[发明专利]用于将生物质转变成氢的催化膜系统

说明书

包括催化膜气化反应器和催化膜水煤气变换反应器的双反应器催化系统。用于将生物质转变成氢气的该催化系统的特征为新的气化反应器，该气化反应器包含选择性地使O₂渗透通过的中空纤维膜和促进焦油重整的催化剂。还公开了将生物质转变成H₂的工艺。该工艺包括以下步骤：其中，将空气引入中空纤维膜中；使渗透通过中空纤维膜的O₂与水蒸气混合以与生物质反应产生合成气和焦油；以及在催化剂的存在下使焦油重整以产生更多合成气。

背景技术

考虑到使用充裕的生物质生成清洁能源的潜力，将生物质转变成氢已吸引了很大注意。

转变工艺包括两个步骤，即(i)生物质气化生成合成气，和(ii)水煤气变换(WGS)，即水蒸气和合成气转换成氢。

常规的生物质气化需要大的反应器以容纳大体积的空气，这是由于用于反应的空气中的氧的含量低。此外，气化步骤中产生的焦油通常从反应器移除而不是被进一步加工以生成更多合成气。另外，在进行WGS步骤之前，保留在合成气中的一些焦油杂质通常在高温下除去(能量消耗操作)。

需要开发一种使用小型反应器和最小限度能量的用于将生物质转变成氢的高产率方法。

发明内容

本发明涉及催化膜系统，其以意外地成本有效和高产的方式将生物质转变成H₂气体。

在一个方面，本发明是将生物质转变成H₂以及CO₂的工艺。该工艺包括以下步骤：(1)将空气引入中空纤维膜，该中空纤维膜选择性地允许O₂而不是N₂渗透通过；(2)使水蒸气与渗透通过中空纤维膜的O₂混合以与生物质反应产生合成气、焦油和固体灰；(3)在第一催化剂的存在下使焦油重整以产生更多的合成气；(4)使合成气和水蒸气混合以在第二催化剂的存在下反应生成H₂和CO₂；以及(5)允许H₂选择性地渗透通过中空基于金属的膜，从而使由此产生的H₂分离于CO₂。

该工艺的步骤(1)通常在650℃至900℃下进行以使O₂通过中空纤维膜的渗透最大化。

上述工艺可在双反应器催化系统中进行，该双反应器催化系统包括催化膜气化反应器和催化膜WGS反应器，这是本发明的另一方面。本发明中的两个反应器依序将生物质转变成氢气。

气化反应器包括用于接收空气的一个或更多个中空纤维膜、用于气化反应的一个或更多个第一容器、以及限制在一个或更多个第一容器中的第一催化剂，该一个或更多个中空纤维膜选择性地允许O₂而不是N₂渗透通过，该第一催化剂能够促进焦油和水蒸气之间的反应。

WGS反应器包括一个或更多个第二容器、限制在一个或更多个第二容器中的第二催化剂、以及一个或更多个中空基于金属的膜，该第二催化剂能够促进合成气和水蒸气之间的反应，并且该一个或更多个中空基于金属的膜选择性地允许H₂而不是CO₂渗透通过。

气化反应器与一个或更多个第二容器以流体连通的方式连接。