CN108726477B - 一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置及方法，涉及新能源的生物质制氢领域，包括固定底板、反应体A、反应体B、换热体A、换热体B，内含旋转组合阀的顶部复合体、保温体及标准紧固件等，整体反应器外面设保温体，保温体外部不锈钢薄板固定于固定底板和顶部复合体外圆面，避免了载氧体流化磨损，采用了热平衡设计，有利于相邻换热体内CO2吸附剂的吸热再生及相反应体内载氧体的还原制氢过程，热量得到高效利用，能量损失大大减少，使得设备更为紧凑，内部通道及复合体结构使得管道连接大大减少，单一对旋转组合阀的控制相对众多阀门切换工艺控制更简单，配置灵活，占地面积小，成本低，安全性好。
Description
技术领域
本发明涉及新能源的生物质制氢领域，尤其涉及一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置及方法。
背景技术
化石能源在不断消耗减少的同时还带来了严重的环境污染问题，氢能源作为未来的主要能源之一被广泛关注，可再生的生物质制氢是未来氢能的主要来源之一，生物质热解化学链水蒸气重整气化制氢是生物质制氢的主要途径之一。
生物质热解气化是利用空气中的氧气或含氧物作气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化碳和甲烷)的热化学反应生物质气化技术，目前，我国已经建立了500多个生物质气化应用工程，连续运行的经验表明，生物质气化技术对处理大量的农作物废弃物、减轻环境污染、提高人民生活水平等多方面都发挥着积极的作用。进一步，以生物质热解气为原料，化学链水蒸气重整制氢使用固态金属氧化物作为催化氧载体，将原料气与水蒸气结合转化为氢气和二氧化碳，此技术不仅可以提高能量转换效率、减少环境污染,还可以结合二氧化碳吸收剂在制氢的同时捕捉该过程产生的CO2,被认为是一种较为理想的制氢方式，具有广阔的发展前景。
生物质热解水蒸气重整气化化学链制氢方法前段热解制取原料气技术已较为常见，后段化学链制氢仍存在流化床载氧体磨损及失活，净化分离提纯工艺复杂、热量需求及损失大等问题。专利CN201610209320.7通过一种含三十多个高温切换阀门组成的流程实现了固定床反应器，避免了载氧体的流动磨损，同时也实现了二氧化碳的吸附脱除，然而阀门数量多，工艺管道繁杂。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置及方法，将两个反应体、两个内含CO2吸附剂的换热体、内含旋转组合阀的顶部复合体等综合起来，实现了固定床化学链制氢，避免了载氧体流化磨损，CO2吸附剂能有效脱碳及再生，高温原料气进入后通过热交换用于CO2吸附剂的吸热再生，处于还原状态下的载氧体在反应体内的氧化放热被保温处理，也有利于相邻换热体内CO2吸附剂的吸热再生及相反应体内载氧体的还原制氢过程，热量得到高效利用，能量损失大大减少。可使得生物质热解原料气通过化学链重整载氧体、CO2吸附剂连续获得高品质氢气及CO2产品；可使得设备更为紧凑，内部通道及复合体结构使得管道连接大大减少，单一对旋转组合阀的控制相对众多阀门切换工艺控制简单。产品可采用模块化设计制造，对于不同规模生物质热解气化炉配套制氢来说，可采用多台并联制氢，配置灵活，占地面积小，成本低，安全性好。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何解决化学链制氢方法流化床载氧体磨损及失活，净化分离提纯工艺复杂、热量需求及损失大等问题以及固定床反应器方法阀门数量多，工艺管道繁杂的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置，包括固定底板1、反应体A2、反应体B3、换热体A4、换热体B5、内含旋转组合阀的顶部复合体6、保温体7及标准紧固件，
所述固定底板1与所述反应体A2、所述反应体B3、所述换热体A4、所述换热体B5、所述保温体7及标准紧固件相连，其与所述反应体A2、所述反应体B3、所述换热体A4、所述换热体B5连接面加工有四个凸台，可用于密封及定位，所述四个凸台中心设有两条通路，可用于连通所述反应体A2与所述换热体B5、所述反应体B3与所述换热体A4，所述固定底板1可与所述顶部复合体6通过标准紧固件连接；
所述反应体A2、所述反应体B3为相同结构体，内置化学链水蒸气重整制氢催化剂，催化剂上下端分别设有多孔气流分布器及过滤岩棉，所述两反应体与所述固定底板1、所述顶部复合体6相连；
所述换热体A4、所述换热体B5为相同结构体，所述换热体采用双通道设计，其中一通道a内填充二氧化碳吸收剂，其进出口接口位于所述换热体同侧，通道在所述换热体内为U型设计，另一通道b进出口接口位于所述换热体两侧，b通道其中一个接口与所述固定底板1通路相连，另一个接口与a通道两接口与所述顶部复合体6相连；
所述内含旋转组合阀的所述顶部复合体6其一侧与所述反应体A2、所述反应体B3、所述换热体A4、所述换热体B5连接面加工有四个凸台，可用于密封及定位，所述四个凸台内有接口共八个，其中所述反应体A、B各一个，所述换热体A、B各三个，所述顶部复合体6另一侧中部留有定位卡槽，可与配套旋转控制机构相连，从而带动所述顶部复合体6内部的旋转组合阀阀芯转动，在卡槽旁边有六个接口，分别为：热解气入、H2O入、空气入、排空出、二氧化碳出、H2出，顶部复合体6外围可与固定底板1通过标准紧固件连接；
整体反应器外面设保温体7，所述保温体7外部不锈钢薄板固定于所述固定底板1和所述顶部复合体6外圆面。
进一步地，所述反应体A2、所述反应体B3为固定床化学链反应器，其氧化和还原过程是通过流过介质的切换而完成的。
进一步地，所述装置中各物料进出的切换及各时序时间长度由内含旋转组合阀的所述顶部复合体6控制完成。
进一步地，所述装置中所述两个反应体及所述两个换热体交叉对称布置，且外部均包裹保温材料。
进一步地，所述装置中所述反应体A2、所述反应体B3、所述换热体A4、所述换热体B5均采用耐高温铁基合金材料，所述固定底板1采用耐高温陶瓷材料。
本发明还提供了一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳方法，应用如如上所述任一项热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置，所述反应体内制氢催化氧载体的活性组分为NiO、Fe2O3、MnO2或CoO，非活性载体为Al2O3、MgAl2O4或SiO2，所述换热体内二氧化碳吸收剂为CaO。
进一步地，所述反应体内制氢催化氧载体与所述换热体内二氧化碳吸收剂的摩尔比在0.2～2。
进一步地，所述化学链水蒸气重整制氢反应装置的工作温度为700～800℃，二氧化碳吸收剂吸收的工作温度为500～600℃，分解二氧化碳的工作温度为800～900℃。
进一步地，所述装置在连续循环运行时，一个周期内可分为八个步骤，其分别如下：
(1)第一步：高温热解原料气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体A4换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体A2，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由所述通道a的出口经所述顶部复合体6排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体B3，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的氮气由所述顶部复合体6排出，同时，所述换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体A4换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐；
