一種雙循環鏈式燃燒氫熱聯產並分離CO₂的裝置的製作方法

2023-10-28 20:52:32 6

專利名稱：一種雙循環鏈式燃燒氫熱聯產並分離CO2的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及利用含碳燃料氣體製取氫氣的裝置，尤其涉及一種利用含碳燃料氣體經過鏈式循環製取氫氣並捕集(X)2的裝置。
背景技術：
氫氣，作為一種能源，可以直接燃燒發電、供熱或者通過燃料電池用於移動電源。 氫氣在能量的轉化過程中，伴隨產物是水。氫氣作為一種無汙染的二次能源，可以真正實現汙染物的零排放。隨著全球氣候變暖和環境汙染日益加劇，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，其生產主要通過化石燃料的重整或者氣化。化石燃料在製取氫氣的過程中會產生二氧化碳。二氧化碳是一種典型的溫室氣體， 如果將氫氣用作燃料並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所導致的全球氣候變化。氫氣作為環境友好的二次能源的優點將會消失。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於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製取氫氣並且有效捕集二氧化碳成為化石燃料清潔制氫的關鍵之一。

實用新型內容本實用新型提供一種雙循環鏈式燃燒氫熱聯產並分離CO2及其裝置。本實用新型在利用含碳燃料氣體製取氫氣的同時能夠有效分離CO2,並且產生附加熱量，具有減少溫室氣體排放和能量轉化效率高的優點。本實用新型的裝置技術方案如下一種用於上述雙循環鏈式燃燒氫熱聯產並分離(X)2的裝置，由制氫系統與制熱系統組成；制氫系統由空氣反應器流化床、燃料反應器流化床、水蒸氣反應器流化床以及第一溢流槽組成；制氫系統的空氣反應器流化床由空氣反應器底室、空氣反應器過渡段、空氣反應器提升管、空氣旋風分離器、空氣反應器下料管組成；空氣反應器提升管通過空氣反應器過渡段與空氣反應器底室相連，空氣反應器提升管的頂端與空氣旋風分離器相連；空氣旋風分離器的下端為空氣反應器下料管；制氫系統的燃料反應器流化床採用燃料反應器，空氣反應器下料管插入燃料反應器內；制氫系統的水蒸氣反應器流化床由水蒸氣反應器底室，水蒸氣反應器過渡段，水蒸氣反應器提升管、氫氣旋風分離器、水蒸氣反應器下料管以及水蒸氣反應器溢流槽組成；制氫系統的燃料反應器通過第一溢流槽與制氫系統的水蒸氣反應器底室相連；制氫系統的水蒸氣反應器提升管通過水蒸氣反應器過渡段與水蒸氣反應器底室相連；水蒸氣反應器提升管的頂端與氫氣旋風分離器相連；氫氣旋風分離器通過水蒸氣反應器下料管與水蒸氣反應器溢流槽相連；水蒸氣反應器溢流槽與制氫系統的空氣反應器底室相連；制熱系統由燃料反應器流化床、第二溢流槽以及空氣反應器流化床組成； 制熱系統的燃料反應器流化床由燃料反應器與燃料反應器底部風室組成且燃料反應器位於燃料反應器底部風室的上方；制熱系統的燃料反應器底部風室通過連接管與制氫系統的燃料反應器煙氣出口相連；制熱系統的空氣反應器流化床由空氣反應器底室、空氣反應器過渡段、空氣反應器提升管、空氣旋風分離器以及空氣反應器下料管組成；制熱系統的空氣反應器提升管通過制熱系統的空氣反應器過渡段與制熱系統的空氣反應器底室相連；制熱系統的空氣反應器提升管的頂端與制熱系統的空氣旋風分離器相連；制熱系統的空氣旋風分離器的下端為制熱系統的空氣反應器下料管；制熱系統的空氣反應器下料管插入制熱系統的燃料反應器內；制熱系統的燃料反應器通過第二溢流槽與制熱系統的空氣反應器底室相連。