CN104030242A - 一种微波液相等离子体醇类制氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波液相等离子体醇类制氢方法，属于非热放电醇类制氢领域。其特征在于具有如下步骤：将配制的体积分数为4-50％的醇类水溶液储存于原料储存罐中，之后注入到反应器中；将所述反应器中的空气排出，使所述反应器内的压强控制在1000-8000Pa；启动微波发生器，产生的微波经波导同轴电缆注入到位于所述反应器中液相放电电极，在所述醇类水溶液中产生等离子体，等离子体中的高能粒子对醇类分子进行碰撞分解，即可产生含有氢气的混合气体；待所述反应器及连接管路中残留的少量空气排出后进行所述混合气体的收集储存。本发明具有氢气制取速率快，放电装置设计小型化，可以随时随地简单方便的制取氢气的优点。

Description

一种微波液相等离子体醇类制氢方法

技术领域

本发明属于非热放电醇类制氢领域，提供了一种微波液相等离子体醇类制氢装置及其方法。

背景技术

在非再生能源日益穷竭和现代社会对能源需求日益强盛的现实矛盾面前，可再生清洁能源的充分开发利用已经逐步得到了社会的重视，但类似于风能、水能、太阳能等可再生能源由于存在地域性和时域性等瓶颈问题，新型清洁能源的开发和利用迫在眉睫。氢能是一种高热值的清洁能源，其充分的开发利用为解决未来能源危机问题带来了曙光，同时在研究开发的路程上也充满了挑战。

目前，氢气的制取方法主要包括：天然气蒸汽转化制氢、甲醇重整制氢、水电解制氢。而前两种方法是目前制氢领域中氢气产量最大的方法，但是由于此方法一般都要求高温高压，设备投资较大，因此在一定程度上限制了氢气的大规模应用；而水电解制氢由于消耗的电能极大，制约了其发展，因此产量极少。新的氢气产生方法的研发改进对于氢能的开发利用至关重要。

非热放电制氢是一种新兴制氢方法，目前国内外诸多学者都尝试利用介质阻挡放电、滑动弧放电、隔膜辉光放电等非热放电技术进行制氢，为未来氢能的开发利用开辟了一条新的研究途径。但目前来看，此几种方法存在产氢速率不高，能量利用率较低等问题，在液相中直接开发放电等离子体技术有助于改善此状况。

微波液相放电技术制氢采用微波在反应器内置液相放电电极尖端产生等离子体，利用等离子体中的各种高能粒子对醇类分子进行碰撞分解，从而产生含有氢气的混合气体。

发明内容

根据上述提出的天然气蒸汽转化制氢和甲醇重整制氢一般都要求高温高压，设备投资较大；水电解制氢消耗的电能极大，产量极少的技术问题，而提供一种微波液相等离子体醇类制氢方法。本发明主要利用微波在醇类液相中产生等离子体制氢，从而起到氢气制取速率快的效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种微波液相等离子体醇类制氢方法，其特征在于具有如下步骤：

①进料前，配制体积分数为4-50％的醇类水溶液并注入到反应器中，体积分数低于4％则浓度太低，产氢量低；高于50％则不利于放电的产生；

②在收集气体前，将所述反应器中的空气排出，使所述反应器内的压强控制在1000-8000Pa，如若真空度小于1000Pa，则醇类水溶液蒸发过大；而当真空度高于8000Pa时，不利于放电产生等离子体；

③启动微波发生器，产生的微波经波导同轴电缆注入到位于所述反应器中液相放电电极，在所述醇类水溶液中产生等离子体，等离子体中的高能粒子对醇类分子进行碰撞分解，产生含有氢气的混合气体；待所述反应器及连接管路中残留的少量空气排出后进行所述混合气体的收集储存。

进一步地，所述步骤①中配制体积分数为5-25％的醇类水溶液。

进一步地，所述步骤①中注入的所述醇类水溶液的体积占所述反应器的空间的2/3，因为放电中醇类水溶液会有波动，如若装满液体或液面过高，一部分液体可能会进入抽真空接口。因此，选择2/3体积，在保证液面不会过高的同时，又能将放电电极充分置于液体中。

进一步地，所述步骤②中所述反应器内的压强控制在2000-7000Pa。

进一步地，所述步骤①中醇类原料为无水甲醇或无水乙醇，因为在低碳醇类中碳分子数较低，放电过程中产生的副产物种类相对较少，便于氢气的提纯。

进一步地，所述醇类水溶液的温度为15-80℃，温度高于或低于此温度范围，则不利于放电产生等离子体。

进一步地，所述醇类水溶液的温度为15-40℃。

本发明具有以下优点：

1、由于本发明采用的非热放电技术，利用微波在液相中产生等离子体，因此较于气相放电制氢，本发明具有等离子体密度高，氢气制取效率高等优点；

2、制氢条件较为宽松，不用外加催化剂等措施；

3、本发明所使用的原料为醇类(甲醇、乙醇优先)，原料廉价易于取得，尤其是乙醇，可以通过秸秆发酵等方式制取，减少化石燃料的使用。

基于上述理由本发明可在非热放电醇类制氢领域等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的一种微波液相等离子体醇类制氢方法的流程图及装置示意图。

