一种太阳能耦合生物质能的热氢联产系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种太阳能耦合生物质能的热氢联产系统及方法，系统包括微波反应器、生物质气化炉、燃烧反应器、空气预热器、催化重整反应器、光热介质储能系统、CO2分离装置和活性炭制备装置。采用微波烘焙预处理、生物质气化制氢以及化学链燃烧相结合，解决了合成气中焦油含量高的问题，提高了合成气品质，并实现了CO2的高效分离；利用光热介质储能系统中的高温熔融盐为合成气的催化重整反应提供热能，降低了催化重整反应能耗；系统既可以实现制氢，又可以实现CO2近零排放；系统中输入的能量生物质能和太阳能均属于可再生能源，在实现生物质资源及太阳能高效清洁利用的同时，也避免了生物质原料大规模收集及储存的费用。质原料大规模收集及储存的费用。质原料大规模收集及储存的费用。

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能耦合生物质能的热氢联产系统及方法


[0001]本专利技术涉及氢气制备
，具体涉及一种太阳能耦合生物质能的热氢联产系统及方法。

技术介绍

[0002]化石能源供应不足、液体和气体燃料对外依存度过大、化石燃料应用造成的环境污染、CO2减排压力以及边远地区能源短缺等问题在我国日趋严重，因此，积极开发和利用可再生的清洁能源已成为解决我国能源问题、实现绿色可持续发展的必然选择。氢能是一种清洁、高效、无碳的能源，具有来源多样、能量密度大、应用范围广等优点。化石能源的热化学制氢(约占总产量的96％)和电解水制氢(约占4％)是目前主要的制氢方式。化石能源制氢过程中会排放大量NO
x
和SO
x
等污染气体，显著威胁着环境安全，而且化石能源属于不可再生能源；电解水制氢具有工艺流程简单、污染小以及氢气纯度高等优点，但其耗电量较大，且对水质要求较高，在经济性方面受到限制。化石能源制氢的环境污染和不可持续性问题，以及电解水制氢的高能耗问题，促使可再生清洁能源制取氢气成为未来氢能技术发展的必经之路。
[0003]生物质能是由植物光合作用固定于地球上的太阳能，开发潜力巨大。在整个碳循环过程中，生物质能的碳源没有增加大气中的碳总量，是国际上公认的零碳可再生能源。若与BECCS(生物能源与碳捕获和储存)技术相结合，生物质能将实现负碳排放。生物质能的开发利用在替代化石燃料、减少温室气体排放、实现全球能源可持续发展战略等方面将起到重要和不可替代的作用。据估计，到本世纪中叶，采用新工艺生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40％以上。因此，基于低碳、可再生生物质能源的制氢路线是真正意义上的绿氢技术。
[0004]生物质制氢主要分为热化学法制氢和生物法制氢。其中生物质热化学法制氢是通过热化学方法，将生物质原料转化为富氢气体，然后通过分离提纯来制取氢气的技术。热化学法制氢主要包括气化、超临界水气化、生物油重整和生物质热解
‑
蒸汽重整制氢等；生物法制氢则是利用微生物代谢来制取氢气的一项生物工程技术，主要包括厌氧发酵制氢和光合生物制氢。与热化学方法相比，生物制氢具有节能、可再生和不消耗矿物资源等优点。但生物法制氢的反应速率缓慢，产氢效率很低，而且微生物对环境的要求较为苛刻，这是制约生物法制氢的主要因素。在现有的生物质制氢工艺中，生物质气化制氢技术受到学者们的广泛关注。“一种生物质气化制氢系统及方法”(201010118131.1)采用生物质气化制氢与化学链燃烧相结合的方法，可以在利用系统制氢的同时实现CO2的近零排放。然而该系统未考虑生物质气化过程中焦油产量高的问题，易造成管道堵塞问题；热载体的多级输送及分离也会造成大量的热量损失；采用氢气分离装置从可燃气(包括H2、CO、CH4、CO2、H2O和少量烃化物)中分离出H2的方案也需要消耗大量能量。另外，生物质气化制氢工艺还存在催化剂成本高、易失活等问题。