一种生物质热解气化制氢系统及方法与流程

本发明涉及生物质气化装置，具体涉及一种生物质热解气化制氢系统及方法。

背景技术：

1、随着全球对清洁能源需求的日益增长，氢能因其燃烧产物仅为水、无污染且热值高等优点，被视为理想的能源载体。当前，工业上制氢主要依赖化石燃料重整（如天然气重整、石油重整和煤气化），但这些过程会排放大量co2、nox和sox等污染物，且化石资源日益枯竭。因此，开发可再生、低碳的制氢途径成为研究热点。生物质作为一种碳中性、储量丰富的可再生资源，通过热化学转化（如气化、炭化、重整）制氢具有广阔前景。然而，生物质气化制氢仍面临氢气产率低、气化过程中产生的焦油易堵塞设备以及气体分离纯化效率不足等挑战。

2、针对上述技术问题，研究人员提出了多种方案。例如授权公告号为cn114180521b的中国发明专利公开的“一种生物质制氢系统与制氢方法”采用热解、气化之后变压吸附的方式得到氢气，其中所需催化剂和吸附剂均来自于生物质原料。该方法的优点在于：整个制氢过程几乎完全依赖生物质资源，不依赖不可再生的金属催化剂，环境友好；再比如授权公告号为cn114437833b的中国发明专利公开的“一种生物质制氢方法和系统”，提出了一种炭化-气化组合工艺，先将生物质炭化得到生物焦和挥发分，再将生物焦与廉价的气化催化剂混合后进行水蒸气气化，随后经水汽变换和变压吸附制得高纯氢气。可以看到，现有生物质制氢技术路线已经明确，但是均为阶段性处理，注重单一环节的处理效果，而各个单元之间的耦合紧密性较差，由此带来现有生物质制氢技术存在原料适应性较差、焦油处理不彻底以及能量利用效率较低的不足。

技术实现思路

1、针对现有生物质制氢技术存在的不足，本发明提出一种生物质热解气化制氢系统及方法，通过构建完整的工艺流程能够解决现有技术原料适应性较差、焦油处理不彻底及能量利用效率较低的技术问题。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种生物质热解气化制氢系统，包括：

4、干燥单元，用于对生物质原料进行干燥处理；

5、热解单元，连接于所述干燥单元的下游，用于对干燥后的生物质进行热解处理，生成固态焦炭以及含有焦油和热解气的混合气；

6、气化单元，连接于所述热解单元的下游，用于对生成的固态焦炭进行气化处理，生成合成气；

7、裂解单元，连接于所述热解单元和所述气化单元的下游，用于将生成的混合气与合成气混合后进行裂解处理生成富氢气；

8、换热单元，连接于所述裂解单元下游，用于对生成的富氢气进行热交换，热交换后的气体返回至所述干燥单元；所述换热单元还连接于所述裂解单元与热解单元之间，用于对裂解燃烧产生的烟气进行热交换，热交换后的气体依次返回至所述热解单元和干燥单元。

9、在一些实施例中，还包括分离单元，所述分离单元连接于所述干燥单元的下游，用于对干燥后的气液混合物进行分离，分离后的冷凝水被输送至所述气化单元，分离后的气体被输送至所述裂解单元。

10、在一些实施例中，还包括暂存单元，所述暂存单元连接于所述热解单元和所述气化单元之间，用于存储热解单元生成的固态焦炭并将其输送给气化单元。

11、在一些实施例中，所述裂解单元包括炉体、第一盘管及第二盘管，所述第一盘管和第二盘管按炉体的高度方向由上至下设置于所述炉体的内部，所述第一盘管的进口与所述热解单元连接，所述第一盘管的出口与所述第二盘管的进口连接，所述第二盘管的进口还与所述气化单元连接，所述第二盘管的出口与所述换热单元连接。

12、在一些实施例中，所述裂解单元还包括燃烧器，多个所述燃烧器设置在所述炉体的两侧且按所述炉体的高度方向逐层分布，所述燃烧器与所述分离单元连接，且所述燃烧器中还通入有氧气和天然气。

13、在其中一个优选的实施例中，所述炉体顶部开设有出烟口，所述出烟口依次与所述热解单元和所述干燥单元连接。

14、在其中一个优选的实施例中，所述热解单元包括主体和螺旋体，所述主体内部通过隔板形成第一空间和第二空间，所述螺旋体设置于所述第一空间中，所述螺旋体内部为中空结构，该中空结构具有第一烟气进口、第一烟气出口、生物质进口、焦炭出口和混合气出口，所述第一烟气进口与所述出烟口连接，所述第一烟气出口和所述干燥单元连接，所述生物质进口与所述干燥单元连接，所述焦炭出口与所述气化单元连接，所述混合气出口与所述裂解单元连接；所述第二空间具有第二烟气进口和第二烟气出口，所述第二烟气进口与出烟口连接，所述第二烟气出口与所述干燥单元连接。

15、在其中一个优选的实施例中，所述热解单元还包括第一星型给料器和焦炭输送器，所述焦炭输送器的两端分别与所述焦炭出口和所述气化单元连接，所述第一星型给料器设置于所述焦炭输送器与所述焦炭出口连接管路上。

