专利名称：生物质氢能发电方法
技术领域：
本发明涉及一种生物质氢能发电的方法。
背景技术：
随着矿物燃料短缺、能源供应形势的日益紧张，生物质能源的开发已引起高度 重视。生物质能具有资源丰富，储量巨大并且可再生的特点。生物质发电技术利用 秸秆等废弃生物质资源生产绿色电力，对于缓解电力供应紧张、保障能源安全具有 重要意义。目前发展的生物质发电技术主要有生物质直接燃烧发电和气化发电。直 接燃烧发电将生物质作为锅炉燃料，生产过热蒸汽，通过汽轮机、燃气轮机实现电 力生产；气化发电通过流化床、固定床等形式的气化器，将生物质原料转化为中低 热值燃气，然后在内燃机、燃气轮机中转化为电力。如专利"利用植物秸秆生物物 质进行发电的方法"(01129656.9)公开了一种利用80%-90%的植物秸秆生物物 质发电的方法，首先将生物物质在200-50(TC进行裂解反应，产生混合裂解气，然 后对该混合裂解气进行净化、除焦油等处理后，再将其供给内燃机进行发电，或将 所述混合裂解气直接送到800-100(TC燃烧区，产生燃烧气，通过该燃烧气驱动燃 气轮机带动发电机发电，或将所述混合裂解气直接送到热电站锅炉燃烧，代替煤、 油发电。直接燃烧发电和气化发电技术都已有了工业应用，但是其中普遍存在的工 艺能量转化率低以及规模化利用中生物质原料收集储运成本较高等问题仍然不容 忽视。将生物质发电技术与氢能技术相结合，利用氢能作为生物质发电的中介，结 合燃料电池的高效和灵活性，将实现生物质向电力的清洁高效转化。燃料电池系统 不受热力学第二定律的限制，发电效率要远高于目前常规的火力发电、内燃机发电 等。因而，生物质氢能发电技术具有广阔的应用前景。发明专利"利用农作物生物 质制氢及氢能发电装置"(200410005733. 0)，公开了一种利用农作物秸秆等生物质 通过微生物分解方法制取氢，并通过生物质分解、发酵制氢、反应液后处理、水封、 气体洗脱、气体干燥、储氢和燃料电池装置转化为电能。微生物转化方法，利用分 解微生物将各种农业秸秆和淀粉类物质分解为糖类物质，利用微生物发酵糖类物质 产氢；微生物转化周期较长，且微生物转化过程一般仅能利用原料中含糖组分，导 致生物质原料利用率低，产氢过程受到原料的限制；需要对氢气进行提纯，然后纯 氢用于低温的质子膜燃料电池发电。
发明内容
本发明的目的是提供一种具备较高原料利用率和较高能量转化效率的生物质 氢能发电的方法。本发明提出的生物质氢能发电方法，通过先进的生物质热化学制 氢技术，将生物质转化为清洁的富氢燃气，高温富氢燃气不需提纯即可直接用于熔 融碳酸盐燃料电池，实现电力生产，可以获得较高的能量转化效率，同时原料的适 应性也大为扩展。
本发明的方案是通过以下步骤实现的 一种生物质氢能发电方法，其特征是通 过生物质热化学制氢方法将生物质转化为清洁的高温富氢燃气，高温富氢燃气不需 提纯直接应用于熔融碳酸盐燃料电池实现电力生产。
本发明的具体特点还有，所述生物质热化学制氢方法为在隔绝空气条件下使生 物质原料经550-65(TC温度下热解转化为气相产物和残碳；将残碳从气相产物中分 离后移出反应系统，通过燃烧获取热量用于生物质氢能发电过程的能量损耗；对热 解后产生的气相产物在800-95(TC条件下进行裂解，并结合白云石催化剂和水蒸气 的作用实现气相产物的裂解、重整，将分子量较大的重烃类组分焦油裂解、重整为 氢、甲烷和其他轻质烃类，消除焦油并降低甲烷等烃类含量，提高气体产物中氢的 含量和产量，制备氢气体积含量达30%-55%的气体产物，降温至30(TC，进行热态 过滤和脱硫，脱除杂质后将气体产物送入一氧化碳变换反应器，在一氧化碳变换催 化剂和水蒸气作用下将一氧化碳进一步转化为氢，获得的富氢燃气直接应用于熔融 碳酸盐燃料电池中，通过燃料电池系统内部的电化学过程产生电力。
所述生物质热化学制氢方法为将含水量10%-20%的秸秆等生物质原料经破碎 后定量送入热解反应器；生物质原料在热解反应器内部由螺旋输送装置向热解反应 器后部输送的同时被间接加热，输送过程中发生隔绝空气条件下的生物质热解，热 解反应器温度由外部烟气加热和控制装置调节，热解温度550-650°C，热解反应时 间至少为5分钟，将占生物质原料重量60-75%的成分挥发分析出来成为气相产物， 该气相产物中包括氢、 一氧化碳、二氧化碳、甲垸等常温下不凝结的气体和焦油等 常温下凝结为液体的大分子化合物；
