专利名称：从生物质制取富氢气体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从生物质制取富氢气体的方法和装置，特别是生物质热裂解制取富氢气体的方法和装置。
背景技术：
目前公知的制取氢气的方法有(1)电解水制氢；(2)由石油、天然气裂解和重整制取富氢气体，然后进一步提纯为氢气；(3)由煤炭气化后经变换反应制取富氢气体，然后进一步提纯为氢气。
氢作为一种二次能源，其利用过程是非常清洁的。世界各国已经意识到氢能在矿物燃料能源枯竭后作为后续能源的重要性，因此重视氢能技术的开发。一个完整的氢能系统包括氢的制取、氢的储存和氢能转换过程。通过各国科学家的努力，已经在储氢和氢能转换即燃料电池技术上取得了很大发展。但目前公知的上述三种制取氢气的方法都依赖于常规的矿物能源而不能永续使用，并且在制取氢气时或之前已经排放了二氧化碳等对环境有害的气体。
生物质是资源丰富的可再生能源，又是一种二氧化碳零排放的洁净能源。从生物质制取氢气可以使氢能技术真正达到对环境友好和永续使用的目的，同时可以使各种生物质资源得到有效的利用。
本发明的目的是建立一种通过二次热裂解从生物质制取富氢气体的方法，所制取的富氢气体可直接用于需要富氢燃料气和化工原料气的场合，或可进一步提纯为氢气。
发明内容
本发明采用的技术方案是由低温裂解反应器和高温裂解反应器相连接的二次热裂解系统。颗粒状生物质原料加入到低温裂解反应器中，通入一定量水蒸气，移动和间接加热，在隔绝空气的条件下加热到500～800℃，使生物质发生热裂解，生成气体产物和不被热解的残炭，在低温裂解反应器出口处将残炭移出。将低温裂解反应的气体产物送入高温裂解反应器，间接加热到1000～1200℃，并停留至少3秒钟，得到含氢量为30～容积成分的富氢气体。将高温富氢气体返回到低温裂解反应器，提供低温裂解所需的热量并使高温富氢气体冷却。
本发明的由生物质原料制取富氢气体的方法包括以下两个热裂解过程1.低温热裂解将固体生物质颗粒加入低温裂解反应器，通入水蒸气，在隔绝空气的条件下加热到500～800℃，使复杂结构的生物质发生热裂解，产生气体产物和不被裂解的残炭。气体产物中包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷，还有较大分子的碳氢化合物即气态焦油。水蒸气与生物质中的碳发生反应，生成氢气和一氧化碳、二氧化碳，从而增加了裂解后气体产物的体积并且提高了气体产物中的氢含量。
2.高温热裂解将低温裂解反应器产生的气体产物送入高温裂解器，间接加热到1000～1200℃，并停留至少3秒钟，使气态焦油再一次发生热裂解，转变为氢气和碳。从而增加了气体中的氢含量并使生物质中的氢元素得到充分转换。最终得到含氢量为30～60％容积成分的富氢气体。
为了实现上述方法，本发明采用了由低温裂解反应器(3)高温裂解反应器(18)组成的生物质制取富氢气体装置。在低温裂解反应器(3)中，生物质被加热裂解生成气体产物。该气体产物经低温裂解反应器出气口(5)与高温裂解反应器进气口(15)相连的管道进入高温裂解反应器(18)中，再次被高温裂解，生成高温富氢气体。该高温富氢气体又经与高温裂解反应器出气口(17)和低温裂解反应器(3)上的换热器进气口(6)相连的管道返回低温裂解反应器(3)，对生物质原料进行加热。低温裂解反应器(3)一端上部设有加料器(1)，为了使低温裂解隔绝空气，在加料器(1)和低温裂解反应器(3)之间设有密封回转阀(2)；低温裂解反应器(3)另一端下部设有残炭排出口(13)，在低温裂解反应器(3)和残炭排出口(13)之间设有密封回转阀(14)以便排炭时不进入空气。为了使生物质在低温裂解反应器(3)中移动和充分加热，低温裂解反应器(3)内设有空心轴螺旋推进器(8)，空心轴螺旋推进器(8)的一端穿过换热器出气室(10)与减速电机(19)相联接，工作时在减速电机(19)的带动下旋转。