16、在其中一个优选的实施例中，所述干燥单元包括床体、输送体及第二星型给料器，所述输送体设置于所述床体内部，所述输送体用于输送生物质原料，所述输送体具有二氧化碳进气口和二氧化碳出气口，所述二氧化碳进气口与所述换热单元连接，所述二氧化碳出气口与所述分离单元连接，所述床体具有第三烟气进口和第三烟气出口，所述第三烟气进口与所述第一烟气出口和所述第二烟气出口连接，所述第三烟气出口用于将烟气排放至大气中。

17、第二方面，本发明还提供一种生物质热解气化制氢方法，基于本发明第一方面提供的制氢系统实现，所述制氢方法包括以下步骤：

18、将生物质原料进行干燥处理，脱除其中的水分和挥发性有机化合物；

19、将干燥后的生物质进行热解处理，生成固态焦炭以及含有焦油和热解气的混合气；

20、将生成的固态焦炭进行气化处理，生成合成气；

21、将所述混合气与所述合成气混合后进行裂解处理生成富氢气；

22、对生成的富氢气进行热交换，并将热交换后的气体用于为干燥、热解及裂解提供高温条件。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果主要包括：

24、本发明提供的一种生物质热解气化制氢系统及方法，通过将干燥单元、热解单元、气化单元及裂解单元进行密切耦合，使得生物质原料经过干燥、热解、气化及裂解完整的四级流程，其中的干燥可使得高含水率的湿生物质可以直接进场，无需预先晾晒，打破了传统工艺对原料含水率的严苛要求；其中的热解和气化作为独立步骤，可以针对不同的生物质原料调整气化剂的流量和停留时间，这种分布处理允许系统能够灵活适应从高活性到低活性的各类原料；其中的高温裂解不管焦油是轻质还是重质，都会被强制裂解为小分子的富氢气，消除了不同原料因焦油特性差异带来的工艺障碍，使得高灰分、高焦油产率的劣质原料也能被处理。可见，本发明提高了生物质原料的适应性，从传统的优质木屑扩展到秸秆、稻壳、果壳、树皮、甘蔗渣甚至部分城市有机废弃物。另外，本发明将裂解后的热量通过换热单元进行回收，并将回收的热量用于系统的干燥、热解及裂解，能够大幅减少能耗和外购能源费用，降低系统的运营成本。

1.一种生物质热解气化制氢系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的生物质热解气化制氢系统，其特征在于，还包括分离单元，所述分离单元连接于所述干燥单元的下游，用于对干燥后的气液混合物进行分离，分离后的冷凝水被输送至所述气化单元，分离后的气体被输送至所述裂解单元。

3.根据权利要求1所述的生物质热解气化制氢系统，其特征在于，还包括暂存单元，所述暂存单元连接于所述热解单元和所述气化单元之间，用于存储热解单元生成的固态焦炭并将其输送给气化单元。

4.根据权利要求2所述的生物质热解气化制氢系统，其特征在于，所述裂解单元包括炉体、第一盘管及第二盘管，所述第一盘管和第二盘管按炉体的高度方向由上至下设置于所述炉体的内部，所述第一盘管的进口与所述热解单元连接，所述第一盘管的出口与所述第二盘管的进口连接，所述第二盘管的进口还与所述气化单元连接，所述第二盘管的出口与所述换热单元连接。

5.根据权利要求4所述的生物质热解气化制氢系统，其特征在于，所述裂解单元还包括燃烧器，多个所述燃烧器设置在所述炉体的两侧且按所述炉体的高度方向逐层分布，所述燃烧器与所述分离单元连接，且所述燃烧器中还通入有氧气和天然气。

6.根据权利要求5所述的生物质热解气化制氢系统，其特征在于，所述炉体顶部开设有出烟口，所述出烟口依次与所述热解单元和所述干燥单元连接。

7.根据权利要求6所述的生物质热解气化制氢系统，其特征在于，所述热解单元包括主体和螺旋体，所述主体内部通过隔板形成第一空间和第二空间，所述螺旋体设置于所述第一空间中，所述螺旋体内部为中空结构，该中空结构具有第一烟气进口、第一烟气出口、生物质进口、焦炭出口和混合气出口，所述第一烟气进口与所述出烟口连接，所述第一烟气出口和所述干燥单元连接，所述生物质进口与所述干燥单元连接，所述焦炭出口与所述气化单元连接，所述混合气出口与所述裂解单元连接；所述第二空间具有第二烟气进口和第二烟气出口，所述第二烟气进口与出烟口连接，所述第二烟气出口与所述干燥单元连接。

8.根据权利要求7所述的生物质热解气化制氢系统，其特征在于，所述热解单元还包括第一星型给料器和焦炭输送器，所述焦炭输送器的两端分别与所述焦炭出口和所述气化单元连接，所述第一星型给料器设置于所述焦炭输送器与所述焦炭出口连接管路上。

9.根据权利要求7所述的生物质热解气化制氢系统，其特征在于，所述干燥单元包括床体、输送体及第二星型给料器，所述输送体设置于所述床体内部，所述输送体用于输送生物质原料，所述输送体具有二氧化碳进气口和二氧化碳出气口，所述二氧化碳进气口与所述换热单元连接，所述二氧化碳出气口与所述分离单元连接，所述床体具有第三烟气进口和第三烟气出口，所述第三烟气进口与所述第一烟气出口和所述第二烟气出口连接，所述第三烟气出口用于将烟气排放至大气中。

10.一种生物质热解气化制氢方法，基于权利要求1-9任一项所述的制氢系统实现，其特征在于，所述制氢方法包括以下步骤：