一种高效生物质秸秆制氢方法技术

本发明专利技术公开了一种高效生物质秸秆制氢方法，属于制氢技术领域。该方法对秸秆燃气除尘除焦油除水后，再进入制氢炉中，杜绝设备管道系统被污染，保证氢气的质量；还原阶段所得废气被送入蒸汽发生装置中燃烧为蒸气提供热量，减少了CO2的提纯和捕集设备，减少了空气燃烧阶段，系统所需温度大幅降低，使工艺流程大幅缩短，提高了热量的利用率，使生产成本大幅降低；以水蒸气作为吹扫气，可以避免燃气还原阶段产生的废气混入蒸气还原阶段，以保证氢气产出质量；采用双制氢炉反应器，通过切换阀门实现生物质制氢过程的连续；获得的氢气纯度＞99.97％，符合质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气标准，具有较高的经济效益和投资价值。具有较高的经济效益和投资价值。具有较高的经济效益和投资价值。

【技术实现步骤摘要】
一种高效生物质秸秆制氢方法


[0001]本专利技术属于制氢
，具体涉及一种高效生物质秸秆制氢方法。

技术介绍

[0002]生物质能源与其他清洁能源相比不仅能够提供稳定的能量输出，而且其作为燃料使用是一种碳平衡过程，释放出来的二氧化碳量等于植物生长过程中通过光合作用所吸收的二氧化碳量，二氧化碳的净排放量近似为零，可以有效缓解温室效应。目前生物质资源利用的主要途径是“生物质炭化”和“生物质气化”，生物质炭化制备生物质炭可以广泛应用于活性炭、供热等领域；生物质气化主要生成CO、H2、CO2和CH4等不可冷凝气体。
[0003]人类环保意识增强推动能源利用向着绿色、清洁化的方向发展。氢气利用产物是水，可以真正做到零排放、无污染，被看做是最具应用前景的清洁能源之一，或将成为未来能源使用的终极形式。氢能是一种二次能源不可以直接获得，需要通过制备获得。目前制氢技术主要有传统能源和生物质的热化学重整、水的电解和水的光解。其中化石能源重整是主导，成本低并且已“有利可图”，但不可持续、不环保；电解水制氢虽说污染小，有望成为未来氢气制取的主流方式，但是制氢耗电量高，氢气储运成本较高。
[0004]生物质的热化学重整制氢(催化热解和气化重整制氢)不但无污染，还能解决农村田地废弃秸秆处置问题，制氢成本低，也降低了储运成本。但生物质的热化学法制氢工艺主要存在的问题有：(1)气化产生的H2和CO产量较低；(2)气体中伴有的大量焦油会在低温下冷凝，长时间累积会堵塞工艺下游的管道，从而增加工艺成本；(3)对焦油的重整过程会造成氢气产量减少和能源浪费；(4)使用的催化剂资源有限，价格昂贵；容易失活、再生困难；(5)使用的氢气分离装置PSA变压吸附系统，造价昂贵，运行成本高。
[0005]现有技术公开了一种生物质热解气化
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化学链燃烧制备高纯氢气的装置及方法，主要存在的问题有：(1)无焦油处理装置，系统中混入未转化完全的焦油杂志，所产氢气不纯；(2)固定床反应器的数量为三个，分别处于燃料还原阶段、水蒸气氧化阶段和空气燃烧阶段，系统结构复杂，增加了控制难度；(3)在生物质热解单元热解反应温度为400℃
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900℃化学链制氢单元燃料还原阶段反应温度为700℃
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1100℃，水蒸气氧化阶段反应温度为700℃
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1100℃，空气燃烧阶段反应温度为700℃
