一种生物质水蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统和方法

摘要

本发明提供了一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，包括生物质预处理干燥单元（1），水蒸汽低温热解单元（2），高温旋风分离单元（3），蒸汽催化重整单元（4），氢气冷却净化分离单元（5）；其中，所述生物质预处理干燥单元（1）依次连接水蒸汽低温热解单元（2），高温旋风分离单元（3），蒸汽催化重整单元（4），氢气冷却净化分离单元（5），所述生物质预处理干燥单元（1）的气体出口与高温旋风分离单元（3）连接。该系统将生物质物料干燥、水蒸汽低温热解、焦炭蒸汽活化和热解气体与水蒸汽催化重整整合在一起，不仅提高了热解过程中的热利用率，降低了后续工段热解空气中的粉尘和焦油含量，并且简化了活性炭和氢气的生产工艺，投资省，能耗低。

说明书

技术领域

本发明涉及化学化工技术领域，具体涉及一种生物质水蒸汽低温热解生产 活性炭和氢气的系统和方法。

背景技术

生物质低温热解是指在热解温度400℃以上，通过热化学反应将生 物质大分子（木质素、纤维素和半纤维素等）分解成小分子燃料物质 （焦炭、可燃气体和生物质焦油）的热化学转化技术。热解是生物质 燃烧和气化必不可少的初始阶段。其类型按热解温度可分为400～ 650℃的低温热解，650～850℃的中温热解和850～1100℃的高温热解 三种。在热解过程中，由于热量是先由热源传递到物料表面，再由物 料表面传递到物料内部，因而生物质的热解过程是由外至内逐层进行， 最终得到生物质焦油、可燃气体和焦炭。生物质热解的燃料能源转化 率一般在90%以上，可最大限度地将生物质能量转化为能源产品。

目前，我国使用的生物质热解气化技术，主要包括固定床、流化 床和直接干馏三种工艺形式。固定床气化一般采用空气作气化剂，设 备结构简单、易于操作、投资少；但是用空气作气化剂得到的生物质 燃气中N₂、O₂含量高，热值低（约5000kJ/Nm³），且可燃气体中焦油含 量高，易堵塞管路。流化床热解则多数采用固体热载体（加热砂子） 或气体热载体为热解过程提供热量；生物质颗粒和热载体间主要依靠 气体运动产生的曳力进行碰撞和混合，以实现动量交换和热量交换。 其优点是流化床内不含运动部件，结构简单，运行寿命长，处理量大； 但是流化气的引入也提高了系统的运行能耗成本，增加了气体产物中 的粉尘含量。而在普通生物质直接干馏中，也存在物料加热速率慢， 受热不均匀，热效率低等缺点。一方面，由于生物质焦油是高含氧量 的碳氢化合物，长时间贮存会发生相分离、沉淀，具有强腐蚀性，因 而在物理、化学性质上都存在不稳定因素。另一方面，生物质原料的 挥发分高、固定碳含量低，容重小，不利于气化。由于生物质中富含 氢，可通过裂解、自热重整、蒸汽重整等制氢工艺生产H₂，但是在生 物质水蒸汽催化热解气化制H₂工艺中，又存在传热传质速率低，催化 剂颗粒表面积炭严重，失活快，大量CO₂生成抑制了制H₂反应，降低了 生物质的制H₂效率。

可见寻求新的生物质能源高效利用技术，以充分提取生物质原料 中的有效成分，提高现有生物质转化效率是目前生物质利用研究的热 点领域，用木质纤维素生物质制取活性炭和氢气是生物质能源综合利 用的有效途径之一。

发明内容

本发明的目的是解决现有生物质热解气化技术中存在的部分问题，开发生 物质特别是可再生木质纤维素生物质能源，提供一种生物质水蒸汽低温热解生 产活性炭和氢气的系统和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统，包括生物质预处理干 燥单元1，水蒸汽低温热解单元2，高温旋风分离单元3，蒸汽催化重整单元4， 氢气冷却净化分离单元5；其中，所述生物质预处理干燥单元1依次连接水蒸汽 低温热解单元2，高温旋风分离单元3，蒸汽催化重整单元4，氢气冷却净化分离 单元5，所述生物质预处理干燥单元1的气体出口与高温旋风分离单元3连接。

所述生物质原料预处理干燥单元1设有多层倾斜的多孔导向隔板。

所述导向隔板开孔率为20-30%，孔径为1.5-3.0mm。

所述导向隔板与生物质原料预处理干燥单元1竖直平面的夹角为20°-40°，相 邻倾斜导向隔板的方向相反。

所述水蒸汽低温热解单元2设有多孔气体分布板，气体分布板的开孔率为 5-15%，孔径为0.5-1.5mm。

所述的蒸汽催化重整单元4包括管式加热炉装置和高温空气燃烧器，由高 温空气燃烧器在炉管外燃烧提供催化重整反应的热量。

根据生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统所用的方法，所述生物 质预处理干燥单元1采用热解气和水蒸汽的混合气作为热载体和流化介质。

在水蒸汽低温热解单元2采用水蒸汽作为热载体、流化介质和半焦化剂。

将催化剂置于所述管式加热炉装置的炉管内，使得热解气和蒸汽的混合气 体流经炉管时，在催化剂的作用下发生催化重整反应。

该系统生产活性炭和氢气的具体工艺过程如下：

（1）将生物质原料破碎到一定粒度（粒径范围：5.0～20mm）后，送入生 物质预处理干燥单元内预处理；生物质原料通过多孔导向隔板与流经导向隔板 的热解气体和水蒸汽的混合气体逆流接触、换热并被干燥。