热解反应器后部，生物质热解固相产物与气相产物分离;气相产物进入除尘器， 将气相产物中的颗粒杂质除掉；固相产物进入残碳收集箱，并通过输送机构送入残 碳燃烧装置，通过调整送风实现良好燃烧，获取高温烟气，用于维持热解反应、裂 解反应部分温度水平以及生产过热水蒸气所需能量；
除尘之后的热解气相产物进入裂解反应器，裂解反应器中装填白云石催化剂， 并通入过热水蒸气(14(TC)，水蒸气的加入量为生物质质量的10-30%，并根据生 物质原料特性进行调整；利用烟气加热和控制装置调节裂解器的温度，在温度 800-95(TC条件下进行裂解，反应时间至少为3秒，将分子量较大的重烃类组分(焦
油)裂解为氢、甲垸和其他轻质烃类，并结合裂解产物的蒸汽重整，实现甲烷等烃 类的转化，提高氢产量，消除焦油，增加气体产量和气体的氢含量，得到富氢燃气， 同时减少析碳并避免催化剂的积碳失活。
本发明的有益效果在于1、本发明的方法采用秸秆等生物质资源为原料，通 过热解结合裂解方法转化为富氢燃气，并结合高温燃料电池实现发电，燃气发电部 分的能量转化效率在50%以上，相比于传统的生物质燃烧气化发电方式具备更高的 能量转化效率。2、热解结合裂解制取富氢燃气的方法，可以使用稻壳、玉米秸、 稻秆、麦杆等多种农林废弃物，原料适应范围宽，且转化过程仅产生少量生物质灰， 仍可用作肥料还田，原料利用率高。3、富氢燃气中氢气含量较高，直接用于高温 燃料电池发电，避免了高成本的氢气提纯过程；制氢工段产生的高温富氢燃气直接 用于燃料电池，不进行冷却，提高了能量利用经济性。4、生物质氢能发电系统方 便灵活，便于布置在用户周围，避免了生物质资源大规模利用中原料收集储运方面 的高成本，适宜于建立分布式的能源系统，适合于广大农村、林区、边远山区、牧 区、海岛以及一些远离电网并有丰富生物质资源地区的能源开发。
具体实施例方式
将含水量10-20%的秸秆等生物质原料进行破碎预处理后定量送入热解反应 器。生物质原料在热解器内输送过程中发生隔绝空气条件下的热解反应，热解温度 550 65(TC，热解反应时间至少为5分钟，通过监测温度并相应地调节烟气加热装 置的负荷实现热解反应温度的调控。热解后，生物质原料转化为气相和固相产物， 气相热解产物中包括氢、 一氧化碳、二氧化碳、甲垸等常温下不凝结的气体和焦油 等常温下凝结为液体的大分子烃类。热解基本反应为
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永久性气体焦油等大分子残碳 热解器后部，热解固相产物与气相产物分离。气相产物进入除尘器，将气相产 物中的颗粒杂质除掉。固相产物进入残碳收集箱，并通过输送机构送入残碳燃烧器， 通过调整送风实现良好燃烧，获取100(TC左右的高温烟气，送入热解器、裂解器、 一氧化碳变换器等耗能设备。残碳燃烧过程仅产生占生物质原料质量5-15%的生物 质灰，可用作肥料还田。
除尘之后的热解气相产物进入裂解器，在白云石催化剂和过热水蒸气(14(TC 以上)作用下发生裂解反应，将分子量较大的重烃类组分(焦油)裂解为轻质产物， 并结合裂解产物的蒸汽重整，实现甲烷等烃类的转化，消除重烃类组分，增加气体 产量和气体中氢含量。裂解反应温度800-95(TC，反应时间至少为3秒，通过温度
监测并相应的调节烟气加热装置负荷实现裂解反应温度的调控，水蒸气的加入量为
生物质质量的10-30%,并根据生物质原料特性进行调整。裂解过程发生的主要反
应为
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C0+H20 o H2+C02 —氧化碳变换反应 CH4+H20 一 3H2+C0 甲烷重整反应 C+BX) H2+C0 水煤气反应
从裂解器出来的产品气体通过水冷式热量回收装置，将气流温度降低到30(TC 左右，以满足高温过滤和脱硫所需温度水平，热量回收所得热水可送入过热蒸汽发 生器。
30(TC左右的产品气体进入高温过滤器，将反应过程可能产生的颗粒杂质过滤。 过滤之后的气体产物进入脱硫器，在250-35(TC左右温度和氧化锌脱硫剂作用下脱 除气流中可能含有的微量硫。
脱硫之后的气体产物进入一氧化碳变换反应器，采用水煤气变换反应催化剂， 反应温度300-400°C，通入14(TC以上过热水蒸气，并根据气体成分调整水蒸气加 入量，将气流中的一氧化碳转化为氢气和二氧化碳，降低一氧化碳含量并提高氢气 产量，得到氢气体积含量在60%以上， 一氧化碳体积含量3%以下，甲烷体积含量 2%以下的富氢燃气，能够满足熔融碳酸盐燃料电池反应的需要。该过程的主要反应 为C+H20 —H2+C0 水煤气反应
