一种生物质制氢装置的制作方法

1.本实用新型涉及到一种生物质制氢装置，属于固体废弃物处理技术领域。


背景技术：

2.我国农村每年产生70多亿吨的生物质废弃物，包括作物秸秆10亿吨，畜禽粪便62亿吨，村镇生活垃圾1.2亿吨。农业有机废弃物作为一种重要的生物质资源，具有绿色、低碳、清洁、可再生等特点，我国一直很重视农业有机废弃物资源化利用，目前利用的方式主要有堆肥，发酵产沼气，发电，制生物质燃料等。其中，利用有机废弃物发酵产沼气是我国重点发展方向，根据生物质能发展“十三五”规划，到2020年，初步形成一定规模的绿色低碳生物天然气产业。目前，天然气产业主要回收利用秸秆发酵过程中产生的甲烷，而在生物质发酵过程中，同时也会产生氢气，产生量大致为50～100ml/g(vs)。氢气和甲烷相比，燃烧只产生水，不产生co2温室气体，是一种清洁能源。同时氢气的燃烧值为121061kj/kg，高于甲烷的50054kj/kg，是甲烷燃烧值的2.4倍，未来应用前景非常广阔。
3.目前，国内外对有机物发酵产氢气进行了诸多研究，世界上首个采用有机质发酵的工业化示范项目为哈尔滨工业大学有机废水发酵法生物制氢技术生产性示范工程。虽然在有机废水制氢领域已完成了工业化示范，但生物质发酵制氢的研究目前还处于小试和中试阶段，对环境条件要求苛刻，产氢量少，生物质利用率低，离规模化应用还有很长的距离。而天然气制氢该技术已在国内成功运用20多年，生产技术成熟，生产规模的选择性较大(标准状态下400m3/h～200000m3/h)。本发明旨在提出一种联合生物法和化学法的生物质制氢装置。