因此，现有的生物质气化制氢系统需要不断完善，也需要不断提出新型工艺，以早日实现生物质制氢技术高效率、低成本的规模化应用。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种太阳能耦合生物质能的热氢联产系统，通过将生物质原料依次进行微波烘焙预处理和气化，获得气化合成气；然后利用催化重整反应器对合成气进行催化重整产生富氢气体；利用太阳能光热装置为催化重整反应器提供反应所需的热能。通过将清洁可再生的生物质能和太阳能进行耦合利用，可以实现可再生能源(生物质能和太阳能)的高效热转化及高值化利用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种太阳能耦合生物质能的热氢联产系统，包括活性炭制备装置、微波反应器、生物质气化炉、燃烧反应器、空气预热器、催化重整反应器、光热介质储能系统和CO2分离装置；微波反应器的生物质出口分别连接生物质气化炉和活性炭制备装置的进料口，生物质气化炉的炭出口连接燃烧反应器，生物质气化炉和燃烧反应器均设置有水冷壁和水冷壁集箱，微波反应器和生物质气化炉的气体出口以及燃烧反应器的水冷壁集箱的水蒸气出口连接催化重整反应器的气体入口，催化重整反应器的气体出口连接CO2分离装置，CO2分离装置连接有CO2储罐和H2储罐；燃烧反应器的烟气出口设置空气预热器，空气预热器的高温空气出口连接燃烧反应器的空气入口和热用户；光热介质储能系统的储热介质出入口连接催化重整反应器的储热介质进出口；光热介质储能系统的储热介质出口连接活性炭制备装置的储热介质入口；生物质气化炉的进料口作为CaO及金属氧载体的入口；生物质气化炉的水冷壁集箱的水蒸气出口分别连接生物质气化炉和活性炭制备装置的蒸汽入口。
[0007]光热介质储能系统包括依次连接的低温介质储罐、太阳能光热装置以及高温介质储罐，低温介质储罐的入口作为光热介质储能系统的储热介质入口，高温介质储罐的出口作为光热介质储能系统的储热介质出口，太阳能光热装置采用塔式太阳能光热装置、槽式太阳能光热装置或盘式太阳能光热装置；所述储热介质为碱金属熔盐。
[0008]太阳能光热装置采用太阳能反应器，太阳能反应器中部为吸收腔体，吸收腔体为开口状，吸收腔体外部设置有储热介质加热腔；吸收腔体的开口侧设置石英玻璃窗，吸收腔体表面涂有高太阳能吸收率和低热辐射率的涂层，石英玻璃窗表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层。
[0009]微波反应器顶部设置搅拌装置，微波反应器入口处设置第一螺旋输送机；微波反应器的可燃气出口连接有第一旋风分离器，生物质气化炉的气体出口设置第二旋风分离器，燃烧反应器的烟气出口与空气预热器之间设置第三旋风分离器；第二旋风分离器的颗粒物出口通过返料器连接生物质气化炉，第一旋风分离器的颗粒物出口和第三旋风分离器的颗粒物出口连接生物质气化炉的进料口，第一旋风分离器、第二旋风分离器和第三旋风分离器的气体出口均设置有引风机。
[0010]水冷壁两端分别连接水冷壁上集箱和水冷壁下集箱，水冷壁下集箱连接给水系统，生物质气化炉底部开设炭出口，燃烧反应器开设第四进料口，炭出口通过第二螺旋输送机连接第四进料口。
[0011]催化重整反应器主体为筒状，催化重整反应器的气体通道采用具有外翅片强化的金属管，且所述金属管盘旋布置在催化重整反应器内部；催化重整反应器的气体通道中布置有用于合成气催化重整反应的催化剂床层；催化重整反应器中气体流向与储热介质流向相反；催化重整反应器主体材质为耐熔盐腐蚀的奥氏体不锈钢。
[0012]活性炭制备装置为回转窑反应器。
[0013]所述CO2分离装置为变压吸附提纯装置或膜分离装置；采用活性炭制备装置中制备的活性炭作为变压吸附提纯装置中的吸附剂。
[0014]所述催化重整反应器中的催化剂为负载过渡金属或其氧化物的碳基催化剂，碳基载体为活性炭制备装置中制备的活性炭。
