化学链制氢的整体式载氧体、制备方法、制氢系统和方法转让专利
申请号 : CN202010987910.9
文献号 : CN112142491B
文献日 : 2022-02-22
发明人 : 吴志强 , 张博 , 杨伯伦 , 伍松 , 郭伟 , 张杰
申请人 : 西安交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.化学链制氢的整体式载氧体的制备方法,其特征在于,包括:步骤1、将赤泥和炉渣破碎至粒径小于2毫米后干燥脱除水分;然后研磨使赤泥和炉渣的粒径小于150目;
步骤2、将研磨好的赤泥、炉渣和碳酸钾进行混合,获得混合料;混合料中赤泥、炉渣和碳酸钾的质量比为100:(100 120):(5 10);
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步骤3、制备好的混合料中加入粘合剂、胶溶剂、助挤剂、扩孔剂和水,混合均匀制成泥状坯料;所述粘合剂为薄水铝石、蒙脱石、水玻璃、水滑石、纤维素、淀粉、聚乙烯醇或酚醛树脂;粘结剂的用量为泥状坯料重量的20% 30%;胶溶剂为硫酸、硝酸或醋酸,添加质量为泥状~
坯料重量的5% 10%;使用田菁粉和均三甲苯分别为助挤剂和扩孔剂,田菁粉的添加质量为~
泥状坯料重量的0.5% 2.5%,均三甲苯的添加质量为泥状坯料重量的0.5% 2.5%,水的质量~ ~
占泥状坯料的20%;
步骤4、选用凝胶注模法制备的多孔堇青石作为整体式载氧体的载体,每英寸400个孔道;将载体置于浓度20%的草酸,处理时间为3小时;然后进行水洗,样品经浸出和洗涤后,在
120℃的烘箱中干燥3小时;将浸出的整体式载体完全浸入泥状坯料中5 6小时;然后取出用~
压缩空气吹出孔道中多余的浆液,重复3‑5次,达到涂层厚度;
步骤5、将制备的整体式载氧体样品放入40 60℃的烘箱中进行干燥12小时,至形成稳~
定的构架且水含量低于10%;干燥时相对湿度保持在50 60%;干燥过程中缓慢转动,保证干~
燥均匀并防止弯曲和裂痕出现;干燥完后,进行焙烧:焙烧温度为1100℃,焙烧时间为3小时获得化学链制氢的整体式载氧体;所述化学链制氢的整体式载氧体为多孔结构,比表面积
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高于400m/m,孔隙率高于70%。
2.如权利要求1所述的制备方法制备的化学链制氢的整体式载氧体;所述化学链制氢
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的整体式载氧体为多孔结构,比表面积高于400m/m,孔隙率高于70%。
3.化学链制氢的制氢系统,其特征在于,包括:包括第一整体式反应器(1)和第二整体式反应器(2);第一整体式反应器(1)的进气端通过第一阀门(3)、第二阀门(4)分别连接还原性气体进入管、水蒸气进气管;第一整体式反应器(1)的出气端通过第五阀门(7)、第六阀门(8)分别连接第一出气管、第二出气管;第二整体式反应器(2)的进气端通过第三阀门(5)、第四阀门(6)分别连接还原性气体进入管、水蒸气进气管;第二整体式反应器(2)的出气端通过第七阀门(9)、第八阀门(100)分别连接第一出气管、第二出气管;
第一整体式反应器(1)和第二整体式反应器(2)结构相同,均包括壳体(11)和设置于壳体(11)内的权利要求2所述的化学链制氢的整体式载氧体(10);整体式载氧体(10)的外径小于反应器壳体(11)的内径;壳体(11)的内径为40 80mm;化学链制氢的整体式载氧体(10)~
的外径为45 55mm;
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或者,第一整体式反应器(1)和第二整体式反应器(2)的结构相同,为嵌套式的整体式反应器,包括圆筒形的内壳体(111)和外壳体(112),内壳体(111)和外壳体(112)嵌套设置;
内壳体(111)内设有内整体式载氧体(101),内壳体(111)和外壳体(112)之间设置有截面为环形的外整体式载氧体(102);内壳体(111)的直径与外壳体(112)的直径之比为1:1.2~
2.0;所述内整体式载氧体(101)和外整体式载氧体(102)采用权利要求2所述的化学链制氢的整体式载氧体。
