專利名稱：固體燃料連續(xù)式無氧氣化制氫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于潔凈能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域以及煤化工領(lǐng)域，特別涉及一種固體燃料例如煤，在催化劑的作用下，與高溫高壓的水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，同時產(chǎn)生的二氧化碳被堿基吸收劑全部吸收，實現(xiàn)連續(xù)式制氫的裝置。
技術(shù)背景氫能以其清潔、高效、利用形式多樣等諸多優(yōu)點，越來越贏得人們的青睞，在未來有望成為與電力并重而又互補的主要的終端能源之一。氫是二次能源，需要從一次能源中制取。以煤等固體燃料為原料制氫成為首選煤碳儲量較為豐富，是我國處于支配地位的一次能源，其潔凈高效利用難度大，是我國能源利用效率低下，環(huán)境問題突出的主要原因。開發(fā)煤制氫的新途徑是有效解決能源環(huán)境問題的手段，具有現(xiàn)實的戰(zhàn)略意義。
目前，較成熟的是化石燃料制氫和水電解制氫技術(shù)，其中以煤、石油等原料制取氫氣是當今制氫最主要的方法，它包括氣化過程、凈化過程、CO組份變換及氫氣提純等步驟，制取過程中耗能較多，制氫效率低，設(shè)備也比較復(fù)雜，經(jīng)濟性差，主要面向氫作為化工原料的應(yīng)用，還不能滿足氫作為能源使用的大規(guī)模、高效、廉價的要求。電解水制氫技術(shù)已經(jīng)成熟，但是電本身是高品質(zhì)能源，由一次能源轉(zhuǎn)換來的效率本身就不高，因此也不能滿足氫作為能源使用的要求。目前已掀起了以氫為能源應(yīng)用的研究熱潮。
近年來，西安交大報道了他們的生物質(zhì)制氫研究，在其設(shè)計的可長期工作的高溫連續(xù)反應(yīng)器上，實現(xiàn)了0.1M纖維素在650℃，25Mpa完全氣化，真實生物質(zhì)(鋸末與少量羧甲基纖維素鈉)氣化效率達95％。但是氣體產(chǎn)物中氫的含量有待提高。
在以煤炭為原料制取氫氣方面也提出了很多新的概念和可能的轉(zhuǎn)化途徑。
在借鑒高壓水熱生物質(zhì)制氫的研究基礎(chǔ)上，日本提出了HyPr-RING實驗研究計劃，在超臨界水的條件下，煤炭通過水-氫-水的循環(huán)把能量傳遞給氫進而被用戶利用，而自身被氧化為二氧化碳，又通過氧化鈣-碳酸鈣-氧化鈣的循環(huán)從反應(yīng)體系中移出。WangJie等進一步研究了超臨界水中低階煤氣化時，Ca(OH)2的作用，認為Ca(OH)2具有很強的催化作用，并認為鈣碳比在0.6時二氧化碳吸收已經(jīng)比較完全。
在美國已啟動的前景21(Vision21)計劃中有關(guān)制氫的基本思路是燃料以氧為氣化劑，然后凈化、變換、分離，以燃煤發(fā)電效率達到60％、天然氣發(fā)電效率達75％、煤制氫效率75％為目標，其中的重大關(guān)鍵技術(shù)包括適應(yīng)各種燃料的新型氣化技術(shù)，高效分離O2與N2、CO2與H2的膜技術(shù)等。2003年又進一步提出了Futuregen項目建立一個以氫和電為產(chǎn)品的示范電站(275MW)，體現(xiàn)了將氫作為主力能源的思路。前景21和Futuregen致力于整合多種先進技術(shù)，發(fā)展在效率、環(huán)境兼容性以及經(jīng)濟性方面都有重大改進的系統(tǒng)。
針對前景21制定的目標，GE公司提出了AGC的制氫概念，其構(gòu)成為三個流化床反應(yīng)器，在第一個反應(yīng)器內(nèi)煤與水蒸氣反應(yīng)部分氣化，生成的二氧化碳被二氧化碳吸收劑CAM(CO2Absorption Material)吸收，形成富氫的氣體產(chǎn)物；所得的半焦，輸送到下一個反應(yīng)器并在此反應(yīng)器內(nèi)與水蒸氣完成氣化。在第二個反應(yīng)器內(nèi)同時發(fā)生的反應(yīng)還有氧氣傳輸材料OTM(Oxygen Transfer Material)的還原和二氧化碳吸收劑的再生，其熱量來自從第三個反應(yīng)器來的流動物料的顯熱。第二個反應(yīng)器床溫要高以利于CO2的釋放，形成富CO2的產(chǎn)物。在第三個反應(yīng)器內(nèi)，OTM通過強烈的氧化作用消耗掉空氣中的氧，得到的去氧的熱空氣進入氣機做功。反應(yīng)產(chǎn)生的高熱隨著物料的流動傳遞給反應(yīng)器1和反應(yīng)器2以供氣化和再生。
