一種基于鐵基載氧體分級(jí)還原的化學(xué)鏈制氫的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體燃料化學(xué)鏈制氫的裝置及方法，具體為實(shí)現(xiàn)鐵基載氧體分級(jí)還原，提高制氫效率和氣體燃料轉(zhuǎn)化效率，達(dá)到制氫過(guò)程中分離二氧化碳的化學(xué)鏈制氫裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]化學(xué)鏈制氫是一種新型制氫技術(shù)，氣體燃料不直接與水蒸汽接觸，進(jìn)行水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)氫，而是通過(guò)載氧體在空氣反應(yīng)器、燃料反應(yīng)器和蒸汽反應(yīng)器之間的交替氧化-還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氧的轉(zhuǎn)移和制氫反應(yīng)，完成氣體燃料化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。其原理是:氧化態(tài)的載氧體在燃料反應(yīng)器內(nèi)與氣體燃料進(jìn)行還原反應(yīng)，生成0)2和H2O,燃料所需的氧元素來(lái)自于載氧體的晶格氧，還原后的載氧體進(jìn)入蒸汽反應(yīng)器中，與高溫水蒸汽進(jìn)行反應(yīng)，生成H2，同時(shí)載氧體恢復(fù)部分晶格氧，恢復(fù)部分晶格氧的載氧體進(jìn)入空氣反應(yīng)器中，和空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，完全恢復(fù)晶格氧，完全恢復(fù)晶格氧后的載氧體重新進(jìn)入燃料反應(yīng)器中循環(huán)使用。
[0003]在化學(xué)鏈制氫過(guò)程中，燃料反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了制氫效率和氣體燃料化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率。燃料反應(yīng)器內(nèi)載氧體的還原程度越深，還原態(tài)載氧體進(jìn)入蒸汽反應(yīng)器與水蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣越多。
[0004]采用移動(dòng)床作為燃料反應(yīng)器，還原性氣體逆流而上和向下移動(dòng)的氧化態(tài)載氧體顆粒接觸，能將載氧體深度還原，但移動(dòng)床燃料反應(yīng)器內(nèi)因載氧體深度還原，容易產(chǎn)生顆粒團(tuán)聚和載氧體顆粒表面積炭，使得載氧體顆粒不能正常流動(dòng)，而且積炭后的載氧體顆粒進(jìn)入蒸汽反應(yīng)器，積炭會(huì)和水蒸汽反應(yīng)，產(chǎn)生CO，影響蒸汽反應(yīng)器H2產(chǎn)物的純度。
[0005]采用流化床作為燃料反應(yīng)器，可解決移動(dòng)床燃料反應(yīng)器出現(xiàn)的載氧體顆粒團(tuán)聚和載氧體顆粒表面積炭的問(wèn)題，但由于受到化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)的制約，流化床燃料反應(yīng)器內(nèi)載氧體的還原程度越深，流化床燃料反應(yīng)器出口氣體中未完全轉(zhuǎn)化的可燃?xì)怏w濃度越高，導(dǎo)致氣體燃料的轉(zhuǎn)化效率越低。
[0006]因此，如何提高蒸汽反應(yīng)器制氫效率，克服燃料反應(yīng)器顆粒團(tuán)聚問(wèn)題以及減少燃料反應(yīng)器出口氣體中未完全轉(zhuǎn)化的可燃?xì)怏w濃度，是實(shí)現(xiàn)氣體燃料化學(xué)鏈制氫過(guò)程的關(guān)鍵，其技術(shù)有著廣泛的社會(huì)效益和工業(yè)應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種提高蒸汽反應(yīng)器制氫效率，克服燃料反應(yīng)器顆粒團(tuán)聚問(wèn)題，以及減少燃料反應(yīng)器出口氣體中未完全轉(zhuǎn)化的可燃?xì)怏w濃度的化學(xué)鏈制氫的裝置及方法。