低温裂解反应器(3)的与加料器(1)同一端的端部设有换热器出气室(10)，另一端的端部设有换热器进气室(7)，外侧设有换热器(4)；换热器(4)的两端分别与换热器出气室(10)和换热器进气室(7)相通；空心轴螺旋推进器(8)的一端与换热器进气室(7)相通，另一端在穿过换热器出气室(10)的一段上设有空心轴出气口(11)，与换热器出气室(10)相通；换热器进气室(7)上设有换热器进气口(6)，换热器出气室(10)上设有富氢气体出气口(12)。由高温裂解反应器(18)返回的高温富氢气体进入换热器进气室(7)后分成两路，分别经换热器(4)和空心轴螺旋推进器(8)汇集到换热器出气室(10)，然后经富氢气体出气口(12)排出。低温裂解反应器(3)靠近加料器(1)的一端侧壁设有与之相通的水蒸气进口(9)，以便向低温裂解反应器(3)内送入水蒸气；另一端侧壁设有与之相通的低温裂解反应器出气口(5)。高温裂解反应器外侧设置有加热器(16)，一端设有高温裂解反应器进气口(15)，另一端设有高温裂解反应器出气口(17)。
本发明的有益效果是从生物质制取富氢气体，可以利用丰富的各种生物质资源，使将来的氢能技术达到对环境友好和永续使用的目的；用螺旋推进器使原料在反应中移动，具有较广泛的原料适应性；按照温度梯次，充分利用高温富氢气体显热，节约了能源。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图是本发明的装置结构示意图。
图中1.加料器，2.密封回转阀，3.低温裂解反应器，4.换热器，5.低温裂解反应器出气口，6.换热器进气口，7.换热器进气室，8.空心轴螺旋推进器，9.水蒸气进口，10.换热器出气室，11.空心轴出气口，12.富氢气体出气口，13.残炭排出口，14密封回转阀，15.高温裂解反应器进气口，16.加热器，17.高温裂解反应器出气口，18.高温裂解反应器，19.减速电机。
具体实施方法本发明针对不同的生物质原料，采用不同的一次和二次裂解温度以获取高含量的富氢气体。通过加料器和密封回转阀将生物质原料送入低温裂解反应器，通入一定流量的水蒸气。空心轴螺旋推进器在电机减速驱动下旋转，生物质原料在反应器中向另一端移动，在移动中被换热器和空心轴螺旋推进器间接加热，加热温度为500～800℃，使生物质原料发生热裂解，产生气体产物和不被裂解的残炭，未被裂解的残炭从残炭排出口排出。将气体产物从出气口导出送入高温裂解反应器中，被高温裂解反应器加热器加热到1000～1200℃，停留时间为3秒以上，该气体产物中气态焦油被裂解，得到含氢为30～60％的高温富氢气体。该高温富氢气体经高温裂解反应器出气口和换热器进气口相连管道返回低温裂解反应器，经换热器进气室进入换热器和空心轴，并对生物质原料进行间接加热。降温后的富氢气体聚集到换热器出气室，并从富氢气体出气口排出。
在以下实施例中，低温裂解反应器和高温裂解反应器都为圆柱形，空心轴螺旋推进器装于水平放置的低温裂解反应器中，换热器与低温裂解反应器壳体在截面上为同心圆并有一个共同的金属壁，高温裂解反应器外侧的加热器为电加热器，受热金属全部采用耐高温钢材制作。
实施例1用锯末为原料，在低温裂解反应器中通入质量流量为加入锯末量的20％，温度为300℃的水蒸气。低温裂解反应器加热温度为500℃，高温裂解反应器加热温度为1000℃，停留时间为3秒。得到含氢为30.3％的高温富氢气体。
实施例2用锯末为原料，在低温裂解反应器中通入质量流量为加入锯末量的20％，温度为300℃的水蒸气。低温裂解反应器加热温度为650℃；高温裂解反应器加热温度为1100℃，停留时间为10秒。得到含氢为44％的高温富氢气体。
实施例3用锯末为原料，在低温裂解反应器中通入质量流量为加入锯末量的20％，温度为300℃的水蒸气。低温裂解反应器加热温度为800℃；高温裂解反应器加热温度为1200℃，停留时间为10秒。得到含氢为56％的高温富氢气体。
