新型氧载体煤催化气化制氢反应装置及反应方法
阅读说明：本技术 新型氧载体煤催化气化制氢反应装置及反应方法 (Novel oxygen carrier coal catalytic gasification hydrogen production reaction device and reaction method ) 是由 金渭龙 钟思青 徐俊 李勇征 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种新型氧载体煤催化气化制氢反应装置及利用该装置的反应方法,该装置由气化还原炉、制氢炉和燃烧氧化炉组合,原料煤在气化还原炉内与气化剂和氧化载体进行催化热解、气化、氧化载体还原等反应,产生合成气、气化半焦和还原载体。其中还原载体再进入制氢炉中进行单一的制氢反应,生成富氢气体和亚氧化/氧化载体。亚氧化/氧化载体和未反应完全的还原载体再进入燃烧氧化炉中与含氧气体和气化半焦混合接触,进行燃烧、氧化反应,生成的氧化载体再循环回气化还原炉,实现了氧化载体的循环再生,平衡了热流和物流,提高了气化强度、碳转化率和氢气产率。(The invention provides a novel oxygen carrier coal catalytic gasification hydrogen production reaction device and a reaction method using the same. Wherein the reduction carrier enters the hydrogen production furnace to carry out single hydrogen production reaction to generate hydrogen-rich gas and a sub-oxidation/oxidation carrier. The sub-oxidation/oxidation carrier and the reduction carrier which is not completely reacted enter the combustion oxidation furnace to be mixed and contacted with the oxygen-containing gas and the gasified semicoke for combustion and oxidation reaction, and the generated oxidation carrier is recycled to the gasification reduction furnace, so that the cyclic regeneration of the oxidation carrier is realized, the heat flow and the material flow are balanced, and the gasification strength, the carbon conversion rate and the hydrogen yield are improved.)
技术领域
本发明涉及煤制氢领域，更具体地，本发明涉及一种气化还原炉、制氢炉和燃烧氧化炉相组合的制氢反应装置及反应方法。
背景技术
氢能作为一种清洁能源，在能量转化过程中，最终产物是水，可真正实现污染物零排放，可广泛应用于航天动力、车载燃料、燃料电池、燃烧发电、化工生产等方面，在能源结构中发挥越来越重要的作用。目前制备氢能的主要方法包括重油部分氧化重整制氢、电解水制氢和煤气化制氢等，其中煤气化制氢符合我国的能源结构特征和基本国情，是主流的制氢技术。传统的煤制氢主要包括煤气化、煤气净化、CO变换及提纯等工艺，所涉及的设备较多，各设备间温度、压力匹配困难，能耗大，流程长，系统能量转化率低。煤气化装置是煤制氢的关键设备，现有技术的煤气化装置主要采用气流床和流化床气化炉，其出口的合成气中氢气含量普遍偏低，增加了后续净化、变换和提纯工艺的负荷。
