基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置

1.本实用新型是关于生物质和煤清洁利用领域，特别是关于一种基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置。


背景技术：

2.由co2等温室气体排放引起的全球气候变化已经成为全人类需要面对的重大挑战之一，到21世纪中叶实现碳中和是全球应对气候变化最根本的举措。生物质作为一种清洁、可再生资源，从整个生命周期而言，其转化利用过程释放的co2量等于其生长过程通过光合作用吸收的co2量，对环境的co2净排放量为零。在组成和结构方面，生物质属于含碳、氢等元素的固体燃料，而气化技术是目前世界范围内高效利用碳氢能源的核心研究方向，生物质气化制氢技术已经引起国际社会的普遍关注。
3.生物质气化制氢主要是指在一定的条件下生物质与气化剂进行反应生成富氢气体的过程。首先，生物质随着温度升高发生热解反应，产生烃类气体，随后焦炭和产物与气化剂发生反应，生产富氢气体。我国生物质资源的种类多、资源量大且分布广泛，制作氢气的燃料包括但不限于能源植物、农作物秸秆、禽畜粪便等。
4.目前，生物质气化制氢技术大规模发展还存在以下尚未解决的难题：
5.1.缺少合理的加热源。为提高生物质碳转化率，气化温度一般设置在800℃以上，这导致外加热源温度至少保持在1000℃以上，目前燃烧燃气、燃油能够满足温度需求，但成本较高，经济效益差。
6.2.气化合成气中所含杂质较多，目标产物氢气浓度较低，须经后续处理才能进一步利用。另一方面，对于合成气的除尘通常采用旋风分离器结合传统的布袋除尘器，此工艺受限于操作温度及合成气中水分含量，同时布袋除尘效率相对高温陶瓷或金属过滤器而言除尘效率较低。
7.3.气化产生的焦油处理较难。现有的生物质气化制氢过程会产生大量的焦油，容易堵塞管道，致使工艺系统不能高效持久地运行。
8.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于提供一种基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其能够解决现有生物质气化制氢技术中能耗高、产气品质低、焦油难处理等问题。
10.为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，包括汽化炉、一级旋风分离器、焦油裂解器、余热锅炉、二级旋风分离器、过滤器、第一洗涤塔、第二洗涤塔、变换单元、变压吸附单元以及储气装置；汽化炉包括：生物质射流进料管设置在汽化炉的底部；v形气体分布器设置在汽化炉炉膛的下部；分布器进气管设置在汽化
炉的下部；及气化炉风室设置在汽化炉炉膛的底部，且位于v形气体分布器的下部，气化炉风室与分布器进气管连通；一级旋风分离器的中部通过管路与汽化炉上部的侧面连通；焦油裂解器的合成气进口与一级旋风分离器的顶部连通；余热锅炉顶部的进口与焦油裂解器的合成气出口连通；二级旋风分离器上部的粗合成气进口与余热锅炉下部冷却的粗合成气出口连接；过滤器与二级旋风分离器的顶部出口连通；第一洗涤塔下部的合成气入口通过烟气阀与过滤器的出口连通；第二洗涤塔下部的合成气入口通过燃气阀与过滤器的出口连通；变换单元与第二洗涤塔上部的合成气出口连通；变压吸附单元与变换单元连通；储气装置与变压吸附单元连通，储气装置用以储存终产物氢气。
11.在一优选的实施方式中，汽化炉还包括强混合区、深度气化区、锥形过渡区、固体燃料加料口以及排渣口；强混合区位于汽化炉炉膛的下部；深度气化区位于汽化炉炉膛的上部；锥形过渡区设置在强混合区与深度气化区之间；其中强混合区的截面积大于深度气化区的截面积；固体燃料加料口设置在强混合区的上部；排渣口设置在汽化炉的底部。
12.在一优选的实施方式中，基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置还包括返料器以及返料管；返料器通过管路与一级旋风分离器的下锥段连通；返料管的一端与返料器连通，另一端与强混合区的中部连通；其中返料管与强混合区的连通处位于v形气体分布器的上方。
