使用雙層流化床製取氫氣的裝置的製作方法

2023-07-13 02:18:06 1

專利名稱：使用雙層流化床製取氫氣的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用燃料經氣化或直接製取氫氣的裝置，尤其涉及一種使用
雙層流化床製取氫氣的裝置。
背景技術：
能源利用的可持續發展策略之一，實現能源的高效清潔利用。氫能以其清潔、高 效、利用形式多樣等諸多優點，在未來可持續能源系統中，有望成為能源載體。氫能利用效 率較高，遺憾的是自然界中的氫大多是以化合態存在的，作為二次能源必須由其他一次能 來製取。我國是一個以煤炭為主的能源消耗大國，在這一基本國情下，未來半個世紀內，在 氫源的選擇上，燃料仍將扮演著非常重要的角色。但能源向氫能轉化的過程中排放出大量 的0)2，由此引起的溫室效應對生態環境造成嚴重的破壞。由於以燃料為基礎的氫生產過程 排放的(A的量如此巨大，氫作為環境友好的清潔能源的優點將會消失。因此，在燃料制氫 過程中，有效分離並固化C02成為能否實現燃料規模清潔制氫的關鍵之一。

實用新型內容本實用新型提供一種能夠連續產氫並利於環保的使用雙層流化床製取氫氣的裝 置，本實用新型能夠在製取純氫的同時有效分離出純淨的二氧化碳。 本實用新型的技術方案如下 使用雙層流化床製取氫氣的裝置，由空氣反應器流化床、第一溢流槽、雙層流化 床、第二溢流槽制氫反應器流化床、第三溢流槽組成，空氣反應器流化床的上端連接有貧氧 空氣分離器，貧氧空氣分離器的下端通過第一溢流槽與雙層流化床上層相連，所述的雙層 流化床包括流化床，在流化床內設有中間布風板，且中間布風板將流化床分割成雙層流化 床上層與雙層流化床下層，在雙層流化床上層與雙層流化床下層之間設有溢流管，且溢流 管的一端與雙層流化床上層連接，溢流管的另一端與雙層流化床下層連接，在溢流管中部 設有螺旋給料器，在雙層流化床上層上設有二氧化碳分離器，且二氧化碳分離器的上端與 雙層流化床上層的頂部連接，二氧化碳分離器的下端位於雙層流化床上層內，雙層流化床 下層的下端經過第二溢流槽與制氫反應器流化床的下端相連，在制氫反應器流化床上端設 有與氫氣分離器，且制氫反應器流化床上端與氫氣分離器的上端連接，氫氣分離器的下端 經過第三溢流槽與空氣反應器流化床下端相連。空氣反應器流化床(1)的下端設有鐵氧化 物補充口 (F)。在雙層流化床(3)的下端設有排渣口 (L)。空氣反應器流化床由主反應室、 過渡段及提升管組成，提升管通過過渡段與主反應室連接，提升管的上端與貧氧空氣分離 器連接。在第一溢流槽、第二溢流槽、第三溢流槽以及溢流管的底端(J、B、D及L)設有通入 鬆動風的水蒸氣入口。 本實用新型具有如下優點 (1)在雙層流化床內，分為上下兩層的結構，由中間布風板將反應器分割成上下兩 層，而在反應器的外側則由溢流管連接上下兩層。這樣的結構導致反應器下層的反應為: 而在反應器上層的反應為 Fe203+H2 — Fe304+H20+放熱 Fe203+CO — Fe304+C02+放熱 6Fe203+CH4 — 4Fe304+C02+2H20+吸熱 根據化學反應動力學，Fe203轉化為Fe304的過程，可看作是不可逆反應，故反應平 衡狀態時，C02濃度接近100%。 本實用新型利用Fe203轉化Fe304的不可逆性，只要保證Fe203相對於合成氣或氣 體燃料過量就能保證燃料氣完全轉化為C02和H20。故使合成氣或氣體燃料最終通過布滿 6203的雙層流化床上層離開反應器，從而實現制氫過程中，雙層流化床排放的氣體為純淨 的C02，未完全轉化的合成氣或氣體燃料含量輕微。而從化學反應平衡角度考慮，利用Aspen plus化工模擬系統模擬，現有的化學鏈制氫方法及裝置，若利用鐵或鐵氧化物作為載氧體 時，二氧化碳排放的純度只有30% 80%左右，利用本實用新型制氫過程，二氧化碳排放 的純度高達99%以上。 (2)傳統煤氣化制氫是先將煤炭氣化得到以H2和C0為主要成分的氣態產品，然後
