[发明专利]一种硅酸盐碳酸化增强水气变换制氢并固定二氧化碳的方法及装置

说明书

本发明公开了一种硅酸盐碳酸化增强水气变换制氢并固定二氧化碳的方法及装置，所述方法是一氧化碳和水蒸气在高温、催化剂的条件下进行水气变换反应，反应生成的变换气（二氧化碳和氢气）以2.0~5.0 m/s的速度从分离反应器底部的变换气进口进入，穿过连接通道进入到分离反应器主体中，二氧化碳被硅酸盐矿物颗粒吸收，在分离反应器出口处得到高纯度氢气。分离反应器设有多道闸门，所述闸门均连接自动化控制系统，通过所述自动化控制系统完成硅酸盐矿物废料的及时剔除和收集、新鲜硅酸盐矿物颗粒的及时填充，实现水气变换制氢中二氧化碳的强化分离。本发明有效解决了CO₂及时高效可持续吸收、硅酸盐矿物废料收集及新鲜硅酸盐矿物颗粒填充的问题。

技术领域

本发明属于二氧化碳固定领域，具体涉及一种硅酸盐碳酸化增强水气变换制氢并固定二氧化碳的方法及装置。

背景技术

氢气作为一种重要的燃料和工业原料，主要用于合成氨、石油工业、冶金、燃料电池等，在现代工业生产中具有重要和广泛的用途。氢能源具有以下优点：清洁无污染，燃烧不具有其他污染物；热值高，与甲烷乙醇等其他燃料相比，热值要高出好几倍，除核燃料外，氢能是所有化石燃料，化工燃料和生物燃料中热值最高的。

水气变换反应[CO（g）+H₂O（g）→CO₂（g）+H₂（g）]在消除CO的同时还可以获得氢气，主要用于工业制氢、合成氨及合成甲醇等工艺。水气变换反应需在高温及催化剂的条件下进行。本发明装置与水气变换反应器连接并同时工作，一氧化碳与水蒸气在水气变换反应器中经充分反应后，产物二氧化碳与氢气直接进入本装置，在装置中实现对二氧化碳的实时去除，增强H₂的产量和浓度。

脱除CO₂的方法有很多种，如膜分离法、固体吸收剂吸收法、胺吸收法等。其中固体吸附剂吸收法应用广泛，常见的有锂基、镁基、水滑石以及钙基材料等。硅酸盐在CO₂吸收方面效果良好，硅酸盐对CO₂的吸附具有以下特点：吸附量大、吸附速率快。研究表明，每100kg的硅酸盐可以吸收36kg的CO₂；在500℃下，10min内硅酸盐可以吸收近300kg的CO₂。硅酸盐矿物在自然界中的含量丰富，如蛇纹石、镁橄榄石、滑石等，通过硅酸盐矿物吸收CO₂可以生成永久的、稳定的碳酸盐，实现对CO₂的永久固定。目前尚未有利用硅酸盐矿物在水气变换制氢反应中吸附CO₂强化制氢的实例，其潜在利用价值尚未被发掘。

自动化如今已得到广泛应用，尤其在工业生产上应用颇多，通过自动化控制系统中设备的开关等，可以使系统中各个设备、单元之间产生优良的协调效果，从而使整个系统运行流畅。目前尚未有在水气变换制氢中引入自动化来强化二氧化碳分离从而高效制氢的案例。通过在对称系统中引入PLC控制系统，控制承载着硅酸盐矿物的栅板翻转，可及时的将吸附CO₂后的硅酸盐矿物废料剔除，同时又可通过控制闸门的升降，及时的向系统中填充新鲜的硅酸盐颗粒，保证了系统对CO₂的高效吸收。通过自动化控制对称系统交互工作，在一套系统清理硅酸盐矿物废料的同时，另一套系统工作，保证了系统对CO₂的持续吸收。

通过本装置与水气变换反应器联合作用，生产得到的氢气纯度高达95%，简化了制氢流程，通过硅酸盐矿物对CO₂的持续、高效、永久吸收，降低了CO₂的产率，实现了持续制得高纯度氢气，降低了制氢成本。

发明内容

为实现水气变换高效制氢的目的，本发明提供了一种硅酸盐碳酸化增强水气变换制氢并固定二氧化碳的方法及装置，以提高制得氢气的产量和纯度。本发明所要解决的技术问题是水气变换制氢中吸收二氧化碳后硅酸盐矿物废料的及时剔除和新硅酸盐矿物颗粒的及时加入。本发明的技术方案是通过自动化控制及时剔除分离反应器内部的硅酸盐矿物废料，并且及时补充新鲜硅酸盐矿物颗粒进入分离反应器，实现水气变换高效制氢中二氧化碳的强化分离。