專利名稱：一種生物質(zhì)水蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)化工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物質(zhì)水蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
生物質(zhì)低溫?zé)峤馐侵冈跓峤鉁囟?00°C以上，通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)大分子(木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等)分解成小分子燃料物質(zhì)(焦炭、可燃?xì)怏w和生物質(zhì)焦油)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)。熱解是生物質(zhì)燃燒和氣化必不可少的初始階段。其類型按熱解溫度可分為400 650°C的低溫?zé)峤猓?50 850°C的中溫?zé)峤夂?50 1100°C的高溫?zé)峤馊N。在熱 解過程中，由于熱量是先由熱源傳遞到物料表面，再由物料表面?zhèn)鬟f到物料內(nèi)部，因而生物質(zhì)的熱解過程是由外至內(nèi)逐層進(jìn)行，最終得到生物質(zhì)焦油、可燃?xì)怏w和焦炭。生物質(zhì)熱解的燃料能源轉(zhuǎn)化率一般在90%以上，可最大限度地將生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品。目前，我國(guó)使用的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，主要包括固定床、流化床和直接干餾三種工藝形式。固定床氣化一般采用空氣作氣化劑，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、投資少；但是用空氣作氣化劑得到的生物質(zhì)燃?xì)庵蠳2、02含量高，熱值低(約5000kJ/Nm3)，且可燃?xì)怏w中焦油含量高，易堵塞管路。流化床熱解則多數(shù)采用固體熱載體(加熱砂子)或氣體熱載體為熱解過程提供熱量；生物質(zhì)顆粒和熱載體間主要依靠氣體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的曳力進(jìn)行碰撞和混合，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)量交換和熱量交換。其優(yōu)點(diǎn)是流化床內(nèi)不含運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，處理量大；但是流化氣的引入也提高了系統(tǒng)的運(yùn)行能耗成本，增加了氣體產(chǎn)物中的粉塵含量。而在普通生物質(zhì)直接干餾中，也存在物料加熱速率慢，受熱不均勻，熱效率低等缺點(diǎn)。一方面，由于生物質(zhì)焦油是高含氧量的碳?xì)浠衔?，長(zhǎng)時(shí)間貯存會(huì)發(fā)生相分離、沉淀，具有強(qiáng)腐蝕性，因而在物理、化學(xué)性質(zhì)上都存在不穩(wěn)定因素。另一方面，生物質(zhì)原料的揮發(fā)分高、固定碳含量低，容重小，不利于氣化。由于生物質(zhì)中富含氫，可通過裂解、自熱重整、蒸汽重整等制氫工藝生產(chǎn)H2,但是在生物質(zhì)水蒸汽催化熱解氣化制H2工藝中，又存在傳熱傳質(zhì)速率低，催化劑顆粒表面積炭嚴(yán)重，失活快，大量CO2生成抑制了制H2反應(yīng)，降低了生物質(zhì)的制H2效率?？梢妼で笮碌纳镔|(zhì)能源高效利用技術(shù)，以充分提取生物質(zhì)原料中的有效成分，提高現(xiàn)有生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率是目前生物質(zhì)利用研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)制取活性炭和氫氣是生物質(zhì)能源綜合利用的有效途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)中存在的部分問題，開發(fā)生物質(zhì)特別是可再生木質(zhì)纖維素生物質(zhì)能源，提供一種生物質(zhì)水蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
—種生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)，包括生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元I，水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?，高溫旋風(fēng)分離單元3，蒸汽催化重整單元4，氫氣冷卻凈化分離單元5 ;其中，所述生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元I依次連接水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?，高溫旋風(fēng)分離單元3，蒸汽催化重整單元4，氫氣冷卻凈化分離單元5，所述生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元I的氣體出口與高溫旋風(fēng)分離單元3連接。所述生物質(zhì)原料預(yù)處理干燥單元I設(shè)有多層傾斜的多孔導(dǎo)向隔板。所述導(dǎo)向隔板開孔率為20-30%，孔徑為1. 5-3. 0mm。所述導(dǎo)向隔板與生物質(zhì)原料預(yù)處理干燥單 元I豎直平面的夾角為20° -40°，相鄰傾斜導(dǎo)向隔板的方向相反。所述水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?設(shè)有多孔氣體分布板，氣體分布板的開孔率為5-15%，孔徑為0. 5-1. 5_。所述的蒸汽催化重整單元4包括管式加熱爐裝置和高溫空氣燃燒器，由高溫空氣燃燒器在爐管外燃燒提供催化重整反應(yīng)的熱量。