一种热化学CO2化学链转化的串行双流化床装置

一种热化学co2化学链转化的串行双流化床装置
技术领域
1.本实用新型属于热化学二氧化碳化学链转化技术领域，特别涉及一种热化学co2化学链转化的串行双流化床装置。


背景技术：

2.热化学co2转化是co2资源化利用的重要路径之一。热化学转化是在高温状态下将co2还原为co、ch4、ch3oh等，其又包括催化转化和非催化转化两种情况。对于催化转化，通常是利用ch4干重整反应(ch4+co2→
co+h2)将co2转化为合成气，或者采用co2加氢转化方法(co2+h2→
co/ch4/ch3oh+h2o)将co2转化为co、ch4、ch3oh。co2催化转化方法容易受到化学反应平衡限制，导致co2转化率低，且对催化剂要求高，如选择性高、抗积碳等，催化剂成本高昂。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种热化学co2化学链转化的串行双流化床装置，具体技术方案如下：
4.本实用新型第一方面提供一种热化学co2化学链转化的串行双流化床装置，包括还原反应器和氧化反应器，还原反应器装载高价态金属氧化物，以氢气为原料进行还原反应；氧化反应器装载低价态金属氧化物或金属单质，以co2为原料进行氧化反应；
5.还原反应器、氧化反应器分别外接第一旋风分离器7、第二旋风分离器10，其中，第一旋风分离器7底部设置第一u型返料器8，第一u型返料器8连通氧化反应器底部进料口；第二旋风分离器10底部设置第二u型返料器9，第二u型返料器9连通还原反应器底部进料口；
6.第一旋风分离器7出气口、冷凝器17、还原反应器的氢气进气口顺次连通，且还原反应器内设置第一换热器4；第二旋风分离器10外接第二换热器16，第二换热器16与第一换热器4形成换热循环回路。
7.进一步地，所述还原反应器包括还原反应器风室1、第一布风板2、还原反应器底部3、还原反应器锥形段5和还原反应器提升段6，氧化反应器包括氧化反应器风室15、第二布风板14、氧化反应器底部13、氧化反应器锥形段12和氧化反应器提升段11。
8.进一步地，还原反应器提升段6上部与第一旋风分离器7进气口连通，氧化反应器提升段11上部与第二旋风分离器10进气口连通。
9.进一步地，还原反应器的氢气进气口设置在还原反应器风室1，高价态金属氧化物装载在还原反应器底部3，第一换热器4设置在还原反应器底部3侧壁。
10.进一步地，氧化反应器的co2进气口设置在氧化反应器风室15，低价态金属氧化物或金属单质装载在氧化反应器底部13，第二换热器16排气口连接co收集装置。
11.进一步地，还原反应器提升段6、氧化反应器提升段11均设置有二次进风口。
12.基于本实用新型第一方面所提供的串行双流化床装置进行的热化学co2化学链转化工艺，包括氧化反应和还原反应；
13.所述氧化反应为co2自氧化反应器风室15进入，经第二布风板14进入氧化反应器底部(13)，与低价态金属氧化物或金属单质反应，co2还原为co，低价态金属氧化物或金属单质氧化为高价态金属氧化物，co和高价态金属氧化物进入第二旋风分离器10进行气固分离，分离后的高温co进入第二换热器16，高价态金属氧化物颗粒下落经第二u型返料器9进入还原反应器底部；
14.所述还原反应为氢气自还原反应器风室1进入，经第一布风板2进入还原反应器底部3，与高价态金属氧化物反应，氢气被氧化为水蒸气，高价态金属氧化物被还原为低价态金属氧化物或金属单质，水蒸气和低价态金属氧化物或金属单质进入第一旋风分离器7进行气固分离，分离后的气体进入冷凝器17冷凝，低价态金属氧化物或金属单质下落经第一u型返料器8进入氧化反应器底部。
15.进一步地，进入第一旋风分离器7的气体包括水蒸气和氢气，高温氢气经冷凝器17冷凝后进入还原反应器循环利用。
16.进一步地，高温co进入第二换热器16和换热介质换热后经co收集装置收集，换热介质进入第一换热器4为还原反应器内反应提供热量，放热后循环至第二换热器16继续吸热。
17.本实用新型的有益效果为：(1)本实用新型采用串行双流化床有利于强化气固两相流动、传热传质与化学反应耦合作用，提高反应速率；(2)采用固体氧化物的氧化还原循环反应将传统逆水煤气变换反应(co2+h2→
co+h2o)解耦为两个子反应，分别在两个反应器中进行，即热化学co2化学链转化，有利于突破化学反应平衡限制，提高co2转化率；(3)实现了两床料之间的连续循环利用，解决了二氧化碳催化转化中对于催化剂要求高、催化剂易失活的问题。利用本实用新型提供的串行双流化床装置进行热化学co2化学链转化工艺，能有效减少二氧化碳的排放、提高逆水煤气转换效率。
附图说明
18.图1为本实用新型提供的热化学co2化学链转化的串行双流化床装置；
19.标号说明：1-还原反应器风室；2-第一布风板；3-还原反应器底部；4-第一换热器；5-还原反应器锥形段；6-还原反应器提升段；7-第一旋风分离器；8-第一u型返料器；9-第二u型返料器；10-第二旋风分离器；11-氧化反应器提升段；12-氧化反应器锥形段；13-氧化反应器底部；14-第二布风板；15-氧化反应器风室；16-第二换热器；17-冷凝器。
具体实施方式
20.本实用新型提供了一种热化学co2化学链转化的串行双流化床装置，下面结合实施例对本实用新型做进一步的说明。
