本發(fā)明涉及煤氣化制合成氣及氫氣領(lǐng)域，尤其是一種煤氣化制合成氣與化學(xué)鏈制氧-制氫聯(lián)合循環(huán)裝置及方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)是以煤炭為主要一次能源的國(guó)家，煤炭的轉(zhuǎn)化利用是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。而我國(guó)目前的煤炭轉(zhuǎn)化過(guò)程普遍存在著效率低、污染重等問(wèn)題，要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)。而煤氣化作為潔凈煤技術(shù)發(fā)展的核心技術(shù)之一，是發(fā)展煤基大宗化學(xué)品和液體燃料合成、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、制氫等工業(yè)過(guò)程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。煤氣化是將煤中的碳、氫轉(zhuǎn)化為合成氣的過(guò)程。與煤的直接燃燒相比，氣化是對(duì)煤中所蘊(yùn)含的化學(xué)能的階梯利用，可充分利用煤中的碳、氫元素，產(chǎn)生的污染物比較容易脫除。發(fā)展以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)已成為各國(guó)高效清潔利用煤炭的熱點(diǎn)技術(shù)和重要發(fā)展方向。
氫氣是一種理想燃料，其在空氣中的主要燃燒產(chǎn)物為水，不會(huì)造成環(huán)境污染，同時(shí)大大降低溫室氣體的排放，且熱值高達(dá)143kJ/kg，是除核燃料外的所有化石、化工和生物質(zhì)燃料中最高的。氫氣是現(xiàn)代工業(yè)的重要原料，主要用于石油精煉和石化工業(yè)如合成氨和甲醇，也被用作航空工業(yè)中火箭燃料及冶金工業(yè)中的還原氣，在現(xiàn)代社會(huì)中具有舉足輕重的地位。此外，燃料電池的出現(xiàn)使得氫氣應(yīng)用進(jìn)入了新的時(shí)代。燃料電池將氫的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能，沒(méi)有任何污染，發(fā)電效率可達(dá)50％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)效率，氫燃料電池的出現(xiàn)提供了一種零排放、無(wú)污染的交通運(yùn)輸方式。目前，各國(guó)都投入了大量的研究經(jīng)費(fèi)用于發(fā)展氫能源系統(tǒng)，有人預(yù)計(jì)氫能將在21世紀(jì)引發(fā)一場(chǎng)新的能源技術(shù)革命，使世界最終擺脫“碳?xì)浣?jīng)濟(jì)”所帶來(lái)的諸多困擾，進(jìn)入清潔、安全的“氫經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。
目前，化石能源仍是主要的制氫能源來(lái)源，基于我國(guó)是以煤為主要化石能源的國(guó)家這一基本事實(shí)，大力發(fā)展煤氣化制氫是一個(gè)必然選擇。考慮到CO2是一種主要的溫室氣體，應(yīng)在化石燃料的利用過(guò)程中對(duì)CO2進(jìn)行捕集封存，以達(dá)到CO2減排的目的。所以，煤氣化制合成氣及氫氣協(xié)同捕集CO2是一種具有良好發(fā)展前景的潔凈煤多聯(lián)產(chǎn)利用技術(shù)。
現(xiàn)有的煤氣化技術(shù)需要高耗能的深冷空氣制氧過(guò)程，且煤氣化制氫需要經(jīng)歷氣化、脫硫、重整、變換、酸性氣體脫除和變壓吸附等過(guò)程。雖然技術(shù)成熟，但工藝復(fù)雜、耗能高、制氫效率低，還會(huì)向環(huán)境中排放大量CO2，加重地球溫室效應(yīng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種煤氣化制合成氣與化學(xué)鏈制氧-制氫聯(lián)合循環(huán)裝置及方法，在避免高耗能的空分制氧的同時(shí)，能生產(chǎn)純度高達(dá)99％的氫氣，并能有效調(diào)節(jié)生成合成氣和H2的不利，且能有效分離捕集CO2。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種煤氣化制合成氣與化學(xué)鏈制氧-制氫聯(lián)合循環(huán)裝置，包括煤氣化爐1，化學(xué)鏈燃燒單元，化學(xué)鏈制氧-制氫單元，換熱器和管線(xiàn)；
煤氣化爐1由煤氣化爐本體1a、煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b和煤氣化爐對(duì)應(yīng)立管1c組成，煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b串接于煤氣化爐本體1a出口并通過(guò)煤氣化爐對(duì)應(yīng)立管1c與煤氣化爐本體1a相連，煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b上部出口管路一分為二，一路與第二換熱器6b相連，另一路通過(guò)第一開(kāi)關(guān)控制閥8a與燃料反應(yīng)器本體2a相連；