13.在一优选的实施方式中，基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置还包括汽包、第一风机以及第二风机；汽包一侧上部的饱和水/汽进口与余热锅炉的水/汽侧顶部饱和水/汽出口连通，汽包底部的饱和水出口与余热锅炉下部的饱和水进口连通，汽包顶部的水蒸汽出口通过水蒸汽阀与分布器进气管连通；第一风机与汽包一侧的下部连通，第一风机用以将汽包产生的水蒸汽输送至分布器进气管；第二风机通过空气阀与分布器进气管连通，第二风机用以向布器进气管输送空气。
14.在一优选的实施方式中，基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置还包括灰斗，其与二级旋风分离器的底部连通。
15.在一优选的实施方式中，灰斗的底部、过滤器的底部以及变压吸附单元的底部同时通过管路与强混合区连通。
16.在一优选的实施方式中，灰斗的底部、过滤器的底部以及变压吸附单元的底部与强混合区的连通处位于v形气体分布器的上方。
17.在一优选的实施方式中，强混合区的截面积与深度气化区的截面积之比为1:0.6。
18.在一优选的实施方式中，基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置还包括烟囱，其与第一洗涤塔连通。
19.在一优选的实施方式中，当空气阀和烟气阀开启，水蒸汽阀和燃气阀关闭时，制氢装置处于燃烧阶段；当烟气阀关闭，空气阀、水蒸汽阀和燃气阀打开时，制氢装置处于气化阶段。
20.与现有技术相比，本实用新型的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置具有以下有益效果：通过设置截面积较大的下部强混合区和截面积较小的深度气化区，这种适宜的几何结构既可以维持固体燃料在截面积较大的下部强混合区足够长的停留时间，与空气/co2/h2o等气体发生充分的热解、气化和燃烧反应，提高燃烧和气化效率，以及减小锅炉本体体积，降低了锅炉成本；同时采用余热回收设备，回收热量产生副产水蒸汽，提高了气
化系统热效率；并且本装置运行稳定性高，初期投资和运行成本低、除尘效率高、合成气中有效气体含量高、适应性强。
附图说明
21.图1是根据本实用新型一实施方式的制氢装置的设备布置示意图。
22.主要附图标记说明：
23.1-排渣口，2-生物质射流进料管，3-v形气体分布器，4-分布器进气管，5-气化炉风室，6-固体燃料加料口，7-强混合区，8-锥形过渡区，9-深度气化区，10-气化炉炉膛，11-一级旋风分离器，12-返料器，13-返料管，14-焦油裂解器，15-余热锅炉，16-汽包，17-第一风机，18-第二风机，19-水蒸汽阀，20
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空气阀，21-二级旋风分离器，22-灰斗，23-过滤器，24-烟气阀，25-燃气阀， 26-第一洗涤塔，27-第二洗涤塔，28-烟囱，29-变换单元，30-变压吸附单元， 31-储气装置。
具体实施方式
24.下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
25.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
26.如图1所示，根据本实用新型优选实施方式的一种基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其主要包括气化炉底部侧面的生物质射流进料管2、气化炉风室5，设置在气化炉风室5底部的排渣口1、中部的分布器进气管4、上部的v形气体分布器3，v形气体分布器3上方的气化炉炉膛10，气化炉炉膛10由下部截面积较大的强混合区7、中间锥形过渡区8和上部截面积较小的深度气化区9三部分组成，在强混合区7上部设有煤等固体燃料加料口6，在深度气化区9上部通过管道与一级旋风分离器11连接，一级旋风分离器11 下端连接有返料器12，返料器12通过返料管13与强混合区7下部相连接，一级旋风分离器11顶部连接焦油裂解器14，焦油裂解器14合成气出口连接余热锅炉15顶部进口，余热锅炉15的水/汽侧与汽包16连接，汽包16底部饱和水出口与余热锅炉15饱和水进口连接，余热锅炉15的水/汽侧顶部饱和水/汽出口与汽包16饱和水/汽进口连接，汽包16的水蒸汽出口与分布器进气管4连接，余热锅炉15下部冷却的粗合成气出口连接有二级旋风分离器21 粗合成气进口，二级旋风分离器21底部连通有灰斗22，二级旋风分离器21 顶部出口连通着过滤器23，灰斗22锥段底部与过滤器23锥段底部合并连通至强混合区7，过滤器23出口分别连通第一洗涤塔26合成气入口和第二洗涤塔27合成气入口，第一洗涤塔26合成气出口连接有烟囱28，第二洗涤塔27 合成气出口连通有变换单元29，变换单元29出口与变压吸附单元30入口连通，变压吸附单元30出口连通有储气装置31。本实施例的整个制氢装置采用 dcs控制系统进行控制。
