專利名稱：一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于制氫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置。
技術(shù)背景
氫能作為一種清潔的二次能源，以其高燃燒率、燃燒產(chǎn)物潔凈以及用途多樣化等突 出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)最有希望的能源之一；并且，燃料電池因其高能量轉(zhuǎn)化效率和環(huán) 境友好性能而受到極大關(guān)注。作為燃料電池的首選燃料，氫能在未來(lái)交通和發(fā)電領(lǐng)域?qū)?具有廣闊的市場(chǎng)前景，在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中將會(huì)占有越來(lái)越重要的位置。由于自然界的氫 多以化合態(tài)存在，因此要實(shí)現(xiàn)氫的大規(guī)模應(yīng)用，須首先解決氫源問(wèn)題。化石資源制氫以 天然氣制氫最為經(jīng)濟(jì)與合理，世界約一半的氫是通過(guò)天然氣蒸汽重整工藝生產(chǎn)的，該過(guò) 程生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，但能耗高、生產(chǎn)成本高，設(shè)備投資大。并且由于氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn) 輸比較困難，從建立燃料電池汽車加氫站和提供分散氫源方面考慮，則要求有先進(jìn)的小 規(guī)模天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫與氣體純化技術(shù)。因此研究開(kāi)發(fā)制氫新工藝，縮短流程，簡(jiǎn)化操作 單元，減少小規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)制氫裝置投資和制氫成本具有重大意義。
由于天然氣的自熱重整、部分氧化重整的共同特點(diǎn)是系統(tǒng)中需要有制純氧的設(shè)備，
并且產(chǎn)品氣是CO、 C02和H2的混合氣，仍需經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)和氫氣的分離過(guò)程。因此， 現(xiàn)有的天然氣水蒸氣重整制氫和常規(guī)的深冷分離或變壓吸附分離凈化氫技術(shù)，不是很適 于加氫站對(duì)小規(guī)模制氫裝置的需求。而采用天然氣裂解方式生成碳和氫氣，產(chǎn)物氣中不 含或含少量碳氧化合物，不需要進(jìn)一步的變換反應(yīng)，因此相對(duì)其他制氫方法，應(yīng)用于小 規(guī)模天然制氫具有明顯優(yōu)勢(shì)。但目前因天然氣裂解制氫需要高溫條件，能耗較大，而且 需要設(shè)置冷卻裝置。
中國(guó)發(fā)明申請(qǐng)?zhí)?00710020394. 7提出了《一種低濃度氣態(tài)烴的燃燒裝置》，其特征 是由薄板狀外壁面和內(nèi)壁面圍成環(huán)狀進(jìn)氣通道和排氣通道，形成雙向逆流的氣流通道， 連通位于環(huán)狀通道圈中心的燃燒室;燃燒室內(nèi)置有多孔材料，多孔材料設(shè)置電加熱元件。 該燃燒裝置燃燒低濃度氣態(tài)烴即可在中心燃燒室達(dá)到較高的工作溫度，同時(shí)對(duì)外部絕熱 要求低，簡(jiǎn)化了設(shè)備，降低了成本。向本裝置通入化學(xué)當(dāng)量比大于1的天然氣空氣或者 氧氣混合氣，過(guò)量的天然氣可在高溫條件下裂解生成氫氣，但該方法不能制取純氫，需 要產(chǎn)物分離設(shè)備，同時(shí)存在爆炸危險(xiǎn),工業(yè)化受到一定限制。發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前制氫裝置能耗高、系統(tǒng)復(fù)雜、成本高等不足，本實(shí)用新型基于中國(guó)發(fā) 明申請(qǐng)?zhí)?00710020394. 7提出的《一種低濃度氣態(tài)烴的燃燒裝置》設(shè)計(jì)一種集反應(yīng)物 預(yù)熱、高溫裂解制氫、產(chǎn)物冷卻于一體的制氫裝置。該裝置不僅能有效提高制氫效率， 降低能量損失，而且具有流程短和操作單元簡(jiǎn)單、安全等特點(diǎn)，可降低小規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)制氫 裝置投資和制氫成本，滿足燃料電池車對(duì)分散氫能的需求。
