專利名稱：一種雙循環(huán)鏈?zhǔn)饺紵龤錈崧?lián)產(chǎn)并分離CO₂的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用含碳燃料氣體制取氫氣的方法和裝置，尤其涉及一種利用含碳燃料氣體經(jīng)過鏈?zhǔn)窖h(huán)制取氫氣并捕集CO2的方法和裝置。
背景技術(shù)：
氫氣，作為一種能源，可以直接燃燒發(fā)電、供熱或者通過燃料電池用于移動電源。 氫氣在能量的轉(zhuǎn)化過程中，伴隨產(chǎn)物是水。氫氣作為一種無污染的二次能源，可以真正實(shí)現(xiàn)污染物的零排放。隨著全球氣候變暖和環(huán)境污染日益加劇，氫氣在不久的將來有望成為重要的能源載體。目前氫氣主要用作化工原料而非能源，其生產(chǎn)主要通過化石燃料的重整或者氣化?；剂显谥迫錃獾倪^程中會產(chǎn)生二氧化碳。二氧化碳是一種典型的溫室氣體， 如果將氫氣用作燃料并且在制氫的過程中不對二氧化碳加以捕集而排放到大氣中，將直接加劇溫室效應(yīng)所導(dǎo)致的全球氣候變化。氫氣作為環(huán)境友好的二次能源的優(yōu)點(diǎn)將會消失。我國是一個以煤為主要燃料的國家，在這一基本國情下，氫源的選擇主要來自于以煤為主的化石燃料，所以清潔高效地利用以煤為主的化石燃料制取氫氣并且有效捕集二氧化碳成為化石燃料清潔制氫的關(guān)鍵之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種雙循環(huán)鏈?zhǔn)饺紵龤錈崧?lián)產(chǎn)并分離CO2的方法及其裝置。本發(fā)明在利用含碳燃料氣體制取氫氣的同時能夠有效分離CO2，并且產(chǎn)生附加熱量，具有減少溫室氣體排放和能量轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的方法技術(shù)方案如下
一種雙循環(huán)鏈?zhǔn)饺紵龤錈崧?lián)產(chǎn)并分離CO2的方法，將鐵置于制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床中，在制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床下端通入空氣，制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器底室處于鼓泡流態(tài)化；制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床的溫度控制在1000°c ；鐵與空氣中的氧氣反應(yīng)生成Fe2O3 ；Fe2O3經(jīng)過制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器過渡段以及制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器提升管，被空氣提升至制氫系統(tǒng)的空氣旋風(fēng)分離器，經(jīng)過氣固分離，F(xiàn)e2O3通過制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器下料管進(jìn)入制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器中；制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器的溫度控制在900°C ；制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器流化床下端通入含碳的燃料氣體，制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器處于鼓泡流態(tài)化，F(xiàn)e2O3被還原為FeO或Fe ；FeO或Fe經(jīng)過溢流槽進(jìn)入制氫系統(tǒng)的水蒸氣反應(yīng)器流化床； 在制氫系統(tǒng)的水蒸氣反應(yīng)器流化床下端通入水蒸氣，水蒸氣反應(yīng)器底室處于鼓泡流態(tài)化， 制氫系統(tǒng)的水蒸氣反應(yīng)器流化床的溫度控制在650°C ；還原態(tài)的FeO或Fe與水蒸氣反應(yīng)， 固體產(chǎn)物為Fe3O4，氣體產(chǎn)物為H25Fe3O4經(jīng)過水蒸氣反應(yīng)器過渡段以及水蒸氣反應(yīng)器提升管至氫氣旋風(fēng)分離器，氣固經(jīng)過分離，固體產(chǎn)物Fe3O4經(jīng)過水蒸氣反應(yīng)器下料管以及水蒸氣反應(yīng)器溢流槽進(jìn)入制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床，氣體產(chǎn)物則經(jīng)過氫氣旋風(fēng)分離器出口逸出，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的H2 ；進(jìn)入制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床的Fe3O4與空氣煅燒，F(xiàn)e3O4轉(zhuǎn)化為Fe2O3，F(xiàn)e2O3實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；從制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器出來的煙氣通過連接管進(jìn)入制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器流化床中的燃料反應(yīng)器底部風(fēng)室；在制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器流化床中加入M0，燃料反應(yīng)器流化床中的燃料反應(yīng)器處于鼓泡流態(tài)化；制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器的溫度控制在900°C ；NiO與來自制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器煙氣中的殘余燃料氣體反應(yīng)，固體產(chǎn)物為Ni，氣體產(chǎn)物為CO2及水蒸氣；CO2及水蒸氣從制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器出口逸出，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的CO2,實(shí)現(xiàn)CO2的捕集；制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器的固體產(chǎn)物M通過溢流槽進(jìn)入制熱系統(tǒng)的流化床中的空氣反應(yīng)器底室，在制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器下端通入空氣，制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器底室處于鼓泡流態(tài)化，制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床的溫度控制在1000°C ；還原態(tài)的M被空氣氧化，生成M0，同時釋放出熱量； MO經(jīng)過制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器過渡段以及制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器提升管至制熱系統(tǒng)的空氣旋風(fēng)分離器，氣固經(jīng)分離，空氣從制熱系統(tǒng)的空氣旋風(fēng)分離器出口逸出，固體產(chǎn)物MO經(jīng)過制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器下料管進(jìn)入制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器，NiO實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。本發(fā)明的裝置技術(shù)方案如下
一種用于上述雙循環(huán)鏈?zhǔn)饺紵龤錈崧?lián)產(chǎn)并分離CO2的方法的裝置，由制氫系統(tǒng)與制熱系統(tǒng)組成；制氫系統(tǒng)由空氣反應(yīng)器流化床、燃料反應(yīng)器流化床、水蒸氣反應(yīng)器流化床以及第一溢流槽組成；制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床由空氣反應(yīng)器底室、空氣反應(yīng)器過渡段、空氣反應(yīng)器提升管、空氣旋風(fēng)分離器、空氣反應(yīng)器下料管組成；空氣反應(yīng)器提升管通過空氣反應(yīng)器過渡段與空氣反應(yīng)器底室相連，空氣反應(yīng)器提升管的頂端與空氣旋風(fēng)分離器相連；空氣旋風(fēng)分離器的下端為空氣反應(yīng)器下料管；制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器流化床采用燃料反應(yīng)器， 空氣反應(yīng)器下料管插入燃料反應(yīng)器內(nèi)；制氫系統(tǒng)的水蒸氣反應(yīng)器流化床由水蒸氣反應(yīng)器底室，水蒸氣反應(yīng)器過渡段，水蒸氣反應(yīng)器提升管、氫氣旋風(fēng)分離器、水蒸氣反應(yīng)器下料管以及水蒸氣反應(yīng)器溢流槽組成；制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器通過第一溢流槽與制氫系統(tǒng)的水蒸氣反應(yīng)器底室相連；制氫系統(tǒng)的水蒸氣反應(yīng)器提升管通過水蒸氣反應(yīng)器過渡段與水蒸氣反應(yīng)器底室相連；水蒸氣反應(yīng)器提升管的頂端與氫氣旋風(fēng)分離器相連；氫氣旋風(fēng)分離器通過水蒸氣反應(yīng)器下料管與水蒸氣反應(yīng)器溢流槽相連；水蒸氣反應(yīng)器溢流槽與制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器底室相連；制熱系統(tǒng)由燃料反應(yīng)器流化床、第二溢流槽以及空氣反應(yīng)器流化床組成； 