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1100℃。如果全部热源都来自于生物质进料速率2kg/h，很显然2kg是提供不了那么多热量的，尽管利用余热锅炉进行热量回收，仍存在热量效率低的问题；(4)洁净热解气与铁基载氧体(Fe2O3)反应，生成CO2和H2O(g)，经冷凝后可获得高纯度的二氧化碳。其中，洁净热解气主要成分为CO、H2、CO2、H2O(g)、CH4和少量的焦油轻组分，与Fe2O3反应后气体主要组分为CO2、H2O(g)、CH4、CO、H2和少量的焦油轻组分，分离提纯CO2经济价值不高；(5)固定床反应器转换时，无干净吹扫气，无法避免燃气还原阶段产生的废气混入蒸气还原阶段，氢气质量存在隐患；(6)氢气单位产量消耗原材料较多，能源利用率低，经济价值不高。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一目的在于提供一种高效生物质秸秆制氢方法，该方法中通过对生物制氢过程中温度的控制，并与筛选出的制氢剂结合处理，不仅保证了低能耗，而且还保证了反应的完整度。
[0007]本专利技术的第二目的在于提供一种高效生物质秸秆制氢方法，该方法中利用生物质秸秆制氢装置的使用，实现了低成本的除尘除焦油除水，而且制备的含氢产物经简单冷凝除水后即可获得高纯氢气，制氢成本大幅度降低，具有较高的经济效益和投资价值。
[0008]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0009]一种高效生物质秸秆制氢方法，包括使用的生物质秸秆制氢装置，所述生物质秸秆制氢装置是由生物质秸秆气化装置、蒸气发生装置、秸秆燃气净化装置、不少于2个制氢装置和氢气净化装置经管道连接而成；
[0010]所述制氢方法包括如下步骤：
[0011]S1、生物质气化：将生物质秸秆颗粒经生物质秸秆气化装置气化处理后，获得主要组分为CO、H2、CO2、CH4、焦油和水蒸气的秸秆燃气；
[0012]S2、水蒸气制备：将部分S1获得的秸秆燃气通入装有锅炉水的蒸气发生装置中进行燃烧供热，产生水蒸气；
[0013]S3、净化燃气制备：将部分S1获得的秸秆燃气经秸秆燃气净化装置净化处理去除灰尘、木焦油和水分后，获得净化燃气；
[0014]S4、氧化制氢阶段：将S2获得的水蒸气分别通入每个制氢装置中，以水蒸气作为氧化剂与制氢剂进行氧化反应，获得氢气、水蒸气和Fe3O4；将氢气和水蒸气混合气体经氢气净化装置处理后获得氢气；
[0015]S5、还原阶段：当每个制氢装置中制氢剂使用完全后，将S3中获得的净化燃气分别通入每个制氢装置中，净化燃气作为还原剂与Fe3O4进行还原反应，获得CO2、H2O(g)、CO、H2、CH4、Fe和FeO；所述CO2、H2O(g)、CO、H2和CH4的混合气体，经蒸气发生装置中的冷凝装置处理后直接进入蒸气发生装置燃烧使用；
[0016]所述S4的氧化制氢阶段和S5的还原阶段，分别在每个所述制氢装置中交替进行；
[0017]所述S4中获得的氢气的浓度不低于99.97％。
[0018]上述每个制氢装置之间通过控制各装置的进气端阀门和尾气端阀门使每个制氢装置可以分别处于还原阶段和氧化阶段，同时通过控制阀门使这两个反应阶段在两个制氢装置中交替进行，连续地产出高纯氢气。
[0019]作为优选地，所述氧化制氢阶段制氢装置的反应温度为400
‑
600℃。
[0020]作为优选地，所述还原阶段制氢装置的反应温度为700
‑
900℃。
[0021]上述制氢的工作原理为：
[0022](1)氧化反应阶段：
[0023]3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2高温(400
‑
600℃)
[0024]3FeO+H2O＝Fe3O4+H2高温(400
‑
600℃)
[0025](2)还原反应阶段：
[0026]Fe3O4+4CO＝3Fe+4CO2高温(700
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900℃)