公开号为CN102585911A的专利申请提出了一种煤气化制氢装置及方法，反应器耦合了煤气化、钙基吸附剂捕获二氧化碳和碳酸钙煅烧三个过程，通过钙基吸附剂捕获煤气化合成气中的二氧化碳以提高氢气含量。公开号为CN101830432B专利申请公开了一种基于煤气化制取氢气并分离CO2的方法及装置，气化反应和CO2吸收反应在气化炉内进行，CaCO3和焦炭再进入再生炉煅烧分解，再生得到CaO的过程。以上方法可直接提高出口合成气中的氢气含量，在一定程度上减少后续变换和提纯工艺的负荷。但是由于强化了变换影响导致CO2含量大幅增加，而炉内的CO2吸收反应又受到反应工艺条件和吸收剂性能的影响，CO2去除效率较低，并含量CO、CH4等气体，反应器出口氢气含量仍然偏低，未能达到高纯级别，并且无法省去后续的净化、变换和分离提纯单元。
上述专利技术中出口合成气中氢气含量较传统气化炉大幅提高，但是气化、变换和CO2吸收等诸多反应耦合在一个反应器内，反应工艺耦合难度大，并且产品气中氢气纯度不高，仍无法作为清洁的氢源直接进行应用。
基于以上考虑可在单独的一个反应器内进行单一的制氢反应，并且产品分离简单，产品气中氢气纯度高的制氢方法，研究一种热量利用率高、反应性能好、氢气收率高，运行稳定并且高效的煤制氢技术。
发明内容
本发明主要解决的技术问题之一是现有技术中碳转化率低、氢气产率偏低、能耗偏高及运行稳定性差的问题，本发明提出了一种新型氧载体煤催化气化制氢反应装置，该装置由气化还原炉、制氢炉和燃烧氧化炉组合，原料煤在气化还原炉内与气化剂和氧化载体进行催化热解、气化、氧化载体还原等反应，产生合成气、气化半焦和还原载体。其中还原载体再进入制氢炉中进行单一的制氢反应，生成富氢气体和亚氧化/氧化载体。亚氧化/氧化载体和未反应完全的还原载体再进入燃烧氧化炉中与含氧气体和气化半焦混合接触，进行燃烧、氧化反应，生成的氧化载体再循环回气化还原炉，实现了氧化载体的循环再生，平衡了热流和物流，提高了气化强度、碳转化率和氢气产率。
本发明所要解决的技术问题二是提供一种与解决技术问题之一相对应的新型氧载体煤催化气化制氢反应方法。
为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种新型氧载体煤催化气化制氢反应装置，主要设备包括：气化还原炉、制氢炉、燃烧氧化炉、原炉第一旋风分离器及还原炉第二旋风分离器，所述还原炉第一旋风分离器及还原炉第二旋风分离器的一端分别与所述气化还原炉的出口相连，所述还原炉第一旋风分离器的另一端与所述制氢炉相连接，所述还原炉第二旋风分离器的另一端与燃烧氧化炉相连接，所述制氢炉与所述燃烧氧化炉相连接，所述燃烧氧化炉的出口处设置有氧化炉第一旋风分离器，所述氧化炉第一旋风分离器与所述气化还原炉相连接。
在一个实施方式中，所述的气化还原炉包括还原炉下层空间和还原炉上层空间，所述还原炉下层空间的内径大于所述还原炉上层空间，为还原炉上层空间内径的1.2倍至5.0倍之间；所述的还原炉上层空间的高度大于等于所述的还原炉下层空间，为所述还原炉下层空间高度的1.0倍至3.0倍之间。
在一个实施方式中，所述的原料进口位于气化还原炉的还原炉下层空间内，位置位于气化还原炉下层空间高度的1/3～2/3。
在一个实施方式中，所述反应装置还包括还原炉气体分布器，所述的还原炉气体分布器位于气化还原炉的底部，呈水平设置，还原炉气体分布器上设置有风帽，风帽沿圆周均匀布置，设有5～50圈，每圈设有10～100个风帽，每个风帽内设有1个轴向通道和4～20个径向通道或者短轴向通道，轴向通道上端封闭，下端与还原炉气体分布器导通，径向通道或者短轴向通道沿圆周均匀布置，径向通道或者短轴向通道出气口内径0.1～2mm，可选的径向通道或者短轴向通道带有旋转角度，旋转角度范围0～45°。
