CN101891147A - 一种固体燃料流化床近零排放制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流化床制氢设备领域，特别涉及一种固体燃料流化床近零排放制氢装置。原料由加料器进入气化反应器与低价金属氧化物混合碰撞获得热量，在水蒸气气氛下进行气化，而低价金属氧化物温度较高可以促进气化焦油的进一步分解；净化和过滤单元、氢气分离单元可将气化产气分离为纯净的氢气和低氢可燃气，低氢可燃气通过管路送入燃料反应器和金属氧化物反应，低价氧化物在空气反应器中氧化获得氧，并氧化放热为系统提供热量。该固体燃料流化床近零排放制氢装置，通过输送装置确保了载氧体在三个反应器间的循环，从而实现了能量和氧的供应。并可获得高浓度的CO2，进而进行利用或深埋，从而实现了能源的高效，清洁，节约利用。
Description
技术领域
本发明属于流化床制氢设备领域，特别涉及一种固体燃料流化床近零排放制氢装置。
背景技术
近年来能源的清洁高效利用引起了人们的高度关注。气化制氢等技术受到人们的重视，但传统的气化的装置和方式也具有很大的局限性。因而，人们提出各种新的装置和方法，“一种生物质下吸式气化炉催化制氢的方法及其装置(200310111799.3)公开了一种生物质下吸式气化炉催化制氢方法，对生物质气化制燃气催化从而制得富氢气体。但生物质催化重整制氢方法需要寻求高效的催化剂及催化剂反应器，催化剂本身也有失活等难题需要解决。此外，如果进行大规模生物质制氢应用，制氢过程CO2、CH4等温室气体的排放是一个必须考虑的问题，因而，近零排放制氢具有极大的吸引力。专利“煤与生物质共超临界水催化气化制氢装置及方法”(200510041633.8)公开了一种煤与生物质共超临界水催化气化制氢装置及方法，使得气体产物中氢气含量升高，而且使气体产物中二氧化碳的浓度提高，二氧化碳容易被分离出来并进行处理，从而现实二氧化碳零排放制氢。但这种方法对于反应器和反应条件要求较为苛刻，系统控制较为复杂。总之，目前有多种制氢工艺但各种工艺需要不断完善，使氢能早日为人们所用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体燃料流化床近零排放制氢装置，既能够实现CO2近零排放制氢，又能够实现能量的分级利用。
本发明采用的技术方案为：气化反应器底部通过第三立管与喷射器连接，空气反应器的底部也与喷射器连接；气化反应器顶部通过管路与第一气固分离装置相连。第一气固分离装置气体出口依次与、净化和过滤单元以及氢气分离单元连接；第一气固分离装置固体出口通过第一立管与气化反应器连接；气化反应器的中部设置加料器；燃料反应器的底部通过第四立管和第二立管与空气反应器的顶部连接；燃料反应器的底部还设置布风装置，且布风装置与第四立管相连；燃料反应器风室通过管道与氢气分离单元连接；第二气固分离装置入口连接到燃料反应器顶部，固体出口端伸入燃料反应器内，气体出口与第一余热利用装置连接；第三气固分离装置入口连接到空气反应器的顶部，固体出口端伸入燃料反应器内，气体出口与第二余热利用装置连接。
所述气化反应器为移动床，所述空气反应器为快速流化床，所述燃料反应器为鼓泡床。
所述气化反应器底部锥面上设置水蒸气喷口；气化反应器内设置隔板，强化燃料和床料间的混合。
所述氢气分离单元为分子筛吸附、变压吸附或高效膜分离装置。
所述第一立管、第三立管、第四立管既用于返料，又用作料封防止气体互窜。
所述第一立管、第二立管为U阀。
所述气化反应器、空气反应器和燃料反应器之间循环的物料为包括钛铁矿、铁矿在内的天然矿石或包括氧化铁、氧化镍在内的金属氧化物。
所述加料器内添加的原料为破碎的煤或含水量低于30wt％的生物质颗粒。
