CN102674246B - 一种太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明把太阳能集热技术应用到甲醇水蒸汽重整制氢中，实现清洁高效地制氢。具体内容为提供了一种结构简单紧凑、清洁高效、反应稳定的太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器，包括基板、紧贴基板之上的密封片和紧贴密封片的太阳能板，所述基板、密封片和太阳能板紧密连接，基板包括蒸发腔室和重整反应腔室，蒸发腔室两侧连通进料口引流腔室和中间引流腔室，重整反应腔室两侧连通的出料口引流腔室和中间引流腔室，进料口引流腔室始端设有进料口，出料口引流腔室末端设有产物出口。
Description
技术领域
本发明涉及新能源领域，特别是涉及利用太阳能加热制氢领域。
背景技术
21世纪里要实现可持续发展，需要不断开发探索新能源。在新世纪里，对石油和化学工业产生直接和巨大影响的当属未来时代能源——氢能。氢能在航天航空、氢燃料汽车、氢燃料电池等领域都被广泛利用。氢能在未来的人类社会的能源结构中势必占有非常重要的地位。而目前工业制氢的主要方式中，天然气蒸汽转化制氢转化率不高，对设备制造和控制水平要求高；水电解制氢成本高，转化率也不高；醇类与水蒸气重整制氢则具有反应温度低，原料利用率高，制氢纯度高，杂质种类少等优点，其前景必将十分广阔。
甲醇水蒸汽重整制氢具有反应温度低、产氢纯度高、尾气少等特点，其反应原理如下：
甲醇分解：
CH3OH→CO+2H2
水气转化：
H2O+CO→CO2+H2
重整过程要在250℃的温度以及催化剂作用下进行。如使用化石能源加热则会产生一氧化碳、氮化物和硫化物等，对环境造成污染，大量的二氧化碳的排放也会加剧全球温室效应。如果使用电能加热，基于我国发电厂以火力发电的现状，使用电能无异于燃烧化石燃料。而且增加了一级的能量转换，使能源的利用效率更低。因此使用以上两种方法为反应提供热量都会对环境造成污染，无法清洁地零排放地产氢。而使用太阳能加热则整个反应过程都不会产生尾气，清洁产氢，做到节能减排。使用太阳能直接加热还能让反应摆脱电力加热设备或燃烧设备的束缚，方便有效地进行反应。因此需要一种把太阳能集热技术应用到甲醇水蒸汽重整制氢中，实现清洁高效地制氢的装置。
发明内容
本发明提供一种结构简单紧凑、清洁高效、反应稳定的太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器，包括基板、紧贴基板之上的密封片和紧贴密封片的太阳能板，所述基板、密封片和太阳能板紧密连接，基板包括蒸发腔室和重整反应腔室，蒸发腔室两侧连通进料口引流腔室和中间引流腔室，重整反应腔室两侧连通的出料口引流腔室和中间引流腔室，进料口引流腔室始端设有进料口，出料口引流腔室末端设有产物出口。
进一步地，所述密封片为有通孔的石墨密封片，所述密封片的通孔数量、大小及位置与太阳能板的相同，便于贴合。
进一步地，所述蒸发腔室、重整反应腔室、进料口引流腔室、中间引流腔室、出料口引流腔室均为沉槽结构，所述蒸发腔室和重整反应腔室装设有多孔铜纤维毡，所述重整反应腔室装设的多孔铜纤维毡附着有催化剂，所述进料口引流腔室、出料口引流腔室分别设有进口引流微通道和出口引流微通道，所述中间引流腔室设有中间腔室引流微通道。
更进一步地，所述的进口引流微通道、出口引流微通道和中间引流微通道均采用激光雕刻加工，在基板上形成肋片，有多个肋片组成微通道。
进一步地，所述太阳能板包括紫铜板、镶嵌在紫铜板上的热电偶和涂覆在紫铜板表面的吸热涂层。
进一步地，所述基板、密封片和太阳能板通过螺纹连接。
进一步地，所述进料口和产物出口为通孔。
进一步地，所述太阳能板上对应蒸发腔室和重整反应腔室中间的位置设有电热偶，用于测量温度。
更进一步地，所述微反应器还包括设在基板下面的熔融盐装载板，所述熔融盐装载板包括沉槽结构的熔融盐装载室，熔融盐装载室内盛放硝酸类熔融盐，硝酸类熔融盐吸收并存储一定的太阳能，当反应器因无法接收太阳能或接收的太阳能的能量不足时，熔融盐释放储存的热量，保证反应的平稳进行。
更进一步地，所述基板的侧端设有加热棒孔，加热棒孔内设有加热棒。当微反应器接收的太阳能的能量不足时，反应腔中的温度降低，当温度低于反应所设定的温度时，变送器控制加热棒通电，加热棒辅助太阳能加热，使反应平稳进行。当微反应器接收不到太阳能时，加热棒可以直接取代太阳能为反应提供热量，保证反应平稳进行。
与现有技术相比，有益效果是：
1、本发明所提供的微反应器采用太阳能加热，很好的避免了制氢过程中的污染以及其他不可再生能源的浪费。
