CN107934914B - 一种煤层气脱氧制氢装置及工艺 - Google Patents

一种煤层气脱氧制氢装置及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤层气脱氧制氢装置及工艺。该装置包括水蒸气发生器，煤气化及脱氧反应器、还原反应器、氢气发生器和氧化反应器。气化原料首先在气化段发生气化，气化后得到的反应气在脱氧催化剂的作用下与煤层气中的氧发生反应，脱氧后的煤层气通过分离得到天然气和CO等气体；得到的CO气体进入还原反应器与高价态金属氧化物发生还原反应，还原后得到的金属或低价态金属氧化物进入氢气发生器，与通入的水蒸气发生反应得到洁净原料H2；与水蒸气反应后得到的次高价态金属氧化物进入氧化反应器氧化得到Fe2O3，产生的Fe2O3进入还原反应器进行循环利用。本发明工艺不但能脱除煤层气中的氧还能产出清洁的氢气，产品洁净，利用率高。

Description

一种煤层气脱氧制氢装置及工艺
技术领域
本发明涉及一种煤层气脱氧制氢装置及工艺，属于煤层气的应用领域。
背景技术
随着经济和社会的快速发展，以及环保要求日趋严格，我国对清洁能源需求呈爆炸式增长，而煤层气是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源。燃烧后几乎不产生任何废气，虽然增加但是却低于需求，供求矛盾突出。煤层气直接排放到大气中会造成很大温室效应。鉴于我国长期维持以煤为主的能源结构，对煤层气中的氧脱去同时制出大量的清洁气体氢气是适合目前我国国情的，惠及人们日益增长的能源需求的生活。
氢气不仅是炼油、化工、冶金等行业的重要原料气体，也是公认的未来能源载体。
温室气体的种类主要有二氧化碳、甲烷等，而二氧化碳是最主要的温室气体，其对温室效应的贡献率在60％以上。
煤气化就是将固体煤变成气态烃、CO、H2气体等的技术。以煤或煤焦为原料，以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等做气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程。
中国科学院大连化学物理研究所专利CN 1016136272公开了一种含氧煤层气催化脱氧工艺，效果不错，但是脱氧催化剂使用贵金属，原料来源稀缺且操作繁琐，其次需要通入氢气造成成本高，操作不便。中国专利CN 10631510A公开了一种焦炉煤气制氢工艺，该工艺焦炉煤气可以制出纯度高的氢气，但是该工艺处理过程中需要将焦炉气通入烯烃饱和精脱硫中，这个过程需要耗费大料材料，伴随有环境污染、副产品多。
发明内容
本发明旨在提供一种煤层气脱氧制氢装置及工艺，主要目的是将煤层气中的氧脱去，还能制出纯净的氢气。
本发明提供了一种煤层气脱氧制氢装置，整个装置为循环系统，其不仅能有效脱除煤层气中氧气还能产出清洁高附加值的氢气。
该装置包含水蒸气发生器、气化及脱氧反应器、变压吸附气体分离装置、还原反应器、氢气发生器和氧化反应器；
水蒸气发生器的出口端分别连接气化及脱氧反应器底部、氢气发生器；气化及脱氧反应器分为气化段和脱氧段，气化段上部设有气化原料入口，下部为气化剂(水蒸气、空气或氧气)入口，脱氧段下部设有煤层气入口，脱氧段上部设有脱氧剂入口，气化及脱氧反应器顶部连接变压吸附气体分离装置，变压吸附气体分离装置上部设有气体出口；经变压吸附气体分离装置分离后的CO气体出口连接旋风分离器，旋风分离器的底部连接气化及脱氧反应器的脱氧段，旋风分离器与气化及脱氧反应器之间形成一个循环体系；旋风分离器出口连接的CO管路与还原反应器一侧上部连接；还原反应器的另一侧上部与氧化反应器连接，还原反应器下部通往氢气发生器，上部设有气体出口；氢气发生器下部与水蒸汽发生器相连接，上部两侧面分别设氢气出口，下部侧面通往氧化反应器底部；氢气出口一侧与气化及脱氧反应器的脱氧段相连接，另一侧氢气出口外供；氧化反应器上部通往还原反应器侧上部，下部侧面设有氧化剂入口。
上述装置中，所述气化及脱氧反应器，下部为气化段，上部为脱氧段，气化段底部有蒸气进口，左侧有气化原料入口，气化原料为为农作物、秸秆混合料，在气化段顶部设有网罩以防固体颗粒进入脱氧段，在脱氧段底部设有气体分布板，脱氧段左侧有煤层气第一进料口、脱氧剂第二进口，右侧有氢气第一进口、脱氧剂第二进口，顶部连接变压吸附气体分离装置。