[0008]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]一種基于鐵基載氧體分級(jí)還原的化學(xué)鏈制氫裝置，包括由空氣反應(yīng)器、還原反應(yīng)器、燃料反應(yīng)器和蒸汽反應(yīng)器依次相互連接形成的循環(huán)反應(yīng)裝置。
[0010]所述燃料反應(yīng)器的頂部設(shè)有氣體出口，所述還原反應(yīng)器的底部設(shè)有氣體進(jìn)口，所述還原反應(yīng)器的底部還設(shè)有布風(fēng)板，所述布風(fēng)板上設(shè)有若干風(fēng)帽，所述氣體出口和所述氣體進(jìn)口通過(guò)所述布風(fēng)板相連通。
[0011]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述還原反應(yīng)器底部的氣體進(jìn)口與所述燃料反應(yīng)器4的頂部的氣體出口，通過(guò)布風(fēng)板相連通；所述布風(fēng)板上設(shè)有垂直貫穿所述還原反應(yīng)器3和所述燃料反應(yīng)器的還原反應(yīng)器排料管，所述還原反應(yīng)器排料管的頂部進(jìn)料口設(shè)置在所述還原反應(yīng)器內(nèi)部中間或下部區(qū)域，所述還原反應(yīng)器排料管的底部出料口伸入所述燃料反應(yīng)器內(nèi)部中間或下部區(qū)域。
[0012]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述空氣反應(yīng)器I通過(guò)旋風(fēng)分離器與所述還原反應(yīng)器連接；設(shè)置于所述空氣反應(yīng)器上部的空氣反應(yīng)器排氣管與所述旋風(fēng)分離器的上部進(jìn)料口相連通，所述旋風(fēng)分離器的下部出料口通過(guò)料腿與所述還原反應(yīng)器的頂部相連通，所述料腿伸入所述還原反應(yīng)器內(nèi)部中間或下部區(qū)域。
[0013]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述燃料反應(yīng)器的中部或下部通過(guò)返料器與所述蒸汽反應(yīng)器的下部相連通；所述蒸汽反應(yīng)器的中部或下部通過(guò)隔離器與所述空氣反應(yīng)器的下部相連通。
[0014]一種基于鐵基載氧體分級(jí)還原的化學(xué)鏈制氫裝置的方法，載氧體在所述空氣反應(yīng)器、還原反應(yīng)器、燃料反應(yīng)器和蒸汽反應(yīng)器之間交替循環(huán)地進(jìn)行氧化一還原反應(yīng)，所述載氧體包括Fe2O3態(tài)鐵基載氧體顆粒、Fe 304態(tài)鐵基載氧體顆粒、FeO態(tài)鐵基載氧體顆粒和Fe 304態(tài)鐵基載氧體顆粒；具體方法包括以下步驟:
[0015]I)載氧體還原反應(yīng):在還原反應(yīng)器中，來(lái)自所述空氣反應(yīng)器的Fe2O3態(tài)鐵基載氧體顆粒，與來(lái)自燃料反應(yīng)器的弱還原性氣體發(fā)生還原反應(yīng)生成Fe3O4態(tài)鐵基載氧體顆粒，所述Fe3O4態(tài)鐵基載氧體顆粒通過(guò)還原反應(yīng)器排料管進(jìn)入所述燃料反應(yīng)器；
[0016]2)載氧體二次還原反應(yīng):經(jīng)步驟I)生成的所述Fe3O4態(tài)鐵基載氧體顆粒進(jìn)入所述燃料反應(yīng)器中，與進(jìn)入燃料反應(yīng)器的氣體燃料進(jìn)行二次還原反應(yīng)，生成FeO態(tài)鐵基載氧體顆粒，進(jìn)入所述蒸汽反應(yīng)器；所述氣體燃料轉(zhuǎn)化為弱還原性氣體，向上流出所述燃料反應(yīng)器4，進(jìn)入還原反應(yīng)器；
