CN116946972A - 一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置及方法 - Google Patents

一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及环保及能源利用技术领域，涉及一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置及方法。其中，装置包括有进料装置，进料装置依次与热解反应器、燃料反应器、第一旋风分离器、制氢反应器和第二旋风分离器相连通；热解反应器、燃料反应器和制氢反应器内均放置有载氧体，且第一旋风分离器和第二旋风分离器的下部均对应设置有第一载氧体返料器和第二载氧体返料器；制氢反应器的下部设置有水蒸气入口，第二载氧体返料器的底部设置有流化气入口。本发明不仅对有机固废进行了减量化、无害化和能源化的有效处置，同时实现了在处置过程中大大缩减了处置成本并且耦合水蒸气重整制氢过程。

Description

一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置及方法
技术领域
本发明涉及环保及能源利用技术领域，涉及一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置及方法。
背景技术
有机固体废物是指人们在生产和生活中产生的具有较高有机质含量的固态、半固态废弃物，随着经济的发展和人民生活水平的提高，有机固体废物(下称“有机固废”)产生量呈逐年增长趋势，如得不到妥善处理，将会对环境造成污染，并进一步威胁人体健康。
目前，有机固废处理处置的方式主要有填埋、堆肥和焚烧。大量研究表明，卫生填埋和堆肥化这两种方法不仅需要占用大量的土地、耗用时间长，而且废弃物的渗透液会对附近的生态环境造成严重的破坏。焚烧是目前最广泛采用的有机固废处置手段，它可使废弃物中的毒性有机物和致病微生物经过高温分解而失去毒性，具有减容、减重率高，处理方法快等优点，同时通过回收焚烧过程中产生的热量实现垃圾的能源化利用。总体来看，焚烧技术是最适合处置有机固废的方式，该技术不仅能回收能量，还能实现彻底的无害化和减量化。
然而，有机固废焚烧烟气中含有大量的SOx、NOx和二噁英及重金属颗粒等有害物质，容易对环境造成污染，同时污泥焚烧设备初期投资大，焚烧废气处理费用高、难度大。
捕碳技术(Carbon capture technology)是指从空气中捕获二氧化碳的各种科学技术的统称。
热解气化技术是一种新兴的有机固废处置技术，它是指在一定的温度和压力条件下，在无氧或缺氧环境下，通过一系列的热化学反应，将固体废弃物中的有机物转化为含有H2、CH4、CO、CnHm等可燃性气体、焦油和灰渣的过程。根据研究表明，与焚烧技术相比，热解气化技术对有机固废处理后所产生的污染物较少，同时热解气化技术的处理成本远低于焚烧技术。但由于有机固废具有很高的挥发分，从而在热解气化过程中会产生一定量的焦油及N/S/Cl等污染物，造成一定的环境风险。
化学链燃烧(Chemical Looping Combustion,CLC)是一种新颖的燃烧技术(如图1所示)，它是通过链式反应利用金属氧化物载氧体(MexOy)中的晶格氧在燃烧反应器中将燃料完全氧化成CO2和H2O，反应后的还原态载氧体(Me)在载氧体返料器中被返料气重新氧化恢复晶格氧循环使用的过程。
