本發(fā)明涉及能源轉(zhuǎn)化，具體涉及一種氫氣和一氧化碳的分步制取裝置及制取方法。

背景技術(shù)：

1、甲烷蒸汽重整是現(xiàn)有制氫技術(shù)中比較成熟的工藝路線，主要是通過(guò)重整反應(yīng)來(lái)制取h2和co，然后通過(guò)水氣變換反應(yīng)將co碳轉(zhuǎn)化為co2并進(jìn)一步生成h2，但要獲得高濃度的h2還需要通過(guò)變壓吸附來(lái)分離co2。因此傳統(tǒng)甲烷蒸汽重整制氫的技術(shù)方案存在著co2分離捕集困難、系統(tǒng)制氫流程復(fù)雜、以及制氫能耗高等問(wèn)題。相比于傳統(tǒng)甲烷蒸汽重整制氫，甲烷化學(xué)鏈制氫是一種借助于載氧體的多步氣固反應(yīng)來(lái)制取高濃度h2并捕集co2的技術(shù)，省去了水氣變換和變壓吸附等操作，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)流程，而且降低了制氫能耗。

2、雖然甲烷化學(xué)鏈制氫能夠?qū)崿F(xiàn)制氫過(guò)程中co2的高效捕集，但為了追求甲烷的高轉(zhuǎn)化率以實(shí)現(xiàn)源頭脫碳，往往需要過(guò)量載氧體，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)整體的單位甲烷產(chǎn)氫量大幅下降。此外，制氫過(guò)程中產(chǎn)生的大量co2未被合理利用，因此還面臨著co2儲(chǔ)存、運(yùn)輸、以及高價(jià)值轉(zhuǎn)化等挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本技術(shù)實(shí)施例提供一種氫氣和一氧化碳的分步制取裝置及制取方法，以實(shí)現(xiàn)高濃度h2的連續(xù)穩(wěn)定制取和co2到co的高質(zhì)量轉(zhuǎn)化。

2、本技術(shù)實(shí)施例提供以下技術(shù)方案：一種氫氣和一氧化碳的分步制取裝置，包括：第一反應(yīng)器、第二反應(yīng)器和第三反應(yīng)器；

3、所述第一反應(yīng)器、所述第二反應(yīng)器和所述第三反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)相同，均為固定床反應(yīng)器，三個(gè)反應(yīng)器的反應(yīng)腔中均設(shè)置載氧體和吸收劑，且三個(gè)反應(yīng)器的進(jìn)氣端均分別設(shè)置燃料蒸氣入口和空氣入口，排氣端均分別設(shè)置氫氣出口、一氧化碳出口和氮?dú)獬隹冢細(xì)淙剂吓c水蒸氣混合后從燃料蒸氣入口進(jìn)入反應(yīng)器；

4、所述第一反應(yīng)器、所述第二反應(yīng)器和所述第三反應(yīng)器的反應(yīng)腔中均設(shè)置加熱裝置，用于控制反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度，通過(guò)控制反應(yīng)溫度，使反應(yīng)器中依次先進(jìn)行第一階段的反應(yīng)，載氧體與碳?xì)淙剂?、水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣通過(guò)所述氫氣出口排出并收集，再進(jìn)行第二階段的反應(yīng)，吸收劑發(fā)生解吸反應(yīng)，解吸的二氧化碳與還原態(tài)載氧體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳通過(guò)所述一氧化碳出口排出并收集，最后進(jìn)行第三階段的反應(yīng)，載氧體與通入的空氣發(fā)生反應(yīng)，以將載氧體完全氧化，產(chǎn)生的氮?dú)馔ㄟ^(guò)所述氮?dú)獬隹谂懦觯?/p>

5、所述第一反應(yīng)器、所述第二反應(yīng)器和所述第三反應(yīng)器的燃料蒸氣入口、空氣入口、氫氣出口、一氧化碳出口和氮?dú)獬隹谏暇謩e設(shè)置控制閥，通過(guò)控制所述控制閥的開閉及所述加熱裝置的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)階段的控制，使得在同一時(shí)刻三個(gè)反應(yīng)器分別進(jìn)行三個(gè)不同階段的反應(yīng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)裝置連續(xù)穩(wěn)定h2和co的輸出。

