联产合成气及富氢气体的装置及方法与流程

本发明涉及生物质制氢，特别涉及一种联产合成气及富氢气体的装置及方法。

背景技术：

1、作为一种高效清洁能源，氢能发展正当其时，在以生物质为原料制氢的各种技术路线中，利用流化床反应器进行高效热转化以制取富氢气体前景比较可观。

2、传统的流化床反应器燃烧与气化过程在同一反应器中进行导致合成气被部分燃烧，产率较低。现有技术中已存在双流化床的应用，双流化床反应器具有如下优势：其将燃烧与气化进行解耦，间接加热，产氢率较高；燃烧室与气化室之间仅有固体与热量的高效交换，能够以较小体积实现高热通量与高处理量；焦油含量比常规路线低，便于后续脱焦油处理。在使用水蒸气作为外加氢源时，可以产出40％到60％的氢气，结合原位吸收二氧化碳的aer技术，产生的氢气浓度可达78％，然而由于生物质副产甲烷、烃类、一氧化碳以及二氧化碳等气体，氢气浓度的提高存在上限。

3、中国专利申请cn109704278a公开了一种双流化床生物质热解气化制备氢气的装置及方法，该双流化床包括流化床热解炉、流化床燃烧炉，流化床热解炉包括热解炉提升管，热解炉提升管后端连接有热解炉旋风分离器，热解炉旋风分离器上部连接变换反应器，同时下部连接至热解炉返料阀，热解炉返料阀另一出口与流化床燃烧炉连接，流化床燃烧炉包括燃烧炉提升管；热解炉返料阀另一出口与燃烧炉提升管底部相连；燃烧炉提升管中部设载氧体旋风分离器，顶部设co2吸收剂旋风分离器；该方案制备过程中无需纯氧作为气化剂，系统仅需要补充空气作为气化即可以满足生产需求，生产成本低廉，且热解炉不使用空气进行流化，其生物质燃气中的有效组分含量高。

4、微波移动床则由于微波具有可穿透物质、均匀震荡极性分子达到均匀加热的特点，而且诸多研究也证明微波非热效应可提高化学反应的速度，故近年来备受青睐。然而，生物质在微波场下通过移动床进行气化需要达到900℃的温度，电能消耗较高，但产出的氢气浓度较低，大约在30％到50％之间，焦油含量较高。

5、化学链制氢是一种新兴绿色制氢技术，利用生物质废物制取负炭绿氢，工艺以金属基载氧体为中介，借助电子和氧的晶格内迁移，将燃料的氧化还原反应解构为还原、蒸汽氧化、空气氧化三个阶段，在不同阶段分别产出浓度90％到99％的氢气，然而其能耗以及燃料成本较高，多使用甲烷等作为燃料。

6、因此，亟需一种联产合成气及富氢气体的装置及方法，不仅可以获得90％到99％纯度的氢气，还能有效解决化学链制氢与生物质微波制氢的成本问题。

7、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，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。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种联产合成气及富氢气体的装置及方法，通过使用生物质作为原料、采用化学链制氢工艺，并将微波移动床和双流化床进行结合，能够联产合成气、高纯氢气与二氧化碳。

2、为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种联产合成气及富氢气体的装置，包括：微波移动床，其在生物质螺旋进料的过程中通过微波进行加热，加热温度为400-500℃；加热后产生合成气和焦炭颗粒，合成气直接排出；双流化床，其包括燃烧室和制氢室；燃烧室通入氧气、接收焦炭颗粒并与作为床料的高价铁基氧载体发生反应，反应过程中呈现鼓泡流化状态，生成二氧化碳、低价铁基氧载体或铁单质；制氢室接收低价铁基氧载体或铁单质并与通入的水蒸气发生反应产生氢气和高价铁基氧载体；该高价铁基氧载体被搬运回燃烧室，完成氧载体的循环再生。

3、进一步，上述技术方案中，微波移动床可包括：推料螺旋机构，其包括推料螺旋和透波管，该推料螺旋设置在透波管围合而成的微波移动床中，用于将来自进料口的生物质原料螺旋进给至双流化床的燃烧室中；微波源，其数量为多个且固定在微波腔体外壳上，在螺旋进给的过程中对生物质原料进行微波加热；透波管和微波腔体外壳之间填充保温内衬。