在一个实施方式中，所述的制氢炉由制氢炉下层空间和制氢炉上层空间组成，制氢炉下层空间的内径小于制氢炉上层空间，为制氢炉上层空间内径的1/3～2/3之间；所述的制氢炉上层空间的高度大于等于所述的制氢炉下层空间，为所述制氢炉下层空间高度的1.0倍至2.0倍之间。
在一个实施方式中，所述的制氢炉设置有两层气体分布器，制氢炉下层气体分布器位于制氢炉下层空间底部，呈水平设置，制氢炉下层气体分布器平面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，共设有5～50圈，每圈设有10～100个气孔，开孔率1～5％；制氢炉上层气体分布器位于制氢炉上层空间底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，优选15°～45°，气化炉上层气体分布器圆环锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有10～100圈，每圈设有10～100个气孔，开孔率1～5％。
在一个实施方式中，所述反应装置还包括还原载体返料装置、气化半焦返料装置、亚氧化载体返料装置及氧化载体返料装置，所述还原炉第一旋风分离器的另一端通过所述还原载体返料装置与所述制氢炉相连接，所述还原炉第二旋风分离器的另一端通过所述气化半焦返料装置与所述燃烧氧化炉相连接，所述制氢炉通过所述亚氧化载体返料装置与所述燃烧氧化炉相连接，所述氧化炉第一旋风分离器通过所述氧化载体返料装置与所述气化还原炉相连接。
在一个实施方式中，所述的燃烧氧化炉采用快速流化床，底部设有氧化炉气体分布器和氧化炉渣斗。
在一个实施方式中，所述燃烧氧化炉的出口处还设置有氧化炉第二旋风分离器。
为解决上述问题之二，本发明提供了一种新型氧载体煤催化气化制氢反应方法，可以使用上述任一方面所述的新型氧载体煤催化气化制氢反应装置制备，该方法包括以下步骤：
原料煤在气化还原炉内与气化剂和氧化载体进行催化热解、气化、及氧化载体还原反应，产生合成气、气化半焦和还原载体，所述还原载体进入制氢炉中并与所述制氢炉中的高温水蒸气进行还原载体和水蒸气氧化反应产生富氢气体和亚氧化/氧化载体，亚氧化/氧化载体和未反应完全的还原载体进入燃烧氧化炉中与含氧气体和气化半焦混合接触，进行燃烧、氧化反应，生成的氧化载体再循环回气化还原炉中。
进一步地，所述的气化还原炉反应温度600～1000℃，气相线速度0.5～5.0m/s，床层平均密度50～350kg/m3；制氢炉反应温度500～900℃，气相线速度0.1～1m/s，床层平均密度250～600kg/m3；燃烧氧化炉反应温度800～1200℃，气相线速度1.0～10m/s，床层平均密度20～150kg/m3，系统反应压力0～2.0MPa。
进一步地，所述气化还原炉底部还设置有还原炉气体分布器，所述还原炉气体分布器上设置有沿圆周均匀布置的风帽，每个风帽内设有轴向通道和径向通道或者轴向通道和短轴向通道，所述的还原炉气体分布器上的风帽径向通道或者短轴向通道出口线速度5～50m/s。
进一步地，所述的气化还原炉中通入气化剂，包括水蒸气、CO2或及其混合物，气化剂的温度为200～800℃。
进一步地，所述制氢炉设置有制氢炉上层气体分布器和制氢炉下层气体分布器，所述的制氢炉下层气体分布器和制氢炉上层气体分布器中通入高温水蒸气，高温水蒸气温度为500～800℃，制氢炉上层气体分布器通入的高温水蒸气比例占制氢炉上层气体分布器和制氢炉下层气体分布器高温水蒸气量之和的10％～50％，所述高温水蒸气与循环回制氢炉中的还原载体的摩尔比例，即水载比为1.0-5.0mol/mol。
进一步地，所述的燃烧氧化炉中通入的含氧气体包括氧气、空气、富氧空气或者其混合物，其中氧气与气化半焦中碳的摩尔比例，即氧碳比为1.5～3.0mol/mol。
