用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置及方法

1.本发明涉及煤/生物质气化制氢技术领域，尤其是一种用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置及方法。


背景技术：

2.氢气可由可再生能源或传统化石能源制得，能够在未来能源系统中起到调节作用。但是，目前可再生能源制氢仍存在规模受限、波动较大等问题，因此需结合传统化石能源制氢才能实现规模化、平稳化供应。煤炭是我国主要的化石能源，且直接能源化利用会对产生大量二氧化碳，因此，如何高效清洁的大规模生产氢气，积极发展固体燃料转化直接制氢气，对于实现化石资源的逐步替代、在能源安全、节能减排等方面具有战略性意义。然而，现有大规模生产氢气的方法主要是甲烷蒸汽重整法或者电解水的方法，甲烷蒸汽重整需要大量的外部热量是主要问题，电解水制氢中所需电能来源是主要问题。
3.目前，化学链技术被认为是未来最具有应用前景的清洁能源技术的之一。其通过载氧体/载碳体的循环使用，达到生产能源和化工产品的目的的同时，也能够有效捕获二氧化碳。
4.然而，实现化学链技术需要相应的反应流程装置的设计，循环流化床是最为常见的反应装置，但由于生成的是合成气，使用单一循环流化床生产合成气无法将氢气分离出来,因此现有循环流化床并不适用于煤/生物质转化直接制氢过程。
5.如专利申请号为201911345271.x，申请名称为：一种用于煤/生物质化学链气化制备氢气的装置及方法，虽然公开了一种适用于煤/生物质转化直接制氢的装置与方法，但在实际生产中，仍存在生成的富氢气体焦油含量高，再生反应器内的焦炭燃尽率低的系列问题，存在改进的必要性。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种生成的富氢气体焦油含量低、系统的碳转化率高的用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置及方法。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置，包括气化反应器循环管路和再生反应器循环管路；
8.所述气化反应器循环管路包括气化反应器和设置在所述气化反应器上方的流化床提升管；所述流化床提升管的出口端设有第二气固分离装置；所述第二气固分离装置的固体出口端管路连通第三流动控制装置；所述第三流动控制装置出口端连通所述气化反应器；
9.所述再生反应器内生成的二氧化碳及高温氧化钙经气固分离装置分离，所述二氧化碳排出，所述高温氧化钙一部分随管路进入流化床提升管，一部分随管路进入再生反应器。
10.进一步的，在所述再生反应器出口端设有第一气固分离装置；所述第一气固分离
装置的固体出口端管路连通第二流动控制装置；所述第二流动控制装置分别连通所述流化床提升管及再生反应器；
11.所述第二流动控制装置将所述第一气固分离装置分离后的高温煅烧床料一部分送入流化床提升管，一部分送入所述再生反应器。
12.进一步的，所述气化反应器为流化床，所述流化床底部设有布风板，其流型为鼓泡流化床流型，流化介质为水蒸气。
13.进一步的，所述再生反应器为流化床，所述流化床底部设有布风板，其流型为快速流化床/气力输送床流型，流化介质为二氧化碳、氧气和水。
14.进一步的，所述第一气固分离装置和第二气固分离装置均为旋风分离器，可分离气体和颗粒。
15.进一步的，所述第一流动控制装置、第二流动控制装置和第三流动控制装置均为u阀，控制床料传输并防止气化反应器和再生反应器炉之间气体的反窜。
16.进一步的，所述气化反应器通过给料装置供料；所述给料装置采用锁斗给料系统，破碎筛分后的成品床料经上料装置至常压料仓，给料经变压锁斗系统进入给料仓，床料从给料仓底部进入螺旋给料机，进入所述气化反应器。