本发明提供了一种煤层气脱氧制氢工艺，包括以下步骤：
(1)在水蒸气发生器中将水进行加热转化为气化用的水蒸气；水蒸气分别通往气化及脱氧反应器底部、氢气发生器；
(2)气化及脱氧反应器的气化段添加的气化原料在水蒸气作用下进行气化，产生还原气体H2和CO；
(3)气化及脱氧反应器的脱氧段下部设有煤层气入口，煤层气入口处设有气体分布板，气体分布板上的还原气体H2和CO以及煤层气在脱氧剂的作用下，煤层气中的氧与气化段产生的还原气体发生脱氧反应；
脱氧剂为硫化物，来源于脱氧段外部添加的脱氧剂以及旋风分离器分离出的固体颗粒；
(4)气化及脱氧反应器顶部连接变压吸附气体分离装置，反应后，气体经过变压吸附气体分离装置分成三条管路，分别为天然气、N2和CO2、CO管路，得到的CO气体再经旋风分离器将硫化物与之分离，分离后的CO进入还原反应器；旋风分离器的底部连接气化及脱氧反应器的脱氧段，分离后得到的硫化物返回气化及脱氧反应器的脱氧段；
(5)CO进入还原反应器后，与还原反应器中的氧化剂发生反应，反应后产生的金属Fe及其低价金属氧化物FeO进入到氢气发生器中，反应后生产的CO2排入大气中；
还原反应器中的氧化剂为高价态金属氧化物；
(6)在氢气发生器中，来自还原反应器的金属Fe及其低价金属氧化物FeO在催化剂的作用下与水蒸气发生反应，反应后生成次高价态的金属氧化物Fe3O4和氢气；一部分氢气通入气化及脱氧反应器的脱氧段作为还原剂使用，另一部分作为商品外供销售；
(7)氢气发生器中反应后得到的次高价态的金属氧化物Fe3O4进入氧化反应器，在氧化剂的作用下进行完全氧化反应，反应后生成的高价态金属氧化物Fe2O3进入还原反应器中作为原料进行循环利用。
上述工艺中，气化及脱氧反应器的气化段添加的气化原料为农作物、秸秆、木材或煤一种或几种混合。气化段的气化温度控制在600-1100℃，其水蒸气通入的流量与煤层气中含有的氧量摩尔比为1:2-1:5进行调节，最终达到设计的脱氧效率。气化产生的还原气体(H2+CO)量与脱氧剂填入量的摩尔比为4:1-6:1，脱氧段的脱氧温度控制在200-400℃。
上述工艺中，气化及脱氧反应器的脱氧段使用的脱氧剂为硫化物。所述硫化物包括Na2S、CuS、FeS、CaS、K2S的一种或几种。
上述工艺中，还原反应器中的氧化剂为高价态金属氧化物，高价态金属氧化物包括Fe2O3；Fe2O3与CO的量摩尔比为1:1-1:3，反应温度控制在700-950℃。
上述工艺中，氢气发生器中的催化剂为KMO3或者钾盐化合物的一种或几种。氢气发生器中，水蒸气与金属或低价氧化物的摩尔比为1:3-1:5，反应温度控制在700-950℃。
上述工艺中，所述氧化反应器中，氧化剂为空气或者氧气；次高价态的金属氧化物Fe3O4的量与氧气的流量摩尔比为4:1-8:1；氧化反应器中，反应温度控制在900℃以上，标准大气压下。
本发明中，发生的主要反应为：
气化及脱氧反应器中的反应如下：
Na2S+2O2→Na2SO4 (1)
Na2SO4+4CO→Na2S+4CO2 (2)
C+2O2→CO (3)
综述(1)(2)(3)得4C+4O2→4CO2 (4)
Na2SO4+4H2→Na2S+4H2O (1)
Na2S+2O2→Na2SO4 (2)
4C+4H2O→4CO+4H2 (3)
综述(1)(2)(3)得4C+2O2→4CO (4)
还原反应器中的反应如下：
Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2和Fe2O3+CO→2FeO+CO2
氢气发生器中的反应如下：
3FeO+H2O(蒸气)→Fe3O4+H2和3Fe+4H2O(蒸气)→Fe3O4+4H2；
氧化反应器中的反应如下：
4Fe3O4+O2→6Fe2O3。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的工艺，不但能脱除煤层气中的氧，还能生产出清洁的氢气，产品洁净，利用率高；
(2)大多数原料都能在系统中循环获取，节能减排，产生了良好的社会经济效益。
(3)本发明工艺操作简单，生产效率高。
(4)本工艺脱氧段的脱氧剂可以循环使用，损耗及投资低。
附图说明
