内热式生物质气化制氢系统及其制氢方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107353938 A(43)申请公布日 2017.11.17

(21)申请号 201710602585.8(22)申请日 2017.07.21

(71)申请人 福州大学

地址 362251 福建省泉州市晋江市金井镇

七匹狼工业园区福州大学晋江研究院海洋工程研究中心(72)发明人 沈英　沈元兴　谢友坪　陈剑锋　(74)专利代理机构 福州元创专利商标代理有限

公司 35100

代理人 蔡学俊(51)Int.Cl.

C10J 3/20(2006.01)C10J 3/30(2006.01)C10J 3/72(2006.01)

()发明名称

内热式生物质气化制氢系统及其制氢方法(57)摘要

本发明涉及一种内热式生物质气化制氢系统，包括经管道依次连通的气化介质发生器、气化炉装置、混合气冷凝装置以及气体成分分析装置，所述气化介质发生器位于气化炉装置的顶部并固连为一体。该系统以生物质自身热量为能量来源，完成气化反应，得到氢气及其他副产物。针对不同生物质类型，调节气化介质发生器中的空气和水蒸气比例，生物质的粒径和含水率，催化剂等参数，提高氢气产量。该内热式生物质气化制氢系统的结构简单，既能实现低能耗的制氢工艺，又能降低气化过程的焦油，从而实现生物质的高效清洁利用。CN 107353938 A权利要求书2页 说明书5页 附图2页

CN 107353938 A

权　利　要　求　书

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1.一种内热式生物质气化制氢系统，其特征在于：包括经管道依次连通的气化介质发生器、气化炉装置、混合气冷凝装置以及气体成分分析装置，所述气化介质发生器位于气化炉装置的顶部并固连为一体。

2.根据权利要求1所述的内热式生物质气化制氢系统，其特征在于：所述气化介质发生器由空气发生器与发生器两部分组成，所述空气发生器包括经管道依次连接的空压机、干燥器、调压阀以及空气流量计；所述发生器包括储水槽，所述储水槽上设有电阻式加热棒、进水阀、蒸汽出气阀，所述蒸汽出气阀经混合管路与空气流量计连接，所述混合管路再与气化炉装置连接，所述电阻式加热棒与电压调节器电性连接。

3.根据权利要求2所述的内热式生物质气化制氢系统，其特征在于：所述气化炉装置包括位于储水槽底部的反应室，所述储水槽的底部与反应室连通，所述反应室的上方设有两个反应室侧气阀，所述反应室的腔体至上往下依次均匀分布有三个k型热电偶，三个k型热电偶与温控仪电性连接。

4.根据权利要求3所述的内热式生物质气化制氢系统，其特征在于：所述反应室底部固连有炉底，所述炉底上设有炉底气阀与两个炉底侧气阀；所述炉底下方由炉底座支撑。

5.根据权利要求4所述的内热式生物质气化制氢系统，其特征在于：所述混合气冷凝装置由一级水冷装置与二级冰冷装置组成，所述一级水冷装置包括储水箱，所述储水箱的内部设有一级储气瓶，所述一级储气瓶的顶部经第一管道与其中一个炉底侧气阀连接，所述二级冰冷装置包括储冰箱，所述储冰箱的内部设有二级储气瓶，所述二级储气瓶的顶部与一级储气瓶的顶部之间经第二管道连通，所述二级储气瓶的顶部经第三管道与干燥器连接。

6.根据权利要求5所述的内热式生物质气化制氢系统，其特征在于：所述气体成分分析装置由氢气检测仪、一氧化碳检测仪、二氧化碳检测仪、甲烷检测仪与氧气检测仪组成并通过分流管道进行连接；所述气体成分分析装置的后端经管道连接有混合气流量计。

7.根据权利要求4所述的内热式生物质气化制氢系统，其特征在于：所述储水槽与反应室之间、炉底与反应室之间均经快速夹紧器进行连接，所述快速夹紧器均包括倒U形的夹体，所述夹体的开口上方竖直螺接有螺杆，所述螺杆的底部固设有上压头，所述螺杆的顶部设有旋转扳手，所述储水槽的底部、反应室的两端、炉底的顶部均设有连接法兰，两相接的连接法兰间均设有耐高温密封垫圈，并一同夹紧在上压头与夹体的下方开口之间。