27.在一些实施方式中，本实施例的制氢装置主要采用蒙东褐煤和玉米秸秆作为燃料(蒙东褐煤只是示例性的，本实用新型并不以此为限)，炉膛的深度气化区和强混合区截面积之比为0.6:1。运行过程中，在燃烧阶段，空气阀20 和烟气阀24处于开启状态，蒙东褐煤通过进料装置被输送至固体燃料加料口6，蒙东褐煤首先在强混合区7内发生热解反应，然
后与从分布器进气管4进入的空气发生燃烧反应，放出热量，使气化炉炉膛10内温度升高，蒙东褐煤热解燃烧产生大量烟气由气化炉炉膛10进入一级旋风分离器11，被捕获的高温飞灰经返料器12被送至强混合区7中心高温段，燃烧后含有未被一级旋风分离器11分离细小粒子的烟气通过焦油裂解器14后进入余热锅炉15，经余热锅炉15吸收烟气余热后进入二级旋风分离器21分离出烟气中的飞灰颗粒，进入过滤器23进一步除尘降低飞灰浓度，然后送至下游的第一洗涤塔26进一步除尘净化，最后由烟囱28排出。当气化炉内温度升高到设定的气化温度时，燃烧阶段结束，此时关闭烟气阀24，打开水蒸汽阀19和燃气阀25，系统切换至气化阶段。
28.在一些实施方式中，本实施例的制氢装置在气化阶段，玉米秸秆经空气气力输送通过生物质射流进料管2，在生物质射流进料管2上方形成连续射流，汽包16产生的水蒸汽被第一风机17输送至气化炉的分布器进气管4，空气可由第二风机18输送至分布器进气管4，在炉内的高温条件下在强混合区7含有水蒸汽的气化剂与燃烧反应后剩余的蒙东褐煤焦炭以及瞬间热解后的玉米秸秆发生气化反应，在气流夹带下进入深度气化区9的粒径较小的褐煤/秸秆焦炭进一步发生气化反应，产生的富氢气体首先进入一级旋风分离器11，被捕获的高温飞灰经返料器12返回至强混合区7中心高温段，经一级旋风分离器11粗除尘后的富氢气体进入焦油裂解器14，在焦油裂解器14内与通入的 o2/h2o/空气等气体发生焦油及甲烷等碳氢化合物组份的裂解反应，经焦油裂解器14充分裂解后的含氢合成气进入连接有汽包16的余热锅炉15，以回收高温含氢合成气的显热，并副产过热水蒸汽，经余热回收后含氢合成气进入二级旋风分离器21，分离含氢合成气中的飞灰颗粒，经二级旋风分离器21除尘后的含氢合成气被送至过滤器23进一步除尘；然后经第二洗涤塔27进一步除尘、净化后送至变换单元29，合成气经变换单元29变换提氢后送至变压吸附单元30，经变压吸附单元30得到的终产物氢气进入储气装置31储存，分离出的副产物co2将灰斗22和过滤器23内收集的飞灰送至气化炉炉膛10。当炉温达到预设值系统又会切换至燃烧阶段以提升炉温，如此两个阶段往复循环制取富氢燃气。
29.综上所述，本实用新型的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置具有以下优点：通过设置截面积较大的下部强混合区和截面积较小的深度气化区，这种适宜的几何结构既可以维持固体燃料在截面积较大的下部强混合区足够长的停留时间，与空气/co2/h2o等气体发生充分的热解、气化和燃烧反应，提高燃烧和气化效率，以及减小锅炉本体体积，降低了锅炉成本；同时采用余热回收设备，回收热量产生副产水蒸汽，提高了气化系统热效率；并且本装置运行稳定性高，初期投资和运行成本低、除尘效率高、合成气中有效气体含量高、适应性强。
30.前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

技术特征：