原料由加料器从气化反应器中间高度加入后与从第二立管送入的低价金属氧化物混合碰撞获得热量，在水蒸气气氛下进行气化。气化反应器中布置有隔板保证了原料充分的混合，而上部空间中的低价金属氧化物温度较高能够对焦油起到催化裂解的作用从而减少甚至除去焦油。
净化和过滤单元，氢气分离单元可将气化产气分离为纯净的氢气和低氢可燃气，低氢可燃气通过管路送入燃料反应器和金属氧化物反应。由于燃料反应器采用鼓泡床，足够的停留时间保证了燃料的充分反应，从而气体产物中几乎全部为CO2和H2O，废气携带的热量可被余热利用装置利用。废气经过冷凝后即可得到较高浓度的CO2，进行利用或深埋。
本发明的有益效果为：该固体燃料流化床近零排放制氢装置，通过输送装置确保了载氧体在三个反应器间的循环，从而实现了能量和氧的供应。并可获得高浓度的CO2，进而进行利用或深埋，从而实现了能源的高效，清洁，节约利用。
附图说明
图1为该固体燃料流化床近零排放制氢装置的结构示意图。
图中标号：
1-气化反应器；2-空气反应器；3-燃料反应器；4-第一气固分离装置；5-第二气固分离装置；6-第三气固分离装置；7-第一余热利用装置；8-第二余热利用装置；9-水蒸气喷口；10-加料器；11-净化和过滤单元；12-氢气分离单元；13-喷射器；14-卸料口；15-布风装置；16-第一立管；17-第二立管；18-第三立管；19-隔板；20-第四立管。
具体实施方式
本发明提供了一种固体燃料流化床近零排放制氢装置，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，气化反应器1底部通过第三立管18与喷射器13连接，空气反应器2的底部也与喷射器13连接；气化反应器1顶部通过管路与第一气固分离装置4相连。第一气固分离装置4气体出口依次与、净化和过滤单元11以及氢气分离单元12连接；第一气固分离装置4固体出口通过第一立管16与气化反应器1连接；气化反应器1的中部设置加料器10；燃料反应器3的底部通过第四立管20和第二立管17与空气反应器1的顶部连接；燃料反应器3的底部还设置布风装置15，且布风装置15与第四立管20相连；燃料反应器3风室通过管道与氢气分离单元12连接；第二气固分离装置5入口连接到燃料反应器3顶部，固体出口端伸入燃料反应器3内，气体出口与第一余热利用装置7连接；第三气固分离装置6入口连接到空气反应器2的顶部，固体出口端伸入燃料反应器3内，气体出口与第二余热利用装置8连接；所述气化反应器1底部锥面上设置水蒸气喷口9；气化反应器1内设置隔板19，强化燃料和床料间的混合。
实施例1：
破碎的煤通过加料器10进入到气化反应器1中，与底部通入的水蒸气发生气化反应，气化热量由燃料反应器2送入的Fe3O4提供。刚进入气化反应器1的Fe3O4具有较高的温度，因而还可在上部促进气化焦油的转化。气化后的气体经过第一气固分离转置4后，进入到气体净化单元11进行净化过滤，随后进入到氢气分离单元12进行分离，从而制得较高纯度氢气。而分离后的低氢可燃气通过管路进入到燃料反应器3中与Fe2O3反应生成CO2和H2O。CO2和H2O携带的热量可以进入第一余热利用装置7，再经过冷凝后即可得到高纯度CO2。而反应后的Fe3O4通过第四立管20和第二立管17进入到气化反应器1。Fe3O4在空气反应器2中可进行氧化再生生成Fe2O3。贫氧空气携带的热量可以进入第二余热利用装置8，充分利用热量。
该实施例中涉及的反应主要有：
气化反应器：C+H2O＝CO+H2
还原反应器：3Fe2O3+CO＝2Fe3O4+CO2
12Fe2O3+CH4＝8Fe3O4+CO2+2H2O
氧化反应器：4Fe3O4+O2＝6Fe2O3
由于有部分未反应的煤焦进入到空气反应器，因而会有部分C燃烧反应C+O2＝CO2。
实施例2：