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點(1)氧化鐵!^e2O3和氧化鎳NiO在各自系統中的反應過程如下制氫系統Fe2O3在燃料反應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) 3Fe203+C0 ^ 2Fe304+C02 (2)12Fe203+CH4 ^ 8Fe304+2H20+C02(3)Fe304+H2 ^ 3Fe0+H20(4)Fe304+C0 ^ 3Fe0+C02(5)4Fe304+CH4 ^ 12Fe0+2H20+C02(6)Fe0+H2 ^ Fe+H20(7)FeO+CO ^ Fe+C02(8)4FeO+CH4 ^ 4Fe+2H20+C02(9)FeO和！^在水蒸氣反應器中反應製得氫氣3Fe0+H20 ^ Fe304+H2(10) 3Fe+4H20 ^ Fe304+4H2 (11)在空氣反應器中Fii3O4得到再生4Fe304+02 ^ 6Fe203( 12)制熱系統NiO在燃料反應器的還原NiCHH2 η Ni+H2O(13)Ni0+C0 ^ Ni+CO2(14)4NiO+CH4 ^ Ni+2H20+C02(15)Ni在空氣反應器中的氧化反應2Ni+02 ^ 2Ν 0(16)在制氫系統中，要獲得氫氣，氧化鐵!^e2O3在燃料反應器中必須深度還原到FeO或者狗。在F^O3的還原過程中，除了在F^O3到Fe53O4的過程中燃料氣體能夠實現完全轉化外，Fe3O4到狗0以及FeO到!^e的還原過程由於熱力學平衡的限制，燃料氣體不可能實現完全轉化，出口煙氣中必然含有未轉化的燃料氣體H2、C0或者CH4。同時，在!^e3O4向FeO以及狗的轉化過程中，鐵氧化物與燃料氣體的還原反應速率在動力學上非常緩慢。所以，燃料反應器中出口煙氣必然含有未轉化的H2、CO以及CH4。若該裝置只有制氫系統則燃料反應器排出的煙氣中還有未反應的燃料，導致整個系統能量轉化效率低下同時造成環境汙染。從制氫系統燃料反應器中逸出的煙氣引至制熱反應器的燃料反應器，由於MO與燃料氣體反應的熱力學特性不同於狗203，NiO與燃料氣體反應可以實現燃料氣體的完全轉化。將制氫系統的燃料反應器的煙氣引入制熱系統的燃料反應器，未轉化的燃料氣體與NiO反應，得到還原態的Ni，同時實現燃料氣體的完全轉化，制熱系統的燃料反應器排出的煙氣僅為(X)2 和水蒸氣，冷凝分離出其中的水後，得到純淨的二氧化碳。還原態的M進入制熱系統的空氣反應器，與空氣煅燒，產生大量熱量，這些熱量可以被二次利用，再生後的NiO進入燃料反應器實現循環利用。這樣分別通過制氫系統的鐵氧化物循環和制熱系統的氧化鎳循環， 含碳的氣體燃料轉化為了氫氣，並且實現了二氧化碳的分離，同時獲得了熱量。利用Aspen Plus化工軟體模擬計算表明，在僅有制氫系統的三反應器流化床裝置時，利用鐵氧化物作為循環的載氧體，在燃料反應器為900°C的條件下，制氫系統的燃料反應器出口的二氧化碳排放純度只有80%，利用本實用新型制氫系統與制熱系統相結合，從制熱系統出口的二氧化碳排放純度高達99%。(2)傳統煤氣制氫是先將煤氣化得到以吐和CO為主要成分的合成氣，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氫氣。與傳統煤氣化制氫相比，本實用新型通過水蒸氣與FeO以及!^e反應生成氫氣，氣體產物僅經冷凝分離出其中的水即可獲得純淨的氫氣，無需涉及CO2和H2的分離、H2S和COS汙染氣體的脫除工藝，減少實現以上工藝所涉及的能耗。