实施例4用玉米秸为原料，在低温裂解反应器中通入质量流量为加入玉米秸量的15％，温度为300℃的水蒸气。低温裂解反应器加热温度为650℃；高温裂解反应器加热温度为1100℃，停留时间为10秒。得到含氢为46％的高温富氢气体。
实施例5用玉米秸为原料，在低温裂解反应器中通入质量流量为加入玉米秸量的15％，温度为300℃的水蒸气。低温裂解反应器加热温度为800℃；高温裂解反应器加热温度为1200℃，停留时间为10秒。得到含氢为54％的高温富氢气体。
权利要求
1.一种从生物质制取富氢气体的方法，其特征在于包括以下步骤(1)将颗粒状生物质送入低温裂解反应器内，通入水蒸气，移动和间接加热，在隔绝空气的条件下加热到500～800℃，使生物质发生热裂解，生成气体产物和不被裂解的残炭，在低温裂解反应器残炭排出口处将残炭移出。(2)将低温裂解反应生成的气体产物送入高温裂解反应器内，间接加热到1000～1200℃，并停留至少3秒钟，使该气体产物中的气态焦油再一次产生热裂解，而得到高温富氢气体。(3)将高温裂解反应产生的高温富氢气体导出返回低温裂解反应器，提供低温裂解所需热量并使高温富氢气体冷却。
2.一种从生物质制取富氢气体的装置，具有低温裂解反应器(3)和高温裂解反应器(18)，其特征在于低温裂解反应器(3)的出气口(5)与高温裂解反应器(18)的高温裂解反应器进气口(15)相连，高温裂解反应器出气口(18)与低温裂解反应器的换热器进气口(6)相连；低温裂解反应器(3)内设有空心轴螺旋推进器(8)，空心轴螺旋推进器(8)穿过换热器出气室(10)与减速电机(19)相联接；低温裂解反应器(3)一端的上部设有加料器(1)和密封回转阀(2)，另一端的下部设有残炭排出口(13)和密封回转阀(14)；低温裂解反应器(3)的与加料器(1)同一端的端部设有换热器出气室(10)，另一端的端部设有换热器进气室(7)，外侧设有换热器(4)；换热器(4)的两端分别与换热器出气室(10)和换热器进气室(7)相通；空心轴螺旋推进器(8)的一端与换热器进气室(7)相通，另一端在穿过换热器出气室(10)的一段上设有空心轴出气口(11)，与换热器出气室(10)相通；换热器进气室(7)上设有换热器进气口(6)，换热器出气室(10)上设有富氢气体出气口(12)；低温裂解反应器(3)靠近加料器(1)的一端侧壁设有与之相通的水蒸气进口(9)，另一端侧壁设有与之相通的低温裂解反应器出气口(5)；高温裂解反应器外侧设置有加热器(16)，一端设有高温裂解反应器进气口(15)，另一端设有高温裂解反应器出气口(18)。
3.根据权利要求2所述的从生物质制取富氢气体的装置，其特征在于低温裂解反应器(3)与加料器(1)之间设有密封回转阀(2)。
4.根据权利要求2所述的从生物质制取富氢气体的装置，其特征在于低温裂解反应器(3)与残炭排出口(13)之间设有密封回转阀(14)。
全文摘要
本发明涉及从生物质制取富氢气体的方法和装置。生物质在低温裂解反应器中隔绝空气，通入水蒸气，移动并间接加热到500～800℃，热裂解发生的气体产物送入高温裂解反应器，再加热到1000～1200℃得到高温富氢气体，将其返回到低温裂解反应器内对生物质加热。高温裂解反应器外部设有加热器。低温裂解反应器外侧设有换热器，内置空心轴螺旋推进器，其一端设有加料器、密封回转阀、水蒸气进口、换热器出气室、富氢气体出气口，另一端设有出气口、换热器进气室、密封回转阀、残炭排出口。本发明可获取含氢量为30～60％的富氢气体，用作燃料气、原料气或进一步提纯为氢气。
文档编号C10B53/02GK1566265SQ0311246
公开日2005年1月19日 申请日期2003年7月2日 优先权日2003年7月2日
发明者孙立, 许敏, 孙荣峰 申请人:山东省科学院能源研究所