一種使用復合流化床制氫并分離CO₂的裝置的制作方法

專利名稱：一種使用復合流化床制氫并分離CO₂的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用燃料經氣化或直接制取氫氣的裝置，尤其涉及一種使用 復合流化床制氫并分離co2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 來制取。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，化石燃料仍將扮演著非常重要的角色。但化石能源向氫能轉化的過程中排 放出大量的(A，由此引起的溫室效應對生態環境造成嚴重的破壞。由于以化石燃料為基礎
的氫生產過程排放的co2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，在化石燃料制氫過程中，有效分離并固化co2成為能否實現化石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使用化石復合流化床制氫并分離C02的裝置，由于本實用新
型將化石燃料制取氫氣的同時能有效分離二氧化碳，具有獲得潔凈能源且利于環保的優點。 本實用新型的技術方案如下 —種用于實施權利要求1所述的化石燃料制氫并分離C02的裝置，由空氣反應器 流化床、第一溢流槽、復合流化床、第二溢流槽、制氫反應器流化床及第三溢流槽組成，空氣 反應器流化床由主反應室、和空氣反應器過渡段、空氣反應器提升管及貧氧空氣分離器組 成，空氣反應器提升管的下端通過空氣反應器過渡段與主反應室相連，空氣反應器提升管 的上端與貧氧空氣分離器相連；復合流化床由二氧化碳分離器、復合流化床提升管、返料 槽、復合流化床過渡段、混合氣化反應室及螺旋給料器組成，復合流化床提升管的下端通過 過渡段與混合氣化反應室相連，復合流化床提升管的上端與二氧化碳分離器的上端相連， 二氧化碳分離器的下端通過返料槽與混合氣化反應室相連；制氫反應器流化床由氫氣主 反應器、制氫反應器過渡段、制氫反應器提升管及氫氣分離器組成，制氫反應器提升管的下 端通過制氫反應器過渡段與氫氣主反應器相連，制氫反應器提升管的上端與氫氣分離器相 連。空氣反應器流化床中的貧氧空氣分離器的下端，通過第一溢流槽與復合流化床中的復 合流化床提升管的下端相連，復合流化床的下端經第二溢流槽與制氫反應器流化床的下端 相連，制氫反應器流化床中的氫氣分離器的下端經第三溢流槽與空氣反應器流化床的下端 相連。在空氣反應器循環流化床的下端設有鐵氧化物補充口F。在復合流化床的下端設有 排渣口K。第一溢流槽、第二溢流槽、第三溢流槽及返料槽的底端B、D、I及K通入水蒸氣作 為松動風。[0006] 與現有技術相比，本實用新型具有如下優點 (1)在了解本裝置制氫之前，首先涉及到鐵氧化物的還原過程 鐵氧化物的還原次序是 Fe203 — Fe304 — Fe0 — Fe高于570°C Fe203 — Fe304 — Fe低于570°C 首先，Fe203轉化為Fe304的過程如下 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，CO以及H2
能夠完全反應，故反應平衡狀態時，幾乎沒有未反應的CO或H2。且該反應過程迅速。 其次，Fe304轉化為FeO或Fe的過程如下 Fe304+CO — 3FeO+C02+吸熱 Fe304+4C0 — 3Fe+4C02+放熱 Fe304+4H2 — 3Fe+4H20+吸熱 Fe304+H2 — 3FeO+H20+吸熱 根據化學反應動力學，以上還原反應在F^04轉化為FeO或Fe的過程中，以上反應 為可逆反應，在反應平衡狀態下，CO以及H2仍有部分未參加反應。換言之，必須保證一定的 CO或^得濃度，才能使反應向正方向進行。而該反應過程相比Fe^3轉化為Fe304的過程更 為緩慢。 現有技術面臨的問題是利用鐵及鐵氧化物制氫過程中排放的氣體無法獲得純凈 的0)2。