[發明專利]生物質廢棄物超臨界水流化床部分氧化制氫裝置及方法

有效

• 申請號: 200710017691.6
• 申請日: 2007-04-13
• 公開（公告）號: CN101058404A
• 公開（公告）日: 2007-10-24
• 發明（設計）人: 郭烈錦;呂友軍;張西民
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C01B3/02
• 分類號: C01B3/02;B09B3/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 李鄭建

技術領域

本發明屬于可再生資源以及廢棄物的能源化潔凈利用領域，特別涉及一種生物質廢棄物超臨界水流化床部分氧化氣化制氫裝置與方法。

技術背景

隨著化石能源的逐漸消耗和日益走向枯竭，尋找新的替代能源已經迫在眉睫。生物質作為地球上一種豐富的資源在其利用過程中對環境的CO₂凈排放量為“零”，因此，生物質轉化利用引起人們的廣泛關注。

熱化學氣化被認為是最具商業前景的生物質利用技術，然而傳統的生物質熱化學氣化技術需要對生物質進行干燥，這一過程需要消耗大量的能量。超臨界水氣化制氫技術可以直接處理高含濕量的生物質，無需高能耗的干燥過程，而且具有氣化率高、氣體產物中氫氣含量高等特點，是最具潛力的生物質氣化制氫技術之一，近二三十年，生物質超臨界水氣化制氫技術得到快速發展。

國內外研究機構開發了一系列的生物質廢棄物的超臨界水氣化制氫裝置與方法。MIT的Modell最先開展生物質超臨界水氣化制氫研究，并對此種制氫方法申請了專利(US4113446)。夏威夷大學的Antal教授在管流反應器中對高濃度生物質以及有機廢棄物進行研究，實現了生物質及其有機物的完全氣化。在國內，西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，長期從事生物質超臨界水氣化制氫實驗與理論研究，發明了“有機固態物質的連續式超臨界水氣化制氫方法和裝置”并申請了專利，該發明專利(ZL02114529.6)解決了生物質等有機固態原料的高壓多相連續管流混輸等關鍵技術問題，在管流式反應器中實現了生物質等有機固態原料的超臨界水連續氣化制氫。在此基礎上，通過進一步改進提高，該課題組又發明了“煤與生物質共超臨界水催化氣化制氫裝置及方法”并申請了專利，該發明專利(ZL200510041633.8)部分解決了反應原料快速升溫和產物氣體部分富集等難題，實現了煤與生物質共超臨界水催化氣化制氫。

目前，生物質廢棄物的在超臨界水中氣化制氫裝置與方法的研究仍然存在以下主要難題有待解決：

(1)當反應不完全，或流動與傳遞、反應條件不耦合，設計不合理時，生物質超臨界水氣化過程使用的管流反應器容易出現壁面結渣堵塞，從而導致生物質廢棄物連續氣化的失敗；

(2)氣化反應需要吸收大量的熱量，采用外部加熱方法不易實現生物質完全氣化所需的快速升溫條件，同時使得整個系統能量轉化效率低；

(3)反應產物中除氫氣以外還有很大一部分二氧化碳等氣體，產品氫氣在使用前還需進一步的提純處理。

發明內容

本發明的一個目的在于提供一種生物質廢棄物超臨界水流化床部分氧化氣化制氫的裝置。該裝置結構緊湊、簡單，操作方便。裝置采用了超臨界水流化床反應器，防止了管流反應器中出現的結渣堵塞問題。裝置中采用高壓分離器，利用系統中高壓水吸收氣體產物中的二氧化碳，實現氫氣與二氧化碳的分離，同時分離出的高濃度二氧化碳便于集中處理和資源化利用。

本發明的另一個目的是提供一種生物質廢棄物超臨界水流化床部分氧化氣化制氫的方法，使得生物質廢棄物氣化率高，液體產物中含污染物少。同時，在反應器中實現氧化與氣化的耦合，大大提高了生物質轉化率以及系統的能量轉化效率。

本發明采用的技術方案是：一種生物質廢棄物超臨界水流化床部分氧化氣化制氫裝置，包括儲料罐、第一加料器和第二加料器、反應器、換熱器、預熱器、冷卻器、第一背壓閥、第二背壓閥、第三背壓閥、高壓分離器、低壓分離器、第一濕式氣體流量計、第二濕式氣體流量計、第一高壓柱塞泵、第二高壓柱塞泵、第三高壓柱塞泵、第四高壓柱塞泵、第一質量流量計、第二質量流量計、第三質量流量計、第四質量流量計、水箱、多個閥門以及溫度、壓力測控系統；其特征在于：

第一加料器、第二加料器、第二高壓柱塞泵、第三高壓柱塞泵以及儲料罐通過管路及閥門相互連通，組成加料系統；

反應器分別與預熱器的出口、第一加料器、第二加料器出口連通；換熱器分別與反應器出口、第一高壓柱塞泵出口、預熱器的入口、冷卻器入口連通；冷卻器出口與第一背壓閥的入口連通；高壓分離器與第一背壓閥、第二背壓閥、第三背壓閥、第四高壓柱塞泵連接，組成高壓水吸收二氧化碳系統；

第三背壓閥的出口與低壓分離器入口端連通；低壓分離器、第二背壓閥的出口端分別與第一濕式氣體流量計、第二濕式氣體流量計連通。