一種用于固體燃料化學鏈制氫的裝置及應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于一種固體燃料氣化方法，具體涉及一種用于固體燃料化學鏈制氫的裝 置及應用。
【背景技術】
[0002] 利用傳統氣化技術制備高濃度0)2和H 2時，需經0 2-H20氣化、水煤氣變換、氣體分 離與提純等步驟才能得到產物氣體，過程需用純氧，流程長，投資成本大，制氫效率偏低，生 產成本高。
[0003] 化學鏈轉化是指借助于氧載體的作用，使氧從給氧反應器傳遞給得氧反應器中的 燃料，從而實現得氧氣氛和失氧氣氛的隔離，體現出分離的優勢；另一方面，氧載體可攜帶 一定的熱量，起熱載體的作用，具有降低氧耗的潛力。根據化學鏈轉化原理，理論上可直接 獲得高濃度的〇)2和H 2分離氣體，同時降低0 2的消耗，甚至不使用純氧。因此，發展基于化 學鏈轉化理論基礎的新型氣化技術具有重要的工業應用價值。經檢索，以固體燃料為原料 的化學鏈制氫裝置和方法未見報道。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種用于固體燃料化學鏈制氫的裝置和應用。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0006] -種用于固體燃料化學鏈制氫的裝置，它包括燃料反應器1、蒸汽反應器2、空氣 反應器3和第一旋風分離器5,第二旋風分離器6,其特征在于燃料反應器1中部的第一固 體燃料進料口 IC連接進料倉4,頂部氧載體入口 IE連通第一旋風分離器5底部出口，底部 第一固體產物出口 IA通過非機械閥與蒸汽反應器2頂部連通；蒸汽反應器2底部設置水蒸 汽進氣口 2C，頂部設置氣體產物出口 2B，氣體產物出口 2B與第二旋風分離器6連通，底部 第二固體產物出口 2A通過非機械閥與空氣反應器3底部連通；空氣反應器3底部設置連通 布風板的空氣入口 3A，頂部產物出口 3B連通第一旋風分離器5入口。
[0007] 如上所述燃料反應器1包括殼體1D，固體燃料進料口 1C，氣體產物出口 1B，第一固 體產物出口 1A，殼體ID的上部為氣體反應區，中部為進料區，下部為焦炭反應區，在氣體反 應區與進料區之間設置第一錐形多孔分布板IF分隔，進料區與焦炭反應區之間設置第二 錐形多孔分布板IG分隔，第一錐形多孔分布板IF設置第一錐形多孔分布板固體出口 1H，第 二錐形多孔分布板設置第二錐形多孔分布板固體出口 II，固體燃料進料口 IC位于進料區 上部的殼體1D，氣體產物出口 IB位于氣體反應區上部的殼體1D，第一固體產物出口 IA位 于殼體ID底部，殼體ID頂部有連接氧載體入口 1E。
[0008] 如上所述燃料反應器與蒸汽反應器間，蒸汽反應器與空氣反應器間靠非機械閥防 止串氣及控制固體物流，所述非機械閥為L閥或U閥。
[0009] 如上所述的燃料反應器1和蒸汽反應器2均為氣固逆流移動床，操作氣速為氧載 體臨界流化速度（Unif)的0. 5-0. 9倍；空氣反應器3下部大直徑區域為鼓泡流化床，操作氣 速為氧載體臨界流化速度（Unif)的I. 5-5. O倍；空氣反應器3上部小直徑區域為快速流化 床，操作氣速為氧載體帶出速度（Ut)的I. 1-3. O倍。
[0010] 本發明的應用，包括以下步驟：
[0011] 步驟1 :根據固體燃料的進料量及元素分析數據，確定氧載體和水蒸汽量，其質量 比為固體燃料：氧載體：水蒸汽=1 : (10. 6~32. 3) : (I. 0~2. 8);
[0012] 步驟2 :將相應量的氧載體從進料倉加入燃料反應器，打開非機械閥的松動氣，使 氧載體全部輸送至空氣反應器；
[0013] 步驟3:從空氣反應器的氣體入口通入甲烷和空氣，待甲烷燃燒加熱氧載體料層 至設定溫度后，增大氣體流量，使氧載體能夠在體系中循環，同時向蒸汽反應器的水蒸汽， 使氧載體在系統中達到穩定循環速率；
[0014] 步驟4 :待各反應器達到設定溫度后，從進料倉加入煤粉至燃料反應器，同時逐漸 關閉甲烷氣體，待系統穩定后，從氣體出口收集氣體分析。
