[发明专利]一种基于金属载氧体的化学链制氢装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于化工领域，特别涉及一种制取氢气的装置及方法，具体为基于金属载氧体的化学链制氢的装置及方法。

背景技术

作为能源消耗大国，我国每年都在消耗大量化石燃料。然而传统化石燃料在生产、运输和利用过程中都会对环境造成不同程度的损害，其主要燃烧产物二氧化碳、SOx、NOx等更是当前温室效应和酸雨等环境问题的主要元凶。随着我国的不断发展，由于消耗化石燃料所带来的环境问题逐渐受到社会的关注。而新能源作为环境友好型的能源，在生产、运输和利用过程对环境所造成的损害则小得多。

在当前的各种新能源中，氢作为一种重要的工业原料，以其热值高、无污染、不产生温室气体等独特优点受到越来越多的关注，如何低耗又环保的开发氢能也越来越受到广泛的重视。

目前化石燃料制氢己经占据全部制氢方式的95％，工业上最主要的制氢方法是天然气蒸汽重整制氢。重整反应生成的合成气主要是由二氧化碳与氢气组成的合成气，经过变压吸附、分离除去水与二氧化碳后得到纯氢。但在此过程中为分离温室气体二氧化碳所采用的水汽转换与变压吸附工艺都大大提高了制氢能耗。

在将来的很长一段时间内，化石燃料制氢仍是占主导作用的商业制氢方式，是氢能的主要来源。因此提高氢气纯度，以及低耗的实现二氧化碳的分离与捕集仍是化石燃料制氢所面临的一大问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于金属载氧体的化学链制氢装置及方法，以实现制取高纯度的氢气，同时达到二氧化碳内分离的效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于金属载氧体的化学链制氢装置，包括空气反应器、旋风分离器、一级燃料反应器、二级燃料反应器、气化反应器和隔离器；所述空气反应器的底部设置有空气进口，空气反应器的顶部通过空气反应器排气管与旋风分离器的上部相连通；所述旋风分离器的顶部设置有空气反应器烟气出口，旋风分离器的底部通过旋风分离器料腿与一级燃料反应器相连通；所述一级燃料反应器的底部与二级燃料反应器的底部相连通，所述一级燃料反应器的顶部设置有一级燃料反应器烟气出口，一级燃料反应器的底部设置有一级燃料反应器进口；所述二级燃料反应器的顶部设置有二级燃料反应器烟气出口，二级燃料反应器的底部设置有二级燃料反应器进口，所述二级燃料反应器的内部通过二级燃料反应器料腿与气化反应器相连通；气化反应器的顶部设置有气化反应器烟气出口，气化反应器的底部设置有气化反应器进口，气化反应器的顶部通过隔离器与空气反应器的下部相连通，隔离器的底部设置有隔离器进口。

进一步的，所述二级燃料反应器料腿的上端位于二级燃料反应器内的上部。

进一步的，所述空气反应器、二级燃料反应器和气化反应器均为流化床反应器，所述一级燃料反应器为移动床反应器。

一种基于金属载氧体的化学链制氢方法，在空气反应器内还原态的载氧体颗粒与空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒，氧化态的载氧体颗粒被气流携带进入旋风分离器进行气固分离，气流通过空气反应器烟气出口排出，分离下来的氧化态的载氧体颗粒通过旋风分离器料腿进入一级燃料反应器，与从一级燃料反应器进口进入一级燃料反应器的燃料气进行还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和轻度还原态的载氧体颗粒，二氧化碳和水蒸汽通过一级燃料反应器烟气出口排出，轻度还原态的载氧体颗粒被从二级燃料反应器进口进入二级燃料反应器的流化气携带进入二级燃料反应器，并与从二级燃料反应器进口进入二级燃料反应器的燃料气发生还原反应，生成二氧化碳、水蒸汽和深度还原态的载氧体颗粒，二氧化碳和水蒸汽通过二级燃料反应器烟气出口排出，深度还原态的载氧体颗粒在二级燃料反应器料腿的上部进入二级燃料反应器料腿，在重力作用下进入气化反应器，与从气化反应器进口进入的水蒸气发生制氢反应，生成还原态的载氧体颗粒与氢气，氢气与未反应的水蒸汽通过气化反应器烟气出口排出，还原态的载氧体颗粒通过隔离器返回到空气反应器，与从空气反应器进口进入空气反应器的空气进行氧化反应，生成氧化态的载氧体颗粒，完成载氧体颗粒的再生。

进一步的，在化学链制氢过程中，空气反应器处于850-1000℃的高温状态，一级燃料反应器和二级燃料反应器处于700-900℃的中温状态，气化反应器处于750-1000℃的中高温状态。

进一步的，从一级燃料反应器进口进入一级燃料反应器和从二级燃料反应器进口进入二级燃料反应器的气体均为含碳氢的燃料气体与氮气组成的多组分气体；从气化反应器进口进入气化反应器的气体为水蒸汽与氮气组成的多组分气体，从隔离器进口进入隔离器的气体为水蒸汽或氮气的单组份气体。