一种负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的方法及装置与流程

本发明涉及能源领域，具体来说，涉及一种负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的方法及装置。

背景技术：

氢能是一种绿色低碳的清洁能源。随着燃料电池和氢能源汽车的发展，开发低碳高效的制氢技术具有重要的意义。氢能产业的发展已得到了国家的高度重视。我国的氢气产量已达到了2000万t/a以上，但70％以上的氢气是基于煤气化制氢和天然气重整制氢技术。从可持续发展的角度来看，煤、天然气等化石能源是不可再生资源，而且制氢的同时附带着大量的污染物以及co2排放，对生态环境造成严重的危害。随着我国“碳达峰”、“碳中和”目标的提出，开发和利用低碳的新能源制氢技术变得更加重要，对于推动我国能源结构转型具有重要的作用。

化学链制氢是化学链燃烧概念与蒸汽铁法制氢相结合的一种低碳制氢技术。化学链过程将总反应分解为在不同时间和空间发生的多个子反应，通过金属氧化物载氧体在体系中的循环利用来传递物质和能量，实现物料的转化和产物的原位分离。因此，化学链制氢技术具有装置相对简单、能耗低、污染排放少、氢气产物易于分离提纯的优点。

生物质是直接或间接地通过植物光合作用而形成的各种有机体，是将太阳能转化为化学能的能量载体。生物质本身可以被视为碳中性，即生物质热解或转化生成的co2与其生长过程中从大气中吸收的co2相抵，因此将生物质转化为能源，然后捕获和封存废弃co2的过程可以被视为负碳排放。生物质资源相对于化石资源具有绿色环保、碳排放低的优势，符合我国的可持续发展理念，有利于国家的长远发展。生物质热解转化技术是生物质能的一种重要利用形式，能够同时生成生物炭和热解气产物。其中，生物炭是一种环境友好的多功能材料，在co2吸附、土壤治理、污水处理、电化学储能等诸多领域具有良好的应用前景；热解气产物中的重质烃类、co、ch4等还原性物质可以与金属载氧体发生化学反应，参与化学链制氢的反应过程。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的方法及装置，不产生co2及污染物的排放，具有发电效率高、环境污染小优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供一种负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的方法，所述方法包括：

通过生物质热解得到生物炭和热解气，将所述热解气通入化学链制氢系统，用于还原金属氧化物载氧体，同时将产生的co2捕集和封存，所述被还原的载氧体通过与水蒸汽反应再生并生产出氢气，将所述氢气用于燃料电池发电。

优选的，所述生物质热解在氮气气氛中进行，使用农业废弃物作为生物质；所述农业废弃物包括秸秆、稻壳。

优选的，所述热解气经除尘过滤获得还原性气体；所述生物炭用于捕集和封存化学链制氢系统产生的co2。

优选的，所述化学链制氢系统通过金属氧化物载氧体在体系中循环利用来传递物质和能量，实现氢气的生成和原位分离；

所述金属氧化物载氧体为feox，金属氧化物载氧体首先与所述热解气中的还原性气体发生反应：co/cnhm feox→fe co2 h2o；金属氧化物载氧体被还原后，向体系中通入水蒸汽，发生反应：fe h2o→feox h2，金属氧化物载氧体再生，并且生成氢气用于燃料电池发电；x的取值范围为1～1.5，n的取值范围为1～3，m的取值范围为2～8；n、m为整数。

另一方面，本发明实施例提供一种负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的装置，包括生物质热解系统、化学链制氢系统、燃料电池发电系统和co2捕集系统；

所述co2捕集系统和化学链制氢系统连接，用于捕集和封存所述化学链反应器产生的废弃co2；

所述co2捕集系统和生物质热解系统连接，使用所述生物质热解系统产生的生物炭作为co2的捕集剂；

所述化学链制氢系统和生物质热解系统连接，使用所述生物质热解系统产生的还原性气体作为燃料，将金属氧化物载氧体feox还原为fe；

所述燃料电池发电系统和所述化学链制氢系统连接，使用所述化学链反应装置产生的氢气作为燃料，与氧气发生化学反应将化学能转化为电能。

优选的，所述生物质热解系统包括物料粉碎装置、干燥装置、热解反应炉、生物炭收集装置和热解气除尘净化装置；所述物料粉碎装置的出口和干燥装置的入口连接，干燥装置的出口和热解反应炉的入口连接，热解反应炉的第一出口和生物炭收集装置的入口连接，热解反应炉的第二出口和热解气除尘净化装置的入口连接；