所述的氧化载体存在氧化态、还原态两种或者氧化态、亚氧化态和还原态三种状态，可选自以Fe2O3为主要成分的纯铁粉、铁矿石、废铁渣或废钢渣中的一种或任意多种；或者具有还原态的金属氧化物及其混合物，包括但不限于化学合成的Fe2O3，NiO，Mn3O4等；或者为碱金属、过渡金属与上述具有还原态的金属氧化物的混合物，再或者碱金属、过渡金属及碱土金属Ca与上述具有还原态的金属氧化物的混合物，按上述活性组分占催化剂质量的0.1～30％的比例，以包括浸渍法、干混法或离子交换法在内的任一方式负载在Al2O3，ZrO2，TiO2或SiO2等载体上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)采用气化还原炉、制氢炉和燃烧氧化炉相组合的氧载体催化气化制氢装置，在气化还原炉内进行催化热解、气化和载体还原等反应，仅还原载体进入制氢炉中与高温水蒸气进行单一的制氢反应，产品气氢气纯度高，分离简单，气化半焦、亚氧化载体和未反应完全的还原载体在燃烧氧化炉中进行燃烧反应。气化还原炉、制氢炉和燃烧氧化炉相对独立，气化还原炉出口合成气、制氢炉出口的富氢气体，以及燃烧氧化炉出口的烟气分别从各自的管路排出，制氢炉出口的氢气含量高达99％以上，提高了氢气纯度和产率，并且碳的转化率高。
2)还原炉气体分布器上设置有风帽，大量的风帽沿圆周均匀布置，气化剂经风帽内的轴向通道从4～20个径向通道或者短轴向通道流出，气化剂从不同风帽的径向通道或者短轴向通道流出后，气流互相撞击、剪切，强化了传递和混合过程，使得气化剂在短时间和短距离内分布更加均匀，并且提高了其与固体颗粒之间的混合效率，增强了气化还原炉内的反应效果。
3)气化还原炉中的催化热解、气化和载体还原等反应所需的热量由来自燃烧氧化炉产生的高温氧化载体提供，制氢炉内制氢反应的热量也来源于还原热载体，而低温的亚氧化/氧化载体在燃烧氧化炉中与气化半焦进行燃烧反应又产生高温的氧化载体，实现了的热量平衡，过程热效率和热量利用率也更加高效。
4)制氢炉分为上层空间和下层空间，上层空间额外通入水蒸气，强化了炉内的还原载体与水蒸气的接触，以及两者之间发生的制氢反应过程，并且上层空间的线速度低，反应停留时间延长，使得还原载体与水蒸气之间发生的制氢反应较为完全，提升了氢气产率。
5)所用的氧化载体可以选自可选自以廉价的Fe2O3为主要成分的纯铁粉、铁矿石、废铁渣或废钢渣中的一种或任意多种；或具有还原态的金属氧化物及其混合物，包括但不限于化学合成的Fe2O3，NiO，Mn3O4等；或者碱金属、过渡金属与上述具有还原态的金属氧化物的混合物，再或者碱金属、过渡金属及碱土金属Ca与上述具有还原态的金属氧化物的混合物，按上述活性组分占催化剂质量的0.1～30％的比例，以浸渍法、干混法或离子交换法等方式负载在Al2O3，ZrO2，TiO2或SiO2等载体上。氧化载体与气化半焦以及细灰的物性差异大，氧化载体与气化半焦以及氧化载体和细灰可以通过简单的分离设备，即能完成分离过程，解决了分离困难的问题。
上述技术特征可以各种技术上可行的方式组合以产生新的实施方案，只要能够实现本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了本发明的新型氧载体煤催化气化制氢反应装置及流程示意图；
图2和图3显示了图1中还原炉气体分布器风帽示意图。
在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
其中，附图标记为：
