一种基于碱金属吸附-分离-电解循环的生物质制氢方法

本发明涉及一种基于碱金属吸附-分离-电解循环的生物质制氢方法，属于燃烧化工与材料。

背景技术：

1、随着全球能源需求的增长和化石能源的枯竭，寻找新的可再生能源来源已成为一个重要的研究方向。生物质能是指通过利用植物、动物和微生物等生物体的光合作用、呼吸作用、代谢作用和消化吸收等过程产生的能量。生物质能是一种可再生的能源，其可持续性和环保性使其成为了一种备受关注的发展方向。

2、生物质制氢作为一种可再生的能源来源具有很高的应用前景，其通过生物质的热解、气化等方式将其转化为氢气，并具有环保、低碳等优势。生物质制氢的方法包括生物法、热化学法、电化学法、光化学法等。氢氧化钾基吸附增强生物质制氢方法是近年来出现的一种新技术，其利用氢氧化钾在生物质制氢过程中对反应物的吸附作用，可增强生物质的转化过程，并提高产氢效率。此技术不仅可以使用成本较低的材料作为催化剂，而且还可以减少反应副产物的生成，从而减轻环境污染问题。因此，该技术具有广泛的应用前景，在生物质制氢领域发挥着重要作用。目前，生物质制氢技术还面临一些挑战，如生产工艺复杂、产氢效率低、催化剂使用成本高等。其中，废气中的co2和其他杂质是制约氢气纯度的重要因素之一。此外，生物质制氢也需要更加环保和经济的方法来提高产气效率。

3、因此，需要开发一种更加高效、环保、经济的生物质制氢方法。本发明提供了一种基于碱金属吸附-分离-电解循环的生物质制氢方法，该方法可以通过氢氧化钾吸附剂去除废气中的co2和其他杂质，从而提高反应产物中氢气的纯度，同时也能在相对温和的条件下反应生物质，减少能耗和成本。

4、生物质催化气化一般具有特定的目标产物，例如能量密度高的h2或化工原料合成气。然而，现阶段生物质催化气化过程制得的气体产物焦油含量较高，h2占比低，存在一定co2，热值偏低，难以并网使用。而用作化工原料则存在co产量高，且调控困难，无法直接后续利用等问题。专利cn 111377398 a提供了一种利用催化剂(钙基载体+co、fe)促进生物质气化制取氢气的一种方法，其主要利用ca对co2的选择性吸附作用，并通过额外添加的活性物质(co、fe)对焦油进行催化，在高温条件下制备氢气。然而，该方法存在需要较高温度条件、催化剂制备过程繁琐、活性组分成本较高等问题。

技术实现思路

1、本发明的内容为一种基于碱金属吸附-分离-电解循环的生物质制氢方法。该方法基于将生物质与氢氧化钾混合反应，通过氢氧化钾吸附剂去除废气中的co2和其他杂质，然后在催化剂的作用下继续反应生成氢气。该方法可以在相对温和的条件下反应生物质，减少能耗和成本，同时也具有环保、经济和高效的特点。通过催化剂的选择和优化，可以调节反应速率和选择性。该方法在生物质能生产的实际应用中具有广泛的应用前景。

2、本发明首先公开了一种基于碱金属吸附-分离-电解循环的生物质制氢方法，包括以下步骤：

3、步骤1)：将koh溶液与生物质废弃粉末置于超声震荡仪中室温振荡处理后，静置、除去上清液，浸渍处理的生物质样品；

4、步骤2)：将浸渍处理的生物质样品进行脱水碾磨处理，过筛后得到气化前体原料；

5、步骤3)：将气化前体原料置于固定床反应器中快速气化，结束后得到的合成气与固体产物；

6、步骤4)：将步骤3)所得固体产物经水洗处理，得到高价值碳材料，同时回收含有k2co3的水洗废弃液；

7、步骤5)：将步骤4)回收的含有k2co3的水洗废弃液用于工业制取koh技术中原料除杂过程，通过隔膜电解法得到精制的kcl溶液，经预热后进行电解，得koh、cl2和h2；

