一种基于钙基载碳体的生物质化学链气化制氢装置及方法与流程

本发明涉及一种生物质化学链气化制氢装置及方法，尤其涉及一种基于钙基载碳体的生物质化学链气化制氢装置及方法。
背景技术：
：：2014年IPCC发布的第五次评估报告指出，CO2仍然是最主要的温室气体。以2010年人类经济活动排放的CO2来看，其中电力和供暖占25％，农林及土地利用占24％，工业占21％，交通占14％，建筑行业占6.4％，其他占9.6％。根据大多数情景预测，接下来的几十年里一次性能源的供应仍将以化石燃料为主，而化石燃料燃烧所产生排放的CO2占的比重较大，且也是最为可控的。碳捕捉与存储技术(CCS)是指将CO2从相关燃烧排放源捕获并分离出来，输送到油气田、海洋等地点进行长期(几千年)封存，从而阻止或者显著减少温室气体的排放，以减轻对地球气候的影响，被认为是目前最有效的措施。而其中碳捕集的成本占整个系统的2/3，因而碳捕集技术的研究和发展对于大力发展CCS技术显得至关重要。生物质能被列为第四大能源，有潜力大、可再生、低污染的特征。中国理论生物质能资源约为50亿吨/年。现阶段可供利用开发的资源主要为农业生物资源，林业生物资源，畜禽粪便，生活污水和工业有机废水，固体废弃物和能源作物等。这些物质资源折合成标准煤为：农业生物资源38亿吨/年，畜禽粪便10亿吨/年，林业生物资源9亿吨/年，固体废弃物8亿吨/年。近年来，我国在沼气利用、生物质直燃、生物质成型燃料、生物质裂解、燃料乙醇、生物柴油等方面开发生物质能利用新技术和应用的研究成果显著。单从环境角度来看，生物质属于清洁型能源，作为燃料有低灰、低硫等特点以及燃烧中实现零排放机制，燃烧后的二氧化碳参与了碳循环，不形成新的污染。生物质能利用技术的开发至关重要，近年来对生物质能的研究和应用愈来愈引起人们的关注。氢元素在元素周期表中处于第一的位置，其代表的符号为H。氢是重量最轻，且具有良好导热性以及燃烧性的清洁物质。一般来讲我们将能源分为两大类：第一类是一次能源，这类能源主要是指以自然形态存在的能源，例如，煤炭、石油、天然气以及风能、核能等；第二类能源是二次能源，这类能源主要是指由一次能源加工以后所得到的能源，例如，电能、成品油、氢能等。二次能源还可以进行进一步分成以下两类：第一类是，过程性能源；第二类是含能体能源。过程性能源应用最多的就是电能，而当前我们所使用的最广泛的含能体能源是成品油。而氢气是目前我们能够在自然界获取的含量最高并且具有很高效的含能体能源，作为一种清洁型能源，氢能源具有巨大的开发潜力。生物质联合碳捕捉与存储技术是一种全新的低碳技术，其在产生负碳排放的同时以电能、热能、气态和液态燃料的形式产生能源。目前，国内外针对生物质联合碳捕捉与存储技术的研究处于初始阶段。基于钙基载碳体的生物质化学链气化制氢技术是生物质联合碳捕捉与存储技术的完美诠释，不仅具有生物质联合碳捕捉与存储技术的所有优点，同时还兼具制取高效的含能体能源--氢能的功能，为未来能源的清洁、高效利用发展提供了一条重要的技术方案。但是，目前关于基于钙基载碳体的生物质化学链气化制氢技术的研究处于初始阶段，提供一种现实可行的生物质化学链气化制氢的装置及方法，对于未来我国能源战略的发展具有极其重要的意义。技术实现要素：：本发明目的在于提供一种基于钙基载碳体的生物质化学链气化制氢装置及方法，可实现生物质水蒸气气化制氢，同时降低合成气中CO2浓度，提供富氢合成气，降低碳捕集成本及原料成本。