4、进一步，上述技术方案中，微波源可采用微波频率为915mhz的磁控管。

5、进一步，上述技术方案中，推料螺旋和微波腔体外壳可以为金属材质；透波管可以为石英材质；保温内衬可采用陶瓷纤维。

6、进一步，上述技术方案中，微波源可均匀排布在微波腔体外壳上，排布方式可采用错排或并排的方式。

7、进一步，上述技术方案中，推料螺旋末端设置截止波导管，可用于防止微波进入双流化床的燃烧室并与氧气接触发生燃爆。

8、进一步，上述技术方案中，双流化床还可包括：下返料器，其设有松动室和返料室；该松动室接收来自燃烧室下部出料口的低价铁基氧载体或铁单质以及灰颗粒，并在产生料封的同时通过底部松动风形成颗粒的初步分层；该返料室通过底部返料风将来自松动室的颗粒搬运至惯性分离器。惯性分离器，其为腔室结构且在中部竖向设置由多孔材料组成的挡板，用于筛除灰颗粒，在惯性作用下通过挡板的低价铁基氧载体或铁单质进入制氢室。

9、进一步，上述技术方案中，双流化床还可包括：旋风分离器，其与制氢室的顶部连通，用于分离在制氢室产生的氢气和高价铁基氧载体；上返料器，其设有松动室和返料室；该松动室接收来自旋风分离器分离后的高价铁基氧载体并形成料封；通过该返料室底部的返料风将高价铁基氧载体搬运至燃烧室上部的进料口。

10、进一步，上述技术方案中，燃烧室顶部设有二氧化碳排气口，用于对二氧化碳进行回收封存或将二氧化碳气体作为下返料器的松动风使用。

11、为实现上述目的，根据本发明的第二方面，本发明提供了一种联产合成气及富氢气体的方法，包括如下步骤：a、在生物质螺旋进料的过程中通过微波进行加热，加热温度为400-500℃；加热后产生合成气和焦炭颗粒，合成气直接排出；b、向燃烧室通入氧气，在燃烧室中焦炭颗粒与作为床料的高价铁基氧载体发生反应，反应过程中呈现鼓泡流化状态，生成二氧化碳、低价铁基氧载体或铁单质；向制氢室通入水蒸气，在制氢室中低价铁基氧载体或铁单质与水蒸气发生反应产生氢气和高价铁基氧载体；将该高价铁基氧载体搬运回燃烧室，完成氧载体的循环再生。

12、进一步，上述技术方案中，步骤b中，在燃烧室和制氢室之间还可进行下返料料封以及将低价铁基氧载体或铁单质和灰颗粒进行分离的步骤。

13、进一步，上述技术方案中，步骤b中，在制氢室和燃烧室之间还可进行将氢气与高价铁基氧载体进行分离以及上返料料封的步骤。

14、进一步，上述技术方案中，燃烧室中生成的二氧化碳可直接作为产品排出或封存，和/或，可作为下返料料封的松动风使用。

15、进一步，上述技术方案中，氢气纯度可达到90％至99％。

16、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

17、1)本发明将微波移动床与双流化床两种反应器的优势相结合，能够联产合成气、高纯氢气与二氧化碳；

18、2)本发明使用低成本的生物质燃料，微波仅对生物质进行初步热解，在为化学链制氢提供所需热量的同时，可有效提高整个工艺的经济性，解决了化学链制氢与生物质微波制氢的成本问题；

19、3)本发明采用化学链制氢的工艺，生物质微波热解后的碳元素只在燃烧室进行燃烧，产生纯度较高的二氧化碳，可便于后期二氧化碳的封存，将整个工艺由零碳技术变为负碳技术，提高环保性；

20、4)本发明水蒸气中的氢元素只在制氢室产氢，在燃烧室和制氢室之间通过化学链制氢的金属氧载体只进行热量与氧元素的传输，因此可以产生90％到99％纯度的氢气；

21、5)本发明通过使用下返料器中不同流速的松动风和返料风，较高流速的松动风可将氧载体颗粒与灰颗粒进行充分流化并分层，从而初步分离氧载体颗粒与灰颗粒；通过使用惯性分离器，在初步分离的基础上，可进一步将灰颗粒筛除，以便实现进入制氢室的固体颗粒基本均为氧载体颗粒，可最大限度地将碳元素排除在制氢室之外，进而最大限度地提高制备氢气的纯度。

22、上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。