17.进一步的，所述再生反应器出口端还设有再生气固分离装置；所述再生气固分离装置固体出口端管路连通再生流动控制装置；所述再生流动控制装置流动出口端连通所述再生反应器。
18.本发明还公开了一种用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的方法，包括基于上述用于煤/生物质化学链气化制备氢气协同捕获二氧化碳的装置，还包括如下步骤，
19.s1.煤/生物质颗粒经给料装置与水蒸气送入气化反应器内，经过干燥、热解和气化反应后，生成的粗合成气进入流化床提升管，残留的半焦以及剩余的碳酸钙经第一流动控制装置进入再生反应器；
20.s2.在所述再生反应器中，半焦和流化介质中的氧气燃烧释放热量，碳酸钙高温分解成氧化钙和二氧化碳，由第一气固分离装置分离后，二氧化碳排出，氧化钙经第二流动控制装置返回气化反应器；
21.s3.在所述流化床提升管中，来自再生反应器的氧化钙被气化反应器的合成气流夹带上升，氧化钙吸收所述粗合成气中的co2，促使ch4重整、co变换，转化为氢气，合成气继续上行至所述流化床提升管出口并进入第二气固分离装置，氢气排出，分离后的固体颗粒经第三流动控制装置返回气化反应器，参与反应，循环往复。
22.进一步的，所述气化反应器的温度在650～700℃，压强为常压或加压。
23.进一步的，所述流化床提升管温度控制在600～650℃；所述煤/生物质燃料颗粒包括烟煤、气煤、褐煤、生物质颗粒或其他含碳固体废弃物颗粒。
24.本发明的有益效果为：
25.1.装置结构简单，操作方便，在再生反应器出口第一气固分离装置下行固体管路设有第二流动控制装置，分别连通气化反应器和再生反应器；
26.通过第二流动控制装置控制固体进入气化反应器上部流化床提升管的固体通量，容易控制气化反应器中鼓泡床温度；
27.通过第二流动控制装置控制进入再生反应器的固体通量，能够实现再生反应器的
自循环，有利于提高再生反应器内的焦炭燃尽率，提高装置的碳转化率，同时也可提高caco3转化为cao的转化率和对co2的捕集效率。
28.2.由于进入流化床提升管的固体为再生反应器排出的氧化钙，该氧化钙被气化反应器的合成气流夹带上升送入流化床提升管，因此氧化钙温度高，有利于降低生成的富氢气体的焦油含量，且进一步转化为氢气。
29.3.本发明中，气化反应器设计成鼓泡流化床，设溢流口，固体停留时间长、固体通量大、存料多、蒸汽气化、吸收剂吸收二氧化碳，h2含量高，co2含量低；
30.高效旋风分离器捕集合成气中的固体颗粒，返回炉内，能够保持高循环倍率，提高合成气中的有效气组分和碳转化率。
31.所选煤/生物质燃料颗粒对于煤/生物质气化、水汽变换反应等化学反应过程均有一定的催化作用，且工艺原料科学，原料易于获取，原料成本低，碳利用效率高，污染物少，对环境友好。
32.4.相较于现有设计，再生反应器出口端还设有再生气固分离装置；再生气固分离装置固体出口端管路连通再生流动控制装置；再生流动控制装置流动出口端连通再生反应器，实现了再生反应器的自循环回路；本设计提高了碳酸钙转化为氧化钙的效率；同时，设有自循环回路，解决了装置增大后，一个气固分离装置无法有效分离的问题，使得装置具有可拓展性。
附图说明
33.图1为本发明的装置结构示意图；图2为本发明具体实施例1中装置的结构示意图；图3为本发明具体实施例2中装置的结构示意图。
34.其中，1、流化床提升管；2、气化反应器；3、再生反应器；4、给料装置；5、第一流动控制装置；6、第一气固分离装置；7、第二流动控制装置；8、第二气固分离装置；9、第三流动控制装置。
具体实施方式
