CN105176585A

CN105176585A - 一种用于固体燃料化学链制氢的装置及应用

Info

Publication number: CN105176585A
Application number: CN201510652055.5A
Authority: CN
Inventors: 余钟亮; 房倚天; 赵建涛; 黄戒介; 胡顺轩; 李春玉; 周兴; 郭金霞; 聂伟; 陈友川
Original assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Current assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Priority date: 2015-10-10
Filing date: 2015-10-10
Publication date: 2015-12-23

Abstract

一种用于固体燃料化学链制氢的装置它包括燃料反应器(1)、蒸汽反应器(2)、空气反应器(3)和第一旋风分离器(5)，第二旋风分离器(6)，燃料反应器(1)中部的第一固体燃料进料口(1C)连接进料仓(4)，氧载体入口(1E)连通第一旋风分离器(5)底部出口，第一固体产物出口(1A)与蒸汽反应器(2)顶部连通；蒸汽反应器(2)底部设置水蒸汽进气口(2C)，顶部设置气体产物出口(2B)，气体产物出口(2B)与第二旋风分离器(6)连通，第二固体产物出口(2A)与空气反应器(3)底部连通；空气反应器(3)底部设置空气入口(3A)，产物出口(3B)连通第一旋风分离器(5)入口。本发明具有制氢过程不需用纯氧，运行成本低；反应速率快的优点。

Description

一种用于固体燃料化学链制氢的装置及应用

技术领域

本发明属于一种固体燃料气化方法，具体涉及一种用于固体燃料化学链制氢的装置及应用。

背景技术

利用传统气化技术制备高浓度CO₂和H₂时，需经O₂-H₂O气化、水煤气变换、气体分离与提纯等步骤才能得到产物气体，过程需用纯氧，流程长，投资成本大，制氢效率偏低，生产成本高。

化学链转化是指借助于氧载体的作用，使氧从给氧反应器传递给得氧反应器中的燃料，从而实现得氧气氛和失氧气氛的隔离，体现出分离的优势；另一方面，氧载体可携带一定的热量，起热载体的作用，具有降低氧耗的潜力。根据化学链转化原理，理论上可直接获得高浓度的CO₂和H₂分离气体，同时降低O₂的消耗，甚至不使用纯氧。因此，发展基于化学链转化理论基础的新型气化技术具有重要的工业应用价值。经检索，以固体燃料为原料的化学链制氢装置和方法未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于固体燃料化学链制氢的装置和应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于固体燃料化学链制氢的装置，它包括燃料反应器1、蒸汽反应器2、空气反应器3和第一旋风分离器5，第二旋风分离器6，其特征在于燃料反应器1中部的第一固体燃料进料口1C连接进料仓4，顶部氧载体入口1E连通第一旋风分离器5底部出口，底部第一固体产物出口1A通过非机械阀与蒸汽反应器2顶部连通；蒸汽反应器2底部设置水蒸汽进气口2C，顶部设置气体产物出口2B，气体产物出口2B与第二旋风分离器6连通，底部第二固体产物出口2A通过非机械阀与空气反应器3底部连通；空气反应器3底部设置连通布风板的空气入口3A，顶部产物出口3B连通第一旋风分离器5入口。

如上所述燃料反应器1包括壳体1D，固体燃料进料口1C，气体产物出口1B，第一固体产物出口1A，壳体1D的上部为气体反应区，中部为进料区，下部为焦炭反应区，在气体反应区与进料区之间设置第一锥形多孔分布板1F分隔，进料区与焦炭反应区之间设置第二锥形多孔分布板1G分隔，第一锥形多孔分布板1F设置第一锥形多孔分布板固体出口1H，第二锥形多孔分布板设置第二锥形多孔分布板固体出口1I，固体燃料进料口1C位于进料区上部的壳体1D，气体产物出口1B位于气体反应区上部的壳体1D，第一固体产物出口1A位于壳体1D底部，壳体1D顶部有连接氧载体入口1E。

