CN215364900U - 一种化学环制氢的工艺系统 - Google Patents

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Abstract

一种化学环制氢的工艺系统,包括燃料反应器,蒸汽反应器和空气反应器,燃料反应器与蒸汽反应器之间、燃料反应器与空气反应器之间,分别设置一个级间燃烧反应器能够解决燃料反应器燃料气泄漏的问题,并回收泄漏气燃烧反应过程中产生热量为装置供能,提高了燃料气的利用率。还利用多个换热器和蒸汽发生器回收各反应器产生的高温气体的热量,用于预热燃料气及蒸汽,并在同时冷凝水蒸汽,获取纯氢气以及捕集纯二氧化碳,既提高了能量利用率,又减少了分离成本。

Description

一种化学环制氢的工艺系统
技术领域
本实用新型涉及化学环制氢技术领域,尤其一种化学环制氢的工艺系统。
背景技术
氢气是化学工业的重要原料,在大多数情况下,氢气主要作为一种物质添加在产品中,或者用作还原剂。例如加氢裂化、加氢处理、哈伯法合成氨、甲醇合成等。常规工艺中,氢气主要通过天然气蒸汽重整、天然气的热裂解、煤气化等工艺进行生产。天然气蒸汽重整方法是目前相对成熟的制氢工艺,据统计世界上50%以上的H2生产来自天然气蒸汽重整工艺。然而该工艺在反应过程中需要吸收大量的热量,这些热量通常需要燃烧部分原料天然气来提供,极大降低了原料的利用率。
化学环重整制氢是一种基于天然气蒸汽重整工艺的制氢技术。该技术通过将天然气重整制氢反应的氧化和还原反应分区、分步进行,通过金属氧化物载体在吸热和放热反应间传递氧以及热量,极大地提高了能量的利用效率。由于化学环重整制氢技术无需燃烧原料天然气来提供热量补充,使得天然气中氢原子能够更充分地转化为氢气,从而极大地提升了氢气的产率。但化学环重整制氢技术为了获得高纯度氢气需要设置水汽变换和变压吸附环节,为了降低排放需要对重整过程中产生的CO2进行有效的分离,增加了分离提纯的成本,引起了总制氢成本增加。
化学环制氢是一种基于化学链燃烧的新型制氢技术。该技术通过将燃料气的氧化反应、水蒸汽的还原反应和氧载体的氧化反应分区逐级进行,使得H2和CO2分别在不同反应器中生成,对应生成气仅需冷凝即可获得纯H2和纯CO2,不再需要水汽变换和变压吸附环节,减少了H2提纯净化成本以及CO2的捕集成本。但由于在化学环制氢工艺系统中,金属氧载体在各个反应器之间传递氧以及热量的同时,伴随着反应器之间气体返混的问题,返混气体一方面使得燃料气体被稀释而导致反应效率降低,另一方面会混入生成气体中引起气体纯度下降;再者,反应气和生成气中的热量也没有得到较好的利用。
发明内容
针对以上不足,本实用新型提供一种化学环制氢的工艺系统,增加级间反应器,使燃烧反应更充分,减少反应器间气体返混,并增加换热器和蒸汽发生器等设备,提高热量的利用率。
为了实现以上技术目的,本实用新型的技术方案如下:
一种化学环制氢的工艺系统,包括燃料反应器,燃料气通过换热器Ⅰ后进入燃料反应器,燃料反应器的底部固体出口连接旋风分离器Ⅱ,燃料反应器的顶部固体入口和气体出口均连接第一级间燃烧反应器,旋风分离器Ⅱ的固体出口连接蒸汽反应器,蒸汽反应器固体出口连接空气反应器,空气反应器连接旋风分离器Ⅰ,旋风分离器Ⅰ的固体出口连接第一级间燃烧反应器;第一级间燃烧反应器的气体出口连接换热器Ⅰ;旋风分离器Ⅰ的气体出口连接蒸汽发生器,旋风分离器Ⅱ的气体出口连接第二级间燃烧反应器,第二级间燃烧反应器内还通入空气,第二级间燃烧反应器的气体出口连接蒸汽发生器;蒸汽发生器中的水在两股高温气体作用下产生的水蒸汽通过换热器Ⅱ后进入蒸汽反应器;蒸汽反应器的气体产物出口连接换热器Ⅱ。
进一步的,所述燃料反应器采用气固逆流移动床结构,燃料气经换热器Ⅰ预热后从下部进入燃烧反应器,呈自下至上方向运动;被氧化的载氧体从上部进入燃料反应器,在重力的作用下自上至下方向运动,与燃料气逆流接触反应。
进一步的,所述第二级间燃烧反应器的空气入口与三通阀连接,空气通过三通阀分别连接第二级间燃烧反应器和空气反应器。