(2)第二步：高温热解原料气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体B5换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体B3，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体6排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体A4换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体A2，内部处于还原状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的原料气由所述顶部复合体6排出，同时，所述换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体B5换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐；
(3)第三步：高温热解原料气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体B5换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体B3，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体6排出接入外部氢气储罐，同时，空气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体B3，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温空气快速深度氧化，同时，所述换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体B5换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐；
(4)第四步：高温热解原料气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体B5换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体B3，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体6排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体A4换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体A2，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，同时，所述换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体B5换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐；
(5)第五步：高温热解原料气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体B5换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体B3，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体6排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体A4换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体A2，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的氮气由所述顶部复合体6排出，同时，所述换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体B5换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐；
(6)第六步：高温热解原料气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体A4换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体A2，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体6排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体B3，内部处于还原状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的原料气由所述顶部复合体6排出，同时，所述换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体A4换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐；
(7)第七步：高温热解原料气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体A4换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体A2，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体6排出接入外部氢气储罐，同时，空气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体B3，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温空气快速深度氧化，同时，所述换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体A4换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐；
(8)第八步：高温热解原料气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体A4换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体A2，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体6排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体6进入后，在所述换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板1内通道进入所述反应体B3，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，同时，所述换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体A4换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐。
技术效果：1、采用两个反应体、两个内含CO2吸附剂的换热体、内含旋转组合阀的顶部复合体等综合设计，实现了固定床化学链制氢及脱碳一体化装置，避免了载氧体流化磨损，生物质热解原料气通过化学链重整载氧体、CO2吸附剂可连续获得高品质氢气及CO2产品，设备性能更好。2、采用了热平衡设计，高温原料气进入后通过热交换用于CO2吸附剂的吸热再生，处于还原状态下的载氧体在反应体内的氧化放热被保温处理，也有利于相邻换热体内CO2吸附剂的吸热再生及相反应体内载氧体的还原制氢过程，热量得到高效利用，能量损失大大减少。3、采用本发明的热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置及方法，使得设备更为紧凑，内部通道及复合体结构使得管道连接大大减少，单一对旋转组合阀的控制相对众多阀门切换工艺控制更简单。4、采用本发明产品可模块化设计制造，配置灵活，占地面积小，成本低，安全性好。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的模型分解图；
图2是本发明的一个较佳实施例的固定底板图；
图3是本发明的一个较佳实施例固定底板的局部图；
图4是本发明的一个较佳实施例的连接示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例第一步工艺流程图；
图6是本发明的一个较佳实施例第二步工艺流程图；
图7是本发明的一个较佳实施例第三步工艺流程图；
图8是本发明的一个较佳实施例第四步工艺流程图；
图9是本发明的一个较佳实施例第五步工艺流程图；
图10是本发明的一个较佳实施例第六步工艺流程图；
图11是本发明的一个较佳实施例第七步工艺流程图；
图12是本发明的一个较佳实施例第八步工艺流程图；
其中，1-固定底板，2-反应体A，3-反应体B，4-换热体A，5-换热体B，6-内含旋转组合阀的顶部复合体，7-保温体，8-标准紧固件，9-顶部复合体进出物料的六个接口，10-顶部复合体配套旋转控制机构，11-顶部复合体反应体连接凸台，12-顶部复合体换热体连接凸台，13-顶部复合体反应体换热体侧的四个通道，14-顶部复合体紧固件孔，15-固定底板反应体连接凸台，16-固定底板反应体与换热体内部通道，17-固定底板换热体连接凸台。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示的一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置，包括固定底板1、反应体A2、反应体B3、换热体A4、换热体B5、内含旋转组合阀的顶部复合体6、保温体7、标准紧固件8。
如图1和图3所示的固定底板1与反应体A2、反应体B3、换热体A4、换热体B5、保温体7及标准紧固件8相连，其与反应体A2、反应体B3、换热体A4、换热体B5连接面加工有固定底板反应体连接凸台15和固定底板换热体连接凸台17各两个，可用于密封及定位，四个凸台中心设有两条反应体与换热体内部通道1，可用于连通反应体A2与换热体B5、反应体B3与换热体A4。固定底板1可与顶部复合体6通过标准紧固件连接。
如图1所示的反应体A2、反应体B3为相同结构体，内置化学链水蒸气重整制氢催化剂，催化剂上下端分别设有多孔气流分布器及过滤岩棉。两反应体与固定底板1、顶部复合体6相连。所示反应体A2、反应体B3为固定床化学链反应器，其氧化和还原过程是通过流过介质的切换而完成的。反应体内制氢催化氧载体的活性组分为NiO、Fe2O3、MnO2或CoO，非活性载体为Al2O3、MgAl2O4或SiO2。
如图4所示的换热体A4、换热体B5为相同结构体，换热体采用双通道设计，其中一通道a内填充二氧化碳吸收剂，其进出口接口位于换热体同侧，通道在换热体内为U型设计，另一通道b进出口接口位于换热体两侧，b通道其中一个接口与固定底板1通路相连，另一个接口与a通道两接口与顶部复合体6相连，换热体内二氧化碳吸收剂为CaO。
如图1、图2和图4所示的内含旋转组合阀的顶部复合体6其一侧与反应体A2、反应体B3、换热体A4、换热体B5连接面加工有顶部复合体反应体连接凸台11和顶部复合体换热体连接凸台12各两个，可用于密封及定位，四个凸台内有八个通道，每个通道留有一个紧固件孔14，其中反应体A、B各一个，换热体A、B各三个。顶部复合体反应体换热体侧留有四个通道13，顶部复合体6另一侧中部留有定位卡槽，可与配套旋转控制机构10相连，从而带动顶部复合体6内部的旋转组合阀阀芯转动。在卡槽旁边有六个接口9，分别为：热解气入、H2O入、空气入、排空出、二氧化碳出、H2出。顶部复合体6外围可与固定底板1通过标准紧固件8连接。装置中各物料进出的切换及各时序时间长度由内含旋转组合阀的顶部复合体6控制完成，进一步说，是由顶部复合体6配套的旋转控制机构10控制。
如图1所示的反应体A2、反应体B3、换热体A4、换热体B5交叉对称布置，且外部均包裹保温体7，保温体7内部为保温材料，外部不锈钢薄板固定于固定底板1和顶部复合体6外圆面。所示反应体A2、反应体B3、换热体A4、换热体B5均采用耐高温铁基合金材料，固定底板1采用耐高温陶瓷材料。
所述的一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置及方法，其反应体内制氢催化氧载体与换热体内二氧化碳吸收剂的摩尔比在0.2～2。
所述的一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置及方法，其所述化学链水蒸气重整制氢反应装置的工作温度为700～800℃，二氧化碳吸收剂吸收的工作温度为500～600℃，分解二氧化碳的工作温度为800～900℃。
所述的一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置及方法，其所述装置在连续循环运行时，一个周期内可分为八个步骤。其分别如下：
(1)如图5所示的第一步：高温热解原料气由顶部复合体6进入后，在换热体A4换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过固定底板1内通道进入反应体A2，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送人换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经顶部复合体6排出接入外部氢气储罐。同时，水蒸气由顶部复合体6进入后，在换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过固定底板1内通道进入反应体B3，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的氮气由顶部复合体6排出。同时，换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a在与换热体A4换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐。