1、气化还原炉；2、原料进口；3、还原炉气体分布器；4、还原炉第一旋风分离器；5、还原载体返料装置；6、制氢炉；7、还原炉第二旋风分离器；8、气化半焦返料装置；9、燃烧氧化炉；10、还原炉冷却分离单元；11、制氢炉下层气体分布器；12、制氢炉上层气体分布器；13、制氢炉冷却分离单元；14、亚氧化载体返料装置；15、氧化炉气体分布器；16、氧化炉第一旋风分离器；17、氧化载体返料装置；18、氧化炉第二旋风分离器；19、氧化炉冷却净化单元；20、氧化炉渣斗；M1、轴向通道；M2、径向通道；M3、短轴向通道；A为原料煤；B为气化剂；C为合成气；D为高温水蒸气；E为冷凝水；F为高纯氢气；G为含氧气体；H为细灰；I为烟气；J为粗渣；K为补加载体；L为松动气。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的术语“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。在本发明的描述中，术语“上”、“下”及“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明未提及的技术借鉴现有技术均可实现。
如图1所示，本发明提供了一种新型氧载体煤催化气化制氢反应装置，包括气化还原炉1、制氢炉6、燃烧氧化炉9、还原炉气体分布器3及还原炉第一旋风分离器4，原料进口2与气化还原炉1相连接，气化还原炉1上方出口与还原炉第一旋风分离器4及还原炉第二旋风分离器7相连接，还原炉第一旋风分离器4下方通过还原载体返料装置5与制氢炉6相连接，还原炉第二旋风分离器7下方通过气化半焦返料装置8与燃烧氧化炉9相连接，制氢炉6通过亚氧化载体返料装置14与燃烧氧化炉9相连接，燃烧氧化炉9的上方出口与氧化炉第一旋风分离器16和氧化炉第二旋风分离器18相连接，氧化炉第一旋风分离器16下方通过氧化载体返料装置17与气化还原炉1相连接。在其他实施例中，还原载体返料装置5、气化半焦返料装置8、亚氧化载体返料装置14及氧化载体返料装置17可以使用能够实现其功能的其他结构代替，如J阀、L阀、V阀等其他型式的非机械阀、螺杆等。
本发明的装置采用气化还原炉、制氢炉和燃烧氧化炉相组合的氧载体催化气化制氢装置，在气化还原炉内进行催化热解、气化和载体还原等反应，仅还原载体进入制氢炉中与高温水蒸气进行单一的制氢反应，产品气氢气纯度高，分离简单，气化半焦、亚氧化载体和未反应完全的还原载体在燃烧氧化炉中进行燃烧反应。气化还原炉、制氢炉和燃烧氧化炉相对独立，气化还原炉出口合成气、制氢炉出口的富氢气体，以及燃烧氧化炉出口的烟气分别从各自的管路排出，制氢炉出口的氢气含量高达99％以上，提高了氢气纯度和产率，并且碳的转化率高。
在一个可选的实施例中，气化还原炉1由还原炉下层空间和还原炉上层空间组成，还原炉下层空间的内径大于还原炉上层空间，优选为还原炉上层空间内径的1.2倍～5.0倍；还原炉上层空间的高度大于等于所述的还原炉下层空间，优选为还原炉下层空间高度的1.0倍～3.0倍。
在一个可选的实施例中，原料进口2位于气化还原炉1的还原炉下层空间内，位置位于气化还原炉下层空间高度的1/3～2/3处。
如图2中的(a)和(b)所示，在一个可选的实施例中，还原炉气体分布器3水平设置在气化还原炉1的底部，还原炉气体分布器3上设置有风帽，风帽沿圆周均匀布置，设有5～50圈，每圈设有10～100个风帽，每个风帽内设有1个轴向通道M1及4～20个径向通道M2，其中，轴向通道M1上端封闭，下端与还原炉气体分布器3导通，径向通道M2沿圆周均匀布置，径向通道M2出气口内径0.1～2mm，在一个优选地实施例中，径向通道M2带有旋转角度，旋转角度范围为0～45°。
如图3中的(a)和(b)所示，径向通道M2可以替换为短轴向通道M3，短轴向通道M3沿圆周均匀布置，短轴向通道M3的出气口内径为0.1～2mm，优选地，短轴向通道M3也带有旋转角度，旋转角度范围为0～45°。
还原炉气体分布器上设置有风帽，大量的风帽沿圆周均匀布置，气化剂经风帽内的轴向通道从4～20个径向通道或者短轴向通道流出，气化剂从不同风帽的径向通道或者短轴向通道流出后，气流互相撞击、剪切，强化了传递和混合过程，使得气化剂在短时间和短距离内分布更加均匀，并且提高了其与固体颗粒之间的混合效率，增强了气化还原炉内的反应效果。