进一步的,所述空气反应器采用流化床结构,空气反应器前设置鼓风机,载氧体从底部进入空气反应器,经鼓风机加速后向上提升并被充分氧化,最后由顶部进入旋风分离器Ⅰ。
进一步的,所述换热器Ⅰ和换热器Ⅱ为套管式换热器,一种气体在管程内流动,另一种气体在壳程内流动,两种气体逆向流动以获得更好的传热效果。
利用上述工艺系统进行化学环制氢的方法如下:燃料气经过换热器Ⅰ,被第一级间燃烧反应器产生的高温混合气(主要是二氧化碳和水蒸汽)充分预热后进入燃料反应器,与载氧体发生反应,高温混合气降温后可进一步冷凝,得到纯二氧化碳,燃料反应器的还原态载氧体混合部分反应气(主要成分为二氧化碳、水蒸汽以及部分未参与反应的燃料气)进入旋风分离器Ⅱ进行分离,分离的气体进入第二级间燃烧反应器,与通入的空气发生燃烧反应产生高热量气体,通入蒸汽发生器,旋风分离器Ⅱ分离的还原态载氧体进入蒸汽反应器,与水蒸汽反应产生H2,H2通过换热器Ⅱ后降温进行收集,被部分氧化的载氧体进入空气反应器,得到充分氧化,氧化态载氧体混合部分高温气体进入旋风分离器Ⅰ,分离的高温气体通入蒸汽发生器,氧化态载氧体进入第一级间燃烧反应器,其为完全氧化态,反应能力较强,因此能与进入第一级间燃烧反应器的来自燃料反应器的气体(主要是未完全反应的燃料气,二氧化碳和水蒸汽)中的燃料气完全反应,反应后的气体进入换热器Ⅰ换热;水在通入蒸汽发生器的两股高温气体热能作用下产生水蒸汽,再经换热器Ⅱ被蒸汽反应器的高温H2预热后进入蒸汽反应器。
与现有技术相比,本实用新型具有如下优势:
(1)通过两个级间燃烧反应器的设置,分别设置于燃料反应器与蒸汽反应器之间、燃料反应器与空气反应器之间,能够解决燃料反应器燃料气泄漏的问题,并回收泄漏气燃烧反应过程中产生热量为装置供能,提高了燃料气的利用率。
(2)设置多个热量回收装置,分别回收空气反应器产生的高温尾气和第二级间燃烧反应器产生的高温混合气的热量,用于生产蒸汽;回收第一级间燃烧反应器产生的高温尾气和蒸汽反应器产生的高温混合气的热量,用于预热燃料气及蒸汽,并在同时冷凝水蒸汽,获取纯氢气以及捕集纯二氧化碳,既提高了能量利用率,又减少了分离成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1. 实施例1的化学环制氢的工艺系统示意图;
其中11.旋风分离器Ⅰ,12.第一级间燃烧反应器,13.燃料反应器,14.旋风分离器Ⅱ,15.第二级间燃烧反应器,16.蒸汽反应器,17.空气反应器,18.鼓风机,21.换热器Ⅰ,22.蒸汽发生器,23.换热器Ⅱ。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供一种化学环制氢的工艺系统,如图1所示:包括燃料反应器13,燃料气通过换热器Ⅰ21后进入燃料反应器13,燃料反应器13的底部固体出口连接旋风分离器Ⅱ14,燃料反应器13的顶部固体入口和气体出口均连接第一级间燃烧反应器12,旋风分离器Ⅱ14的固体出口连接蒸汽反应器16,蒸汽反应器固体出口连接空气反应器17,空气反应器17连接旋风分离器Ⅰ11,旋风分离器Ⅰ11的固体出口连接第一级间燃烧反应器12;第一级间燃烧反应器12的气体出口连接换热器Ⅰ21;旋风分离器Ⅰ11的气体出口连接蒸汽发生器22,旋风分离器Ⅱ14的气体出口连接第二级间燃烧反应器15,第二级间燃烧反应器15内还通入空气,第二级间燃烧反应器15的气体出口连接蒸汽发生器22;蒸汽发生器22中的水在两股高温空气作用下产生的水蒸汽通过换热器Ⅱ23后进入蒸汽反应器16;蒸汽反应器16的气体产物出口连接换热器Ⅱ23。空气通道连接一个三通阀,分别连接第二级间燃烧反应器15的入口和空气反应器17的入口,空气反应器17前还设置鼓风机18。
所述燃料反应器13为气固逆流移动床,燃料气经换热器Ⅰ21预热后从下部进入燃烧反应器13,呈自下至上方向运动;被氧化的载氧体从上部进入燃料反应器13,在重力的作用下自上至下方向运动,与燃料气逆流接触反应。所述换热器Ⅰ21和换热器Ⅱ23为套管式换热器。