所述化学链制氢系统包括燃料反应器、蒸汽反应器、水蒸气发生器、尾气收集装置、氢气纯化装置和氢气收集装置；热解气除尘净化装置的出口和燃料反应器的入口连接，燃料反应器的第一出口和尾气收集装置的入口连接，水蒸气发生器的出口和蒸汽反应器的第一入口连接，蒸汽反应器的第一出口和氢气纯化装置的入口连接，氢气纯化装置的出口和氢气收集装置的入口连接；燃料反应器和蒸汽反应器连接；所述燃料电池发电系统与所述氢气收集装置的出口连接；所述co2捕集系统分别与尾气收集装置的出口和生物炭收集装置的出口连接。

优选的，所述燃料反应器和蒸汽反应器中，燃料反应器先发生反应，feox还原为fe，随后将产生的fe转移到蒸汽反应器；蒸汽反应器中fe又转化为feox；然后再将产生的feox转移回到燃料反应器，如此不断的循环，实现固体feox和fe在所述燃料反应器和蒸汽反应器之间的转移。

本发明充分利用了生物质中的碳元素，生物质热解生成了生物炭和热解气两种有价值的产物。利用热解气中的还原性气体(co、cnhm)作为燃料，参与了化学链制氢的反应过程，反应结束后转化生成的废弃co2被捕集和封存；生物炭可以作为co2吸附剂，也可以应用在土壤改良、污水处理、能量存储等领域，具有很高的应用价值。由于生物质是一种碳中性的资源，因此在生物质中的碳元素得到了充分的利用并且生成的废弃co2被捕集后，整个体系可以被视为是负碳排放的，符合国家的可持续发展理念。此外，秸秆、稻壳等生物质资源得到了利用，能够有效缓解农林废弃物引发的环境污染问题，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的一种负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的方法，包括：通过生物质热解得到生物炭和热解气，将所述热解气通入化学链制氢系统，用于还原金属氧化物载氧体，同时将产生的co2捕集和封存，所述被还原的载氧体通过与水蒸汽反应再生并生产出氢气，将所述氢气用于燃料电池发电。

在上述过程中，所述生物质热解在氮气气氛中进行。这样可防止热解产生的气、固相产物被空气氧化、灼烧，使用农业废弃物作为生物质。农业废弃物包括秸秆、稻壳。将农业废弃物作为生物质，充分利用了废弃物，变废为宝。所述热解气经除尘过滤获得co、cnhm等还原性气体。所述生物炭用于捕集和封存化学链制氢系统产生的co2。

在上述过程中，所述化学链制氢系统通过金属氧化物载氧体在体系中循环利用来传递物质和能量，实现氢气的生成和原位分离。具体来说，所述金属氧化物载氧体为feox，金属氧化物载氧体首先与所述热解气中的还原性气体发生反应：co/cnhm feox→fe co2 h2o；金属氧化物载氧体被还原后，向体系中通入水蒸汽，发生反应：fe h2o→feox h2，金属氧化物载氧体再生，并且生成氢气用于燃料电池发电。x的取值范围为1～1.5，n的取值范围为1～3，m的取值范围为2～8。n、m均为整数。x的值可以为1、1.5或1.33。

上述负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的方法，利用生物质热解产生热解气和生物炭，将所述热解气供给化学链制氢系统，得到高纯氢气用于燃料电池发电，同时利用所述生物炭捕集化学链制氢尾气中的废弃co2。本发明利用生物质热解气作为燃料参与化学链制氢，是一种低成本、低能耗的制氢方式，不仅为燃料电池发电提供了清洁的氢能，而且生物质中的碳元素得到了充分的利用并且生成的废弃co2被捕集和封存，整个体系实现了负碳排放。

如图2所示，本实施例还提供一种负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的装置，包括生物质热解系统、化学链制氢系统、燃料电池发电系统和co2捕集系统；

所述co2捕集系统和化学链制氢系统连接，用于捕集和封存所述化学链反应器产生的废弃co2；其中，co2捕集采用吸附法，使用的吸附剂为生物质热解产生的生物炭。

所述co2捕集系统和生物质热解系统连接，使用所述生物质热解系统产生的生物炭作为co2的捕集剂。

所述化学链制氢系统和生物质热解系统连接，使用所述生物质热解系统产生的还原性气体作为燃料，将金属氧化物载氧体feox还原为fe。

所述燃料电池发电系统和所述化学链制氢系统连接，使用所述化学链反应装置产生的氢气作为燃料，与氧气发生化学反应将化学能转化为电能。

上述实施例中，所述生物质热解系统包括物料粉碎装置、干燥装置、热解反应炉、生物炭收集装置和热解气除尘净化装置；所述物料粉碎装置的出口和干燥装置的入口连接，干燥装置的出口和热解反应炉的入口连接，热解反应炉的第一出口和生物炭收集装置的入口连接，热解反应炉的第二出口和热解气除尘净化装置的入口连接。