化學(xué)鏈燃燒單元由燃料反應(yīng)器2和空氣反應(yīng)器3組成，燃料反應(yīng)器2由燃料反應(yīng)器本體2a、燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b和燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管2c組成，燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b串接于燃料反應(yīng)器本體2a出口并通過(guò)燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管2c與燃料反應(yīng)器本體2a相連，燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b上部出口與第一換熱器6a相連；空氣反應(yīng)器3由空氣反應(yīng)器本體3a、空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b和空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管3c組成，空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b串接于空氣反應(yīng)器本體3a出口并通過(guò)空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管3c與燃料反應(yīng)器本體2a相連，空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b上部出口與第五換熱器7相連；空氣反應(yīng)器本體3a通過(guò)燃料反應(yīng)器與空氣反應(yīng)器間返料管與燃料反應(yīng)器本體2a相連；
化學(xué)鏈制氧-制氫單元由制氧反應(yīng)器4與制氫反應(yīng)器5組成，制氧反應(yīng)器4由制氧反應(yīng)器本體4a、制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b和制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管4c組成，制氧反應(yīng)器本體4a嵌入在空氣反應(yīng)器本體3a中以利于兩者之間的傳熱，制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b串接于制氧反應(yīng)器本體4a出口并通過(guò)制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管4c與制氫反應(yīng)器本體5a相連，制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b上部出口管路一分為二，一路通過(guò)第二開(kāi)關(guān)控制閥8b與第三換熱器6c相連，另一路與煤氣化爐本體1a相連；制氫反應(yīng)器5由制氫反應(yīng)器本體5a、制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b和制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管5c組成，制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b串接于制氫反應(yīng)器本體5a出口并通過(guò)制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管5c與制氫反應(yīng)器本體5a相連，制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b上部出口與第四換熱器6d相連，制氫反應(yīng)器本體5a通過(guò)制氧反應(yīng)器與制氫反應(yīng)器間返料管4-5與制氧反應(yīng)器本體4a相連；
環(huán)境空氣H通過(guò)第五換熱器7加熱后進(jìn)入空氣反應(yīng)器本體3a；水N依次經(jīng)過(guò)第四換熱器6d、第三換熱器6c、第二換熱器6b和第一換熱器6a加熱成為水蒸氣O，并分流進(jìn)入煤氣化爐本體1a、制氧反應(yīng)器本體4a以及制氫反應(yīng)器本體5a參加反應(yīng)。
優(yōu)選的，煤氣化爐本體1a使用多種床層形式，包括移動(dòng)床、流化床和氣流床。
優(yōu)選的，制氧反應(yīng)器4使用水蒸氣O作為流化風(fēng)。
優(yōu)選的，化學(xué)鏈燃燒單元中循環(huán)的固體物質(zhì)為載氧體，該載氧體為具有抗高溫?zé)Y(jié)能力的活性金屬氧化物MexOy/MexOy-δ與惰性載體的混合物，也為鈣鈦礦。
優(yōu)選的，化學(xué)鏈制氧-制氫單元中循環(huán)的固體物質(zhì)為氧交換材料，該氧交換材料為具有釋氧功能的金屬氧化物與惰性載體的混合物，也為BaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ系列鈣鈦礦。
相應(yīng)的，一種煤氣化制合成氣與化學(xué)鏈制氧-制氫聯(lián)合循環(huán)方法，包括如下步驟：
