[發明專利]一種基于化學鏈反應的氧氣-氫氣聯產裝置及方法

有效

• 申請號: 201310201778.4
• 申請日: 2013-05-28
• 公開（公告）號: CN103274361A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 于慶波;王坤;白敬晨;秦勤
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C01B13/02
• 分類號: C01B13/02;C01B3/06
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于化學鏈技術領域，具體涉及一種基于化學鏈反應的氧氣-氫氣聯產裝置及方法。

背景技術

1983年德國學者Richter提出了化學鏈燃燒（CLC）技術，其裝置主要由燃料反應器和空氣反應器組成，依靠載氧體在兩個反應器間的循環使用實現燃燒過程空氣與燃料的分離，燃氣中二氧化碳溶度大幅提高，方便了二氧化碳的捕集。隨著人們對化學鏈技術認識的加深，出現了其它的一些化學鏈技術如：氧脫耦化學鏈燃燒（CLOU）技術，化學鏈重整（CLR）技術、化學鏈制氫（TRCL）技術、化學鏈蒸汽重整制氫與合成氣（CL-SMR）技術、化學鏈空氣分離制氧（CLAS）技術等。

氧氣是世界上最重要的化學原料之一，目前其主要的制備方法是通過空氣分離技術實現的，具體包括：低溫精餾、變壓吸附以及膜分離術，這三種制氧方法普遍存在成本高、能耗大、操作復雜等缺點。化學鏈制氧(chemical?looping?oxygen?production,?CLOP)是一種新穎的制氧方法，具有能耗低、成本低、操作簡單等優點，其能耗僅為0.08?kWh/m³，是現有的最先進低溫精餾法制氧能耗的26%。CLOP的原理是利用氧載體在適合的溫度和氧氣分壓下，發生脫氧反應生成氧氣，當系統溫度降低或氧分壓增大時，氧載體反生吸氧反應，得以再生。目前的化學鏈制氧裝置反應器分為脫氧反應器和氧化反應器，氧載體在脫氧反應器中釋放氧氣，釋放的氧氣由下部通入的載氣帶出，脫氧后的氧載體在氧化反應器與通入的空氣發生反應，吸收空氣中的氧得以再生；而氫氣是世界上已知最輕的氣體，其不但是一種優質的燃料，還是石油、化工、航空航天、冶金行業中重要的原料，被認為是未來重要的清潔能源之一，現有制氫技術按照原料來源可分為化石燃料制氫和可再生資源制氫，其中前者是當前主導的制氫方式，約占氫氣生產市場份額的95%，但這種方式的制氫能耗非常大。

目前同時生產氫氣和氧氣的方法是以電解水為主，這一方法的能耗高，并不適宜大規模的工業化生產。如果對現有的CLOP制氧裝置及方法進行改進，能夠實現氧氣-氫氣聯產，將進一步降低能耗，節約成本。

發明內容

針對現有的單獨制氧、制氫技術存在的不足，本發明提供一種基于化學鏈反應的氧氣-氫氣聯產裝置及方法，通過利用載氧體在制氧反應器中發生脫氧反應生產氧氣，脫氧后的載氧體顆粒進入制氫反應器與水蒸氣發生反應生產氫氣，制氫后的載氧體顆粒進入空氣反應器與空氣發生反應得以再生，再生后的載氧體顆粒返回制氧反應器循環使用，降低制氧和制氫的成本、降低制備過程能耗，實現氧氣和氫氣的聯合生產。

本發明的基于化學鏈反應的氧氣-氫氣聯產裝置包括制氧流化床、制氫流化床、固定床和旋風分離器；其中制氧流化床的上部設有制氧流化床氣體出口，下部設有制氧流化床返料口，制氧流化床氣體出口與制氧旋風分離器相連，制氧流化床返料口與固定床底部的固定床下料口相連，制氧旋風分離器下部與制氫流化床進料口相連；制氫流化床的上部設有制氫流化床氣體出口，制氫流化床氣體出口與制氫旋風分離器相連，制氫旋風分離器下部與固定床頂部的固定床進料口相連；

所述的制氧流化床中部設有制氧流化床加料/補料口，底部設有制氧流化床載氣進口和制氧流化床排料口；所述的制氫流化床底部設有制氫流化床水蒸氣進口和制氫流化床排料口；所述的固定床上部設有固定床貧氧氣體出口，底部設有固定床氣體進口；

所述的制氧流化床載氣進口、制氫流化床水蒸氣進口、固定床氣體進口及固定床下料口均設有流量控制裝置；

所述的制氧旋風分離器上部設有氧氣排氣口，并依次連接有布袋除塵器和氧氣儲氣柜；所述的制氫旋風分離器上部設有氫氣排氣口，并依次連接有冷凝器、布袋除塵器和氫氣儲氣柜。

采用上述基于化學鏈反應的氧氣-氫氣聯產裝置生產氫氣和氧氣的方法按照以下步驟進行：

（1）將載氧體顆粒由制氧流化床加料/補料口加入到制氧流化床中，控制制氧流化床中反應溫度為300-1100℃，載氧體進行脫氧反應并釋放氧氣；

打開制氧流化床載氣進口流量控制裝置，通入載氣，載氣流量與反應釋放的氧氣流量比控制在（1~5）：1，氧氣由載氣帶入制氧旋風分離器中，脫氧后的載氧體顆粒也進入制氧旋風分離器，在制氧旋風分離器中進行氣固分離，載氣和氧氣經制氧旋風分離器上部排氣口進入氧氣儲柜中，脫氧后的載氧體顆粒經制氧旋風分離器的下部進入制氫流化床進料口；