专利名称：一种双循环链式燃烧氢热联产并分离CO<sub>2</sub>的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及利用含碳燃料气体制取氢气的装置，尤其涉及一种利用含碳燃料气体经过链式循环制取氢气并捕集(X)2的装置。
背景技术：
氢气，作为一种能源，可以直接燃烧发电、供热或者通过燃料电池用于移动电源。 氢气在能量的转化过程中，伴随产物是水。氢气作为一种无污染的二次能源，可以真正实现污染物的零排放。随着全球气候变暖和环境污染日益加剧，氢气在不久的将来有望成为重要的能源载体。目前氢气主要用作化工原料而非能源，其生产主要通过化石燃料的重整或者气化。化石燃料在制取氢气的过程中会产生二氧化碳。二氧化碳是一种典型的温室气体， 如果将氢气用作燃料并且在制氢的过程中不对二氧化碳加以捕集而排放到大气中，将直接加剧温室效应所导致的全球气候变化。氢气作为环境友好的二次能源的优点将会消失。我国是一个以煤为主要燃料的国家，在这一基本国情下，氢源的选择主要来自于以煤为主的化石燃料，所以清洁高效地利用以煤为主的化石燃料制取氢气并且有效捕集二氧化碳成为化石燃料清洁制氢的关键之一。
实用新型内容本实用新型提供一种双循环链式燃烧氢热联产并分离CO2及其装置。本实用新型在利用含碳燃料气体制取氢气的同时能够有效分离CO2,并且产生附加热量，具有减少温室气体排放和能量转化效率高的优点。本实用新型的装置技术方案如下一种用于上述双循环链式燃烧氢热联产并分离(X)2的装置，由制氢系统与制热系统组成；制氢系统由空气反应器流化床、燃料反应器流化床、水蒸气反应器流化床以及第一溢流槽组成；制氢系统的空气反应器流化床由空气反应器底室、空气反应器过渡段、空气反应器提升管、空气旋风分离器、空气反应器下料管组成；空气反应器提升管通过空气反应器过渡段与空气反应器底室相连，空气反应器提升管的顶端与空气旋风分离器相连；空气旋风分离器的下端为空气反应器下料管；制氢系统的燃料反应器流化床采用燃料反应器，空气反应器下料管插入燃料反应器内；制氢系统的水蒸气反应器流化床由水蒸气反应器底室，水蒸气反应器过渡段，水蒸气反应器提升管、氢气旋风分离器、水蒸气反应器下料管以及水蒸气反应器溢流槽组成；制氢系统的燃料反应器通过第一溢流槽与制氢系统的水蒸气反应器底室相连；制氢系统的水蒸气反应器提升管通过水蒸气反应器过渡段与水蒸气反应器底室相连；水蒸气反应器提升管的顶端与氢气旋风分离器相连；氢气旋风分离器通过水蒸气反应器下料管与水蒸气反应器溢流槽相连；水蒸气反应器溢流槽与制氢系统的空气反应器底室相连；制热系统由燃料反应器流化床、第二溢流槽以及空气反应器流化床组成； 制热系统的燃料反应器流化床由燃料反应器与燃料反应器底部风室组成且燃料反应器位于燃料反应器底部风室的上方；制热系统的燃料反应器底部风室通过连接管与制氢系统的燃料反应器烟气出口相连；制热系统的空气反应器流化床由空气反应器底室、空气反应器过渡段、空气反应器提升管、空气旋风分离器以及空气反应器下料管组成；制热系统的空气反应器提升管通过制热系统的空气反应器过渡段与制热系统的空气反应器底室相连；制热系统的空气反应器提升管的顶端与制热系统的空气旋风分离器相连；制热系统的空气旋风分离器的下端为制热系统的空气反应器下料管；制热系统的空气反应器下料管插入制热系统的燃料反应器内；制热系统的燃料反应器通过第二溢流槽与制热系统的空气反应器底室相连。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点(1)氧化铁!^e2O3和氧化镍NiO在各自系统中的反应过程如下制氢系统Fe2O3在燃料反应器中被含碳的气体燃料例如合成气或者天然气还原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！^在水蒸气反应器中反应制得氢气3Fe0+H20 ^ Fe304+H2(10) 3Fe+4H20 ^ Fe304+4H2 (11)在空气反应器中Fii3O4得到再生4Fe304+02 ^ 6Fe203( 12)制热系统NiO在燃料反应器的还原NiCHH2 η Ni+H2O(13)Ni0+C0 ^ Ni+CO2(14)4NiO+CH4 ^ Ni+2H20+C02(15)Ni在空气反应器中的氧化反应2Ni+02 ^ 2Ν 0(16)在制氢系统中，要获得氢气，氧化铁!^e2O3在燃料反应器中必须深度还原到FeO或者狗。在F^O3的还原过程中，除了在F^O3到Fe53O4的过程中燃料气体能够实现完全转化外，Fe3O4到狗0以及FeO到!