[发明专利]一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统及方法

说明书

本发明提出了一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统及方法，该系统至少包括炼焦、二氧化碳气化、热化学还原步、热化学氧化步四个过程；气化煤在炼焦过程热解产生焦炭和焦炉煤气，焦炉煤气直接作为产品气或者进行分离利用；二氧化碳气化过程中焦炭与二氧化碳反应产生一氧化碳，部分一氧化碳参与热化学还原步；在热化学还原步中，焦炭、一氧化碳等还原剂还原氧载体，生成还原态热化学氧载体和二氧化碳，二氧化碳参与二氧化碳气化过程循环利用；在热化学氧化步中，还原态热化学氧载体夺取水的氧原子，生成氢气和氧化态热化学氧载体；通过将煤气化过程中的还原性产物通入热化学还原步，克服了还原反应温度高和煤气化技术分离能耗大的问题。

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域以及太阳能利用技术领域，具体而言，涉及一种太阳能热化学技术以及一种煤气化技术。

背景技术

随着全球能源需求急剧增长，新能源的开发迫在眉睫。氢能是一种清洁、高效、可持续的新能源，是人类的战略能源发展方向。目前的制氢技术有煤制氢技术、太阳能制氢技术等。

我国具有以煤为主的能源结构，对煤炭能源的利用占总能源的68％，然而，随着煤炭发电的逐年利用，优质煤炭资源逐年减少，对低质煤炭利用途径的探索成为研究的重点。煤制氢技术是一种可行的低质煤炭利用路径，低质煤炭的反应活性高，开采成本低，使得煤制氢技术具有较好的技术经济性。传统的煤制氢技术将煤炭进行气化处理，即在高温常压或加压下，与气化剂反应，转化成为气体产物，气化剂为气态水或氧气。气化产品中一氧化碳和氢气为主要成分，然后经过净化、一氧化碳的变换与分离、提纯等一系列过程得到一定程度的氢气，再将分离出的一氧化碳进行水煤气变换，产生氢气和水，分理出水后制得氢气。然而传统的煤气化技术使用纯氧或气态水作为气化剂，产品气同时包含氢气、一氧化碳和二氧化碳，产品分离难度较大，目前产品气的分离一般采用变压吸附技术(PSA)，由于产品气中一氧化碳和氢气的占比均比较大，同时还有较多的二氧化碳，分离出一氧化碳和氢气所需的能耗较大，较大程度上降低了煤制氢效率。

为了降低产品气分离难度，一些学者提出了三步煤气化过程，先进行炼焦过程，将煤焦化产生焦炭和焦炉煤气，再进行气化过程，在700～900℃下焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，留下未参加反应的灰分。生成的一氧化碳部分作为产品气，部分作为制氢原料参与下一步的反应，一氧化碳与水蒸汽在高温催化剂的条件下反应产生二氧化碳与氢气，产生的二氧化碳又可以作为气化剂与焦炭反应生成一氧化碳，二氧化碳作为气化剂对纯度的要求较高，因此需要对二氧化碳进行分离提纯。该技术的化学方程式如下：

气化反应：C+CO₂→2CO

制氢反应：H₂O+CO→H₂+CO₂

该制氢技术产生的产品气成分相对较少，包括氢气、二氧化碳未反应完全的水蒸气，降低了分离能耗，但由于产品气中存在大量二氧化碳，使得产品气的分离仍然存在一定难度，不利于制氢效率的提高。为此，本发明提出了四步法制氢，引入太阳能热化学两步法制氢，使氢气和二氧化碳在分别在两个反应产生，大大降低分离能耗。

太阳能热化学两步法制氢是太阳能制氢的一个重要途径，通常采用金属氧化物作为中间氧载体，以氧化铈为例，氧化还原反应方程式如下：

还原反应：

氧化反应：

总反应：

在较高温度下发生还原反应，氧化铈失去氧原子，生成还原性较强的还原态氧化铈，还原态氧化铈再夺去水中的氧原子生成氢气。