21.本实用新型第一方面提供一种热化学co2化学链转化的串行双流化床装置，如图1所示，包括还原反应器和氧化反应器，还原反应器装载高价态金属氧化物，以氢气为原料进行还原反应；氧化反应器装载低价态金属氧化物或金属单质，以co2为原料进行氧化反应。
22.其中的高价态金属氧化物包括但不限于fe3o4、cuo、mn3o4、co3o4中的任意一种或多种组合，能和氢气进行氧化还原反应即可；其中的，低价态金属氧化物或金属单质包括但不限于feo、cu、mno、coo中的任意一种或多种组合，能和co2进行氧化还原反应即可。基于本实
用新型串行双流化床装置的设计思路，高价态金属氧化物、低价态金属氧化物或金属单质优选为同一种金属，以便于循环利用。
23.还原反应器、氧化反应器分别外接第一旋风分离器7、第二旋风分离器10，外接旋风分离器的作用是利用旋风分离实现气固分离，本领域技术人员公知，需要分别在还原反应器、氧化反应器的出气口外接第一旋风分离器7、第二旋风分离器10。其中，第一旋风分离器7底部设置第一u型返料器8，第一u型返料器8连通氧化反应器底部进料口；第二旋风分离器10底部设置第二u型返料器9，第二u型返料器9连通还原反应器底部进料口。因此，本实用新型串行双流化床装置中还原反应器、氧化反应器使用的金属氧化物或金属单质可以实现循环利用。
24.进一步地，第一旋风分离器7出气口、冷凝器17、还原反应器的氢气进气口顺次连通。目的是实现氢气的回收利用，具体过程为还原反应器中氢气被氧化为水蒸气，还原反应器出气口的气流为氢气和/或水蒸气，经第一旋风分离器7气固分离后，气流进入冷凝器17，冷凝后的氢气回收至还原反应器底部进气口作为氢气原料重复利用。
25.作为优选实施方案，还原反应器内设置第一换热器4；第二旋风分离器10外接第二换热器16，第二换热器16与第一换热器4形成换热循环回路，目的是实现热量的回收利用，具体过程为二氧化碳与低价态金属氧化物或金属颗粒的反应为放热反应，氢气与高价态金属氧化物的反应为吸热反应，co2在氧化反应器内被还原为co，高温co在第二换热器16将热量交换给换热介质，换热介质进入第一换热器4为氢气与高价态金属氧化物的反应提供热量，换热后再循环回至第二换热器16继续和高温co换热，由此实现热量回收利用。
26.本实用新型还原反应器、氧化反应器结构不限，能实现原料气体(即氢气和co2)和固体催化剂即(金属氧化物、金属单质)的完全反应即可。作为优选实施方案，还原反应器包括还原反应器风室1、第一布风板2、还原反应器底部3、还原反应器锥形段5和还原反应器提升段6，氧化反应器包括氧化反应器风室15、第二布风板14、氧化反应器底部13、氧化反应器锥形段12和氧化反应器提升段11。布风板安装在反应器底部，目的是使气流分布均匀，保持床料正常的流化状态。
27.具体地，还原反应器提升段6上部与第一旋风分离器7进气口连通，氧化反应器提升段11上部与第二旋风分离器10进气口连通。
28.具体地，还原反应器的氢气进气口设置在还原反应器风室1，高价态金属氧化物装载在还原反应器底部3，第一换热器4设置在还原反应器底部3侧壁。
29.具体地，氧化反应器的co2进气口设置在氧化反应器风室15，低价态金属氧化物或金属单质装载在氧化反应器底部13，第二换热器16排气口连接co收集装置。
30.进一步优选地，还原反应器提升段6、氧化反应器提升段11均设置有二次进风口，以便充分完全反应。
31.基于本实用新型第一方面所提供的串行双流化床装置进行的热化学co2化学链转化工艺，包括氧化反应和还原反应：
32.所述氧化反应为co2自氧化反应器风室15进入，经第二布风板14进入氧化反应器底部(13)，与低价态金属氧化物或金属单质反应，co2还原为co，低价态金属氧化物或金属单质氧化为高价态金属氧化物，co和高价态金属氧化物进入第二旋风分离器10进行气固分离，分离后的高温co进入第二换热器16，高价态金属氧化物颗粒下落经第二u型返料器9进
入还原反应器底部；
33.所述还原反应为氢气自还原反应器风室1进入，经第一布风板2进入还原反应器底部3，与高价态金属氧化物反应，氢气被氧化为水蒸气，高价态金属氧化物被还原为低价态金属氧化物或金属单质，水蒸气和低价态金属氧化物或金属单质进入第一旋风分离器7进行气固分离，分离后的气体进入冷凝器17冷凝，低价态金属氧化物或金属单质下落经第一u型返料器8进入氧化反应器底部。需要说明的是，氢气与高价态金属氧化物颗粒中的晶格氧结合生成水。
34.进一步地，进入第一旋风分离器7的气体包括水蒸气和氢气，高温氢气经冷凝器17冷凝后进入还原反应器循环利用。
35.进一步地，高温co进入第二换热器16和换热介质换热后经co收集装置收集，换热介质进入第一换热器4为还原反应器内反应提供热量，放热后循环至第二换热器16继续吸热。
36.作为优选方案，氧化反应器和还原反应器设计锥形段和提升段，提升段的直径小于反应器底部直径，锥形段为反应器底部直径向提升段过度的部分，反应器底部的气流进入锥形段后流速会提高，此时金属氧化物或金属单质颗粒被吹起，气流和金属催化剂在锥形段和提升段充分反应后再进入旋风分离器分离。作为更优选实施方案，在还原反应器提升段6、氧化反应器提升段11分别补充氢气、co2原料，目的是提高反应效率。

