[发明专利]富氢合成气和纯氢气的制备方法及制备系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种富氢合成气和纯氢气的制备方法及制备系统。

背景技术

固体含碳燃料气化是将固体含碳燃料与气化剂反应生成可燃气体的过程，是一种能源的高效利用途径，传统的气化剂包括纯氧、空气、水蒸气、二氧化碳等，纯氧气化产气中可燃气体浓度高、产气热值高，但是纯氧制备的高成本、高能耗，限制了纯氧气化的工业应用；空气气化产气中由于氮气的存在，产气热值低；水蒸气和二氧化碳气化均为强吸热反应，反应需在高温下进行，并且受反应平衡的限制，水蒸气和二氧化碳的用量大，产气中可燃气体浓度不高。化学链气化(Chemical Looping Gasification,CLG)是一种新颖的气化方式，其是利用载氧体中的晶格氧与固体含碳燃料发生部分氧化，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的合成气，合成气的热值高，较纯氧气化省去了制氧设备，并且载氧体对焦油具有催化作用，可降低焦油的产量，提高合成气的产率。

氢气因具有热值高、无污染等优点，被认为是最理想的清洁能源之一，同时也是一种重要的化工原料，广泛应用于合成氨工业、冶金工业、炼油行业等，现有制氢工艺主要有电解水制氢、化石燃料制氢等方法。电解水制氢能耗巨大，世界氢产量中也仅4％是由电解水的方法制得；化石燃料制氢，产气中氢气纯度较低，需经后续分离、提纯工序，工序复杂、制氢成本高。化学链蒸汽重整制氢(Chemical Looping Hydrogen Generation，CLHG)作为一种新型、高效、低能耗的制氢技术近些年逐渐受到广泛关注，其原理是利用脱去晶格氧的载氧体在重整反应器中与水蒸气反应，生成H₂和高价态载氧体。由于在与水蒸气反应过程中，仅涉及了金属、H、O等元素，不会产生杂质气体，相较于其他制氢技术实现了高效率、低成本纯氢气的制备。

但是，上述化学链气化制合成气和化学链蒸汽重整制氢气均需要载氧体的持续加入且使用后的载氧体不能重复利用，且整个工艺过程仍需耗能保持高温环境。由此，化学链气化制合成气和化学链蒸汽重整制氢气在原料利用率方面和节能方面还有可提升的空间。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种相对于现有单独的化学链气化制合成气和化学链蒸汽重整制氢气，能够提高原料利用率、降低能耗的富氢合成气和纯氢气的制备方法及制备系统。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明一方面提供一种富氢合成气和纯氢气的制备方法，包括如下步骤：S1、载氧体颗粒、水蒸气与固体含碳燃料进行气化反应，生成以氢气和一氧化碳为主要组分的粗合成气、释氧后的载氧体颗粒、以及灰分；S2、对粗合成气进行脱油脱水，形成富氢合成气；S3、释氧后的载氧体颗粒与水蒸气进行重整反应，生成包含氢气和水蒸气的混合气以及重新被部分氧化的载氧体颗粒；S4、对混合气进行脱水，形成纯氢气；S5、步骤S3形成的载氧体颗粒与含氧气体进行氧化反应，生成完全被氧化的载氧体颗粒和贫氧气体，完全氧化后的载氧体颗粒返回步骤S1中使用；S6、步骤S2和步骤S4中脱除的水与步骤S5生成的贫氧气体进行换热，形成水蒸气送回步骤S1中使用。

根据本发明，先将步骤S1获得的载氧体颗粒与粗合成气和灰分的混合物分离，再分离粗合成气和灰分，对分离出的粗合成气执行步骤S2，对分离出的载氧体颗粒执行步骤S3，并对灰分进行收集。

根据本发明，步骤S1中的气化反应的反应温度为750-1000℃；步骤S3中的重整反应的反应温度为700-1000℃；步骤S5中的氧化反应的反应温度为600-950℃。

根据本发明，含氧气体中氧气的体积浓度为5-21％。

根据本发明，步骤S1中采用的载氧体颗粒的直径为600-1000μm，该载氧体颗粒为镍基载氧体颗粒、铈基载氧体颗粒、铁基载氧体颗粒、钨基载氧体颗粒、钴基载氧体颗粒、铬基载氧体颗粒、铌基载氧体颗粒或其中任意两种以上复合而成的复合载氧体颗粒，或者钙钛矿型载氧体颗粒、类钙钛矿型载氧体颗粒。

根据本发明，步骤S1中采用的固体含碳燃料的直径为50-200μm，固体含碳燃料包括煤、煤焦、生物质、石油焦、油页岩、生活垃圾、含碳工业废物。