35.如图1所示，一种用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置，包括：流化床提升管1、气化反应器2、给料装置4、第一流动控制装置5、再生反应器3、第一气固分离装置6、第二流动控制装置7、第二气固分离装置8和第三流动控制装置9；煤/生物质颗粒经给料装置4与水蒸气送入叠式流化床下部的气化反应器2内，经过干燥、热解和气化反应后，残留的半焦以及剩余的碳酸钙经第一流动控制装置5进入再生反应器3。在再生反应器3中，半焦和氧气燃烧释放热量，碳酸钙高温分解成氧化钙和二氧化碳，由第一气固分离装置6分离后的氧化钙经第二流动控制装置7进入流化床提升管1。来自再生反应器3的氧化钙与下部鼓泡床生成的粗合成气继续反应，促进焦油裂解，合成气夹带氧化钙流化介质上升至炉膛出口并进入第二气固分离装置8，分离后的固体颗粒经第三流动控制装置9返回到气化反应器2内参与气化反应。
36.一种用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的方法，包括如下步骤：
37.s1.将煤/生物质颗粒经给料装置4进入鼓泡流化床富氢气化反应器2中，煤/生物
质脱挥发分成焦炭颗粒、挥发分，焦炭颗粒与流化介质中的水蒸气进行气化反应，控制气化反应器2的温度在650～700℃，压强为常压或加压，生成的粗合成气进入气化反应器2的提升管，继续与来自再生反应器3中再生的氧化钙反应，残留的半焦以及剩余的碳酸钙经第一流动控制装置5进入再生反应器3；
38.s2.在再生反应器3中，半焦和流化介质中的氧气燃烧释放热量，碳酸钙高温分解成氧化钙和二氧化碳，由第一气固分离装置6分离后的氧化钙经第二流动控制装置7返回鼓泡流化床气化反应器2；
39.s3.流化床提升管1中，来自再生反应器3的氧化钙被下部鼓泡床气化反应器2的合成气流夹带上升，提升管温度控制在600～650℃，氧化钙吸收合成气中的co2，促使ch4重整、co变换转化为氢气，合成气继续上行至炉膛出口并进入第二气固分离装置8，分离后的固体颗粒经第三流动控制装置9返回气化反应器2内参与反应。
40.实施例1：
41.如图1-2所示，本实施例所述装置的主体结构包括：流化床提升管1、气化反应器2、给料装置4、第一流动控制装置5、再生反应器3、第一气固分离装置6、第二流动控制装置7、第二气固分离装置8、第三流动控制装置9；其中，煤/生物质颗粒经给料装置4与水蒸气送入叠式流化床下部的气化反应器2内，经过干燥、热解和气化反应后，残留的半焦以及剩余的碳酸钙经第一流动控制装置5进入再生反应器3；气化反应器2为流化床，底部设有布风板，其流型为鼓泡流化床流型，流化介质为水蒸气；
42.在再生反应器3中，半焦和氧气燃烧释放热量，碳酸钙高温分解成氧化钙和二氧化碳，由第一气固分离装置6分离后气体上行排出，固体下行进入立管，可通过第二流动控制装置7进入流化床提升管1，也可通过图2所示的流动方式经固体返料控制装置直接进入再生反应器3下部炉膛中，形成自循环；
43.再生反应器3为流化床，底部设有布风板，其流型为快速流化床/气力输送床流型，流化介质为二氧化碳和氧气；来自再生反应器3的氧化钙与下部鼓泡床生成的粗合成气继续反应，促进焦油裂解，合成气夹带氧化钙固体颗粒继续上升至炉膛出口并进入第二气固分离装置8，分离后的固体颗粒经第三流动控制装置9返回到气化反应器2内参与气化反应。
44.本实施例所述气固分离装置均为旋风分离器，气固分离装置分离反应器中产生的气体和颗粒。
45.本实施例所述第一流动控制装置5和第二流动控制装置7和第三流动控制装均为u阀，流动控制装置控制床料传输并防止气化反应器2和再生反应器3炉之间气体的反窜。
46.本实施例所述给料装置4以采用锁斗给料系统，破碎筛分后的成品床料经上料装置至常压料仓，给料经变压锁斗系统进入给料仓，床料从给料仓底部进入螺旋给料机，进入气化反应器2。
47.本实施例所述装置直接制备氢气并协同捕获二氧化碳的装置及方法的具体工艺步骤为：