6、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，還包括燃料蒸氣總管道、空氣總管道、氫氣收集總管、一氧化碳收集總管和氮?dú)馐占偣?，所述第一反?yīng)器、所述第二反應(yīng)器和所述第三反應(yīng)器的碳?xì)淙剂先肟诤退魵馊肟诜謩e連接所述燃料蒸氣總管道，三個(gè)反應(yīng)器的空氣入口分別連接所述空氣總管道，三個(gè)反應(yīng)器的氫氣出口分別連接所述氫氣收集總管，三個(gè)反應(yīng)器的一氧化碳出口分別連接所述一氧化碳收集總管，三個(gè)反應(yīng)器的氮?dú)獬隹诜謩e連接所述氮?dú)馐占偣堋?/p>

7、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述第一反應(yīng)器、所述第二反應(yīng)器和所述第三反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)均包括內(nèi)層和外層，內(nèi)層的腔體為反應(yīng)器的反應(yīng)腔，內(nèi)層壁和外層壁之間設(shè)有導(dǎo)熱腔，所述第一反應(yīng)器的氮?dú)獬隹谂c所述第三反應(yīng)器的導(dǎo)熱腔連通，所述第二反應(yīng)器的氮?dú)獬隹谂c所述第一反應(yīng)器的導(dǎo)熱腔連通，所述第三反應(yīng)器的氮?dú)獬隹谂c所述第二反應(yīng)器的導(dǎo)熱腔連通；所述第一反應(yīng)器、所述第二反應(yīng)器和所述第三反應(yīng)器的導(dǎo)熱腔的排氣口分別連接至所述氮?dú)馐占偣堋?/p>

8、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述燃料蒸氣總管道和所述空氣總管道上分別設(shè)置預(yù)熱器。

9、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述載氧體采用能將co2還原為co的金屬氧化物，包括鐵基載氧體、鈣鈦礦中的任一種。

10、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述吸收劑采用球狀的硅酸鋰、鋯酸鋰、氧化鈣吸收劑顆粒中的任一種。

11、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述載氧體和所述吸收劑在反應(yīng)腔內(nèi)分層交替均勻排列。

12、本技術(shù)還提供一種上述的氫氣和一氧化碳的分步制取裝置的制取方法，包括：

13、通過(guò)第一反應(yīng)器內(nèi)的加熱裝置將溫度控制至設(shè)定溫度范圍，分別打開所述第一反應(yīng)器的燃料蒸氣入口以及氫氣出口的控制閥，使所述第一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行第一階段的反應(yīng)，載氧體與碳?xì)淙剂?、水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的二氧化碳被吸收劑吸收，產(chǎn)生的氫氣通過(guò)所述氫氣出口排出并收集；

14、關(guān)閉所述第一反應(yīng)器的燃料蒸氣入口的控制閥，通過(guò)加熱裝置調(diào)節(jié)所述第一反應(yīng)器內(nèi)的溫度，同時(shí)打開所述第一反應(yīng)器的一氧化碳出口的控制閥，使所述第一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行第二階段的反應(yīng)，吸收劑發(fā)生解吸反應(yīng)，解吸的二氧化碳與還原態(tài)載氧體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的一氧化碳通過(guò)所述一氧化碳出口排出并收集；同時(shí)，通過(guò)加熱裝置將所述第二反應(yīng)器內(nèi)的溫度控制至設(shè)定溫度范圍，打開所述第二反應(yīng)器的的碳?xì)淙剂先肟谝约皻錃獬隹诘目刂崎y，使所述第二反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行第一階段的反應(yīng)；

15、關(guān)閉所述第一反應(yīng)器的一氧化碳出口的控制閥，打開所述第一反應(yīng)器的空氣入口和氮?dú)獬隹诘目刂崎y，使所述第一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行第三階段的反應(yīng)，載氧體與通入的空氣發(fā)生反應(yīng)，以將載氧體完全氧化后釋放出氮?dú)?，通過(guò)所述氮?dú)獬隹谶M(jìn)入所述第三反應(yīng)器的導(dǎo)熱腔；同時(shí)，關(guān)閉所述第二反應(yīng)器的燃料蒸氣入口的控制閥，通過(guò)加熱裝置調(diào)節(jié)所述第二反應(yīng)器內(nèi)的溫度，同時(shí)打開所述第二反應(yīng)器的一氧化碳出口的控制閥，使所述第二反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行第二階段的反應(yīng)；同時(shí)，通過(guò)第三反應(yīng)器內(nèi)的加熱裝置將溫度控制至設(shè)定溫度范圍，分別打開所述第三反應(yīng)器的燃料蒸氣入口以及氫氣出口的控制閥，使所述第三反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行第一階段的反應(yīng)；

