[发明专利]生物质废弃物超临界水流化床部分氧化制氢装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于可再生资源以及废弃物的能源化洁净利用领域，特别涉及一种生物质废弃物超临界水流化床部分氧化气化制氢装置与方法。

技术背景

随着化石能源的逐渐消耗和日益走向枯竭，寻找新的替代能源已经迫在眉睫。生物质作为地球上一种丰富的资源在其利用过程中对环境的CO₂净排放量为“零”，因此，生物质转化利用引起人们的广泛关注。

热化学气化被认为是最具商业前景的生物质利用技术，然而传统的生物质热化学气化技术需要对生物质进行干燥，这一过程需要消耗大量的能量。超临界水气化制氢技术可以直接处理高含湿量的生物质，无需高能耗的干燥过程，而且具有气化率高、气体产物中氢气含量高等特点，是最具潜力的生物质气化制氢技术之一，近二三十年，生物质超临界水气化制氢技术得到快速发展。

国内外研究机构开发了一系列的生物质废弃物的超临界水气化制氢装置与方法。MIT的Modell最先开展生物质超临界水气化制氢研究，并对此种制氢方法申请了专利(US4113446)。夏威夷大学的Antal教授在管流反应器中对高浓度生物质以及有机废弃物进行研究，实现了生物质及其有机物的完全气化。在国内，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，长期从事生物质超临界水气化制氢实验与理论研究，发明了“有机固态物质的连续式超临界水气化制氢方法和装置”并申请了专利，该发明专利(ZL02114529.6)解决了生物质等有机固态原料的高压多相连续管流混输等关键技术问题，在管流式反应器中实现了生物质等有机固态原料的超临界水连续气化制氢。在此基础上，通过进一步改进提高，该课题组又发明了“煤与生物质共超临界水催化气化制氢装置及方法”并申请了专利，该发明专利(ZL200510041633.8)部分解决了反应原料快速升温和产物气体部分富集等难题，实现了煤与生物质共超临界水催化气化制氢。

目前，生物质废弃物的在超临界水中气化制氢装置与方法的研究仍然存在以下主要难题有待解决：

(1)当反应不完全，或流动与传递、反应条件不耦合，设计不合理时，生物质超临界水气化过程使用的管流反应器容易出现壁面结渣堵塞，从而导致生物质废弃物连续气化的失败；

(2)气化反应需要吸收大量的热量，采用外部加热方法不易实现生物质完全气化所需的快速升温条件，同时使得整个系统能量转化效率低；

(3)反应产物中除氢气以外还有很大一部分二氧化碳等气体，产品氢气在使用前还需进一步的提纯处理。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种生物质废弃物超临界水流化床部分氧化气化制氢的装置。该装置结构紧凑、简单，操作方便。装置采用了超临界水流化床反应器，防止了管流反应器中出现的结渣堵塞问题。装置中采用高压分离器，利用系统中高压水吸收气体产物中的二氧化碳，实现氢气与二氧化碳的分离，同时分离出的高浓度二氧化碳便于集中处理和资源化利用。

本发明的另一个目的是提供一种生物质废弃物超临界水流化床部分氧化气化制氢的方法，使得生物质废弃物气化率高，液体产物中含污染物少。同时，在反应器中实现氧化与气化的耦合，大大提高了生物质转化率以及系统的能量转化效率。

本发明采用的技术方案是：一种生物质废弃物超临界水流化床部分氧化气化制氢装置，包括储料罐、第一加料器和第二加料器、反应器、换热器、预热器、冷却器、第一背压阀、第二背压阀、第三背压阀、高压分离器、低压分离器、第一湿式气体流量计、第二湿式气体流量计、第一高压柱塞泵、第二高压柱塞泵、第三高压柱塞泵、第四高压柱塞泵、第一质量流量计、第二质量流量计、第三质量流量计、第四质量流量计、水箱、多个阀门以及温度、压力测控系统；其特征在于：

第一加料器、第二加料器、第二高压柱塞泵、第三高压柱塞泵以及储料罐通过管路及阀门相互连通，组成加料系统；

反应器分别与预热器的出口、第一加料器、第二加料器出口连通；换热器分别与反应器出口、第一高压柱塞泵出口、预热器的入口、冷却器入口连通；冷却器出口与第一背压阀的入口连通；高压分离器与第一背压阀、第二背压阀、第三背压阀、第四高压柱塞泵连接，组成高压水吸收二氧化碳系统；

第三背压阀的出口与低压分离器入口端连通；低压分离器、第二背压阀的出口端分别与第一湿式气体流量计、第二湿式气体流量计连通。