48.s1.将煤/生物质颗粒经给料装置4进入鼓泡流化床富氢气化反应器2中，煤/生物质脱挥发分成焦炭颗粒、挥发分，焦炭颗粒与流化介质中的水蒸气进行气化反应，控制气化反应器2的温度在650～700℃，压强为常压或加压，生成的粗合成气进入气化反应器2的提升管，继续与来自再生反应器3中再生的氧化钙反应，残留的半焦以及剩余的碳酸钙经第一
流动控制装置5进去再生反应器3；
49.其中，进行的化学反应包括：
50.coal/biomass+heat
→
gases+tar+char
51.c+h2o
→
co+h252.c+co2→
2co
53.co+h2o
→
co2+h254.s2.在再生反应器3中，半焦和流化介质中的氧气燃烧释放热量，碳酸钙高温分解成氧化钙和二氧化碳，由第一气固分离装置6分离后气体上行排出，固体下行进入第二流动控制装置7，可通过第二流动控制装置7进入流化床提升管1，也可通过管道进入再生反应器3下部炉膛中，形成自循环；其中，第二流动控制装置7与再生反应器3的连通管路，可与第一流动控制装置5到再生反应器3的管路交汇，也可直接进入再生反应器3；
55.其中，进行的化学反应包括：
56.c+o2→
co257.caco3+heat
→
cao+co258.s3.流化床提升管1中，来自再生反应器3的氧化钙被下部鼓泡床气化反应器2的合成气流夹带上升，提升管温度控制在600～650℃，氧化钙吸收合成气中的co2，促使ch4(重整)、c0(变换)转化为氢气，合成气继续上行至炉膛出口并进入第二气固分离装置8，分离后的固体颗粒经第三流动控制装置9返回气化反应器2内参与反应。
59.其中，进行的化学反应包括：
60.cao+co2→
caco361.c
xhy
+h2o
→
co+h2+co262.c
xhy
→
co+h2+co263.实施例2：
64.本实施例所述装置的主体结构包括：流化床提升管1、气化反应器2、给料装置4、第一流动控制装置5、再生反应器3、第一气固分离装置6，再生气固分离装置6-1、第二流动控制装置7，再生流动控制装置7-1、第二气固分离装置8、第三流动控制装置9；其中，煤/生物质颗粒经给料装置4与水蒸气送入叠式流化床下部的气化反应器2内，经过干燥、热解和气化反应后，残留的半焦以及剩余的碳酸钙经第一流动控制装置5进入再生反应器3；气化反应器2为流化床，底部设有布风板，其流型为鼓泡流化床流型，流化介质为水蒸气；
65.在再生反应器3中，半焦和氧气燃烧释放热量，碳酸钙高温分解成氧化钙和二氧化碳，由再生气固分离装置6-1分离后气体上行排出，固体下行进入立管，通过再生流动控制装置7-1进入再生反应器3下部炉膛中，形成自循环；
66.再生反应器3为流化床，底部设有布风板，其流型为快速流化床/气力输送床流型，流化介质为二氧化碳和氧气；来自再生反应器3的氧化钙与下部鼓泡床生成的粗合成气继续反应，促进焦油裂解，合成气夹带氧化钙固体颗粒继续上升至炉膛出口并进入第二气固分离装置8，分离后的固体颗粒经第三流动控制装置9返回到气化反应器2内参与气化反应。
67.本实施例所述气固分离装置均为旋风分离器，气固分离装置分离反应器中产生的气体和颗粒。
68.本实施例所述第一流动控制装置5和再生流动控制装置7-1和第三流动控制装均
为u阀，流动控制装置控制床料传输并防止气化反应器2和再生反应器3炉之间气体的反窜。
69.本实施例所述给料装置4以采用锁斗给料系统，破碎筛分后的成品床料经上料装置至常压料仓，给料经变压锁斗系统进入给料仓，床料从给料仓底部进入螺旋给料机，进入气化反应器2。
70.本实施例所述装置直接制备氢气并协同捕获二氧化碳的装置及方法的具体工艺步骤为：
71.s1.将煤/生物质颗粒经给料装置4进入鼓泡流化床富氢气化反应器2中，煤/生物质脱挥发分成焦炭颗粒、挥发分，焦炭颗粒与流化介质中的水蒸气进行气化反应，控制气化反应器2的温度在650～700℃，压强为常压或加压，生成的粗合成气进入气化反应器2的提升管，继续与来自再生反应器3中再生的氧化钙反应，残留的半焦以及剩余的碳酸钙经第一流动控制装置5进去再生反应器3；