为提高气化炉内碳载碳体的载碳容量及循环使用次数，本发明对钙基载碳体煅烧炉进行了改造，可有效降低钙基载碳体的煅烧温度，同时提高钙基载碳体吸附容量及循环使用次数。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：一种基于钙基载碳体的生物质化学链气化制氢装置，包括生物质气化炉、钙基载碳体煅烧炉、旋风分离器、上部回料阀及下部回料阀；其中，生物质气化炉自上而下分为稀相区、密相区及第一布风室，密相区的中部外侧设置有生物质螺旋进料装置以及设置在密相区内的生物质螺旋进料口；密相区与第一布风室之间设置有第一微孔陶瓷盘，第一布风室内设置有生物质气化炉风室，该生物质气化炉风室的顶部设置有第一定向风帽，第一布风室的底部设置有第一灰渣出口；钙基载碳体煅烧炉自上而下分为余热回收室、煅烧室、预热室及第二布风室，其中，煅烧室的中部外侧设置有钙基载碳体螺旋进料装置以及设置在煅烧室内的钙基载碳体螺旋进料口，预热室与第二布风室通过喉部区域相连通，该喉部区域有煅烧炉大颗粒物通道和第二微孔陶瓷盘，第二布风室内设置有空气风室，空气风室内设置有水蒸气风室，且空气风室和水蒸气风室的顶部设置有第二定向风帽，第二布风室的底部设置有布风室底部出渣口入口；钙基载碳体煅烧炉的余热回收室与旋风分离器的顶部相连通，旋风分离器的顶部还设置有旋风分离器烟气出口，底部通过上部回料阀与生物质气化炉的稀相区相连通，生物质气化炉的稀相区还设置有气化炉烟气出口，生物质气化炉的密相区通过下部回料阀与钙基载碳体煅烧炉的预热室相连通。本发明进一步的改进在于，旋风分离器烟气出口处设置有第一CO2浓度探头，气化炉烟气出口处设置有第二CO2浓度探头，通过第一CO2浓度探头和第二CO2浓度探头共同监测及控制系统内钙基载碳体的载碳能力。本发明进一步的改进在于，还包括水蒸气发生装置，水蒸气发生装置的蒸气出口分别连接至生物质气化炉风室和水蒸气风室。本发明进一步的改进在于，上部回料阀内设有第三微孔陶瓷盘，下部回料阀内设有第四微孔陶瓷盘。本发明进一步的改进在于，钙基载碳体煅烧炉的余热回收室内设置有盘管，该盘管通过余热回收蒸气管连通至水蒸气风室内。本发明进一步的改进在于，生物质螺旋进料装置的顶部设置有生物质料斗，钙基载碳体螺旋进料装置的顶部设置有钙基载碳体料斗。本发明进一步的改进在于，第一布风室底部的第一灰渣出口处设置有第一灰渣螺旋出料装置和第一灰渣储存室；第一布风室及第二布风室底部分别设置有第二灰渣螺旋出料装置和第二灰渣储存室，且第一灰渣储存室的底部和第二灰渣储存室的底部共用同一条灰渣传送带。本发明进一步的改进在于，上部回料阀的底部设置有一个第三微孔陶瓷盘以及上回料阀气体入口阀门，下部回料阀的底部设置有一个第四微孔陶瓷盘以及下回料阀气体入口阀门，其中，上回料阀气体入口和下回料阀气体入口均用于通入流化气体。本发明进一步的改进在于，第一布风室周边设有第一加热设备，第二布风室周边设有第二加热设备，预热室周边设有第三加热设备、余热回收室周边设有第四加热设备、煅烧室周边设有第五加热设备、空气风室周边设有第六加热设备及水蒸气风室周边设有第七加热设备。