(1)將煤A、水蒸氣O及O2、H2O混合氣R通入煤氣化爐本體1a中發(fā)生煤氣化反應(yīng)生成合成氣B，煤氣化爐本體1a的工作壓力取決于合成氣的用途及合成氣后續(xù)處理工藝所需的壓力，煤氣化爐本體1a出口溫度控制在850～950℃；反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b分離，合成氣B通過(guò)煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b頂部出口逸出，固體產(chǎn)物灰顆粒經(jīng)過(guò)煤氣化爐對(duì)應(yīng)立管1c返回到煤氣化爐本體1a中再循環(huán)，灰渣Q通過(guò)煤氣化爐本體1a底部排出；從煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b頂部逸出的合成氣B分為兩部分，其中一部分通過(guò)第一開(kāi)關(guān)控制閥8a進(jìn)入燃料反應(yīng)器本體2a進(jìn)行燃燒，另一部分進(jìn)入第二換熱器6b進(jìn)行冷卻后儲(chǔ)存或者作為其他流程的化工原料；
(2)燃料反應(yīng)器本體2a處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)，溫度控制在900～1050℃，進(jìn)入燃料反應(yīng)器本體2a的合成氣P與其中的氧化態(tài)載氧體發(fā)生反應(yīng)生成還原態(tài)載氧體及CO2、H2O混合氣E，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b分離，CO2、H2O混合氣E通過(guò)燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b頂部出口逸出并進(jìn)入第一換熱器6a中冷卻生成冷凝水C和高純度二氧化碳D，高純度二氧化碳D利于后續(xù)的封存，還原態(tài)載氧體經(jīng)過(guò)燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管2c返回到燃料反應(yīng)器本體2a中再循環(huán)，還原態(tài)載氧體通過(guò)燃料反應(yīng)器本體2a底部的燃料反應(yīng)器與空氣反應(yīng)器間返料管2-3排出并進(jìn)入空氣反應(yīng)器本體3a；空氣反應(yīng)器本體3a處于快速流態(tài)化狀態(tài)，溫度控制在1050～1200℃，還原態(tài)載氧體在空氣反應(yīng)器本體3a中與空氣H反應(yīng)生成欠氧空氣G與氧化態(tài)載氧體，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b分離，欠氧空氣G通過(guò)空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b頂部出口逸出并進(jìn)入第五換熱器7中進(jìn)行冷卻排空，還原態(tài)載氧體經(jīng)過(guò)空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管3c返回到燃料反應(yīng)器本體2a中再循環(huán)；空氣反應(yīng)器本體3a中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，其熱量被傳遞給嵌入在空氣反應(yīng)器本體3a中的制氧反應(yīng)器本體4a；
(3)制氧反應(yīng)器本體4a處于快速流態(tài)化狀態(tài)，溫度控制在1000～1150℃，在熱量作用下，制氧反應(yīng)器本體4a中的氧化態(tài)氧交換材料釋放出O2并生成還原態(tài)氧交換材料，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b分離，O2、H2O混合氣I通過(guò)制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b頂部出口逸出，還原態(tài)氧交換材料經(jīng)過(guò)制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管4c進(jìn)入制氫反應(yīng)器本體5a中再循環(huán)；從制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b頂部逸出的O2、H2O混合氣I分為兩部分，其中一部分進(jìn)入煤氣化爐本體2a參加煤氣化反應(yīng)，另一部分通過(guò)第二開(kāi)關(guān)控制閥8b進(jìn)入第三換熱器6c進(jìn)行冷卻后生成冷凝水C和高純度氧氣K，對(duì)高純度氧氣K進(jìn)行儲(chǔ)存或者作為其他流程的化工原料；制氫反應(yīng)器本體5a處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)，溫度控制在750～900℃，進(jìn)入制氫反應(yīng)器本體5a中的還原態(tài)氧交換材料與其中的水蒸氣O反應(yīng)生成H2與氧化態(tài)氧交換材料，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b分離，H2、H2O混合氣L通過(guò)制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b頂部出口逸出并進(jìn)入第四換熱器6d中進(jìn)行冷卻生成冷凝水C和高純度氫氣M，可對(duì)高純度氫氣M進(jìn)行儲(chǔ)存或者作為其他流程的化工原料，還原態(tài)氧交換材料經(jīng)過(guò)制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管5c返回到制氫反應(yīng)器本體5a中再循環(huán)，氧化態(tài)載氧體通過(guò)制氫反應(yīng)器本體5a底部的制氧反應(yīng)器與制氫反應(yīng)器間返料管4-5排出并進(jìn)入制氧反應(yīng)器本體4a；