锯末通过加料器10进入到气化反应器1中，与底部通入的水蒸气发生气化反应，气化热量由燃料反应器2送入的NiO提供。刚进入气化反应器1的Ni具有较高的温度，因而还可在上部促进焦油的转化，且Ni具有一定的催化效果对催化很有利。气化后的气体经过第一气固分离转置4后，进入到气体净化单元11进行净化过滤，随后进入到氢气分离单元12进行分离，从而制得较高纯度氢气。而分离后的低氢可燃气通过管路进入到燃料反应器3中与NiO反应，生成CO2和H2O。CO2和H2O携带的热量进入第一余热利用装置7，再经过冷凝后即可得到高纯度CO2。而反应生成的Ni通过第四立管20和第二立管17进入到气化反应器1。Ni在空气反应器2中可进行氧化再生生成NiO。贫氧空气携带的热量进入第二余热利用装置8，充分利用热量。
本实施例中涉及的反应重要有
气化反应器：C+H2O＝CO+H2
还原反应器：NiO+CO＝Ni+CO2
4NiO+CH4＝4Ni+CO2+2H2O
氧化反应器：2Ni+O2＝2NiO
由于有部分未反应的焦炭进入到空气反应器，因而会有部分C燃烧反应C+O2＝CO2。
实验装置的形状根据需要做成圆形、方形或其他形状。
Claims (8)
1.一种固体燃料流化床近零排放制氢系统，其特征在于，
气化反应器(1)底部通过第三立管(18)与喷射器(13)连接，空气反应器(2)的底部也与喷射器(13)连接；
气化反应器(1)顶部通过管路与第一气固分离装置(4)相连，第一气固分离装置(4)气体出口依次与净化和过滤单元(11)以及氢气分离单元(12)连接；第一气固分离装置(4)固体出口通过第一立管(16)与气化反应器(1)连接；气化反应器(1)的中部设置加料器(10)；
燃料反应器(3)的底部通过第四立管(20)和第二立管(17)与空气反应器(1)的顶部连接；燃料反应器(3)的底部还设置布风装置(15)，且布风装置(15)与第四立管(20)相连；燃料反应器(3)风室通过管道与氢气分离单元(12)连接；
第二气固分离装置(5)入口连接到燃料反应器(3)顶部，固体出口端伸入燃料反应器(3)内，气体出口与第一余热利用装置(7)连接；第三气固分离装置(6)入口连接到空气反应器(2)的顶部，固体出口端伸入燃料反应器(3)内，气体出口与第二余热利用装置(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种固体燃料流化床近零排放制氢装置，特征在于，所述气化反应器(1)为移动床，所述空气反应器(2)为快速流化床，所述燃料反应器(3)为鼓泡床。
3.根据权利要求1所述的一种固体燃料流化床近零排放制氢装置，其特征在于：所述气化反应器(1)底部锥面上设置水蒸气喷口(9)；气化反应器(1)内设置隔板(19)，强化燃料和床料间的混合。
4.根据权利要求1所述的一种固体燃料流化床近零排放制氢装置，其特征在于：所述氢气分离单元(12)为分子筛吸附、变压吸附或高效膜分离装置。
5.根据权利要求1所述的一种固体燃料流化床近零排放制氢装置，其特征在于：所述第一立管(16)、第三立管(18)、第四立管(20)既用于返料，又用作料封防止气体互窜。
6.根据权利要求1所述的一种固体燃料流化床近零排放制氢装置，其特征在于，所述第一立管(16)、第二立管(17)为U阀。
7.根据权利要求1所述的一种固体燃料流化床近零排放制氢装置，其特征在于：所述气化反应器(1)、空气反应器(2)和燃料反应器(3)之间循环的物料为包括钛铁矿、铁矿在内的天然矿石或包括氧化铁、氧化镍在内的金属氧化物。
8.根据权利要求1所述的一种固体燃料流化床近零排放制氢装置，其特征在于：所述加料器(10)内添加的原料为破碎的煤或含水量低于30wt％的生物质颗粒。
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