專利名稱：一種基于Fe₂O₃-NiO混合物制取氫氣并分離CO₂的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用燃料制取氫氣的裝置，特別是涉及一種基于!^e2O3-NiO混合物制取氫氣并分離(X)2的裝置。
背景技術(shù)：
能源高效清潔利用是實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展策略之一。氫作為清潔能源，在能量的轉(zhuǎn)化過程中，伴隨產(chǎn)物為水，可真正實現(xiàn)污染物零排放。氫可以直接燃燒發(fā)電、供熱，或者通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能。隨著全球“石油安全”、“溫室效應”以及“環(huán)境保護”問題日益嚴峻，為了減小對石油的依存度，加強二氧化碳的捕集和封存，減小溫室氣體對環(huán)境的影響，在未來的可持續(xù)能源系統(tǒng)中，氫有望成為重要的能源載體。但遺憾的是自然界中的氫大多是以化合態(tài)存在，作為二次能源必須由其它一次能源諸如天然氣、煤炭、生物質(zhì)等含碳一次能源轉(zhuǎn)換而獲得。我國是一個以煤炭為主的能源消耗大國，在能源的選擇上，以煤為主的化石燃料仍將扮演著非常重要的角色。化石能源向氫能轉(zhuǎn)化的過程中會排放出大量的CO2, 由此引起的溫室效應對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞。由于以化石燃料為基礎的氫生產(chǎn)過程排放的(X)2的量相當巨大，氫作為環(huán)境友好的清潔能源的優(yōu)點將會消失。因此，在化石燃料制氫過程中，有效分離并捕集(X)2成為實現(xiàn)化石燃料清潔制氫的關(guān)鍵之一。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種基于!^e2O3-NiO混合物制取氫氣并分離CO2的裝置，本發(fā)明在利用燃料制取氫氣的同時能有效分離CO2，具有減少溫室氣體排放的優(yōu)點。本發(fā)明的裝置技術(shù)方案如下一種用于上述!^e2O3-NiO混合物制取氫氣并分離(X)2的裝置，由水蒸氣反應器流化床、燃料反應器與空氣反應器流化床組成；水蒸氣反應器流化床由水蒸氣反應器底室、水蒸氣反應器過渡段以及水蒸氣反應器提升管組成；水蒸氣反應器提升管通過水蒸氣反應器過渡段與水蒸氣反應器底室相連，水蒸氣反應器提升管的上端連接有氫氣旋風分離器，氫氣旋風分離器通過第一下料管與第三溢流槽相連，第三溢流槽與空氣反應器流化床連接；空氣反應器流化床由空氣反應器底室、空氣反應器過渡段、空氣反應器提升管、空氣旋風分離器及第二下料管組成，空氣反應器底室通過空氣反應器過渡段與空氣反應器提升管相連， 空氣反應器提升管的頂端與空氣旋風分離器相連，所述的第三溢流槽與空氣反應器流化床中的空氣反應器底室連接，空氣旋風分離器通過第二下料管以及第二溢流槽與燃料反應器連接；燃料反應器由燃料反應器主體、燃料反應器過渡段、燃料反應器底室以及第一溢流槽組成，燃料反應器主體通過燃料反應器過渡段與燃料反應器底室相連，燃料反應器底室與第一溢流槽相連，第一溢流槽與水蒸氣反應器底室相連，所述空氣旋風分離器通過第二下料管以及第二溢流槽與燃料反應器的燃料反應器主體的頂端連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)在了解本發(fā)明裝置之前，首先涉及到!