根據(jù)生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)所用的方法，所述生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元I采用熱解氣和水蒸汽的混合氣作為熱載體和流化介質(zhì)。在水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?采用水蒸汽作為熱載體、流化介質(zhì)和半焦化劑。將催化劑置于所述管式加熱爐裝置的爐管內(nèi)，使得熱解氣和蒸汽的混合氣體流經(jīng)爐管時(shí)，在催化劑的作用下發(fā)生催化重整反應(yīng)。該系統(tǒng)生產(chǎn)活性炭和氫氣的具體工藝過程如下(I)將生物質(zhì)原料破碎到一定粒度(粒徑范圍5. 0 20mm)后，送入生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元內(nèi)預(yù)處理；生物質(zhì)原料通過多孔導(dǎo)向隔板與流經(jīng)導(dǎo)向隔板的熱解氣體和水蒸汽的混合氣體逆流接觸、換熱并被干燥。(2)干燥后的物料進(jìn)入水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?，并均勻分布在多孔氣體分布板上，水蒸汽經(jīng)多孔板均勻布?xì)獠⑸镔|(zhì)顆粒流化加熱。由于水蒸汽的熱容大，均勻分散在生物質(zhì)顆粒間的孔隙里，使生物質(zhì)顆粒的升溫速率加快，迅速熱解。水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧S持微正壓操作，進(jìn)入水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧獌?nèi)的水蒸汽溫度為550 650°C，物料在水蒸汽低溫?zé)峤馐覂?nèi)停留30 90min，可保證水蒸汽將焦炭充分活化。生物質(zhì)顆粒的流化速度為臨界流化速度Umf的I 3倍。在水蒸汽氣氛下生物質(zhì)的低溫?zé)峤獬镔|(zhì)自身的熱解反應(yīng)外，還可能存在以下反應(yīng)生物質(zhì)與水蒸汽發(fā)生的氣化反應(yīng)C+H20 — C0+H2當(dāng)水蒸汽過量時(shí)，發(fā)生CCHH2O — C02+H2在低溫條件下生物質(zhì)與水蒸汽發(fā)生雙水反應(yīng)，C+2H20 — C02+2H2(3)高溫?zé)峤鈿怏w(含水蒸汽)通過生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元后，熱解氣體中的部分粉塵和焦油沉淀在生物質(zhì)物料表面，經(jīng)高溫旋風(fēng)分離元除塵后，進(jìn)入蒸汽催化重整單元。(4)熱解氣體蒸汽催化重整單元采用管式加熱爐裝置。將鎳基催化劑放置于管式加熱爐爐管內(nèi)，用蓄熱式高溫空氣燃燒器為熱解氣體蒸汽重整提供熱量。熱解氣體(含水蒸汽)在鎳基催化劑作用下在蒸汽重整室內(nèi)發(fā)生催化重整反應(yīng)，小分子烴類及含氧有機(jī)物繼續(xù)裂解成ch4、h2、CO2和CO等小分子氣體，蒸汽重整過程的氫產(chǎn)率高，溫室氣體排放量少。在500 850°C重整溫度下，小分子烴類和含氧有機(jī)物可與水蒸汽發(fā)生如下重整反應(yīng)，2CnHm+2nH20 ^ nC02+ (n+m/2) CH4CH4+2H20 — C02+4H2(5)富氫氣體經(jīng)氫氣冷卻凈化分離單元冷凝后送至后續(xù)工段分離氫氣。本發(fā)明提供的有益效果生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)和方法將生物質(zhì)物料干燥、水蒸汽低溫?zé)峤?、焦炭蒸汽活化和熱解氣體與水蒸汽催化重整整合在一起，不僅提高了熱解過程中的熱利用率，降低了后續(xù)工段熱解空氣中的粉塵和焦油含量，并且簡(jiǎn)化了活性炭和氫氣的生產(chǎn)工藝，投資省，能耗低。


圖1為本發(fā)明生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣系統(tǒng)的工藝流程圖
具體實(shí)施例方式為更好的說明本發(fā)明，下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。參照?qǐng)D1，本實(shí)施例以樹皮、莖狀農(nóng)作物和鋸木等為原料的生物質(zhì)低溫水蒸汽熱解制備活性炭和氫氣為例，原料的處理量為0. 5t/h，粒徑為5. 0 10. Omm,收到基水分含量為15. 0%。
具體實(shí)施方式
包括以下次序的工藝步驟(I)將粒徑為5. 0 10. Omm的生物質(zhì)原料送入生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元I ;物料沿生物質(zhì)預(yù)處理干燥室的導(dǎo)向多孔隔板向下移動(dòng)，與通過導(dǎo)向隔板的熱解氣體和水蒸汽的混合物逆流接觸、換熱并干燥。導(dǎo)向隔板開孔率為20. 0%，孔徑為1. 5mm ；(2)干燥后的物料進(jìn)入水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?，并均勻分布在水蒸汽低溫?zé)峤馐?的多孔氣體分布板上，多孔板開孔率為5. 0%，孔徑為0. 5mm。溫度為550°C的水蒸汽熱載體通過多孔板，將生物質(zhì)顆粒流化并加熱。顆粒的流化速度為其臨界流化速度的2倍；由于水蒸汽的熱容大，當(dāng)其分散在顆粒孔隙時(shí)，可使顆粒升溫速率增大，迅速熱解。生物質(zhì)在熱解單元內(nèi)的停留時(shí)間為60min。(3)高溫?zé)峤鈿怏w(含水蒸汽)通過生物質(zhì)原料預(yù)處理干燥單元I后，熱解氣體中的部分粉塵和焦油沉積在生物質(zhì)表面，熱解氣體再經(jīng)高溫旋風(fēng)分離單元3除塵后，進(jìn)入蒸汽催化重整單元4。(4)將鎳基催化劑置于蒸汽催化重整單元4的爐管內(nèi)，在溫度為750°C的水蒸汽存在條件下，熱解氣體中的小分子烴類及含氧有機(jī)物在鎳基催化劑作用下在蒸汽催化重整單元4內(nèi)發(fā)生催化重整反應(yīng)，裂解成CH4、H2、CO2和CO等小分子氣體。