[0017]3)載氧體制氫反應(yīng):經(jīng)步驟2)生成的所述FeO態(tài)鐵基載氧體顆粒進(jìn)入所述蒸汽反應(yīng)器中，與進(jìn)入蒸汽反應(yīng)器中的水蒸汽進(jìn)行反應(yīng)，生成Fe3O4態(tài)鐵基載氧體顆粒及氫氣，所述氫氣通過(guò)氫氣排氣管排出，所述Fe3O4態(tài)鐵基載氧體顆粒進(jìn)入所述空氣反應(yīng)器；
[0018]4)載氧體再生反應(yīng):經(jīng)步驟3)生成的所述Fe3O4態(tài)鐵基載氧體顆粒進(jìn)入所述空氣反應(yīng)器中，與進(jìn)入空氣反應(yīng)器中的空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成Fe2O3態(tài)鐵基載氧體顆粒，完成載氧體再生反應(yīng)，所述Fe2O3態(tài)鐵基載氧體顆粒進(jìn)入所述還原反應(yīng)器。
[0019]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述空氣反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為850?1100°C，所述還原反應(yīng)器、燃料反應(yīng)器和蒸汽反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為600?950°C ;所述空氣反應(yīng)器I為循環(huán)流化床反應(yīng)器，所述還原反應(yīng)器、燃料反應(yīng)器和蒸汽反應(yīng)器均為流化床反應(yīng)器。
[0020]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述返料器和隔離器分別通過(guò)設(shè)置在相應(yīng)的設(shè)備底部的第一流化氣體進(jìn)口和第二流化氣體進(jìn)口添加流化氣體，所述流化氣體為水蒸汽；所述燃料反應(yīng)器的底部設(shè)有氣體燃料進(jìn)口添加氣體燃料，所述氣體燃料為含碳?xì)涞臍怏w燃料，包括天然氣、煤氣、合成氣。
[0021]有益效果:本發(fā)明提供的基于鐵基載氧體分級(jí)還原的化學(xué)鏈制氫裝置及其方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì):
[0022]Fe2O3向Fe 304轉(zhuǎn)化的還原反應(yīng)速度較快，而Fe 304向FeO轉(zhuǎn)化的還原反應(yīng)速度較慢。為了滿(mǎn)足鐵基載氧體化學(xué)鏈制氫過(guò)程的連續(xù)性和穩(wěn)定性的要求，本發(fā)明提供的一種基于鐵基載氧體分級(jí)還原的化學(xué)鏈制氫裝置及方法，還原性較強(qiáng)的氣體燃料首先在燃料反應(yīng)器內(nèi)將Fe3O4態(tài)鐵基載氧體還原為FeO態(tài)鐵基載氧體，氣體燃料轉(zhuǎn)變?yōu)槿踹€原性氣體，F(xiàn)eO態(tài)鐵基載氧體進(jìn)入蒸汽反應(yīng)器和水蒸汽進(jìn)行制氫反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，而弱還原性氣體進(jìn)入還原反應(yīng)器，將還原反應(yīng)器內(nèi)Fe2O3態(tài)鐵基載氧體還原為Fe 304態(tài)鐵基載氧體，弱還原性氣體被深度氧化為0)2和H 20，不僅滿(mǎn)足了 Fe2O3-Fe3O4和Fe 304—FeO轉(zhuǎn)化速度匹配的要求，保證了鐵基載氧體化學(xué)鏈制氫過(guò)程的連續(xù)性，而且提高了化學(xué)鏈制氫的效率和氣體燃料轉(zhuǎn)化效率，其技術(shù)有著廣泛的社會(huì)效益和工業(yè)應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]其中有空氣反應(yīng)器1，空氣反應(yīng)器排氣管1.1,Fe2O3態(tài)鐵基載氧體顆粒1.2，空氣進(jìn)口 