原因如下 若利用鐵氧化物制取氫氣，鐵氧化物必須被還原到較低價態(FeO或Fe)才能與水 蒸汽反應，即制氫過程中必須涉及Fe304轉化為FeO或Fe的反應，而如上文所述，Fe304轉化 為FeO或Fe反應過程為可逆反應，其問題在于排放的氣體中摻雜有大量未反應的CO和H2。 無法得到純凈的二氧化碳，并且未反應的CO和H2的直接排放也是能源的極大浪費。 本實用新型則利用了 Fe203反應轉化為Fe304過程的不可逆性，使合成氣最終通過 充滿過量Fe203的反應器，實現完全轉化。 在復合流化床內，混合氣化反應室橫截面積遠大于提升管橫截面積，而床體橫截 面積的變化，導致混合氣化反應室與復合流化床提升管的氣體流速發生變化，使混合氣化 反應室呈現為鼓泡流化床狀態，而提升管呈現為循環床狀態。 一方面，溢流進復合流化床中 的？6203，由于提升管的夾帶作用，大部分進入提升管并在提升管中實現流化，而混合氣化反 應室中未完全反應的燃料氣在提升管中與Fe203反應轉化為二氧化碳水蒸氣混合氣，而該 過程的不可逆性，使燃料氣最終可以完全轉化為二氧化碳水蒸氣混合氣，冷凝后獲得純凈 的二氧化碳。另一方面，提升管的循環床狀態，擾動強烈，更適合？6203轉化？6304的快速反 應過程，而混合氣化反應室的鼓泡床狀態，氣速較慢更適合Fe304轉化為FeO或Fe的慢速反 應過程。 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，然后
經過凈化、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污染氣體的脫除工藝，
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
經冷卻即為純凈的氫氣 3FeO+H20 — Fe304+H2+放熱 3Fe+4H20 — Fe304+4H2+放熱 (3)本實用新型采用三流化床連續工作，與單一流化床通過切換氣體實現制取氫 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為一種使用化石復合流化床制氫并分離C02的裝置圖；圖2為一種使用復 合流化床制氫并分離C02的潔凈發電系統圖。
具體實施方式
—種使用化石復合流化床制氫并分離C02的裝置，由空氣反應器流化床5、第一溢 流槽6、復合流化床1、第二溢流槽2、制氫反應器流化床3及第三溢流槽4組成，空氣反應器 流化床5由主反應室5-l、和空氣反應器過渡段5-2、空氣反應器提升管5-3及貧氧空氣分 離器5-4組成，空氣反應器提升管5-3的下端通過空氣反應器過渡段5-2與主反應室5-1相 連，空氣反應器提升管5-3的上端與貧氧空氣分離器5-4相連；復合流化床l由二氧化碳分 離器l-l、復合流化床提升管l-2、返料槽l-3、復合流化床過渡段l-4、混合氣化反應室1-5 及螺旋給料器1-6組成，復合流化床提升管1-2的下端通過過渡段1-4與混合氣化反應室 l-4相連，復合流化床提升管1-2的上端與二氧化碳分離器1-1的上端相連，二氧化碳分離 器1-1的下端通過返料槽1-3與混合氣化反應室1-4相連；制氫反應器流化床3由氫氣主 反應器3-4、制氫反應器過渡段3-3、制氫反應器提升管3-2及氫氣分離器3-1組成，制氫反 應器提升管3-2的下端通過制氫反應器過渡段3-3與氫氣主反應器3-4相連，制氫反應器 提升管3-2的上端與氫氣分離器3-1相連。空氣反應器流化床5中的貧氧空氣分離器5-4 的下端，通過第一溢流槽6與復合流化床1中的復合流化床提升管1-2的下端相連，復合流 化床1的下端經第二溢流槽2與制氫反應器流化床3的下端相連，制氫反應器流化床3中 的氫氣分離器3-1的下端經第三溢流槽4與空氣反應器流化床5的下端相連。在空氣反應 器循環流化床5的下端設有鐵氧化物補充口 F。在復合流化床3的下端設有排渣口 K。第 一溢流槽2、第二溢流槽4、第三溢流槽6及返料槽1-3的底端B、 D、 I及K均通入水蒸氣作 為松動風。見附圖1。 —種利用本實用新型實現化石燃料制氫并分離(A的方法，即用固體燃料或氣體 燃料進行潔凈發電，同時實現二氧化碳的分離。