美國Las Alamos實驗室提出了厭氧煤制氫的概念，采用氫氣為氣化劑，先在氣化反應(yīng)器內(nèi)與煤反應(yīng)生成甲烷，甲烷再在下一級反應(yīng)器內(nèi)與水蒸汽反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣，此處存在二氧化碳吸收劑將二氧化碳吸收，得到純氫。得到的氫一部分回氣化爐作為原料氣，另一部分送至燃料電池發(fā)電，燃料電池廢熱用來將二氧化碳吸收劑再生。計算表明整個系統(tǒng)具有很高的效率，但是對主要的工序和燃料電池等設(shè)備提出了非常高的要求。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種固體燃料連續(xù)式無氧氣化制氫裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供的固體燃料連續(xù)式無氧氣化制氫裝置，包括氣化反應(yīng)器和連續(xù)給料裝置；其中氣化反應(yīng)器蒸氣進口與蒸氣發(fā)生器出口相連通，蒸氣發(fā)生器水進口連接一水箱；連續(xù)給料裝置由儲料倉、給料調(diào)速電機和調(diào)壓閥組合通過管路連接，連續(xù)給料裝置的氮氣進口與氮氣緩沖罐出口相連通，向高壓的反應(yīng)器中連續(xù)穩(wěn)定地加入固體燃料和吸收劑粉料；氮氣產(chǎn)生器出口與氮氣緩沖罐進口相連通；氣化反應(yīng)器的產(chǎn)物出口與氣固分離器進口相連通；氣固分離器的固體出口連接固體收集倉；氣固分離器的氣體出口與冷卻器相連通；冷卻器的出口與氣液分離器進口相連通；氣液分離器的液體出口與液體收集罐進口相連通；氣液分離器的氣體出口與氣體收集裝置進口相連通。
所述的裝置，其中氣化反應(yīng)器為噴動床或流化床氣化反應(yīng)器。
所述的裝置，其中氣化反應(yīng)器內(nèi)襯薄壁石英管。
所述的裝置，其中氣化反應(yīng)器的蒸氣進口與蒸氣發(fā)生器出口之間連接一節(jié)流閥。
所述的裝置，其中蒸氣發(fā)生器水進口與水箱之間連接有計量泵。
所述的裝置，其中氣固分離器采用旋風式分離器。
本實用新型采用上述裝置，將固體燃料和二氧化碳吸收劑連續(xù)加入到高壓力流化床氣化爐或高壓力噴動床氣化爐中，以水蒸氣作為流化氣體和氣化劑，以KOH或Ca(OH)2或二者的混合物做為二氧化碳吸收劑，直接全部氣化，經(jīng)氣固分離、氣液分離和凈化產(chǎn)生高純度氫氣；反應(yīng)后的二氧化碳吸收劑在氣固分離器處被收集，再送入煅燒爐中煅燒，活化生成二氧化碳吸收劑，重新被送回氣化爐與二氧化碳反應(yīng)，以此實現(xiàn)固體燃料連續(xù)式無氧氣化制氫。
其中二氧化碳吸收劑與固體燃料的化學(xué)當量比為0.6～5.0。
其中固體燃料與二氧化碳吸收劑的連續(xù)加入量為2g/min～40g/min。
其中水蒸氣的加入量為80g/min～600g/min。
其中煅燒爐的溫度為800℃～1000℃。
本實用新型的創(chuàng)新點在于用高壓氮氣作為固體燃料和二氧化碳吸收劑粉末的輸送氣體，實現(xiàn)連續(xù)式氣化；采用高壓的流化床或噴動床來取代傳統(tǒng)的氣化反應(yīng)爐，使用水蒸氣作為氣化氣體，同時二氧化碳被全部吸收反應(yīng)，使氫氣的產(chǎn)率大大提高；在氣化的同時，生成的二氧化碳被二氧化碳吸收劑全部反應(yīng)，在煅燒爐中全部釋放，經(jīng)處理以后，可以實現(xiàn)零排放。


