一种基于化学链技术的煤制氢气的系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于化学链技术的煤制氢气的系统，属于煤化工技术领域。

背景技术：

氢气是一种清洁能源，未来可作为化石燃料的替代能源。其燃烧的副产品只有水，氢气可满足日益增长的能源需求，且对环境无害。

目前而言，大部分工业规模的氢气来源于天然气重整，但是由于天然气价格的不断上升，由煤制氢气是一种更加经济的选择。

传统的煤制氢气技术的技术路线为由煤直接气化生成合成气(CO+H2)，合成气经过水煤气变换反应生成氢气和CO2。由于水煤气变换反应生成的氢气中含有大量的CO2，需要再经过低温甲醇洗和PSA等单元来分离CO2并得到高纯度的氢气。为分离CO2而增加的后续分离单元导致投资的增加，降低了系统的整体能源效率，且仅得到大气压力下的CO2，为将CO2转移到封存地点并实现捕集，不得不二次加压，导致能源效率的进一步降低。

技术实现要素：

本实用新型是针对上述技术问题提供一种基于化学链技术的煤制氢气的系统及方法，具有成本低廉、能源转化效率高、环保节能的优点。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于化学链技术的煤制氢气的方法，该方法包括以下步骤：

(1)纯净氧气和煤进入气化炉进行反应生成含有CO和H2的合成气；

(2)来自气化炉的合成气和来自空气燃烧器的处于最高价态的高温氧载体进入还原器，在还原器中高温氧载体被还原，合成气则被氧化生产含有CO2和水蒸气的混合物；

(3)来自还原器的还原态氧载体和来自第三换热器的水蒸气进入氧化器，在氧化器中还原态氧载体被氧化，水蒸气则大部分被还原为氢气；

(4)来自氧化器的氧化态的氧载体和来自大气中的空气进入空气燃烧器，在空气燃烧器中氧化态的氧载体被氧化至最高价态，然后送至还原器进行反应；

(5)来自界区的脱盐水经第一换热器、第二换热器、第三换热器换热后转变为水蒸气，来自第三换热器的水蒸气一部分进入氧化器进行反应，另一部分经第四换热器过热后送至膨胀机做功；

(6)来自还原器的产物气体经第二换热器、第一冷凝器降温并将水分离后得到高浓度的CO2；

(7)来自氧化器的产物气体经第三换热器、第二冷凝器降温并将水分离后得到高浓度的H2。

本实用新型技术方案中，所述氧载体的活性成分为Fe2O3，其粒径范围为0.5～5mm；所述氧载体的惰性成分为Al2O3、TiO2、YSZ的一种或几种；优选：氧载体中的活性成分和惰性成分的质量比为1～10：1；进一步优选：氧载体中的活性成分和惰性成分的质量比为1～5：1。

本实用新型技术方案中：还原器的操作温度为600～1100℃，操作压力为0.1-4MPa；优选的，操作温度为800～950℃，操作压力为2.5-3.5MPa。

本实用新型技术方案中：还原器中的氧载体/合成气摩尔比为0.2～0.9：1；优选：还原器中的氧载体/合成气摩尔比为0.5～0.9：1。

本实用新型技术方案中：氧化器的操作温度为650～850℃，操作压力为0.1-4MPa；优选的，操作温度为700～800℃，操作压力为2.5-3.5MPa。

本实用新型技术方案中：氧化器的水蒸气/氧载体摩尔比为为0.5～1.5：1。

本实用新型技术方案中：空气燃烧器的操作温度为650～1250℃，操作压力为0.1-4MPa；优选的，操作温度为700～900℃，操作压力为2.5-3.5MPa。

本实用新型技术方案中：空气燃烧器中氧载体/空气的重量比为10～30：1；优选：空气燃烧器中氧载体/空气的重量比为15～30：1。

一种用于实现上述的基于化学链技术的煤制氢气的系统，该系统包括空分单元、气化炉、还原器、氧化器和空气燃烧器；

煤的输出管道和空分单元的输出管道均通过气化炉与还原器相连，空气燃烧器的固体输出管道与还原器相连，所述还原器的气体输出端依次通过第二换热器和第一冷凝器相连；所述还原器的固体输出管道和第三换热器的一个输出管道均与氧化器相连，所述氧化器的气体输出管道依次通过第三换热器、第二冷凝器和氢气压缩机相连，所述氧化器的固体输出管道与空气燃烧器相连；所述的空气燃烧器通过第四换热器与膨胀机相连。