与传统焚烧相比，化学链燃烧极大降低了污染物的脱除难度，但有机固废中常含有成分复杂的灰分，容易引起载氧体的烧结和腐蚀，降低载氧体的循环反应活性和寿命。而化学链制氢(Chemical Looping Hydrogen Production,CLHP)技术则是基于化学链燃烧技术利用金属载氧体中的晶格氧与水蒸气反应生成H2，化学链制氢技术目前包括吸收增强式化学链水蒸气重整制氢和基于载氧体反应的化学链制氢工艺。在化学链制氢工艺中，载氧体首先在燃烧反应器中被还原为还原态(Me)载氧体，同时燃料被完全氧化生成CO2/H2O混合气，在反应过程中初期通入返料气来促进载氧体循环，在反应稳定后将燃烧反应器出口部分烟气(CO2≥90％)用作流化气；随后，低价态的载氧体与水蒸气发生反应生成H2/H2O混合气，经冷凝后得到纯H2，同时载氧体被部分氧化；最后载氧体被输送到载氧体返料器中进入燃烧反应器中进行循环。与传统制氢技术相比，传统的制氢工艺复杂繁琐，能耗较高，而化学链制氢技术降低了制氢成本，同时缓解了我国日益严峻的固废处置形势。而且与传统的煤制氢同步捕碳工艺相比，有机固废热解耦合化学链制氢工艺，在燃烧反应器中热解气被完全燃烧，产生的烟气主要为CO2和H2O，将烟气通过冷凝装置冷凝水蒸气后，可获得浓度较高的CO2实现碳捕集，本工艺避免了传统的空分装置，降低了工艺能耗。
发明内容
本发明的发明目的在于：为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置及方法，与传统固废焚烧技术相比具有初期投资小，焚烧废气处理费用低、难度小等优势，与传统制氢技术相比处理流程简单，成本低，且氢气生产效率较高。
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明采用以下技术方案：
一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，包括有进料装置，进料装置依次与热解反应器、燃烧反应器、第一旋风分离器、制氢反应器和第二旋风分离器相连通，且所述第二旋风分离器还与所述燃烧反应器相连接；所述热解反应器、所述燃烧反应器和所述制氢反应器内均放置有载氧体，且所述第一旋风分离器和所述第二旋风分离器的下部均对应设置有第一载氧体返料器和第二载氧体返料器；所述制氢反应器的下部设置有水蒸气入口，所述第二载氧体返料器的底部设置有流化气入口，所述第一旋风分离器的上部连接有捕碳装置。
作为本发明有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置的技术方案的一种改进，所述热解反应器套设在所述制氢反应器的外部。
作为本发明有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置的技术方案的一种改进，所述热解反应器的热解气出口与气体预混室相连通，且所述气体预混室还与外界相连通，所述外界向所述气体预混室输入空气，所述空气和热解气在所述气体预混室内混合并输送到所述燃烧反应器中。
作为本发明有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置的技术方案的一种改进，所述燃烧反应器内的载氧体以及烟气经过所述第一旋风分离器气固分离后，通过所述第一载氧体返料器进入所述制氢反应器中，所述制氢反应器内的气体通过所述第二旋风分离器气固分离后的气体通过第二旋风分离器的出口管路冷凝器进行纯化后获得氢气。
作为本发明有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置的技术方案的一种改进，所述第一载氧体返料器还连接有第一返料器控制阀，通过所述第一返料器控制阀控制注入空气至所述第一载氧体返料器中；
所述第二载氧体返料器还连接有第二返料器控制阀，通过所述第二返料器控制阀输入水蒸气至所述第二载氧体返料器中。
作为本发明有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置的技术方案的一种改进，所述的第一旋风分离器的上部连接有出口管路，所述出口管路上设置有所述捕碳装置，所述第一旋风分离器的下部设置有所述第一载氧体返料器；所述第二旋风分离器的上部设置有气体排出口，且所述气体排出口处设置有冷凝器，所述第二旋风分离器的下部设置有所述第二载氧体返料器。
作为本发明有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置的技术方案的一种改进，所述载氧体为可以为铁基、镍基、锰基、钴基等的金属载氧体。