(2)如图6所示的第二步：高温热解原料气由顶部复合体6进入后，在换热体B5换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过固定底板1内通道进入反应体B3，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送人换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经顶部复合体6排出接入外部氢气储罐。同时，水蒸气由顶部复合体6进入后，在换热体A4换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过固定底板1内通道进入反应体A2，内部处于还原状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的原料气由顶部复合体6排出。同时，换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a在与换热体B5换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐。
(3)如图7所示的第三步：高温热解原料气由顶部复合体6进入后，在换热体B5换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过固定底板1内通道进入反应体B3，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送人换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经顶部复合体6排出接入外部氢气储罐。同时，空气由顶部复合体6进入后，在换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过固定底板1内通道进入反应体B3，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温空气快速深度氧化。同时，换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a在与换热体B5换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐。
(4)如图8所示的第四步：高温热解原料气由顶部复合体6进入后，在换热体B5换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过固定底板1内通道进入反应体B3，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送人换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经顶部复合体6排出接入外部氢气储罐。同时，水蒸气由顶部复合体6进入后，在换热体A4换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过固定底板1内通道进入反应体A2，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化。同时，换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a在与换热体B5换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐。
(5)如图9所示的第五步：高温热解原料气由顶部复合体6进入后，在换热体B5换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过固定底板1内通道进入反应体B3，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送人换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经顶部复合体6排出接入外部氢气储罐。同时，水蒸气由顶部复合体6进入后，在换热体A4换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过固定底板1内通道进入反应体A2，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的氮气由顶部复合体6排出。同时，换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a在与换热体B5换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐。
(6)如图10所示的第六步：高温热解原料气由顶部复合体6进入后，在换热体A4换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过固定底板1内通道进入反应体A2，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送人换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经顶部复合体6排出接入外部氢气储罐。同时，水蒸气由顶部复合体6进入后，在换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过固定底板1内通道进入反应体B3，内部处于还原状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的原料气由顶部复合体6排出。同时，换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a在与换热体A4换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐。
(7)如图11所示的第七步：高温热解原料气由顶部复合体6进入后，在换热体A4换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过固定底板1内通道进入反应体A2，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送人换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经顶部复合体6排出接入外部氢气储罐。同时，空气由顶部复合体6进入后，在换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过固定底板1内通道进入反应体B3，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温空气快速深度氧化。同时，换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a在与换热体A4换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐。
(8)如图12所示的第八步：高温热解原料气由顶部复合体6进入后，在换热体A4换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过固定底板1内通道进入反应体A2，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送人换热体B5的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经顶部复合体6排出接入外部氢气储罐。同时，水蒸气由顶部复合体6进入后，在换热体B5换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过固定底板1内通道进入反应体B3，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化。同时，换热体A4的二氧化碳吸收剂通道a在与换热体A4换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由顶部复合体6排出接入外部二氧化碳储罐。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置，其特征在于，包括固定底板(1)、反应体A(2)、反应体B(3)、换热体A(4)、换热体B(5)、内含旋转组合阀的顶部复合体(6)、保温体(7)及标准紧固件，
