专利名称：一种煤气化制氢的装置及方法
技术领域：
本发明为一种基于钙基吸附剂循环的煤气化制氢的装置及方法，尤其是通过煤气化制氢装置实现煤气化、钙基吸附剂捕捉二氧化碳和碳酸钙煅烧三个过程分离的装置及方法。
背景技术：
煤炭利用技术产生大量的有害物质，对生态环境造成极大危害，其中排放的二氧化碳直接导致温室效应，而二氧化碳的分离与处理需要消耗大量能量，如何合理利用煤炭、 减少二氧化碳排放是煤炭利用技术的关键问题，煤炭利用技术主要分为直接燃烧与间接利用，间接利用主要通过化学链燃烧技术或煤气化等技术实现。传统的煤气化制氢技术，以石英砂作为床料，空气(氧气)、水蒸汽或氧气和水蒸汽的混合气体为流化气体，在气化反应器内煤颗粒进行部分燃烧和气化，分别生成燃烧产物与气化产物，收集后得到一定纯度的燃料气体，气化所需热量由煤的燃烧过程提供；缺点是煤燃烧产生的烟气掺混到煤气化产生的气化产物中，燃料气体品质低下。现阶段，基于双流化床反应器的煤气化制氢技术被采用，以钙基吸附剂颗粒作为床料，煤气化反应与碳酸钙的煅烧反应分离；在气化反应器内，水蒸汽作为流化气体，煤颗粒与水蒸汽进行气化反应，生成气化产物，同时，钙基吸附剂颗粒捕捉气化产物中的二氧化碳，生成碳酸钙颗粒，通过料腿返回到煅烧反应器，收集反应后的气体产物，得到一定纯度的燃料气体；在煅烧反应器内，碳酸钙颗粒煅烧生成钙基吸附剂颗粒，再生的吸附剂颗粒通过旋风分离器返回到气化反应器，从而实现钙基吸附剂的循环利用以及两个反应器间的热量传递。但在常压下，煤颗粒的最佳气化温度在900°C以上，而钙基吸附剂捕集二氧化碳的最佳温度在600-650°C ;在气化反应器中，煤颗粒气化与钙基吸附剂颗粒捕集二氧化碳这两个过程同时进行，二者最佳反应温度的不匹配性限制了该技术的应用，气化反应器中煤颗粒气化与钙基吸附剂颗粒捕集二氧化碳的效果都不理想，产生的燃料气中氢含量偏低，二氧化碳含量偏高，导致品质下降。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种能将煤气化、钙基吸附剂捕捉二氧化碳和碳酸钙煅烧三个过程分离的煤气化制氢的装置及方法，用该方法气化煤颗粒能得到更高品质的富氢燃料气，并有效地捕集二氧化碳。技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种煤气化制氢装置，包括气化反应器、与气化反应器相对设置的吸附反应器、设置在气化反应器与吸附反应器之间的煅烧反应器、气化旋风分离器、吸附旋风分离器、外置热交换器、气化隔离器和吸附隔离器，
气化反应器下部设有煤颗粒的进口和水蒸汽的第一进汽口，气化隔离器下部设有水蒸汽的第二进汽口，气化反应器的上部设有高温合成气的排气口，吸附反应器下部设有低温合成气的进气口和水蒸汽的第三进汽口，吸附反应器上部为富氢燃料气排气口，煅烧反应器的下部设有空气的进气口，气化旋风分离器的上部设有第一烟气排气口，吸附旋风分离器的上部设有第二烟气排气口；
外置热交换器的高温合成气的进气口连接气化反应器的高温合成气的排气口，外置热交换器的低温合成气的出气口接吸附反应器的低温合成气的进气口，煅烧反应器上部分别与气化旋风分离器的上部、吸附旋风分离器的上部相连通，气化反应器通过气化隔离器与煅烧反应器相连通，吸附反应器通过吸附隔离器与煅烧反应器相连通，气化旋风分离器下部的气化旋风分离器料腿插入气化反应器，吸附旋风分离器下部的吸附旋风分离器料腿插入吸附反应器中。优选的，所述煤气化制氢装置中的床料为钙基吸附剂颗粒。本发明还提供了一种煤气化制氢装置的气化方法煤气化制氢的方法包括煤颗粒的热解气化反应、钙基吸附剂颗粒的碳酸化反应和碳酸钙颗粒的煅烧反应；其中，