8.根据权利要求3所述的内热式生物质气化制氢系统，其特征在于：所述混合管路包括口字形的第一管路，所述蒸汽出气阀与第一管路的顶部连通，所述空气流量计与第一管路的底部连通，所述第一管路的中部分别经第二管路与两个反应室侧气阀连通。

9.一种内热式生物质气化制氢系统的制氢方法，其特征在于，采用如权利要求1-8所述的任一种内热式生物质气化制氢系统，并按以下步骤进行：（1）将生物质进行脱水干燥处理，降低生物质的含水量至0-30%；（2）取步骤（1）预处理后的生物质填满气化炉装置的反应室，为提高生物质密度，生物质粒径应控制在0～30mm；（3）打开反应室上方的两个反应室侧气阀以及炉底的一个炉底侧气阀，其他气阀关闭，然后打开空压机，调节调压阀使空气流量保持在合适的流速范围内，打开温控仪、气体成分分析装置以及电脑与之对应的上位机；

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（4）在填满生物质的反应室上方用点火均匀点燃生物质，盖上发生器的储水槽，扣上快速夹紧器，打开进水阀与蒸汽出气阀，然后注入自来水，气化全程液面的最高水位不应超过总容积的80%；（5）观察反应过程中反应室最上方k型热电偶的温度变化曲线，当反应室最上方的k型热电偶达到制氢温度峰值时，反应室内部燃烧已趋于稳定，此时打开电压调节器,其调压范围为135v～220v，对应蒸汽量为0.15～0.8L/h，按不同生物质最佳的蒸汽配比进行调节，使生物质与空气进行气化制氢反应；（6）待反应室最下方设置的温度传感器过峰值温度10min后，生物质已基本反应完全，关闭空压机，气化反应结束。

10.根据权利要求9所述的内热式生物质气化制氢系统的制氢方法，其特征在于：空气进气量为8～25L/min；所述生物质为木质类、果核类、壳类等农、林业生物质；在生物质中加入适量白云石、生物炭、镍基催化剂，可提高氢气产率。

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说　明　书

内热式生物质气化制氢系统及其制氢方法

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技术领域

[0001]本发明涉及一种内热式生物质气化制氢系统及其制氢方法，属于制氢技术领域。背景技术

[0002]近年来，化石燃料日益枯竭，环境污染日趋严重的问题一直是人们关注的焦点。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，由于氢具有燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快且燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源，因此，氢能是最佳的能源载体和燃料，近年来许多学者致力于制氢研究。传统的制氢设备结构与工艺复杂，能耗大，制氢效率低，结构不紧凑。发明内容

[0003]鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种内热式生物质气化制氢系统及其制氢方法，不仅结构简单，而且便捷高效。[0004]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种内热式生物质气化制氢系统，包括经管道依次连通的气化介质发生器、气化炉装置、混合气冷凝装置以及气体成分分析装置，所述气化介质发生器位于气化炉装置的顶部并固连为一体。[0005]优选的，所述气化介质发生器由空气发生器与发生器两部分组成，所述空气发生器包括经管道依次连接的空压机、干燥器、调压阀以及空气流量计；所述发生器包括储水槽，所述储水槽上设有电阻式加热棒、进水阀、蒸汽出气阀，所述蒸汽出气阀经混合管路与空气流量计连接，所述混合管路再与气化炉装置连接，所述电阻式加热棒与电压调节器电性连接。

