专利名称：一种基于Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-NiO混合物制取氢气并分离CO<sub>2</sub>的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用燃料制取氢气的装置，特别是涉及一种基于!^e2O3-NiO混合物制取氢气并分离(X)2的装置。
背景技术：
能源高效清洁利用是实现能源的可持续发展策略之一。氢作为清洁能源，在能量的转化过程中，伴随产物为水，可真正实现污染物零排放。氢可以直接燃烧发电、供热，或者通过燃料电池转化为电能。随着全球“石油安全”、“温室效应”以及“环境保护”问题日益严峻，为了减小对石油的依存度，加强二氧化碳的捕集和封存，减小温室气体对环境的影响，在未来的可持续能源系统中，氢有望成为重要的能源载体。但遗憾的是自然界中的氢大多是以化合态存在，作为二次能源必须由其它一次能源诸如天然气、煤炭、生物质等含碳一次能源转换而获得。我国是一个以煤炭为主的能源消耗大国，在能源的选择上，以煤为主的化石燃料仍将扮演着非常重要的角色。化石能源向氢能转化的过程中会排放出大量的CO2, 由此引起的温室效应对生态环境造成严重的破坏。由于以化石燃料为基础的氢生产过程排放的(X)2的量相当巨大，氢作为环境友好的清洁能源的优点将会消失。因此，在化石燃料制氢过程中，有效分离并捕集(X)2成为实现化石燃料清洁制氢的关键之一。
发明内容本发明提供了一种基于!^e2O3-NiO混合物制取氢气并分离CO2的装置，本发明在利用燃料制取氢气的同时能有效分离CO2，具有减少温室气体排放的优点。本发明的装置技术方案如下一种用于上述!^e2O3-NiO混合物制取氢气并分离(X)2的装置，由水蒸气反应器流化床、燃料反应器与空气反应器流化床组成；水蒸气反应器流化床由水蒸气反应器底室、水蒸气反应器过渡段以及水蒸气反应器提升管组成；水蒸气反应器提升管通过水蒸气反应器过渡段与水蒸气反应器底室相连，水蒸气反应器提升管的上端连接有氢气旋风分离器，氢气旋风分离器通过第一下料管与第三溢流槽相连，第三溢流槽与空气反应器流化床连接；空气反应器流化床由空气反应器底室、空气反应器过渡段、空气反应器提升管、空气旋风分离器及第二下料管组成，空气反应器底室通过空气反应器过渡段与空气反应器提升管相连， 空气反应器提升管的顶端与空气旋风分离器相连，所述的第三溢流槽与空气反应器流化床中的空气反应器底室连接，空气旋风分离器通过第二下料管以及第二溢流槽与燃料反应器连接；燃料反应器由燃料反应器主体、燃料反应器过渡段、燃料反应器底室以及第一溢流槽组成，燃料反应器主体通过燃料反应器过渡段与燃料反应器底室相连，燃料反应器底室与第一溢流槽相连，第一溢流槽与水蒸气反应器底室相连，所述空气旋风分离器通过第二下料管以及第二溢流槽与燃料反应器的燃料反应器主体的顶端连接。与现有技术相比，本发明具有如下优点(1)在了解本发明装置之前，首先涉及到!^e2O3和NiO的还原过程[0008]Fe2O3的还原次序为Fe2O3 — Fe3O4 — FeO — Fe 高于 570 °CFe2O3 ^ FeO ^ Fe低于 570°C NiO的还原次序仅为NiO ^ NiFe2O3转化为Fii3O4的过程如下3Fe203+H2 — 2Fe304+H203Fe203+C0 — 2Fe304+C0212Fe203+CH4 — 8Fe304+C02+2H2NiO转化为Ni的过程如下Ni0+H2 — Ni+H2ONiO+CO ^ Ni+CO24NiO+CH4 — 4Ni+C02+2H20根据化学反应热力学原理，Fe2O3转化为!^e3O4和NiO转化为Ni的过程，为不可逆过程，即燃料气体H2、C0和CH4能够完全转化为CO2和水蒸气，故反应处于平衡态时，出口气体中没有未反应的H2、CO和CH4 ；从动力学上，NiO的反应活性高于!^e2O3的反应活性。其次，Fii3O4转化为FeO和!^e的过程如下Fe304+C0 — 3Fe0+C02Fe304+H2 — 3Fe0+H204Fe304+CH4 — 12Fe0+C02+2H20FeO+CO — Fe+C02Fe0+H2 — Fe+H204FeO+CH4 — 4Fe+C02+2H20根据化学热力学平衡原理，Fe3O4在转化为FeO和Fe的反应均为可逆反应。