一种风光互补发电热解催化生物质合成天然气的方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能、风能储存和生物质清洁利用以及有机垃圾处理处置方 法。本发明通过电能转换系统将太阳能、风能转换为电能，再将所述的电能用于生物质和有 机垃圾热解气化及电解水，通过催化使生物质和有机垃圾气化所得到的气体转化为合成天 然气，用于城镇、农村社区能源供应。
【背景技术】
[0002] 随着全球人口的高速增加及世界经济的发展，煤和石油等石化能源的消耗迅猛 增加，能源的枯竭迫在眉睫，同时石化能源的大量消耗还引发了空气与水体污染，植被 破坏，森林减少，水土流失，土壤沙化，温室效应等一系列环境污染问题，已引起了世 界各国的严重关注。加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由 之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。
[0003] 太阳能和风能都是一种取之不尽，用之不竭的优质、廉价、卫生的可再生能源，且 资源丰富，无地域限制，既可免费使用，又无开采运转，具有显著的能源、经济、生态和社会 效益。同时，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，白天光照强时风小，夜间 光照弱时，风能由于地表温差变化大而增强。运用太阳能和风能是解决能源问题的根本和 长期的途径。但是，传统的能源可以根据需要调节供应，而太阳能和风能是间歇性的而且不 能随需要来控制。要有效地运用太阳能和风能，能量储存是必须的，但是目前将太阳能和风 能储存于电池和电解水制氢气效率低下，大规模长期储存能量非常昂贵。
[0004] 生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。生 物质能则是以生物质为载体的一种可再生能源。生物质能的利用主要分为直接利用与间接 (转化）利用。其中，生物质能的转化利用主要包括了热化学转化利用和生物化学转化利 用。生物质能的热化学转化利用主要包括直接燃烧、热解、气化和液化等。生物质气化是在 高温条件下，生物质与气化剂(空气、氧气和水蒸汽)反应得到小分子可燃气体的过程。此过 程的实质是生物质中的C、H、0等元素的原子，在反应条件下按照化学键的成键原理，变成 CO、CH4、H2等可燃性气体的分子。气化的关键问题是将生物质中可转化的物质最大限度的 转化为热值尽可能高的气体。生物质气化是一个强吸热过程，气化的产品主要是氢气和一 氧化碳，容易储存，也易于转化。气化技术提供了清洁的可再生能源，将分散的生物质转化 为可用于各种场合的高质量的燃料和电能，适用范围广、规模灵活、经济上可行。然而，生物 质气化技术在应用中也面临着不少急待解决的问题。例如焦油含量偏高，气化效率偏低，产 率偏低，燃气中可燃气体浓度低，气化系统运行的稳定性差，生物质可燃气品质不易控制， 对原料种类、颗粒尺寸的适应性差等。
[0005] 另一方面，随着城镇化和新农村的建设，农村产生的农林废弃物的处置处理量越 来越大，尤其是非降解的有机垃圾如电子产品，废旧轮胎等的对方必然占地，而填埋会引起 未来地下水污染。因此，对生物质和有机垃圾的处置是城镇化过程急需解决的重要问题。
[0006] 天然气是一种高热值易输运的洁净燃料，在各国一次能源消费中比例越来越高， 预计到2020年我国对天然气的需求缺口可能达到1000亿立方米。面对天然气日益增长 的需求量及持续攀升的价格，利用清洁可再生的生物质制备天然气逐渐受到关注。尤其是 开发可经受多种杂质成分的甲烷化催化剂及工艺技术是今后的重要研宄方向。林农废弃物 和有机垃圾通过气化，生成含有甲烷的合成气，再经过净化处理，调节气化产物中的H 2/C0 比，使得其适合于加氢反应，再进一步甲烷化，得到所需要的生物质合成天然气，不但能够 实现林农废弃物和有机垃圾的能源化、资源化利用，而且能够缓解当前人类由于大量使用 化石燃料而面临的能源危机和环境危机。
