一種基于金屬載氧體的化學鏈制氫裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于化工領域，特別涉及一種制取氫氣的裝置及方法，具體為基于金屬載氧體的化學鏈制氫的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]作為能源消耗大國，我國每年都在消耗大量化石燃料。然而傳統化石燃料在生產、運輸和利用過程中都會對環境造成不同程度的損害，其主要燃燒產物二氧化碳、S0x、N0x等更是當前溫室效應和酸雨等環境問題的主要元兇。隨著我國的不斷發展，由于消耗化石燃料所帶來的環境問題逐漸受到社會的關注。而新能源作為環境友好型的能源，在生產、運輸和利用過程對環境所造成的損害則小得多。
[0003]在當前的各種新能源中，氫作為一種重要的工業原料，以其熱值高、無污染、不產生溫室氣體等獨特優點受到越來越多的關注，如何低耗又環保的開發氫能也越來越受到廣泛的重視。
[0004]目前化石燃料制氫己經占據全部制氫方式的95%，工業上最主要的制氫方法是天然氣蒸汽重整制氫。重整反應生成的合成氣主要是由二氧化碳與氫氣組成的合成氣，經過變壓吸附、分離除去水與二氧化碳后得到純氫。但在此過程中為分離溫室氣體二氧化碳所采用的水汽轉換與變壓吸附工藝都大大提高了制氫能耗。
[0005]在將來的很長一段時間內，化石燃料制氫仍是占主導作用的商業制氫方式，是氫能的主要來源。因此提高氫氣純度，以及低耗的實現二氧化碳的分離與捕集仍是化石燃料制氫所面臨的一大問題。
【發明內容】
[0006]為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于金屬載氧體的化學鏈制氫裝置及方法，以實現制取高純度的氫氣，同時達到二氧化碳內分離的效果。
[0007]為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0008]—種基于金屬載氧體的化學鏈制氫裝置，包括空氣反應器、旋風分離器、一級燃料反應器、二級燃料反應器、氣化反應器和隔離器;所述空氣反應器的底部設置有空氣進口，空氣反應器的頂部通過空氣反應器排氣管與旋風分離器的上部相連通;所述旋風分離器的頂部設置有空氣反應器煙氣出口，旋風分離器的底部通過旋風分離器料腿與一級燃料反應器相連通;所述一級燃料反應器的底部與二級燃料反應器的底部相連通，所述一級燃料反應器的頂部設置有一級燃料反應器煙氣出口，一級燃料反應器的底部設置有一級燃料反應器進口 ；所述二級燃料反應器的頂部設置有二級燃料反應器煙氣出口，二級燃料反應器的底部設置有二級燃料反應器進口，所述二級燃料反應器的內部通過二級燃料反應器料腿與氣化反應器相連通;氣化反應器的頂部設置有氣化反應器煙氣出口，氣化反應器的底部設置有氣化反應器進口，氣化反應器的頂部通過隔離器與空氣反應器的下部相連通，隔離器的底部設置有隔離器進口。
[0009]進一步的，所述二級燃料反應器料腿的上端位于二級燃料反應器內的上部。
[0010]進一步的，所述空氣反應器、二級燃料反應器和氣化反應器均為流化床反應器，所述一級燃料反應器為移動床反應器。
[0011]—種基于金屬載氧體的化學鏈制氫方法，在空氣反應器內還原態的載氧體顆粒與空氣進行氧化反應，生成氧化態的載氧體顆粒，氧化態的載氧體顆粒被氣流攜帶進入旋風分離器進行氣固分離，氣流通過空氣反應器煙氣出口排出，分離下來的氧化態的載氧體顆粒通過旋風分離器料腿進入一級燃料反應器，與從一級燃料反應器進口進入一級燃料反應器的燃料氣進行還原反應，生成二氧化碳、水蒸汽和輕度還原態的載氧體顆粒，二氧化碳和水蒸汽通過一級燃料反應器煙氣出口排出，輕度還原態的載氧體顆粒被從二級燃料反應器進口進入二級燃料反應器的流化氣攜帶進入二級燃料反應器，并與從二級燃料反應器進口進入二級燃料反應器的燃料氣發生還原反應，生成二氧化碳、水蒸汽和深度還原態的載氧體顆粒，二氧化碳和水蒸汽通過二級燃料反應器煙氣出口排出，深度還原態的載氧體顆粒在二級燃料反應器料腿的上部進入二級燃料反應器料腿，在重力作用下進入氣化反應器，與從氣化反應器進口進入的水蒸氣發生制氫反應，生成還原態的載氧體顆粒與氫氣，氫氣與未反應的水蒸汽通過氣化反應器煙氣出口排出，還原態的載氧體顆粒通過隔離器返回到空氣反應器，與從空氣反應器進口進入空氣反應器的空氣進行氧化反應，生成氧化態的載氧體顆粒，完成載氧體顆粒的再生。
[0012]進一步的，在化學鏈制氫過程中，空氣反應器處于850_1000°C的高溫狀態，一級燃料反應器和二級燃料反應器處于700-900 0C的中溫狀態，氣化反應器處于750-1000 V的中高溫狀態。