1.一种基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其特征在于，包括：汽化炉，其包括：生物质射流进料管，其设置在所述汽化炉的底部；v形气体分布器，其设置在汽化炉炉膛的下部；分布器进气管，其设置在所述汽化炉的下部；气化炉风室，其设置在所述汽化炉炉膛的底部，且位于所述v形气体分布器的下部，所述气化炉风室与所述分布器进气管连通；强混合区，其位于所述汽化炉炉膛的下部；深度气化区，其位于所述汽化炉炉膛的上部；锥形过渡区，其设置在所述强混合区与所述深度气化区之间；其中所述强混合区的截面积大于所述深度气化区的截面积；及固体燃料加料口，其设置在所述强混合区的上部，所述固体燃料加料口用以将蒙东褐煤通过进料装置输送至强混合区；其中玉米秸秆经空气气力输送从所述汽化炉的底部向上通过所述生物质射流进料管，在生物质射流进料管的上方形成连续射流；一级旋风分离器，其中部通过管路与所述汽化炉上部的侧面连通；焦油裂解器，其合成气进口与所述一级旋风分离器的顶部连通；余热锅炉，其顶部的进口与所述焦油裂解器的合成气出口连通；二级旋风分离器，其上部的粗合成气进口与所述余热锅炉下部冷却的粗合成气出口连接；过滤器，其与所述二级旋风分离器的顶部出口连通；第一洗涤塔，其下部的合成气入口通过烟气阀与所述过滤器的出口连通；第二洗涤塔，其下部的合成气入口通过燃气阀与所述过滤器的出口连通；变换单元，其与所述第二洗涤塔上部的合成气出口连通；变压吸附单元，其与所述变换单元连通；以及储气装置，其与所述变压吸附单元连通，所述储气装置用以储存终产物氢气。2.如权利要求1所述的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其特征在于，所述汽化炉还包括排渣口，其设置在所述汽化炉的底部。3.如权利要求2所述的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其特征在于，还包括：返料器，其通过管路与所述一级旋风分离器的下锥段连通；以及返料管，其一端与所述返料器连通，另一端与所述强混合区的中部连通；其中所述返料管与所述强混合区的连通处位于所述v形气体分布器的上方。4.如权利要求2所述的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其特征在于，还包括：汽包，其一侧上部的饱和水/汽进口与所述余热锅炉的水/汽侧顶部饱和水/汽出口连通，所述汽包底部的饱和水出口与所述余热锅炉下部的饱和水进口连通，所述汽包顶部的水蒸汽出口通过水蒸汽阀与所述分布器进气管连通；第一风机，其与所述汽包一侧的下部连通，所述第一风机用以将所述汽包产生的水蒸
汽输送至所述分布器进气管；以及第二风机，其通过空气阀与所述分布器进气管连通，所述第二风机用以向所述分布器进气管输送空气。5.如权利要求3所述的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其特征在于，还包括灰斗，其与所述二级旋风分离器的底部连通。6.如权利要求5所述的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其特征在于，所述灰斗的底部、所述过滤器的底部以及所述变压吸附单元的底部同时通过管路与所述强混合区连通。7.如权利要求6所述的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其特征在于，所述灰斗的底部、所述过滤器的底部以及所述变压吸附单元的底部与所述强混合区的连通处位于所述v形气体分布器的上方。8.如权利要求2所述的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其特征在于，所述强混合区的截面积与所述深度气化区的截面积之比为1:0.6。9.如权利要求2所述的基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，其特征在于，还包括烟囱，其与所述第一洗涤塔连通。

技术总结
本实用新型公开了一种基于生物质和煤复合串行气化的制氢装置，包括一级旋风分离器的中部通过管路与汽化炉上部的侧面连通；焦油裂解器的合成气进口与一级旋风分离器的顶部连通；余热锅炉顶部的进口与焦油裂解器的合成气出口连通；二级旋风分离器上部的粗合成气进口与余热锅炉下部冷却的粗合成气出口连接；过滤器与二级旋风分离器的顶部出口连通；第一洗涤塔下部的合成气入口通过烟气阀与过滤器的出口连通；第二洗涤塔下部的合成气入口通过燃气阀与过滤器的出口连通；变换单元与第二洗涤塔上部的合成气出口连通；变压吸附单元与变换单元连通；储气装置与变压吸附单元连通，储气装置用以储存终产物氢气。可解决能耗高、品质低、焦油难处理等问题。焦油难处理等问题。焦油难处理等问题。


技术研发人员：刘芸 张源 姬爱民 田亚强 王洪利 李海英 陈连生
受保护的技术使用者：华北理工大学
技术研发日：2021.09.29
技术公布日：2022/5/25