铁基载氧体制氢和分离二氧化碳一体化新方法

本课题将铁法制氢与化学链燃烧原理结合，提出了化学链制氢与二氧化碳分离一体化新方法，在燃料化学能转化为热能的同时实现制氢和分离二氧化碳一体化。设计了新颖的叠式流化床燃料反应器，实现燃料转化过程的二氧化碳富集。以合成气为燃料，研究铁基载氧体链式反应制氢和分离二氧化碳机理和反应动力学特性，建立三联流化床制氢和捕集二氧化碳冷态和热态实验装置，研究三联反应器链式反应间流动匹配规律和气密特性、运行和操作方法、链式反应热化学反应网络特性和反应条件以及燃料气中硫份的变迁和释放规律。为后续孵化新型链式反应制氢和分离二氧化碳一体化技术，提供理论基础和实验数据。

铁载氧体化学链制氢是一种新型的制氢技术，能够在制取氢气的同时实现CO2捕集。然而，铁载氧体Fe2O3还原为FeO或Fe过程中，燃料转化率低，难于满足CO2捕集的需要。本项目提出了叠式流化床燃料反应器概念，即通过特殊的结构设计，将鼓泡流化床与快速流化床叠加成一个反应器，提高化学链制氢的燃料转化率；提出了三联流化床化学链制氢与捕集CO2技术。本项目采用系统模拟、冷态实验研究、及热态实验研究相结合的方法，对三联流化床化学链制氢技术进行了相关基础研究：围绕化学链技术，选择煤作为燃料，采用煤气化、固体氧化物燃料电池和燃气蒸汽联合循环，构建新型煤气化化学链联合循环发电系统，协同制氢与CO2捕集，系统发电当量效率57.95%，CO2捕集效率为~100%。固体氧化物燃料电池耦合化学链燃烧发电系统，煤气化合成气进入固体氧化物燃料电池发电，燃料电池排气进入化学链燃烧反应器，实现燃料气体完全转化，分离CO2。系统发电效率49.8%，较高的固体氧化物燃料电池温度和燃料利用系数可以提高整个系统的发电效率。设计并建设了50kW三联流化床反应器冷态实验装置，由叠式流化床燃料反应器及两个快速流化床构成。研究了各反应器流化风速、总床料量及二次风对反应器压力曲线、运行范围以及颗粒运行轨迹的影响。着重考察了系统的固体循环速率、床料量分布及反应器间窜气现象。结果表明，三联流化床系统能够连续稳定的运行，各反应器流化风速对反应器间窜气也有一定影响，但窜气率均能维持在3%以下。利用Aspen Plus对涉及叠式流化床燃料反应器的化学链制氢过程搭建了热力学模型。从热力学角度提出了系统运行准则，分析了反应器温度、载氧体循环率及惰性载体循环率对系统运行范围的影响。给出了系统的最佳运行条件。设计并建设了功率为1kW的叠式流化床燃料反应器热态反应装置，以铁矿石为载氧体，着重考察了叠式流化床燃料反应器的运行效果以及铁矿石在化学链制氢的还原过程中的反应特性。结果证实铁载氧体能够还原至FeO。设计建造基于叠式流化床燃料反应器的化学链制氢三联床反应器，并在三联床反应器上进行了以CO原料气的制氢和捕集CO2的原理性实验验证。后续研究集中在三联床化学链制氢和捕集二氧化碳实验装置的改进和实验研究，形成三联床化学链制氢和捕集二氧化碳技术。