經過淨化、CO變換和分離提純等處理而獲得一定純度的產品氫。與傳統煤氣化制氫相比，
本實用新型無需涉及氧氣與氮氣的分離丄02和H2的分離、H^和COS汙染氣體的脫除工藝，
減少實現以上工藝所涉及的能源消耗。通過水蒸氣與FeO以及Fe反應生成氫氣，生成物經
冷卻即為純淨的氫氣 3FeO+H20 — Fe304+H2+放熱 3Fe+4H20 — Fe304+4H2+放熱
4[0034] (3)本實用新型採用三流化床連續工作，與單一流化床通過切換氣體實現製取氫 氣的方法相比，解決了單一流化床無法連續產生氫氣的問題，具有能夠連續生產，簡化操作 過程的優點，同時也解決了單一流化床氣體切換過程中，不同氣體的摻混從而導致氣體純 度降低的問題。
圖1為一種雙層流化床製取氫氣的裝置圖；圖2為一種使用雙層流化床製取氫
氣的潔淨髮電系統圖。
具體實施方式
—種使用雙層流化床製取氫氣的裝置，由空氣反應器流化床1、第一溢流槽2、雙 層流化床3、第二溢流槽4、制氫反應器流化床5、第三溢流槽6組成，空氣反應器流化床1的 上端連接有貧氧空氣分離器l-4，貧氧空氣分離器1-4的下端通過第一溢流槽2與雙層流 化床上層3-2相連，所述的雙層流化床包括流化床，在流化床內設有中間布風板3-3且中間 布風板3-3將流化床分割成雙層流化床上層3-2與雙層流化床下層3-6，在雙層流化床上 層3-2與雙層流化床下層3-6之間設有溢流管3-5，且溢流管3-5的一端與雙層流化床上 層3-2連接，溢流管3-5的另一端與雙層流化床下層3-6連接，在溢流管3-5中部設有螺旋 給料器3-4，在雙層流化床上層3-2上設有二氧化碳分離器3-1 ，且二氧化碳分離器3-1的 上端與雙層流化床上層3-2的頂部連接，二氧化碳分離器3-1的下端位於雙層流化床上層 3-2內，雙層流化床下層3-6的下端經過第二溢流槽4與制氫反應器流化床5的下端相連， 在制氫反應器流化床5上端設有與氫氣分離器5-1 ，且制氫反應器流化床5上端與氫氣分離 器5-1的上端連接，氫氣分離器5-1的下端經過第三溢流槽6與空氣反應器流化床1下端 相連。在空氣反應器流化床1的下端設有鐵氧化物補充口F。在雙層流化床3的下端設有 排渣口 K。在空氣反應器流化床1由主反應室l-l、過渡段1-2及提升管1-3組成，提升管 1-3通過過渡段1-2與主反應室1-1連接，提升管1-3的上端與貧氧空氣分離器1-4連接。 在第一溢流槽2、第二溢流槽4、第三溢流槽6以及溢流管3-5的底端1、B、D及J，設有通入 鬆動風的水蒸氣入口。 使用燃料製取氫氣，即用固體燃料或氣體燃料進行潔淨髮電，同時實現二氧化碳 的分離。參照圖2，空氣經過壓氣機10壓縮後，變為高壓空氣，進入實施例1的空氣反應器 流化床，經過與鐵或鐵氧化物反應，得到高溫高壓貧氧空氣經貧氧分離器分離，高壓貧氧空 氣進入透平7膨脹做功，帶動發電機8發電，透平7排氣再進入餘熱回收發電系統9產生電 力或蒸汽。在雙層流化床，餘熱回收發電系統9、12或15產生的蒸汽A與鐵氧化物反應，生 成高溫煙氣，高溫煙氣要求經過二氧化碳分離器，煙氣經過透平11膨脹做功，帶動發電機 13發電，透平11排氣再進入餘熱回收發電系統12產生電力或蒸汽，餘熱回收發電系統12 尾氣經過冷凝即為純淨的二氧化碳。在制氫反應器流化床中，Fe和FeO與水蒸氣反應，得 到高溫氫氣水蒸氣混合物，進入餘熱回收發電系統12，餘熱回收發電系統12尾氣經過冷凝 即為純淨的氫氣。生成的Fe304回到空氣反應器流化床進一步氧化，實現循環使用。整個系 統所需水蒸氣經由余熱回收發電系統9、 12及14提供。