上述一种基于钙基载碳体的生物质化学链气化制氢装置的使用方法，包括以下步骤：首先，预热，使生物质气化炉和钙基载碳体煅烧炉的环境温度达到预设工作温度；待运行温度达到预设工作温度时，确保生物质气化炉、钙基载碳体煅烧炉工作压力为微正压后，打开第一布风室、第二布风室及上部回料阀气体入口、下部回料阀气体入口阀门，同时关闭钙基载碳体煅烧炉煅烧炉大颗粒物通道及余热回收室水循环阀门，待生物质气化炉和钙基载碳体煅烧炉内的空气置换完成后，由钙基载碳体煅烧炉的钙基载碳体螺旋进料口加入钙基载碳体，再往生物质螺旋进料口加入生物质颗粒，据现场需求调节水蒸气与生物质比值、固体流化速度，待固体流化速度维持稳定后，打开余热回收室水循环阀门；随着钙基载碳体循环次数增加，其载碳能力下降，此时通过旋风分离器烟气出口及气化炉烟气出口处所测的CO2浓度值，调节煅烧炉内新鲜钙基载碳体的进料速度，同时打开煅烧炉大颗粒物通道，将烧结团聚后的大颗粒物质排入下方风室渣口排出。与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明以生物质为原料、钙基载碳体为CO2载碳体及水蒸气为气化剂，原料来源广泛，可有效降低装置运行成本，提高系统经济性。本发明生物质原料由密相区中部进入气化炉，利于炉内床料与生物质共流态化；布风室内配备定向风帽，利于气化剂均匀布风；布风室底部与气化炉本体间的间隙为出渣口，出渣方式为螺旋出料，利于维持系统密闭性；生物质气化炉风室内通入水蒸气，可实现生物质水蒸气气化制氢；床料采用钙基载碳体，吸附合成气中CO2组分，提高合成气中氢气含量，降低焦油产量。本发明钙基载碳体煅烧炉，包括：预热室、煅烧室、余热回收室及布风室。布风室内配备定向风帽的多风室布风装置，布风室内可实现多风室布风，第一风室为水蒸气风室，水蒸气部分来源于煅烧炉上方预热回收室的预热回收蒸气，另外一部分，由外源蒸气发生装置补给，有利于降低运行成本，且在钙基载碳体煅烧炉内通入空气、水蒸气二元混合气，有利于提高CaCO3分解速率，降低CaCO3分解温度。本发明钙基载碳体煅烧炉内布风室喉部嵌入具有斜度的微孔陶瓷盘，小颗粒物质及风室混合二元风可通过微孔，对于烧结团聚后的大颗粒物质无法通过微孔，可由一侧出口落入布风室底部出渣口，有利于除去吸附能力显著下降的钙基载碳体，提高气化炉内载碳体对碳的捕集能力。本发明新鲜钙基载碳体由煅烧室中下方进入煅烧炉，经煅烧后进入气化炉进行催化生物质制取富氢合成气；对新鲜钙基载碳体进行煅烧预处理，有利于提高钙基载碳体吸附能力及循环使用寿命。本发明余热回收室位于钙基载碳体煅烧炉的煅烧室上方，烟气及流化态固体颗粒物经余热回收达到气化炉内所需温度后，由旋风分离器重新回到气化炉，可有效减低系统内部热平衡。本发明钙基载碳体煅烧炉内设置预热阶段，通过降低CaCO3煅烧时的升温速率，可有效降低CaCO3分解温度，同时提高钙基载碳体吸附能力及循环使用寿命。本发明钙基载碳体煅烧炉内设置余热回收阶段，且位于煅烧阶段上方，通过水蒸气余热回收，既可降低进入生物质气化炉内的温度，亦可为煅烧炉第一风室内补充部分水蒸气，可有效减低装置运行成本。本发明可通过监测旋风分离器烟气出口与气化炉烟气出口处CO2浓度，可有效判断炉内钙基载碳体的吸附情况；若气化炉烟气出口处CO2浓度升高，而旋风分离器烟气出口处CO2浓度降低，则往煅烧炉内补充新鲜钙基载碳体，同时排空煅烧炉内的灰渣，维持气化炉烟气出口处的低CO2浓度状态。本发明可将气化炉灰渣储存室及煅烧炉灰渣存储室内灰渣，一起落入下方床送带上送出，操作方便、简单。