所述固定底板(1)与所述反应体A(2)、所述反应体B(3)、所述换热体A(4)、所述换热体B(5)、所述保温体(7)及标准紧固件相连，其与所述反应体A(2)、所述反应体B(3)、所述换热体A(4)、所述换热体B(5)连接面加工有四个凸台，可用于密封及定位，所述四个凸台中心设有两条通路，可用于连通所述反应体A(2)与所述换热体B(5)、所述反应体B(3)与所述换热体A(4)，所述固定底板(1)可与所述顶部复合体(6)通过标准紧固件连接；
所述反应体A(2)、所述反应体B(3)为相同结构体，内置化学链水蒸气重整制氢催化剂，催化剂上下端分别设有多孔气流分布器及过滤岩棉，所述两反应体与所述固定底板(1)、所述顶部复合体(6)相连；
所述换热体A(4)、所述换热体B(5)为相同结构体，所述换热体采用双通道设计，其中一通道a内填充二氧化碳吸收剂，其进出口接口位于所述换热体同侧，通道在所述换热体内为U型设计，另一通道b进出口接口位于所述换热体两侧，b通道其中一个接口与所述固定底板(1)通路相连，另一个接口与a通道两接口与所述顶部复合体(6)相连；
所述内含旋转组合阀的所述顶部复合体(6)其一侧与所述反应体A(2)、所述反应体B(3)、所述换热体A(4)、所述换热体B(5)连接面加工有四个凸台，可用于密封及定位，所述四个凸台内有接口共八个，其中分别与所述反应体A、B相对应的位置各有一个，与所述换热体A、B相对应的位置各有三个，所述顶部复合体(6)另一侧中部留有定位卡槽，可与配套旋转控制机构相连，从而带动所述顶部复合体(6)内部的旋转组合阀阀芯转动，在卡槽旁边有六个接口，分别为：热解气入、H2O入、空气入、排空出、二氧化碳出、H2出，顶部复合体(6)外围可与固定底板(1)通过标准紧固件连接；
整体反应器外面设保温体(7)，所述保温体(7)外部不锈钢薄板固定于所述固定底板(1)和所述顶部复合体(6)外圆面。
2.如权利要求1所述的热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置，其特征在于，所述反应体A(2)、所述反应体B(3)为固定床化学链反应器，其氧化和还原过程是通过流过介质的切换而完成的。
3.如权利要求1所述的热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置，其特征在于，所述装置中各物料进出的切换及各时序时间长度由内含旋转组合阀的所述顶部复合体(6)控制完成。
4.如权利要求1所述的热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置，其特征在于，所述装置中所述两个反应体及所述两个换热体交叉对称布置，且外部均包裹保温材料。
5.如权利要求1所述的热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置，其特征在于，所述装置中所述反应体A(2)、所述反应体B(3)、所述换热体A(4)、所述换热体B(5)均采用耐高温铁基合金材料，所述固定底板(1)采用耐高温陶瓷材料。
6.一种热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳方法，其特征在于，应用如权利要求1-5中任一项热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳一体化装置，所述反应体内制氢催化氧载体的活性组分为NiO、Fe2O3、MnO2或CoO，非活性载体为Al2O3、MgAl2O4或SiO2，所述换热体内二氧化碳吸收剂为CaO。
7.如权利要求6所述的热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳方法，其特征在于，所述反应体内制氢催化氧载体与所述换热体内二氧化碳吸收剂的摩尔比在0.2～2。
8.如权利要求7所述的热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳方法，其特征在于，所述化学链水蒸气重整制氢反应装置的工作温度为700～800℃，二氧化碳吸收剂吸收的工作温度为500～600℃，分解二氧化碳的工作温度为800～900℃。
9.如权利要求8所述的热平衡紧凑固定床化学链制氢脱碳方法，其特征在于，所述装置在连续循环运行时，一个周期内可分为八个步骤，其分别如下：
(1)第一步：高温热解原料气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体A(4)换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体A(2)，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体B(5)的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由所述通道a的出口经所述顶部复合体(6)排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体B(5)换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体B(3)，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的氮气由所述顶部复合体(6)排出，同时，所述换热体A(4)的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体A(4)换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体(6)排出接入外部二氧化碳储罐；
(2)第二步：高温热解原料气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体B(5)换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体B(3)，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体A(4)的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体(6)排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体A(4)换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体A(2)，内部处于还原状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的原料气由所述顶部复合体(6)排出，同时，所述换热体B(5)的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体B(5)换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体(6)排出接入外部二氧化碳储罐；