1.3，旋風(fēng)分離器2，料腿2.1，貧氧空氣排氣管2.2，還原反應(yīng)器3，煙氣排氣管3.1，還原反應(yīng)器排料管3.2，F(xiàn)e3O4態(tài)鐵基載氧體顆粒3.3，布風(fēng)板3.4，風(fēng)帽3.4.1，燃料反應(yīng)器4，氣體燃料進(jìn)口 4.1，F(xiàn)eO態(tài)鐵基載氧體顆粒4.2，返料器5，返料器進(jìn)料管5.1，返料器出料管5.2，第一流化氣體進(jìn)口 5.3，蒸汽反應(yīng)器6，蒸汽進(jìn)口 6.1，氫氣排氣管6.2，F(xiàn)e3O4態(tài)鐵基載氧體顆粒6.3，隔離器7，隔離器進(jìn)料管7.1，隔離器出料管7.2，第二流化氣體進(jìn)口 7.3。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0026]如圖1所示為一種基于鐵基載氧體分級(jí)還原的化學(xué)鏈制氫裝置，包括由空氣反應(yīng)器1、還原反應(yīng)器3、燃料反應(yīng)器4和蒸汽反應(yīng)器6依次相互連接形成的循環(huán)回路所組成的循環(huán)反應(yīng)裝置。
[0027]燃料反應(yīng)器4的頂部設(shè)有氣體出口，還原反應(yīng)器3的底部設(shè)有氣體進(jìn)口，還原反應(yīng)器3的底部還設(shè)有布風(fēng)板3.4，布風(fēng)板3.4上設(shè)有若干風(fēng)帽3.4.1，燃料反應(yīng)器4的頂部氣體出口和還原反應(yīng)器3的底部氣體進(jìn)口通過(guò)布風(fēng)板3.4相連通。布風(fēng)板的作用是讓氣體均勻進(jìn)入燃料反應(yīng)器，同時(shí)支撐燃料反應(yīng)器內(nèi)的顆粒床料。布風(fēng)板3.4上設(shè)有垂直貫穿所述還原反應(yīng)器3和燃料反應(yīng)器4的還原反應(yīng)器排料管3.2，還原反應(yīng)器排料管3.2為中空?qǐng)A孔的直管，頂部進(jìn)料口設(shè)置在還原反應(yīng)器3內(nèi)部中間或下部區(qū)域，底部出料口伸入燃料反應(yīng)器4內(nèi)部中間或下部區(qū)域，進(jìn)料口口徑小于出料口口徑，優(yōu)選的，還原反應(yīng)器排料管3.2的中空?qǐng)A孔的口徑沿進(jìn)料口向出料口方向逐漸遞增增大，以防止排料管內(nèi)部因物料粘結(jié)、堵塞等造成對(duì)裝置效率的影響。
[0028]空氣反應(yīng)器I通過(guò)旋風(fēng)分離器2與還原反應(yīng)器3連接；設(shè)置于空氣反應(yīng)器I上部的空氣反應(yīng)器排氣管1.1與旋風(fēng)分離器2的上部進(jìn)料口相連通，旋風(fēng)分離器2的下部出料口通過(guò)料腿2.1與還原反應(yīng)器3的頂部相連通，料腿2.1伸入還原反應(yīng)器3中的內(nèi)部中間或下部區(qū)域，為了讓反應(yīng)物從底部接觸還原性氣體，充分反應(yīng)，防止未參與反應(yīng)便從上部出口溢出跑掉。
[0029]燃料反應(yīng)器4的中部或下部通過(guò)返料器進(jìn)料管5.1連接返料器5，再經(jīng)返料器出料管5.2與蒸汽反應(yīng)器6的下部相連通；返料器5的作用是將從燃料反應(yīng)器出來(lái)的顆粒物料通過(guò)流態(tài)化的方式輸送到蒸汽反應(yīng)器6中，返料器5的中間設(shè)置有隔板，起到隔離的作用，防范燃料反應(yīng)器4中的氣體摻混到蒸汽反應(yīng)器6中；第一流化氣體進(jìn)口 5.3進(jìn)入的流化氣體采用水蒸汽，這樣才能保證蒸汽反應(yīng)器6排出的氣體為H#P水蒸汽，而不含有其它氣體。
[0030]蒸汽反應(yīng)器6的中部或下部通過(guò)隔離器進(jìn)料管7.1連接隔離器7，再經(jīng)隔離器出料管7.2與空氣反應(yīng)器I的下部相連通；隔離器7的作用同返料器5，也是起到隔離作用。
[0031]實(shí)施例
[0032]一種基于