[发明专利]一种同时制氢和液态燃料的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种同时制氢和液态燃料的方法和装置。

背景技术

随着社会经济的快速发展以及人们环保意识的增强，社会对氢能的需求越来越大，而天然气富含大量的甲烷气体，将甲烷直接转化为更有价值的氢气成为一个世界性的研究热点。未来制氢技术不仅要求制氢效率高、氢气纯度高，还要具有温室气体减排的特点。目前全世界大部分氢气是由甲烷水蒸气重整制氢工艺提供的，重整后还要经过水煤气变换、变压吸附等过程对氢气提纯，整个流程长，而且变压吸附富集二氧化碳的能耗非常大。

化学链燃烧（chemicalloopingcombustion,CLC）是一种新颖的燃烧方式，燃料不直接与空气接触，以金属氧化物为载氧体，在一定的温度下载氧体在空气中进行氧化反应，结合氧；然后与燃料气进行还原反应，释放氧。气相反应产物只有CO₂和H₂O（气），冷凝脱水，得到高纯CO₂。化学链燃烧过程中CO₂不会被空气中的氮气稀释，故可在没有能量损失的前提条件下实现CO₂分离。在化学链燃烧的基础上发展起来的化学链制氢技术是一种能制氢同时兼顾捕集二氧化碳的新型制氢技术。它是用水蒸气代替空气氧化载氧体，得到氢气，在燃料反应器中燃料被载氧体氧化成二氧化碳和水蒸气，通过冷凝脱水就可以富集到二氧化碳。

费托合成是将合成气（CO和H₂）经过催化剂的催化作用转化成液态燃料的合成方法，该方法不仅可以有效减少大气污染，而且为替代石油资源的开发提供了新的途径，所生产的超清洁液态燃料也能够满足人们对环保日益苛刻的要求，因而越来越为人们所关注。几十年来，费托合成催化剂的研究开发一直比较活跃，费托合成催化剂通常包括下列组分：活性金属（第Ⅷ族过渡金属），氧化物载体或结构助剂（SiO₂,Al₂O₃,稀土氧化物等），化学助剂（碱金属氧化物）及贵金属助剂（Ru、Re等）。费托合成是强放热反应，积蓄的热不仅降低烃选择性，还导致催化剂积炭、粉碎，床层飞温。

如果将化学链制氢和费托合成反应耦合起来，不仅可以将费托反应放出的热量用于燃料与载氧体反应（该反应是强吸热反应）、利用燃料与载氧体反应生成的气体直接作为费托合成的原料，还可以直接得到高纯氢气、省去气体分离步骤、实现催化剂一剂两用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种同时制氢和液态燃料的方法和装置，该方法可以实现整个系统自热平衡，同时节省气体分离装置、催化剂一剂两用和直接产生高纯氢气。

本发明的同时制氢和液态燃料的方法，包括如下内容：空气进入空气反应器，与单质Ni催化剂反应生成NiO和欠氧气体，高温欠氧气体从反应器顶部排出；NiO进入到燃料反应器，与底部通入的甲烷在燃料反应器下部发生氧化还原反应，生成CO、H₂和Ni，Ni再循环回到空气反应器中循环使用；CO、H₂和未转化的CH₄透过燃料反应器中部设置的筛网进入到反应器的上部，与Fe₂O₃催化剂进行费托合成反应，生成液态燃料和Fe；液态燃料从反应器顶部流出，Fe进入到制氢反应器中，与反应器底部通入的水蒸气反应，生成氢气和Fe₃O₄，氢气从反应器顶部排出进行收集，Fe₃O₄返回燃料反应器上部进行费托合成反应。

本发明方法中，所述的空气反应器的反应条件为：反应温度为500~1000℃，优选600~800℃，反应压力为常压，空气流速为5～100mL/min，优选为20～80mL/min。

本发明方法中，燃料反应器中设置的筛网为耐高温不锈钢材质，可以在室温~1000℃内正常使用，筛孔为320~360目。

本发明方法中，燃料反应器下部进行的氧化还原反应条件为：反应温度为600~1200℃，优选750~950℃，反应压力为常压，剂烷比（NiO与甲烷的摩尔比）为5/1~1/1，优选为3/1~1/1，甲烷流速为10～200mL/min，优选为30～100mL/min。

本发明方法中，燃料反应器上部进行的费托合成反应条件为：反应温度为200~400℃，优选250~350℃，反应压力为1～5MPa，优选2～3MPa，反应时间为10～100min，优选为20～50min。