本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置主要包括切向進(jìn)口，逆向換熱器， 切向出口，多孔介質(zhì)，電加熱硅碳棒，反應(yīng)盤(pán)管，反應(yīng)盤(pán)管進(jìn)口端，反應(yīng)盤(pán)管出口端； 切向進(jìn)口與切向出口焊接在逆向換熱器最外層，多孔介質(zhì)安置在逆向換熱器中心，電加 熱硅碳棒安置在多孔介質(zhì)中心；反應(yīng)盤(pán)管安置在逆向換熱器通道和多孔介質(zhì)中，反應(yīng)盤(pán) 管進(jìn)口端在切向出口內(nèi)，反應(yīng)盤(pán)管出口端在切向進(jìn)口內(nèi)；其特征是反應(yīng)盤(pán)管置入逆向換 熱器通道和中心多孔介質(zhì)中，反應(yīng)盤(pán)管進(jìn)口端在逆向換熱器的切向出口內(nèi)，反應(yīng)盤(pán)管出 口端在逆向換熱器的切向進(jìn)口內(nèi)。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)也在于所述的反應(yīng)盤(pán)管由導(dǎo)熱性能優(yōu)良和耐熱的材料制備而 成，反應(yīng)盤(pán)管內(nèi)可設(shè)置催化劑，也可不設(shè)置催化劑。逆向換熱器中心內(nèi)層表面鍍耐高溫 陶瓷材料，其他外圈層低溫?fù)Q熱區(qū)域材料采用不銹鋼，可采用螺旋板式換熱器加工工藝 制作；多孔介質(zhì)為具有導(dǎo)熱率和熱容量大，蓄熱效率高的陶瓷球堆積而成，置入逆向換 熱器中心；電加熱硅碳棒安裝在逆向換熱器中心多孔介質(zhì)內(nèi)，用于預(yù)熱點(diǎn)火。
本實(shí)用新型的有益效果是
1) 反應(yīng)盤(pán)管的引入，可制備純氫，并且可提高操作的安全性。
2) 自預(yù)熱、自冷卻的工藝過(guò)程，使設(shè)備設(shè)計(jì)緊湊，降低了裝置的占地面積，降低 了成本，并有效利用了產(chǎn)物的攜帶的余熱，降低了能耗。
3) 反應(yīng)器的最外圍是常溫預(yù)混氣體進(jìn)氣層，溫度接近室溫，散熱損失基本為零， 僅需對(duì)裝置的上下兩端面進(jìn)行保溫，大大降低了制氫反應(yīng)器的保溫要求。
4) 反應(yīng)器外部的逆向換熱和中心多孔介質(zhì)的有效蓄熱，有利于提高反應(yīng)溫度，形 成天然氣高溫裂解制氫的環(huán)境，可大大提高制氫反應(yīng)速度和效率。
5) 中心區(qū)較高的燃燒溫度，可拓展天然氣的燃燒極限，降低天然氣的消耗。


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圖1為本實(shí)用新型一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置示意圖。
圖2為本實(shí)用新型一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置的結(jié)構(gòu)俯視圖。
1為切向進(jìn)口， 2為逆向換熱器，3為切向出口， 4為多孔介質(zhì)，5為電加熱硅碳棒， 6為反應(yīng)盤(pán)管，7為反應(yīng)盤(pán)管進(jìn)口端，8為反應(yīng)盤(pán)管出口端。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一歩說(shuō)明本實(shí)用新型天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置的具體實(shí)施方式
。
本實(shí)用新型一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置如圖1、圖2所示，主要包括切向進(jìn)口l，逆 向換熱器2，切向出口3，多孔介質(zhì)4，電加熱硅碳棒5，反應(yīng)盤(pán)管6。逆向換熱器2中 心內(nèi)層表面鍍耐高溫陶瓷材料，其他外圈層低溫?fù)Q熱區(qū)域材料采用不銹鋼。反應(yīng)盤(pán)管6 由導(dǎo)熱性能優(yōu)良和耐熱的材料制備而成，置入逆向換熱器2中。多孔介質(zhì)4為具有導(dǎo)熱 率和熱容量大，蓄熱效率高的陶瓷球堆積而成，置入逆向換熱器2中心。電加熱硅碳棒 5安裝在多孔介質(zhì)4中，用于預(yù)熱。
首先啟動(dòng)安裝在逆向換熱器2中心的電加熱硅碳棒5，將多孔介質(zhì)4預(yù)熱至600°C 70(TC;從切向進(jìn)口 1通入當(dāng)量比為1的天然氣與空氣預(yù)混氣體，預(yù)混氣體在多孔介 質(zhì)4中點(diǎn)燃，關(guān)閉電源；煙氣通過(guò)逆向換熱器2的切向出口3排出，煙氣與預(yù)混氣體在 逆向換熱器2中換熱；至中心多孔介質(zhì)溫度升至120(TC左右，從反應(yīng)盤(pán)管進(jìn)口端7通 入天然氣，天然氣通過(guò)反應(yīng)盤(pán)管6與逆向換熱器2通道中的煙氣換熱，進(jìn)入逆向換熱器 2中心區(qū)后與多孔介質(zhì)4換熱至可裂解溫度，生成碳和氫氣；產(chǎn)物通過(guò)反應(yīng)盤(pán)管6與逆 向換熱器2通道中的預(yù)混氣體換熱，至反應(yīng)盤(pán)管出口端8冷卻到可收集溫度。預(yù)混氣在 逆向換熱器2中的預(yù)熱，以及與多孔介質(zhì)4蓄熱換熱，可使預(yù)混氣在更高溫度條件下在 中心多孔介質(zhì)4內(nèi)燃燒。同時(shí)，根據(jù)天然氣裂解溫度需要，調(diào)整預(yù)混氣體當(dāng)量比和流量。 裝置使用一段時(shí)間后，可通過(guò)向反應(yīng)盤(pán)管進(jìn)口端7通入蒸汽，來(lái)消除內(nèi)部的積炭；也可 在反應(yīng)盤(pán)管6內(nèi)部安置催化劑，以降低對(duì)反應(yīng)溫度要求。
與其他制氫裝置相比，本實(shí)用新型可制備純氫，并且無(wú)需產(chǎn)物提純裝置、冷卻裝置、 保溫材料等，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。.
