CN105600747A - 一种基于金属载氧体的化学链制氢装置及方法 - Google Patents

一种基于金属载氧体的化学链制氢装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属载氧体的化学链制氢装置及方法，可实现制取高纯度的氢气，同时达到二氧化碳内分离的效果。装置包括空气反应器、旋风分离器、一级燃料反应器、二级燃料反应器、气化反应器和隔离器；其方法为在空气反应器内还原态载氧体与空气氧化反应，生成氧化态载氧体，经旋风分离器气固分离后，氧化态载氧体颗粒进入一级燃料反应器；在一级燃料反应器内载氧体与燃料气还原反应生成还原态载氧体；一级燃料反应器内的载氧体在二级燃料反应器内被燃料气进一步还原，并通过二级燃料反应器进入气化反应器；在气化反应器内还原态载氧体与水蒸汽进行制氢反应，生成氢气及还原态载氧体；气化反应器内的还原态载氧体通过隔离器返回空气反应器。

Description

一种基于金属载氧体的化学链制氢装置及方法
技术领域
本发明属于化工领域，特别涉及一种制取氢气的装置及方法，具体为基于金属载氧体的化学链制氢的装置及方法。
背景技术
作为能源消耗大国，我国每年都在消耗大量化石燃料。然而传统化石燃料在生产、运输和利用过程中都会对环境造成不同程度的损害，其主要燃烧产物二氧化碳、SOx、NOx等更是当前温室效应和酸雨等环境问题的主要元凶。随着我国的不断发展，由于消耗化石燃料所带来的环境问题逐渐受到社会的关注。而新能源作为环境友好型的能源，在生产、运输和利用过程对环境所造成的损害则小得多。
在当前的各种新能源中，氢作为一种重要的工业原料，以其热值高、无污染、不产生温室气体等独特优点受到越来越多的关注，如何低耗又环保的开发氢能也越来越受到广泛的重视。
目前化石燃料制氢己经占据全部制氢方式的95％，工业上最主要的制氢方法是天然气蒸汽重整制氢。重整反应生成的合成气主要是由二氧化碳与氢气组成的合成气，经过变压吸附、分离除去水与二氧化碳后得到纯氢。但在此过程中为分离温室气体二氧化碳所采用的水汽转换与变压吸附工艺都大大提高了制氢能耗。
在将来的很长一段时间内，化石燃料制氢仍是占主导作用的商业制氢方式，是氢能的主要来源。因此提高氢气纯度，以及低耗的实现二氧化碳的分离与捕集仍是化石燃料制氢所面临的一大问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于金属载氧体的化学链制氢装置及方法，以实现制取高纯度的氢气，同时达到二氧化碳内分离的效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于金属载氧体的化学链制氢装置，包括空气反应器、旋风分离器、一级燃料反应器、二级燃料反应器、气化反应器和隔离器；所述空气反应器的底部设置有空气进口，空气反应器的顶部通过空气反应器排气管与旋风分离器的上部相连通；所述旋风分离器的顶部设置有空气反应器烟气出口，旋风分离器的底部通过旋风分离器料腿与一级燃料反应器相连通；所述一级燃料反应器的底部与二级燃料反应器的底部相连通，所述一级燃料反应器的顶部设置有一级燃料反应器烟气出口，一级燃料反应器的底部设置有一级燃料反应器进口；所述二级燃料反应器的顶部设置有二级燃料反应器烟气出口，二级燃料反应器的底部设置有二级燃料反应器进口，所述二级燃料反应器的内部通过二级燃料反应器料腿与气化反应器相连通；气化反应器的顶部设置有气化反应器烟气出口，气化反应器的底部设置有气化反应器进口，气化反应器的顶部通过隔离器与空气反应器的下部相连通，隔离器的底部设置有隔离器进口。
进一步的，所述二级燃料反应器料腿的上端位于二级燃料反应器内的上部。
进一步的，所述空气反应器、二级燃料反应器和气化反应器均为流化床反应器，所述一级燃料反应器为移动床反应器。
一种基于金属载氧体的化学链制氢方法，在空气反应器内还原态的载氧体颗粒与空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒，氧化态的载氧体颗粒被气流携带进入旋风分离器进行气固分离，气流通过空气反应器烟气出口排出，分离下来的氧化态的载氧体颗粒通过旋风分离器料腿进入一级燃料反应器，与从一级燃料反应器进口进入一级燃料反应器的燃料气进行还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和轻度还原态的载氧体颗粒，二氧化碳和水蒸汽通过一级燃料反应器烟气出口排出，轻度还原态的载氧体颗粒被从二级燃料反应器进口进入二级燃料反应器的流化气携带进入二级燃料反应器，并与从二级燃料反应器进口进入二级燃料反应器的燃料气发生还