[发明专利]气体燃料载氧制氢和二氧化碳分离方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用载氧体将气体燃料(天然气/一氧化碳/煤气/焦炉气等)通过载氧体循环置换氧的方式制取氢气并实现二氧化碳分离的方法和装置，尤其涉及一种铁/氧化亚铁作为载氧体循环置换氧制氢和二氧化碳分离方法，以及铁/氧化亚铁作为载氧体循环置换氧制氢和二氧化碳分离的装置。

背景技术

随着气候变化问题的日益严重，化石燃料的脱碳使用成为能源利用中的重要发展方向。如何把气体燃料高效、低成本地转化为分离存在的氢气和二氧化碳，是气体燃料脱碳使用的关键技术。此外，有望作为未来理想、清洁的交通工具的燃料电池汽车的发展也需要氢能，而在相当长的时间里，氢能需要从化石燃料、尤其是气体燃料中制备。而在制氢的同时，如何有效、低成本地把二氧化碳分离出来，需要创新性的技术。

现有技术中利用气体燃料制氢并且获得分离存在的氢气和二氧化碳的常用方法是把气体燃料首先通过重整或变换反应，获得主要包含氢气和二氧化碳的混合物，之后通过专门的过程分离氢气和二氧化碳。这一常用方法的能量消耗高、设备投资大。

本发明在同一个过程或装置内同时完成气体燃料制氢和二氧化碳的分离，可以实现高效低成本制氢及二氧化碳分离。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用载氧体的气体燃料制氢及二氧化碳分离的方法及装置，即以可燃的还原性气体(天然气/一氧化碳/煤气/焦炉气等)为燃料，利用铁/氧化亚铁作载氧体，在制取氢气的同时获取高浓度的二氧化碳，但是无需二氧化碳和氢气的再分离装置，从而减少能量的消耗，降低设备投资和产品成本。

本发明的方法技术方案如下：

一种气体燃料载氧制氢和二氧化碳分离方法及装置，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)将作为载氧体的铁/氧化亚铁置于循环流化床内，从循环流化床的下部通入流化水蒸汽，铁/氧化亚铁与水蒸汽反应后产生氢气和固相产物氧化铁/四氧化三铁；

2)氢气和固相产物氧化铁/四氧化三铁经氢气分离器分离，分离后的气体经过冷却凝结出水，得到氢气；氧化铁/四氧化三铁经返料腿进入鼓泡流化床内；

3)从鼓泡流化床的下部通入具有还原性的气体燃料，气体燃料与氧化铁/四氧化三铁反应后，生成固相产物为铁/氧化亚铁，并产生二氧化碳气体，经二氧化碳分离器分离得到二氧化碳，分离后的固相产物为铁/氧化亚铁从二氧化碳分离器的底部经返料腿进入鼓泡流化床；

4)在鼓泡流化床内反应后生成的铁/氧化亚铁经收缩型料腿进入移动床，流化水蒸汽自移动床的下部进入，将铁/氧化亚铁从移动床的上部送入循环流化床。

本发明所述的方法中，其特征在于：整个系统工作压力在常压到80bar范围内；循环流化床的运行温度控制在600℃～1200℃，剩余热量通过铺设受热面予以控制；鼓泡流化床的运行温度维持在500℃～1000℃；移动床的运行温度维持在600℃～1000℃。所述的气体燃料为包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、一氧化碳、氢气中任意一种或多种或全部的可燃性还原气体。

本发明所述的方法的技术特征还在于：经氢气分离器分离后的固相产物经喇叭型料腿的小端口进入料腿，从喇叭型料腿的大端口进入鼓泡流化床内。

本发明所述的方法的技术特征还在于：当气体燃料的量不足流化床层时，将二氧化碳分离器分离出的二氧化碳部分或全部循环回送到气体燃料的进口C作为鼓泡床的流化气体；当分离出来的二氧化碳全部循环都不足以流化床层时，将利用外界的二氧化碳或水蒸汽或水蒸汽与二氧化碳的混合物通过气体燃料的进口C进入鼓泡床，作为鼓泡床的流化气体。

本发明提供的按上述方法的气体燃料载氧制氢和二氧化碳分离装置，其特征在于：该装置包括循环流化床，移动床，鼓泡流化床，氢气分离器，二氧化碳分离器，所述的氢气分离器设置在循环流化床上部的出口处，该氢气分离器的底部通过返料腿与鼓泡流化床的下部连接；所述的二氧化碳分离器设置在鼓泡流化床上部的出口处，该分离器的底部与返料腿连接；所述的鼓泡流化床的中下部通过收缩型料腿与移动床连通，该收缩型料腿的小端口与移动床的下部相通，移动床的上部与循环流化床的中下部相通，在循环流化床的下端设有流化水蒸汽进口A，在移动床的下端设有流化水蒸汽进口B，在鼓泡流化床的下端设有气体燃料的进口C。

本发明装置中所述的气体燃料载氧制氢和二氧化碳分离装置，其特征在于：循环流化床与移动床之间设有隔板，该隔板的上端设有能使循环流化床的床层与移动床的床层互通的孔，形成循环流化床的床层与移动床的床层为内部互通的一体化床层。