^e2O3和NiO的還原過程[0008]Fe2O3的還原次序為Fe2O3 — Fe3O4 — FeO — Fe 高于 570 °CFe2O3 ^ FeO ^ Fe低于 570°C NiO的還原次序僅為NiO ^ NiFe2O3轉(zhuǎn)化為Fii3O4的過程如下3Fe203+H2 — 2Fe304+H203Fe203+C0 — 2Fe304+C0212Fe203+CH4 — 8Fe304+C02+2H2NiO轉(zhuǎn)化為Ni的過程如下Ni0+H2 — Ni+H2ONiO+CO ^ Ni+CO24NiO+CH4 — 4Ni+C02+2H20根據(jù)化學反應熱力學原理，F(xiàn)e2O3轉(zhuǎn)化為!^e3O4和NiO轉(zhuǎn)化為Ni的過程，為不可逆過程，即燃料氣體H2、C0和CH4能夠完全轉(zhuǎn)化為CO2和水蒸氣，故反應處于平衡態(tài)時，出口氣體中沒有未反應的H2、CO和CH4 ；從動力學上，NiO的反應活性高于!^e2O3的反應活性。其次，F(xiàn)ii3O4轉(zhuǎn)化為FeO和!^e的過程如下Fe304+C0 — 3Fe0+C02Fe304+H2 — 3Fe0+H204Fe304+CH4 — 12Fe0+C02+2H20FeO+CO — Fe+C02Fe0+H2 — Fe+H204FeO+CH4 — 4Fe+C02+2H20根據(jù)化學熱力學平衡原理，F(xiàn)e3O4在轉(zhuǎn)化為FeO和Fe的反應均為可逆反應。在反應達到平衡態(tài)的情況下，仍有部分CO、H2和CH4沒有參與反應。若制取氫氣，氧化鐵F^O3必須還原為較低價態(tài)的FeO或Fe，并與水蒸氣反應，即制氫過程中必須涉及到!^e3O4還原為FeO和狗的反應。根據(jù)上述熱力學分析，F(xiàn)e3O4轉(zhuǎn)化為 FeO和!^e的反應過程均為可逆反應，排放的氣體中含有未完全轉(zhuǎn)化的H2, CO和CH4,冷凝分離出其中的水后，無法得到純凈的CO2，而本裝置利用了 NiO在燃料氣中還原的不可逆性以及NiO與燃料氣體反應的高活性，利用NiO反應未轉(zhuǎn)化的殘余燃料氣體，實現(xiàn)燃料氣體的完全轉(zhuǎn)化。在燃料反應器內(nèi)，F(xiàn)e2O3和NiO從燃料反應器的頂部進入，然后從燃料反應器的底部溢流至水蒸氣反應器，燃料氣體則從燃料反應器底部進入。燃料反應器主體的橫截面積大于燃料反應器底室，在燃料反應器主體中氣固混合物處于移動床狀態(tài)，燃料氣體與狗203 和NiO逆向運動。燃料反應器底室由于床體橫截面積縮小，氣體流速高，氣固兩相處于鼓泡流態(tài)化。在燃料反應器主體中，F(xiàn)e2O3和NiO向下運動，氣體向上運動。新進入燃料反應器的 Fe2O3和NiO在上部被來自下部未完全轉(zhuǎn)化的燃料氣體還原為!^e3O4和Ni，該反應為不可逆過程，氣體產(chǎn)物僅為CO2和水蒸氣，冷凝分離出其中的水后，獲得純凈的C02。還原后的!^e3O4 與Ni繼續(xù)下落，在燃料反應器下部由于新進的燃料氣體濃度高，F(xiàn)e3O4被進一步還原為FeO和狗。在燃料反應器底室，由于反應器橫截面積減小，氣體流速高，氣固兩相處于鼓泡流態(tài)化，還原態(tài)的!^0、Fe和M溢流至水蒸氣反應器進行制氫反應。未完全反應的燃料氣隨著生成的(X)2和水蒸氣一起上升，并被燃料反應器上部新進入的狗203和NiO反應完全轉(zhuǎn)化為 CO2和吐0。利用Aspen Plus化工軟件模擬，從化學反應平衡角度考慮現(xiàn)有的化學鏈制氫裝置，當燃料反應器溫度在900°C時，燃料反應器進口氣體為合成氣，⑶與氏的摩爾比為 1 1，若僅利用狗203作為載氧體時，出口氣體為CO、H2、COjPH2O的混合物，其摩爾比為