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和深度还原态的载氧体颗粒，二氧化碳和水蒸汽通过二级燃料反应器烟气出口排出，深度还原态的载氧体颗粒在二级燃料反应器料腿的上部进入二级燃料反应器料腿，在重力作用下进入气化反应器，与从气化反应器进口进入的水蒸气发生制氢反应，生成还原态的载氧体颗粒与氢气，氢气与未反应的水蒸汽通过气化反应器烟气出口排出，还原态的载氧体颗粒通过隔离器返回到空气反应器，与从空气反应器进口进入空气反应器的空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒，完成载氧体颗粒的再生。
进一步的，在化学链制氢过程中，空气反应器处于850-1000℃的高温状态，一级燃料反应器和二级燃料反应器处于700-900℃的中温状态，气化反应器处于750-1000℃的中高温状态。
进一步的，从一级燃料反应器进口进入一级燃料反应器和从二级燃料反应器进口进入二级燃料反应器的气体均为含碳氢的燃料气体与氮气组成的多组分气体；从气化反应器进口进入气化反应器的气体为水蒸汽与氮气组成的多组分气体，从隔离器进口进入隔离器的气体为水蒸汽或氮气的单组份气体。
进一步的，从一级燃料反应器进口和二级燃料反应器进口进入一级燃料反应器和二级燃料反应器的燃料气包括石油、化工产业中产生的含碳氢的气体燃料。
有益效果：目前与将来化石燃料制氢仍是占主导作用的商业制氢方式，是氢能的主要来源。传统的化石燃料制氢方法主要有天然气蒸汽重整，其产物是由二氧化碳与氢气组成的合成气，氢气纯度不高，为了得到纯氢气还得经过水汽转换与变压吸附工艺来进行净化分离，这些净化措施大大提高了制氢能耗，给传统化石燃料制氢法带来氢气纯度低、二氧化碳的分离能耗大等问题。
化学链制氢过程中，燃料气不直接与水蒸汽反应，而是通过载氧体颗粒在空气反应器、一级燃料反应器、二级燃料反应器和气化反应器间的交替氧化-还原实现氢气的制取，即：在空气反应器内还原态的载氧体颗粒与空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒，氧化态的载氧体颗粒被气流携带进入旋风分离器内进行气固分离，气流通过空气反应器烟气出口排出，分离下来的氧化态的载氧体颗粒通过旋风分离器料腿进入一级燃料反应器，与从一级燃料反应器进口进入一级燃料反应器的燃料气进行还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和轻度还原态的载氧体颗粒，二氧化碳和水蒸汽通过一级燃料反应器烟气出口排出，轻度还原态的载氧体颗粒被从二级燃料反应器进口进入二级燃料反应器的流化气携带进入二级燃料反应器，并与从二级燃料反应器进口进入二级燃料反应器的燃料气发生还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和深度还原态的载氧体颗粒，二氧化碳和水蒸汽通过二级燃料反应器烟气出口排出，深度还原态的载氧体颗粒在二级燃料反应器料腿的上部进入二级燃料反应器料腿，在重力作用下进入气化反应器，与从气化反应器进口进入的水蒸气发生制氢反应，生成还原态的载氧体颗粒与氢气，氢气与未反应的水蒸汽通过气化反应器烟气出口排出，还原态的载氧体颗粒通过隔离器返回到空气反应器，与从空气反应器进口进入空气反应器的空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒，完成载氧体颗粒的再生。
在气化反应器中，由于没有燃料气的存在，水蒸汽和还原态的载氧体颗粒不会生成二氧化碳，气化反应器出口也只有氢气及未反应的水蒸汽，经冷却除水后即可得到高纯度的氢气。此外在一级燃料反应器内，燃料气的产物只有二氧化碳和水蒸汽，经冷却除水后亦可直接捕集二氧化碳以及未反应的一氧化碳，也可低耗的获得极高的碳捕集率。
因此基于金属载氧体的化学链制氢装置及方法能实现制取高纯度的氢气，同时也达到二氧化碳的分离与捕集的效果。提高氢气的纯度和低耗的分离并捕集合成气中二氧化碳是制约制氢技术的瓶颈，因此基于金属载氧体的化学链制氢方式具有极大的应用前景和社会效益。
附图说明
图1为本发明的装置结构图；
