生物质制氢技术 课件

? 氢是一种理想的新能源，具有资源丰富，燃烧热值高，清洁无污染， 适用范围广的特点。
? 制氢的方法有很多，电解水是大规模生产氢的一种途径，然而，水分 子中的氢原子结合得十分紧密，电解时要耗用大量电力，比燃烧氢气 本身所产生的热量还要多，因此若直接利用火电厂供应的电力来电解 水，在经济上是不可取的。
以值量计在宇宙中最普通的 10种元素
元素 氢 氦 氧 碳 氖 铁 氮 硅 镁 硫
百万分比 750,000 230,000 10,000 5,000 1,300 1,100
1000 700 600 500
氢能的特点
? 氢是最洁净的燃料（产物为水） ? 可储存的二次能源 ? 氢能效率高
氢的存在形式及制取途径
? 水蒸气气化、合成气催化变换 表1是在图2所示的下吸式气化炉条件下，以混合木块为气化原料，
气化介质为空气，燃烧区温度为840℃时气化产物的组成。
从表1可见，气化产物中，有相当一部分是CO。因此在生物质气化中，为了提 高氢气产出量，需在气化介质中加入水蒸气。通常认为，在蒸汽流态化条件下 发生下述反应：
生物能源
第四章 生物质制氢技术
第四章 生物质制氢技术
? §4.1 概述 ? §4.2 生物质热化学转换法制氢 ? §4.3 微生物法制氢
§4.1 概述
? 氢的性质 ? 含量为最丰富的元素 ? 最环保、洁净的能源 ? 所有气体中最轻的 ? 热值为汽油的3倍 ? 着火点低，易爆炸（体积
分数为18-65%时）
? （1）金属氢化物分离法 氢同金属反应生成金属氢化物的反应是可逆反
应。当氢同金属直接化合时，生成金属氢化物， 当加热和降低压力时，金属氢化物发生分解，生 成金属和氢气，从而达到分离和纯化氢气的目的。 利用金属氢化物分离法纯化的氢气，纯度高且不 受原料气质量的影响。
热化学制氢：能耗低，可 大规模工业化生产，可直 接利用反应堆的热能，效 率高，反应过程不易控制
高温热解水制氢：过程复 杂，成本高
气体原料制氢：是化石能 微生物转化技术：对于光 源制氢工艺中最为经济合 合细菌产氢，如何提高光 理的方法，主要有四种方 能转化效率是关键；厌氧 法，工艺过程仍需改进 发酵制氢产率较低，先进 液体石化能源制氢：甲醇、 的培养技术有待开发 乙醇、轻质油及重油制氢 过程各有利弊
? 各种矿物燃料制氢如天然气催化蒸汽重整等，但其作为非可再生能源， 储量有限，且制氢过程会对环境造成污染。
? 利用可再生能源，如太阳能、海洋能、地热能、生物质能来制取氢气 是极具有吸引力和发展前途的。
§4.2 生物质热化学转换法制氢
? 为化学工程过程 ? 以生物质为原料，以氧气（空气）、水蒸气或氢气等作为
生物质气化
? 生物质热化学气化是指将预处理过的生物质在气化介质中 如：空气、纯氧、水蒸气或这三者的混合物中加热至 700℃以上，将生物质分解为合成气。
? 生物质气化的主要产物为H2、CO 2、CO 、CH 4 ? 混合气的成分组成比因气化温度、压力、气化停留时间以
及催化剂的不同而不个主要因素。
? 地球上的氢主要以其化合物，如水和碳氢化合物、石油、天然气 等形式存在
用水制氢
化石能源制氢
生物质制氢
水电解制氢：产品纯度高， 煤制氢：生产投资大，易 操作简便，但电能消耗高 排放温室气体，新型技术
正在研发
热化学转化技术：有生物 质热解制氢、气化制氢超 临界气化制氢等方法。产 氢率和经济性是选择工艺 的关键
? （3） 循环流化床气化炉（CFBG） 物料被加进高温流化床后，发生快速热分解，生成气体、焦炭和焦油，焦炭随上升气流与CO2和
水蒸气进行还原反应，焦油则在高温环境下继续裂解，未反应完的炭粒在出口处被分离出来，经循 环管送入流化床底部，与从底部进入的空气发生燃烧反应，放出热量，为整个气化过程供热。由上 述分析可知，CFBG的热解反应处于高温区，并且CFBG的传热条件好，加热速率高，可操作性强， 产品气的质量也较高，其中H2的含量也较高。 ? 综合分析上述三种气化炉可知，下吸式气化炉在提高产品气的氢气含量方面具有其优越性，但其 结构复杂，可操作性差，因而如何改进下吸式气化炉的物料流动性，提高其气化稳定性是下吸式气 化炉需要研究的。
上述反应导致床灰中的残炭含量减少，气体产物中的CO2和H2含量增多。生物质 炭与水蒸气的气化反应的反应式及平衡常数如表2所示。
从表2可见，只有在相当高的温度下，炭的气化反应才可能发生。因此，如何设计 催化剂降低炭的气化反应温度，促进炭的气化反应的发生是催化气化制氢的一个重 要研究内容。
3、氢气分离、净化
气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质中可以燃 烧的部分转化为可燃气的过程 ? 产物的有效成分有：H2、CO、CH4、CO2等→需进行气体 分离以得到纯氢
1、生物质催化气化制氢技术
? 生物质催化气化制氢的主要流程如下，三个过程决定最终 氢气的产量和质量，即生物质气化过程、合成气催化变换 过程和氢气分离、净化过程。
2、气化反应器
? （1）上吸式气化炉：气固呈逆向流动。在运行过程中湿物 料从顶部加入后被上升的热气流干燥而将水蒸气带走，干 燥后的原料继续下降并经热气流加热而迅速发生热分解反 应。物料中的挥发分被释放，剩余的炭继续下降时与上升 的CO2及水蒸气发生反应产生CO和H2。在底部，余下的炭 在空气中燃烧，放出热量，为整个气化过程供热。上吸式 气化炉具有结构简单，操作可行性强的优点，但湿物料从 顶部下降时，物料中的部分水分被上升的热气流带走，使 产品气中H2含量减少。
? （2）下吸式气化炉 气固呈顺向流动。运行时物料由上部储料仓向下移动，边移动边进行干燥与热分解的过程。在
经过缩嘴时，与喷进的空气发生燃烧反应，剩余的炭落入缩嘴下方，与气流中的CO2, 和水蒸气发生 反应产生CO和H2。可以看出，下吸式气化炉中的缩嘴延长了气相停留时间，使焦油经高温区裂解， 因而气体中的焦油含量比较少；同时，物料中的水分参加反应，使产品气中的H2含量增加。但由图 3可见，下吸式气化炉结构比较复杂，当缩嘴直径较小时，物料流动性差，很容易发生物料架接， 使气化过程不稳定。对气化原料尺寸要求比较严格。