将300-40(TC的富氢燃气送入熔融碳酸盐燃料电池的阳极，将空气与二氧化碳 混合气送入燃料电池阴极，在600-65(TC左右，以熔融碳酸盐为电解质，通过燃料 电池系统内部的电化学过程产生电力，对外输出电能。燃气发电部分的能量转化效 率在50%以上，远超过燃烧、气化发电中利用内燃机、汽轮机、燃气轮机一般不超 过40%的发电效率。该过程的主要反应为 阴极02 + 2C0'2 + 4e— —2C032— 阳极2H2 + 2C0/— — 2C02 + 2H20 + 4e — 总反应O2 + 2H2— 2H20
燃料电池的高温尾气(50(TC以上)可通过水冷式余热回收装置回收部分热能 后排放，产生的热水可送入过热蒸汽发生器以产生过热蒸汽，或者提供部分热水实 现供热用途。
图1是生物质氢能发电方法流程框图。
权利要求
1、一种生物质氢能发电方法，其特征是通过生物质热化学制氢方法将生物质转化为清洁的高温富氢燃气，高温富氢燃气不需提纯直接应用于熔融碳酸盐燃料电池实现电力生产。
2、 根据权利要求1所述的生物质氢能发电方法，其特征是所述生物质热 化学制氢方法是在隔绝空气条件下使生物质原料经550-65(TC温度下热解转化 为气相产物和残碳；将残碳从气相产物中分离后移出反应系统，通过燃烧获取 热量用于生物质氢能发电过程的能量损耗；对热解后产生的气相产物在 800-95(TC条件下进行裂解，并结合白云石催化剂和水蒸气的作用实现气相产 物的裂解、重整，将分子量较大的重烃类组分裂解、重整为氢、甲烷和其他轻 质烃类，消除焦油并降低甲烷等烃类含量，提高气体产物中氢的含量和产量， 制备氢气体积含量达30%-55%的富氢气体产物，降温至300°C，进行热态过滤 和脱硫，脱除杂质后将气体产物送入一氧化碳变换反应器，在一氧化碳变换催 化剂和水蒸气作用下将一氧化碳进一步转化为高温富氢燃气。
3、 根据权利要求2所述的生物质氢能发电方法，其特征是所述生物质热 化学制氢方法是将含水量10%-20%的生物质原料经破碎后定量送入热解反应 器；生物质原料在热解反应器内部由螺旋输送装置向热解反应器后部输送的同 时被间接加热，输送过程中发生隔绝空气条件下的生物质热解，热解反应器温 度由外部烟气加热和控制装置调节，热解温度550-65(TC，热解反应时间至少 为5分钟，将占生物质原料重量60-75%的成分挥发分析出来成为气相产物，该 气相产物中包括氢、 一氧化碳、二氧化碳、甲烷等常温下不凝结的气体和焦油 等常温下凝结为液体的大分子化合物；热解反应器后部，生物质热解固相产物与气相产物分离；气相产物进入除 尘器，将气相产物中的颗粒杂质除掉；固相产物进入残碳收集箱，并通过输送 机构送入残碳燃烧器，通过调整送风实现良好燃烧，获取高温烟气，用于维持 热解反应、裂解反应部分温度水平以及生产过热水蒸气所需能量；除尘之后的热解气相产物进入裂解反应器，裂解反应器中装填白云石催化 剂，并通入140。C的过热水蒸气，水蒸气的加入量为生物质质量的10-30%， 并根据生物质原料特性进行调整；利用烟气加热和控制装置调节裂解器的温 度，在温度800-950。C条件下进行裂解，反应时间至少为3秒，将分子量较大 的重烃类组分焦油裂解为氢、甲垸和其他轻质烃类，并结合裂解产物的蒸汽重 整，实现甲烷等烃类的转化，提高氢产量，消除焦油，增加气体产量和气体的 氢含量，得到富氢气体产物。
4、 根据权利要求3所述的生物质氢能发电方法，其特征是所述热解温度 为600-650°C ，裂解温度为850-900°C 。
5、 根据权利要求3所述的生物质氢能发电方法，其特征是所述热解反应 时间为6-8分钟，裂解反应时间为3-6秒。
6、 根据权利要求3所述的生物质氢能发电方法，其特征是所述进入熔融 碳酸盐燃料电池的富氢燃气温度在300-400°C，燃气中氢气体积含量在60%以 上， 一氧化碳体积含量3%以下，甲烷体积含量2%以下。
全文摘要
一种生物质氢能发电方法，其特征是通过生物质热化学制氢方法将生物质转化为清洁的高温富氢燃气，高温富氢燃气不需提纯直接应用于熔融碳酸盐燃料电池实现电力生产。
文档编号C01B3/02GK101098022SQ200710016668
公开日2008年1月2日 申请日期2007年7月3日 优先权日2007年7月3日
发明者立 孙, 孟祥梅, 杰 张, 张晓东, 赵保峰, 雷 陈 申请人:山东省科学院能源研究所