煤颗粒的热解气化反应气化反应器采用水蒸汽流化，将煤颗粒和水蒸汽分别从气化反应器下部的煤颗粒的进口与水蒸汽的第一进汽口输送进入气化反应器，煅烧反应器的高温钙基吸附剂颗粒通过气化旋风分离器料腿进入气化反应器，对煤颗粒和水蒸汽加热，煤颗粒发生热解气化反应，分解产生挥发性物质以及焦炭颗粒，焦炭颗粒进一步与水蒸汽发生水煤气反应产生高温合成气，同时，气化反应器中的钙基吸附剂颗粒进行脱硫反应吸收合成气中的硫氧化物，剩余的焦炭颗粒和钙基吸附剂颗粒经气化隔离器进入煅烧反应器，高温合成气从气化反应器上部高温合成气的排气口排出，气化反应器温度维持在 900 0C -950 0C ；
钙基吸附剂颗粒的碳酸化反应气化反应器排出的高温合成气经外置热交换器降温后，从吸附反应器下部低温合成气的进气口进入吸附反应器，煅烧反应器的高温钙基吸附剂颗粒经吸附旋风分离器分离后，通过吸附旋风分离器料腿进入吸附反应器，吸附反应器中的钙基吸附剂颗粒与合成气中的二氧化碳进行碳酸化反应，生成碳酸钙颗粒，反应后的碳酸钙颗粒与剩余钙基吸附剂颗粒经吸附隔离器进入煅烧反应器，反应后的富氢燃料气通过吸附反应器上部富氢燃料气排气口排出，吸附反应器的温度维持在600°C -650°C ；
碳酸钙颗粒的煅烧反应煅烧反应器采用空气流化，从气化反应器进入煅烧反应器的焦炭颗粒与空气进行燃烧反应，产生的热量对碳酸钙颗粒与钙基吸附剂颗粒进行加热，碳酸钙颗粒进行煅烧分解反应，生成再生钙基吸附剂与二氧化碳，高温钙基吸附剂颗粒分成两股，一股由气化旋风分离器分离后经气化旋风分离器料腿返回到气化反应器，为煤颗粒热解气化提供热源，另一股由吸附旋风分离器分离后经吸附旋风分离器料腿返回到吸附反应器内，烟气分别通过气化旋风分离器上部第一烟气排气口与吸附旋风分离器上部第二烟气排气口排出，煅烧反应器的温度维持在950°C -1000°C。有益效果传统的煤气化制氢技术，以石英砂作为床料，空气(氧气)、水蒸汽或氧气和水蒸汽的混合气体为流化气体，在气化反应器内煤颗粒进行部分燃烧和气化，分别生成燃烧产物与气化产物，收集后得到一定纯度的燃料气体，气化所需热量由煤的燃烧过程提供；缺点是煤燃烧产生的烟气掺混到煤气化产生的气化产物中，燃料气体品质低下。现阶段，基于双流化床反应器的煤气化制氢技术被采用，以钙基吸附剂颗粒作为床料，煤气化反应与碳酸钙的煅烧反应分离；在气化反应器内，水蒸汽作为流化气体，煤颗粒与水蒸汽进行气化反应，生成气化产物，同时，钙基吸附剂颗粒捕捉气化产物中的二氧化碳，生成碳酸钙颗粒，通过料腿返回到煅烧反应器，收集反应后的气体产物，得到一定纯度的燃料气体；在煅烧反应器内，碳酸钙颗粒煅烧生成钙基吸附剂颗粒，再生的吸附剂颗粒通过旋风分离器返回到气化反应器，从而实现钙基吸附剂的循环利用以及两个反应器间的热量传递。但在常压下，煤颗粒的最佳气化温度在900°C以上，而钙基吸附剂捕集二氧化碳的最佳温度在600-650°C ;在气化反应器中，煤颗粒气化与钙基吸附剂颗粒捕集二氧化碳这两个过程同时进行，二者最佳反应温度的不匹配性限制了该技术的应用，气化反应器中煤颗粒气化与钙基吸附剂颗粒捕集二氧化碳的效果都不理想，产生的燃料气中氢含量偏低，二氧化碳含量偏高，导致品质下降。