如上所述燃料反应器与蒸汽反应器间，蒸汽反应器与空气反应器间靠非机械阀防止串气及控制固体物流，所述非机械阀为L阀或U阀。

如上所述的燃料反应器1和蒸汽反应器2均为气固逆流移动床，操作气速为氧载体临界流化速度(u_mf)的0.5-0.9倍；空气反应器3下部大直径区域为鼓泡流化床，操作气速为氧载体临界流化速度(u_mf)的1.5-5.0倍；空气反应器3上部小直径区域为快速流化床，操作气速为氧载体带出速度(u_t)的1.1-3.0倍。

本发明的应用，包括以下步骤：

步骤1：根据固体燃料的进料量及元素分析数据，确定氧载体和水蒸汽量，其质量比为固体燃料：氧载体：水蒸汽＝1：(10.6～32.3)：(1.0～2.8)；

步骤2：将相应量的氧载体从进料仓加入燃料反应器，打开非机械阀的松动气，使氧载体全部输送至空气反应器；

步骤3：从空气反应器的气体入口通入甲烷和空气，待甲烷燃烧加热氧载体料层至设定温度后，增大气体流量，使氧载体能够在体系中循环，同时向蒸汽反应器的水蒸汽，使氧载体在系统中达到稳定循环速率；

步骤4：待各反应器达到设定温度后，从进料仓加入煤粉至燃料反应器，同时逐渐关闭甲烷气体，待系统稳定后，从气体出口收集气体分析。

所述氧载体的活性组分为Fe₂O₃，含量为40-75wt％；第一惰性抗烧结组分为Al₂O₃，含量为20-50wt％，第二惰性抗烧结组分SiO₂、ZrO₂、MgO等的一种或几种，含量为0-4wt％；催化组份为K₂CO₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、KOH、NaOH等的一种或几种，含量为1-10wt％。

所述燃料反应器出口Fe₂O₃的还原相态为Fe或Fe与FeO的混合物。

所述燃料反应器1所需的热量来源于高温氧载体的显热以及FeO与Al₂O₃反应生成FeAl₂O₄释放的反应热，蒸汽反应器2和空气反应器3中进行的均为放热反应，各反应器均能实现自热。

所述燃料反应器1、蒸汽反应器2、空气反应器3的操作温度分别为750-1050℃、650-850℃、950-1250℃，操作压力为0.1-4.0MPa。

所述氧载体的粒径范围为0.50-4.00mm，固体燃料的粒径范围为0.08-0.18mm。

本发明的优点是：煤等固体燃料化学链制氢过程不需用纯氧，省去了空分设备的投资和相应的运行成本；能直接得到高浓度且内在分离的CO₂和H₂，省去了水煤气变换和气体分离与提纯等操作单元的投资和相应的运行成本；反应速率快，降低了设备的投资成本；各个反应器都能实现自热，利于维持系统的连续运行。

附图说明

图1是本发明燃料反应器结构示意图。

图2是本发明装置示意图。

如图所示，1-燃料反应器；2-蒸汽反应器；3-空气反应器；4-进料仓；5第一旋风分离器，6-第二旋风分离器；1A-第一固体产物出口；1B-第一气体产物出口，1C-固体燃料进料口；2A-第二固体产物出口；2B-第二气体产物出口；2C-水蒸汽入口；3A-空气入口；3B-产物出口。；1D-壳体；1E-氧载体入口；1F-第一锥形多孔分布板；1G-第二锥形多孔分布板；1H-第一锥形多孔分布板固体出口；1I-第二锥形多孔分布板固体出口。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明，但对本发明不构成限制。