其中，1、微波发生器 2、波导同轴电缆 3、液相放电电极 4、反应器 5、封闭阀门 6、干式真空泵 7、空气排空阀门 8、气体收集阀门 9、原料储存罐 10、进料泵 11、进料阀门 12、废料排空阀门 13、排料泵 14、废料储存罐 15、复合真空计。

具体实施方式

如图1所示，以一种微波液相等离子体醇类制氢装置为例，该装置包括微波发生器1，波导同轴电缆2，液相放电电极3，反应器4，封闭阀门5，干式真空泵6，空气排空阀门7，气体收集阀门8，原料储存罐9，进料泵10，进料阀门11，废料排空阀门12，排料泵13，废料储存罐14和复合真空15；

所述反应器4内设有用于容纳反应物的空间，所述空间的容积为3L，所述反应器4上部连接有所述复合真空计15；所述液相放电电极3位于所述空间的底部并焊接在所述反应器4上，所述液相放电电极3上连接有所述波导同轴电缆2，所述波导同轴电缆2上连接有所述微波发生器1；

所述反应器4的侧壁上部连接有排气管，所述排气管上依次连接有封闭阀门5和干式真空泵6，所述干式真空泵6上连接有空气排空阀门7和气体收集阀门8；

所述反应器4的上部连接有进料管，所述进料管上依次连接有进料阀门11，进料泵10和原料储存罐9；

所述反应器4的底部连接有排料管，所述排料管上依次连接有废料排空阀门12，排料泵13和废料储存罐14。

下面通过例举具体参数实施例来对本发明的制氢方法所带来的有益效果做进一步说明。

实施例1

制氢装置如图1所示，具体制氢步骤如下所述：

①进料前，将所述进料阀门11，所述废料排空阀门12和所述封闭阀门5同时关闭；将无水乙醇与纯水混合，配置体积分数为8％的乙醇水溶液，将配制的所述乙醇水溶液储存于所述原料储存罐9中，打开所述进料阀门11，启动所述进料泵10，将2L所述乙醇水溶液注入到所述反应器4中，所述乙醇水溶液的温度为20℃；之后关闭所述进料阀门11；

②在收集气体前，打开所述封闭阀门5和所述空气排空阀门7，关闭所述气体收集阀门8；启动所述干式真空泵6，将所述反应器4中的空气排出，使所述反应器4内的压强控制在3000Pa；

③启动所述微波发生器1，功率设置为450W，产生的微波(频率为2.45GHz)经所述波导同轴电缆2注入到所述液相放电电极3，则可在所述乙醇水溶液中产生等离子体，利用等离子体中的高能粒子对乙醇分子进行碰撞分解，即可产生含有氢气的混合气体，混合气体的产气速率为810ml/min，其中氢气占总混合体积的64.55％，一氧化碳占总混合体积的26.57％，其他气体占总混合体积的8.88％；将所述空气排空阀门7继续保持打开，待所述反应器4及连接管路中残留的少量空气排出后关闭所述空气排空阀门7，同时打开所述气体收集阀门8进行所述混合气体的收集储存；所述混合气体收集后，将所述封闭阀门5，所述干式真空泵6和所述微波发生器1依次关闭；

④废料的收集：打开废料排空阀门12，开启所述排料泵，将废液排入到所述废料储存罐14中。

实施例2

制氢装置如图1所示，具体制氢步骤如下所述：

①进料前，将所述进料阀门11，所述废料排空阀门12和所述封闭阀门5同时关闭；将无水乙醇与纯水混合，配置体积分数为4％的乙醇水溶液，将配制的所述乙醇水溶液储存于所述原料储存罐9中，打开所述进料阀门11，启动所述进料泵10，将2L所述乙醇水溶液注入到所述反应器4中，所述乙醇水溶液的温度为20℃；之后关闭所述进料阀门11；

②在收集气体前，打开所述封闭阀门5和所述空气排空阀门7，关闭所述气体收集阀门8；启动所述干式真空泵6，将所述反应器4中的空气排出，使所述反应器4内的压强控制在3000Pa；

