CN1736854A - 一种水不完全分解制氢副产活性炭方法 - Google Patents

一种水不完全分解制氢副产活性炭方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种将水不完全分解制备氢气和副产活性炭方法。本发明的技术方案是利用水与温度350－550℃的铁发生化学反应得到氢气，铁转变为四氧化三铁。利用二氧化碳与炭在850－950℃的反应制备活性炭并得到还原四氧化三铁所需要的一氧化碳。本发明大幅度降低了分解水制备再生氢的能耗和制备成本，另一方面，得到具有较高附加值的活性炭作为再生氢的副产品，可进一步提高再生氢生产的总体经济效益。

Description

一种水不完全分解制氢副产活性炭方法
                                技术领域
本发明涉及氢能领域再生氢制备技术，更具体地说，是涉及一种新的水不完全分解制氢并副产活性炭方法。
                                背景技术
氢能和再生氢的制备方法是受到世界关注的重要课题。随着石油供应形势的日趋紧张，大国都在寻找替代能源。氢气具有燃烧最清洁的特质，并且可从水中得来，因此理论上是可再生的燃料，故被认为是21世纪的新能源。我国城市增长速度很快，城市中汽车增长速度很快，为快速增长的汽车寻找燃料以及解决大量汽车的排放物对城市空气的污染已成为我国当前的一个紧迫任务。如果氢气能够作为交通工具的燃料，则两个问题迎刃而解。氢气作为交通工具的燃料，尚有2个关键技术问题没有解决，一个是氢气在车辆上的储存问题，一个是氢气的再生问题。前者不解决，车辆无法正常行驶，后者不解决，不要多久燃料将无以为继。本专利提出解决氢气再生问题的一种方法。
氢在工业中有重要应用，每年市场供销量很大，但目前市场上的氢气都是以化石燃料(煤、石油、天然气)为原料生产的，不是再生氢。众所周知的再生氢生产方法是电解水，但电解水的能耗很高，因此其作为再生氢生产方法的应用前景取决于电费的大幅度降低，例如利用核能、风能、潮汐能、太阳能等发出的电力，但这些电力的成本的大幅度降低绝不是短时期内能够实现的。光催化分解水或细菌分解水的方法，目前尚处于实验室研究阶段，产率很低，成本问题也有待解决。
                                发明内容
本发明提出的水不完全分解制氢方法，不是用电力，不是用光催化，也不是生物过程，也不同于其它的热化学分解法，因为现有的热化学分解水的方法都是将水彻底地分解为氢气和氧气，相关反应温度高，能耗也高。本发明是水的不完全的热化学分解，产物中没有氧气，反应条件变得比较温和，总能耗也大大降低。此外，除氢气外，还有活性炭和一氧化碳两种化工副产品。
本发明制备高纯度氢气副产活性炭的方法，在第1个气固反应器中，液体水与温度350-550摄氏度的铁反应生成氢气，固体的铁转变为四氧化三铁；在第2个气固反应器中，炭和二氧化碳在850～950摄氏度发生炭的活化反应，生成产物活性炭和一氧化碳；在第3个气固反应器中，一氧化碳和四氧化三铁在500～600摄氏度反应，生成铁和二氧化碳；生成的铁转入第1个气固反应器，生成的二氧化碳转入第2个气固反应器，构成闭合循环。
所述的气固反应器为流化床、移动床或固定床反应器，前者固体物料连续流动，后者可采用切换操作，从而实现连续生产。
炭和二氧化碳在850-950摄氏度发生炭的活化反应。
一氧化碳和四氧化三铁在500～600摄氏度反应。
具体方法是：
在570℃以下，水与铁反应产生氢气和四氧化三铁。该反应可一直进行到350℃：
(1)氢气的生成
                                       +32.00kJ
   (550℃)(25℃，liquid) (25℃)(350℃)
在(1)式标注条件下的反应热(下同)是+32kJ，正号表示外界需提供的热量。
(2)氧化铁的还原
                         -77.56kJ
(850℃)(350℃)           (550℃)(25℃)
负号表示向外界释放热量，所以这是一个放热反应。
(3)一氧化碳的制备
                                        +401.86kJ
(250℃)(550℃)    (850℃)
这是一个吸热反应。至此，水的不完全分解制氢的循环完成。外界需补充的能量是：401.86+32.00-77.56＝356.3kJ。制备的氢气量是4摩尔，其燃烧变成水的反应是：
                                              -1143.32kJ
该反应释放的热量是1143.32kJ。若以能量的产出与能量的投入之比作为制氢方法的能量效率指标，则本专利的理论能量效率是：
                       1143.32/356.3＝321％
(4)活性炭的制备
还原氧化铁产生的二氧化碳只有一半用于一氧化碳的制备。可以利用剩余的一半继续与炭反应，生成活性炭，将制氢的副产物二氧化碳转变为活性炭和一氧化碳，后者可作为化工原料或燃料。
为进一步说明本发明的先进性，兹将水电解的能量效率与本发明的能量效率做一对比。水的理论分解电压是1.23V，由此计算得到4摩尔氢气的理论能耗是：
                  4×1.23×96500×2/1000＝949.6kJ
电解水的理论效率是1143.32/949.6＝120％。本专利的理论能量效率是电解水理论能量效率的2.67倍。由于电极过电位的产生，水的实际电解电压在1.65～2.2V之间。假如电解电压提高到1.65V，则产生4摩尔氢气的能耗增大到1273.8kJ，能量效率降低为1143.32/1273.8＝89.8％，两种方法的能量效率将相差3.6倍。
本发明的优点在于：
1、同已知的电解水方法相比，显著提高了制氢过程的能量效率，因此可大大降低氢气的成本。
2、同已知的光催化或细菌分解方法相比，反应速度快，适于大规模生产，且成本低。
3、同已知的其它热化学分解水的方法相比，水是不完全分解，能耗和反应温度显著降低，且有高附加值副产品，可以进一步增强再生氢气的竞争力。
                                附图说明
图1是本发明流程示意图。
                                具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明是通过3个气固反应器实现的。在第1个气固反应器中，液体水与温度350-550℃的铁反应，立即生成氢气，同时，固体的铁转变为四氧化三铁。若采用流化床或移动床反应器，四氧化三铁从反应器底部连续排出，纯铁从顶部连续加入，从而实现连续生产。若采用固定床反应器，则可与另一反应器定时切换，保证氢气的连续生产。在第2个气固反应器中，炭取代铁，二氧化碳取代水，发生炭的活化反应，产物是活性炭和一氧化碳。在第3个气固反应器中，一氧化碳和四氧化三铁反应，生成铁和二氧化碳。生成的铁转入第1个反应器，生成的二氧化碳转入第2个反应器，构成闭合循环。
上面描述的3个气固反应器，形式可以有不同选择。固定床、移动床或流化床反应器均可实现本发明的制氢过程。
实施例1：
以固定床为例构成的原则流程如附图1所示，反应器的尺寸根据所需要的氢气生产量确定。反应器1和3实际上是在切换操作。图中的实心阀门表示关闭状态，空心阀门表示开启状态，因此反应器1液体水与温度450℃的铁反应产生氢气，反应器3一氧化碳和四氧化三铁在550摄氏度反应产生二氧化碳和铁。反应器2炭和二氧化碳在850摄氏度反应产生一氧化碳，同时得到活性炭产品。反应器2也可按两塔切换操作安排。
实施例2：
如图1，反应器1液体水与温度550℃的铁反应产生氢气，反应器3一氧化碳和四氧化三铁在600摄氏度反应产生二氧化碳和铁。反应器2炭和二氧化碳在950摄氏度反应产生一氧化碳，同时得到活性炭产品。反应器2也可按两塔切换操作安排。
实施例3：
第1个气固反应器为移动床反应器，液体水与温度500℃的铁反应，立即生成氢气，同时，固体的铁转变为四氧化三铁，四氧化三铁从反应器底部连续排出，纯铁从顶部连续加入，从而实现连续生产。在第2个气固反应器中，炭和二氧化碳在900摄氏度发生炭的活化反应，生成产物活性炭和一氧化碳；在第3个气固反应器中，一氧化碳和四氧化三铁在500摄氏度反应，生成铁和二氧化碳；生成的铁转入第1个气固反应器，生成的二氧化碳转入第2个气固反应器。