一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的方法，使用如上述的有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，包括有以下步骤：
S1、选择载氧体；
S2、向所述热解反应器中通入水蒸气，载氧体在热解反应器中热解，并产生热解气；
S3、把热解气和空气预混合，并输送到燃烧反应器中，对放置在燃烧反应器中的载氧体进行燃烧，燃烧产生烟气，并去除有机固废中的焦油，反应后的载氧体和气体吹入第一旋风分离器中进行分离，分离出还原态载氧体，还原态载氧体经过第一载氧体返料器，进入到制氢反应器中；
S4、在制氢反应器中，还原态载氧体与水蒸气反应，产生氧化态载氧体，将氧化态载氧体吹入到第二旋风分离器中进行气固分离，对气体进行冷凝获得氢气；
S5、氧化态载氧体经过第二载氧体返料器输入到燃烧反应器中，对载氧体循环利用燃烧，燃烧所产生烟气通过第一旋风分离器的顶部输送管排出，部分烟气被捕集利用，另一部分烟气通入气体预混室中与热解气混合用作稳定运行时的流化气。
本发明的有益效果：
1、与传统焚烧装置相比，本发明提出的装置利用将有机固废热解+化学链燃烧双级燃烧单元，避免了有机固废与载氧体的直接接触。提高了载氧体的使用寿命，减少了对环境的污染，将有机固废最大资源利用化；
2、相比与传统制氢装置，利用化学链水蒸气重整制氢，不仅可以增加氢气的产率，同时降低了制氢的装置能耗，无需水煤气变换反应器和CO2分离装置，只需一种载氧体即可，由于氢气浓度较高，无需进行氢气提纯；而且，与传统制氢技术相比处理流程简单，成本低，且氢气生产效率较高；
3、选用天然铁矿石(主要成分为Fe2O3)为载氧体，成本较低，且较易获得；
4、本发明提出的装置与传统的有机固废处理装置相比，不仅对有机固废进行了减量化、无害化和能源化的有效处置，同时实现了在处置过程中大大缩减了处置成本并且耦合水蒸气重整制氢过程；
5、本发明实现载氧体的循环流态化，燃烧反应器和制氢反应器分别与旋风分离器相连通，实现气固分离。与传统固废焚烧技术相比具有初期投资小，焚烧废气处理费用低、难度小等优势，操作难度低等特点，适用于小处理量的场景；
6、在本发明中，将热解气化作为有机固废的前置处理，产生的热解气通入燃烧反应器中进行化学链燃烧，既实现了有机固废的高效无害化处置，又避免了灰分对载氧体的负面作用，是一种极具创新性的有机固废处置思路；
7、本发明以热解气化耦合化学链制氢的方式处理有机固体废弃物，既实现了有机固废的高效减量化、无害化和资源化，极大地降低了处置过程中污染物脱除难度，同时能够与水蒸气反应制备氢气，为有机固废高效清洁处置及资源利用提供了新途径。
附图说明
图1为化学链燃烧技术原理示意图；
图2为本发明有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置结构示意图，其中，图中第一旋风分离器顶部输送管的箭头为烟气(CO2≥90％)的流动方向，储料仓箭头为有机固废进料方向，第二旋风分离器顶部输送管的箭头为氢气的流动方向；
图3为不同制氢工艺的流程图，图3-1为煤气化制氢工艺的流程图，图3-2为甲烷水蒸气转化制氢工艺的流程图，图3-3为工业副产品氯碱制氢工艺的流程图，图3-4为有机固废热解耦合化学链制氢工艺的流程图。
附图标记说明：1：热解反应器；1-1：热解气喷嘴；1-2：储料仓；1-3：螺旋排渣器；1-4：热解气增压风机；2：燃烧反应器；2-1：第一旋风分离器；2-2：烟气增压风机；2-3：第一载氧体返料器；2-4：第一返料器控制阀；2-5：空气控制阀；2-6：空气增压风机；3：制氢反应器；3-1：水蒸气增压风机；3-2：第二返料器控制阀；3-3：第二旋风分离器；3-4：第二载氧体返料器；4：气体预混室；5：冷凝器。