技术实现要素：

4.针对生物质发酵制氢技术存在的问题，本发明提供一种生物质制氢装置，具体实施方式如下：
5.一种生物质制氢装置：设有相互连通的预处理系统，产氢产酸系统，产甲烷系统，脱硫系统，天然气制氢系统，气柜，氢气提纯系统，固液分离系统和沼液池。
6.预处理系统(1)与产氢产酸系统(2)连接，产氢产酸系统(2)的出气口与气柜(7)连接，产氢产酸系统(2)固液出口与产甲烷系统(3)连接，产甲烷系统(3)的出气口依次与脱硫系统(4)、蒸汽重整单元(5)、co转化单元(6)、气柜(7)，气柜(7)与氢气提纯系统(8)连接，产甲烷系统(3)的固液出口与固液分离系统(9)连接，固液分离系统(9)的液体出口与沼液池(10)连接，沼液池(10)经由沼液回流泵(16)再与预处理系统(1)连接；蒸汽重整单元(5)、co转化单元(6)组合成天然气制氢系统；预处理系统(1)上设有氢氧化钠加料口和生物质加料口。
7.进一步的，生物质在预处理系统中采用2wt％浓度的氢氧化钠对生物质进行预处理，处理时间1d。
8.进一步的，经过预处理的生物质进入产氢产酸系统发酵，产氢产酸系统中接种产
氢产酸细菌，温度控制在35
‑
38℃，ph控制在5～6，发酵时间2
‑
3d，产氢细菌利用生物质进行发酵产h2，co2和产乙酸。
9.进一步的，经产氢产酸系统发酵后的生物质进入产甲烷系统，产甲烷系统中接种产甲烷细菌，温度控制在55～50℃，ph控制在7～8，发酵时间25
‑
30d，产甲烷细菌利用生物质进行发酵产沼气。
10.进一步的，产甲烷系统产生的沼气进入脱硫系统，脱硫系统优先采用干法脱硫，脱硫剂采用三氧化二铁，ph值8
‑
9(ph值为50g脱硫剂泡在200
‑
300ml水稳定时水溶液的ph值)，脱硫塔内气体流速0.1
‑
0.3m/s。
11.进一步的，经过脱硫后的沼气加压至3
‑
4mpa进入天然气制氢系统中的蒸汽重整单元，并于850
‑
900℃、水碳比3：1的条件下，以ni
‑
al2o3/sio2作为催化剂进行甲烷和水蒸气重整反应，转化为混合气h2，co和co2。
12.进一步的，h2，co和co2混合气进入天然气制氢系统中的co转化单元，在2.2
‑
2.6mpa、300
‑
350℃条件下，并在铁
‑
钴系催化剂作用下进行co变换反应，转化为h2和co2。
13.进一步的，天然气制氢系统产生的h2和co2混合气体降温至35
‑
45℃后进入气柜，同时产氢产酸系统产生的h2和co2也进入气柜，气柜容积为每天总产气量的50
‑
60％。
14.进一步的，气柜中的混合气体进入氢气提纯系统进行提纯得到氢气产品，优选的氢气提纯系统采用变压吸附系统。
15.进一步的，产甲烷系统出来的发酵残余物进入固液分离系统将沼渣和沼液进行分离。
16.进一步的，分离出的沼液一部分通过回流泵回流至预处理系统和生物质混合调节进料浓度，一部分进入沼液池储存。
17.本实用新型有以下优点：
18.(1)产氢原料采用生物质可再生能源，而不是煤和石油等不可再生能源，来源丰富，成本低廉。
19.(2)采用两相厌氧发酵技术对生物质进行发酵，可以保证系统发酵产甲烷的稳定性，同时在产氢产酸系统中可回收部分氢气。
20.(3)本方法将生物制氢技术和化学制氢技术结合，为生物质制氢提供了一个新的方法。
附图说明
21.图1生物质制氢工艺装置图
22.其中：a—天然气制氢系统
[0023]1‑
预处理系统，2
‑
产氢产酸系统，3
‑
产甲烷系统，4
‑
脱硫系统，5
‑
蒸汽重整单元，
[0024]6‑
co转化单元，7
‑
气柜，8
‑
氢气提纯系统，9
‑
固液分离系统，10
‑
沼液储存池，
[0025]
11
‑
生物质，12
‑
氢氧化钠，13
‑
氢气产品，14
‑
沼渣，15
‑
沼液，16
‑
沼液回流泵。
具体实施方式
[0026]
下面结合实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型并不限于一下实施例。
[0027]
实施例1
[0028]
1.经粉碎后的玉米秸秆(11)和经沼液回流泵(16)回流过来的沼液(15)在预处理系统(1)中混合，混合后ts(总固体)浓度为8％左右，因玉米秸秆(11)中木质纤维较难厌氧发酵，为提高其产气速率，加入氢氧化钠(12)使其浓度达到2％，利用碱解作用对玉米秸秆(11)进行预处理，增加秸秆中有机物的溶解性，预处理时间为1d。
[0029]
2.经过预处理后的秸秆(11)送入产氢产酸系统(2)，系统中接种经过高温100℃处理后的厌氧污泥，接种量为10g/l，ph值控制在5.5左右，停留时间控制在2d，温度控制在35℃。发酵后产生的h2和co2的混合气体进入气柜(7)。
[0030]
3.发酵后的玉米秸秆(11)进入产甲烷系统(3)进一步发酵，产甲烷系统(3)中接种厌氧污泥，接种量为15g/l，温度控制在55℃，ph控制在7左右，发酵时间30d，产甲烷细菌利用玉米秸秆进行发酵产沼气。
[0031]
4.在发酵过程中会产生硫化氢气体，存在腐蚀设备和管道的风险，因此需要对其沼气进行脱硫处理。产甲烷系统(3)产生的沼气进入干法脱硫装置(4)，干式脱硫系统中使用三氧化二铁作为脱硫剂，脱硫剂ph值8
‑
9。利用下列化学反应进行脱硫：
[0032]
fe2o3·
h2o 3h2s＝fe2s3·
h2o 3h
2 o
[0033]
5.脱硫后的沼气加压到3
‑
4mpa进入天然气制氢系统(a)中的蒸汽重整单元(5)，在温度850
‑
900℃、水碳比3：1的条件下，以ni
‑
al2o3/sio2作为催化剂进行甲烷和水蒸气重整反应，转化为混合气h2，co和co2。反应过程如下：
[0034]
ch4 h2o＝co 3h2[0035]
co h2o＝co2 h2[0036]
6.混合气h2，co和co2进入天然气制氢系统(a)co转化单元(6)，在2.2
‑
2.6mpa、300
‑
350℃条件下，并在铁
‑
钴系催化剂作用下进行co变换反应，转化为h2和co2。反应过程如下：
[0037]
co h2o＝co2 h2[0038]
7.co转化单元(6)产生的h2和co2混合气降温至40℃后进入气柜(7)储存，气柜(7)容积为每天总产气量的50％。
[0039]
8.气柜(7)中的气体进入变压吸附系统(8)进行提纯，提纯后的氢气产品(13)浓度达到99.9％。
[0040]
9.产甲烷系统(3)出来的发酵残余物进入旋流分离固液分离系统(9)将沼渣(14)和沼液(15)进行分离。
[0041]
10.沼液(15)一部分进入沼液储存池(10)存储，一部分通过沼液回流泵(16)回流至预处理系统(1)中和玉米秸秆(11)混合。