在反应达到平衡态的情况下，仍有部分CO、H2和CH4没有参与反应。若制取氢气，氧化铁F^O3必须还原为较低价态的FeO或Fe，并与水蒸气反应，即制氢过程中必须涉及到!^e3O4还原为FeO和狗的反应。根据上述热力学分析，Fe3O4转化为 FeO和!^e的反应过程均为可逆反应，排放的气体中含有未完全转化的H2, CO和CH4,冷凝分离出其中的水后，无法得到纯净的CO2，而本装置利用了 NiO在燃料气中还原的不可逆性以及NiO与燃料气体反应的高活性，利用NiO反应未转化的残余燃料气体，实现燃料气体的完全转化。在燃料反应器内，Fe2O3和NiO从燃料反应器的顶部进入，然后从燃料反应器的底部溢流至水蒸气反应器，燃料气体则从燃料反应器底部进入。燃料反应器主体的横截面积大于燃料反应器底室，在燃料反应器主体中气固混合物处于移动床状态，燃料气体与狗203 和NiO逆向运动。燃料反应器底室由于床体横截面积缩小，气体流速高，气固两相处于鼓泡流态化。在燃料反应器主体中，Fe2O3和NiO向下运动，气体向上运动。新进入燃料反应器的 Fe2O3和NiO在上部被来自下部未完全转化的燃料气体还原为!^e3O4和Ni，该反应为不可逆过程，气体产物仅为CO2和水蒸气，冷凝分离出其中的水后，获得纯净的C02。还原后的!^e3O4 与Ni继续下落，在燃料反应器下部由于新进的燃料气体浓度高，Fe3O4被进一步还原为FeO和狗。在燃料反应器底室，由于反应器横截面积减小，气体流速高，气固两相处于鼓泡流态化，还原态的!^0、Fe和M溢流至水蒸气反应器进行制氢反应。未完全反应的燃料气随着生成的(X)2和水蒸气一起上升，并被燃料反应器上部新进入的狗203和NiO反应完全转化为 CO2和吐0。利用Aspen Plus化工软件模拟，从化学反应平衡角度考虑现有的化学链制氢装置，当燃料反应器温度在900°C时，燃料反应器进口气体为合成气，⑶与氏的摩尔比为 1 1，若仅利用狗203作为载氧体时，出口气体为CO、H2、COjPH2O的混合物，其摩尔比为
0.2 0.8 0. 17 0.83，即燃料气体中有20%的CO以及17%的H2未能转化，冷凝分离出燃料反应器出口的水后，不能得到纯净的C02。利用本发明制氢过程，由于NiO还原的不可逆性，在进口气体为合成气时，且⑶与吐的摩尔比为1 1，出口气体中除了 CO2与H2O, CO和吐的浓度之和不足1%，冷凝分离出其中的水后，(X)2排放的纯度高达99%以上。(2)与传统的铁氧化物三联床反应制氢分离CO2技术相比较，本法使用了 NiO吸收反应因铁氧化物深度还原而未完全转化的燃料气。在动力学上，NiO的反应活性高于狗203， 保证了燃料气体的完全转化。同时，在燃料反应器的设计上采用了移动床，NiO在燃料反应器上部反应了未完全转化的燃料气体，生成的M进入燃料反应器下部，Ni不再参与反应， 故其并不影响铁氧化物的深度还原。在实现了燃料完全转化的同时获得了还原态的FeO和狗。在热力学上，还原态的M几乎不与水蒸气反应，M经过水蒸气反应器后进入空气反应器，Ni的氧化反应是强烈的放热过程，释放的热量可以被二次利用。同时，NiO作为一种固体载体，将大量的热量以固体显热的形式从空气反应器带到燃料反应器，用以维持燃料反应器中吸热反应。(3)传统天然气水蒸气重整制氢是先将重整后得到的以吐和(X)2为主要成分的气态产品，然后经过净化、CO变换和PSA分离提纯等处理而获得一定纯度的产品氢。与传统天然气水蒸气重整制氢相比，本发明无需涉及0)2和吐的分离的设备、减少实现以上工艺所涉及的能源消耗。通过水蒸气与 ^Ο以及！^反应生成氢气，生成物经冷却即为纯净的氢气。
图1为本发明基于!^e2O3-NiO混合物制取氢气并分离(X)2的装置图。
具体实施方式
一种基于!^e2O3-NiO混合物制取氢气并分离(X)2的装置，由水蒸气反应器流化床