上述系统中：来自界区的脱盐水输出管道以及通过第一换热器、第二换热器和第三换热器相连，所述第三换热器相连的另一个输出管道与第四换热器相连。

所述气化炉为水煤浆炉或壳牌炉或其他类似炉型。

本实用新型技术方案中所述的压力为绝对压力。

本实用新型的有益效果：

化学链制氢是一种新型的高效制氢技术，借助氧载体的循环，化学链制氢可实现氧从空气/水蒸气到燃料的分步转移。由于空气、燃料、水蒸气分别在不同的反应器中参与反应，因此反应后空气的氮气、燃料生成的CO2及水蒸气产生的H2互不影响，因此能直接获得可富集高纯度的CO2和高浓度的H2，降低气体分离和富集成本。气化炉生成的合成气可直接转化为CO2，从可以将水煤气变换单元省略，简化了工艺流程，提高了能源转化效率，可将能源效率由传统煤制氢技术路线的64％提高至74％。此外本实用新型还省去了水煤气变换反应、低温甲醇洗、PSA等单元的设备投资及运行成本。

附图说明

图1是一种基于化学链技术的煤制氢气的工艺实施例的结构示意图。

其中：1为空分单元，2为气化炉，3为还原器，4为氧化器，5为空气燃烧器，6为第一换热器，7为第二换热器，8为第三换热器，9为第一冷凝器，10为第二冷凝器，11为第四换热器，12为膨胀机，13氮气压缩机。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于此：

一种基于化学链技术的煤制氢气的系统，该系统包括空分单元(1)、气化炉(2)、还原器(3)、氧化器(4)和空气燃烧器(5)；煤的输出管道和空分单元(1)的输出管道均通过气化炉(2)与还原器(3)相连，空气燃烧器(5)的固体输出管道与还原器(3)相连，所述还原器(3)的气体输出端依次通过第二换热器(7)和第一冷凝器(9)相连；所述还原器(3)的固体输出管道和第三换热器(3)的一个输出管道均与氧化器(4)相连，所述氧化器(4)的气体输出管道依次通过第三换热器(8)、第二冷凝器(10)和氢气压缩机(13)相连，所述氧化器(4)的固体输出管道与空气燃烧器(5)相连；所述的空气燃烧器(5)通过第四换热器(11)与膨胀机(12)相连。来自界区的脱盐水输出管道以及通过第一换热器(6)、第二换热器(7)和第三换热器(8)相连，所述第三换热器(8)相连的另一个输出管道与第四换热器(11)相连。

一种利用上述系统实现基于化学链技术的煤制氢气的方法，具体如下：

某煤种的收到基分析如下(wt％)：

灰分11.88％；元素碳：74.69％；元素氢：4.98％；元素氮：1.23％；元素硫：0.73％；元素氧：6.49％。该煤种高位发热量为7832W。

气化炉为壳牌炉，进入炉子的煤流量为1kg/h，来自空分单元的氧气流量为0.86kg/h，经反应后出壳牌炉的合成气压力30atm，温度为600℃，流量为0.0939kmol/h，大致组分如下：

来自气化炉的合成气和氧化态载氧体逆流进入还原器(还原器操作压力30atm，操作温度897℃)，氧化态载氧体流0.0657kmol/h，温度750℃，经反应后还原态载氧体(0.0657kmol/h，897℃)进入氧化器(氧化器操作压力30atm，操作温度782℃)，出还原器的气体产物主要是CO2和H2O，经换热器2、冷凝器1降温并分离出水后得到温度25℃、流量2.57kg/h、纯度99.5％的CO2产品流股。

来自界区的脱盐水经换热器1、换热器2、换热器3加热后得到300℃的水蒸汽，来自换热器3的水蒸汽一部分进入氧化器中和还原态载氧体反应，其中进入氧化器的水蒸汽流量1.051kg/h，温度300℃，氧化器中反应完成后，气体产物(主要是H2O和H2)经换热器3、冷凝器2降温并分离出水后得到高纯度的氢气，经氢气压缩机压缩后得到压力为165atm、流量为0.148kg/h的氢气产品。

来自氧化器的氧化态载氧体(10.155kg/h)和来自界区的空气(0.51kg/h)进入空气燃烧器(空气反应器操作温度750℃，空气反应器操作压力30atm)进行反应，反应后得到的最高价态氧化态载氧体(10.512kg/h)再次进入还原器进行循环。

来自换热器3的水蒸气经过换热器4过热后进入膨胀机做功，所做的功一部分用于空分单元的空气压缩机(344W)，另一部分用于氢气压缩机(222W)。

所述载氧体的活性组分为Fe2O3，惰性组分为TiO2和Al2O3，三者所占的质量比重分别为70％、15％、15％，载氧体粒径为5mm。

如果将氢气产生效率定义为氢气的高位发热量除以煤的高位发热量，按照本实施例的工艺路线，氢气的产生效率为74％；而根据传统的煤气化、水煤气转化技术路线，氢气的产生效率为64％，可见本实用新型可将氢气的产生效率提高10个百分点，从而提高了能源利用效率。