本发明为煤气化制氢气的一种新方法，将现阶段的基于双流化床反应器的煤气化制氢装置改进为基于三级流化床反应器的煤气化制氢装置，实现煤气化、钙基吸附剂捕捉二氧化碳和碳酸钙煅烧三个过程的分离。主要优点在于能够分别控制三个反应器温度，以达到相应的最佳反应温度要求，有效地捕集合成气中二氧化碳，获得富氢燃料气，避免了单一反应器内煤气化温度与钙基吸附剂的二氧化碳捕捉温度不匹配的问题，进入气化反应器的钙基吸附剂颗粒同步进行脱硫反应，降低富氢燃料气中的硫含量。
图I是本发明的装置结构示意图。其中有气化反应器I、吸附反应器2、煅烧反应器3、气化旋风分离器4、旋风分离器的料腿41、吸附旋风分离器5、旋风分离器的料腿51、外置热交换器6、气化隔离器7、吸附隔离器8 ；
煤颗粒的进口 A、第一进汽口 B、第二进汽口 C、高温合成气的排气口 D、低温合成气的进气口 F、第三进汽口 G、富氢燃料气排气口 H、空气的进气口 E、第一烟气排气口 J、第二烟气排气口 I。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明进行说明。参见图I，本发明提供的煤气化制氢装置，包括气化反应器I、与气化反应器I相对设置的吸附反应器2、设置在气化反应器I与吸附反应器2之间的煅烧反应器3、气化旋风分离器4、吸附旋风分离器5、外置热交换器6、气化隔离器7和吸附隔离器8。气化反应器I下部设有煤颗粒的进口 A和水蒸汽的第一进汽口 B，气化隔离器7下部设有水蒸汽的第二进汽口 C，气化反应器I的上部设有高温合成气的排气口 D，吸附反应器2下部设有低温合成气的进气口 F和水蒸汽的第三进汽口 G，吸附反应器2上部为富氢燃料气排气口 H，煅烧反应器3的下部设有空气的进气口 E，气化旋风分离器4的上部设有第一烟气排气口 J，吸附旋风分离器5的上部设有第二烟气排气口 I。外置热交换器6的高温合成气的进气口连接气化反应器I的高温合成气的排气口 D，外置热交换器6的低温合成气的出气口与吸附反应器2的低温合成气的进气口 F，煅烧反应器3上部分别与气化旋风分离器4的上部、吸附旋风分离器5的上部相连通，气化反应器 I通过气化隔离器7与煅烧反应器3相连通，吸附反应器2通过吸附隔离器8与煅烧反应器 3相连通，气化旋风分离器4下部的气化旋风分离器料腿41插入气化反应器1，吸附旋风分离器5下部的吸附旋风分离器料腿51插入吸附反应器2中。所述煤气化制氢装置中的床料为钙基吸附剂颗粒。本发明还提供了一种煤气化制氢装置的气化方法，煤气化制氢的方法包括煤颗粒的热解气化反应、钙基吸附剂颗粒的碳酸化反应和碳酸钙颗粒的煅烧反应；其中，
煤颗粒的热解气化反应气化反应器I采用水蒸汽流化，将煤颗粒和水蒸汽分别从气化反应器I下部的煤颗粒的进口 A与水蒸汽的第一进汽口 B输送进入气化反应器1，煅烧反应器3的高温钙基吸附剂颗粒通过气化旋风分离器料腿41进入气化反应器1，对煤颗粒和水蒸汽加热，煤颗粒发生热解气化反应，分解产生挥发性物质以及焦炭颗粒，焦炭颗粒进一步与水蒸汽发生水煤气反应产生高温合成气，同时，气化反应器I中的钙基吸附剂颗粒进行脱硫反应吸收合成气中的硫氧化物，剩余的焦炭颗粒和钙基吸附剂颗粒经气化隔离器 7进入煅烧反应器3,高温合成气从气化反应器I上部高温合成气的排气口 D排出，气化反应器I温度维持在900°C -950°C。