利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置及方法，可解决氢气纯度不高容易引起爆炸，以及无法同时制取CO2的问题。本发明的优点在于装置通过反应剂的再生使得设备能够循环运行，由此可大规模生产；反应产生的热在冷凝器内传递给空气，再经热空气将热量供给给余热锅炉，使整套设备比较节能。
【专利说明】利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化学材料制备领域，具体涉及一种利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前，化石能源短缺，石油价格逐日上升，寻求可再生、高效、清洁替代能源的任务日趋紧迫。过去对化石能源粗放型的使用，造成了现在十分恶劣的环境污染，温室效应和酸雨等环境问题的出现，导致了人类生态环境的恶化，并严重影响到社会经济的可持续发展和人类的健康生活，同时，化石能源的储量越来越少。
[0003]氢气作为清洁能源的首选，由于具有燃烧时不放出CO2等温室气体、燃烧热值高、存储运输方便等优势从众多替代能源中脱颖而出，成为研究重点，在现代生产中的地位也变得越来越重要。在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大仓库，其中含有11%的氢；泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此，可以说氢是“取之不尽用之不竭”的能源，如果能用合适的方法从水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。制取氢气有很多种方法， 如甲烷裂解、水电解、光合法制氢以及发酵法制氢等；但上述方法存在制取的氢气纯度不高容易引起爆炸，且无法同时制取C02。
[0004]CO2在现代工业中的应用非常广泛，二氧化碳可注入饮料中，增加压力，使饮料中带有气泡，增加饮用时的口感；固态的二氧化碳在常温下会气化，吸收大量的热，可用在急速的食品冷冻、人造雨、舞台的烟雾效果等；二氧化碳的重量比空气重，不助燃，许多灭火器都通过产生二氧化碳，利用其特性灭火；一定范围内，二氧化碳的浓度越高，植物的光合作用也越强，二氧化碳是最好的气肥。
[0005]目前制氢方法都存在制取的氢气不纯的问题，工业上制氢和制二氧化碳都要分开进行，这使得操作比较繁琐、制取的花费较大。因此一种利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置及方法具有很高的工业应用价值。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置及方法，解决氢气纯度不高容易引起爆炸，以及无法同时制取CO2的问题。
[0007]实现本发明目的的技术解决方案为:一种利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置，其特征在于:包括第一流化床、第一布风板、第一旋风分离器、第二流化床、第二布风板、第二旋风分离器、返料机构、煤气瓶、冷凝器和余热锅炉；第二流化床顶部为第一旋风分离器的气体出口，底部为第一旋风分离器的固体出口，冷凝器顶部分布冷凝器的氢气进口、冷凝器的二氧化碳进口和冷凝器的空气进口，底部设有冷凝器的空气出口，冷凝器的氢气出口和二氧化碳出口位于冷凝器的侧壁。
[0008]其中第一布风板设置在第一流化床下部，第一流化床的出口与第一旋风分离器连接,第一旋风分离器的气体出口与冷凝器的氢气进口连接，第一旋风分离器的固体出口与第二流化床连接，第二流化床下部设有第二布风板，第二流化床的煤气进口与煤气瓶的煤气出口连接，位于第二流化床侧壁的物料出口与第二旋风分离器连接，位于第二旋风分离器底部的固体出口与返料机构连接，返料机构与第一流化床连接，且位于第一布风板上方，位于第二旋风分离器顶部的气体出口与冷凝器的二氧化碳进口连接，制备得到的氢气和二氧化碳通过冷凝器的氢气出口和二氧化碳出口排出，并存储，余热锅炉一端为余热锅炉的空气进口，另一端设置余热锅炉的水蒸气出口和余热锅炉的空气出口，冷凝器的空气进口输入冷空气，冷凝器的空气出口与余热锅炉的空气进口连接；余热锅炉的水蒸气出口与第一流化床的水蒸气进口连接，余热锅炉的空气出口用于将换热后的空气排出。