[0006]优选的，所述气化炉装置包括位于储水槽底部的反应室，所述储水槽的底部与反应室连通，所述反应室的上方设有两个反应室侧气阀，所述反应室的腔体至上往下依次均匀分布有三个k型热电偶，三个k型热电偶与温控仪电性连接。[0007]优选的，所述反应室底部固连有炉底，所述炉底上设有炉底气阀与两个炉底侧气阀；所述炉底下方由炉底座支撑。[0008]优选的，所述混合气冷凝装置由一级水冷装置与二级冰冷装置组成，所述一级水冷装置包括储水箱，所述储水箱的内部设有一级储气瓶，所述一级储气瓶的顶部经第一管道与其中一个炉底侧气阀连接，所述二级冰冷装置包括储冰箱，所述储冰箱的内部设有二级储气瓶，所述二级储气瓶的顶部与一级储气瓶的顶部之间经第二管道连通，所述二级储气瓶的顶部经第三管道与干燥器连接。[0009]优选的，所述气体成分分析装置由氢气检测仪、一氧化碳检测仪、二氧化碳检测仪、甲烷检测仪与氧气检测仪组成并通过分流管道进行连接；所述气体成分分析装置的后端经管道连接有混合气流量计。[0010]优选的，所述储水槽与反应室之间、炉底与反应室之间均经快速夹紧器进行连接，所述快速夹紧器均包括倒U形的夹体，所述夹体的开口上方竖直螺接有螺杆，所述螺杆的底

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部固设有上压头，所述螺杆的顶部设有旋转扳手，所述储水槽的底部、反应室的两端、炉底的顶部均设有连接法兰，两相接的连接法兰间均设有耐高温密封垫圈，并一同夹紧在上压头与夹体的下方开口之间。[0011]优选的，所述混合管路包括口字形的第一管路，所述蒸汽出气阀与第一管路的顶部连通，所述空气流量计与第一管路的底部连通，所述第一管路的中部分别经第二管路与两个反应室侧气阀连通。

[0012]一种内热式生物质气化制氢系统的制氢方法，按以下步骤进行：

（1）将生物质进行脱水干燥处理，降低生物质的含水量至0-30%，所述生物质为木质类、果核类、壳类等农、林业生物质；

（2）取步骤（1）预处理后的生物质填满气化炉装置的反应室，为提高生物质密度，生物质粒径应控制在0～30mm；

（3）打开反应室上方的两个反应室侧气阀以及炉底的一个炉底侧气阀，其他气阀关闭，然后打开空压机，调节调压阀使空气流量保持在合适的流速范围内，打开温控仪、气体成分分析装置以及电脑与之对应的上位机；

（4）在填满生物质的反应室上方用点火均匀点燃生物质，盖上发生器的储水槽，扣上快速夹紧器，打开进水阀与蒸汽出气阀，然后注入自来水，气化全程液面的最高水位不应超过总容积的80%；

（5）观察反应过程中反应室最上方k型热电偶的温度变化曲线，当反应室最上方的k型热电偶达到制氢温度峰值时，反应室内部燃烧已趋于稳定，此时打开电压调节器,其调压范围为135v～220v，对应蒸汽量为0.15～0.8L/h，按不同生物质最佳的蒸汽配比进行调节，使生物质与空气进行气化制氢反应；

（6）待反应室最下方设置的温度传感器过峰值温度10min后，生物质已基本反应完全，关闭空压机，气化反应结束。[0013]优选的，空气进气量为8～25L/min；所述生物质为木质类、果核类、壳类等农、林业生物质；在生物质中加入适量白云石、生物炭、镍基催化剂，可提高氢气产率。[0014]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该内热式生物质气化制氢系统的结构简单，占地小；气化介质发生器位于气化炉装置的顶部，设计成一个整体，呈立式结构，使得气化介质发生器的发生器不仅可以利用部分气化过程的热能，还大大减小了气化系统的体积；既能实现低能耗的制氢工艺，又能降低气化过程的焦油，从而实现生物质的高效清洁利用。

[0015]下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。附图说明

[0016]图1为本发明实施例的构造示意图。

[0017]图2为本发明实施例中快速夹紧器的构造示意图。

具体实施方式

[0018]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

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如图1~2所示，一种内热式生物质气化制氢系统，包括经管道依次连通的气化介质