所述化学链制氢系统包括燃料反应器、蒸汽反应器、水蒸气发生器、尾气收集装置、氢气纯化装置和氢气收集装置；热解气除尘净化装置的出口和燃料反应器的入口连接，燃料反应器的第一出口和尾气收集装置的入口连接，水蒸气发生器的出口和蒸汽反应器的第一入口连接，蒸汽反应器的第一出口和氢气纯化装置的入口连接，氢气纯化装置的出口和氢气收集装置的入口连接；燃料反应器和蒸汽反应器连接。所述燃料电池发电系统与所述氢气收集装置的出口连接。所述co2捕集系统分别与尾气收集装置的出口和生物炭收集装置的出口连接。

所述燃料反应器和蒸汽反应器中，燃料反应器先发生反应，feox还原为fe，随后将产生的fe转移到蒸汽反应器；蒸汽反应器中fe又转化为feox；然后再将产生的feox转移回到燃料反应器，如此不断的循环，实现固体feox和fe在所述燃料反应器和蒸汽反应器之间的转移。

使用上述系统时，将生物质原料输入物料粉碎装置中，粉碎至颗粒尺寸为50～200mm，然后将生物质输送至干燥装置干燥，接着将干燥后的生物质输送至热解反应炉，使用氮气作为保护气，热解温度控制在600～700℃，热解时间控制在0.5～2h。将热解反应炉中产生的热解气通入热解气除尘净化装置，获得还原性气体。具体地，还原性气体包括co、ch4、cxhy等。将生物质热解产生的固体生物炭从热解反应炉底部排出，进入生物炭收集装置，等待进一步使用。

将热解气除尘净化装置产生的还原性气体通入到燃料反应器中，与金属氧化物载氧体feox发生反应co/cnhm feox→fe co2 h2o，控制反应温度为800～1000℃，直至feox全部被还原转化为fe。还原性气体被feox氧化为co2和h2o，由燃料反应器的出气端流出，进入到co2捕集系统。

蒸汽反应器搭载由所述燃料反应器回收的产物fe，进气端与向炉内通入水蒸汽的水蒸汽发生器连接，出气端与所述氢气纯化装置连接。蒸汽反应器中水蒸汽由进气端进入与fe发生反应fe h2o→feox h2，控制反应温度800～1000℃，产生的氢气由出气端流出进入氢气纯化装置，得到高纯度的氢气，用于燃料电池发电。

所述燃料反应器与所述热解气除尘净化装置连接，搭载金属氧化物载氧体feox，出口与所述co2捕集系统连接；所述蒸汽反应器搭载所述燃料反应器的产物fe，进口与向炉内通入水蒸汽的水蒸汽发生器连接，出口与所述氢气纯化装置连接。

本发明采用的化学链制氢技术，通过金属氧化物载氧体的还原和再生的方式生产氢气，金属氧化物载氧体可以循环重复使用，节约制氢成本。化学链过程是将反应分解为在时间和空间上不同的多个子反应，因此可以原位分离氢气和废弃的co2，实现低能耗的氢气提纯。化学链过程是将反应分解为在时间和空间上不同的多个子反应，首先在燃料反应器中生物质热解气还原金属氧化物载氧体feox，得到fe和co2；随后在蒸汽反应器中，fe与水蒸汽反应，产生氢气的同时载氧体feox再生。因此，氢气和废弃的co2分别在蒸汽反应器和燃料反应器中产生，可以容易地将二者在原位分离，实现低能耗的氢气提纯。

本实施例利用生物质热解耦合化学链技术生产氢气，具有制氢装置简单、氢气纯化难度低的优点，并且避免了化石能源的消耗，为燃料电池提供了清洁且低成本的氢气。由于生物质资源本身具有碳中性的特点，其中的碳元素被转化为了生物炭材料或参与了化学链制氢过程，最后产生的co2被捕集和封存，所以整个系统具有碳负性的特点。

本发明实施例采用的生物质热解耦合化学链制氢技术，制备过程无需化石能源的参与，不产生co2及污染物的排放，是一种清洁的制氢方式。所制备的氢气供给于燃料电池发电，氢气与氧气发生反应将化学能转化为电能，具有发电效率高、环境污染小等优点，从节能环保的角度考虑，燃料电池是当前最有前途的发电技术。