[发明专利]一种生物质热解及化学链制氢耦合连续反应装置及利用该装置制备氢气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种清洁能源的生成反应装置及利用该装置制备纯净氢气的方法，具体涉及一种生物质热解及化学链制氢耦合连续反应装置及利用该装置制备氢气的方法。

背景技术

氢是一种清洁高效环保的理想能源，随着氢燃料电池在世界各大汽车公司相继试用，氢能的应用范围正在不断扩大。目前全球90％以上的氢气来自于化石燃料的水蒸气重整或部分氧化，但在生产过程中产生的粉尘、SO_X、NO_X等会造成严重的环境污染。

生物质是来源丰富的可再生资源，具有储量大、碳循环等特点。目前研究发现，利用生物质制氢，可以大大减少能源不合理利用方式带来的二次污染，实验结果CO₂接近零排放，从根本上解决化石能源利用过程中带来的环境污染及温室效应等问题，对于改善自然环境，促进人类可持续发展有重要的意义。

现有的生物质制氢技术可以分为两类，一类以生物质为原料，通过热化学方法和技术制取氢气，如生物质热解气化制氢、等离子体气化制氢、超临界水气化制氢等；另一类是利用生物途径转化制氢，如微生物光解制氢，发酵制氢及二者耦合等。热化学制氢和生物转化制氢各自具有不同的特点和原料适应性，近年来国内外对上述几种制氢方法都开展了广发的研究，但总体而言，等离子体气化制氢，超临界水气化制氢能耗过大，生物质转化制氢又存在发酵条件苛刻，发酵过程中有机酸积累，产能不易放大等问题，还需进一步深入研究，而生物质热解气化制氢技术以其热化学反应速度快、生产强度大、能够实现自热化、容易规模化等特点而显示出广阔的应用前景。

当前研究较多的生物质热解气化制氢技术是生物质在气化介质如空气、水蒸气、纯氧等参与下经气化产生含氢的燃料气，再经重整、净化、分离、提纯制取氢气，气化反应器一般为固定床和流化床反应器。虽然这种先产生氢气再净化、分离提纯的工艺和技术路线可以实现生物质热解制氢，如美国夏威夷大学turn S等在富氧条件下研究生物质流化床水蒸气气化制氢，获得氢气产量128g/kg生物质，扣除惰性气体氢气最高组成为57.4％，国内中科院广州能源研究所，中国科技大学、东南大学等单位也从理论和实验上对该工艺路线进行了研究，证实了其可行性，但该技术方案因需加重整、净化、分离提纯等环节使得工艺复杂，能耗较高，极大地推高了制氢成本，并且制取氢气纯度较低，焦油含量相对也较高，而一种良好的生物质制氢装置不仅能实现生物质重整制氢技术路线，还应考虑到装置的能耗、制氢成本、制氢纯度、焦油含量及装置操作性等。

发明内容

本发明目的在于克服现有生物质热解气化制氢装置中存在的缺点，设计一种新型的生物质热解气化制氢反应装置，以制取纯度较高的氢气，不需要复杂的提纯分离工艺，能耗低，成本少，焦油含量低，操作简单，制氢产生的生物碳还可以用于改善土壤环境，修复土壤重金属污染(Pb,Cd)等用途，达到生物燃料的高效清洁转化的目的。

本发明的技术方案如下：

一种生物质热解及化学链制氢耦合连续反应装置，该装置包括：用于将生物质热解生成生物质热解气的生物质热解气化装置、用于与生物质热解气和水蒸气交替发生氧化还原反应制备氢气的旋转化学链膜反应制氢装置；

所述生物质热解气化装置包括进料口、热解气化反应器和热解气输出通道；

所述旋转化学链膜反应制氢装置为圆柱体状，包括耐温壳体、反应气体进气装置、旋转氧载体反应器和生成气体输出装置；所述旋转氧载体反应器由中轴及可绕中轴旋转的氧载体转子构成；所述氧载体转子内部为由若干气体通道间隔的蜂窝状孔道结构，蜂窝状孔道上设有负载晶格氧的氧载体膜，所述气体通道与中轴平行；所述反应气体进气装置及生成气体输出装置分别设置在旋转氧载体制氢装置中轴轴向的两端；所述反应气体进气装置被与中轴平行的气体密封板分成至少三个扇形的气室，分别为热解气进气室、水蒸气进气室和空气进气室；所述生成气体输出装置也被与中轴平行的气体密封板分成至少三个扇形的气室，分别为热解气尾气输出室、氢气输出室和空气尾气输出室；所述热解气进气室与热解气尾气输出室的位置相对应，水蒸气进气室与氢气输出室的位置相对应，空气进气室和空气尾气输出室的位置相对应；

所述热解气输出通道与热解气进气室连通。

具体地，所述反应气体进气装置的热解气进气室、水蒸气进气室和空气进气室，两个相邻气室之间还设有惰性气体进气室；所述生成气体输出装置热解气尾气输出室、氢气输出室和空气尾气输出室，两个相邻气室之间相应所述惰性气体进气室的位置之处也设有惰性气体输出室。