制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器流化床由燃料反應(yīng)器與燃料反應(yīng)器底部風(fēng)室組成且燃料反應(yīng)器位于燃料反應(yīng)器底部風(fēng)室的上方；制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器底部風(fēng)室通過連接管與制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器煙氣出口相連；制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床由空氣反應(yīng)器底室、空氣反應(yīng)器過渡段、空氣反應(yīng)器提升管、空氣旋風(fēng)分離器以及空氣反應(yīng)器下料管組成；制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器提升管通過制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器過渡段與制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器底室相連；制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器提升管的頂端與制熱系統(tǒng)的空氣旋風(fēng)分離器相連；制熱系統(tǒng)的空氣旋風(fēng)分離器的下端為制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器下料管；制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器下料管插入制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器內(nèi)；制熱系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器通過第二溢流槽與制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器底室相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)氧化鐵Fe2O3和氧化鎳NiO在各自系統(tǒng)中的反應(yīng)過程如下
制氫系統(tǒng)
Fe2O3在燃料反應(yīng)器中被含碳的氣體燃料例如合成氣或者天然氣還原
3Fe203+H2^2Fe304+H20(1)
權(quán)利要求
1.一種雙循環(huán)鏈?zhǔn)饺紵龤錈崧?lián)產(chǎn)并分離CO2的方法，其特征在于將鐵置于制氫系統(tǒng) (I)的空氣反應(yīng)器流化床(1)中，在制氫系統(tǒng)(I)的空氣反應(yīng)器流化床下端(a)通入空氣， 制氫系統(tǒng)(I)的空氣反應(yīng)器底室(1-1)處于鼓泡流態(tài)化；制氫系統(tǒng)(I)的空氣反應(yīng)器流化床(1)的溫度控制在1000°C;鐵與空氣中的氧氣反應(yīng)生成Fe2O3 ；Fe2O3經(jīng)過制氫系統(tǒng)(I)的空氣反應(yīng)器過渡段(1-2)以及制氫系統(tǒng)(I)的空氣反應(yīng)器提升管(1-3)，被空氣提升至制氫系統(tǒng)(I)的空氣旋風(fēng)分離器(1-4)，經(jīng)過氣固分離，F(xiàn)e2O3通過制氫系統(tǒng)(I)的空氣反應(yīng)器下料管(1-5)進(jìn)入制氫系統(tǒng)(I)的燃料反應(yīng)器(4-1)中；制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器(4-1)的溫度控制在900°C ；制氫系統(tǒng)(I)的燃料反應(yīng)器流化床下端(f)通入含碳的燃料氣體，制氫系統(tǒng)(I)的燃料反應(yīng)器(4-1)處于鼓泡流態(tài)化，F(xiàn)e2O3被還原為FeO或Fe；FeO或Fe經(jīng)過溢流槽 (3)進(jìn)入制氫系統(tǒng)(I)的水蒸氣反應(yīng)器流化床(2)；在制氫系統(tǒng)(I)的水蒸氣反應(yīng)器流化床下端(d)通入水蒸氣，水蒸氣反應(yīng)器底室(2-1)處于鼓泡流態(tài)化，制氫系統(tǒng)(I)的水蒸氣反應(yīng)器流化床(2)的溫度控制在650°C;還原態(tài)的FeO或Fe與水蒸氣反應(yīng)，固體產(chǎn)物為Fe3O4， 氣體產(chǎn)物為H2 ；Fe3O4經(jīng)過水蒸氣反應(yīng)器過渡段(2-2)以及水蒸氣反應(yīng)器提升管(2_3)至氫氣旋風(fēng)分離器(2-4)，氣固經(jīng)過分離，固體產(chǎn)物Fe3O4經(jīng)過水蒸氣反應(yīng)器下料管(2-5)以及水蒸氣反應(yīng)器溢流槽(2-6)進(jìn)入制氫系統(tǒng)(I)的空氣反應(yīng)器流化床(1 )，氣體產(chǎn)物則經(jīng)過氫氣旋風(fēng)分離器出口(c)逸出，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的H2;進(jìn)入制氫系統(tǒng)(I)的空氣反應(yīng)器流化床(1)的Fe3O4與空氣煅燒，F(xiàn)e3O4轉(zhuǎn)化為Fe2O3，F(xiàn)e2O3實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；從制氫系統(tǒng)(I)的燃料反應(yīng)器(4-1)出來的煙氣通過連接管(5)進(jìn)入制熱系統(tǒng)(II)的燃料反應(yīng)器流化床(6)中的燃料反應(yīng)器底部風(fēng)室(6-2)；在制熱系統(tǒng)(II)的燃料反應(yīng)器流化床(6)中加入NiO，燃料反應(yīng)器流化床(6)中的燃料反應(yīng)器(6-1)處于鼓泡流態(tài)化；制熱系統(tǒng)(II)的燃料反應(yīng)器(6-1)的溫度控制在900°C ；NiO與來自制氫系統(tǒng)(I)的燃料反應(yīng)器(4-1)煙氣中的殘余燃料氣體反應(yīng)，固體產(chǎn)物為Ni，氣體產(chǎn)物為CO2及水蒸氣；CO2及水蒸氣從制熱系統(tǒng)(II)的燃料反應(yīng)器出口(k)逸出，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的CO2，實(shí)現(xiàn)CO2的捕集；制熱系統(tǒng)(II)的燃料反應(yīng)器的固體產(chǎn)物M通過溢流槽(7)進(jìn)入制熱系統(tǒng)(II)的流化床中的空氣反應(yīng)器底室(8-1 )，在制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器下端(i)通入空氣，制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器底室(8-1)處于鼓泡流態(tài)化，制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器流化床(8)的溫度控制在1000°C ；還原態(tài)的Ni被空氣氧化，生成NiO，同時釋放出熱量；NiO經(jīng)過制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器過渡段(8-2)以及制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器提升管(8-3)至制熱系統(tǒng)(II)的空氣旋風(fēng)分離器(8-4)，氣固經(jīng)分離，空氣從制熱系統(tǒng)(II)的空氣旋風(fēng)分離器出口(j)逸出，固體產(chǎn)物NiO經(jīng)過制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器下料管(8-5)進(jìn)入制熱系統(tǒng) (II)的燃料反應(yīng)器(6-1)，NiO實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙循環(huán)鏈?zhǔn)饺紵龤錈崧?lián)產(chǎn)并分離CO2的方法，其特征在于制氫系統(tǒng)(I)循環(huán)的物質(zhì)為Fe203> FeO, Fe及Fe3O4 ；制熱系統(tǒng)(II)循環(huán)的物質(zhì)為NiO與Ni。
3.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的雙循環(huán)鏈?zhǔn)饺紵龤錈崧?lián)產(chǎn)并分離CO2的方法的裝置，其特征在于，由制氫系統(tǒng)(I)與制熱系統(tǒng)(II)組成；制氫系統(tǒng)(I)由空氣反應(yīng)器流化床 (1)、燃料反應(yīng)器流化床(4)、水蒸氣反應(yīng)器流化床(2)以及第一溢流槽(3)組成；制氫系統(tǒng) (I)的空氣反應(yīng)器流化床(1)由空氣反應(yīng)器底室(1-1)、空氣反應(yīng)器過渡段(1-2)、空氣反應(yīng)器提升管(1-3)、空氣旋風(fēng)分離器(1-4)、空氣反應(yīng)器下料管(1-5)組成；空氣反應(yīng)器提升管(1-3)通過空氣反應(yīng)器過渡段(1-2)與空氣反應(yīng)器底室(1-1)相連，空氣反應(yīng)器提升管(1-3)的頂端與空氣旋風(fēng)分離器(1-4)相連；空氣旋風(fēng)分離器(1-4)的下端為空氣反應(yīng)器下料管(1-5);制氫系統(tǒng)(I)的燃料反應(yīng)器流化床(4)采用燃料反應(yīng)器(4-1 )，空氣反應(yīng)器下料管(1-5)插入燃料反應(yīng)器(4-1)內(nèi)；制氫系統(tǒng)(I)的水蒸氣反應(yīng)器流化床(2)由水蒸氣反應(yīng)器底室(2-1)，水蒸氣反應(yīng)器過渡段(2-2)，水蒸氣反應(yīng)器提升管(2-3)、氫氣旋風(fēng)分離器 (2-4)、水蒸氣反應(yīng)器下料管(2-5)以及水蒸氣反應(yīng)器溢流槽(2-6)組成；制氫系統(tǒng)(I)的燃料反應(yīng)器(4-1)通過第一溢流槽(3)與制氫系統(tǒng)(I)的水蒸氣反應(yīng)器底室(2-1)相連；制氫系統(tǒng)(I)的水蒸氣反應(yīng)器提升管(2-3)通過水蒸氣反應(yīng)器過渡段(2-2)與水蒸氣反應(yīng)器底室(2-1)相連；水蒸氣反應(yīng)器提升管(2-3)的頂端與氫氣旋風(fēng)分離器(2-4)相連；氫氣旋風(fēng)分離器(2-4)通過水蒸氣反應(yīng)器下料管(2-5)與水蒸氣反應(yīng)器溢流槽(2-6)相連；水蒸氣反應(yīng)器溢流槽(2-6)與制氫系統(tǒng)(I)的空氣反應(yīng)器底室(1-1)相連；制熱系統(tǒng)(II)由燃料反應(yīng)器流化床(6)、第二溢流槽(7)以及空氣反應(yīng)器流化床(8)組成；制熱系統(tǒng)(II)的燃料反應(yīng)器流化床(6)由燃料反應(yīng)器(6-1)與燃料反應(yīng)器底部風(fēng)室(6-2)組成且燃料反應(yīng)器 (6-1)位于燃料反應(yīng)器底部風(fēng)室(6-2)的上方；制熱系統(tǒng)(II)的燃料反應(yīng)器底部風(fēng)室(6-2) 通過連接管(5)與制氫系統(tǒng)(I)的燃料反應(yīng)器(4-1)煙氣出口相連；制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器流化床(8)由空氣反應(yīng)器底室(8-1)、空氣反應(yīng)器過渡段(8-2)、空氣反應(yīng)器提升管 (8-3)、空氣旋風(fēng)分離器(8-4)以及空氣反應(yīng)器下料管(8-5)組成；制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器提升管(8-3)通過制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器過渡段(8-2)與制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器底室(8-1)相連；制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器提升管(8-3)的頂端與制熱系統(tǒng)(II) 的空氣旋風(fēng)分離器(8-4)相連；制熱系統(tǒng)(II)的空氣旋風(fēng)分離器(8-4)的下端為制熱系統(tǒng) (II)的空氣反應(yīng)器下料管(8-5)；制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器下料管(8-5)插入制熱系統(tǒng) (II)的燃料反應(yīng)器(6-1)內(nèi)；制熱系統(tǒng)(II)的燃料反應(yīng)器(6-1)通過第二溢流槽(7)與制熱系統(tǒng)(II)的空氣反應(yīng)器底室(8-1)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，第一溢流槽(3)的底端(e)、第二溢流槽 (7)的底端(h)與水蒸氣反應(yīng)器溢流槽(2-6)的底端(b)通入水蒸氣作為松動風(fēng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙循環(huán)鏈?zhǔn)饺紵龤錈崧?lián)產(chǎn)并分離CO2的方法及其裝置。Fe2O3在制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器流化床中被燃料氣體還原，固體產(chǎn)物為FeO或者Fe；FeO或Fe進(jìn)入制氫系統(tǒng)的水蒸氣反應(yīng)器流化床中與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣與Fe3O4，出口氣體冷凝分離出其中的水后得到純凈的H2；Fe3O4進(jìn)入制氫系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床中煅燒，重新生成Fe2O3，F(xiàn)e2O3實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；從制氫系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器流化床中出來的煙氣引入制熱系統(tǒng)的燃料器流化床，煙氣中的殘余燃料氣體與NiO反應(yīng)，氣體產(chǎn)物為水蒸氣與CO2，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的CO2；固體產(chǎn)物Ni進(jìn)入制熱系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器流化床與空氣煅燒，釋放出熱量，固體產(chǎn)物為NiO，NiO實(shí)現(xiàn)再生進(jìn)行下次循環(huán)。
文檔編號C01B3/10GK102219183SQ20111010676
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者向文國, 王東, 薛志鵬, 陳時熠 申請人:東南大學(xué)