[發(fā)明專利]一種氣體換熱式反應(yīng)器及硫酸催化分解方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010031628.3
• 申請(qǐng)日: 2020-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN111167382B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳崧哲;張平;王來(lái)軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J8/06
• 分類號(hào): B01J8/06;B01J19/02;C01B3/04
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發(fā)明屬于化工領(lǐng)域，以及熱化學(xué)循環(huán)制氫領(lǐng)域，尤其涉及一種氣體換熱式反應(yīng)器，及利用該反應(yīng)器進(jìn)行的硫酸催化分解方法。本發(fā)明提出的氣體換熱式反應(yīng)器，依靠高溫氣體進(jìn)入外殼，加熱其內(nèi)設(shè)置的多個(gè)刺刀管內(nèi)部換熱式反應(yīng)器組件，組件為套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)外管之間的環(huán)隙容納催化劑，并使經(jīng)過(guò)其中的反應(yīng)物料在加熱條件下發(fā)生催化反應(yīng)。該反應(yīng)器的反應(yīng)物料暫存區(qū)與附屬輸送泵、附屬冷卻器相連，部分反應(yīng)物料被循環(huán)降溫，從而確保管板與刺刀管內(nèi)部換熱式反應(yīng)器組件之間，以及管板與測(cè)溫組件之間的密封件不會(huì)因超溫而發(fā)生損壞。該反應(yīng)器可利用高溫氣體作為加熱介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)硫酸的高效催化分解。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化工領(lǐng)域，以及熱化學(xué)循環(huán)制氫領(lǐng)域，尤其涉及一種氣體換熱式反應(yīng)器，及利用該反應(yīng)器進(jìn)行的硫酸催化分解方法。

背景技術(shù)

氫氣是重要的工業(yè)原料，也是無(wú)污染、可再生的清潔能源及能源載體。除了在合成氨、合成甲醇等工業(yè)中的傳統(tǒng)應(yīng)用外，氫氣在石油精煉、煤液化等領(lǐng)域的應(yīng)用與需求近年來(lái)迅速增加；在作為能源用于燃料電池汽車、作為還原劑用于直接還原煉鐵等領(lǐng)域需求也有巨大潛力^[1]。2012年我國(guó)氫氣產(chǎn)量已超過(guò)1600萬(wàn)噸，居世界第一，而且近年來(lái)以7％的速率在增長(zhǎng)。但是目前氫氣絕大部分由化石燃料轉(zhuǎn)化制備，過(guò)程中排放大量CO₂和其他有害氣體。在對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)的同時(shí)，需要開發(fā)可持續(xù)的綠色制氫方法，以適應(yīng)氫氣作為工業(yè)原料和能源載體大規(guī)模應(yīng)用的要求。

若要減少或者消除CO₂排放，前提條件之一是以水為原料制氫。但是由于水的直接分解需要2500℃以上的高溫才能進(jìn)行，在工程上難以實(shí)現(xiàn)；所以考慮將水分解反應(yīng)通過(guò)由兩個(gè)或多個(gè)熱驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)相耦合組成一個(gè)閉路循環(huán)來(lái)進(jìn)行；除水以外的其它所有物料都在過(guò)程中循環(huán)使用，凈結(jié)果為水分解得到氫和氧，這就是熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫。

經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)與評(píng)估，國(guó)際上認(rèn)為熱化學(xué)碘硫(IS)循環(huán)和混合硫(HyS)循環(huán)是最有工業(yè)化前景的熱化學(xué)分解水制氫流程。以核能特別是高溫氣冷反應(yīng)堆的熱能或太陽(yáng)能，經(jīng)熱化學(xué)循環(huán)分解水，可實(shí)現(xiàn)氫氣的高效、無(wú)排放、大規(guī)模制備。而高溫氣冷反應(yīng)堆能夠向化學(xué)化工過(guò)程提供900℃左右的高溫工藝熱，因此高溫氣冷反應(yīng)堆的發(fā)展為氣體換熱式反應(yīng)器的研發(fā)帶來(lái)了機(jī)遇，也為硫酸分解反應(yīng)提供了一種操作選擇。

IS循環(huán)由美國(guó)通用原子能(GA)公司于上世紀(jì)70年代提出，該循環(huán)過(guò)程由以下三個(gè)反應(yīng)組成：

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

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

(3)氫碘酸分解反應(yīng):2HI→H₂+I₂(300-500℃)。

上述三個(gè)反應(yīng)耦合在一起的凈反應(yīng)為水分解：：H₂O→H₂+1/2O₂。碘硫循環(huán)將原本在2500℃以上高溫進(jìn)行的水分解反應(yīng)在800～900℃實(shí)現(xiàn)。該循環(huán)具有無(wú)溫室氣體排放、預(yù)期制氫效率高、與高溫堆熱匹配性好(高溫堆提供的工藝熱可以高達(dá)950℃，能很好的滿足碘硫循環(huán)的熱需求)等優(yōu)勢(shì)。因而，美國(guó)、日本、法國(guó)、韓國(guó)等國(guó)都將IS循環(huán)作為未來(lái)核能制氫的首選流程進(jìn)行研究。

HyS循環(huán)原理由美國(guó)西屋公司提出，包括HyS循環(huán)包括如下兩步反應(yīng)：

SO₂去極化電解反應(yīng)：SO₂+2H₂O＝H₂SO₄+H₂ 30-120℃