權利要求一種使用雙層流化床製取氫氣的裝置，由空氣反應器流化床(1)、第一溢流槽(2)、雙層流化床(3)、第二溢流槽(4)、制氫反應器流化床(5)、第三溢流槽(6)組成，空氣反應器流化床(1)的上端設有貧氧空氣分離器(1-4)，貧氧空氣分離器(1-4)的下端通過第一溢流槽(2)與雙層流化床上層(3-2)相連，所述的雙層流化床在流化床內設有中間布風板(3-3)且中間布風板(3-3)將流化床分割成雙層流化床上層(3-2)與雙層流化床下層(3-6)，在雙層流化床上層(3-2)與雙層流化床下層(3-6)之間設有溢流管(3-5)，且溢流管(3-5)的一端與雙層流化床上層(3-2)連接，溢流管(3-5)的另一端與雙層流化床下層(3-6)連接，在溢流管(3-5)中部設有螺旋給料器(3-4)，在雙層流化床上層(3-2)上設有二氧化碳分離器(3-1)，且二氧化碳分離器(3-1)的上端與雙層流化床上層(3-2)的頂部連接，二氧化碳分離器(3-1)的下端位於雙層流化床上層(3-2)內，雙層流化床下層(3-6)的下端經過第二溢流槽(4)與制氫反應器流化床(5)的下端相連，在制氫反應器流化床(5)上端設有與氫氣分離器(5-1)，且制氫反應器流化床(5)上端與氫氣分離器(5-1)的上端連接，氫氣分離器(5-1)的下端經過第三溢流槽(6)與空氣反應器流化床(1)下端相連。
2. 根據權利要求1所述的使用雙層流化床製取氫氣的裝置，其特徵在於在空氣反應器 流化床(1)的下端設有鐵氧化物補充口 (F)。
3. 根據權利要求1所述的使用雙層流化床製取氫氣的裝置，其特徵在於在雙層流化床 (3)的下端設有排渣口 (L)。
4. 根據權利要求1所述的使用雙層流化床製取氫氣的裝置，其特徵在於在空氣反應器 流化床(1)由主反應室(l-l)、過渡段(1-2)及提升管(1-3)組成，提升管(1-3)通過過渡 段(1-2)與主反應室(1-1)連接，提升管(1-3)的上端與貧氧空氣分離器(1-4)連接。
5. 根據權利要求1所述的使用雙層流化床製取氫氣的裝置，其特徵在於在第一溢流槽 (2)、第二溢流槽(4)、第三溢流槽(6)以及溢流管(3-5)的底端(J、 B、 D及K)設有通入松 動風的水蒸氣入口。
專利摘要本實用新型公開了使用雙層流化床製取氫氣的裝置，由空氣反應器流化床、第一溢流槽、雙層流化床、第二溢流槽、制氫反應器流化床、第三溢流槽組成，空氣反應器流化床的上端設有貧氧空氣分離器，貧氧空氣分離器的下端通過第一溢流槽與雙層流化床上層相連，所述的雙層流化床包括流化床，在流化床內設有中間布風板，且中間布風板將流化床分割成雙層流化床上層與雙層流化床下層，在雙層流化床上層上設有二氧化碳分離器，雙層流化床下層的下端經過第二溢流槽與制氫反應器流化床的下端相連，在制氫反應器流化床上端設有與氫氣分離器，且制氫反應器流化床上端與氫氣分離器的上端連接，氫氣分離器的下端經過第三溢流槽與空氣反應器流化床下端相連。
文檔編號F01D15/10GK201512409SQ200920234619
公開日2010年6月23日 申請日期2009年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者向文國, 王新, 薛志鵬 申請人:東南大學