Claims (5)

1.一种水不完全分解制氢副产活性炭方法，其特征在于，在第1个气固反应器中，温度350-550摄氏度的铁使水发生不完全分解反应生成氢气，固体的铁转变为四氧化三铁；在第2个气固反应器中，炭和二氧化碳在850～950摄氏度发生炭的活化反应，生成产物活性炭和一氧化碳；在第3个气固反应器中，一氧化碳和四氧化三铁在500～600摄氏度反应，生成铁和二氧化碳；生成的铁转入第1个气固反应器，生成的二氧化碳转入第2个气固反应器，构成闭合循环。
2.根据权利要求1所述的水不完全分解制氢副产活性炭方法，其特征在于，所述的第1个气固反应器为流化床或移动床反应器，四氧化三铁从反应器底部连续排出，纯铁从顶部连续加入，从而实现连续生产。
3.根据权利要求1所述的水不完全分解制氢副产活性炭方法，其特征在于，所述的第1个气固反应器为固定床反应器，则可与另一固定床反应器定时切换，保证氢气的连续生产。
4.根据权利要求1所述的水不完全分解制氢副产活性炭方法，其特征在于，炭和二氧化碳在850～950摄氏度发生炭的活化反应。
5.根据权利要求1所述的水不完全分解制氢副产活性炭方法，其特征在于，一氧化碳和四氧化三铁在500～600摄氏度反应。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100411971C (zh) * 2006-08-03 2008-08-20 天津大学 制备纯氢的方法和系统
CN101665240A (zh) * 2008-09-03 2010-03-10 李�杰 工业法制氢气及装置
CN102633231A (zh) * 2012-04-07 2012-08-15 江阴市尚疯新能源技术开发有限公司 用水还原、氧化快速转化能源的方法
CN109019510A (zh) * 2018-09-25 2018-12-18 上海涛川能源科技有限公司 一种制氢方法

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