[0015] 所述氧載體的活性組分為Fe2O3，含量為40_75wt %;第一惰性抗燒結組分為Al2O3, 含量為20-50wt%，第二惰性抗燒結組分Si02、Zr02、MgO等的一種或幾種，含量為0-4wt% ; 催化組份為K2C03、Na2C03、Li 2C03、KOH、NaOH等的一種或幾種，含量為l-10wt%。
[0016] 所述燃料反應器出口 Fe2O3的還原相態為Fe或Fe與FeO的混合物。
[0017] 所述燃料反應器1所需的熱量來源于高溫氧載體的顯熱以及FeO與Al2O 3反應生 成FeAl2O4釋放的反應熱，蒸汽反應器2和空氣反應器3中進行的均為放熱反應，各反應器 均能實現自熱。
[0018] 所述燃料反應器1、蒸汽反應器2、空氣反應器3的操作溫度分別為750-1050°C、 65〇_85〇°C、95〇-l25〇°C，操作壓力為 0· 1-4. OMPa。
[0019] 所述氧載體的粒徑范圍為0. 50-4. 00mm，固體燃料的粒徑范圍為0. 08-0. 18mm。
[0020] 本發明的優點是：煤等固體燃料化學鏈制氫過程不需用純氧，省去了空分設備的 投資和相應的運行成本；能直接得到高濃度且內在分離的〇)2和H2，省去了水煤氣變換和氣 體分離與提純等操作單元的投資和相應的運行成本；反應速率快，降低了設備的投資成本； 各個反應器都能實現自熱，利于維持系統的連續運行。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明燃料反應器結構示意圖。
[0022] 圖2是本發明裝置示意圖。
[0023] 如圖所示，1-燃料反應器；2-蒸汽反應器；3-空氣反應器；4-進料倉；5第一旋風 分離器，6-第二旋風分離器；IA-第一固體產物出口； IB-第一氣體產物出口，IC-固體燃料 進料口；2A-第二固體產物出口；2B-第二氣體產物出口；2C-水蒸汽入口；3A-空氣入口； 3B-產物出口。；ID-殼體；IE-氧載體入口；IF-第一錐形多孔分布板；IG-第二錐形多孔分 布板；IH-第一錐形多孔分布板固體出口；II-第二錐形多孔分布板固體出口。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合實施例進一步說明，但對本發明不構成限制。
[0025] 如圖1所示，燃料反應器1從上至下依次可分為氣體反應區、進料區和焦炭反應 區，固體燃料從固體燃料進料口 IC噴入進料區，固體燃料與高溫氧載體接觸，進而發生快 速熱解，熱解氣經第一錐形多孔分布板IF進入氣體反應區反應被氧化，焦炭與氧載體發生 初步混合，然后經過第二級錐形多孔分布板IG進一步混合并進入焦炭反應區反應，產物氣 體向上流動，其中還原性組分在氣體反應區被完全氧化，出口產物氣體與進口的高價態氧 載體達到化學平衡，使氣體組分完全氧化為〇)2和H 20。
[0026] 如圖2所示，燃料反應器1的固體產物出口 IA通過非機械閥與蒸汽反應器2連接。 非機械閥可防止反應器間串氣及控制固體物流。在燃料反應器1第一固體產物出口 IA中 氧載體的活性相被還原為FeO/Fe相，從第一固體產物出口 IA進入蒸汽反應器2后，與頂部 的H2OzU混合氣達到化學平衡，可減少水蒸汽的用量。由于煤灰的粒徑要遠小于氧載體的 粒徑，第二氣體產物出口 2B攜帶灰渣進入旋風分離器6分離出灰渣。蒸汽反應器2中氧載 體活性相被氧化為Fe3O4相，通過非機械閥進入空氣反應器3,并與從空氣入口 3A進入的甲 烷和空氣反應，氧載體的活性相被完全氧化為Fe2O3相，然后氣體攜帶氧載體進入旋風分離 器5,分離出的高溫氧載體進入燃料反應器1，實現循環。
[0027] 實施例1
[0028] -種用于固體燃料化學鏈制氫的裝置，它包括燃料反應器1、蒸汽反應器2、空氣 反應器3和第一旋風分離器5,第二旋風分離器6,其特征在于燃料反應器1中部的第一固 體燃料進料口 IC連接進料倉4,頂部氧載體入口 IE連通第一旋風分離器5底部出口，底部 第一固體產物出口 IA通過非機械閥與蒸汽反應器2頂部連通；蒸汽反應器2底部設置水蒸 汽進氣口 2C，頂部設置氣體產物出口 2B，氣體產物出口 2B與第二旋風分離器6連通，底部 第二固體產物出口 2A通過非機械閥與空氣反應器3底部連通；空氣反應器3底部設置連通 布風板的空氣入口 3A，頂部產物出口 3B連通第一