16、關(guān)閉所述第一反應(yīng)器的空氣入口和氮?dú)獬隹诘目刂崎y，通過(guò)第一反應(yīng)器內(nèi)的加熱裝置將溫度控制至設(shè)定溫度范圍，重新打開所述第一反應(yīng)器的燃料蒸氣入口以及氫氣出口的控制閥，使所述第一反應(yīng)器內(nèi)重新進(jìn)行第一階段的反應(yīng)，此時(shí)所述第二反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行第三階段的反應(yīng)，所述第三反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行第二階段的反應(yīng)，通過(guò)不斷改變?nèi)齻€(gè)反應(yīng)器的進(jìn)氣端控制閥與排氣端控制閥的開閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)階段的控制，使得在同一時(shí)刻三個(gè)反應(yīng)器分別進(jìn)行三個(gè)不同階段的反應(yīng)過(guò)程。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本說(shuō)明書實(shí)施例采用的上述至少一個(gè)技術(shù)方案能夠達(dá)到的有益效果至少包括：

18、1.本發(fā)明實(shí)施例在化學(xué)鏈制氫階段不斷通入甲烷和水蒸氣的混合氣，并利用硅酸鋰等co2吸收劑對(duì)載氧體與燃料氣反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行吸收，不斷降低水氣變換反應(yīng)中的二氧化碳濃度，打破了制氫體系中的化學(xué)平衡，使得反應(yīng)向著產(chǎn)生更多氫氣的方向移動(dòng)，從而提高了甲烷的轉(zhuǎn)化率和氫氣的產(chǎn)率。此外由于吸收劑的加入改變了反應(yīng)系統(tǒng)的平衡條件，使得整個(gè)制氫體系的反應(yīng)能夠在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行。

19、2.本發(fā)明實(shí)施例在燃料制氫階段通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)的吸收劑進(jìn)行二氧化碳的吸收固定，然后在第二反應(yīng)階段利用吸收劑解吸產(chǎn)生的二氧化碳對(duì)載氧體進(jìn)行氧化的同時(shí)產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w。與傳統(tǒng)化學(xué)鏈制氫相比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)載氧體還原過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳的吸收利用，不僅減少了溫室氣體二氧化碳的排放，同時(shí)還得到了高質(zhì)量的一氧化碳?xì)怏w，得到的一氧化碳可以用于化工原料或者直接燃燒供熱、發(fā)電等。

20、3.本發(fā)明實(shí)施例在產(chǎn)氫階段加入吸收劑，不僅促進(jìn)了一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣，同時(shí)吸收產(chǎn)物二氧化碳，從而在第一反應(yīng)階段得到了單一產(chǎn)物氣體氫氣；在反應(yīng)的第二階段利用氧化亞鐵與二氧化碳的反應(yīng)，消耗利用吸收劑中儲(chǔ)存的二氧化碳得到了單一產(chǎn)物氣體一氧化碳；在載氧體的完全氧化階段利用載氧體消耗掉空氣中的氧氣從而得到較純凈的氮?dú)?；通過(guò)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了單一氣體氫氣、一氧化碳和氮?dú)獾闹迫?，避免了多種產(chǎn)物氣的分離提純工藝。

21、4.本發(fā)明實(shí)施例的反應(yīng)在固定床中進(jìn)行，載氧體與吸收劑在反應(yīng)器中分層交替排列，避免了載氧體在移動(dòng)床中的磨損消耗。同時(shí)通過(guò)對(duì)反應(yīng)器進(jìn)氣和排氣閥門的控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同反應(yīng)階段的調(diào)控，使得能夠得到連續(xù)的產(chǎn)物氣體。此外還通過(guò)反應(yīng)器間的耦合，實(shí)現(xiàn)了不同反應(yīng)器間熱量的循環(huán)再利用，提高了系統(tǒng)整體的性能。