(3)基於鐵氧化物三反應器制氫的原理，採用疊式流化床燃料反應器在理論上也可以實現燃料氣體的完全轉化，同時獲得還原態的FeO和狗，但是疊式流化床燃料反應器結構複雜，可控性差，尤其是保持物料循環的穩定性較差，這樣導致其不一定能夠實現燃料氣體的完全轉化。在本實用新型的制氫和制熱系統中，燃料反應器採用了鼓泡床，可控性好，燃料氣體在制氫系統的燃料反應器由於熱力學平衡只能實現燃料的部分轉化，含有未轉化的燃料氣體的煙氣進入了制熱系統的燃料反應器，還原附0，實現了燃料氣體完全轉化，最終排出整個系統的煙氣成分僅為二氧化碳和水蒸氣，冷凝出其中的水後，得到純淨的二氧化碳；還原態的M進入空氣反應器煅燒，釋放出熱量，這些熱量能夠被二次利用。

圖1為本實用新型雙循環鏈式燃燒氫熱聯產並分離(X)2的裝置圖。
具體實施方式
實施例1一種用於實現權利要求1所述的雙循環鏈式燃燒氫熱聯產並分離CO2的裝置，由制氫系統I與制熱系統II組成；制氫系統I由空氣反應器流化床1、燃料反應器流化床4、 水蒸氣反應器流化床2以及第一溢流槽3組成；制氫系統I的空氣反應器流化床1由空氣反應器底室1-1、空氣反應器過渡段1-2、空氣反應器提升管1-3、空氣旋風分離器1-4、空氣反應器下料管1-5組成；空氣反應器提升管1-3通過空氣反應器過渡段1-2與空氣反應器底室1-1相連，空氣反應器提升管1-3的頂端與空氣旋風分離器1-4相連；空氣旋風分離器 1-4的下端為空氣反應器下料管1-5 ；制氫系統I的燃料反應器流化床4採用燃料反應器 4-1，空氣反應器下料管1-5插入燃料反應器4-1內；制氫系統I的水蒸氣反應器流化床2由水蒸氣反應器底室2-1，水蒸氣反應器過渡段2-2，水蒸氣反應器提升管2-3、氫氣旋風分離器2-4、水蒸氣反應器下料管2-5以及水蒸氣反應器溢流槽2-6組成；制氫系統I的燃料反應器4-1通過第一溢流槽3與制氫系統I的水蒸氣反應器底室2-1相連；制氫系統I的水蒸氣反應器提升管2-3通過水蒸氣反應器過渡段2-2與水蒸氣反應器底室2-1相連；水蒸氣反應器提升管2-3的頂端與氫氣旋風分離器2-4相連；氫氣旋風分離器2-4通過水蒸氣反應器下料管2-5與水蒸氣反應器溢流槽2-6相連；水蒸氣反應器溢流槽2-6與制氫系統I的空氣反應器底室1-1相連；制熱系統II由燃料反應器流化床6、第二溢流槽7以及空氣反應器流化床8組成；制熱系統II的燃料反應器流化床6由燃料反應器6-1與燃料反應器底部風室6-2組成且燃料反應器6-1位於燃料反應器底部風室6-2的上方；制熱系統II 的燃料反應器底部風室6-2通過連接管5與制氫系統I的燃料反應器4-1煙氣出口相連； 制熱系統II的空氣反應器流化床8由空氣反應器底室8-1、空氣反應器過渡段8-2、空氣反應器提升管8-3、空氣旋風分離器8-4以及空氣反應器下料管8-5組成；制熱系統II的空氣反應器提升管8-3通過制熱系統II的空氣反應器過渡段8-2與制熱系統II的空氣反應器底室8-1相連；制熱系統II的空氣反應器提升管8-3的頂端與制熱系統II的空氣旋風分離器8-4相連；制熱系統II的空氣旋風分離器8-4的下端為制熱系統II的空氣反應器下料管8-5 ；制熱系統II的空氣反應器下料管8-5插入制熱系統II的燃料反應器6-1內； 制熱系統II的燃料反應器6-1通過第二溢流槽7與制熱系統II的空氣反應器底室8-1相連；如附圖1。