[0015]另一方面，提供一种太阳能耦合生物质能的热氢联产方法，生物质原料在微波加热烘焙后，固态产物一部分用于制备活性炭，固态产物另一部分在水蒸气作用下进行生物质气化反应，产生气化合成气；生物质气化反应时加入C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太阳能耦合生物质能的热氢联产系统，其特征在于，包括活性炭制备装置(1)、微波反应器(5)、生物质气化炉(11)、燃烧反应器(15)、空气预热器(18)、催化重整反应器(19)、光热介质储能系统和CO2分离装置(23)；微波反应器(5)的生物质出口(2)分别连接生物质气化炉(11)和活性炭制备装置(1)的进料口，生物质气化炉(11)的炭出口(31)连接燃烧反应器(15)，生物质气化炉(11)和燃烧反应器(15)均设置有水冷壁和水冷壁集箱，微波反应器(5)和生物质气化炉(11)的气体出口以及燃烧反应器(15)的水冷壁集箱的水蒸气出口连接催化重整反应器(19)的气体入口，催化重整反应器(19)的气体出口连接CO2分离装置(23)，CO2分离装置(23)连接有CO2储罐(24)和H2储罐(25)；燃烧反应器(15)的烟气出口设置空气预热器(18)，空气预热器(18)的高温空气出口连接燃烧反应器(15)的空气入口(27)和热用户；光热介质储能系统的储热介质出入口连接催化重整反应器(19)的储热介质进出口；光热介质储能系统的储热介质出口连接活性炭制备装置(1)的储热介质入口；生物质气化炉(11)的进料口作为CaO及金属氧载体的入口；生物质气化炉(11)的水冷壁集箱的水蒸气出口分别连接生物质气化炉(11)和活性炭制备装置(1)的蒸汽入口。2.根据权利要求1所述的太阳能耦合生物质能的热氢联产系统，其特征在于，光热介质储能系统包括依次连接的低温介质储罐、太阳能光热装置以及高温介质储罐，低温介质储罐的入口作为光热介质储能系统的储热介质入口，高温介质储罐的出口作为光热介质储能系统的储热介质出口，太阳能光热装置采用塔式太阳能光热装置、槽式太阳能光热装置或盘式太阳能光热装置；所述储热介质为碱金属熔盐。3.根据权利要求2所述的太阳能耦合生物质能的热氢联产系统，其特征在于，太阳能光热装置采用太阳能反应器(21)，太阳能反应器(21)中部为吸收腔体(215)，吸收腔体(215)为开口状，吸收腔体(215)外部设置有储热介质加热腔；吸收腔体(215)的开口侧设置石英玻璃窗(213)，吸收腔体(215)表面涂有高太阳能吸收率和低热辐射率的涂层，石英玻璃窗(213)表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层。4.根据权利要求1所述的太阳能耦合生物质能的热氢联产系统，其特征在于，微波反应器(5)顶部设置搅拌装置，微波反应器(5)入口处设置第一螺旋输送机(3)；微波反应器(5)的可燃气出口(6)连接有第一旋风分离器(7)，生物质气化炉(11)的气体出口设置第二旋风分离器(12)，燃烧反应器(15)的烟气出口与空气预热器之间设置第三旋风分离器(16)；第二旋风分离器(12)的颗粒物出口通过返料器连接生物质气化炉(11)，第一旋风分离器(7)的颗粒物出口和第三旋风分离器(16)的颗粒物出口连接生物质气化炉(11)的进料口，第一旋风分离器(7)、第二旋风分离器(12)和第三旋风分离器(16)的气体出口均设置有引风机。5.根据权利要求1所述的太阳能耦合生物质能的热氢联产系统，其特征在于，水冷壁两端分别连接水冷壁上集箱和水冷壁下集箱，水冷壁下集箱连接给水系统，生物质气化炉(11)底部开设炭出口(31)，燃烧反应器(15)开设第四进料口(28)，炭出口(31)通过第二螺旋输送机(30)连接第四进料口(28)。6.根据权利要求1所述的太阳能耦合生物质能的热氢联产系统，其特征在于，催化重整反应器(19)主体为...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹立，赵钦新，邓世丰，董凯，邵怀爽，梁志远，高云龙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：