(4)對(duì)于需要從裝置外部輸入的氣體原料空氣H和水蒸氣O，將環(huán)境空氣H通入第五換熱器7中與從空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b中逸出的欠氧空氣G換熱達(dá)到500～600℃后進(jìn)入空氣反應(yīng)器本體3a中參加反應(yīng)；將水N依次經(jīng)過(guò)第四換熱器6d、第三換熱器6c、第二換熱器6b和第一換熱器6a進(jìn)行加熱，最終成為溫度約700～850℃的水蒸氣O，并分流進(jìn)入煤氣化爐本體1a、制氧反應(yīng)器本體4a以及制氫反應(yīng)器本體5a參加反應(yīng)。
優(yōu)選的，工作在加壓狀態(tài)下，壓力大小與煤氣化爐本體1a的工作壓力相等。
優(yōu)選的，在煤氣化爐1負(fù)荷變化條件下，先通過(guò)調(diào)節(jié)第二開(kāi)關(guān)控制閥8b對(duì)進(jìn)入煤氣化爐1中的氧氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)控制閥8b調(diào)節(jié)范圍不能滿(mǎn)足需要時(shí)，再通過(guò)第一開(kāi)關(guān)控制閥8a調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料反應(yīng)器本體2a的合成氣P量，從而控制化學(xué)鏈燃燒單元的放熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)鏈制氧-制氫單元中氧氣生成量的調(diào)節(jié)，以維持進(jìn)入煤氣化爐1中的氧煤比。
優(yōu)選的，在煤氣化爐1負(fù)荷恒定條件下，通過(guò)第一開(kāi)關(guān)控制閥8a調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料反應(yīng)器本體2a的合成氣P量，從而控制化學(xué)鏈燃燒單元放熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)鏈制氧-制氫單元中氫氣M生成量的調(diào)節(jié)，最終達(dá)到調(diào)節(jié)合成氣F與氫氣M生成比例的目的。
優(yōu)選的，第一換熱器6a出口得到的二氧化碳D作為煤氣化爐1輸送煤A的載氣。
本發(fā)明的有益效果為：省去了高投資、高耗能深冷空分制氧單元，有助于提高系統(tǒng)效率；相對(duì)于傳統(tǒng)的煤氣化制氫裝置，只要經(jīng)歷氣化、燃燒及水分解制氫三個(gè)過(guò)程，流程比較簡(jiǎn)單；H2純度大為提高，高達(dá)99％以上；實(shí)現(xiàn)高純度CO2捕集，大大減少CO2排放；生產(chǎn)高純度O2，其純度遠(yuǎn)高于深冷空分制氧，制得的合成氣純度較傳統(tǒng)的煤氣化裝置高；適應(yīng)煤氣化爐的變負(fù)荷運(yùn)行；工作在加壓狀態(tài)下，壓力可隨煤氣化爐需要而定，不會(huì)影響生成的CO2、O2及H2純度；靈活調(diào)節(jié)生成合成氣與H2的比例。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的整體裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1、煤氣化爐；1a、煤氣化爐本體；1b、煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器；2、燃料反應(yīng)器；2a、燃料反應(yīng)器本體；2b、燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器；3、空氣反應(yīng)器；3a、空氣反應(yīng)器本體；2-3、燃料反應(yīng)器與空氣反應(yīng)器間返料管；4、制氧反應(yīng)器；4a、制氧反應(yīng)器本體；5、制氫反應(yīng)器、5a、制氫反應(yīng)器本體；5b、制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器；5c、制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管；4-5、制氧反應(yīng)器與制氫反應(yīng)器間返料管；6a、第一換熱器；6b、第二換熱器；6c、第三換熱器；6d、第四換熱器；7、第五換熱器；8a、第一開(kāi)關(guān)控制閥；8b、第二開(kāi)關(guān)控制閥；A、煤；B、煤氣化爐生成總合成氣；C、冷凝水；D、高純CO2；E、H2O、CO2混合氣；F、冷卻后合成氣；G、欠氧空氣；H、空氣；I、制氧反應(yīng)器生成總O2、H2O混合氣；M、高純H2、N、水；O、水蒸氣；P、進(jìn)入燃料反應(yīng)器本體合成氣；Q、灰渣；R、進(jìn)入煤氣化爐O2、H2O混合氣。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，一種煤氣化制合成氣與化學(xué)鏈制氧-制氫聯(lián)合循環(huán)裝置，包括煤氣化爐1，化學(xué)鏈燃燒單元，化學(xué)鏈制氧-制氫單元，換熱器和管線(xiàn)；