技术特征：
1.一种热化学co2化学链转化的串行双流化床装置，其特征在于，包括还原反应器和氧化反应器，还原反应器装载高价态金属氧化物，以氢气为原料进行还原反应；氧化反应器装载低价态金属氧化物或金属单质，以co2为原料进行氧化反应；还原反应器、氧化反应器分别外接第一旋风分离器(7)、第二旋风分离器(10)，其中，第一旋风分离器(7)底部设置第一u型返料器(8)，第一u型返料器(8)连通氧化反应器底部进料口；第二旋风分离器(10)底部设置第二u型返料器(9)，第二u型返料器(9)连通还原反应器底部进料口；第一旋风分离器(7)出气口、冷凝器(17)、还原反应器的氢气进气口顺次连通，且还原反应器内设置第一换热器(4)；第二旋风分离器(10)外接第二换热器(16)，第二换热器(16)与第一换热器(4)形成换热循环回路。2.根据权利要求1所述的串行双流化床装置，其特征在于，所述还原反应器包括还原反应器风室(1)、第一布风板(2)、还原反应器底部(3)、还原反应器锥形段(5)和还原反应器提升段(6)，氧化反应器包括氧化反应器风室(15)、第二布风板(14)、氧化反应器底部(13)、氧化反应器锥形段(12)和氧化反应器提升段(11)。3.根据权利要求2所述的串行双流化床装置，其特征在于，还原反应器提升段(6)上部与第一旋风分离器(7)进气口连通，氧化反应器提升段(11)上部与第二旋风分离器(10)进气口连通。4.根据权利要求1所述的串行双流化床装置，其特征在于，还原反应器的氢气进气口设置在还原反应器风室(1)，高价态金属氧化物装载在还原反应器底部(3)，第一换热器(4)设置在还原反应器底部(3)侧壁。5.根据权利要求1所述的串行双流化床装置，其特征在于，氧化反应器的co2进气口设置在氧化反应器风室(15)，低价态金属氧化物或金属单质装载在氧化反应器底部(13)，第二换热器(16)排气口连接co收集装置。6.根据权利要求2所述的串行双流化床装置，其特征在于，还原反应器提升段(6)、氧化反应器提升段(11)均设置有二次进风口。

技术总结
本实用新型属于热化学二氧化碳化学链转化技术领域，特别涉及一种热化学CO2化学链转化的串行双流化床装置，包括还原反应器和氧化反应器，还原反应器装载高价态金属氧化物，以氢气为原料进行还原反应；氧化反应器装载低价态金属氧化物或金属单质，以CO2为原料进行氧化反应；还原反应器、氧化反应器分别外接第一旋风分离器、第二旋风分离器，其中，第一旋风分离器底部设置第一U型返料器，第一U型返料器连通氧化反应器底部进料口；第二旋风分离器底部设置第二U型返料器，第二U型返料器连通还原反应器底部进料口。利用本实用新型提供的串行双流化床装置进行热化学CO2化学链转化工艺，能有效减少二氧化碳的排放、提高逆水煤气转换效率。率。率。


技术研发人员：邓辽 曹荣昌 魏克鑫 刘磊 刘涵子 孙志强 张路
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.12.09
技术公布日：2023/8/5