權利要求1. 一種雙循環鏈式燃燒氫熱聯產並分離(X)2的裝置，其特徵在於，由制氫系統(I)與制熱系統(II)組成；制氫系統(I)由空氣反應器流化床(1)、燃料反應器流化床(4)、水蒸氣反應器流化床(2)以及第一溢流槽(3)組成；制氫系統(I)的空氣反應器流化床(1)由空氣反應器底室(1-1)、空氣反應器過渡段(1-2)、空氣反應器提升管(1-3)、空氣旋風分離器(1-4)、空氣反應器下料管(1-5)組成；空氣反應器提升管(1-3)通過空氣反應器過渡段(1-2)與空氣反應器底室(1-1)相連，空氣反應器提升管(1-3)的頂端與空氣旋風分離器(1-4)相連；空氣旋風分離器(1-4)的下端為空氣反應器下料管(1-5)；制氫系統(I)的燃料反應器流化床(4)採用燃料反應器(4-1)，空氣反應器下料管(1-5)插入燃料反應器 (4-1)內；制氫系統(I)的水蒸氣反應器流化床(2)由水蒸氣反應器底室(2-1 )，水蒸氣反應器過渡段(2-2)，水蒸氣反應器提升管(2-3)、氫氣旋風分離器(2-4)、水蒸氣反應器下料管 (2-5 )以及水蒸氣反應器溢流槽(2-6 )組成；制氫系統(I)的燃料反應器(4-1)通過第一溢流槽(3)與制氫系統(I)的水蒸氣反應器底室(2-1)相連；制氫系統(I)的水蒸氣反應器提升管(2-3)通過水蒸氣反應器過渡段(2-2)與水蒸氣反應器底室(2-1)相連；水蒸氣反應器提升管(2-3)的頂端與氫氣旋風分離器(2-4)相連；氫氣旋風分離器(2-4)通過水蒸氣反應器下料管(2-5)與水蒸氣反應器溢流槽(2-6)相連；水蒸氣反應器溢流槽(2-6)與制氫系統(I)的空氣反應器底室(1-1)相連；制熱系統(II)由燃料反應器流化床(6)、第二溢流槽 (7)以及空氣反應器流化床(8)組成；制熱系統(II)的燃料反應器流化床(6)由燃料反應器(6-1)與燃料反應器底部風室(6-2)組成且燃料反應器(6-1)位於燃料反應器底部風室 (6-2)的上方；制熱系統(II)的燃料反應器底部風室(6-2)通過連接管(5)與制氫系統(I) 的燃料反應器(4-1)煙氣出口相連；制熱系統(II)的空氣反應器流化床(8)由空氣反應器底室(8-1)、空氣反應器過渡段(8-2)、空氣反應器提升管(8-3)、空氣旋風分離器(8-4)以及空氣反應器下料管(8-5)組成；制熱系統(II)的空氣反應器提升管(8-3)通過制熱系統 (II)的空氣反應器過渡段(8-2)與制熱系統(II)的空氣反應器底室(8-1)相連；制熱系統 (II)的空氣反應器提升管(8-3)的頂端與制熱系統(II)的空氣旋風分離器(8-4)相連；制熱系統(II)的空氣旋風分離器(8-4)的下端為制熱系統(II)的空氣反應器下料管(8-5)； 制熱系統(II)的空氣反應器下料管(8-5)插入制熱系統(II)的燃料反應器(6-1)內；制熱系統(II)的燃料反應器(6-1)通過第二溢流槽(7)與制熱系統(II)的空氣反應器底室 (8-1)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種雙循環鏈式燃燒氫熱聯產並分離CO2的裝置，由制氫系統與制熱系統組成；制氫系統由空氣反應器流化床、燃料反應器流化床、水蒸氣反應器流化床以及溢流槽組成；制氫系統的空氣反應器流化床由反應器底室、反應器過渡段、反應器提升管、旋風分離器、下料管組成；制氫系統的水蒸氣反應器流化床由反應器底室，反應器過渡段，反應器提升管、旋風分離器、下料管以及溢流槽組成；制氫系統的燃料反應器流化床由燃料反應器組成；制熱系統由燃料反應器流化床、溢流槽以及空氣反應器流化床組成；制熱系統的空氣反應器流化床由反應器底室、反應器過渡段、反應器提升管、旋風分離器以及下料管組成。
文檔編號C01B31/20GK202099046SQ201120128318
公開日2012年1月4日 申請日期2011年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者向文國, 王東, 薛志鵬, 陳時熠 申請人:東南大學