4.化学链制氢的方法,其特征在于,基于权利要求3所述化学链制氢的制氢系统,包括:
1)、打开第一阀门(3)和第三阀门(5)通入还原性气体,打开第五阀门(7)和第七阀门(9),通过第一出气管、第二出气管出口捕获CO2;
2)、当第一出气管、第二出气管出口处CO2浓度下降时,关闭第一阀门(3)和第五阀门(7),打开第二阀门(4)和第六阀门(8),向第一整体式反应器(1)通入水蒸气氧化整体式载氧体(10)制备纯氢;
3)、此时第一整体式反应器(1)和第二整体式反应器(2)中的整体式载氧体(10)分别保持为氧化态和还原态,打开第一阀门(3)、第四阀门(6)、第五阀门(7)和第八阀门(100),其余阀门关闭,即第一整体式反应器(1)进行载氧体被还原,第二整体式反应器(2)进行载氧体被氧化,两个反应器实现了载氧体的氧化还原同时进行;
4)、步骤3)反应完全后,切换打开第二阀门(4)、第三阀门(5)、第六阀门(8)和第七阀门(9),其余阀门关闭,使得氧化还原反应交互进行,实现整体式反应器的连续制氢。
说明书 :
化学链制氢的整体式载氧体、制备方法、制氢系统和方法
技术领域
背景技术
峻,氢能对于社会经济可持续发展有着重要的作用。化学链制氢与化学链燃烧过程原理相
同,燃料反应器中载氧体被还原,以水蒸气代替空气作为氧化剂引入到蒸汽反应器中氧化
载氧体,同时水蒸气中的氢被还原成氢气可以实现纯氢的制备。
反应器中还原水蒸气制备纯氢,是化学链制氢的效率的决定因素。但是载氧体的深度还原
导致表面积碳进而产物氢气不纯,而且交替循环的过程中由于颗粒磨损和烧结,载氧体循
环性能需要近一步提升。整体式载氧体由于其压降低、单位反应器体积的表面积大和放大
效应小等优点,考虑制备整体式的载氧体用于化学链制氢过程,显著的提高载氧体的寿命
和反应活性。用于化学链制氢的固定床反应器面临间歇操作、传热性差的挑战,流化床反应
器有着气固两相转化率不高的缺点,考虑制备整体式反应器用于化学链制氢过程。
发明内容
上述传统化学链制氢反应器存在的问题。另外本发明还提供了一种炼厂废弃物高效的资源
化利用方法,基于赤泥和炉渣制备整体式载氧体用于化学链制氢过程。该载氧体用于化学
链制氢不仅可以解决传统载氧体颗粒比表面积小、积碳烧结和制氢效率低的问题,而且实
现了工业固体废弃物的有效利用。
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有机酸,添加质量为泥状坯料重量的5% 10%;使用田菁粉和均三甲苯分别为助挤剂和扩孔
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剂,田菁粉的添加质量为泥状坯料重量的0.5% 2.5%,均三甲苯的添加质量为泥状坯料重量
~
的0.5% 2.5%,水的质量占泥状坯料的20%。
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小时;浸渍完成后用去离子水洗掉表面残余浸渍液;
的温度下进行4 6小时的焙烧,获得化学链制氢的整体式载氧体。
管;第一整体式反应器的出气端通过第五阀门、第六阀门分别连接第一出气管、第二出气
管;第二整体式反应器的进气端通过第三阀门、第四阀门分别连接还原性气体进入管、水蒸
气进气管;第二整体式反应器的出气端通过第七阀门、第八阀门分别连接第一出气管、第二
出气管;
氧体,内壳体和外壳体之间设置有截面为环形的外整体式载氧体;
式反应器1进行载氧体被还原,第二整体式反应器2进行载氧体被氧化,两个反应器实现了
载氧体的氧化还原同时进行;
制氢大规模工业化应用奠定了基础。
本。
操作制备纯氢。整体式反应器中间进料或者嵌套式的改进提高了固相转化率和产氢纯度。
整体式载氧体的制备方法包括自成型法、固载涂覆法和浸渍法。自成型法主要步骤为:炼厂
工业废弃物进行干燥和研磨后,加入一定量的助剂碳酸钾混合均匀形成混合料。混合料固
体颗粒中加入一系列助剂混合均匀制成有一定粘度和流动性的泥状坯料,经挤压成型并干
燥煅烧制备整体式载氧体。固载涂覆法的关键在于选用合适的整体式载体(如堇青石)用无
机酸进行酸蚀处理,提高其比表面积。浸渍法的关键步骤为浸渍的时间和次数,浸渍后用去
离子水洗掉表面残余浸渍液。本发明提供了整体式反应器用于化学链制氢过程并利用炼厂