72.其中，进行的化学反应包括：
73.coal/biomass+heat
→
gases+tar+char
74.c+h2o
→
co+h275.c+co2→
2co
76.co+h2o
→
co2+h277.s2.在再生反应器3中，半焦和流化介质中的氧气燃烧释放热量，碳酸钙高温分解成氧化钙和二氧化碳，由再生气固分离装置6-1分离后气体上行排出，固体下行进入立管，通过再生流动控制装置7-1进入再生反应器3下部炉膛中，形成自循环；
78.其中，进行的化学反应包括：
79.c+o2→
co280.caco3+heat
→
cao+co281.s3.流化床提升管1中，来自再生反应器3的氧化钙被下部鼓泡床气化反应器2的合成气流夹带上升，提升管温度控制在600～650℃，氧化钙吸收合成气中的co2，促使ch4重整、co变换转化为氢气，合成气继续上行至炉膛出口并进入第二气固分离装置8，分离后的固体颗粒经第三流动控制装置9返回气化反应器2内参与反应。
82.其中，进行的化学反应包括：
83.cao+co2→
caco384.c
xhy
+h2o
→
co+h2+co285.c
xhy
→
co+h2+co286.本实施例所述的具体工艺步骤，其特征在于所述煤/生物质燃料颗粒包括烟煤、气煤和褐煤，或由生物质颗粒或其他含碳固体废弃物颗粒；其中，含碳固体废弃物颗粒包括塑料、污泥、城市垃圾等。
87.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语，包括技术术语和科学术语具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
88.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术
性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置，其特征在于：包括气化反应器循环管路和再生反应器循环管路；所述气化反应器循环管路包括气化反应器(2)和设置在所述气化反应器(2)上方的流化床提升管(1)；所述流化床提升管(1)的出口端设有第二气固分离装置(8)；所述第二气固分离装置(8)的固体出口端管路连通第三流动控制装置(9)；所述第三流动控制装置(9)出口端连通所述气化反应器(2)；所述再生反应器(3)内生成的二氧化碳及高温氧化钙经气固分离装置分离，所述二氧化碳排出，所述高温氧化钙一部分随管路进入流化床提升管(1)，一部分随管路进入再生反应器(3)。2.根据权利要求1所述的用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置，其特征在于：在所述再生反应器(3)出口端设有第一气固分离装置(6)；所述第一气固分离装置(6)的固体出口端管路连通第二流动控制装置(7)；所述第二流动控制装置(7)分别连通所述流化床提升管(1)及再生反应器(3)；所述第二流动控制装置(7)将所述第一气固分离装置(6)分离后的高温煅烧床料一部分送入流化床提升管(1)，一部分送入所述再生反应器(3)。3.根据权利要求2所述的用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置，其特征在于：所述气化反应器(2)为流化床，所述流化床底部设有布风板，其流型为鼓泡流化床流型，流化介质为水蒸气。4.根据权利要求3所述的用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置，其特征在于：所述再生反应器(3)为流化床，所述流化床底部设有布风板，其流型为快速流化床/气力输送床流型，流化介质为二氧化碳、氧气和水。5.