在一个可选的实施例中，制氢炉6由制氢炉下层空间和制氢炉上层空间组成，制氢炉下层空间的内径小于制氢炉上层空间，制氢炉上层空间的高度大于等于所述的制氢炉下层空间的高度。
优选地，制氢炉下层空间的内径为制氢炉上层空间内径的1/3～2/3；制氢炉上层空间的高度为制氢炉下层空间高度的1.0倍～2.0倍。
制氢炉分为上层空间和下层空间，上层空间额外通入高温水蒸气，强化了炉内的还原载体与水蒸气的接触，以及两者之间发生的制氢反应过程，并且上层空间的线速度低，反应停留时间延长，使得还原载体与水蒸气之间发生的制氢反应较为完全，提升了氢气产率。
在一个可选的实施例中，制氢炉6设置两层气体分布器，下层气体分布器11水平设置在制氢炉下层空间底部，制氢炉下层气体分布器11平面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，气孔优选设置有5～50圈，每圈设有10～100个气孔，开孔率优选为1～5％之间；制氢炉上层气体分布器12位于制氢床炉上层空间底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，优选15°～45°，制氢炉上层气体分布器12的圆环锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，气孔优选设有10～100圈，每圈设有10～100个气孔，开孔率优选为1～5％之间。
在一个优选地实施例中，燃烧氧化炉9采用快速流化床，底部设有氧化炉气体分布器15和氧化炉渣斗20。
使用上述装置设备所采用的新型氧载体煤催化气化制氢工艺，包括以下步骤：
原料煤A从原料进口2进入气化还原炉1的还原炉下层空间，与来自燃烧氧化炉9的氧化载体和还原炉气体分布器3的气化剂B混合接触，进行催化热解、气化和氧化载体还原等反应产生H2、CO、CO2、CH4等合成气、气化半焦和还原载体，合成气、气化半焦和还原载体从顶部排出进入还原炉第一旋风分离器4和还原炉第二旋风分离器7，还原载体从还原炉第一旋风分离器4中分离出来，通过还原载体返料装置5进入制氢炉6中，与制氢炉6中的高温水蒸气D进行制氢反应产生富氢气体和亚氧化/氧化载体。富氢气体通过制氢炉冷却分离单元13后得到冷凝水E和高纯氢气F。亚氧化/氧化载体和未反应完全的还原载体从制氢炉6的上层空间排出通过亚氧化载体返料装置14进入燃烧氧化炉9中。气化半焦L从还原炉第二旋风分离器7中分离出来，通过半焦返料装置8进入燃烧氧化炉9中，与含氧气体G和亚氧化/氧化载体和未反应完全的还原载体混合，进行半焦燃烧、亚氧化载体和未反应完全的还原载体的氧化反应，产生CO2及H2O的烟气I、氧化载体和细灰H。烟气I、氧化载体和细灰H从燃烧氧化炉9顶部出口排出，氧化载体通过氧化炉第一旋风分离器16分离出来，通过氧化载体返料装置17进入气化还原炉1中，细灰H在氧化炉第二旋风分离器18中分离出来，剩余的烟气I通过氧化炉冷却净化单元19后排出，燃烧后产生的粗渣J从燃烧氧化炉9底部排出进入氧化炉渣斗20。
进一步地，气化还原炉1反应温度600～1000℃，气相线速度0.5～5.0m/s，床层平均密度50～350kg/m3；制氢炉6反应温度500～900℃，气相线速度0.1～1m/s，床层平均密度250～600kg/m3；燃烧氧化炉9反应温度800～1200℃，气相线速度1.0～10m/s，床层平均密度20～150kg/m3，系统反应压力0～2.0MPa。
进一步地，还原炉气体分布器3上的风帽径向通道M2或者短轴向通道M3出口线速度5～50m/s。
进一步地，气化还原炉1中通入气化剂B，包括水蒸气、CO2或其混合物，气化剂B的温度200～800℃。
进一步地，在上述方法中，在制氢炉下层气体分布器11和制氢炉上层气体分布器12中通入高温水蒸气D，高温水蒸气D温度500～800℃，制氢炉上层气体分布器12通入的高温水蒸气D比例占制氢炉上层气体分布器12和制氢炉下层气体分布器11高温水蒸气D量之和的10％～50％，高温水蒸气与循环回制氢炉6中的还原载体的摩尔比例，即水载比为1.0-5.0mol/mol。
