[发明专利]一种钠修饰化学链制氢协同CO2

说明书

本发明涉及一种用于固体燃料化学链制氢的装置及应用，还涉及一种化学链制氢载氧体，提供出一种具有较高的反应活性和避免类似于添加碱金属K造成的载氧体循环失活，提出一种以Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体中添加NaAlO₂，通过碱金属Na调变的化学链制氢载氧体。设计的CO₂捕集装置包括配气系统、蒸汽发生器、煤料高温进料斗、反应器、自动控温装置、旋风分离器、冷凝器、气体采集与测试系统。本发明使燃料热解组分充分，能够减少固体燃料气化的能量需求，降低能耗，具有工业价值。

技术领域

本发明属于一种固体燃料气化方法，具体涉及一种用于固体燃料化学链制氢的装置及应用，还涉及一种化学链制氢载氧体。

背景技术

利用传统气化技术捕集CO₂和制备高纯度H₂时，需O₂-H₂O气化、水煤气变换、气体分离与提纯等步骤才能得到产物气体，过程需用纯氧，流程长，投资成本大，制氢效率偏低，生产成本高。

化学链转化是指借助于氧载体的作用，使氧从给氧反应器传递给得氧反应器中的燃料，从而实现得氧气氛和失氧气氛的隔离，体现出分离的优势；另一方面，氧载体可携带一定的热量，起热载体的作用，具有降低氧耗的潜力。根据化学链转化原理，理论上可直接获得高浓度的CO₂和H₂分离气体，同时降低O₂的消耗，甚至不使用纯氧。因此，发展基于化学链转化理论基础的新型气化技术具有重要的工业应用价值。经检索，以固体燃料为原料的化学链制氢装置和方法未见报道。

煤作为固体燃料，脱除挥发分后的反应活性低。碱金属K作为传统煤气化过程的催化剂，可以提高煤焦的反应活性，缩短反应时间。Zhong等在研究煤CLHG过程中发现钾含量的增加使得复合氧载体的还原率增加，显著提高了载氧体的反应活性。但碱的挥发性，碱金属失活和碱的熔点低等缺点，影响了其多循环稳定性。Liu等研究了钾改性Fe2O3/Al2O3载氧体在煤直接化学链制氢中的性能，发现在多循环试验中，碳转化率和氢产率在前三个循环期间几乎保持不变，之后随着OCs中钾含量的降低，碳转化率和氢产率急剧下降。

碱金属Na作为另一种能有效促进煤催化气化过程的催化剂，在煤CLHG过程中还没有相关研究。原因可能是应用于煤气化过程中的传统含Na化合物，存在容易失活且腐蚀设备的问题。而具有高熔点的NaAlO2可以缓解上述问题，相较于NaOH、NaNO3、Na2CO3等，NaAlO2的熔点达到了1650℃。碱金属的挥发失活与熔点关系密切，所以高熔点的NaAlO2具有较低的碱挥发性和较高的灰熔融温度，并且低碱挥发性可减轻腐蚀和结垢问题。同时，NaAlO2作为NaOH和Al2O3的反应产物，在高温下不会与Al2O3发生反应，对煤中Si和Al矿物的反应可能更为耐受，有助于缓解煤灰引起的载氧体失活。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有较高的反应活性和避免类似于添加碱金属K造成的载氧体循环失活，提出一种以Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体中添加NaAlO₂，通过碱金属Na调变的化学链制氢载氧体。

本发明的优点是：煤等固体燃料化学链制氢过程不需用纯氧，省去了空分设备的投资和相应的运行成本；能直接得到高浓度且内在分离的CO₂和H₂，省去了水煤气变换和气体分离与提纯等操作单元的投资和相应的运行成本；反应速率快，降低了设备的投资成本；各个反应器都能实现自热，利于维持系统的连续运行。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：