1、燃料反应器2与空气反应器流化床3组成；水蒸气反应器流化床1由水蒸气反应器底室1-1、水蒸气反应器过渡段1-2以及水蒸气反应器提升管1-3组成；水蒸气反应器提升管 1-3通过水蒸气反应器过渡段1-2与水蒸气反应器底室1-1相连，水蒸气反应器提升管1-3 的上端连接有氢气旋风分离器1-4，氢气旋风分离器1-4通过第一下料管5与第三溢流槽 4相连，第三溢流槽4与空气反应器流化床3连接；空气反应器流化床3由空气反应器底室 3-1、空气反应器过渡段3-2、空气反应器提升管3-3、空气旋风分离器3-4及第二下料管3_5 组成，空气反应器底室3-1通过空气反应器过渡段3-2与空气反应器提升管3-3相连，空气反应器提升管3-3的顶端与空气旋风分离器3-4相连，所述的第三溢流槽4与空气反应器流化床3中的空气反应器底室3-1连接，空气旋风分离器3-4通过第二下料管3-5以及第二溢流槽2-5与燃料反应器2连接；燃料反应器2由燃料反应器主体2-4、燃料反应器过渡段2-3、燃料反应器底室2-2以及第一溢流槽2-1组成，燃料反应器主体2-4通过燃料反应器过渡段2-3与燃料反应器底室2-2相连，燃料反应器主体2-4的横截面积大于燃料反应器底室2-2的横截面积；燃料反应器底室2-2与第一溢流槽2-1相连，第一溢流槽2-1与水蒸气反应器底室1-1相连，所述空气旋风分离器3-4通过第二下料管3-5以及第二溢流槽 2-5与燃料反应器2的燃料反应器主体2-4的顶端连接；如附图1。
权利要求1.一种基于!^e2O3-NiO混合物制取氢气并分离(X)2的装置，其特征在于，由水蒸气反应器流化床(1)、燃料反应器(2)与空气反应器流化床(3)组成；水蒸气反应器流化床(1)由水蒸气反应器底室(1-1)、水蒸气反应器过渡段(1-2)以及水蒸气反应器提升管(1-3)组成；水蒸气反应器提升管(1-3)通过水蒸气反应器过渡段(1-2)与水蒸气反应器底室(1-1) 相连，水蒸气反应器提升管(1-3)的上端连接有氢气旋风分离器(1-4)，氢气旋风分离器 (1-4)通过第一下料管(5)与第三溢流槽(4)相连，第三溢流槽(4)与空气反应器流化床(3) 连接；空气反应器流化床(3)由空气反应器底室(3-1)、空气反应器过渡段(3-2)、空气反应器提升管(3-3)、空气旋风分离器(3-4)及第二下料管(3-5)组成，空气反应器底室(3-1)通过空气反应器过渡段(3-2)与空气反应器提升管(3-3)相连，空气反应器提升管(3-3)的顶端与空气旋风分离器(3-4)相连，所述的第三溢流槽(4)与空气反应器流化床(3)中的空气反应器底室(3-1)连接，空气旋风分离器(3-4)通过第二下料管(3-5)以及第二溢流槽 (2-5)与燃料反应器(2)连接；燃料反应器(2)由燃料反应器主体(2-4)、燃料反应器过渡段(2-3)、燃料反应器底室(2-2)以及第一溢流槽(2-1)组成，燃料反应器主体(2-4)通过燃料反应器过渡段(2-3 )与燃料反应器底室(2-2 )相连，燃料反应器底室(2-2 )与第一溢流槽 (2-1)相连，第一溢流槽(2-1)与水蒸气反应器底室(1-1)相连，所述空气旋风分离器(3-4) 通过第二下料管(3-5)以及第二溢流槽(2-5)与燃料反应器(2)的燃料反应器主体(2-4) 的顶端连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于燃料反应器主体(2-4)的横截面积大于燃料反应器底室(2-1)的横截面积。
专利摘要本实用新型公开了一种基于Fe2O3-NiO混合物制取氢气并分离CO2的装置，由水蒸气反应器流化床、燃料反应器与空气反应器流化床组成；在水蒸气反应器流化床中，水蒸气反应器提升管经过渡段与水蒸气反应器底室相连，水蒸气反应器提升管的上端连接氢气旋风分离器，氢气旋风分离器经下料管与第三溢流槽相连，第三溢流槽与空气反应器底室连接；在空气反应器流化床中，空气反应器底室经过渡段与空气反应器提升管相连，空气反应器提升管的顶端与空气旋风分离器相连，空气旋风分离器经下料管以及第二溢流槽与燃料反应器连接；在燃料反应器中，燃料反应器主体通过过渡段与燃料反应器底室相连，燃料反应器底室与第一溢流槽相连，第一溢流槽与水蒸气反应器底室相连。
文档编号C01B3/02GK202099045SQ20112009591
公开日2012年1月4日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者向文国, 王东, 陈时熠 申请人:东南大学