附图说明：图1为本发明装置的结构示意图；图2为煅烧炉微孔陶瓷盘的结构示意图；图3为煅烧炉内布风室结构示意图。图中：1-稀相区，2-生物质气化炉，3-密相区，4-生物质料斗，5-生物质螺旋进料装置，6-生物质螺旋进料口，7-第一微孔陶瓷盘，8-第一布风室，9-第一定向风帽，10-第一加热设备，11-生物质气化炉风室，12-第一灰渣螺旋出料装置，13-第一灰渣储存室，14-灰渣传送带，15-流化介质入口，16-第二灰渣储存室，17-第二灰渣螺旋出料装置，18-空气风室，19-水蒸气风室，20-第二加热设备，21-第二定向风帽，22-第二布风室，23-第二微孔陶瓷盘，24-第三加热设备，25-预热室，26-钙基载碳体螺旋进料装置，27-钙基载碳体料斗，28-煅烧室，29-余热回收蒸气管，30-余热回收室，31-第一CO2浓度探头，32-旋风分离器烟气出口，33-旋风分离器，34-上部回料阀，35-第二CO2浓度探头，36-气化炉烟气出口，37-第四加热设备，38-第五加热设备，39-第三微孔陶瓷盘，40-钙基载碳体螺旋进料口，41-下部回料阀，42-第四微孔陶瓷盘，43-水蒸气发生装置，44-煅烧炉大颗粒物通道，45-第二布风室底部出渣口入口，46-第六加热设备，47-水蒸气风室入口，48-第七加热设备，49-钙基载碳体煅烧炉，50-上回料阀气体入口阀门，51-下回料阀气体入口阀门，52-盘管。具体实施方式：下面结合附图对本发明做出进一步的说明。请参阅图1至3所示，本发明为一种基于钙基载碳体的生物质化学链气化制氢装置及方法，所述的一种基于钙基载碳体的生物质化学链气化制氢装置，包括生物质气化炉2、钙基载碳体煅烧炉49、旋风分离器33、上部回料阀34及下部回料阀41，上部回料阀34出口与生物质气化炉2连接；在旋风分离器烟气出口32及气化炉烟气出口36处分别配备第一CO2浓度探头31、第二CO2浓度探头35，共同监测钙基载碳体的实时吸附情况。生物质气化炉2包括：稀相区1、密相区3及第一布风室8，生物质原料由密相区3中部进入气化炉2；第一布风室8内配备第一定向风帽9，第一定向风帽9设置互成一定角度的小孔；第一布风室8底部与生物质气化炉2本体间的间隙为出渣口，出渣方式为螺旋出料，螺旋出料口处设置第一灰渣储存室13，最后将灰渣排放到下方的灰渣传送带14上送出；生物质气化炉2的第一风室11内通入水蒸气，床料采用钙基载碳体，可吸附合成气中CO2组分，提高合成气中氢气含量，降低焦油产量，气化炉烟气出口36设置第二CO2浓度探头35；下部回料阀41入口位于密相区3顶部，上部回料阀34出口位于稀相区1顶中部。钙基载碳体煅烧炉49包括：预热室25、煅烧室28、余热回收室30及第二布风室22；预热室25位于煅烧室28下方，下部回料阀41出口与预热室25底部连接，与第二布风室22在顶部连接；第二布风室22内配备第二定向风帽21的多风室布风装置，第二布风室22内可实现多风室布风：空气风室18、水蒸气风室19；第二布风室22上方喉部嵌入具有斜度的第二微孔陶瓷盘23，第二微孔陶瓷盘23上表面为内凹面且具有一定坡度，内凹面入口连接下部回料阀41出口，内凹面出口连接大颗粒物通道入口，小颗粒物质及风室混合二元风可通过微孔，对于烧结团聚后的大颗粒物质无法通过微孔，但可由一侧的煅烧炉大颗粒物通道44落入第二布风室底部出渣口入口45，螺旋出料口处设置第二灰渣储存室16，最后将灰渣排放到下方灰渣传送带14上送出；新鲜钙基载碳体螺旋进料装置26位于煅烧炉煅烧室28中下部；余热回收室30位于煅烧室28上方，余热回收室30墙壁嵌入余热回收蒸气管29，蒸气管出口与水蒸气风室入口47连接；钙基载碳体煅烧炉内设置预热室25，可降低煅烧炉升温速率。