如图1所示，燃料反应器1从上至下依次可分为气体反应区、进料区和焦炭反应区，固体燃料从固体燃料进料口1C喷入进料区，固体燃料与高温氧载体接触，进而发生快速热解，热解气经第一锥形多孔分布板1F进入气体反应区反应被氧化，焦炭与氧载体发生初步混合，然后经过第二级锥形多孔分布板1G进一步混合并进入焦炭反应区反应，产物气体向上流动，其中还原性组分在气体反应区被完全氧化，出口产物气体与进口的高价态氧载体达到化学平衡，使气体组分完全氧化为CO₂和H₂O。

如图2所示，燃料反应器1的固体产物出口1A通过非机械阀与蒸汽反应器2连接。非机械阀可防止反应器间串气及控制固体物流。在燃料反应器1第一固体产物出口1A中氧载体的活性相被还原为FeO/Fe相，从第一固体产物出口1A进入蒸汽反应器2后，与顶部的H₂O/H₂混合气达到化学平衡，可减少水蒸汽的用量。由于煤灰的粒径要远小于氧载体的粒径，第二气体产物出口2B携带灰渣进入旋风分离器6分离出灰渣。蒸汽反应器2中氧载体活性相被氧化为Fe₃O₄相，通过非机械阀进入空气反应器3，并与从空气入口3A进入的甲烷和空气反应，氧载体的活性相被完全氧化为Fe₂O₃相，然后气体携带氧载体进入旋风分离器5，分离出的高温氧载体进入燃料反应器1，实现循环。

实施例1

选用粒径为0.10-0.18mm的神木烟煤为原料，其元素分析组成为C_ad65.93％，H_ad3.64％，O_ad11.31％，N_ad1.03％，S_ad0.32％。氧载体组成为Fe₂O₃40％，Al₂O₃50％，MgO4％，K₂CO₃6％，平均粒径为2.50-4.00mm。燃料反应器1、蒸汽反应器2和空气反应器3温度分别为750℃、650℃、950℃，反应压力为4.0MPa。燃料反应器1操作气速为氧载体临界流化速度(u_mf)的0.5倍，蒸汽反应器2操作气速为氧载体临界流化速度(u_mf)的0.9倍，空气反应器3的鼓泡流化床区域操作气速为氧载体临界流化速度(u_mf)的2.5倍，空气反应器3的快速流化床区域操作气速为氧载体带出速度(u_t)的2.0倍。所用非机械阀为L阀。具体步骤如下：

首先将3227.0kg的氧载体从进料仓4加入燃料反应器1，打开L阀的松动气，使氧载体全部输送至空气反应器3。然后，从空气反应器3的气体入口3A通入甲烷和空气，甲烷燃烧加热氧载体料层至950℃后，增大气体流量，使氧载体能够在体系中循环，并达到3227.0kg/h的稳定循环速率。维持蒸汽反应器2的水蒸汽流量为232.6kg/h。待各反应器达到设定温度后，从进料仓4加入煤粉(100.0kg/h)至燃料反应器1，同时逐渐关闭甲烷气体。待系统稳定后，从气体出口收集气体分析。

系统运行结果为：CO₂：241.7kg/h，浓度为95wt％H₂：21.5kg/h，浓度为98wt％，灰渣：11.6kg/h。

实施例2

由于各实施例的操作步骤相同，在此不累述具体步骤，只列出操作条件和实验结果。

实施例3

实施例4

Claims

1.一种用于固体燃料化学链制氢的装置，其特征在于它包括燃料反应器(1)、蒸汽反应器(2)、空气反应器(3)和第一旋风分离器(5)，第二旋风分离器(6)，其特征在于燃料反应器(1)中部的第一固体燃料进料口(1C)连接进料仓(4)，顶部氧载体入口(1E)连通第一旋风分离器(5)底部出口，底部第一固体产物出口(1A)通过非机械阀与蒸汽反应器(2)顶部连通；蒸汽反应器(2)底部设置水蒸汽进气口(2C)，顶部设置气体产物出口(2B)，气体产物出口(2B)与第二旋风分离器(6)连通，底部第二固体产物出口(2A)通过非机械阀与空气反应器(3)底部连通；空气反应器(3)底部设置连通布风板的空气入口(3A)，顶部产物出口(3B)连通第一旋风分离器(5)入口。