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1和图2所示，一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，包括有进料装置，进料装置依次与热解反应器1、燃烧反应器2、第一旋风分离器2-1、制氢反应器3和第二旋风分离器3-3相连通；热解反应器1、燃烧反应器2和制氢反应器3内均放置有载氧体，且第一旋风分离器2-1和第二旋风分离器3-3的下部均对应设置有第一载氧体返料器2-3和第二载氧体返料器3-4；第一旋风分离器2-1出口管路上设置有二氧化碳捕集装置，制氢反应器3的下部设置有水蒸气入口，第二载氧体返料器3-4的底部设置有流化气入口。
在本发明中，载氧体为天然金属矿石，天然金属矿石选自铁矿石、铜矿石、锰矿石和镍矿石中的任一种或以上。即，载氧体可以为铁基、镍基、锰基等的金属载氧体，均能实现制氢和捕碳的效果。由于镍基价格昂贵，对环境有害，且积碳严重，存在热力学局限性；铜基OC由于熔点较低，在高温下容易烧结和团聚，从而降低其高温活性；锰基OC(Mn基)在高温下具有差的热稳定性，并且活性组分容易与惰性组分反应以形成稳定的惰性化合物，从而降低它们的反应性；钴基OC(Co-based)价格昂贵且对环境不友好，具有热力学限制且在高温下不稳定，并且活性组分可与惰性组分反应形成稳定的低反应性氧化物，导致其反应性降低。铁基材料具有热稳定性高、力学性能好、价格低廉、环境友好等优点，已成为与其他高活性组分复合的主要载氧体。同时，铁基催化剂的反应性取决于催化剂中的氧含量，并且催化活性随着催化剂中氧含量的增加而降低。
即，载氧体以铁基在载氧体为优，故在本申请中，以天然铁矿石为例进行说明，且优选为颗粒状的载氧体。
优选的，热解反应器1套设在制氢反应器3的外部，可以回收利用与热解反应器1制氢反应器3释放大量的热，增强了节能的效果。
在本发明的一些实施方式中，制氢反应器3的底部设置有水蒸气增压风机3-1，用于控制水蒸气通入制氢反应器3中的量，也便于水蒸气在制氢反应器3中与载氧体发生反应。
在本发明的一些实施方式中，热解反应器1的热解气出口与气体预混室4相连通，且气体预混室4还与外界相连通，外界向气体预混室4输入空气，空气和热解气在气体预混室4内混合并输送到燃烧反应器2中。优选的，气体预混室4旁设置有空气增压风机2-6，空气官路上设置有空气控制阀2-5，烟气回通管路上设置有烟气增压风机2-2。
在本发明的一些实施方式中，热解气、载氧体和空气在燃烧反应器2中燃烧，燃烧反应器2内的载氧体以及所产生的烟气经过第一旋风分离器2-1气固分离后，载氧体通过第一载氧体返料器2-3进入制氢反应器3中，制氢反应器3内的气体通过第二旋风分离器3-3气固分离后的气体通过第二旋风分离器3-3的出口管路冷凝器5进行纯化后获得氢气。
进一步的，第一旋风分离器2-1出口管路上设置有二氧化碳捕集装置，在第一旋风分离器2-1排出的气体为烟气，烟气的主要成分为CO2，部分烟气被捕集利用，另一部分烟气通入气体预混室4中与热解气混合用作稳定运行时的流化气。
在本发明的一些实施方式中，第一旋风分离器2-1的上部设置有烟气出口，烟气出口连接有二氧化碳捕集装置，通过二氧化碳捕集装置实现捕碳的效果。第一旋风分离器2-1的下部设置有第一载氧体返料器2-3；第二旋风分离器3-3的上部设置有气体排出口，且气体排出口处设置有冷凝器5，第二旋风分离器3-3的下部设置有第二载氧体返料器3-4。
详细地说，在本发明中，热解反应器1套设于制氢反应器3的外部，因为制氢反应器3释放大量的热，可回收利用与热解反应器1；第二载氧体返料器3-4顶端与第二旋风分离器3-3底部输送管的一端连通，第二载氧体返料器3-4底部设置有流化气入口，制氢反应器3顶端与第二旋风分离器3-3顶部输送管连通，制氢反应器3底部设置有水蒸气入口；热解反应器1一侧设置有进料器；燃烧反应器2下部设置有流化气入口，燃烧反应器2的顶部输送管与第一旋风分离器2-1的顶端连通，第一旋风分离器2-1的底端与设置在制氢反应器3中部的第一载氧体返料器2-3连接；第二旋风分离器3-3顶部设置有冷凝器5，用于冷凝水蒸气，提纯氢气；第一旋风分离器2-1的顶部输送管进行部分烟气(CO2≥90％)捕集，剩余烟气用做装置的流化气。通过二氧化碳捕碳装置所捕集的烟气中的CO2可用于与常温下与水偶联合成尿素，同时也可用于强化开采石油气。