圖1為本實用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中連續(xù)給料裝置3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
請結(jié)合圖1和圖2。本實用新型提供的固體燃料連續(xù)式無氧氣化制氫裝置，包括噴動床或流化床氣化反應(yīng)器1和連續(xù)給料裝置3所述反應(yīng)器1內(nèi)襯薄壁石英管，以避免反應(yīng)物質(zhì)對所述的氣化反應(yīng)器1壁面的腐蝕與磨損；蒸氣發(fā)生器2通過節(jié)流閥由下方向氣化反應(yīng)器1供給高壓蒸氣，水箱10經(jīng)計量泵9與蒸氣發(fā)生器2相連通；所述的連續(xù)給料裝置3由上方或下方經(jīng)過節(jié)流閥后向氣化反應(yīng)器1內(nèi)加入固體燃料和二氧化碳吸收劑粉料；所述的連續(xù)給料裝置采用高壓密閉料倉、類星型輪式物料量控制的方法，與氮氣緩沖罐4相連通以平衡反應(yīng)器內(nèi)的高壓，氮氣產(chǎn)生器5向氮氣緩沖罐連續(xù)加入氮氣，維持系統(tǒng)的壓力平衡；所述氣化反應(yīng)器1中的出口與氣固分離器6相連通；所述氣固分離器6的下方出口連接固體收集倉11；所述氣固分離器6的上方出口與冷卻器7相連通；所述冷卻器7的出口與氣液分離器8相連通；所述氣液分離器8的下方出口與液體收集罐13相連通；所述氣液分離器8的上方出口與氣體收集裝置12相連通。
所述的連續(xù)給料裝置3由儲料倉3-1、給料調(diào)速電機3-2和調(diào)壓閥3-3組合通過管路連接而成所述的儲料倉3-1內(nèi)貯存氣化反應(yīng)所需要的固體燃料和二氧化碳吸收劑粉末(二氧化碳吸收劑可以是KOH或Ca(OH)2或前述二者任意比例的混合物)，氮氣緩沖罐4經(jīng)節(jié)流閥與儲料倉3-1上部進口相連通；所述的給料調(diào)速電機3-2安裝在儲料倉3-1的下部，與調(diào)壓閥3-3相連通；所述調(diào)壓閥3-3通過三通管與氮氣緩沖器4相連通，可以保證儲料倉3-1內(nèi)壓力略大于調(diào)壓閥3-3后的壓力，使固體燃料和二氧化碳吸收劑粉末落到給料調(diào)速電機3-2處。
所述的氣化反應(yīng)器1使用高強度的合金制造，其強度達到能同時承受800℃的高溫和20MPa的高壓，其內(nèi)部可更換不同的內(nèi)構(gòu)件以便根據(jù)反應(yīng)要求實現(xiàn)不同的氣固接觸形式；所述的蒸汽發(fā)生器2能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的質(zhì)量可控的蒸汽流以供給反應(yīng)所需；所述的連續(xù)給料裝置3能夠向高壓的反應(yīng)器中連續(xù)穩(wěn)定地加入固體燃料和吸收劑粉料，要求固體粉料干燥，給料系統(tǒng)的管連接過渡光滑，整個給料系統(tǒng)配備振動器；所述的氣固分離器6采用旋風式分離器。
本實用新型提供的固體燃料連續(xù)式無氧氣化制氫裝置，其優(yōu)點在于用高壓氮氣作為固體燃料和二氧化碳吸收劑粉末的輸送氣體，實現(xiàn)連續(xù)式氣化；采用高壓的流化床或噴動床來取代傳統(tǒng)的氣化反應(yīng)爐，使用水蒸氣作為氣化氣體，同時二氧化碳被全部吸收反應(yīng)，使氫氣的產(chǎn)率大大提高；在氣化的同時，生成的二氧化碳被二氧化碳吸收劑全部反應(yīng)，在煅燒爐中全部釋放，經(jīng)處理以后，可以實現(xiàn)零排放。
本實用新型的工作過程如下1)首先將計量泵9打開，水箱10中的水經(jīng)計量后加入到蒸氣發(fā)生器2中，然后蒸氣發(fā)生器開始加熱，至產(chǎn)生溫度為500℃～750℃，壓力為5MPa～20MPa的過熱水蒸氣。
2)同時開啟氮氣發(fā)生器5向氮氣緩沖器4供給氮氣，至達到氮氣緩沖器設(shè)定的壓力(10MPa～30MPa)。打開氮氣緩沖器4與連續(xù)給料裝置3的連通閥門，至儲料倉3-1內(nèi)壓力達到設(shè)定值(10MPa～30MPa)。調(diào)節(jié)調(diào)壓閥3-3，使儲料倉3-1內(nèi)壓力略高于調(diào)壓閥3-3后的壓力。