废弃物制备整体式载氧体,实现了工业固体废弃物的有效利用,解决了传统载氧体颗粒比
表面积小、积碳烧结和制氢效率低的问题。
附图说明
具体实施方式
义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而并非意图限制根据本发明的
示例性实施方式。
明本发明的内容。
占比达50.5%。在钢铁冶炼过程中,将产生大量高温炉渣。炉渣的主要由CaO、SiO2、Al2O3、MgO
和其他金属氧化物组成。赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣,一般平均每生
产1吨氧化铝,附带产生1.0 2.0吨赤泥,我国每年排放的赤泥高达数百万吨。不同制铝方法
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得到的赤泥化学组分略有差别,主要由Fe2O3,Al2O3,SiO2和TiO2组成,pH值范围为10~13。大
量的赤泥不能充分有效的利用,只能依靠大面积的堆场堆放,占用了大量土地,也对环境造
成了严重的污染。对于炼厂废弃物实现多渠道、大规模的资源化利用已迫在眉睫,需要考虑
全新的资源化利用方式。
有效组分赤铁矿,与典型铁基载氧体的组分相吻合,具备用于化学链制氢的先天条件。赤泥
本身还含有一部分惰性载体,为了调变载氧体的性能,利用含有Al2O3和SiO2较多的炉渣和
赤泥混合制备高性能的载氧体用于化学链制氢过程。赤泥和炉渣价格来源充足,作为化学
链制氢的载氧体具有巨大的潜力。
渣已经成为现阶段的主要任务。赤泥和炉渣高效的资源化利用制备整体式载氧体及反应器
是当前需要解决的问题。
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400m/m,孔隙率高于70%。
内径。反应器壳体11的内径需要适中,内径太大,温度分布不均匀,反应程度不一;内径太小
会增大床层阻力,床层压降和动力消耗会增大。壳体11的内径为40 80mm,优选为50 60mm,
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整体式载氧体10的外径比壳体11的内径小5mm,直径可选45 55mm。
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门3、第二阀门4分别连接还原性气体进入管、水蒸气进气管。第一整体式反应器1的出气端
通过第五阀门7、第六阀门8分别连接第一出气管、第二出气管。第二整体式反应器2的进气
端通过第三阀门5、第四阀门6分别连接还原性气体进入管、水蒸气进气管。第二整体式反应
器2的出气端通过第七阀门9、第八阀门100分别连接第一出气管、第二出气管。
第一出气管、第二出气管出口捕获CO2。
备纯氢。
即第一整体式反应器1进行载氧体被还原,第二整体式反应器2进行载氧体被氧化,两个反
应器实现了载氧体的氧化还原同时进行。
统进料方式导致的出口处由于气体稀释反应不彻底的情况,可以促进反应完全。这是由于
气相原料进料后由于垂直反应器壁的缓冲使得气相速率变慢,停留时间增长,反应更彻底。
外壳体112,内壳体111和外壳体112嵌套设置;内壳体111内设有内整体式载氧体101,内壳
体111和外壳体112之间设置有截面为环形的外整体式载氧体102。还原性气体首先进入内
层与内载氧体进行反应,在内层经过完整的反应过程后,在内层出口处循环进入外层载氧
体继续反应,保证氧化还原反应的完全进行。内壳体111的直径与外壳体112的直径之比为
1:1.2 2.0,优选为1:1.5 1.8。相对应的,载氧体内外层的活性组分的比值与内外径之比息
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息相关。载氧体内外层的活性组分的比值0.5 2.0,优选为0.8 1.2。(活性组分是以载氧体
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中的Fe2O3为主,活性组分的比值即为载氧体的质量之比)。
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毫米级颗粒,用球磨机进行磨细操作,使赤泥和炉渣的粒径小于150目,保证能够混合均匀。