煤氣化爐1由煤氣化爐本體1a、煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b和煤氣化爐對(duì)應(yīng)立管1c組成，煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b串接于煤氣化爐本體1a出口并通過(guò)煤氣化爐對(duì)應(yīng)立管1c與煤氣化爐本體1a相連，煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b上部出口管路一分為二，一路與第二換熱器6b相連，另一路通過(guò)第一開(kāi)關(guān)控制閥8a與燃料反應(yīng)器本體2a相連；煤氣化爐本體1a使用多種床層形式，包括移動(dòng)床、流化床和氣流床。
化學(xué)鏈燃燒單元由燃料反應(yīng)器2和空氣反應(yīng)器3組成，燃料反應(yīng)器2由燃料反應(yīng)器本體2a、燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b和燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管2c組成，燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b串接于燃料反應(yīng)器本體2a出口并通過(guò)燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管2c與燃料反應(yīng)器本體2a相連，燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b上部出口與第一換熱器6a相連；空氣反應(yīng)器3由空氣反應(yīng)器本體3a、空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b和空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管3c組成，空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b串接于空氣反應(yīng)器本體3a出口并通過(guò)空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管3c與燃料反應(yīng)器本體2a相連，空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b上部出口與第五換熱器7相連；空氣反應(yīng)器本體3a通過(guò)燃料反應(yīng)器與空氣反應(yīng)器間返料管與燃料反應(yīng)器本體2a相連；化學(xué)鏈燃燒單元中循環(huán)的固體物質(zhì)為載氧體，該載氧體可為具有抗高溫?zé)Y(jié)能力的活性金屬氧化物MexOy/MexOy-δ(其中MexOy表示金屬氧化物的氧化態(tài)，MexOy-δ表示其還原態(tài)，如Fe2O3/Fe3O4、CoO/Co、Mn3O4/MnO或NiO/Ni等，MexOy/MexOy-δ可表示其中的一種，也可表示其中幾種的混合物)與惰性載體(包括Al2O3、ZrO2、MgAl2O4、YSZ、SiO2、TiO2等)的混合物，也可為鈣鈦礦，如BaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ系列、BaxSr1-xCoO3-δ系列及LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ系列等。
化學(xué)鏈制氧-制氫單元由制氧反應(yīng)器4與制氫反應(yīng)器5組成，制氧反應(yīng)器4由制氧反應(yīng)器本體4a、制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b和制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管4c組成，制氧反應(yīng)器本體4a嵌入在空氣反應(yīng)器本體3a中以利于兩者之間的傳熱，制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b串接于制氧反應(yīng)器本體4a出口并通過(guò)制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管4c與制氫反應(yīng)器本體5a相連，制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b上部出口管路一分為二，一路通過(guò)第二開(kāi)關(guān)控制閥8b與第三換熱器6c相連，另一路與煤氣化爐本體1a相連；制氫反應(yīng)器5由制氫反應(yīng)器本體5a、制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