生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)

生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)張文鑫序言氫能以其清潔，來源及用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)成為最有希望的替代能源之一，用可再生能源制氫是氫能發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于生物質(zhì)制氫具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它已成為發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)頗具前景的研究領(lǐng)域之一。生物質(zhì)氣化制氫就是其中的一種，具有技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單，效率高等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。概況化石能源的漸進(jìn)枯竭，國際市場(chǎng)油價(jià)的日高一日，給我國高速發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來越來越大的壓力。根據(jù)國家海關(guān)總署提供的資料，我國從1993年變?yōu)槭蛢暨M(jìn)口國。過去的10年中，我國石油需求量幾乎翻了一番。同時(shí)，環(huán)境生態(tài)問題與國家安全問題日益受到各國的高度重視，新替代能源的研制和開發(fā)已成為各國科研生產(chǎn)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。氫能被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色能源。氫氣的燃燒只產(chǎn)生水，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的“零排放”。相比于目前已的燃料，氫的單位質(zhì)量能量含量最高，其熱值達(dá)到143MJ／kg，約為汽油的3倍，并且氫的來源廣泛。鑒于化石能源的不可再生性及其造成的環(huán)境污染問題，特別是石化資源漸趨枯竭，利用可再生能源制氫已成為當(dāng)務(wù)之急和氫能發(fā)展的長久之計(jì)。目前，“氫經(jīng)濟(jì)”已引起世界很多國家的高度重視，并已被納入發(fā)展計(jì)劃。一、生物質(zhì)催化氣化制氫

生物質(zhì)催化氣化制氫是指將預(yù)處理過的生物質(zhì)在氣化介質(zhì)(如：空氣、純氧、水蒸氣或這3者的混合物)中加熱至700℃以上，將生物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為富含氫氣的合成氣，然后將合成氣進(jìn)行催化變換得到含有更多氫氣的新的合成氣，最后從新的合成氣中分離出氫氣。因此，生物質(zhì)催化氣化制氫主要分3個(gè)過程：生物質(zhì)氣化過程、合成氣催化變換過程、氫氣分離和凈化過程。上吸式固體床氣化爐的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)過程如圖1所示。生物質(zhì)燃料自爐頂加料口投入爐子內(nèi)，氣化劑由爐底進(jìn)氣口進(jìn)入爐內(nèi)參與氣化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣化氣自下而上流動(dòng)，由爐體上方的可燃?xì)獬隹谂懦?。這種爐子的優(yōu)點(diǎn)：爐型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于各種形狀尺寸的原料，可燃?xì)庠诮?jīng)過熱分解層和干燥層時(shí)，將其攜帶的熱量傳遞給物料，用于物料的熱分解和干燥，同時(shí)降低自身的溫度，使?fàn)t子的熱效率大大的提高；熱分解層和干燥層對(duì)可燃?xì)庥幸欢ǖ倪^濾的作用，所以，出爐的可燃?xì)獾臏囟群突曳侄驾^低。下吸式氣化爐中，生物質(zhì)原料由爐頂?shù)募恿峡谕度?，作為氣化劑的空氣一般在氧化區(qū)加入，如圖2所示這種爐子的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，加料方便，產(chǎn)生可燃?xì)怏w石宏焦油含量較少。他的缺點(diǎn)：氣體流動(dòng)阻力大，消耗功率多，產(chǎn)生的氣體灰分和溫度較高。二、超臨界水生物質(zhì)氣化制氫

超臨界條件(也就是溫度和壓力都高于水的臨界值，T>374℃，P>22MPa)這種高溫高壓條件下，超臨界條件水的特定性質(zhì)有可能得到生物質(zhì)的高轉(zhuǎn)化率，生物質(zhì)氣化率可以達(dá)到100％，產(chǎn)氣中Hz的體積分?jǐn)?shù)可能超過50鉗11生物質(zhì)超臨界氣化的特點(diǎn)

與常壓氣化過程相比，超臨界水氣化(SCWG)的優(yōu)點(diǎn)是：均勻介質(zhì)，超臨界水作為一種均勻介質(zhì)能夠降低異相反應(yīng)中傳質(zhì)阻力的影響；高固體轉(zhuǎn)化率，也就是少量的有機(jī)化合物和少量的固體殘留，當(dāng)要考慮連續(xù)反應(yīng)器中殘留的焦炭和焦油的影響時(shí)，這一點(diǎn)具有決定性的影響；再者，能夠根據(jù)操作條件在熱力學(xué)平衡條件下產(chǎn)氫，這意味著更高的轉(zhuǎn)化率和氣相中更高氫濃度；此外，氫直接在高壓下產(chǎn)生，這意味著更小的反應(yīng)器容積和更低的能量用來壓縮氣體以存儲(chǔ)。三、新技術(shù)近年來，日本的生物質(zhì)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室(BiomassTechnologyResearchLaboratory)、國家先進(jìn)工業(yè)化科技研究所(NationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology)、日本煤炭利用中心【131(CenterforCoalUtilization，Japan)聯(lián)合開發(fā)了一種利用CO：吸收劑從生物質(zhì)材料中氣化制氫的方法。這種方法被應(yīng)用到各種各樣的含碳材料如煤、石油、生物質(zhì)、塑料等。在這種方法中，以CaO作為CO：吸收劑將蒸汽氣化產(chǎn)生的CO：分離。使水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)的平衡向有利于產(chǎn)氫的方向移動(dòng)，同時(shí)，CO：吸收反應(yīng)過程是放熱反應(yīng)。釋放出的能量可以提供給生物質(zhì)氣化反應(yīng)的進(jìn)行，有利于反應(yīng)系統(tǒng)的能量平衡。當(dāng)【Ca】／【C】的物質(zhì)的量比為2，反應(yīng)壓力為0．6MPa時(shí)刻得到最大氫產(chǎn)量。但是該工藝方法急待解決的難題是C02吸收劑的再生穩(wěn)定性問題。德國的斯圖加特太陽能和氫能研究中心的T．Marquard—Mollenstedt等f14】提出了一種類似的方法，ARE(AbsorptionEnhancedReforming)氣化生物質(zhì)制取富氫氣體的方法，采用了煅燒白云石作CO：吸收劑來吸收蒸汽氣化產(chǎn)生的CO：。在FICFB和固定床中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)品氣中氫氣含量最高可達(dá)67．5％，而C02和CO含量分別降低為3．3％和0．3％四、我國氣化制氫目前存在的問題目前，對(duì)生物質(zhì)氣化技術(shù)而言。雖然已經(jīng)日趨成熟但是還存在不少問題，其中最突出的兩大難點(diǎn)問題就是燃?xì)鉄嶂档秃徒褂秃扛摺＝褂偷拇呋呀馐翘岣呱镔|(zhì)催