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为100:100 120:5 10。
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在一起经挤压煅烧后形成整体式载氧体。粘合剂的选择包括无机粘合剂(如薄水铝石、蒙脱
石、水玻璃、水滑石等)和有机粘合剂(如纤维素、淀粉、聚乙烯醇、酚醛树脂等)。粘结剂过少
会导致不能很好地粘结,产品的强度很低;粘结剂含量过高会造成载氧体中有效组分含量
降低而影响其反应性能,粘结剂的用量选择在泥状坯料重量的10% 50%的范围,优选为20
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30%。胶溶剂主要是配合粘合剂起作用,常用的胶溶剂为酸性物质:硫酸、硝酸或醋酸,其添
加质量为泥状坯料重量的5% 10%;使用田菁粉和均三甲苯分别为助挤剂和扩孔剂,田菁粉
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的添加质量为泥状坯料重量的0.5% 2.5%,均三甲苯的添加质量为泥状坯料重量的0.5%
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2.5%,水的质量占泥状坯料的20%。
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优选为7.4 8.2mm。载氧体壁厚设定为0.9 1.2mm,优选为1.0 1.1mm。保证制备出来的整体
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式载氧体比表面积高于400m/m ,孔隙率高于70%。挤出温度和挤出速率相关联,挤出温度可
以在室温25℃下进行,挤出速率过高会导致挤出样品表面出现“狗牙”状缺陷。挤出速率范
围为30 50r/min,优选为40r/min。
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形成稳定的构架且水含量低于10%,优选为40 60℃干燥12小时;干燥时相对湿度保持在50
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60%。干燥过程中缓慢转动,保证干燥均匀并防止弯曲和裂痕出现。干燥完后,进行焙烧:焙
烧温度为1000 1200℃,优选为1100℃,焙烧时间2 4小时,优选为3小时。
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比表面积,并能保证一定的机械强度,优选为浓度20%的草酸,处理时间为2 4小时,优选为3
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小时。然后进行水洗,样品经浸出和洗涤后,在100 150℃的烘箱中干燥2 4小时,优选为120
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℃、3小时;将浸出的整体式载体完全浸入泥状坯料中4 8小时,优选为5 6小时;然后取出用
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压缩空气吹出孔道中多余的浆液,重复3‑5次,优选为4次,以达到足够的涂层厚度。
优选为6小时。浸渍完成后用去离子水洗掉表面残余浸渍液。
℃、3小时。然后在600 800℃的温度下进行4 6小时的焙烧,优选为700℃、5小时,完成整体
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式载氧体的制备。
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氧体壁厚设定为0.9 1.2mm,优选为1.0 1.1mm。
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有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。