3)打開連通氣化反應(yīng)器1和蒸氣發(fā)生器2的閥門，向反應(yīng)器內(nèi)加入設(shè)定溫度的水蒸氣，同時開啟氣固分離器6、冷卻器7和氣液分離器8。
4)在氣化反應(yīng)器1內(nèi)溫度穩(wěn)定后，開啟給料調(diào)速電機3-2，調(diào)節(jié)給料量為2g/min～40g/min。
5)固體燃料連續(xù)式無氧氣化制氫裝置進入穩(wěn)定運行。
將固體燃料和二氧化碳吸收劑以2g/min～40g/min的流量連續(xù)加入到高壓力流化床氣化爐或高壓力噴動床氣化爐中，其中二氧化碳吸收劑與固體燃料化學(xué)當量比為0.6～5.0，以水蒸氣作為流化氣體和氣化劑，其中水蒸氣的流量根據(jù)加入的固體燃料的量在80g/min～600g/min之間選擇，直接全部氣化，經(jīng)氣固分離、氣液分離和凈化產(chǎn)生高純度氫氣；反應(yīng)后的二氧化碳吸收劑在氣固分離器處被收集，再送入煅燒爐中在800℃～1000℃的溫度下煅燒，活化生成二氧化碳吸收劑，重新被送回氣化爐與二氧化碳反應(yīng)。
權(quán)利要求1.一種固體燃料連續(xù)式無氧氣化制氫裝置，其特征在于，包括氣化反應(yīng)器和連續(xù)給料裝置；其中氣化反應(yīng)器蒸氣進口與蒸氣發(fā)生器出口相連通，蒸氣發(fā)生器水進口連接一水箱；連續(xù)給料裝置由儲料倉、給料調(diào)速電機和調(diào)壓閥組合通過管路連接，連續(xù)給料裝置的氮氣進口與氮氣緩沖罐出口相連通，向高壓的反應(yīng)器中連續(xù)穩(wěn)定地加入固體燃料和吸收劑粉料；氮氣產(chǎn)生器出口與氮氣緩沖罐進口相連通；氣化反應(yīng)器的產(chǎn)物出口與氣固分離器進口相連通；氣固分離器的固體出口連接固體收集倉；氣固分離器的氣體出口與冷卻器相連通；冷卻器的出口與氣液分離器進口相連通；氣液分離器的液體出口與液體收集罐進口相連通；氣液分離器的氣體出口與氣體收集裝置進口相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中氣化反應(yīng)器為噴動床或流化床氣化反應(yīng)器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，其中氣化反應(yīng)器內(nèi)襯薄壁石英管。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中氣化反應(yīng)器的蒸氣進口與蒸氣發(fā)生器出口之間連接一節(jié)流閥。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中蒸氣發(fā)生器水進口與水箱之間連接有計量泵。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中氣固分離器采用旋風式分離器。
專利摘要本實用新型涉及一種固體燃料連續(xù)式無氧氣化制氫裝置，包括噴動床或流化床氣化反應(yīng)器和連續(xù)給料裝置；氣化反應(yīng)器使用高強度的合金制造，內(nèi)襯薄壁石英管，其內(nèi)部可更換不同的內(nèi)構(gòu)件以便根據(jù)反應(yīng)要求實現(xiàn)不同的氣固接觸形式；連續(xù)給料裝置能夠向高壓的反應(yīng)器中連續(xù)穩(wěn)定地加入固體燃料和吸收劑粉料。本實用新型用高壓氮氣作為固體燃料和二氧化碳吸收劑粉末的輸送氣體，實現(xiàn)連續(xù)式氣化；采用高壓的流化床或噴動床來取代傳統(tǒng)的氣化反應(yīng)爐，使用水蒸氣作為氣化氣體，同時二氧化碳被全部吸收，使氫氣的產(chǎn)率大大提高。
文檔編號C01B3/06GK2931446SQ200620018719
公開日2007年8月8日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者肖云漢, 田文棟, 王峰 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所