參照圖2，空氣經過壓氣機10壓縮后，變為 高壓空氣，進入空氣反應器循環流化床，經過與鐵或鐵氧化物反應，得到高溫高壓貧氧空氣 經空氣反應器載氧體分離器分離，高壓貧氧空氣進入透平13膨脹做功，帶動發電機12發 電，透平13排氣再進入余熱回收發電系統11產生電力或蒸汽。在復合流化床，與余熱回收發電系統8、 11或14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9膨脹做功，帶動發電機7發電，透平9排氣再進入余熱回收發 電系統8產生電力或蒸汽，余熱回收發電系統8尾氣經過冷凝即為純凈的二氧化碳。經溢 流槽進入制氫反應器流化床的Fe和Fe0與水蒸氣反應，得到高溫氫氣水蒸氣混合物，進入 余熱回收發電系統14。由余熱回收發電系統9、12及14提供整個系統所需的水蒸氣。
權利要求一種使用復合流化床制氫并分離CO2的裝置，由空氣反應器流化床(5)、第一溢流槽(6)、復合流化床(1)、第二溢流槽(2)、制氫反應器流化床(3)及第三溢流槽(4)組成，空氣反應器流化床(5)由主反應室(5-1)、和空氣反應器過渡段(5-2)、空氣反應器提升管(5-3)及貧氧空氣分離器(5-4)組成，空氣反應器提升管(5-3)的下端通過空氣反應器過渡段(5-2)與主反應室(5-1)相連，空氣反應器提升管(5-3)的上端與貧氧空氣分離器(5-4)相連；復合流化床(1)由二氧化碳分離器(1-1)、復合流化床提升管(1-2)、返料槽(1-3)、復合流化床過渡段(1-4)、混合氣化反應室(1-5)及螺旋給料器(1-6)組成，復合流化床提升管(1-2)的下端通過過渡段(1-4)與混合氣化反應室(1-4)相連，復合流化床提升管(1-2)的上端與二氧化碳分離器(1-1)的上端相連，二氧化碳分離器(1-1)的下端通過返料槽(1-3)與混合氣化反應室(1-4)相連；制氫反應器流化床(3)由氫氣主反應器(3-4)、制氫反應器過渡段(3-3)、制氫反應器提升管(3-2)及氫氣分離器(3-1)組成，制氫反應器提升管(3-2)的下端通過制氫反應器過渡段(3-3)與氫氣主反應器(3-4)相連，制氫反應器提升管(3-2)的上端與氫氣分離器(3-1)相連。空氣反應器流化床(5)中的貧氧空氣分離器(5-4)的下端，通過第一溢流槽(6)與復合流化床(1)中的復合流化床提升管(1-2)的下端相連，復合流化床(1)的下端經第二溢流槽(2)與制氫反應器流化床(3)的下端相連，制氫反應器流化床(3)中的氫氣分離器(3-1)的下端經第三溢流槽(4)與空氣反應器流化床(5)的下端相連。
2. 根據權利要求1所述的使用化石復合流化床制氫并分離C02的裝置，其特征在于在 空氣反應器循環流化床(5)的下端設有鐵氧化物補充口 (F)。
3. 根據權利要求1所述的使用化石復合流化床制氫并分離C02的裝置，其特征在于在 復合流化床(3)的下端設有排渣口 (K)。
4. 根據權利要求1所述的使用化石復合流化床制氫并分離C02的裝置，其特征在于第 一溢流槽(2)、第二溢流槽(4)及第三溢流槽(6)的底端(B、D、1)通入水蒸氣作為松動風。
專利摘要本實用新型公開了一種使用復合流化床制氫并分離CO2的裝置，由空氣反應器流化床、第一溢流槽、復合流化床、第二溢流槽、制氫反應器流化床及第三溢流槽組成，復合流化床由二氧化碳分離器、復合流化床提升管、返料槽、復合流化床過渡段、混合氣化反應室及螺旋給料器組成，復合流化床提升管的下端通過過渡段與混合氣化反應室相連，復合流化床提升管的上端與二氧化碳分離器的上端相連，二氧化碳分離器的下端通過返料槽與混合氣化反應室相連；空氣反應器流化床通過第一溢流槽與復合流化床中的復合流化床提升管的下端相連，復合流化床的下端經第二溢流槽與制氫反應器流化床的下端相連，制氫反應器流化床經第三溢流槽與空氣反應器流化床的下端相連。
文檔編號C01B3/06GK201512410SQ20092023462
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