[发明专利]一种气体换热式反应器及硫酸催化分解方法

说明书

本发明属于化工领域，以及热化学循环制氢领域，尤其涉及一种气体换热式反应器，及利用该反应器进行的硫酸催化分解方法。本发明提出的气体换热式反应器，依靠高温气体进入外壳，加热其内设置的多个刺刀管内部换热式反应器组件，组件为套管结构，内外管之间的环隙容纳催化剂，并使经过其中的反应物料在加热条件下发生催化反应。该反应器的反应物料暂存区与附属输送泵、附属冷却器相连，部分反应物料被循环降温，从而确保管板与刺刀管内部换热式反应器组件之间，以及管板与测温组件之间的密封件不会因超温而发生损坏。该反应器可利用高温气体作为加热介质，实现硫酸的高效催化分解。

技术领域

本发明属于化工领域，以及热化学循环制氢领域，尤其涉及一种气体换热式反应器，及利用该反应器进行的硫酸催化分解方法。

背景技术

氢气是重要的工业原料，也是无污染、可再生的清洁能源及能源载体。除了在合成氨、合成甲醇等工业中的传统应用外，氢气在石油精炼、煤液化等领域的应用与需求近年来迅速增加；在作为能源用于燃料电池汽车、作为还原剂用于直接还原炼铁等领域需求也有巨大潜力^[1]。2012年我国氢气产量已超过1600万吨，居世界第一，而且近年来以7％的速率在增长。但是目前氢气绝大部分由化石燃料转化制备，过程中排放大量CO₂和其他有害气体。在对传统方法进行改进的同时，需要开发可持续的绿色制氢方法，以适应氢气作为工业原料和能源载体大规模应用的要求。

若要减少或者消除CO₂排放，前提条件之一是以水为原料制氢。但是由于水的直接分解需要2500℃以上的高温才能进行，在工程上难以实现；所以考虑将水分解反应通过由两个或多个热驱动的化学反应相耦合组成一个闭路循环来进行；除水以外的其它所有物料都在过程中循环使用，净结果为水分解得到氢和氧，这就是热化学循环分解水制氢。

经过多年的研发与评估，国际上认为热化学碘硫(IS)循环和混合硫(HyS)循环是最有工业化前景的热化学分解水制氢流程。以核能特别是高温气冷反应堆的热能或太阳能，经热化学循环分解水，可实现氢气的高效、无排放、大规模制备。而高温气冷反应堆能够向化学化工过程提供900℃左右的高温工艺热，因此高温气冷反应堆的发展为气体换热式反应器的研发带来了机遇，也为硫酸分解反应提供了一种操作选择。

IS循环由美国通用原子能(GA)公司于上世纪70年代提出，该循环过程由以下三个反应组成：

(1)Bunsen反应：SO₂+I₂+2H₂O→2HI+H₂SO₄(120℃)；

(2)硫酸分解反应：H₂SO₄→H₂O+SO₂+1/2O₂(800-900℃)；

(3)氢碘酸分解反应:2HI→H₂+I₂(300-500℃)。

上述三个反应耦合在一起的净反应为水分解：：H₂O→H₂+1/2O₂。碘硫循环将原本在2500℃以上高温进行的水分解反应在800～900℃实现。该循环具有无温室气体排放、预期制氢效率高、与高温堆热匹配性好(高温堆提供的工艺热可以高达950℃，能很好的满足碘硫循环的热需求)等优势。因而，美国、日本、法国、韩国等国都将IS循环作为未来核能制氢的首选流程进行研究。

HyS循环原理由美国西屋公司提出，包括HyS循环包括如下两步反应：

SO₂去极化电解反应：SO₂+2H₂O＝H₂SO₄+H₂ 30-120℃