b和制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管5c組成，制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b串接于制氫反應(yīng)器本體5a出口并通過(guò)制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管5c與制氫反應(yīng)器本體5a相連，制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b上部出口與第四換熱器6d相連，制氫反應(yīng)器本體5a通過(guò)制氧反應(yīng)器與制氫反應(yīng)器間返料管4-5與制氧反應(yīng)器本體4a相連；制氧反應(yīng)器4使用水蒸氣O作為流化風(fēng)。化學(xué)鏈制氧-制氫單元中循環(huán)的固體物質(zhì)為氧交換材料，該氧交換材料可為具有釋氧功能的CuO、CoO、MnO2等金屬氧化物與Al2O3、ZrO2、MgAl2O4、YSZ、SiO2、TiO2等惰性載體的混合物，也可為BaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ系列鈣鈦礦，如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ等。
環(huán)境空氣H通過(guò)第五換熱器7加熱后進(jìn)入空氣反應(yīng)器本體3a；水N依次經(jīng)過(guò)第四換熱器6d、第三換熱器6c、第二換熱器6b和第一換熱器6a加熱成為水蒸氣O，并分流進(jìn)入煤氣化爐本體1a、制氧反應(yīng)器本體4a以及制氫反應(yīng)器本體5a參加反應(yīng)。
相應(yīng)的，一種煤氣化制合成氣與化學(xué)鏈制氧-制氫聯(lián)合循環(huán)方法，包括如下步驟：
(1)將煤A、水蒸氣O及O2、H2O混合氣R通入煤氣化爐本體1a中發(fā)生煤氣化反應(yīng)生成合成氣B，煤氣化爐本體1a的工作壓力取決于合成氣的用途及合成氣后續(xù)處理工藝所需的壓力，煤氣化爐本體1a出口溫度控制在850～950℃；反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b分離，合成氣B通過(guò)煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b頂部出口逸出，固體產(chǎn)物灰顆粒經(jīng)過(guò)煤氣化爐對(duì)應(yīng)立管1c返回到煤氣化爐本體1a中再循環(huán)，灰渣Q通過(guò)煤氣化爐本體1a底部排出；從煤氣化爐對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器1b頂部逸出的合成氣B分為兩部分，其中一部分通過(guò)第一開(kāi)關(guān)控制閥8a進(jìn)入燃料反應(yīng)器本體2a進(jìn)行燃燒，另一部分進(jìn)入第二換熱器6b進(jìn)行冷卻后儲(chǔ)存或者作為其他流程的化工原料；
(2)燃料反應(yīng)器本體2a處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)，溫度控制在900～1050℃，進(jìn)入燃料反應(yīng)器本體2a的合成氣P與其中的氧化態(tài)載氧體發(fā)生反應(yīng)生成還原態(tài)載氧體及CO2、H2O混合氣E，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b分離，CO2、H2O混合氣E通過(guò)燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器2b頂部出口逸出并進(jìn)入第一換熱器6a中冷卻生成冷凝水C和高純度二氧化碳D，高純度二氧化碳D利于后續(xù)的封存，還原態(tài)載氧體經(jīng)過(guò)燃料反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管2c返回到燃料反應(yīng)器本體2a中再循環(huán)，還原態(tài)載氧體通過(guò)燃料反應(yīng)器本體2a底部的燃料反應(yīng)器與空氣反應(yīng)器間返料管2-3排出并進(jìn)入空氣反應(yīng)器本體3a；空氣反應(yīng)器本體3a處于快速流態(tài)化狀態(tài)，溫度控制在1050～1200℃，還原態(tài)載氧體在空氣反應(yīng)器本體3a中與空氣H反應(yīng)生成欠氧空氣G與氧化態(tài)載氧體，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b分離，欠氧空氣G通過(guò)空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b頂部出口逸出并進(jìn)入第五換熱器7中進(jìn)行冷卻排空，還原態(tài)載氧體經(jīng)過(guò)空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管3c返回到燃料反應(yīng)器本體2a中再循環(huán)；空氣反應(yīng)器本體3a中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，其熱量被傳遞給嵌入在空氣反應(yīng)器本體3a中的制氧反應(yīng)器本體4a；
