管道式生物质热解制氢设备的制作方法

1.本实用新型涉及一种氢气制备设备，特别是一种基于生物质热解的氢气制备设备。


背景技术：

2.氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。
3.目前，工业制氢的主流方法包括：1、天然气制氢法，即利用天然气中的甲烷和水在高温下转化为氢气和二氧化碳；2、电解水的方法制氢气；电解饱和食盐水(2nacl+2h2o＝＝通电＝＝2naoh+h2
↑
+cl2
↑
)。显然，无论采用何种制备氢气的方法，都对能源有一定的需求，高温或通电。
4.生物质制炭是一种对生物质废料进行二次利用的有效方法。生物质制炭过程中，在不同温度作用下热解生物质会产生一氧化碳和氢气组成的木煤气，而在生物质转换为炭的过程中，也会释放出的甲烷和含有丰富的多环芳香烃的焦油。中国专利申请202211294894.0公开了一种多层隧道式碳化炉，它的技术方案是通过生物质在不同温度区间的隧道式碳化炉内转移，实现生物质温度曲线的控制，能够在更高效地完成制炭同时对制炭过程中产生的有用气体进行回收。这个制炭过程中会产生制备氢气所需的气体原料和能量。
5.如果能将生物质制炭与工业制氢工艺进行有机整合，可以有效解决氢气制备的能源与原料问题，而且能源利用率更高，因此更加节能环保。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于，提供一种管道式生物质热解制氢设备。它是一种能在生物质热解制炭基础上完成氢气制备的设备和方法，它可以充分利用生物质产生的物质和能量，更加节能环保。
7.本实用新型的技术方案：一种管道式生物质热解制氢设备，其特点是，包括热解炼制炉,热解炼制炉的出气管路连接至回体高温炉，回体高温炉内填充有蓄热载体，回体高温炉侧边设有过热水蒸汽输入管；所述热解炼制炉包括管道式的热解炉，热解炉下方设有管道式的炼制炉；热解炉和炼制炉内均设有可沿热解炉平移的密闭罐，密闭罐两端分别设有形状与热解炉内壁相配合的密闭环，密闭环使得密闭罐和热解炉之间形成密封夹层；密闭罐内设有可在密闭罐内平移的物料框；密闭罐上设有单向密闭阀，热解炉外侧设有用于连通单向密闭阀的伸缩连接组件。热解炼制炉用于对生物质进行热解和碳化炼制，最终产生制备氢气的气体原料；回体高温炉用于对热解炼制炉产生的气体与过热水蒸气反应，转化为氢气。
8.上述的管道式生物质热解制氢设备中，所述炼制炉热解炉和炼制炉两端均设有用于升降密闭罐的升降转移机构。
9.前述的管道式生物质热解制氢设备中，所述密闭罐内侧设有耐火材料层。
10.前述的管道式生物质热解制氢设备中，所述炼制炉内设有盘管，盘管接入冷水后，可通过密闭罐内产生的温度进行加热，加热成用于产生过热水蒸气的水蒸气原料。
11.前述的管道式生物质热解制氢设备中，所述炼制炉体分为多段，其中一段外侧设有用于将炼制炉体进行滚动的驱动轮。该段设置是为了在生物质转化为木炭的最后环节对物料进行翻面，以使受热更为均匀，最终出产的同批次木炭性能相近。
12.前述的管道式生物质热解制氢设备中，所述回体高温炉包括主炉体，主炉体内侧设有多个折流挡墙；主炉体前端设有进气口，后端设有出气口，侧边设有过热水蒸汽输入管。折流挡墙使炉内形成较长行程的回体结构，增加反应区域。
13.前述的管道式生物质热解制氢设备中，所述蓄热载体为陶瓷球，一方面可用于对整个反应区间进行蓄热保温，另一方面蓄热载体之间形成的多孔结构也可以增加气体之间的接触几率。