(5)富氫氣體混合物經(jīng)氫氣冷卻凈化分離單元5冷凝除塵后送至后續(xù)工序分離氫氣。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及進(jìn)步(I)將生物質(zhì)的干燥、水蒸汽低溫?zé)峤狻⒔固克羝罨a(chǎn)活性炭和熱解氣體與水蒸汽的催化重整反應(yīng)整合在一起，利用熱解氣體與水蒸汽的混合氣體對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行干燥預(yù)處理，可提高熱解過程的熱利用率；另外，熱解氣體在流經(jīng)干燥室的過程中可沉積部分焦油、雜質(zhì)和灰分，可降低后續(xù)工段熱解氣體中的粉塵和焦油含量；(2)使用管式加熱爐，熱解氣體經(jīng)催化重整后可得到高熱值、強(qiáng)還原性的富氫氣體；(3)用水蒸汽作為熱載體和活性炭制備的活化劑，可一步法生產(chǎn)高比表面積的活性炭，省去了傳統(tǒng)活性炭制備過程中的CO2活化步驟，簡(jiǎn)化了活性炭的生產(chǎn)工藝；(4)與傳統(tǒng)制氫氣工藝相比,該方法生產(chǎn)氫氣的投資省,能耗低。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)，其特征在于，包括生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元(1)，水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?2)，高溫旋風(fēng)分離單元(3)，蒸汽催化重整單元(4)，氫氣冷卻凈化分離單元(5);其中，所述生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元(I)依次連接水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?2)，高溫旋風(fēng)分離單元(3)，蒸汽催化重整單元(4)，氫氣冷卻凈化分離單元(5)，所述生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元(I)的氣體出口與高溫旋風(fēng)分離單元(3)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物質(zhì)原料預(yù)處理干燥單元(I)設(shè)有多層傾斜的多孔導(dǎo)向隔板。
3.根據(jù)權(quán)利要2所述的生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)向隔板開孔率為20-30%，孔徑為1. 5-3. 0mm。
4.根據(jù)權(quán)利要2所述的生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)向隔板與生物質(zhì)原料預(yù)處理干燥單元(I)豎直平面的夾角為20° -40°，相鄰傾斜導(dǎo)向隔板的方向相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?2)設(shè)有多孔氣體分布板，氣體分布板的開孔率為5-15%，孔徑為 O. 5-1. 5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述的蒸汽催化重整單元(4)包括管式加熱爐裝置和高溫空氣燃燒器，由高溫空氣燃燒器在爐管外燃燒提供催化重整反應(yīng)的熱量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)所用的方法，其特征在于，所述生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元(I)采用熱解氣和水蒸汽的混合氣作為熱載體和流化介質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)所用的方法，其特征在于，所述水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?2)采用水蒸汽作為熱載體、流化介質(zhì)和半焦化劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)所用的方法，其特征在于，將催化劑置于所述管式加熱爐裝置的爐管內(nèi)，使得熱解氣和蒸汽的混合氣體流經(jīng)爐管時(shí)，在催化劑的作用下發(fā)生催化重整反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生物質(zhì)蒸汽低溫?zé)峤馍a(chǎn)活性炭和氫氣的系統(tǒng)，包括生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元(1)，水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?2)，高溫旋風(fēng)分離單元(3)，蒸汽催化重整單元(4)，氫氣冷卻凈化分離單元(5)；其中，所述生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元(1)依次連接水蒸汽低溫?zé)峤鈫卧?2)，高溫旋風(fēng)分離單元(3)，蒸汽催化重整單元(4)，氫氣冷卻凈化分離單元(5)，所述生物質(zhì)預(yù)處理干燥單元(1)的氣體出口與高溫旋風(fēng)分離單元(3)連接。該系統(tǒng)將生物質(zhì)物料干燥、水蒸汽低溫?zé)峤?、焦炭蒸汽活化和熱解氣體與水蒸汽催化重整整合在一起，不僅提高了熱解過程中的熱利用率，降低了后續(xù)工段熱解空氣中的粉塵和焦油含量，并且簡(jiǎn)化了活性炭和氫氣的生產(chǎn)工藝，投資省，能耗低。
文檔編號(hào)C10J3/60GK103011157SQ20121055181
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者李愛蓉, 吳道洪, 王其成 申請(qǐng)人:北京神霧環(huán)境能源科技集團(tuán)股份有限公司