[0009]上述第一流化床是为反应剂与水蒸气发生反应生成氢气提供环境的装置；第一布风板和第二布风板是用于支撑静止的床料、使气流均匀地分布在反应器横截面上，并提供足够的压力，使床料均匀流化的装置；第一旋风分离器是用于将第一流化床排出的氢气水蒸气混合气与反应后的反应剂分离的装置；第二流化床是为反应后的反应剂与煤气反应生成再生反应剂和二氧化碳提供环境的装置；第二旋风分离器是用于将第二流化床排出的二氧化碳与再生反应剂分离的装置；返料机构是用于将再生反应剂送入第一流化床内的装置；煤气瓶是为第二流化床内的化学反应提供反应物的装置；冷凝器是利用和冷空气换热将第一旋风分离器排出的氢气与水蒸气混合气进行冷凝分离的装置；余热锅炉是用于为第一流化床提供水蒸气的装置。
[0010]一种利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置制取氢气和二氧化碳的方法，方法步骤如下:
[0011]步骤1、通过第一流化床的装料口将反应剂加入第一流化床内，并排空整个装置内的气体；
[0012]步骤2、将余热锅炉产生的水蒸气从第一流化床的水蒸气进口通入到第一流化床内，直至第一流化床达到反应温度，第一流化床内反应剂与水蒸气发生反应生成氢气，反应方程式为:
[0013]MexOy-JH2O (g) — MexOy+H2
[0014]步骤3、氢气与水蒸气组成的混合气体和反应后的反应剂进入第一旋风分离器，氢气与水蒸气的混合气体从第一旋风分离器的气体出口流出，通过冷凝器的氢气进口进入冷凝器，反应后的反应剂从第一旋风分离器的固体出口进入第二流化床内；
[0015]步骤4、氢气与水蒸气混合气在冷凝器内和从冷凝器的空气进口输入的冷空气进行热交换，水蒸气换热后变为水，从冷凝器的排水口排出，分离得到的纯氢经过冷凝器的氢气出口流出，由存储装置进行储存；
[0016]步骤5、煤气瓶内的煤气由煤气瓶的煤气出口经第二流化床的煤气进口进入第二流化床，反应后的反应剂在第二流化床内与煤气发生反应，生成二氧化碳，反应方程式如下:
[0017]MesOy+H2 ^ Mes0y_1+H20
[0018]Mes0y+C0 ^ Mes0y_1+C02
[0019]步骤6、反应生成的二氧化碳与再生反应剂进入第二旋风分离器，二氧化碳从第二旋风分离器的气体出口流出，通过冷凝器的二氧化碳进口进入冷凝器，再生反应剂从第二旋风分离器的固体出口进入返料机构；
[0020]步骤7、二氧化碳在冷凝器内和冷空气进行热交换后从冷凝器的二氧化碳出口流出，由存储装置进行储存；
[0021]步骤8、在冷凝器内换热后的空气由冷凝器的空气出口流出，经余热锅炉的空气进口进入余热锅炉，余热锅炉产生的水蒸气通过余热锅炉的水蒸气出口经第一流化床的水蒸气进口进入第一流化床内；
[0022]步骤9、返料机构将再生反应剂送入第一流化床内，再生反应剂在第一流化床内和水蒸气又重新开始反应，由此形成一个循环。
[0023]步骤2中反应温度为250~350°C。
[0024]上述步骤I所述的反应剂为PbO2,步骤2中相应的反应后的反应剂为Pb3O4。
[0025]本发明与现有技术相比，其显著优点:①本发明可以制得纯的氢气，并且在制氢的同时还能制取二氧化碳本发明提供的装置通过反应剂的再生使得设备能够循环运行，由此可大规模生产；④反应产生的热在冷凝器内传递给空气，再经热空气将热量供给给余热锅炉，使整套设备比较节能。
【专利附图】
【附图说明】 [0026]图1是本发明的利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置示意图。