[0027]Fe3O4+4H2＝3Fe+4H2O高温(700
‑
900℃)
[0028]Fe3O4+Fe＝4FeO高温(700
‑
900℃)
[0029]作为优选地，所述制氢装置采用多管反应器形式连接；
[0030]所述制氢剂为Fe粉、FeO、Fe与FeO混合物、铜粉、镍粉和Al2O3中的一种或多种；
[0031]作为优选地，所述生物质秸秆气化装置包括料斗加料装置(1)和生物质秸秆气化炉(2)，所述料斗加料装置(1)出料口与生物质秸秆气化炉(2)进料口连接；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效生物质秸秆制氢方法，其特征在于，包括使用的生物质秸秆制氢装置，所述生物质秸秆制氢装置是由生物质秸秆气化装置、蒸气发生装置、秸秆燃气净化装置、不少于2个制氢装置和氢气净化装置经管道连接而成；所述制氢方法包括如下步骤：S1、生物质气化：将生物质秸秆颗粒经生物质秸秆气化装置气化处理后，获得主要组分为CO、H2、CO2、CH4、焦油和水蒸气的秸秆燃气；S2、水蒸气制备：将S1获得的秸秆燃气通入装有锅炉水的蒸气发生装置中进行燃烧加热处理后，产生水蒸气；S3、净化燃气制备：将部分S1获得的秸秆燃气经秸秆燃气净化装置净化处理去除灰尘、木焦油和水分后，获得净化燃气；S4、氧化制氢阶段：将S2获得的水蒸气分别通入每个制氢装置中，以水蒸气作为氧化剂与制氢剂进行氧化反应，获得氢气、水蒸气混合气体和Fe3O4；将氢气和水蒸气混合气体经氢气净化装置处理后获得氢气；S5、还原阶段：当每个制氢装置中制氢剂使用完全后，将S3中获得的净化燃气分别通入每个制氢装置中，净化燃气作为还原剂与Fe3O4进行还原反应，获得主要成分为CO2、H2O(g)、CO、H2、CH4气体与部分Fe和FeO；所述CO2、H2O(g)、CO、H2和CH4的混合气体，经蒸气发生装置中的冷凝装置处理后直接进入蒸气发生装置中的生物质燃气蒸气锅炉燃烧使用；所述S4的氧化制氢阶段和S5的还原阶段，分别在每个所述制氢装置中交替进行；所述S4中获得的氢气的浓度不低于99.97％。2.根据权利要求1所述的一种高效生物质秸秆制氢方法，其特征在于，所述氧化制氢阶段制氢装置的反应温度为400
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600℃。3.根据权利要求1所述的一种高效生物质秸秆制氢方法，其特征在于，所述还原阶段制氢装置的反应温度为700
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900℃。4.根据权利要求1所述的一种高效生物质秸秆制氢方法，其特征在于，所述制氢装置采用多管反应器形式连接；所述制氢剂为Fe粉、FeO、Fe与FeO混合物、铜粉、镍粉和Al2O3中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种高效生物质秸秆制氢方法，其特征在于，所述生物质秸秆气化装置包括料斗加料装置(1)和生物质秸秆气化炉(2)，所述料斗加料装置(1)出料口与生物质秸秆气化炉(2)进料口连接；所述蒸气发生装置包括第三气液分离器(28)和生物质燃气蒸气锅炉(30)，所述第三气液分离器(28)出气口与生物质燃气蒸气锅炉(30)燃烧室经净化废燃气管道(29)连接；所述秸秆燃气净化装置包括除尘器(4)、木焦油脱除塔(6)和第一气液分离器(8)，所述除尘器(4)出气口与木焦油脱除塔(6)进气口经1#净化燃气管道(5)连接，所述木焦油脱除塔(6)出气口与第一气液分离器(8)进气口经2#净化燃气管道(7)连接；所述生物质秸秆气化炉...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永阳，刘金波，刘彬，吕文法，王景隆，
申请(专利权)人：赵永阳，
类型：发明
国别省市：