2.如权利要求1所述一种用于固体燃料化学链制氢的装置，其特征在于所述燃料反应器(1)包括壳体(1D)，固体燃料进料口(1C)，气体产物出口(1B)，第一固体产物出口(1A)，壳体(1D)的上部为气体反应区，中部为进料区，下部为焦炭反应区，在气体反应区与进料区之间设置第一锥形多孔分布板(1F)分隔，进料区与焦炭反应区之间设置第二锥形多孔分布板(1G)分隔，第一锥形多孔分布板(1F)设置第一锥形多孔分布板固体出口(1H)，第二锥形多孔分布板设置第二锥形多孔分布板固体出口(1I)，固体燃料进料口(1C)位于进料区上部的壳体(1D)，气体产物出口(1B)位于气体反应区上部的壳体(1D)，第一固体产物出口(1A)位于壳体(1)D底部，壳体(1D)顶部有连接氧载体入口(1E)。

3.如权利要求1所述一种用于固体燃料化学链制氢的装置，其特征在于所非机械阀为L阀或U阀。

4.如权利要求1所述一种用于固体燃料化学链制氢的装置，其特征在于所述的燃料反应器(1)和蒸汽反应器(2)均为气固逆流移动床。

5.如权利要求1-4任一项所述一种用于固体燃料化学链制氢的装置的应用，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)：根据固体燃料的进料量及元素分析数据，确定氧载体和水蒸汽量，其质量比为固体燃料：氧载体：水蒸汽=1：10.6-32.3：1.0-2.8；

步骤(2)：将相应量的氧载体从进料仓加入燃料反应器，打开非机械阀的松动气，使氧载体全部输送至空气反应器；

步骤(3)：从空气反应器的气体入口通入甲烷和空气，待甲烷燃烧加热氧载体料层至设定温度后，增大气体流量，使氧载体能够在体系中循环，同时向蒸汽反应器的水蒸汽，使氧载体在系统中达到稳定循环速率；

步骤(4)：待各反应器达到设定温度后，从进料仓加入煤粉至燃料反应器，同时逐渐关闭甲烷气体，待系统稳定后，从气体出口收集气体分析。

6.如权利要求5所述一种用于固体燃料化学链制氢的装置的应用，其特征在于所述氧载体的活性组分为Fe₂O₃，含量为40-75wt%；第一惰性抗烧结组分为Al₂O₃，含量为20-50wt%，第二惰性抗烧结组分SiO₍₂₎、ZrO₍₂₎、MgO的一种或几种，含量为0-4wt%；催化组份为K₍₂₎CO₍₃₎、Na₍₂₎CO₍₃₎、Li₍₂₎CO₍₃₎、KOH、NaOH的一种或几种，含量为1-10wt%。

7.如权利要求5所述一种用于固体燃料化学链制氢的装置的应用，其特征在于所述所述燃料反应器、蒸汽反应器、空气反应器的操作温度分别为750-1050℃、650-850℃、950-1250℃，操作压力为0.1-4.0MPa。

8.如权利要求5所述一种用于固体燃料化学链制氢的装置的应用，其特征在于

所述氧载体的粒径范围为0.0-4.00mm，固体燃料的粒径范围为0.08-0.18mm。

9.如权利要求5所述一种用于固体燃料化学链制氢的装置的应用，其特征在于所述的燃料反应器和蒸汽反应器的操作气速为氧载体临界流化速度u_mf的0.5-0.9倍。

10.如权利要求5所述一种用于固体燃料化学链制氢的装置的应用，其特征在于所述的空气反应器下部大直径区域为鼓泡流化床，操作气速为氧载体临界流化速度u_mf的1.5-5.0倍；空气反应器3上部小直径区域为快速流化床，操作气速为氧载体带出速度u_t的1.1-3.0倍。