【发明内容】
[0007] 针对上述现有技术中存在的问题与缺陷，本发明的目的在于提供风光互补发电热 解催化生物质合成天然气的方法，通过电能转换系统将太阳能、风能转换为电能，再将所述 的电能用于生物质气化和电解水，而电解水得到的产物氧气和氢气分别作为生物质气化剂 和甲烷合成气，通过催化使生物质气体转化为合成天然气，使生物质能、太阳能和风能以合 成天然气的形式储存和利用。
[0008] 实现上述发明目的所采用的技术方案是：一种风光互补发电热解催化生物质合成 天然气的方法，其特征在于，包括下列步骤： 1 )首先利用风光互补发电系统把可再生能源风能、太阳能转化为电能； 2) 上述电能一部分用于对水进行电解，其产物为氧气和氢气； 3) 上述电能的另一部分和水电解产物氧气用于对生物质和有机垃圾进行热解和气 化； 4) 经过步骤3)的热解和气化后得到的气态生成物经过冷却分离后得到可燃性气体和 液体； 5) 上述可燃性气体与水电解产物氢气经过催化甲烷化，压缩分离后得到直接利用的 天然气。
[0009] 所述的气化是采用高温热解气化、电炉气化、等离子体气化或微波气化中的任一 种。
[0010] 所述催化甲烷化采用的催化剂是过渡金属催化剂，优选铁和镍基催化剂。
[0011] 所述催化剂的制备方法采用浸渍法、共沉淀、机械挤条方法中的任一种。
[0012] 所述催化甲烷化过程采用固定床或者流化床反应器进行。
[0013] 本发明还有一个目的是上述风光互补发电热解催化生物质合成天然气的装置，包 括风力发电系统、太阳能光伏发电系统、风光互补控制器、热解反应器、电加热系统、电解水 系统、螺旋输送装置、生物质进料斗、电机、炭粉收集箱、旋风除尘器、冷却分离系统、净化系 统、催化系统、油液分离系统、木焦油储存罐、木醋液储存罐、储气罐。所述风力发电系统和 太阳能光伏发电系统分别通过正负极导线与风光互补控制器输入端连接，所述风光互补控 制器的正负极输出端分别与电解水系统中的阳极和阴极连接，从电解水系统的阳极出来的 氧气通过管道与热解反应器连通，所述热解反应器的一端上边设置有生物质进料斗，中间 设有螺旋输送装置，所述螺旋输送装置一端与电机的动力轴连接，所述热解反应器的中间 设有热反应器，所述的热反应器内设有电加热系统，所述电加热系统的电源由风光互补控 制器提供，所述热解反应器的另一端下边设置炭粉收集箱，上边通过管道与旋风除尘器连 通，旋风除尘器连通旋风除尘器的顶部通过管道与冷却分离系统的入口连通，所述冷却分 离系统的出气口与净化系统的入口连通，从电解水系统的阴极出来的氢气通过管道与催化 系统连通，所述催化系统的出气口与储气罐连通；所述冷却分离系统的下端的出口通过管 道油液分离系统连通，所述油液分离系统下端的出口与木焦油储存罐连通，上端的出口与 木醋液储存罐连通。
[0014] 与现有技术相比较，本发明风光互补发电热解催化生物质合成天然气的方法有益 效果在于： 1) 解决了太阳能、风能稳定性差，储存难； 2) 解决了生物质气化燃气中可燃气体浓度低，可燃气品质不易控制等技术问题； 3) 将生物质能、太阳能和风能以合成天然气的形式储存，并提供一种综合利用太阳能、 风能和生物质能的成本低、性能可靠的可持续能源系统； 4) 采用本发明的方法和装置制备合成天然气的催化剂活性高而稳定，产物甲烷的选择 性高，耐热性能好，特别是纳米铁颗粒催化剂在不同H 2/C0比的条件下甲烷选择性都很高。 可以在水蒸气存在时，把气化产物中的长链烷烃和烯烃转化为甲烷，并且存在的水蒸气不 仅有助于转化长链烷烃，同时也抑制了微量焦油对催化剂的影响。在大量水蒸气存在的情 况下，可以在H 2/C0 < 3时，催化加氢反应，使得甲烷化的转化率和选择性都在90%以上。<