进一步的，燃烧反应器2下部设置有流化气入口；流化气入口下部设置有气体预混室4；热解反应器1顶部设置有热解气喷嘴1-1，高速射流气将热解反应器1内的固废热解气吸入热解气增压风机1-4中；制氢反应器3下部设置有水蒸气入口。
反应装置初期利用设置在气体预混室4旁的空气用作流化气。燃烧反应器2顶端与第一旋风分离器2-1相连通，燃烧反应器2内的载氧体以及烟气进入第一旋风分离器2-1中气固分离，部分烟气通过第一旋风分离器2-1的顶部出口捕集后进行利用，剩余烟气用作流化气通入气体预混室4与热解气共同通入燃烧反应器2中，分离的载氧体通过第一载氧体返料器2-3进入制氢反应器3中发生反应制备氢气，制氢反应器3顶端与第二旋风分离器3-3相连通，制氢反应器3内的气体通过第二旋风分离器3-3气固分离后的出口管路冷凝器5进行纯化后获得氢气。载氧体返料器底部设置有流通返料气的返料气管路。
第一载氧体返料器2-3底部设置有返料气入口。返料气管路上设置有返料器控制阀，其中，返料器控制阀包括有对应连接在第一载氧体返料器2-3和第二载氧体返料器3-2上的第一返料器控制阀2-4和第二返料器控制阀3-2，流化气管路设置有流化气控制阀，空气入口处有空气控制阀2-5；进一步优选，第二旋风分离器3-3设置有冷凝器5。优选地，热解反应器1下部设置有排渣器1-3，可以便于把热解后的固废热解反应的剩余残渣排出。优选的排渣器1-3为螺旋排渣器1-3。
详细地说，热解反应器1套设于制氢反应器3的外部，第二载氧体返料器3-4与制氢反应器3通过第二旋风分离器3-3相连接，第二载氧体返料器3-4底部输送管与燃烧反应器2一侧连通，燃烧反应器2顶端与第一旋风分离器2-1的顶部输送管连通，第一旋风分离器2-1底部与第一载氧体返料器2-3连接，第一载氧体返料器2-3制氢反应器3一侧相连通。
载氧体返料器底部设置有返料气入口，燃烧反应器2下部设置有流化气入口。
优选的，流化气入口处设置有倒锥型流化气喷嘴，热解反应器1一侧设置有进料器，下述实例优选进料器为螺旋进料器，方便进料。螺旋进料器上部设置有储料仓1-2。
热解反应器1的出口端与燃烧反应器2的入口端相连通，燃烧反应器2顶端与第一旋风分离器2-1连通，燃烧反应器2内的载氧体和烟气在气流的作用下进入第一旋风分离器2-1进行气固分离，载氧体进入第一载氧体返料器2-3中，在第一载氧体返料器2-3的作用下进入制氢反应器3中；烟气通过第一旋风分离器2-1顶部输送管输出被捕集，一部分烟气输送至气体预混室4中用作装置稳定运行后的流化气。
制氢反应器3底部设置有水蒸气入口，优选的，水蒸气入口处设置有倒锥型流化气喷嘴，水蒸气与还原态载氧体反应，制氢反应器3顶部与第二旋风分离器3-3连通，氢气、水蒸气与载氧体通过第二旋风分离器3-3后气固分离，载氧体通过第二旋风分离器3-3的底部输送管输送到第二载氧体返料器3-4中，水蒸气通过第二旋风分离器3-3的顶部输送管进入冷凝器5冷凝，并产生氢气，然后通过收集装置收集氢气。
第二载氧体返料器3-4的底部设置有流通返料气的返料气管路。返料气管路上设置有第二返料器控制阀3-2，第一载氧体返料器2-3底部设置有第一返料器控制阀2-4，热解气通路上设置有热解气增压风机1-4，气体预混室4旁设置有空气增压风机2-6，空气官路上设置有空气控制阀2-5，烟气回通管路上设置有烟气增压风机2-2。
本发明各反应器的工作过程如下：
在热解反应器1中，有机固废原料连续进入储料仓1-2中，由螺旋进料器输送至热解反应器1；热解反应器1一侧设置有热解气喷嘴1-1，将热解气吸入管路中，由热解气增压风机1-4输送至气体预混室4中；热解反应器1下部设置螺旋排渣器1-3，固废热解反应的剩余残渣由螺旋排渣器1-3排出。