^e的还原过程由于热力学平衡的限制，燃料气体不可能实现完全转化，出口烟气中必然含有未转化的燃料气体H2、C0或者CH4。同时，在!^e3O4向FeO以及狗的转化过程中，铁氧化物与燃料气体的还原反应速率在动力学上非常缓慢。所以，燃料反应器中出口烟气必然含有未转化的H2、CO以及CH4。若该装置只有制氢系统则燃料反应器排出的烟气中还有未反应的燃料，导致整个系统能量转化效率低下同时造成环境污染。从制氢系统燃料反应器中逸出的烟气引至制热反应器的燃料反应器，由于MO与燃料气体反应的热力学特性不同于狗203，NiO与燃料气体反应可以实现燃料气体的完全转化。将制氢系统的燃料反应器的烟气引入制热系统的燃料反应器，未转化的燃料气体与NiO反应，得到还原态的Ni，同时实现燃料气体的完全转化，制热系统的燃料反应器排出的烟气仅为(X)2 和水蒸气，冷凝分离出其中的水后，得到纯净的二氧化碳。还原态的M进入制热系统的空气反应器，与空气煅烧，产生大量热量，这些热量可以被二次利用，再生后的NiO进入燃料反应器实现循环利用。这样分别通过制氢系统的铁氧化物循环和制热系统的氧化镍循环， 含碳的气体燃料转化为了氢气，并且实现了二氧化碳的分离，同时获得了热量。利用Aspen Plus化工软件模拟计算表明，在仅有制氢系统的三反应器流化床装置时，利用铁氧化物作为循环的载氧体，在燃料反应器为900°C的条件下，制氢系统的燃料反应器出口的二氧化碳排放纯度只有80%，利用本实用新型制氢系统与制热系统相结合，从制热系统出口的二氧化碳排放纯度高达99%。(2)传统煤气制氢是先将煤气化得到以吐和CO为主要成分的合成气，然后经过净化、CO变换和分离提纯等处理而获得一定纯度的氢气。与传统煤气化制氢相比，本实用新型通过水蒸气与FeO以及!^e反应生成氢气，气体产物仅经冷凝分离出其中的水即可获得纯净的氢气，无需涉及CO2和H2的分离、H2S和COS污染气体的脱除工艺，减少实现以上工艺所涉及的能耗。(3)基于铁氧化物三反应器制氢的原理，采用叠式流化床燃料反应器在理论上也可以实现燃料气体的完全转化，同时获得还原态的FeO和狗，但是叠式流化床燃料反应器结构复杂，可控性差，尤其是保持物料循环的稳定性较差，这样导致其不一定能够实现燃料气体的完全转化。在本实用新型的制氢和制热系统中，燃料反应器采用了鼓泡床，可控性好，燃料气体在制氢系统的燃料反应器由于热力学平衡只能实现燃料的部分转化，含有未转化的燃料气体的烟气进入了制热系统的燃料反应器，还原附0，实现了燃料气体完全转化，最终排出整个系统的烟气成分仅为二氧化碳和水蒸气，冷凝出其中的水后，得到纯净的二氧化碳；还原态的M进入空气反应器煅烧，释放出热量，这些热量能够被二次利用。
图1为本实用新型双循环链式燃烧氢热联产并分离(X)2的装置图。
具体实施方式
实施例1一种用于实现权利要求1所述的双循环链式燃烧氢热联产并分离CO2的装置，由制氢系统I与制热系统II组成；制氢系统I由空气反应器流化床1、燃料反应器流化床4、 水蒸气反应器流化床2以及第一溢流槽3组成；制氢系统I的空气反应器流化床1由空气反应器底室1-1、空气反应器过渡段1-2、空气反应器提升管1-3、空气旋风分离器1-4、空气反应器下料管1-5组成；空气反应器提升管1-3通过空气反应器过渡段1-2与空气反应器底室1-1相连，空气反应器提升管1-3的顶端与空气旋风分离器1-4相连；空气旋风分离器 1-4的下端为空气反应器下料管1-5 ；制氢系统I的燃料反应器流化床4采用燃料反应器 4-1，空气反应器下料管1-5插入燃料反应器4-1内；制氢系统I的水蒸气反应器流化床2由水蒸气反应器底室2-1，水蒸气反应器过渡段2-2，水蒸气反应器提升管2-3、氢气旋风分离器2-4、水蒸气反应器下料管2-5以及水蒸气反应器溢流槽2-6组成；制氢系统I的燃料反应器4-1通过第一溢流槽3与制氢系统I的水蒸气反应器底室2-1相连；制氢系统I的水蒸气反应器提升管2-3通过水蒸气反应器过渡段2-2与水蒸气反应器底室2-1相连；水蒸气反应器提升管2-3的顶端与氢气旋风分离器2-4相连；氢气旋风分离器2-4通过水蒸气反应器下料管2-5与水蒸气反应器溢流槽2-6相连；水蒸气反应器溢流槽2-6与制氢系统I的空气反应器底室1-1相连；制热系统II由燃料反应器流化床6、第二溢流槽7以及空气反应器流化床8组成；制热系统II的燃料反应器流化床6由燃料反应器6-1与燃料反应器底部风室6-2组成且燃料反应器6-1位于燃料反应器底部风室6-2的上方；制热系统II 的燃料反应器底部风室6-2通过连接管5与制氢系统I的燃料反应器4-1烟气出口相连； 制热系统II的空气反应器流化床8由空气反应器底室8-1、空气反应器过渡段8-2、空气反应器提升管8-3、空气旋风分离器8-4以及空气反应器下料管8-5组成；制热系统II的空气反应器提升管8-3通过制热系统II的空气反应器过渡段8-2与制热系统II的空气反应器底室8-1相连；制热系统II的空气反应器提升管8-3的顶端与制热系统II的空气旋风分离器8-4相连；制热系统II的空气旋风分离器8-4的下端为制热系统II的空气反应器下料管8-5 ；制热系统II的空气反应器下料管8-5插入制热系统II的燃料反应器6-1内； 制热系统II的燃料反应器6-1通过第二溢流槽7与制热系统II的空气反应器底室8-1相连；如附图1。