在钙基载碳体煅烧炉49内通入空气、水蒸气二元气体，提高CaCO3分解速率，降低CaCO3分解温度；钙基载碳体煅烧炉49内设置预热阶段，通过降低CaCO3煅烧时的升温速率，提高CaCO3分解速率，降低CaCO3分解温度；钙基载碳体煅烧炉49内设置余热回收阶段，且位于煅烧阶段上方，通过水蒸气余热回收，既可降低进入生物质气化炉内的温度，亦可为钙基载碳体煅烧炉49的第二布风室22内补充部分水蒸气。所述监测炉内钙基载碳体的吸附情况，具体操作包括：通过监测旋风分离器33的烟气出口及生物质气化炉2的烟气出口处CO2浓度，判断炉内钙基载碳体的吸附情况；若生物质气化炉2的烟气出口处CO2浓度升高，而旋风分离器33的烟气出口处CO2浓度降低，则往钙基载碳体煅烧炉49内补充新鲜钙基载碳体，同时排空钙基载碳体煅烧炉49内的失活大颗粒灰渣，维持生物质气化炉2的烟气出口处的低CO2浓度。生物质气化炉2、钙基载碳体煅烧炉49、上部回料阀34及下部回料阀41处第一微孔陶瓷盘7、第二微孔陶瓷盘23、第三微孔陶瓷盘39、第四微孔陶瓷盘42的孔径分布如表1所示。工作时，打开第一加热设备10、第二加热设备20、第三加热设备24、第四加热设备37、第五加热设备38、第六加热设备46及第七加热设备48，使各部分环境温度达到预设工作温度，具体工作温度如表2所示。待运行温度达到预设工作温度时，确保生物质气化炉2、钙基载碳体煅烧炉49工作压力为微正压后，打开第一布风室8、第二布风室22及上回料阀气体入口阀门50、下回料阀气体入口阀门51，同时关闭钙基载碳体煅烧炉49的煅烧炉大颗粒物通道44及余热回收室30水循环阀门，置换生物质气化炉2和钙基载碳体煅烧炉49内的空气，由钙基载碳体煅烧炉49的钙基载碳体螺旋进料口40加入钙基载碳体，钙基载碳体直径约为0.25-0.3mm，加入量为1.5-2kg，往生物质螺旋进料口6加入生物质颗粒，生物质颗粒直径为0.425-0.5mm，生物质进料速度为1.5kg/h，水蒸气与生物质比值(S/B)为3.42，调节生物质化学链气化制取富氢合成气装置内部固体流化速度，维持固体流化速度为1.04kg/m2.s，逐步达到稳定运行工况后，打开余热回收室30水循环阀门，工作状态下各部分流速分布情况如表3所示。同时，各部分平均空隙率分布如表4分布。随设钙基载碳体循环次数增加，其吸附能力下降，此时可通过旋风分离器烟气出口32及气化炉烟气出口36处CO2浓度探头所显示的浓度值，调节煅烧炉内新鲜钙基载碳体的进料速度，同时打开煅烧炉大颗粒物通道44，将烧结团聚后的大颗粒物质排入下方风室渣口，通过第二灰渣螺旋出料装置17排出到第二灰渣储存室16，最后落入灰渣传送带14上送出。最终可实现合成气中氢气含量高达80-90％，焦油含量低于2.48g/m3，同时提高载碳体循环寿命5-10％。表1各部分微孔陶瓷盘的孔径分布表2工作状态下各部分温度分布情况表3工作状态下各部分流速分布情况表4工作状态下各部分平均空隙率分布情况名称气化炉下回料阀煅烧炉上回料阀空隙率0.820.850.610.80当前第1页1 2 3