钙基吸附剂颗粒的碳酸化反应气化反应器I排出的高温合成气经外置热交换器 6降温后，从吸附反应器2下部低温合成气的进气口 F进入吸附反应器2，煅烧反应器3的高温钙基吸附剂颗粒经吸附旋风分离器5分离后，通过吸附旋风分离器料腿51进入吸附反应器2，吸附反应器2中的钙基吸附剂颗粒与合成气中的二氧化碳进行碳酸化反应，生成碳酸钙颗粒，反应后的碳酸钙颗粒与剩余钙基吸附剂颗粒经吸附隔离器8进入煅烧反应器3， 反应后的富氢燃料气通过吸附反应器2上部富氢燃料气排气口(H)排出，吸附反应器2的温度维持在600°C -650°C。碳酸钙颗粒的煅烧反应煅烧反应器3采用空气流化，从气化反应器I进入煅烧反应器3的焦炭颗粒与空气进行燃烧反应，产生的热量对碳酸钙颗粒与钙基吸附剂颗粒进行加热，碳酸钙颗粒进行煅烧分解反应，生成再生钙基吸附剂与二氧化碳，高温钙基吸附剂颗粒分成两股，一股由气化旋风分离器4分离后经气化旋风分离器料腿41返回到气化反应器 1，为煤颗粒热解气化提供热源，另一股由吸附旋风分离器5分离后经吸附旋风分离器料腿 51返回到吸附反应器2内，烟气分别通过气化旋风分离器4上部第一烟气排气口 J与吸附旋风分离器5上部第二烟气排气口 I排出，煅烧反应器3的温度维持在950°C -1000°C。气化反应器I采用水蒸汽流化，将煤颗粒和水蒸汽分别从气化反应器I下部的进口 A与进汽口 B输送进入气化反应器1，煅烧反应器3的高温钙基吸附剂颗粒通过料腿41 进入气化反应器1，对煤颗粒和水蒸汽加热，煤颗粒发生热解气化反应，分解产生挥发性物质以及焦炭颗粒，焦炭颗粒进一步与水蒸汽发生水煤气反应产生高温合成气，同时，气化反应器I中的钙基吸附剂颗粒进行脱硫反应吸收合成气中的硫氧化物，剩余的焦炭颗粒和钙基吸附剂颗粒经气化隔离器7进入煅烧反应器3，高温合成气从气化反应器I上部排气口 D 排出，气化反应器I温度维持在900-950°C。气化反应器I排出的高温合成气经外置热交换器6降温后，从吸附反应器2下部入口 F进入吸附反应器2，煅烧反应器3的高温钙基吸附剂颗粒经吸附旋风分离器5分离后，通过料腿51进入吸附反应器2，吸附反应器2中的钙基吸附剂颗粒与合成气中的二氧化碳进行碳酸化反应，生成碳酸钙颗粒，反应后的碳酸钙颗粒与剩余钙基吸附剂颗粒经吸附隔离器8进入煅烧反应器3，反应后的富氢燃料气通过吸附反应器2上部排气口 H排出，吸附反应器2的温度维持在600-650°C。
煅烧反应器3采用空气流化，从气化反应器I进入煅烧反应器3的焦炭颗粒与空气进行燃烧反应，产生的热量对碳酸钙颗粒与钙基吸附剂颗粒进行加热，碳酸钙颗粒进行煅烧分解反应，生成再生钙基吸附剂与二氧化碳，高温钙基吸附剂颗粒分成两股，一股由气化旋风分离器4分离后经料腿41返回到气化反应器1，为煤颗粒热解气化提供热源，另一股由吸附旋风分离器5分离后经料腿51返回到吸附反应器2内，烟气分别通过气化旋风分离器4上部排气口 J与吸附旋风分离器5上部排气口 I排出，煅烧反应器3的温度维持在 950-1000°C。采用水蒸汽作为隔离风通入气化隔离器7与吸附隔离器8密封以及料腿41与料腿51进行颗粒密封这两种密封方法，防止气化反应器I、吸附反应器2与煅烧反应器3间的气体串混。煤气化制氢的装置及方法，具体为采用三个不同的反应器一气化反应器、吸附反应器与煅烧反应器一将煤气化、钙基吸附剂捕捉二氧化碳和碳酸钙煅烧三个过程分离，三个反应器之间依靠钙基吸附剂颗粒进行热量传递，维持煤气化制氢装置热平衡，将煤颗粒气化生成的燃料产物气与碳酸钙颗粒煅烧生成的烟气分离开，得到高品质的富氢气体。