[0027]图2是本发明的利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置制取氢气和二氧化碳的方法原理图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0029]如图1所示，一种利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置，包括第一流化床1、第一布风板3、第一旋风分离器7、第二流化床2、第二布风板4、第二旋风分离器6、返料机构8、煤气瓶5、冷凝器9和余热锅炉10。第二流化床2顶部为第一旋风分离器7的气体出口 12，底部为第一旋风分离器7的固体出口 13，冷凝器9顶部分布冷凝器9的氢气进口 18、冷凝器9的二氧化碳进口 20和冷凝器9的空气进口 22，底部设有冷凝器9的空气出口 23，冷凝器9的氢气出口 19和二氧化碳出口 21位于冷凝器9的侧壁。
[0030]其中第一布风板3设置在第一流化床I下部，第一流化床I的出口 27与第一旋风分离器7连接，第一旋风分离器7的气体出口 12与冷凝器9的氢气进口 18连接，第一旋风分离器7的固体出口 13与第二流化床2连接，第二流化床2下部设有第二布风板4，第二流化床2的煤气进口 17与煤气瓶5的煤气出口 16连接，位于第二流化床2侧壁的物料出口与第二旋风分尚器6连接,位于第二旋风分尚器6底部的固体出口 15与返料机构8连接，返料机构8与第一流化床I连接，且位于第一布风板3上方，位于第二旋风分离器6顶部的气体出口 14与冷凝器9的二氧化碳进口 20连接，制备得到的氢气和二氧化碳通过冷凝器9的氢气出口 19和二氧化碳出口 21排出，并存储，余热锅炉10 —端为余热锅炉10的空气进口 24，另一端设置余热锅炉10的水蒸气出口 25和余热锅炉10的空气出口 26，冷凝器9的空气进口 22输入冷空气，冷凝器9的空气出口 23与余热锅炉10的空气进口 24连接；余热锅炉10的水蒸气出口 25与第一流化床I的水蒸气进口 11连接，余热锅炉10的空气出口 26用于将换热后的空气排出。
[0031]所述第一流化床I是为反应剂与水蒸气发生反应生成氢气提供环境的装置，第一布风板3和第二布风板4是用于支撑静止的床料、使气流均匀地分布在反应器横截面上，并提供足够的压力，使床料均匀流化的装置，第一旋风分离器7是用于将第一流化床I排出的氢气水蒸气混合气与反应后的反应剂分离的装置，第二流化床2是为反应后的反应剂与煤气反应生成再生反应剂和二氧化碳提供环境的装置，第二旋风分离器6是用于将第二流化床2排出的二氧化碳与再生反应剂分离的装置，返料机构8是用于将再生反应剂送入第一流化床I内的装置，煤气瓶5是为第二流化床2内的化学反应提供反应物的装置，冷凝器9是利用和冷空气换热将第一旋风分离器7排出的氢气与水蒸气混合气进行冷凝分离的装置，余热锅炉10是用于为第一流化床I提供水蒸气的装置。
[0032]本发明的方法的核心技术是:反应剂与水蒸气在一定反应温度下发生氧化反应生成氢气；反应后的反应剂与煤气在一定温度下发生还原反应生成再生反应剂和二氧化碳。其反应方程式可表述为:
[0033]氧化反应IMexOr^H2Ofg) — MexOy+H2
[0034]还原反应:Mex0y+H2— MexOyJH2O
[0035]Mes0y+C0 — Mes0y_1+C02
[0036]其中MexCV1为反应剂，MexOy为再生反应剂。
[0037]结合图2，一种利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置制取氢气和二氧化碳的方法，包括以下步 骤:
[0038]步骤1、通过第一流化床I的装料口将反应剂加入第一流化床内1，并排空整个装置内的气体；
[0039]其中步骤I所述的反应剂为PbO2，相应的反应后的反应剂为Pb3O4。
[0040]步骤2、将余热锅炉10产生的水蒸气从第一流化床I的水蒸气进口 11通入到第一流化床I内，直至第一流化床I达到反应温度，此时，整个装置内的空气已全部排出，第一流化床I内反应剂与水蒸气发生反应生成氢气，反应方程式为:
[0041]MexOy-JH2O (g) — MexOy+H2
[0042]上述反应温度为250~350°C。
[0043]步骤3、氢气与水蒸气组成的混合气体和反应后的反应剂进入第一旋风分离器7，氢气与水蒸气的混合气体从第一旋风分离器7的气体出口 12流出，通过冷凝器9的氢气进口 18进入冷凝器9，反应后的反应剂从第一旋风分离器7的固体出口 13进入第二流化床2内；