0.2 0.8 0. 17 0.83，即燃料氣體中有20%的CO以及17%的H2未能轉(zhuǎn)化，冷凝分離出燃料反應器出口的水后，不能得到純凈的C02。利用本發(fā)明制氫過程，由于NiO還原的不可逆性，在進口氣體為合成氣時，且⑶與吐的摩爾比為1 1，出口氣體中除了 CO2與H2O, CO和吐的濃度之和不足1%，冷凝分離出其中的水后，(X)2排放的純度高達99%以上。(2)與傳統(tǒng)的鐵氧化物三聯(lián)床反應制氫分離CO2技術(shù)相比較，本法使用了 NiO吸收反應因鐵氧化物深度還原而未完全轉(zhuǎn)化的燃料氣。在動力學上，NiO的反應活性高于狗203， 保證了燃料氣體的完全轉(zhuǎn)化。同時，在燃料反應器的設計上采用了移動床，NiO在燃料反應器上部反應了未完全轉(zhuǎn)化的燃料氣體，生成的M進入燃料反應器下部，Ni不再參與反應， 故其并不影響鐵氧化物的深度還原。在實現(xiàn)了燃料完全轉(zhuǎn)化的同時獲得了還原態(tài)的FeO和狗。在熱力學上，還原態(tài)的M幾乎不與水蒸氣反應，M經(jīng)過水蒸氣反應器后進入空氣反應器，Ni的氧化反應是強烈的放熱過程，釋放的熱量可以被二次利用。同時，NiO作為一種固體載體，將大量的熱量以固體顯熱的形式從空氣反應器帶到燃料反應器，用以維持燃料反應器中吸熱反應。(3)傳統(tǒng)天然氣水蒸氣重整制氫是先將重整后得到的以吐和(X)2為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)品，然后經(jīng)過凈化、CO變換和PSA分離提純等處理而獲得一定純度的產(chǎn)品氫。與傳統(tǒng)天然氣水蒸氣重整制氫相比，本發(fā)明無需涉及0)2和吐的分離的設備、減少實現(xiàn)以上工藝所涉及的能源消耗。通過水蒸氣與 ^Ο以及！^反應生成氫氣，生成物經(jīng)冷卻即為純凈的氫氣。

圖1為本發(fā)明基于!^e2O3-NiO混合物制取氫氣并分離(X)2的裝置圖。
具體實施方式
一種基于!^e2O3-NiO混合物制取氫氣并分離(X)2的裝置，由水蒸氣反應器流化床
1、燃料反應器2與空氣反應器流化床3組成；水蒸氣反應器流化床1由水蒸氣反應器底室1-1、水蒸氣反應器過渡段1-2以及水蒸氣反應器提升管1-3組成；水蒸氣反應器提升管 1-3通過水蒸氣反應器過渡段1-2與水蒸氣反應器底室1-1相連，水蒸氣反應器提升管1-3 的上端連接有氫氣旋風分離器1-4，氫氣旋風分離器1-4通過第一下料管5與第三溢流槽 4相連，第三溢流槽4與空氣反應器流化床3連接；空氣反應器流化床3由空氣反應器底室 3-1、空氣反應器過渡段3-2、空氣反應器提升管3-3、空氣旋風分離器3-4及第二下料管3_5 組成，空氣反應器底室3-1通過空氣反應器過渡段3-2與空氣反應器提升管3-3相連，空氣反應器提升管3-3的頂端與空氣旋風分離器3-4相連，所述的第三溢流槽4與空氣反應器流化床3中的空氣反應器底室3-1連接，空氣旋風分離器3-4通過第二下料管3-5以及第二溢流槽2-5與燃料反應器2連接；燃料反應器2由燃料反應器主體2-4、燃料反應器過渡段2-3、燃料反應器底室2-2以及第一溢流槽2-1組成，燃料反應器主體2-4通過燃料反應器過渡段2-3與燃料反應器底室2-2相連，燃料反應器主體2-4的橫截面積大于燃料反應器底室2-2的橫截面積；燃料反應器底室2-2與第一溢流槽2-1相連，第一溢流槽2-1與水蒸氣反應器底室1-1相連，所述空氣旋風分離器3-4通過第二下料管3-5以及第二溢流槽 2-5與燃料反應器2的燃料反應器主體2-4的頂端連接；如附圖1。