图1为本发明煤层气脱氧制氢装置的结构图。
图中，1为水蒸气发生器，2为气化及脱氧反应器，2-1为气化段，2-2为脱氧段，3为还原反应器，4为氢气发生器，5为氧化反应器，6为旋风分离器，7为变压吸附气体分离装置。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
如图1所示，一种煤层气脱氧制氢装置，整个装置为循环系统，其不仅能有效脱除煤层气中氧气还能产出清洁高附加值的氢气。
该装置包含水蒸气发生器1、气化及脱氧反应器2、变压吸附气体分离装置7、还原反应器3、氢气发生器4和氧化反应器5；
水蒸气发生器1的出口端分别连接气化及脱氧反应器2底部、氢气发生器4；气化及脱氧反应器2分为气化段2-1和脱氧段2-2，气化段2-1上部设有气化原料入口，下部为气化剂(水蒸气、空气或氧气)入口，脱氧段2-2下部设有煤层气入口，脱氧段2-2上部设有脱氧剂入口，气化及脱氧反应器2顶部连接变压吸附气体分离装置7，变压吸附气体分离装置7上部设有气体出口；经变压吸附气体分离装置7分离后的CO气体出口连接旋风分离器6，旋风分离器6的底部连接气化及脱氧反应器的脱氧段2-2，旋风分离器6与气化及脱氧反应器2之间形成一个循环体系；旋风分离器6出口连接的CO管路与还原反应器3一侧上部连接；还原反应器3的另一侧上部与氧化反应器5连接，还原反应器3下部通往氢气发生器4，上部设有气体出口；氢气发生器4下部与水蒸汽发生器1相连接，上部两侧面分别设氢气出口，下部侧面通往氧化反应器5底部；氢气出口一侧与气化及脱氧反应器2的脱氧段相连接，另一侧氢气出口外供；氧化反应器5上部通往还原反应器3侧上部，下部侧面设有氧化剂入口。
上述装置中，所述气化及脱氧反应器，下部为气化段2-1，上部为脱氧段2-2，气化段底部有蒸气进口，左侧有气化原料为农作物、秸秆混合料，在气化段顶部设有网罩以防固体颗粒进入脱氧段，在脱氧段底部设有气体分布板，左侧有煤层气第一进料口、脱氧剂第二进口，右侧有氢气第一进口、脱氧剂第二进口，顶部连接变压吸附气体分离装置7。
下面说明采用上述装置进行煤层气脱氧制氢的工艺。
具体步骤为：在水蒸气发生器中将水进行加热转化为气化用的水蒸气；水蒸气分别通往气化及脱氧反应器底部、氢气发生器；气化及脱氧反应器的气化段通入秸秆木材混合原料在水蒸气作用下进行气化，温度控制在600-1100℃，其水蒸气通入的流量与煤层气中含有的氧量比为1:2～5进行反应，产生还原气体H2和CO。气化产生的还原气体(H2+CO)量与脱氧段催化剂填入量以4～6:1的摩尔比进入脱氧段，通入煤层气与之充分反应。反应后气体经过变压吸附气体分离装置分成三条管路，分别为天然气、N2和CO2、CO管路，天然气(CH4)、N2和CO2分别收集利用，而CO再经旋风分离器将固体颗粒硫化物与之分离，然后进入还原反应器，经分离后的Na2S返回脱氧段；CO与Fe2O3的量摩尔比以1～3:1进入还原反应器后，该反应温度控制在700-950℃，标准大气压下反应，反应后生产的CO2排入大气中，产生的金属Fe及其低价金属氧化物FeO与水蒸气量的摩尔比为3～5:1进入到氢气发生器中，反应温度控制在700-950℃，充分反应，生成次高价态的金属氧化物Fe3O4和氢气；30％的氢气通入气化及脱氧反应器的脱氧段作为还原剂使用，70％作为商品外供销售。次高价态的金属氧化物Fe3O4的量与空气氧气的流量摩尔比为4～8:1进入氧化反应器反应，氧化反应器中，反应温度控制在900℃以上，标准大气压下；在氧化反应器中，生成高价态金属氧化物Fe2O3入还原反应器。
所述硫化物包括Na2S、CuS、FeS、CaS、K2S中的一种或几种。反应初始时，脱氧段需要外加硫化物作为脱氧剂，后期则来源于旋风分离器分离出的固体颗粒。
本发明原料来源便宜，且整个过程原料实现重复利用，有良好的经济效果。生产出的产品清洁，使用价值大。压强、温度等条件容易控制。

Claims (9)

1.一种煤层气脱氧制氢装置，其特征在于：包含水蒸气发生器、气化及脱氧反应器、变压吸附气体分离装置、还原反应器、氢气发生器和氧化反应器；
