[发明专利]切换式化学链制氢装置及制氢方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种切换式化学链制氢装置与方法，尤其是一种带CO₂捕捉的切换式化学链制氢系统与方法。

背景技术

作为人类生存和发展的重要物质基础，煤炭、石油、天然气等化石能源支撑了19世纪到20世纪近200年来人类文明的进步和经济社会发展。然而，作为目前全球消耗的最主要能源，传统化石能源在利用过程中，不仅获得能量，还会产生大量的CO₂，导致“温室效应”。因此，加强CO₂的捕集和封存显得尤其重要，迫切需要研究和发展新型的清洁高效能源利用方式。

1983年，德国科学家Richter和Knoche首次提出化学链燃烧（chemical looping combustion，CLC）的概念。该燃烧技术与通常的燃烧技术最大的区别是不直接使用空气中的氧分子，而是使用载氧体中的氧原子来完成燃料的燃烧过程，燃烧产物（主要是CO₂和水蒸气）不会被空气中的氮气稀释而浓度极高，通过简单冷凝即可得到几乎纯的CO₂，简单而低能耗地实现了CO₂的分离和捕集；另外，由于燃料反应器和空气反应器的运行温度相对较低，在空气反应器内几乎无热力型NOx和快速型NOx生成，而在燃料反应器内，由于不与氧气接触，没有燃料型NOx生成。

氢气作为无污染、环境友好的经济性能源受到了密切的关注，有着广泛的用途。鉴于化学链燃烧法的CO₂内分离的特点，应用化学链燃烧法制氢也成为了当前的一个研究热点。与CLC过程类似，以水蒸气代替空气作为氧化剂引入空气反应器来完成载氧体的再生，同时水蒸气也被还原产生氢气。目前国内外对化学链制氢载氧体进行了大量的研究，但对化学链制氢装置及系统研究较少。中国专利CN103113917A公开了一种固体燃料化学链气化制氢的系统与方法，系统中不仅包括燃料反应器、空气反应器、合成气变换装置、CO₂吸附单元、煅烧炉等，还有四个气固分离装置，流程复杂，且载氧体在不同的装置间循环，磨损严重，利用率较低。中国专利CN102198934A公开了一种化学链制氢方法及其装置，主体结构包括燃料反应器、水蒸气反应器和空气反应器，载氧体在3个反应器中循环，流程相对简单，但存在载氧体的磨损问题，且可能有部分气体返混。美国的Fan L-S课题组（Fuel 103 2013：495-505）建成了25KWth规模的试验装置，采用了逆流移动床的燃料反应器和水蒸气反应器以及流化床的空气反应器，完成了300h的运转，但也存在载氧体磨损的问题。

针对化学链制氢系统的报道大多都为流化床或移动床反应器，载氧体在不同反应器循环过程中都不可避免地会产生磨损问题，导致载氧体利用率下降。目前采用切换式固定床化学链制氢系统和方法还未见报道。

发明内容

为了解决现有技术中化学链制氢装置存在载氧体在不同反应器间循环会产生磨损，导致载氧体利用率下降等问题，本发明拟提供一种切换式化学链制氢装置及利用其制氢的方法，避免载氧体在各反应器间的循环流动，提高载氧体和反应器的利用率。

为实现以上技术目的，本发明首先提供了一种切换式化学链制氢装置，包括并联连接的至少三个化学链反应器和至少两个CaO反应器，每个化学链反应器分别设有五个进口和五个出口，化学链反应器Ⅰ的五个进口分别通过阀门a、阀门b、阀门c、阀门d和阀门e与燃料气管路、水蒸气管路、空气管路、CO₂管路和混合气Ⅰ管路相通，化学链反应器Ⅰ的五个出口分别通过阀门f、阀门g、阀门h、阀门i和阀门j与CO₂和水蒸气管路、混合气Ⅰ管路、混合气Ⅱ管路、H₂和水蒸气管路及贫氧空气管路相通；化学链反应器Ⅱ和化学链反应器Ⅲ的各进口和出口也通过阀门与以上各管路相通；所述CaO反应器分别设有一个进口和两个出口，CaO反应器Ⅰ的进口通过阀门A与混合气Ⅱ管路相通，其两个出口分别通过阀门B、阀门C与CO₂和水蒸气管路、H₂和水蒸气管路相通；CaO反应器Ⅱ的各进口和出口也通过阀门与以上各管路相通；各管路中气体由化学链反应器向CaO反应器的方向流动。

进一步的，所述化学链反应器设有3N个，其中N为≥1的整数，所述化学链反应器为固定床反应器。

进一步的，所述CO₂和水蒸气管路末端连接冷凝器Ⅰ，再与CO₂管路连接。