(3)第三步：高温热解原料气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体B(5)换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体B(3)，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体A(4)的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体(6)排出接入外部氢气储罐，同时，空气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体A(4)换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体A(2)，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温空气快速深度氧化，同时，所述换热体B(5)的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体B(5)换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体(6)排出接入外部二氧化碳储罐；
(4)第四步：高温热解原料气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体B(5)换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体B(3)，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体A(4)的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体(6)排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体A(4)换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体A(2)，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，同时，所述换热体B(5)的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体B(5)换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体(6)排出接入外部二氧化碳储罐；
(5)第五步：高温热解原料气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体B(5)换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体B(3)，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体A(4)的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体(6)排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体A(4)换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体A(2)，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的氮气由所述顶部复合体(6)排出，同时，所述换热体B(5)的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体B(5)换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体(6)排出接入外部二氧化碳储罐；
(6)第六步：高温热解原料气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体A(4)换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体A(2)，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体B(5)的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体(6)排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体B(5)换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体B(3)，内部处于还原状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，产生的氢气与残留的原料气由所述顶部复合体(6)排出，同时，所述换热体A(4)的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体A(4)换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体(6)排出接入外部二氧化碳储罐；
(7)第七步：高温热解原料气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体A(4)换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体A(2)，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体B(5)的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体(6)排出接入外部氢气储罐，同时，空气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体B(5)换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体B(3)，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温空气快速深度氧化，同时，所述换热体A(4)的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体A(4)换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体(6)排出接入外部二氧化碳储罐；
(8)第八步：高温热解原料气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体A(4)换热通道b中与二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以降温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体A(2)，在内部载氧体催化作用下对原料气进行水蒸气重整获得氢气及二氧化碳，再送入所述换热体B(5)的二氧化碳吸收剂通道a的入口，二氧化碳被二氧化碳吸收剂吸收，氢气由通道a的出口经所述顶部复合体(6)排出接入外部氢气储罐，同时，水蒸气由所述顶部复合体(6)进入后，在所述换热体B(5)换热通道b中与其二氧化碳吸收剂通道a进行热交换得以升温，之后通过所述固定底板(1)内通道进入所述反应体B(3)，内部未被完全氧化状态下的载氧体在高温水蒸气氧化，同时，所述换热体A(4)的二氧化碳吸收剂通道a在与所述换热体A(4)换热通道b的热交换升温后，通道a的出口二氧化碳由所述顶部复合体(6)排出接入外部二氧化碳储罐。
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