③启动所述微波发生器1，功率设置为100W，产生的微波(频率为2.45GHz)经所述波导同轴电缆2注入到所述液相放电电极3，则可在所述乙醇水溶液中产生等离子体，利用等离子体中的高能粒子对乙醇分子进行碰撞分解，即可产生含有氢气的混合气体，混合气体的产气速率为125ml/min，其中氢气占总混合体积的58.36％，一氧化碳占总混合体积的20.71％，其他气体占总混合体积的20.93％；将所述空气排空阀门7继续保持打开，待所述反应器4及连接管路中残留的少量空气排出后关闭所述空气排空阀门7，同时打开所述气体收集阀门8进行所述混合气体的收集储存；所述混合气体收集后，将所述封闭阀门5，所述干式真空泵6和所述微波发生器1依次关闭；

④废料的收集：打开废料排空阀门12，开启所述排料泵，将废液排入到所述废料储存罐14中。

实施例3

制氢装置如图1所示，具体制氢步骤如下所述：

①进料前，将所述进料阀门11，所述废料排空阀门12和所述封闭阀门5同时关闭；将无水乙醇与纯水混合，配置体积分数为15％的乙醇水溶液，将配制的所述乙醇水溶液储存于所述原料储存罐9中，打开所述进料阀门11，启动所述进料泵10，将2L所述乙醇水溶液注入到所述反应器4中，所述乙醇水溶液的温度为40℃；之后关闭所述进料阀门11；

②在收集气体前，打开所述封闭阀门5和所述空气排空阀门7，关闭所述气体收集阀门8；启动所述干式真空泵6，将所述反应器4中的空气排出，使所述反应器4内的压强控制在4000Pa；

③启动所述微波发生器1，功率设置为150W，产生的微波(频率为2.45GHz)经所述波导同轴电缆2注入到所述液相放电电极3，则可在所述乙醇水溶液中产生等离子体，利用等离子体中的高能粒子对乙醇分子进行碰撞分解，即可产生含有氢气的混合气体，混合气体的产气速率为295ml/min，其中氢气占总混合体积的62.93％，一氧化碳占总混合体积的25.27％，其他气体占总混合体积的11.80％；将所述空气排空阀门7继续保持打开，待所述反应器4及连接管路中残留的少量空气排出后关闭所述空气排空阀门7，同时打开所述气体收集阀门8进行所述混合气体的收集储存；所述混合气体收集后，将所述封闭阀门5，所述干式真空泵6和所述微波发生器1依次关闭；

④废料的收集：打开废料排空阀门12，开启所述排料泵，将废液排入到所述废料储存罐14中。

实施例4

制氢装置如图1所示，具体制氢步骤如下所述：

①进料前，将所述进料阀门11，所述废料排空阀门12和所述封闭阀门5同时关闭；将无水乙醇与纯水混合，配置体积分数为50％的乙醇水溶液，将配制的所述乙醇水溶液储存于所述原料储存罐9中，打开所述进料阀门11，启动所述进料泵10，将2L所述乙醇水溶液注入到所述反应器4中，所述乙醇水溶液的温度为15℃；之后关闭所述进料阀门11；

②在收集气体前，打开所述封闭阀门5和所述空气排空阀门7，关闭所述气体收集阀门8；启动所述干式真空泵6，将所述反应器4中的空气排出，使所述反应器4内的压强控制在1000Pa；

③启动所述微波发生器1，功率设置为300W，产生的微波(频率为2.45GHz)经所述波导同轴电缆2注入到所述液相放电电极3，则可在所述乙醇水溶液中产生等离子体，利用等离子体中的高能粒子对乙醇分子进行碰撞分解，即可产生含有氢气的混合气体，混合气体的产气速率为625ml/min，其中氢气占总混合体积的51.33％，一氧化碳占总混合体积的20.53％，其他气体占总混合体积的28.14％；将所述空气排空阀门7继续保持打开，待所述反应器4及连接管路中残留的少量空气排出后关闭所述空气排空阀门7，同时打开所述气体收集阀门8进行所述混合气体的收集储存；所述混合气体收集后，将所述封闭阀门5，所述干式真空泵6和所述微波发生器1依次关闭；

④废料的收集：打开废料排空阀门12，开启所述排料泵，将废液排入到所述废料储存罐14中。

实施例5

制氢装置如图1所示，具体制氢步骤如下所述：

①进料前，将所述进料阀门11，所述废料排空阀门12和所述封闭阀门5同时关闭；将无水甲醇与纯水混合，配置体积分数为8％的甲醇水溶液，将配制的所述甲醇水溶液储存于所述原料储存罐9中，打开所述进料阀门11，启动所述进料泵10，将2L所述甲醇水溶液注入到所述反应器4中，所述甲醇水溶液的温度为20℃；之后关闭所述进料阀门11；