在燃烧反应器2中，燃烧反应器2下部设置有流化气喷嘴，反应初期，来自热解反应器1的热解气和来自空气增压风机2-6的空气在气体预混室4中混合共同通入燃烧反应器2中；在燃烧反应器2中，载氧体与热解气充分燃烧为烟气(CO2≥90％)，载氧体被还原；燃烧反应器2上部与第一旋风分离器2-1相连通，燃烧反应器2的烟气与还原态载氧体在第一旋风分离器2-1的作用下气固分离分别被捕集以及部分用于装置稳定运行后的流化气，载氧体进入制氢反应器3中反应。
在制氢反应器3中，制氢反应器3作用为利用水蒸气与来自燃烧反应器2的还原态载氧体反应制备氢气。制氢反应器3底部设置有水蒸气喷嘴，水蒸气通过水蒸气增压风机3-1连续通入制氢反应器3中，与来自燃烧反应器2的还原态载氧体发生反应制备氢气。第二载氧体返料器3-4作用为接受来自制氢反应器3中的氧化态载氧体并将其输送至燃烧反应器2中，制氢反应器3顶部与第二旋风分离器3-3的顶部输送管连通，在发生反应后的氧化态载氧体与气体经过第二旋风分离器3-3气固分离后，气体通过第二旋风分离器3-3的出口管路进入冷凝器5中，气体经过冷凝水蒸气后获得氢气。而氧化态载氧体通过第二旋风分离器3-3的底部输送管进入第二载氧体返料器3-4。
在燃烧反应器2顶部第一旋风分离器2-1的出口烟气中的CO2可被捕集利用(可用于CO2和N2在水中偶联为尿素、强化开采石油气等)载氧体进入第一旋风分离器2-1中被分离后，再次进入制氢反应器3中，实现载氧体的循环流动。
本发明还公开了一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的方法，配合有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置使用，其包括有以下步骤：
S1、选择载氧体；
S2、向所述热解反应器中1通入水蒸气，载氧体在热解反应器1中热解，并产生热解气；
S3、把热解气和空气预混合，并输入到燃烧反应器2中，对放置在燃烧反应器2中的载氧体进行燃烧，热解气燃烧为烟气，去除有机固废中的焦油，反应后的载氧体和气体吹入第一旋风分离器2-1中进行分离，分离出还原态载氧体，还原态载氧体经过第一载氧体返料器2-3，进入到制氢反应器3中；
S4、在制氢反应器3中，还原态载氧体与水蒸气反应，产生氧化态载氧体，将氧化态载氧体吹入到第二旋风分离器3-3中进行气固分离，对气体进行冷凝获得氢气；
S5、氧化态载氧体经过第二载氧体返料器3-4输入到燃烧反应器2中，对载氧体循环利用燃烧，燃烧所产生烟气通过第一旋风分离器2-1的顶部输送管排出，部分烟气被捕集利用，另一部分烟气通入气体预混室4中与热解气混合用作稳定运行时的流化气。
即，在本发明中，有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的方法包括有机固废热解气化、气体产物化学链燃烧和水蒸气化学链重整制氢三个流程。
其中，有机固废热解气化过程为：通过热解反应器1将有机固废原料转化为热解气。气体产物化学链燃烧过程为：通过化学链燃烧装置将含有大量焦油及N/S/Cl污染物的有机固废热解气转化为洁净烟气(CO2≥90％)。水蒸气化学链重整制氢过程为：通过制氢反应器3将还原态载氧体与水蒸气反应，将还原态载氧体完全还原为还原态载氧体，与水蒸气制备氢气。
作为本发明的一种实施方式，制氢反应器3的温度控制在500℃～650℃，制氢反应器3在500℃-600℃这个温度范围内可获得最大制氢量；燃烧反应器2温度控制在800℃～900℃，燃烧反应器2在800℃-900℃这个温度范围内可完全燃烧，超过900℃易造成载氧体的烧结；热解反应器1的反应温度控制在400℃～600℃，热解反应器1在400℃-600℃即可将有机固废完全热解。
详细地说，在本发明中，载氧体以天然铁矿石为例进行说明。选用天然铁矿石(主要成分为Fe2O3)作为装置的载氧体，通过在铁矿石中负载4％的Ca离子来制备负载Ca的铁矿石载氧体，可提高载氧体在燃烧反应器2中对有机固废中焦油以及Cl元素等的脱除性能。