本发明的装置由气化反应器、吸附反应器、煅烧反应器、气化旋风分离器、吸附旋风分离器、外置热交换器、气化隔离器和吸附隔离器组成，其方法在于在气化反应器中，水蒸汽为气化剂，高温钙基吸附剂颗粒为床料，煤与水蒸汽进行气化反应生成合成气，合成气通过外置热交换器降温后进入吸附反应器，高温钙基吸附剂颗粒经气化隔离器进入煅烧反应器，吸附反应器中，钙基吸附剂颗粒捕捉合成气中的二氧化碳生成富氢燃料气与碳酸钙颗粒，富氢燃料气从上部排气口排出，碳酸钙颗粒经吸附隔离器进入煅烧反应器，焦炭颗粒与空气在煅烧反应器内燃烧维持反应器温度，并为碳酸钙颗粒分解提供热量，碳酸钙颗粒分解产生的钙基吸附剂颗粒分成两股，分别由气化旋风分离器与吸附旋风分离器分离后通过料腿返回到气化反应器与吸附反应器循环利用，并为气化反应器中煤颗粒气化提供热量。采用水蒸汽作为隔离风通入气化隔离器与吸附隔离器密封以及料腿进行颗粒密封这两种密封方法，防止气化反应器、吸附反应器与煅烧反应器间的气体串混。其具体的结构为外置热交换器分别连接气化反应器的上部与吸附反应器的下部，煅烧反应器上部分别与气化旋风分离器与吸附旋风分离器的上部相连通，气化旋风分离器下部的料腿插入气化反应器，吸附旋风分离器下部的料腿插入吸附反应器中，气化反应器通过气化隔离器与煅烧反应器相连通，吸附反应器通过吸附隔离器与煅烧反应器相连通，气化反应器下部设有煤颗粒的进口，气化反应器的下部设有水蒸汽的进汽口、气化隔离器下部设有水蒸汽的进汽口，气化反应器的上部设有高温合成气的排气口，吸附反应器下部设有低温合成气的进气口，吸附隔离器的下部设有水蒸汽的进汽口，吸附反应器上部为富氢燃料气排气口，煅烧反应器的下部设有空气的进气口，气化旋风分离器与吸附旋风分离器的上部分别设有烟气排气口。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种煤气化制氢装置，包括气化反应器(I)、与气化反应器(I)相对设置的吸附反应器(2)、设置在气化反应器(I)与吸附反应器(2)之间的煅烧反应器(3)、气化旋风分离器(4)、吸附旋风分离器(5)、外置热交换器(6)、气化隔离器(7)和吸附隔离器(8)，气化反应器(I)下部设有煤颗粒的进口(A)和水蒸汽的第一进汽口(B)，气化隔离器(7)下部设有水蒸汽的第二进汽口(C)，气化反应器(I)的上部设有高温合成气的排气口 (D)，吸附反应器(2)下部设有低温合成气的进气口(F)和水蒸汽的第三进汽口(G)，吸附反应器(2)上部为富氢燃料气排气口(H)，煅烧反应器(3)的下部设有空气的进气口(E)，气化旋风分离器(4)的上部设有第一烟气排气口(J)，吸附旋风分离器(5)的上部设有第二烟气排气口⑴；其特征在于外置热交换器(6)的高温合成气的进气口连接气化反应器(I)的高温合成气的排气口(D)，外置热交换器(6 )的低温合成气的出气口接吸附反应器(2 )的低温合成气的进气口(F)，煅烧反应器(3)上部分别与气化旋风分离器(4)的上部、吸附旋风分离器(5)的上部相连通，气化反应器(I)通过气化隔离器(7)与煅烧反应器(3)相连通，吸附反应器(2)通过吸附隔离器(8)与煅烧反应器(3)相连通，气化旋风分离器(4)下部的气化旋风分离器料腿(41)插入气化反应器(1)，吸附旋风分离器(5)下部的吸附旋风分离器料腿(51)插入吸附反应器(2)中。