发生器、气化炉装置、混合气冷凝装置以及气体成分分析装置1，所述气化介质发生器位于气化炉装置的顶部并固连为一体。[0020]在本发明实施例中，所述气化介质发生器由空气发生器2与发生器3两部分组成，所述空气发生器包括经管道依次连接的空压机4、干燥器5、调压阀6以及空气流量计7；所述发生器包括储水槽8，所述储水槽上设有电阻式加热棒9、进水阀10、蒸汽出气阀11，所述蒸汽出气阀经混合管路与空气流量计连接，所述混合管路再与气化炉装置连接，所述电阻式加热棒与电压调节器12电性连接。[0021]在本发明实施例中，所述气化炉装置包括位于储水槽底部的反应室13，所述储水槽的底部与反应室连通，所述反应室的上方设有两个反应室侧气阀14，所述反应室的腔体至上往下依次均匀分布有三个k型热电偶15，三个k型热电偶与温控仪电性16连接。[0022]在本发明实施例中，所述反应室底部固连有炉底17，所述炉底上设有炉底气阀36与两个炉底侧气阀18；所述炉底下方由炉底座19支撑。[0023]在本发明实施例中，所述混合气冷凝装置由一级水冷装置与二级冰冷装置组成，所述一级水冷装置包括储水箱20，所述储水箱的内部设有一级储气瓶21，所述一级储气瓶的顶部经第一管道22与其中一个炉底侧气阀连接，所述二级冰冷装置包括储冰箱23，所述储冰箱的内部设有二级储气瓶24，所述二级储气瓶的顶部与一级储气瓶的顶部之间经第二管道25连通，所述二级储气瓶的顶部经第三管道26与干燥器27连接。[0024]在本发明实施例中，所述气体成分分析装置由氢气检测仪、一氧化碳检测仪、二氧化碳检测仪、甲烷检测仪与氧气检测仪组成并通过分流管道进行连接；所述气体成分分析装置的后端经管道连接有混合气流量计28。[0025]在本发明实施例中，所述储水槽与反应室之间、炉底与反应室之间均经快速夹紧器37进行连接，所述快速夹紧器均包括倒U形的夹体29，所述夹体的开口上方竖直螺接有螺杆30，所述螺杆的底部固设有上压头31，所述螺杆的顶部设有旋转扳手32，所述储水槽的底部、反应室的两端、炉底的顶部均设有连接法兰33，两相接的连接法兰间均设有耐高温密封垫圈，并一同夹紧在上压头与夹体的下方开口之间，采用快速夹紧器进行连接，使装置便于拆装。

[0026]在本发明实施例中，所述混合管路包括口字形的第一管路34，所述蒸汽出气阀与第一管路的顶部连通，所述空气流量计与第一管路的底部连通，所述第一管路的中部分别经第二管路35与两个反应室侧气阀连通。[0027]在本发明实施例中，所述发生器位于反应室的顶部，可以作为反应室的炉顶，所述发生器的储水槽、反应室以及炉底均为耐高温金属外壳的圆柱形腔体；反应室上、下方均分布两根相互对称的限位螺栓38；储水槽、炉底与反应室连接处均设有耐高温密封垫圈；反应室的外表面设有隔热层；炉底与反应室连接处含有分隔板，所述反应室的外部设有手柄39。[0028]一种内热式生物质气化制氢系统的制氢方法，按以下步骤进行：

（1）将生物质进行脱水干燥处理，降低生物质的含水量至0-30%；（2）取步骤（1）预处理后的生物质填满气化炉装置的反应室，为提高生物质密度，生物质粒径应控制在0～30mm；

（3）打开反应室上方的两个反应室侧气阀以及炉底的一个炉底侧气阀，其他气阀关闭，

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然后打开空压机，调节调压阀使空气流量保持在合适的流速范围内，打开温控仪、气体成分分析装置以及电脑与之对应的上位机；

（4）在填满生物质的反应室上方用点火均匀点燃生物质，盖上发生器的储水槽，扣上快速夹紧器，打开进水阀与蒸汽出气阀，然后注入自来水，气化全程液面的最高水位不应超过总容积的80%；

（5）观察反应过程中反应室最上方k型热电偶的温度变化曲线，当反应室最上方的k型热电偶达到制氢温度峰值时，反应室内部燃烧已趋于稳定，此时打开电压调节器,其调压范围为135v～220v，对应蒸汽量为0.15～0.8L/h，按不同生物质最佳的蒸汽配比进行调节，使生物质与空气进行气化制氢反应；