首先将载氧体置于燃烧反应器2、制氢反应器3、第一载氧体返料器2-3和第二载氧体返料器3-4中，启动提供空气的空气增压风机2-6，打开空气控制阀2-5，同时打开提供水蒸气的水蒸气增压风机3-1；有机固废通过螺旋进料器从储料仓1-2中进入热解反应器1中反应，打开热解气增压风机1-4，热解气和空气在气体预混室4中混合。其中，装置运行初期，以水蒸气、热解气混合空气作为流化气。
打开第一载氧体返料器控制阀2-4和第二载氧体返料器控制阀3-2，使得载氧体在装置内循环流动；热解反应的废渣通过螺旋排渣器1-3排出。
优选的，热解反应器1的反应温度控制在400～600℃。在装置运行稳定后，关闭空气控制阀2-5，打开控制烟气回收的烟气增压风机2-2，烟气和热解气在气体预混室4混合作为流化气。
燃烧反应器2中，载氧体中的Fe2O3组分与热解气发生反应，载氧体中的Fe2O3被还原为Fe，热解气完全燃烧为烟气(CO2≥90％)，同时固废热解产生的Cl污染物主要为HCl，载氧体通过负载Ca离子获得吸收Cl的能力，从而实现在源头上脱除Cl污染物，将反应后的还原态载氧体与气体吹入第一旋风分离器2-1中进行气固分离后，还原态载氧体进入第一载氧体返料器2-3中。优选的，燃烧反应器2温度控制在800～900℃。
通过控制第一返料器控制阀调节返料气流速，将还原态载氧体吹入制氢反应器3中，在制氢反应中，还原态载氧体中的Fe与水蒸气反应生成H2，Fe被氧化为Fe3O4，通过控制水蒸气增压风机3-1，将氧化态载氧体与气体吹入第二旋风分离器3-3中，气体和氧化态载氧体经顶部输送管输送至第二旋风分离器3-3中进行气固分离，气体经过冷凝器5冷凝水蒸气后得到氢气。氧化态载氧体通过第二旋风分离器3-3的底部输送管输送至第二载氧体返料器3-4中。优选的，制氢反应器33的温度控制在500～650℃。
控制第二返料器控制阀，通过控制流化气气速，将氧化态载氧体输送至燃烧反应器2中，实现载氧体的再生循环利用，烟气通过第一旋风分离器2-1的顶部输送管排出，烟气的主要成分为CO2，一部分被捕集利用，另一部分烟气通过烟气增压风机2-2通入气体预混室4中与热解气混合用作稳定运行时的流化气，打开烟气增压风机2-2，关闭空气增压风机2-6和空气控制阀2-5。
为了更好地表示本发明所实现的效果，下面是本发明的一些对比例。
对比例1
相比于传统的空气燃烧工艺，通过负载微量Ca离子的天然铁矿石(主要成分为Fe2O3)为载氧体，可以实现对有机固废中的Cl元素污染物进行源头脱除，减少含Cl烟气对装置的腐蚀。如表1所示，Ca负载铁矿石载氧体可以实现Cl元素的源头脱除处理。
表1不同燃烧装置脱氯效率
对比例2
随着气候变暖问题日益严峻，CO2技术的捕集成为石化能源规模化低碳利用的战略储备技术，是石化能源近零排放的唯一技术选择。而对于传统工业中产生的烟气中CO2大部分直接排放，有些工艺也因为烟气中CO2的浓度较低，导致捕集效率较低，而本装置中燃烧反应器2会产生高浓度CO2烟气(CO2≥90％)，且捕集效率接近100％。如表2所示，不同工艺的碳捕集效率。
表2不同工艺的碳捕集效率
对比例3
氢能因其清洁低碳、单位质量能量密度高、来源多样以及可持续性等特点被视为构建清洁能源的重要组成部分。氢气的廉价获取更是重中之重，是氢能产业发展的根本，制氢的技术与成本在相当长一段时间内仍然是亟待解决的问题。目前，生产氢气的主要工艺有化石能源制氢、甲烷水蒸气转化制氢、工业副产品氯碱制氢等，但是传统工艺制氢不可避免地会带来碳排放和环境污染，同时传统制氢工艺复杂。而本装置的有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳装置，不仅简化了制氢工艺，利用化学链水蒸气重整制氢技术同时也避免了碳排放和环境污染。如表3和图3(图3-1至图3-4)所示，不同的制氢工艺流程。
表3不同的制氢工艺流程表
在本发明中，通过具体的实施案例以及实施案例所得出的实验结果，可以表明本发明提出的有机固废热解耦合化学链制氢过程同时具有热解/化学链制氢的优点，并克服了传统燃烧/制氢的缺点，因此具有较大的使用价值和应用潜力。