氧化炉气体分布器中通入的含氧气体G包括氧气、空气、富氧空气或者其混合物，其中氧气与气化半焦中碳的摩尔比例，即氧碳比为1.5～3.0mol/mol。
进一步地，其中氧化载体存在氧化态、还原态两种或者氧化态、亚氧化态和还原态三种状态，可选自以Fe2O3为主要成分的纯铁粉、铁矿石、废铁渣或废钢渣中的一种或任意多种；或具有还原态的金属氧化物，包括但不限于化学合成的Fe2O3，NiO，Mn3O4等；或者碱金属、过渡金属与上述具有还原态的金属氧化物的混合物，再或者碱金属、过渡金属及碱土金属Ca与上述具有还原态的金属氧化物的混合物，按上述活性组分占催化剂质量的0.1～30％的比例，以浸渍法、干混法或离子交换法等方式负载在Al2O3，ZrO2，TiO2，SiO2等载体上。
气化还原炉中的催化热解、气化和载体还原等反应所需的热量由来自燃烧氧化炉产生的高温氧化载体提供，制氢炉内制氢反应的热量也来源于还原热载体，而低温的亚氧化/氧化载体在燃烧氧化炉中与气化半焦进行燃烧反应又产生高温的氧化载体，实现了的热量平衡，过程热效率和热量利用率也更加高效。
由于氧化载体与气化半焦以及细灰的物性差异大，氧化载体与气化半焦以及氧化载体和细灰可以通过简单的分离设备，即能完成分离过程，解决了分离困难的问题。
本发明通过气化还原炉、制氢炉和燃烧氧化炉的结合，在气化还原炉内进行催化热解、气化、氧化载体还原等反应，还原载体进入制氢炉中与高温水蒸气发生制氢反应生产富氢气体，气化半焦、亚氧化载体和未反应完全的还原载体进入燃烧氧化炉与含氧气体发生高温燃烧反应，产生的氧化载体、细灰和烟气，其中氧化载体通过返料装置循环回气化还原炉中，实现热流和物流的循环并达到充分利用的目的，能够使装置出口碳转化率达到99％，制氢炉出口氢气含量99％，同时具有反应强度大、能量利用率高、产品气产率大的特点，较大程度上降低了设备投资和生产成本，具有良好的应用前景。
下面以具体的实施例来说明利用本发明的装置进行氧载体煤催化气化制氢的反应方法：：
【实施例1】
如下表所示，一种新型氧载体煤催化气化制氢反应装置，气化还原炉下层空间内径2.0m，下层空间高度5m，气化还原炉上层空间内径1.0m，上层空间高度10m，还原炉气体分布器上风帽出口孔径1mm，原料进口高度位于气化还原炉下层空间高度的1/2，制氢炉下层空间内径1.5m，下层空间高度6m，制氢炉上层空间内径3m，上层空间高度9m，燃烧氧化炉内径3m，高度25m。
选用内蒙褐煤为原料从原料进口加入气化还原炉内，还原炉分布器中通入水蒸气，与氧化载体混合接触，水碳比1.5mol/mol，进行催化热解、气化、氧化载体还原等反应，气化还原炉操作温度800℃，操作压力常压，生成气化半焦、合成气和还原载体。还原载体进入制氢炉，600℃的高温水蒸气从制氢炉的下层气体分布器和上层气体分布器中通入，制氢炉上层气体分布器通入的水蒸气比例占制氢炉上层气体分布器和制氢炉下层气体分布器水蒸气量之和的30％，水载比2.0mol/mol，制氢炉操作温度700℃，操作压力常压，生成富氢合成气和亚氧化/氧化载体，其中富氢合成气中氢气含量达到99％。亚氧化/氧化载体和未反应完全的还原载体再进入燃烧氧化炉中与气化半焦和含氧气体混合接触，进行半焦燃烧、亚氧化载体和还原载体氧化反应，操作温度1000℃，操作压力常压，氧碳比2.0mol/mol，生成烟气、氧化载体和细灰，氧化载体再通过氧化炉第一旋风分离器和氧化载体返料装置进入气化还原炉中，细灰从氧化炉第二旋风分离器中分离出口，粗渣从燃烧氧化炉底部排出，燃烧氧化炉出口的碳转化率达到99.5％。
至此，本领域技术人员应该认识到，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
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