Claims (5)

1.一种化学环制氢的工艺系统,其特征在于,其包括燃料反应器,燃料气通过换热器Ⅰ后进入燃料反应器,燃料反应器的底部固体出口连接旋风分离器Ⅱ,燃料反应器的顶部固体入口和气体出口均连接第一级间燃烧反应器,旋风分离器Ⅱ的固体出口连接蒸汽反应器,蒸汽反应器固体出口连接空气反应器,空气反应器连接旋风分离器Ⅰ,旋风分离器Ⅰ的固体出口连接第一级间燃烧反应器;第一级间燃烧反应器的气体出口连接换热器Ⅰ;旋风分离器Ⅰ的气体出口连接蒸汽发生器,旋风分离器Ⅱ的气体出口连接第二级间燃烧反应器,第二级间燃烧反应器内还通入空气,第二级间燃烧反应器的气体出口连接蒸汽发生器;蒸汽发生器中的水在两股高温气体作用下产生的水蒸汽通过换热器Ⅱ后进入蒸汽反应器;蒸汽反应器的气体产物出口连接换热器Ⅱ。
2.根据权利要求1所述的工艺系统,其特征在于,所述燃料反应器采用气固逆流移动床结构,燃料气经换热器Ⅰ预热后从下部进入燃烧反应器,呈自下至上方向运动;被氧化的载氧体从上部进入燃料反应器,在重力的作用下自上至下方向运动,与燃料气逆流接触反应。
3.根据权利要求1所述的工艺系统,其特征在于,所述第二级间燃烧反应器的空气入口与三通阀连接,空气通过三通阀分别连接第二级间燃烧反应器和空气反应器。
4.根据权利要求1所述的工艺系统,其特征在于,所述空气反应器采用流化床结构,空气反应器前设置鼓风机,载氧体从底部进入空气反应器,经鼓风机加速后向上提升并被充分氧化,最后由顶部进入旋风分离器Ⅰ。
5.根据权利要求1所述的工艺系统,其特征在于,所述换热器Ⅰ和换热器Ⅱ为套管式换热器,一种气体在管程内流动,另一种气体在壳程内流动。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115432667A (zh) * 2022-08-24 2022-12-06 中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院 一种生物质气化-化学链制氢装置及方法

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