14.与现有技术相比，本实用新型通过将生物质热解制炭技术和天然气制氢技术进行联用，可以实现制炭和制氢的联产，且生物质热解制炭过程中产生的物质和能量又能有效地在制氢过程中应用，因而具有排废少、能耗低等优点。
15.其中，本实用新型在中国专利申请202211294894.0一种多层隧道式碳化炉的技术方案的基础上，将隧道窑更改为管道式的炉体，并在炉体内增加密闭罐，密闭罐自身密封，又可与炉体内壁形成密封夹层，因此物料在密闭罐内热解时(干馏)的密封性能更好。同时这个封闭夹层存在使得密闭罐在移动至管道式的炉体中的不同区段时又相当于进入了不同温控区间的窑室(以移动代替了温度调整)，无需像现有的干馏室一样需不断调整温度。
16.本实用新型还可以通过进一步提高炼制温度，使成品炭在密度和导电率等品质上有所提升，另一方面多余的热量可用于生物质热解的供热和过热水蒸气制备时的供热，从而可以减少外部能量供应。
附图说明
17.图1是本实用新型回体高温炉的外形结构示意图；
18.图2是本实用新型回体高温炉的结构示意图；
19.图3是本实用新型密闭罐的结构示意图；
20.图4是图3的a部放大图；
21.图5是本实用新型实施例中单向密闭阀和伸缩连接组件的配合结构示意图；
22.图6是本实用新型实施例中热解炼制炉的原理示意图；
23.图7是本实用新型实施例中热解炼制炉的截面结构示意图；
24.图8是本实用新型实施例中炼制炉的滚动结构示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。
26.实施例：一种管道式生物质热解制氢设备，其结构主要分为回体高温炉和热解炼制炉两部分：
27.回体高温炉的结构如图1和图2所示，包括主炉体22，主炉体22内侧设有多个折流挡墙23；主炉体22前端设有进气口，后端设有出气口，侧边设有过热水蒸汽输入管21。主炉体22由工字钢组成外框，内侧焊接钢板包围，钢板包围内侧耐火浇注料。主炉体22中部可以设置隔热装将其分为两部分，两部分别设置进气口和出气口。回体高温炉内填充有蓄热载体，所述蓄热载体为陶瓷球，陶瓷球亦可作为催化剂载体。
28.热解炼制炉的核心结构是密闭罐31，如图3和图4所示，密闭罐31两端分别设有形状与热解炉3内壁相配合的密闭环32，密闭环32使得密闭罐31和热解炉3之间形成密封夹层；密闭环32可由环形的工字钢321制作而成，工字缸通过与密闭罐31的焊接，可在内侧形成一个空腔，而在外侧形成一个嵌槽，嵌槽内可以设置石棉322作为密封材料。密闭罐31一端封闭，另一端开口，并设置侧开的密闭门311。热解炉3上设置排烟阀。为了提高密闭罐的寿命，密闭罐可采用钢管作为主体结构，在钢管内侧焊接结构钉，然后浇筑耐火材料层312。
29.密闭罐31内设有可在密闭罐31内平移的物料框33；密闭罐31上设有单向密闭阀34，热解炉3外侧设有用于连通单向密闭阀34的伸缩连接组件35。密闭罐31和物料框33外侧均设有滚轮36，分别用于沿着炉内和罐内的移动。密闭罐31和物料框33外侧还可设置定位导向机构37(类似电梯导轨和导靴的配合结构)，使其不容易发生倾斜翻转。
30.单向密闭阀34和伸缩连接组件35的配合关系如图5所示，单向密闭阀34包括中空的阀体341，阀体341内设置有台阶，台阶上设置一圈密封圈342，阀体341内还设有设有阀芯343，阀芯343通过弹簧344从密闭罐31内侧向外侧的方向压靠在所述密封圈342上；伸缩连接组件35包括前端的一个顶管351，顶管前端设置若干个凸起352，顶管351中段设置一圈外形与密闭罐31外侧相贴合的密封接口353，密封接口353上也可设置石棉作为密封材料，顶管351后端设置在一个伸缩气缸上，顶管351尾部通过波纹管等伸缩管与需要连接的其它输气管道相连。