权利要求1. 一种双循环链式燃烧氢热联产并分离(X)2的装置，其特征在于，由制氢系统(I)与制热系统(II)组成；制氢系统(I)由空气反应器流化床(1)、燃料反应器流化床(4)、水蒸气反应器流化床(2)以及第一溢流槽(3)组成；制氢系统(I)的空气反应器流化床(1)由空气反应器底室(1-1)、空气反应器过渡段(1-2)、空气反应器提升管(1-3)、空气旋风分离器(1-4)、空气反应器下料管(1-5)组成；空气反应器提升管(1-3)通过空气反应器过渡段(1-2)与空气反应器底室(1-1)相连，空气反应器提升管(1-3)的顶端与空气旋风分离器(1-4)相连；空气旋风分离器(1-4)的下端为空气反应器下料管(1-5)；制氢系统(I)的燃料反应器流化床(4)采用燃料反应器(4-1)，空气反应器下料管(1-5)插入燃料反应器 (4-1)内；制氢系统(I)的水蒸气反应器流化床(2)由水蒸气反应器底室(2-1 )，水蒸气反应器过渡段(2-2)，水蒸气反应器提升管(2-3)、氢气旋风分离器(2-4)、水蒸气反应器下料管 (2-5 )以及水蒸气反应器溢流槽(2-6 )组成；制氢系统(I)的燃料反应器(4-1)通过第一溢流槽(3)与制氢系统(I)的水蒸气反应器底室(2-1)相连；制氢系统(I)的水蒸气反应器提升管(2-3)通过水蒸气反应器过渡段(2-2)与水蒸气反应器底室(2-1)相连；水蒸气反应器提升管(2-3)的顶端与氢气旋风分离器(2-4)相连；氢气旋风分离器(2-4)通过水蒸气反应器下料管(2-5)与水蒸气反应器溢流槽(2-6)相连；水蒸气反应器溢流槽(2-6)与制氢系统(I)的空气反应器底室(1-1)相连；制热系统(II)由燃料反应器流化床(6)、第二溢流槽 (7)以及空气反应器流化床(8)组成；制热系统(II)的燃料反应器流化床(6)由燃料反应器(6-1)与燃料反应器底部风室(6-2)组成且燃料反应器(6-1)位于燃料反应器底部风室 (6-2)的上方；制热系统(II)的燃料反应器底部风室(6-2)通过连接管(5)与制氢系统(I) 的燃料反应器(4-1)烟气出口相连；制热系统(II)的空气反应器流化床(8)由空气反应器底室(8-1)、空气反应器过渡段(8-2)、空气反应器提升管(8-3)、空气旋风分离器(8-4)以及空气反应器下料管(8-5)组成；制热系统(II)的空气反应器提升管(8-3)通过制热系统 (II)的空气反应器过渡段(8-2)与制热系统(II)的空气反应器底室(8-1)相连；制热系统 (II)的空气反应器提升管(8-3)的顶端与制热系统(II)的空气旋风分离器(8-4)相连；制热系统(II)的空气旋风分离器(8-4)的下端为制热系统(II)的空气反应器下料管(8-5)； 制热系统(II)的空气反应器下料管(8-5)插入制热系统(II)的燃料反应器(6-1)内；制热系统(II)的燃料反应器(6-1)通过第二溢流槽(7)与制热系统(II)的空气反应器底室 (8-1)相连。
专利摘要本实用新型公开了一种双循环链式燃烧氢热联产并分离CO2的装置，由制氢系统与制热系统组成；制氢系统由空气反应器流化床、燃料反应器流化床、水蒸气反应器流化床以及溢流槽组成；制氢系统的空气反应器流化床由反应器底室、反应器过渡段、反应器提升管、旋风分离器、下料管组成；制氢系统的水蒸气反应器流化床由反应器底室，反应器过渡段，反应器提升管、旋风分离器、下料管以及溢流槽组成；制氢系统的燃料反应器流化床由燃料反应器组成；制热系统由燃料反应器流化床、溢流槽以及空气反应器流化床组成；制热系统的空气反应器流化床由反应器底室、反应器过渡段、反应器提升管、旋风分离器以及下料管组成。
文档编号C01B31/20GK202099046SQ201120128318
公开日2012年1月4日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者向文国, 王东, 薛志鹏, 陈时熠 申请人:东南大学