基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，其特征在于，包括有进料装置，进料装置依次与热解反应器、燃烧反应器、第一旋风分离器、制氢反应器和第二旋风分离器相连通，且所述第二旋风分离器还与所述燃烧反应器相连接；所述热解反应器、所述燃烧反应器和所述制氢反应器内均放置有载氧体，且所述第一旋风分离器和所述第二旋风分离器的下部均对应设置有第一载氧体返料器和第二载氧体返料器；所述制氢反应器的下部设置有水蒸气入口，所述第二载氧体返料器的底部设置有流化气入口，所述第一旋风分离器的上部连接有捕碳装置。
2.根据权利要求1所述的有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，其特征在于，所述热解反应器套设在所述制氢反应器的外部。
3.根据权利要求1所述的有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，其特征在于，所述热解反应器的热解气出口与气体预混室相连通，且所述气体预混室还与外界相连通，所述外界向所述气体预混室输入空气，所述空气和热解气在所述气体预混室内混合并输送到所述燃烧反应器中。
4.根据权利要求1所述的有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，其特征在于，所述燃烧反应器内的载氧体以及烟气经过所述第一旋风分离器气固分离后，通过所述第一载氧体返料器进入所述制氢反应器中，所述制氢反应器内的气体通过所述第二旋风分离器气固分离后的气体通过第二旋风分离器的出口管路冷凝器进行纯化后获得氢气。
5.根据权利要求4所述的有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，其特征在于，所述第一载氧体返料器还连接有第一返料器控制阀，通过所述第一返料器控制阀控制注入空气至所述第一载氧体返料器中；
所述第二载氧体返料器还连接有第二返料器控制阀，通过所述第二返料器控制阀输入水蒸气至所述第二载氧体返料器中。
6.根据权利要求5所述的有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，其特征在于，所述的第一旋风分离器的上部连接有出口管路，所述出口管路上设置有所述捕碳装置，所述第一旋风分离器的下部设置有所述第一载氧体返料器；所述第二旋风分离器的上部设置有气体排出口，且所述气体排出口处设置有冷凝器，所述第二旋风分离器的下部设置有所述第二载氧体返料器。
7.根据权利要求1所述的有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，其特征在于，所述载氧体为可以为铁基、镍基、锰基、钴基等的金属载氧体。
8.一种有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的方法，其特征在于，使用如权利要求1-7任意一项所述的有机固废热解耦合化学链制氢同步捕碳的装置，包括有以下步骤：
S1、选择载氧体；
S2、向所述热解反应器中通入水蒸气，载氧体在热解反应器中热解，并产生热解气；
S3、把热解气和空气预混合，并输送到燃烧反应器中，对放置在燃烧反应器中的载氧体进行燃烧，燃烧产生烟气，并去除有机固废中的焦油，反应后的载氧体和气体吹入第一旋风分离器中进行分离，分离出还原态载氧体，还原态载氧体经过第一载氧体返料器，进入到制氢反应器中；
S4、在制氢反应器中，还原态载氧体与水蒸气反应，产生氧化态载氧体，将氧化态载氧体吹入到第二旋风分离器中进行气固分离，对气体进行冷凝获得氢气；
S5、氧化态载氧体经过第二载氧体返料器输入到燃烧反应器中，对载氧体循环利用燃烧，燃烧所产生烟气通过第一旋风分离器的顶部输送管排出，部分烟气被捕集利用，另一部分烟气通入气体预混室中与热解气混合用作稳定运行时的流化气。
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