2、本发明所提供的微反应器使制氢反应摆脱传统的加热设备，让反应能够方便、快捷地进行。
3、整个板式制氢反应器体积小，结构紧凑，可根据需要增加或减少叠合薄板的数量，提高了反应效率，克服了传统反应器难以扩大的局限性。
4、多孔铜纤维毡和微通道的结合使用，减少了反应物流动阻力，增大了反应器传质传热的效果和催化剂的利用率，提高了反应效率。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构分解示意图；
图2是本发明实施例一侧面视图；
图3是本发明实施例一中进出口引流微通道的结构示意图；
图4是本发明实施例一中中间腔室引流微通道的结构示意图；
图5是本发明实施例二的结构分解示意图；
图6是本发明实施例三的结构分解示意图；
其中：1，热电偶；2，吸热涂层；3，太阳能板；4，密封片；5，多孔铜纤维毡；6，进口引流微通道；7，中间引流腔室；8，蒸发腔室；9，进料口引流腔室；10，进料口；11，基板；12，重整反应腔室；13，出料口引流腔室；14，产物出口；15，附着催化剂的多孔铜纤维毡；16，出口引流微通道；17，中间引流微通道；18，熔融盐装载板；19，熔融盐装载腔室； 20，加热棒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一的结构分解示意图，本发明为一种板式制氢反应器，具有多个薄板叠合结构，包括基板11、紧贴基板之上的石墨密封片4和紧贴密封片的太阳能板3。发明原理为太阳能板3吸收太阳能转化成热能，使甲醇和水的混合物蒸发，并在催化剂作用下发生重整反应产生氢气；基板11为甲醇和水的混合物的蒸发以及混合气体的催化重整提供场所，为甲醇和水的混合物提供进口，为催化重整反应的产物提供出口；石墨密封片4起密封的作用。
太阳能板3包括导热性能强的紫铜板，并通过喷涂的方式使吸热涂层2均匀地附着在紫铜板上，还包括处于蒸发腔室8和重整反应腔室12中间所对应位置的螺钉式热电偶1。涂层2对短波具有高的吸收性，对长波具有低反射性，从而能吸收绝大部分短波的能力，并极少地对外界辐射能量，高效地吸收太阳光的辐射能，转变为反应所需的热能。具体地，紫铜的导热系数在380～400W/m*K，厚度为4～5cm，表面磨光；涂层的吸收率为0.96～0.93，反射率为0.83。
石墨密封片4按太阳能板钻孔的位置、数量、大小钻孔。
多孔铜纤维毡5按照蒸发腔室8的形状及90%的孔隙率制作。
附着有催化剂的多孔铜纤维毡15按照重整反应腔室12形状及90%孔隙率制作并附着上催化剂。
基板11包括蒸发腔室8、分别位于蒸发腔室8一侧并与其连通的进料口引流腔室9，还包括重整反应腔室12、分别位于重整反应腔室12一侧并与其连通的出料口引流腔室13，还包括处于蒸发腔室8和重整反应腔室13中间的中间引流腔室7，进料口10位于进料口引流腔9的始端，产物出口14位于出料口引流腔室13末端，蒸发腔室8末端与中间引流腔室7始端连通，中间引流腔室7末端与重整反应腔室12始端连通。以上各个腔室均为沉槽结构，进料口10、产物出口14为通孔。
太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器的组装和对齐方式如下：
进口引流微通道6嵌入基板11的进料口引流腔室9，多孔铜纤维毡5嵌入基板11的蒸发腔室8，中间引流微通道17嵌入基板11的中间引流腔室7，附着催化剂的多孔铜纤维毡15嵌入重整反应腔室12，出口引流微通道16嵌入基板11的出料口引流腔室13中。基板11的上方为石墨密封片4，石墨密封片4的与基板11吻合，石墨密封片4的上方为太阳能板3。
进口引流微通道6按图3的形状采用激光雕刻加工，在基板上形成肋片，多个肋片组成微通道。
中间引流微通道17按图4的形状采用激光雕刻加工，在基板上形成肋片，多个肋片组成微通道。
出口引流微通道16按图3的形状采用激光雕刻加工，在基板上形成肋片，多个肋片组成微通道。
太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器的连接方式如下：基板11、石墨密封片4、太阳能板3加工有相应的固定孔，通过螺栓锁紧。还可以通过在各个薄板接触的表面之间先涂上熔点低于各个薄板的焊料，然后通过加温使焊料融化，冷凝后各个薄板形成紧固的一体。