權(quán)利要求1、一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置，主要包括切向進(jìn)口(1)，逆向換熱器(2)，切向出口(3)，多孔介質(zhì)(4)，電加熱硅碳棒(5)，反應(yīng)盤(pán)管(6)，反應(yīng)盤(pán)管進(jìn)口端(7)，反應(yīng)盤(pán)管出口端(8)；切向進(jìn)口(1)與切向出口(3)焊接在逆向換熱器(2)最外層，多孔介質(zhì)(4)安置在逆向換熱器(2)中心，電加熱硅碳棒(5)安置在多孔介質(zhì)(4)中心；反應(yīng)盤(pán)管(6)安置在逆向換熱器(2)通道和多孔介質(zhì)(4)中，反應(yīng)盤(pán)管進(jìn)口端(7)在切向出口(3)內(nèi)，反應(yīng)盤(pán)管出口端(7)在切向進(jìn)口(1)內(nèi)；其特征在于反應(yīng)盤(pán)管(6)置入逆向換熱器(2)通道和中心多孔介質(zhì)(4)中，反應(yīng)盤(pán)管進(jìn)口端(7)在逆向換熱器(2)的切向出口(3)內(nèi)，反應(yīng)盤(pán)管出口端(7)在逆向換熱器(2)的切向進(jìn)口(1)內(nèi)。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置，特征在于反應(yīng)盤(pán)管(6)由導(dǎo)熱性 能優(yōu)良和耐熱的材料制備而成，反應(yīng)盤(pán)管(6)內(nèi)可設(shè)置催化劑，也可不設(shè)置催化劑。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置，特征在于逆向換熱器(2)中心內(nèi) 層表面鍍耐高溫陶瓷材料，其他外圈層低溫?fù)Q熱區(qū)域材料采用不銹鋼，可采用螺旋板式換 熱器加工工藝制作。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置，特征在于多孔介質(zhì)(4)為具有導(dǎo) 熱率和熱容量大，蓄熱效率高的陶瓷球堆積而成，置入逆向換熱器(2)中心。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置，特征在于電加熱硅碳棒(5)安裝 在逆向換熱器(2)中心多孔介質(zhì)(4)內(nèi)，用于預(yù)熱點(diǎn)火。
專利摘要本實(shí)用新型屬于制氫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置。本實(shí)用新型主要包括切向進(jìn)口，逆向換熱器，切向出口，多孔介質(zhì)，電加熱硅碳棒，反應(yīng)盤(pán)管；特征是外部的逆向換熱器可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物冷卻、反應(yīng)物預(yù)熱；逆向換熱器中心安置多孔介質(zhì)的有效蓄熱，外部逆向換熱器的保溫，可為反應(yīng)盤(pán)管內(nèi)天然氣裂解制取純氫提供有利的高溫環(huán)境；中心安置電加熱硅碳棒對(duì)多孔介質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱啟動(dòng)點(diǎn)火，操作方便，點(diǎn)火可靠性高。本實(shí)用新型一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置，具備自預(yù)熱、自保溫、自冷卻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、穩(wěn)定等的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)純氫的制備。
文檔編號(hào)C01B3/34GK201330153SQ20082018178
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2008年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月20日
發(fā)明者何賢釗, 唐志國(guó), 李永玲, 林其釗, 謝紅占, 馬培勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)