8、步骤6)：步骤5)的电解液通过太阳能蒸发浓缩和冷却澄清，经浓缩、脱色，制得固体koh，或经制片成片状koh产品。

9、进一步地，步骤1)所述生物质废弃物粉末的标准为：1％<含水率<10％，0.02mm<粒径<0.15mm。

10、进一步地，步骤1)所述超声震荡时间为10～15h；所述koh溶液和生物质废弃物粉末的质量比为0～8:1。

11、进一步地，所述koh溶液和生物质废弃物粉末的质量比为8:1。

12、进一步地，步骤2)所述脱水碾磨处理包括：

13、将浸渍处理的生物质样品置于鼓风干燥箱中以100～120℃烘干10～15h后，碾磨过100目筛。

14、进一步地，步骤3)所述固定床反应器包括：

15、不锈钢管固定床反应器和用于对不锈钢管进行加热的横式管式炉，不锈钢管固定床反应器水平设置于横式管式炉内，且不锈钢管固定床反应器的右端穿出所述横式管式炉；不锈钢管固定床反应器内设有上端敞口的镍舟；其中：

16、不锈钢管固定床反应器的左侧连接有用以通入h2o蒸汽的进气管道，不锈钢管固定床反应器的右侧通过管路连接有气体收集装置。

17、进一步地，采用所述固定床反应器，对气化前体原料进行气化反应的操作步骤如下：

18、s1：气化前体原料置于镍舟中，并将镍舟先调节至不锈钢管固定床反应器的中部，使镍舟设于横式管式炉的中央；通过横式管式炉对不锈钢管固定床反应器进行加热升温；

19、s2：待不锈钢管固定床反应器的温度上升至设定温度进行气化，不锈钢管固定床反应器右侧排出的气体通过气体收集装置进行收集，即得到气化气体产物。

20、进一步地，步骤3)所述气化温度为500～600℃；

21、所述气化产生的合成气包括：h2、co、ch4和co2；该四种成分在气化气中的总体积分数为85％～95％。

22、进一步地，所述h2成分在h2、co、ch4和co2四种成分中的体积百分含量在70％～90％。

23、进一步地，所述气化温度为550～600℃。

24、本发明的有益效果在于：

25、1.利用钾浸渍生物质废弃物粉末，促进生物质气化过程中的催化脱碳作用，使气化气相产物中h2占比达到80％以上，且co2基本完全脱除，大大增加了生物质气化气体的可利用性。

26、2.本发明的生物质废弃物粉末廉价，来源广泛，合成气中h2、co比例可人为调控，易后续利用，如将其用于费托合成来获取高附加值产品。

27、3.相较于目前双室反应器+氧载体生物质气化制氢的反应过程，本发明对反应装置要求较低，如普通固定床反应器即可完成。

28、4.碱及碱土金属含量在生物质气化中起着至关重要的作用。碱及碱土金属不仅可以提高生物质气化的反应性能，还能改变气化产物分布，提升产物品质。其中钾具有优异的催化性能，是对气化产物分布影响最大的金属元素，钾的添加可以促进生物质气化中有机组分的裂解；因此，在生物质中添加钾元素不仅能促进生物质催化气化过程，还能调节气化产物中二氧化碳的平衡，增加h2产物组分，达到协同效果。本发明选用koh共浸渍生物质，协同催化生物质气化原位脱碳制富氢气体。

技术特征：

1.一种基于碱金属吸附-分离-电解循环的生物质制氢方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的生物质制氢方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的生物质制氢方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的生物质制氢方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的生物质制氢方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的生物质制氢方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的生物质制氢方法，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的生物质制氢方法，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的生物质制氢方法，其特征在于：

10.根据权利要求8所述的生物质制氢方法，其特征在于：

技术总结本发明公开了一种基于碱金属吸附‑分离‑电解循环的生物质制氢方法，该方法通过KOH与生物质各组分之间的相互反应作用，实现了生物质的高效气化制氢。它将KOH溶液浸渍生物质废弃粉末，脱水研磨处理后得到气化前体原料；随后取适量的气化原料，气化制得富氢气体产物。本发明基于钾元素对生物质的气化挥发分催化与脱碳的作用，促进生物质气化提纯，制得富氢气体。氢氧化钾引入的钾元素可以显著提高生物质气化气体产物中氢气的含量，气化气体中氢气体积百分数显著提升并同时达到CO<subgt;2</subgt;脱除及碳材料制备的效果。本发明原料易得，气化气体中氢气占比高，获得的合成气组分占比可调，反应后得到的固体产物经水洗可得到高价值碳材料。技术研发人员：孙朝,王爔晨,孙志强受保护的技术使用者：中南大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4