当太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器工作时，先把微反应器安装好并使太阳能板3面向太阳光闷晒以预热。通过热电偶1测出反应器内的温度，待反应器内部温度达到250摄氏度后便可进行重整反应。首先，甲醇和水的混合物在微量注射泵的推动下先从进料口10进入进料口引流腔9，混合物在进口引流微通道6的引导下顺利进入蒸发腔室8，多孔铜纤维毡5能增长流体停留在蒸发腔室的时间，使混合物被充分加热并蒸发成为甲醇水蒸气；甲醇水蒸气蒸发腔室8，再经过一个中间引流腔室7，甲醇水蒸气在中间引流微通道17的引导下顺利进入重整反应腔室12；重整反应腔室12中的多孔铜纤维毡附着了催化剂，甲醇水蒸气在催化剂和高温的作用下发生重整反应并生成氢气和二氧化碳，产物通过出口引流腔室13并在出口引流微通道16的引导下顺利从产物出口14流出。
图5是本发明的实施例二的结构分解示意图。本实例中，太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器包括太阳能板3、密封片4、多孔铜纤维毡5、进口引流微通道6、中间引流微通道17、附着有催化剂的多孔铜纤维毡15、出口微通道16和基板11，并且还包括熔融盐装载板18。熔融盐装载板18安装在基板11的正下方。
熔融盐装载板18包括一个熔融盐装载室19，装载室19是沉槽结构，用以装载硝酸类熔融盐。进行反应时，硝酸类熔融盐吸收并存储一定的太阳能，当因无法接收太阳能或接收的太阳能的能量不足时，熔融盐释放储存的热量，保证反应的平稳进行。
本实例中采用三元熔盐HTTEC作为储热的熔融盐，其组成为53%KNO3，40%NaNO2和7% NaNO3。熔盐密度与温度的关系为ρ=1938.0－0.732(T－473.0) ，其导热系数为0.571W/m·K，比热容为1510J/kg·K。
图4是本发明的实施例三的结构分解示意图。本实例中，太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器包括太阳能板太阳能板3、密封片4、多孔铜纤维毡5、进口引流微通道6、中间引流微通道17、附着有催化剂的多孔铜纤维毡15、出口微通道16和基板11，并且基板的侧端设有加热棒孔，加热棒孔内设有加热棒20。
本实例中，当微反应器接收的太阳能的能量不足时，反应腔中的温度降低，当温度低于反应所设定的温度时，加热棒20辅助太阳能加热，使反应平稳进行。当微反应器接收不到太阳能时，加热棒20可以直接取代太阳能为反应提供热量，保证反应平稳进行。
Claims (8)
1.一种太阳能加热型板式甲醇重整制氢微反应器，包括基板、紧贴基板之上的密封片和紧贴密封片的太阳能板，其特征在于，所述基板、密封片和太阳能板紧密连接，基板包括蒸发腔室和重整反应腔室，蒸发腔室两侧连通进料口引流腔室和中间引流腔室，重整反应腔室两侧连通的出料口引流腔室和中间引流腔室，进料口引流腔室始端设有进料口，出料口引流腔室末端设有产物出口；
所述蒸发腔室、重整反应腔室、进料口引流腔室、中间引流腔室、出料口引流腔室均为沉槽结构，所述蒸发腔室和重整反应腔室装设有多孔铜纤维毡，所述重整反应腔室装设的多孔铜纤维毡附着有催化剂，所述进料口引流腔室、出料口引流腔室分别设有进口引流微通道、出口引流微通道，所述中间引流腔室设有中间引流微通道；
所述太阳能板包括紫铜板、镶嵌在紫铜板上的热电偶和涂覆在紫铜板表面的吸热涂层。
2.根据权利要求1所述的微反应器，其特征是，所述密封片为有通孔的石墨密封片，所述密封片的通孔数量、大小及位置与太阳能板的相同。
3.根据权利要求2所述的微反应器，其特征是，所述的进口引流微通道、出口引流微通道和中间引流微通道均采用激光雕刻加工，在基板上形成肋片，由多个肋片形成微通道。
4.根据权利要求1所述的微反应器，其特征是，所述基板、密封片和太阳能板通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的微反应器，其特征是，所述进料口和产物出口为通孔。
6.根据权利要求1所述的微反应器，其特征是，所述太阳能板上对应蒸发腔室和重整反应腔室中间的位置设有电热偶。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的微反应器，其特征是，所述微反应器还包括设在基板下面的熔融盐装载板，所述熔融盐装载板包括沉槽结构的熔融盐装载室。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的微反应器，其特征是，所述基板的侧端设有加热棒孔，加热棒孔内设有加热棒。
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