[0013]進一步的，從一級燃料反應器進口進入一級燃料反應器和從二級燃料反應器進口進入二級燃料反應器的氣體均為含碳氫的燃料氣體與氮氣組成的多組分氣體;從氣化反應器進口進入氣化反應器的氣體為水蒸汽與氮氣組成的多組分氣體，從隔離器進口進入隔離器的氣體為水蒸汽或氮氣的單組份氣體。
[0014]進一步的，從一級燃料反應器進口和二級燃料反應器進口進入一級燃料反應器和二級燃料反應器的燃料氣包括石油、化工產業中產生的含碳氫的氣體燃料。
[0015]有益效果:目前與將來化石燃料制氫仍是占主導作用的商業制氫方式，是氫能的主要來源。傳統的化石燃料制氫方法主要有天然氣蒸汽重整，其產物是由二氧化碳與氫氣組成的合成氣，氫氣純度不高，為了得到純氫氣還得經過水汽轉換與變壓吸附工藝來進行凈化分離，這些凈化措施大大提高了制氫能耗，給傳統化石燃料制氫法帶來氫氣純度低、二氧化碳的分離能耗大等問題。
[0016]化學鏈制氫過程中，燃料氣不直接與水蒸汽反應，而是通過載氧體顆粒在空氣反應器、一級燃料反應器、二級燃料反應器和氣化反應器間的交替氧化-還原實現氫氣的制取，即:在空氣反應器內還原態的載氧體顆粒與空氣進行氧化反應，生成氧化態的載氧體顆粒，氧化態的載氧體顆粒被氣流攜帶進入旋風分離器內進行氣固分離，氣流通過空氣反應器煙氣出口排出，分離下來的氧化態的載氧體顆粒通過旋風分離器料腿進入一級燃料反應器，與從一級燃料反應器進口進入一級燃料反應器的燃料氣進行還原反應，生成二氧化碳、水蒸汽和輕度還原態的載氧體顆粒，二氧化碳和水蒸汽通過一級燃料反應器煙氣出口排出，輕度還原態的載氧體顆粒被從二級燃料反應器進口進入二級燃料反應器的流化氣攜帶進入二級燃料反應器，并與從二級燃料反應器進口進入二級燃料反應器的燃料氣發生還原反應，生成二氧化碳、水蒸汽和深度還原態的載氧體顆粒，二氧化碳和水蒸汽通過二級燃料反應器煙氣出口排出，深度還原態的載氧體顆粒在二級燃料反應器料腿的上部進入二級燃料反應器料腿，在重力作用下進入氣化反應器，與從氣化反應器進口進入的水蒸氣發生制氫反應，生成還原態的載氧體顆粒與氫氣，氫氣與未反應的水蒸汽通過氣化反應器煙氣出口排出，還原態的載氧體顆粒通過隔離器返回到空氣反應器，與從空氣反應器進口進入空氣反應器的空氣進行氧化反應，生成氧化態的載氧體顆粒，完成載氧體顆粒的再生。
[0017]在氣化反應器中，由于沒有燃料氣的存在，水蒸汽和還原態的載氧體顆粒不會生成二氧化碳，氣化反應器出口也只有氫氣及未反應的水蒸汽，經冷卻除水后即可得到高純度的氫氣。此外在一級燃料反應器內，燃料氣的產物只有二氧化碳和水蒸汽，經冷卻除水后亦可直接捕集二氧化碳以及未反應的一氧化碳，也可低耗的獲得極高的碳捕集率。
[0018]因此基于金屬載氧體的化學鏈制氫裝置及方法能實現制取高純度的氫氣，同時也達到二氧化碳的分離與捕集的效果。提高氫氣的純度和低耗的分離并捕集合成氣中二氧化碳是制約制氫技術的瓶頸，因此基于金屬載氧體的化學鏈制氫方式具有極大的應用前景和社會效益。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的裝置結構圖；
[0020]圖中，1-空氣反應器，11-空氣反應器排氣管，12-氧化態的載氧體顆粒，2-旋風分離器，21-旋風分離器料腿，3-—級燃料反應器，32-輕度還原態的載氧體顆粒，4-二級燃料反應器，41-二級燃料反應器料腿，42-深度還原態的載氧體顆粒，5-氣化反應器，52-還原態的載氧體顆粒，6-隔離器，A-空氣進口，F-空氣反應器煙氣出口，D-—級燃料反應器進口，G-一級燃料反應器煙氣出口，E-二級燃料反應器進口，H-二級燃料反應器煙氣出口，C-氣化反應器進口，1-氣化反應器煙氣出口，B-隔離器進口。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0022]如圖1所示為本發明的一種基于金屬載氧體的化學鏈制氫裝置，包括空氣反應器1、旋風分離器2、一級燃料反應器3、二級燃料反應器4、氣化反應器5和隔離器6;所述空氣反應器I的底部設置有空氣進口 A，空氣反應器I的頂部通過空氣反應器排氣管11與旋風分離器2的上部相連通;所述旋風分離器2的頂部設置有空氣反應器煙氣出口 F，旋風分離器2的底部通過旋風分離器料腿21與一級燃料反應器3相連通;所述一級燃料反應器3的底部與二級燃料反應器4的底部相連通，所述一級燃料反應器3的頂部設置有一級燃料反應器煙氣出口 G，一級燃料反應器3的底部設置有一級燃料反應器進口 D;所述二級燃料反應器4的頂部設置有二級燃料反應器煙氣出口 H，二級燃料反應器4的底部設