米秸為原料，在低溫裂解反應(yīng)器中通入質(zhì)量流量為加入玉米秸量的15％，溫度為300℃的水蒸氣。低溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為650℃；高溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為1100℃，停留時(shí)間為10秒。得到含氫為46％的高溫富氫氣體。
實(shí)施例5用玉米秸為原料，在低溫裂解反應(yīng)器中通入質(zhì)量流量為加入玉米秸量的15％，溫度為300℃的水蒸氣。低溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為800℃；高溫裂解反應(yīng)器加熱溫度為1200℃，停留時(shí)間為10秒。得到含氫為54％的高溫富氫氣體。
權(quán)利要求
1.一種從生物質(zhì)制取富氫氣體的方法，其特征在于包括以下步驟(1)將顆粒狀生物質(zhì)送入低溫裂解反應(yīng)器內(nèi)，通入水蒸氣，移動(dòng)和間接加熱，在隔絕空氣的條件下加熱到500～800℃，使生物質(zhì)發(fā)生熱裂解，生成氣體產(chǎn)物和不被裂解的殘?zhí)浚诘蜏亓呀夥磻?yīng)器殘?zhí)颗懦隹谔帉執(zhí)恳瞥觥?2)將低溫裂解反應(yīng)生成的氣體產(chǎn)物送入高溫裂解反應(yīng)器內(nèi)，間接加熱到1000～1200℃，并停留至少3秒鐘，使該氣體產(chǎn)物中的氣態(tài)焦油再一次產(chǎn)生熱裂解，而得到高溫富氫氣體。(3)將高溫裂解反應(yīng)產(chǎn)生的高溫富氫氣體導(dǎo)出返回低溫裂解反應(yīng)器，提供低溫裂解所需熱量并使高溫富氫氣體冷卻。
2.一種從生物質(zhì)制取富氫氣體的裝置，具有低溫裂解反應(yīng)器(3)和高溫裂解反應(yīng)器(18)，其特征在于低溫裂解反應(yīng)器(3)的出氣口(5)與高溫裂解反應(yīng)器(18)的高溫裂解反應(yīng)器進(jìn)氣口(15)相連，高溫裂解反應(yīng)器出氣口(18)與低溫裂解反應(yīng)器的換熱器進(jìn)氣口(6)相連；低溫裂解反應(yīng)器(3)內(nèi)設(shè)有空心軸螺旋推進(jìn)器(8)，空心軸螺旋推進(jìn)器(8)穿過換熱器出氣室(10)與減速電機(jī)(19)相聯(lián)接；低溫裂解反應(yīng)器(3)一端的上部設(shè)有加料器(1)和密封回轉(zhuǎn)閥(2)，另一端的下部設(shè)有殘?zhí)颗懦隹?13)和密封回轉(zhuǎn)閥(14)；低溫裂解反應(yīng)器(3)的與加料器(1)同一端的端部設(shè)有換熱器出氣室(10)，另一端的端部設(shè)有換熱器進(jìn)氣室(7)，外側(cè)設(shè)有換熱器(4)；換熱器(4)的兩端分別與換熱器出氣室(10)和換熱器進(jìn)氣室(7)相通；空心軸螺旋推進(jìn)器(8)的一端與換熱器進(jìn)氣室(7)相通，另一端在穿過換熱器出氣室(10)的一段上設(shè)有空心軸出氣口(11)，與換熱器出氣室(10)相通；換熱器進(jìn)氣室(7)上設(shè)有換熱器進(jìn)氣口(6)，換熱器出氣室(10)上設(shè)有富氫氣體出氣口(12)；低溫裂解反應(yīng)器(3)靠近加料器(1)的一端側(cè)壁設(shè)有與之相通的水蒸氣進(jìn)口(9)，另一端側(cè)壁設(shè)有與之相通的低溫裂解反應(yīng)器出氣口(5)；高溫裂解反應(yīng)器外側(cè)設(shè)置有加熱器(16)，一端設(shè)有高溫裂解反應(yīng)器進(jìn)氣口(15)，另一端設(shè)有高溫裂解反應(yīng)器出氣口(18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的從生物質(zhì)制取富氫氣體的裝置，其特征在于低溫裂解反應(yīng)器(3)與加料器(1)之間設(shè)有密封回轉(zhuǎn)閥(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的從生物質(zhì)制取富氫氣體的裝置，其特征在于低溫裂解反應(yīng)器(3)與殘?zhí)颗懦隹?13)之間設(shè)有密封回轉(zhuǎn)閥(14)。
全文摘要
本發(fā)明涉及從生物質(zhì)制取富氫氣體的方法和裝置。生物質(zhì)在低溫裂解反應(yīng)器中隔絕空氣，通入水蒸氣，移動(dòng)并間接加熱到500～800℃，熱裂解發(fā)生的氣體產(chǎn)物送入高溫裂解反應(yīng)器，再加熱到1000～1200℃得到高溫富氫氣體，將其返回到低溫裂解反應(yīng)器內(nèi)對(duì)生物質(zhì)加熱。高溫裂解反應(yīng)器外部設(shè)有加熱器。低溫裂解反應(yīng)器外側(cè)設(shè)有換熱器，內(nèi)置空心軸螺旋推進(jìn)器，其一端設(shè)有加料器、密封回轉(zhuǎn)閥、水蒸氣進(jìn)口、換熱器出氣室、富氫氣體出氣口，另一端設(shè)有出氣口、換熱器進(jìn)氣室、密封回轉(zhuǎn)閥、殘?zhí)颗懦隹?。本發(fā)明可獲取含氫量為30～60％的富氫氣體，用作燃料氣、原料氣或進(jìn)一步提純?yōu)闅錃狻?br> 文檔編號(hào)C10B53/02GK1566265SQ0311246
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者孫立, 許敏, 孫榮峰 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院能源研究所