[0044]步骤4、氢气与水蒸气混合气在冷凝器9内和从冷凝器9的空气进口 22输入的冷空气进行热交换，水蒸气换热后变为水，从冷凝器9的排水口排出，分离得到的纯氢经过冷凝器9的氢气出口 19流出，由存储装置进行储存；
[0045]步骤5、煤气瓶5内的煤气由煤气瓶5的煤气出口 16经第二流化床2的煤气进口17进入第二流化床2，反应后的反应剂在第二流化床2内与煤气发生反应，生成二氧化碳，反应方程式如下:
[0046]MesOy+H2 —^ Mes0y_1+H20
[0047]Mes0y+C0 — Mes0y_1+C02[0048]步骤6、反应生成的二氧化碳与再生反应剂进入第二旋风分离器6，二氧化碳从第二旋风分离器6的气体出口 14流出，通过冷凝器9的二氧化碳进口 20进入冷凝器9，再生反应剂从第二旋风分离器6的固体出口 15进入返料机构8 ；
[0049]步骤7、二氧化碳在冷凝器9内和冷空气进行热交换后从冷凝器9的二氧化碳出口21流出，由存储装置进行储存；
[0050]步骤8、在冷凝器9内换热后的空气由冷凝器9的空气出口 23流出，经余热锅炉10的空气进口 24进入余热锅炉10，余热锅炉10产生的水蒸气通过余热锅炉10的水蒸气出口 25经第一流化床I的水蒸气进口 11进入第一流化床I内；
[0051]步骤9、返料机构8将再生反应剂送入第一流化床I内，再生反应剂在第一流化床I内和水蒸气又重新开始反应，由此形成一个循环。
[0052]实施例
[0053]使用的反应剂为PbO2，颗粒的粒径为100μπι~200μπι，反应剂的进料量为500g，进入第一流化床内的水蒸 气的流量为5L/min，第一流化床内反应温度为250~350°C，操作压力为0.1~0.2MPa，第二流化床内反应温度为400~500°C，第二流化床内煤气的流量为5L/min。
【权利要求】
1.一种利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置，其特征在于:包括第一流化床(I)、第一布风板(3)、第一旋风分离器(7)、第二流化床(2)、第二布风板(4)、第二旋风分离器(6)、返料机构(8)、煤气瓶(5)、冷凝器(9)和余热锅炉(10);第二流化床(2)顶部为第一旋风分离器(X)的气体出口(12)，底部为第一旋风分离器(X)的固体出口(13),冷凝器(9)顶部分布冷凝器(9)的氢气进口(18)、冷凝器(9)的二氧化碳进口(20)和冷凝器(9)的空气进口(22)，底部设有冷凝器(9)的空气出口(23)，冷凝器(9)的氢气出口(19)和二氧化碳出口(21)位于冷凝器(9)的侧壁； 其中第一布风板3设置在第一流化床(I)下部，第一流化床(I)的出口(27)与第一旋风分离器(7)连接，第一旋风分离器(7)的气体出口(12)与冷凝器(9)的氢气进口(18)连接，第一旋风分离器(7)的固体出口(13)与 第二流化床(2)连接，第二流化床(2)下部设有第二布风板(4)，第二流化床(2)的煤气进口(17)与煤气瓶(5)的煤气出口(16)连接，位于第二流化床(2)侧壁的物料出口与第二旋风分离器(6)连接，位于第二旋风分离器(6)底部的固体出口(15)与返料机构(8)连接，返料机构(8)与第一流化床(I)连接，且位于第一布风板(3)上方,位于第二旋风分离器(6)顶部的气体出口(14)与冷凝器(9)的二氧化碳进口(20)连接，制备得到的氢气和二氧化碳通过冷凝器(9)的氢气出口(19)和二氧化碳出口(21)排出，并存储，余热锅炉(10) —端为余热锅炉(10)的空气进口(24)，另一端设置余热锅炉(10)的水蒸气出口(25)和余热锅炉(10)的空气出口(26)，冷凝器(9)的空气进口(22)输入冷空气，冷凝器(9)的空气出口(23)与余热锅炉(10)的空气进口(24)连接；余热锅炉(10)的水蒸气出口(25)与第一流化床(I)的水蒸气进口(11)连接，余热锅炉(10)的空气出口(26)用于将换热后的空气排出。