（2）干燥后的物料进入水蒸汽低温热解单元，并均匀分布在多孔气体分布 板上，水蒸汽经多孔板均匀布气并将生物质颗粒流化加热。由于水蒸汽的热容 大，均匀分散在生物质颗粒间的孔隙里，使生物质颗粒的升温速率加快，迅速 热解。水蒸汽低温热解单元维持微正压操作，进入水蒸汽低温热解单元内的水 蒸汽温度为550～650℃，物料在水蒸汽低温热解室内停留30～90min，可保证水 蒸汽将焦炭充分活化。生物质颗粒的流化速度为临界流化速度Umf的1～3倍。在 水蒸汽气氛下生物质的低温热解除生物质自身的热解反应外，还可能存在以下 反应：

生物质与水蒸汽发生的气化反应：

C+H₂O→CO+H₂

当水蒸汽过量时，发生

CO+H₂O→CO₂+H₂

在低温条件下生物质与水蒸汽发生双水反应，

C+2H₂O→CO₂+2H₂

（3）高温热解气体（含水蒸汽）通过生物质预处理干燥单元后，热解气体 中的部分粉尘和焦油沉淀在生物质物料表面，经高温旋风分离元除尘后，进入 蒸汽催化重整单元。

（4）热解气体蒸汽催化重整单元采用管式加热炉装置。将镍基催化剂放置 于管式加热炉炉管内，用蓄热式高温空气燃烧器为热解气体蒸汽重整提供热量。 热解气体（含水蒸汽）在镍基催化剂作用下在蒸汽重整室内发生催化重整反应， 小分子烃类及含氧有机物继续裂解成CH₄、H₂、CO₂和CO等小分子气体，蒸汽重整 过程的氢产率高，温室气体排放量少。在500～850℃重整温度下，小分子烃类 和含氧有机物可与水蒸汽发生如下重整反应，

2C_nH_m+2nH₂O→nCO₂+（n+m/2）CH₄

CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂

（5）富氢气体经氢气冷却净化分离单元冷凝后送至后续工段分离氢气。

本发明提供的有益效果：生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气的系统和 方法将生物质物料干燥、水蒸汽低温热解、焦炭蒸汽活化和热解气体与水蒸汽 催化重整整合在一起，不仅提高了热解过程中的热利用率，降低了后续工段热 解空气中的粉尘和焦油含量，并且简化了活性炭和氢气的生产工艺，投资省， 能耗低。

附图说明

图1为本发明生物质蒸汽低温热解生产活性炭和氢气系统的工艺流程图

具体实施方式

为更好的说明本发明，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例 中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参照图1，本实施例以树皮、茎状农作物和锯木等为原料的生物质低温水蒸 汽热解制备活性炭和氢气为例，原料的处理量为0.5t/h，粒径为5.0～10.0mm， 收到基水分含量为15.0%。具体实施方式包括以下次序的工艺步骤：

（1）将粒径为5.0～10.0mm的生物质原料送入生物质预处理干燥单元1；物 料沿生物质预处理干燥室的导向多孔隔板向下移动，与通过导向隔板的热解气 体和水蒸汽的混合物逆流接触、换热并干燥。导向隔板开孔率为20.0%，孔径为 1.5mm；

（2）干燥后的物料进入水蒸汽低温热解单元2，并均匀分布在水蒸汽低温 热解室2的多孔气体分布板上，多孔板开孔率为5.0%，孔径为0.5mm。温度为550 ℃的水蒸汽热载体通过多孔板，将生物质颗粒流化并加热。颗粒的流化速度为 其临界流化速度的2倍；由于水蒸汽的热容大，当其分散在颗粒孔隙时，可使颗 粒升温速率增大，迅速热解。生物质在热解单元内的停留时间为60min。

（3）高温热解气体（含水蒸汽）通过生物质原料预处理干燥单元1后，热 解气体中的部分粉尘和焦油沉积在生物质表面，热解气体再经高温旋风分离单 元3除尘后，进入蒸汽催化重整单元4。

（4）将镍基催化剂置于蒸汽催化重整单元4的炉管内，在温度为750℃的水 蒸汽存在条件下，热解气体中的小分子烃类及含氧有机物在镍基催化剂作用下 在蒸汽催化重整单元4内发生催化重整反应，裂解成CH₄、H₂、CO₂和CO等小分子 气体。

（5）富氢气体混合物经氢气冷却净化分离单元5冷凝除尘后送至后续工序 分离氢气。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及进步：

（1）将生物质的干燥、水蒸汽低温热解、焦炭水蒸汽活化生产活性炭和热 解气体与水蒸汽的催化重整反应整合在一起，利用热解气体与水蒸汽的混合气 体对生物质原料进行干燥预处理，可提高热解过程的热利用率；另外，热解气 体在流经干燥室的过程中可沉积部分焦油、杂质和灰分，可降低后续工段热解 气体中的粉尘和焦油含量；

（2）使用管式加热炉，热解气体经催化重整后可得到高热值、强还原性的 富氢气体；

（3）用水蒸汽作为热载体和活性炭制备的活化剂，可一步法生产高比表面 积的活性炭，省去了传统活性炭制备过程中的CO₂活化步骤，简化了活性炭的生 产工艺；

（4）与传统制氢气工艺相比，该方法生产氢气的投资省，能耗低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求书的保护范围为准。