2.根据权利要求I所述煤气化制氢装置，其特征在于所述煤气化制氢装置中的床料为钙基吸附剂颗粒。
3.一种煤气化制氢方法，其特征在于煤气化制氢的方法包括煤颗粒的热解气化反应、钙基吸附剂颗粒的碳酸化反应和碳酸钙颗粒的煅烧反应；其中，煤颗粒的热解气化反应气化反应器(I)采用水蒸汽流化，将煤颗粒和水蒸汽分别从气化反应器(I)下部的煤颗粒的进口(A)与水蒸汽的第一进汽口(B)输送进入气化反应器 (1)，煅烧反应器(3)的高温钙基吸附剂颗粒通过气化旋风分离器料腿(41)进入气化反应器(I )，对煤颗粒和水蒸汽加热，煤颗粒发生热解气化反应，分解产生挥发性物质以及焦炭颗粒，焦炭颗粒进一步与水蒸汽发生水煤气反应产生高温合成气，同时，气化反应器(I)中的钙基吸附剂颗粒进行脱硫反应吸收合成气中的硫氧化物，剩余的焦炭颗粒和钙基吸附剂颗粒经气化隔离器(7 )进入煅烧反应器(3 )，高温合成气从气化反应器(I)上部高温合成气的排气口(D)排出，气化反应器(I)温度维持在900°C -950°C ；钙基吸附剂颗粒的碳酸化反应气化反应器(I)排出的高温合成气经外置热交换器(6)降温后，从吸附反应器(2)下部低温合成气的进气口(F)进入吸附反应器(2)，煅烧反应器(3)的高温钙基吸附剂颗粒经吸附旋风分离器(5)分离后，通过吸附旋风分离器料腿 (51)进入吸附反应器(2)，吸附反应器(2)中的钙基吸附剂颗粒与合成气中的二氧化碳进行碳酸化反应，生成碳酸钙颗粒，反应后的碳酸钙颗粒与剩余钙基吸附剂颗粒经吸附隔离器(8 )进入煅烧反应器(3 )，反应后的富氢燃料气通过吸附反应器(2 )上部富氢燃料气排气口(H)排出，吸附反应器(2)的温度维持在600°C -650°C ；碳酸钙颗粒的煅烧反应煅烧反应器(3)采用空气流化，从气化反应器(I)进入煅烧反应器(3)的焦炭颗粒与空气进行燃烧反应，产生的热量对碳酸钙颗粒与钙基吸附剂颗粒进行加热，碳酸钙颗粒进行煅烧分解反应，生成再生钙基吸附剂与二氧化碳，高温钙基吸附剂颗粒分成两股，一股由气化旋风分离器(4)分离后经气化旋风分离器料腿(41)返回到气化反应器(1)，为煤颗粒热解气化提供热源，另一股由吸附旋风分离器(5)分离后经吸附旋风分离器料腿(51)返回到吸附反应器(2)内，烟气分别通过气化旋风分离器(4)上部第一烟气排气口( J)与吸附旋风分离器(5)上部第二烟气排气口(I)排出，煅烧反应器(3)的温度维持在 9500C -IOOO0Co
全文摘要
本发明公开了一种煤气化制氢装置及方法，该装置包括气化反应器(1)、与气化反应器(1)相对设置的吸附反应器(2)、设置在气化反应器(1)与吸附反应器(2)之间的煅烧反应器(3)、气化旋风分离器(4)、吸附旋风分离器(5)、外置热交换器(6)、气化隔离器(7)和吸附隔离器(8)，外置热交换器(6)的高温合成气的进气口连接气化反应器(1)的高温合成气的排气口(D)。煤气化制氢的方法包括煤颗粒的热解气化反应、钙基吸附剂颗粒的碳酸化反应和碳酸钙颗粒的煅烧反应。用该装置及方法气化煤颗粒能得到更高品质的富氢燃料气，并有效地捕集二氧化碳。
文档编号C10K1/32GK102585911SQ201210027948
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月9日 优先权日2012年2月9日
发明者宋国辉, 宋涛, 沈来宏, 赵皓 申请人:东南大学