(3)制氧反應(yīng)器本體4a處于快速流態(tài)化狀態(tài)，溫度控制在1000～1150℃，在熱量作用下，制氧反應(yīng)器本體4a中的氧化態(tài)氧交換材料釋放出O2并生成還原態(tài)氧交換材料，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b分離，O2、H2O混合氣I通過(guò)制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b頂部出口逸出，還原態(tài)氧交換材料經(jīng)過(guò)制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管4c進(jìn)入制氫反應(yīng)器本體5a中再循環(huán)；從制氧反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器4b頂部逸出的O2、H2O混合氣I分為兩部分，其中一部分進(jìn)入煤氣化爐本體2a參加煤氣化反應(yīng)，另一部分通過(guò)第二開(kāi)關(guān)控制閥8b進(jìn)入第三換熱器6c進(jìn)行冷卻后生成冷凝水C和高純度氧氣K，對(duì)高純度氧氣K進(jìn)行儲(chǔ)存或者作為其他流程的化工原料；制氫反應(yīng)器本體5a處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)，溫度控制在750～900℃，進(jìn)入制氫反應(yīng)器本體5a中的還原態(tài)氧交換材料與其中的水蒸氣O反應(yīng)生成H2與氧化態(tài)氧交換材料，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b分離，H2、H2O混合氣L通過(guò)制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器5b頂部出口逸出并進(jìn)入第四換熱器6d中進(jìn)行冷卻生成冷凝水C和高純度氫氣M，可對(duì)高純度氫氣M進(jìn)行儲(chǔ)存或者作為其他流程的化工原料，還原態(tài)氧交換材料經(jīng)過(guò)制氫反應(yīng)器對(duì)應(yīng)立管5c返回到制氫反應(yīng)器本體5a中再循環(huán)，氧化態(tài)載氧體通過(guò)制氫反應(yīng)器本體5a底部的制氧反應(yīng)器與制氫反應(yīng)器間返料管4-5排出并進(jìn)入制氧反應(yīng)器本體4a；
(4)對(duì)于需要從裝置外部輸入的氣體原料空氣H和水蒸氣O，將環(huán)境空氣H通入第五換熱器7中與從空氣反應(yīng)器對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器3b中逸出的欠氧空氣G換熱達(dá)到500～600℃后進(jìn)入空氣反應(yīng)器本體3a中參加反應(yīng)；將水N依次經(jīng)過(guò)第四換熱器6d、第三換熱器6c、第二換熱器6b和第一換熱器6a進(jìn)行加熱，最終成為溫度約700～850℃的水蒸氣O，并分流進(jìn)入煤氣化爐本體1a、制氧反應(yīng)器本體4a以及制氫反應(yīng)器本體5a參加反應(yīng)。
工作在加壓狀態(tài)下，壓力大小與煤氣化爐本體1a的工作壓力相等。
在煤氣化爐1負(fù)荷變化條件下，先通過(guò)調(diào)節(jié)第二開(kāi)關(guān)控制閥8b對(duì)進(jìn)入煤氣化爐1中的氧氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)控制閥8b調(diào)節(jié)范圍不能滿(mǎn)足需要時(shí)，再通過(guò)第一開(kāi)關(guān)控制閥8a調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料反應(yīng)器本體2a的合成氣P量，從而控制化學(xué)鏈燃燒單元的放熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)鏈制氧-制氫單元中氧氣生成量的調(diào)節(jié)，以維持進(jìn)入煤氣化爐1中的氧煤比。
在煤氣化爐1負(fù)荷恒定條件下，通過(guò)第一開(kāi)關(guān)控制閥8a調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料反應(yīng)器本體2a的合成氣P量，從而控制化學(xué)鏈燃燒單元放熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)鏈制氧-制氫單元中氫氣M生成量的調(diào)節(jié)，最終達(dá)到調(diào)節(jié)合成氣F與氫氣M生成比例的目的。在煤氣化爐1負(fù)荷恒定條件下調(diào)節(jié)合成氣F與氫氣M生成比例時(shí)，需同時(shí)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)控制閥8b以保證進(jìn)入煤氣化爐本體1a中的氧氣量維持穩(wěn)定。
第一換熱器6a出口得到的二氧化碳D作為煤氣化爐1輸送煤A的載氣。
盡管本發(fā)明就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。