權(quán)利要求1.一種基于!^e2O3-NiO混合物制取氫氣并分離(X)2的裝置，其特征在于，由水蒸氣反應器流化床(1)、燃料反應器(2)與空氣反應器流化床(3)組成；水蒸氣反應器流化床(1)由水蒸氣反應器底室(1-1)、水蒸氣反應器過渡段(1-2)以及水蒸氣反應器提升管(1-3)組成；水蒸氣反應器提升管(1-3)通過水蒸氣反應器過渡段(1-2)與水蒸氣反應器底室(1-1) 相連，水蒸氣反應器提升管(1-3)的上端連接有氫氣旋風分離器(1-4)，氫氣旋風分離器 (1-4)通過第一下料管(5)與第三溢流槽(4)相連，第三溢流槽(4)與空氣反應器流化床(3) 連接；空氣反應器流化床(3)由空氣反應器底室(3-1)、空氣反應器過渡段(3-2)、空氣反應器提升管(3-3)、空氣旋風分離器(3-4)及第二下料管(3-5)組成，空氣反應器底室(3-1)通過空氣反應器過渡段(3-2)與空氣反應器提升管(3-3)相連，空氣反應器提升管(3-3)的頂端與空氣旋風分離器(3-4)相連，所述的第三溢流槽(4)與空氣反應器流化床(3)中的空氣反應器底室(3-1)連接，空氣旋風分離器(3-4)通過第二下料管(3-5)以及第二溢流槽 (2-5)與燃料反應器(2)連接；燃料反應器(2)由燃料反應器主體(2-4)、燃料反應器過渡段(2-3)、燃料反應器底室(2-2)以及第一溢流槽(2-1)組成，燃料反應器主體(2-4)通過燃料反應器過渡段(2-3 )與燃料反應器底室(2-2 )相連，燃料反應器底室(2-2 )與第一溢流槽 (2-1)相連，第一溢流槽(2-1)與水蒸氣反應器底室(1-1)相連，所述空氣旋風分離器(3-4) 通過第二下料管(3-5)以及第二溢流槽(2-5)與燃料反應器(2)的燃料反應器主體(2-4) 的頂端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于燃料反應器主體(2-4)的橫截面積大于燃料反應器底室(2-1)的橫截面積。
專利摘要本實用新型公開了一種基于Fe2O3-NiO混合物制取氫氣并分離CO2的裝置，由水蒸氣反應器流化床、燃料反應器與空氣反應器流化床組成；在水蒸氣反應器流化床中，水蒸氣反應器提升管經(jīng)過渡段與水蒸氣反應器底室相連，水蒸氣反應器提升管的上端連接氫氣旋風分離器，氫氣旋風分離器經(jīng)下料管與第三溢流槽相連，第三溢流槽與空氣反應器底室連接；在空氣反應器流化床中，空氣反應器底室經(jīng)過渡段與空氣反應器提升管相連，空氣反應器提升管的頂端與空氣旋風分離器相連，空氣旋風分離器經(jīng)下料管以及第二溢流槽與燃料反應器連接；在燃料反應器中，燃料反應器主體通過過渡段與燃料反應器底室相連，燃料反應器底室與第一溢流槽相連，第一溢流槽與水蒸氣反應器底室相連。
文檔編號C01B3/02GK202099045SQ20112009591
公開日2012年1月4日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者向文國, 王東, 陳時熠 申請人:東南大學