31.当需要将单向密闭阀34和伸缩连接组件35时，只需顶管351向单向密闭阀34方向顶入，当顶管351顶开阀芯343，且密封接口353与密闭罐31紧贴密封，密闭罐31内部与顶管连通，而不连通至密封夹层。顶管351退出时，阀芯343在弹簧344作用下复位。
32.热解炼制炉结构原理如图6和图7所示，主要包括热解炉3和下方的炼制炉4：
33.热解炉3和炼制炉4均为一段长条的钢管，钢管外侧设置隔热棉，其长度可根据密闭罐31长度设置，一般可设置容纳多个密闭罐31，例如9个，就相当于把热解炉3分为9个区段，每段可以通入固定的热能，使密闭罐31移动至不同区段时温度不同，可采用沿密闭罐31移动方向温度逐步提升的设置方式，具体温度值应更具生物质材料的种类热解所需的温度曲线进行选择。热解炉3内的温度可以通过向密封夹层内输入下端炼制炉4产生的热气、设置电热丝导热油加热或者直接向密闭罐31输入过热水蒸气或者，也可采用多种热源配合使用。如果需要减少对外界能源的依赖，可向密闭罐31内输入一定的氧气，让一部分生物质发生氧化反应而产生热量。
34.炼制炉4后端还可设置冷却炉，冷却炉要求较低，仅需能够将物料框送入后进行封闭即可，可通过充入二氧化碳等方式进行灭火降温。
35.炼制炉体4要设置一段可旋转段，可旋转段外侧设有用于将炼制炉体4进行滚动的
驱动轮42。如图8所示。
36.其中密闭罐31的移动可以通过炉外的液压顶杆将一个个密闭罐31依次顶入炉中，后面的密闭罐31推动前面的密闭罐31移动，这种方式可以避免因为在内部设置动力机构而降低炉内整体密封效果。当然也可以依靠设置在热解炉3和炼制炉4内的往复式槽钢牵引机构实现，往复式槽钢牵引机构可采用中国专利申请202211294894.0一种多层隧道式碳化炉中相同的结构。
37.本实用新型的装置，在密闭罐内进行干馏，可以采用罐外隔离高温加热、并选择下层炼制炉4的废气循环加热，能量利用率高、成本更低，密封罐内热解排出的甲烷、一氧化碳的混合气体通过密封管接口输送到回体高温炉作原料使用，中间产物利用率更高。
38.本实用新型的管道式生物质热解制氢方法：
39.①
将生物质坯料装填在密闭罐的物料框上，并密封密闭罐；
40.②
将密闭罐沿着热解炉移动，在热解炉不同区段停留设定时间，在密闭罐停留的时段，向密闭罐和热解炉之间的夹层输入热量，对密闭罐进行加热；通过设定热解炉不同区段的的热量输入大小，使密闭罐经过不同区段时管内温度从室温逐步上升，密闭罐内的生物质坯料进行无氧环境下的干馏；一般可设置热解炉温度从室温开始预热，然后最终加热到300℃左右，因为一般生物质在这个温度区间能发生大量热解反应，产生甲烷和一氧化碳等气体。
41.③
干馏产生的气体(需过滤固态颗粒及焦油)送入回体高温炉与过热水蒸汽反应，产生含氢气的混合气体，并从混合气体中分离出氢气；回体高温炉内温度控制在800～1200℃。该过程主要是将甲烷和一氧化碳与水蒸气反应，产生氢气和二氧化碳。混合气体经过换热冷却后，利用压缩分离技术分离出氢气即可。
42.④
密闭罐通过升降转移机构进入炼制炉，首先向密闭罐输入过热水蒸汽，将密闭罐内温度升高至煅烧温度，使生物质坯料进一步碳化，密闭罐内产生的气体与步骤
②
中干馏得到其它一并进入回体高温炉；炼制炉内的温度可以按前进方向逐步加热到600℃左右。
43.⑤