（6）待反应室最下方设置的温度传感器过峰值温度10min后，生物质已基本反应完全，关闭空压机，气化反应结束。[0029]在本发明实施例中，空气进气量为8～25L/min；所述生物质为木质类、果核类、壳类等农、林业生物质；在生物质中加入适量白云石、生物炭、镍基催化剂，可提高氢气产率；采用生物质制氢与化学链燃烧相结合，实现了低能耗的制氢工艺；以生物质本身燃烧热为气化过程提供热源与空气为载体在反应室内气化重整，通过炉底与混合气冷凝装置实现产物的分离净化，系统既能实现低能耗的制氢工艺，又能降低气化过程的焦油，从而实现生物质的高效清洁利用，操作简便，气化过程可控，且内热式制氢过程能耗低，特别适合生物质制氢。

[0030]在本发明实施例中，气化过程气相产率可达到90wt%以上，氢气产率可达到90g/kg以上，焦油产率低至3wt%，能耗可低至2.5Kwh/kg，所述的生物质为果核类、壳类等高热值生物质。

[0031]具体实施过程：

实施例一：

将粒径为15～25mm、含水量为13.71wt%的龙眼壳与4%的荔枝壳生物炭充分混合后，从气化炉装置的反应室顶部送入反应室内，调节空压机的空气流速为10L/min，然后在填满生物质的反应室上方用点火均匀点燃1min，盖上发生器，扣上快速夹紧器，连接混合管路，打开蒸汽出气阀和进水阀注入自来水，开始气化反应。观察反应过程中反应室最上方k型热电偶，当其达到最高温度时，打开电压调节器设定输出电压为220v（对应的流量为0.8L/h），与空气混合后与生物质进行气化重整反应。气化重整后所得的混合气主要成分为H2、CO、CH4、CO2、H20以及少量的烃类化合物；混合气经过炉底的固气分离后进入混合气冷凝装置进行气液分离，经气液分离后的可燃混合气中依然存在少量，进入干燥器进行干燥处理。气体成分分析装置和混合气流量计可实时监测各混合气浓度、瞬时气流量与气化过程总混合气量。最下方温度传感器过峰值温度10min后，认为生物质已基本反应完全，关闭空压机，气化反应结束。得到H2产率为99g/kg，CH4产率为322g/kg，CO产率为560g/kg，气相产率为90wt%，能耗为2.34Kwh/kg，焦油产率为2.5wt%。[0032]实施例二：

将粒径为15～25mm、含水量为13.71wt%的龙眼壳与4%的荔枝壳生物炭充分混合后，从气化炉装置的反应室顶部送入反应室内，调节空压机的空气流速为12L/min，然后在填满生物质的反应室上方用点火均匀点燃1min，盖上发生器，扣上快速夹紧器，连接混合管路，

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打开蒸汽出气阀和进水阀注入自来水，开始气化反应。观察反应过程中反应室最上方k型热电偶，当其达到最高温度时，打开电压调节器设定输出电压为220v（对应的流量为0.8L/h），与空气混合后与生物质进行气化重整反应。气化重整后所得的混合气主要成分为H2、CO、CH4、CO2、H20以及少量的烃类化合物；混合气经过炉底的固气分离后进入混合气冷凝装置进行气液分离，经气液分离后的可燃混合气中依然存在少量，进入干燥器进行干燥处理。气体成分分析装置和混合气流量计可实时监测各混合气浓度、瞬时气流量与气化过程总混合气量。待空压机连续工作三个周期内，H2产率都出现低于10vol%的浓度值时，认为气化产氢浓度已经过低，生物质已基本反应完全，关闭空压机，气化反应结束。得到H2产率为93g/kg，CH4产率为339g/kg，CO产率为622g/kg，气相产率为91wt%，能耗为2.13Kwh/kg，焦油产率为2.6wt%。

[0033]气化炉装置的反应室中产氢的主要反应如下：

焦油重整：Tar+H2O+Q→CO+H2炭重整：C+H2O→CO+H2 △H=+88.0KJ/mol甲烷重整：CH4+H20→CO+3H2 △H=+206.0KJ/mol水-气转化：CO+H2O→CO+H2 △H=+42.2KJ/mol本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的内热式生物质气化制氢系统及其制氢方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

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图2

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