图中，1-空气反应器，11-空气反应器排气管，12-氧化态的载氧体颗粒，2-旋风分离器，21-旋风分离器料腿，3-一级燃料反应器，32-轻度还原态的载氧体颗粒，4-二级燃料反应器，41-二级燃料反应器料腿，42-深度还原态的载氧体颗粒，5-气化反应器，52-还原态的载氧体颗粒，6-隔离器，A-空气进口，F-空气反应器烟气出口，D-一级燃料反应器进口，G-一级燃料反应器烟气出口，E-二级燃料反应器进口，H-二级燃料反应器烟气出口，C-气化反应器进口，I-气化反应器烟气出口，B-隔离器进口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为本发明的一种基于金属载氧体的化学链制氢装置，包括空气反应器1、旋风分离器2、一级燃料反应器3、二级燃料反应器4、气化反应器5和隔离器6；所述空气反应器1的底部设置有空气进口A，空气反应器1的顶部通过空气反应器排气管11与旋风分离器2的上部相连通；所述旋风分离器2的顶部设置有空气反应器烟气出口F，旋风分离器2的底部通过旋风分离器料腿21与一级燃料反应器3相连通；所述一级燃料反应器3的底部与二级燃料反应器4的底部相连通，所述一级燃料反应器3的顶部设置有一级燃料反应器烟气出口G，一级燃料反应器3的底部设置有一级燃料反应器进口D；所述二级燃料反应器4的顶部设置有二级燃料反应器烟气出口H，二级燃料反应器4的底部设置有二级燃料反应器进口E，所述二级燃料反应器4的内部通过二级燃料反应器料腿42与气化反应器5相连通；气化反应器5的顶部设置有气化反应器烟气出口I，气化反应器5的底部设置有气化反应器进口C，气化反应器5的顶部通过隔离器6与空气反应器1的下部相连通，隔离器6的底部设置有隔离器进口B。
二级燃料反应器料腿42的上端位于二级燃料反应器4内的上部。
空气反应器1、二级燃料反应器4和气化反应器5均为流化床反应器，所述一级燃料反应器3为移动床反应器。
本发明的一种基于金属载氧体的化学链制氢方法为：在空气反应器1内还原态的载氧体颗粒与空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒12，氧化态的载氧体颗粒12被气流携带进入旋风分离器2进行气固分离，气流通过空气反应器烟气出口F排出，分离下来的氧化态的载氧体颗粒12通过旋风分离器料腿21进入一级燃料反应器3，与从一级燃料反应器进口D进入一级燃料反应器的燃料气进行还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和轻度还原态的载氧体颗粒31，二氧化碳和水蒸汽通过一级燃料反应器烟气出口G排出，轻度还原态的载氧体颗粒31被从二级燃料反应器进口E进入二级燃料反应器4的流化气携带进入二级燃料反应器4，并与从二级燃料反应器进口E进入二级燃料反应器的燃料气发生还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和深度还原态的载氧体颗粒42，二氧化碳和水蒸汽通过二级燃料反应器烟气出口H排出，深度还原态的载氧体颗粒42在二级燃料反应器料腿41的上部进入二级燃料反应器料腿41，在重力作用下进入气化反应器5，与从气化反应器进口C进入的水蒸气发生制氢反应，生成还原态的载氧体颗粒51与氢气，氢气与未反应的水蒸汽通过气化反应器烟气出口I排出，还原态的载氧体颗粒51通过隔离器6返回到空气反应器1，与从空气反应器进口A进入空气反应器1的空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒12，完成载氧体颗粒的再生。
在化学链制氢过程中，空气反应器处于850-1000℃的高温状态，一级燃料反应器和二级燃料反应器处于700-900℃的中温状态，气化反应器处于750-1000℃的中高温状态。
从一级燃料反应器进口D进入一级燃料反应器3和从二级燃料反应器进口E进入二级燃料反应器4的气体均为含碳氢的燃料气体与氮气组成的多组分气体；从气化反应器进口C进入气化反应器5的气体为水蒸汽与氮气组成的多组分气体，从隔离器进口B进入隔离器6的气体为水蒸汽或氮气的单组份气体。
从一级燃料反应器进口D和二级燃料反应器进口E进入一级燃料反应器和二级燃料反应器的燃料气包括石油、化工产业中产生的含碳氢的气体燃料。
实施例
选择粒径为0.2-0.3mm的氧化铁或天然铁矿石颗粒作为化学链制氢的载氧体颗粒，分别向一级燃料反应器和二级燃料反应器通入一氧化碳作为还原气体，载氧体颗粒在两级燃料反应器内被一氧化碳深度还原至氧化亚铁和铁。一级燃料反应器和二级燃料反应器内的气体流速为0.1-0.2m/s，二级燃料反应器内的气体流速与一级燃料反应器内的气体流速应相同或略大，以保证载氧体颗粒向气化反应器的输送。