将密闭罐内继续向前移动，并向内通入氧气，使碳化的生物质坯料在少氧状态下发生部分氧化，使进密闭罐内达到炼制所需的高温；炼制的温度可按前进方向逐步加热到1200℃左右。
44.⑥
步骤
⑤
中的炼制炉4内的盘管41中的水可以被密闭罐产生的热量加热，产生水蒸汽，水蒸汽进行二次加热转化为过热水蒸汽，送入回体高温炉，进氧炼制炉体产生的热气送入热解炉作为热源。进氧炼制炉体加热产生的水蒸气一般温度不高，可以通过步骤
③
中换热继续升温，亦可再通过电磁加热的方式将水蒸气加热到所需温度的过热水蒸气。
45.在所述步骤
⑥
中，将炼制炉体分成多段，最后一段在炼制过程中整体翻转，避免炉内物流受热不均；
46.步骤
⑥
后，需要对密闭罐31内进行灭火和冷却，可以设置一段冷却炉，停止向密闭罐内输入氧气或直接输入氮气/二氧化碳进行灭火，然后通过向盘管中输入冷水进行换热冷却。

技术特征：
1.管道式生物质热解制氢设备，其特征在于：包括热解炼制炉,热解炼制炉的出气管路连接至回体高温炉，回体高温炉内填充有蓄热载体，回体高温炉侧边设有过热水蒸汽输入管(21)；所热解炼制炉包括管道式的热解炉(3)，热解炉(3)下方设有管道式的炼制炉(4)；热解炉(3)和炼制炉(4)内均设有可沿热解炉(3)平移的密闭罐(31)，密闭罐(31)两端分别设有形状与热解炉(3)内壁相配合的密闭环(32)，密闭环(32)使得密闭罐(31)和热解炉(3)之间形成密封夹层；密闭罐(31)内设有可在密闭罐(31)内平移的物料框(33)；密闭罐(31)上设有单向密闭阀(34)，热解炉(3)外侧设有用于连通单向密闭阀(34)的伸缩连接组件(35)。2.根据权利要求1所述的管道式生物质热解制氢设备，其特征在于：所述热解炉(3)和炼制炉(4)两端均设有用于升降密闭罐(31)的升降转移机构。3.根据权利要求2所述的管道式生物质热解制氢设备，其特征在于：所述密闭罐(31)内侧设有耐火材料层(312)。4.根据权利要求3所述的管道式生物质热解制氢设备，其特征在于：所述炼制炉(4)内设有盘管(41)。5.根据权利要求3所述的管道式生物质热解制氢设备，其特征在于：所述炼制炉(4)分为多段，其中一段外侧设有用于将炼制炉(4)进行滚动的驱动轮(42)。6.根据权利要求1所述的管道式生物质热解制氢设备，其特征在于：所述回体高温炉包括主炉体(22)，主炉体(22)内侧设有多个折流挡墙(23)；主炉体(22)前端设有进气口，后端设有出气口，侧边设有过热水蒸汽输入管(21)。7.根据权利要求1所述的管道式生物质热解制氢设备，其特征在于：所述蓄热载体为陶瓷球。

技术总结
本实用新型公开了一种管道式生物质热解制氢设备，包括热解炼制炉,热解炼制炉的出气管路连接至回体高温炉，回体高温炉内填充有蓄热载体，回体高温炉侧边设有过热水蒸汽输入管；所热解炼制炉包括管道式的热解炉，热解炉下方设有管道式的炼制炉；热解炉内设有可沿热解炉平移的密闭罐，密闭罐两端分别设有形状与热解炉内壁相配合的密闭环，密闭环使得密闭罐和热解炉之间形成密封夹层；密闭罐内设有可在密闭罐内平移的物料框；密闭罐上设有单向密闭阀，热解炉外侧设有用于连通单向密闭阀的伸缩连接组件。本实用新型是一种能在生物质热解制炭基础上完成氢气制备的设备，它可以充分利用生物质产生的物质和能量，更加节能环保。更加节能环保。更加节能环保。


技术研发人员：李观德 李乐
受保护的技术使用者：李观德
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/2