根据权利要求2所述的用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置，其特征在于：所述第一气固分离装置(6)和第二气固分离装置(8)均为旋风分离器，可分离气体和颗粒。6.根据权利要求2所述的用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置，其特征在于：所述第一流动控制装置(5)、第二流动控制装置(7)和第三流动控制装置(9)均为u阀，控制床料传输并防止气化反应器和再生反应器炉之间气体的反窜。7.根据权利要求1所述的用于煤/生物质化学链气化制备氢气协同捕获二氧化碳的装置，其特征在于：所述气化反应器(2)通过给料装置(4)供料；所述给料装置(4)采用锁斗给料系统，破碎筛分后的成品床料经上料装置至常压料仓，给料经变压锁斗系统进入给料仓，床料从给料仓底部进入螺旋给料机，进入所述气化反应器(2)。8.根据权利要求1所述的用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置，其特征在于：所述再生反应器(3)出口端还设有再生气固分离装置(6-1)；所述再生气固分离装置(6-1)固体出口端管路连通再生流动控制装置(7-1)；所述再生流动控制装置(7-1)流动出口端连通所述再生反应器(3)。9.一种用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的方法，其特征在于，基于权利要求1-8中任一所述用于煤/生物质化学链气化制备氢气协同捕获二氧化碳的装置，还包括如下步骤，s1.煤/生物质颗粒经给料装置(4)与水蒸气送入气化反应器(2)内，经过干燥、热解和
气化反应后，生成的粗合成气进入流化床提升管(1)，残留的半焦以及剩余的碳酸钙经第一流动控制装置(5)进入再生反应器(3)；s2.在所述再生反应器(3)中，半焦和流化介质中的氧气燃烧释放热量，碳酸钙高温分解成氧化钙和二氧化碳，由第一气固分离装置(6)分离后，二氧化碳排出，氧化钙经第二流动控制装置(7)返回气化反应器(2)；s3.在所述流化床提升管(1)中，来自再生反应器(3)的氧化钙被气化反应器(2)的合成气流夹带上升，氧化钙吸收所述粗合成气中的co2，促使ch4重整、co变换，转化为氢气，合成气继续上行至所述流化床提升管(1)出口并进入第二气固分离装置(8)，氢气排出，分离后的固体颗粒经第三流动控制装置(9)返回气化反应器(2)，参与反应，循环往复。10.根据权利要求9所述的用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的方法，其特征在于：所述气化反应器(2)的温度在650～700℃，压强为常压或加压；所述流化床提升管(1)温度控制在600～650℃；所述煤/生物质燃料颗粒包括烟煤、气煤、褐煤、生物质颗粒或其他含碳固体废弃物颗粒。

技术总结
本发明公开了一种用于煤/生物质化学链制备氢捕获二氧化碳的装置及方法，煤/生物质颗粒通过给料装置进入鼓泡流化床气化反应器中，在气化反应器中通入水蒸气并进行热解、气化反应后产生合成气；气化后生成的半焦及剩余床料颗粒一起进入流化床提升管再生反应器，在再生反应器中半焦和氧气燃烧释放热量，碳酸钙受热分解为氧化钙和二氧化碳，随后再生的氧化钙经返料器进入循环流化床提升管中参与气化反应，两个旋风分离器中分离出的气体可得高浓度氢气和二氧化碳；床料颗粒则不断参与氧化还原或碳化分解反应并循环使用。本发明结构简单，操作方便，可通过调节由再生反应器出口分离器下行固体进入再生反应器的固体通量，实现再生反应器的自循环。应器的自循环。


技术研发人员：王方军 陈时熠 杜军 陈书博 向文国
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/9/11