2.根据权利要求1所述的利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置，其特征在于:上述第一流化床(I)是为反应剂与水蒸气发生反应生成氢气提供环境的装置；第一布风板(3)和第二布风板(4)是用于支撑静止的床料、使气流均匀地分布在反应器横截面上，并提供足够的压力，使床料均匀流化的装置；第一旋风分离器(7)是用于将第一流化床(I)排出的氢气水蒸气混合气与反应后的反应剂分离的装置；第二流化床(2)是为反应后的反应剂与煤气反应生成再生反应剂和二氧化碳提供环境的装置；第二旋风分离器(6)是用于将第二流化床(2)排出的二氧化碳与再生反应剂分离的装置；返料机构(8)是用于将再生反应剂送入第一流化床(I)内的装置；煤气瓶(5)是为第二流化床(2)内的化学反应提供反应物的装置；冷凝器(9)是利用和冷空气换热将第一旋风分离器(7)排出的氢气与水蒸气混合气进行冷凝分离的装置；余热锅炉(10)是用于为第一流化床(I)提供水蒸气的装置。
3.基于权利要求1所述的利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置制取氢气和二氧化碳的方法，其特征在于，方法步骤如下: 步骤1、通过第一流化床(I)的装料口将反应剂加入第一流化床内(I)，并排空整个装置内的气体； 步骤2、将余热锅炉(10)产生的水蒸气从第一流化床(I)的水蒸气进口(11)通入到第一流化床(I)内，直至第一流化床(I)达到反应温度，第一流化床(I)内反应剂与水蒸气发生反应生成氢气，反应方程式为:
MexOy-1+H2O (g) — MexOy+H2步骤3、氢气与水蒸气组成的混合气体和反应后的反应剂进入第一旋风分离器(7)，氢气与水蒸气的混合气体从第一旋风分离器(7)的气体出口(12)流出，通过冷凝器(9)的氢气进口(18)进入冷凝器(9)，反应后的反应剂从第一旋风分离器(7)的固体出口(13)进入第二流化床(2)内； 步骤4、氢气与水蒸气混合气在冷凝器(9)内和从冷凝器(9)的空气进口(22)输入的冷空气进行热交换，水蒸气换热后变为水，从冷凝器(9)的排水口排出，分离得到的纯氢经过冷凝器(9)的氢气出口(19)流出，由存储装置进行储存； 步骤5、煤气瓶5内的煤气由煤气瓶(5)的煤气出口(16)经第二流化床(2)的煤气进口(17)进入第二流化床(2)，反应后的反应剂在第二流化床(2)内与煤气发生反应，生成二氧化碳，反应方程式如下:
MexOy+H2 — MexOy-AH2O
Mex0y+C0 — MexOy-ACO2 步骤6、反应生成的二氧化碳与再生反应剂进入第二旋风分离器(6)，二氧化碳从第二旋风分离器(6)的气体出口(14)流出，通过冷凝器(9)的二氧化碳进口(20)进入冷凝器(9)，再生反应剂从第二旋风分离器(6)的固体出口(15)进入返料机构(8)； 步骤7、二氧化碳在冷凝器(9)内和冷空气进行热交换后从冷凝器(9)的二氧化碳出口 (21)流出，由存储装置进行储存； 步骤8、在冷凝器(9)内换热后的空气由冷凝器(9)的空气出口(23)流出，经余热锅炉(10)的空气进口(24)进入余热锅炉(10)，余热锅炉(10)产生的水蒸气通过余热锅炉(10)的水蒸气出口(25)经第一流化床(I)的水蒸气进口(11)进入第一流化床(I)内；步骤9、返料机构(8)将再生反应剂送入第一流化床(I)内，再生反应剂在第一流化床(I)内和水蒸气又重新开始反应，由此形成一个循环。
4.根据权利要求3所述的利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置制取氢气和二氧化碳的方法，其特征在于:步骤2中反应温度为250~350°C。
5.根据权利要求3所述的利用双流化床同时制取氢气和二氧化碳的装置制取氢气和二氧化碳的方法，其特征在于:上述步骤I所述的反应剂为PbO2，步骤2中相应的反应后的反应剂为Pb3O4。
【文档编号】C01B31/20GK104030240SQ201410259647
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】王文举, 程明, 张彬 申请人:南京理工大学