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于金属载氧体的化学链制氢装置，其特征在于：包括空气反应器(1)、旋风分离器(2)、一级燃料反应器(3)、二级燃料反应器(4)、气化反应器(5)和隔离器(6)；所述空气反应器(1)的底部设置有空气进口(A)，空气反应器(1)的顶部通过空气反应器排气管(11)与旋风分离器(2)的上部相连通；所述旋风分离器(2)的顶部设置有空气反应器烟气出口(F)，旋风分离器(2)的底部通过旋风分离器料腿(21)与一级燃料反应器(3)相连通；所述一级燃料反应器(3)的底部与二级燃料反应器(4)的底部相连通，所述一级燃料反应器(3)的顶部设置有一级燃料反应器烟气出口(G)，一级燃料反应器(3)的底部设置有一级燃料反应器进口(D)；所述二级燃料反应器(4)的顶部设置有二级燃料反应器烟气出口(H)，二级燃料反应器(4)的底部设置有二级燃料反应器进口(E)，所述二级燃料反应器(4)的内部通过二级燃料反应器料腿(42)与气化反应器(5)相连通；气化反应器(5)的顶部设置有气化反应器烟气出口(I)，气化反应器(5)的底部设置有气化反应器进口(C)，气化反应器(5)的顶部通过隔离器(6)与空气反应器(1)的下部相连通，隔离器(6)的底部设置有隔离器进口(B)。
2.如权利要求1所述的基于金属载氧体的化学链制氢装置，其特征在于：所述二级燃料反应器料腿(42)的上端位于二级燃料反应器(4)内的上部。
3.如权利要求1所述的基于金属载氧体的化学链制氢装置，其特征在于：所述空气反应器(1)、二级燃料反应器(4)和气化反应器(5)均为流化床反应器，所述一级燃料反应器(3)为移动床反应器。
4.一种基于金属载氧体的化学链制氢方法，其特征在于：在空气反应器(1)内还原态的载氧体颗粒与空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒(12)，氧化态的载氧体颗粒(12)被气流携带进入旋风分离器(2)进行气固分离，气流通过空气反应器烟气出口(F)排出，分离下来的氧化态的载氧体颗粒(12)通过旋风分离器料腿(21)进入一级燃料反应器(3)，与从一级燃料反应器进口(D)进入一级燃料反应器的燃料气进行还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和轻度还原态的载氧体颗粒(31)，二氧化碳和水蒸汽通过一级燃料反应器烟气出口(G)排出，轻度还原态的载氧体颗粒(31)被从二级燃料反应器进口(E)进入二级燃料反应器(4)的流化气携带进入二级燃料反应器(4)，并与从二级燃料反应器进口(E)进入二级燃料反应器的燃料气发生还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和深度还原态的载氧体颗粒(42)，二氧化碳和水蒸汽通过二级燃料反应器烟气出口(H)排出，深度还原态的载氧体颗粒(42)在二级燃料反应器料腿(41)的上部进入二级燃料反应器料腿(41)，在重力作用下进入气化反应器(5)，与从气化反应器进口(C)进入的水蒸气发生制氢反应，生成还原态的载氧体颗粒(51)与氢气，氢气与未反应的水蒸汽通过气化反应器烟气出口(I)排出，还原态的载氧体颗粒(51)通过隔离器(6)返回到空气反应器(1)，与从空气反应器进口(A)进入空气反应器(1)的空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒(12)，完成载氧体颗粒的再生。
5.如权利要求4所述的基于金属载氧体的化学链制氢方法，其特征在于：在化学链制氢过程中，空气反应器处于850-1000℃的高温状态，一级燃料反应器和二级燃料反应器处于700-900℃的中温状态，气化反应器处于750-1000℃的中高温状态。
6.如权利要求4所述的基于金属载氧体的化学链制氢方法，其特征在于：从一级燃料反应器进口(D)进入一级燃料反应器(3)和从二级燃料反应器进口(E)进入二级燃料反应器(4)的气体均为含碳氢的燃料气体与氮气组成的多组分气体；从气化反应器进口(C)进入气化反应器(5)的气体为水蒸汽与氮气组成的多组分气体，从隔离器进口(B)进入隔离器(6)的气体为水蒸汽或氮气的单组份气体。
7.如权利要求6所述的基于金属载氧体的化学链制氢方法，其特征在于：从一级燃料反应器进口(D)和二级燃料反应器进口(E)进入一级燃料反应器和二级燃料反应器的燃料气包括石油、化工产业中产生的含碳氢的气体燃料。
8.如权利要求4所述的基于金属载氧体的化学链制氢方法，其特征在于：所述载氧体颗粒是粒径为0.2-0.3mm的氧化铁或天然铁矿石颗粒。
9.如权利要求4所述的基于金属载氧体的化学链制氢方法，其特征在于：一级燃料反应器和二级燃料反应器内的气体流速为0.1-0.2m/s；二级燃料反应器内的气体流速与一级燃料反应器内的气体流速应相同或略大。
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