水蒸气发生器的出口端分别连接气化及脱氧反应器底部、氢气发生器；气化及脱氧反应器分为气化段和脱氧段，气化段上部设有气化原料入口，下部为气化剂入口，脱氧段下部设有煤层气入口，脱氧段上部设有脱氧剂入口，气化及脱氧反应器顶部连接变压吸附气体分离装置，变压吸附气体分离装置上部设有气体出口；经变压吸附气体分离装置分离后的CO气体出口连接旋风分离器，旋风分离器的底部连接气化及脱氧反应器的脱氧段，旋风分离器与气化及脱氧反应器之间形成一个循环体系；旋风分离器出口连接的CO管路与还原反应器一侧上部连接；还原反应器的另一侧上部与氧化反应器连接，还原反应器下部通往氢气发生器，上部设有气体出口；氢气发生器下部与水蒸气发生器相连接，上部两侧面分别设氢气出口，下部侧面通往氧化反应器底部；氢气出口一侧与气化及脱氧反应器的脱氧段相连接，另一侧氢气出口外供；氧化反应器上部通往还原反应器侧上部，下部侧面设有氧化剂入口。
2.根据权利要求1所述的煤层气脱氧制氢装置，其特征在于：所述气化及脱氧反应器，下部为气化段，上部为脱氧段，在气化段顶部设有网罩以防固体颗粒进入脱氧段，在脱氧段底部设有气体分布板。
3.一种煤层气脱氧制氢工艺，采用权利要求1或2所述的煤层气脱氧制氢装置，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在水蒸气发生器中将水进行加热转化为气化用的水蒸气；水蒸气分别通往气化及脱氧反应器底部、氢气发生器；
（2）气化及脱氧反应器的气化段添加的气化原料在水蒸气作用下进行气化，产生还原气体H2和CO；
（3）气化及脱氧反应器的脱氧段下部设有煤层气入口，煤层气入口处设有气体分布板，气体分布板上的还原气体H2和CO以及煤层气在脱氧剂的作用下，煤层气中的氧与气化段产生的还原气体发生脱氧反应；
脱氧剂为硫化物；
（4）气化及脱氧反应器顶部连接变压吸附气体分离装置，反应后，气体经过变压吸附气体分离装置分成三条管路，分别为天然气、N2和CO2、CO管路，得到的CO气体再经旋风分离器将脱氧剂与之分离，分离后的CO进入还原反应器；旋风分离器的底部连接气化及脱氧反应器的脱氧段，分离后得到的脱氧剂返回气化及脱氧反应器的脱氧段；
（5）CO进入还原反应器后，与还原反应器中的氧化剂发生反应，反应后产生的金属Fe及其低价金属氧化物FeO进入到氢气发生器中，反应后生产的CO2排入大气中；
还原反应器中的氧化剂为含铁氧化物；
（6）在氢气发生器中，来自还原反应器的金属Fe及其低价金属氧化物FeO在催化剂的作用下与水蒸气发生反应，反应后生成次高价态的金属氧化物Fe3O4和氢气；一部分氢气通入气化及脱氧反应器的脱氧段作为还原剂使用，另一部分作为商品外供销售；
氢气发生器中的催化剂为钾盐化合物的一种或几种；钾盐化合物包括；
（7）氢气发生器中反应后得到的次高价态的金属氧化物Fe3O4进入氧化反应器，在氧化剂的作用下进行完全氧化反应，反应后生成的高价态金属氧化物Fe2O3进入还原反应器中作为原料进行循环利用。
4.根据权利要求3所述的煤层气脱氧制氢工艺，其特征在于：气化及脱氧反应器的气化段添加的气化原料为农作物、秸秆、木材、煤中的一种或几种的混合。
5.根据权利要求3所述的煤层气脱氧制氢工艺，其特征在于：气化段的气化温度控制在600-1100℃，其水蒸气通入的流量与煤层气中含有的氧量摩尔比为1:2-1:5进行调节，最终达到设计的脱氧效率；气化产生的还原气体（H2+CO）量与脱氧剂填入量的摩尔比为4:1-6:1，脱氧段的脱氧温度控制在200-400℃。
6.根据权利要求3所述的煤层气脱氧制氢工艺，其特征在于：所述硫化物包括Na2S、CuS、FeS、CaS、K2S中的一种或几种。
7.根据权利要求3所述的煤层气脱氧制氢工艺，其特征在于：所述还原反应器中，高价态金属氧化物包括Fe2O3；Fe2O3与CO的量摩尔比为1:1-1:3，还原反应的反应温度控制在700-950℃。
8.根据权利要求3所述的煤层气脱氧制氢工艺，其特征在于：所述氧化反应器中，氧化剂为空气或者氧气；次高价态的金属氧化物Fe3O4的量与氧气的流量摩尔比为4:1-8:1；氧化反应器中，反应温度控制在950℃以上，标准大气压下。
9.根据权利要求3所述的煤层气脱氧制氢工艺，其特征在于：氢气发生器中，所述的水蒸气与金属或低价氧化物的摩尔比为1:3-1:5；氢气发生器中反应温度控制在700-950℃。
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