②在收集气体前，打开所述封闭阀门5和所述空气排空阀门7，关闭所述气体收集阀门8；启动所述干式真空泵6，将所述反应器4中的空气排出，使所述反应器4内的压强控制在3000Pa；

③启动所述微波发生器1，功率设置为150W，产生的微波(频率为2.45GHz)经所述波导同轴电缆2注入到所述液相放电电极3，则可在所述甲醇水溶液中产生等离子体，利用等离子体中的高能粒子对甲醇分子进行碰撞分解，即可产生含有氢气的混合气体，混合气体的产气速率为270ml/min，其中氢气占总混合体积的64.52％，一氧化碳占总混合体积的26.22％，其他气体占总混合体积的9.26％；将所述空气排空阀门7继续保持打开，待所述反应器4及连接管路中残留的少量空气排出后关闭所述空气排空阀门7，同时打开所述气体收集阀门8进行所述混合气体的收集储存；所述混合气体收集后，将所述封闭阀门5，所述干式真空泵6和所述微波发生器1依次关闭；

④废料的收集：打开废料排空阀门12，开启所述排料泵，将废液排入到所述废料储存罐14中。

实施例6

制氢装置如图1所示，具体制氢步骤如下所述：

①进料前，将所述进料阀门11，所述废料排空阀门12和所述封闭阀门5同时关闭；将无水甲醇与纯水混合，配置体积分数为4％的甲醇水溶液，将配制的所述甲醇水溶液储存于所述原料储存罐9中，打开所述进料阀门11，启动所述进料泵10，将2L所述甲醇水溶液注入到所述反应器4中，所述甲醇水溶液的温度为80℃；之后关闭所述进料阀门11；

②在收集气体前，打开所述封闭阀门5和所述空气排空阀门7，关闭所述气体收集阀门8；启动所述干式真空泵6，将所述反应器4中的空气排出，使所述反应器4内的压强控制在8000Pa；

③启动所述微波发生器1，功率设置为125W，产生的微波(频率为2.45GHz)经所述波导同轴电缆2注入到所述液相放电电极3，则可在所述甲醇水溶液中产生等离子体，利用等离子体中的高能粒子对甲醇分子进行碰撞分解，即可产生含有氢气的混合气体，混合气体的产气速率为300ml/min，其中氢气占总混合体积的34.52％，一氧化碳占总混合体积的13.81％，其他气体占总混合体积的51.67％；将所述空气排空阀门7继续保持打开，待所述反应器4及连接管路中残留的少量空气排出后关闭所述空气排空阀门7，同时打开所述气体收集阀门8进行所述混合气体的收集储存；所述混合气体收集后，将所述封闭阀门5，所述干式真空泵6和所述微波发生器1依次关闭；

④废料的收集：打开废料排空阀门12，开启所述排料泵，将废液排入到所述废料储存罐14中。

实施例7

制氢装置如图1所示，具体制氢步骤如下所述：

①进料前，将所述进料阀门11，所述废料排空阀门12和所述封闭阀门5同时关闭；将无水甲醇与纯水混合，配置体积分数为45％的甲醇水溶液，将配制的所述甲醇水溶液储存于所述原料储存罐9中，打开所述进料阀门11，启动所述进料泵10，将2L所述甲醇水溶液注入到所述反应器4中，所述甲醇水溶液的温度为25℃；之后关闭所述进料阀门11；

②在收集气体前，打开所述封闭阀门5和所述空气排空阀门7，关闭所述气体收集阀门8；启动所述干式真空泵6，将所述反应器4中的空气排出，使所述反应器4内的压强控制在5000Pa；

③启动所述微波发生器1，功率设置为200W，产生的微波(频率为2.45GHz)经所述波导同轴电缆2注入到所述液相放电电极3，则可在所述甲醇水溶液中产生等离子体，利用等离子体中的高能粒子对甲醇分子进行碰撞分解，即可产生含有氢气的混合气体，混合气体的产气速率为300ml/min，其中氢气占总混合体积的50.12％，一氧化碳占总混合体积的20.05％，其他气体占总混合体积的29.83％；将所述空气排空阀门7继续保持打开，待所述反应器4及连接管路中残留的少量空气排出后关闭所述空气排空阀门7，同时打开所述气体收集阀门8进行所述混合气体的收集储存；所述混合气体收集后，将所述封闭阀门5，所述干式真空泵6和所述微波发生器1依次关闭；

④废料的收集：打开废料排空阀门12，开启所述排料泵，将废液排入到所述废料储存罐14中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微波液相等离子体醇类制氢方法，其特征在于具有如下步骤：

①进料前，配制体积分数为4-50％的醇类水溶液并注入到反应器中；

②在收集气体前，将所述反应器中的空气排出，使所述反应器内的压强控制在1000-8000Pa；

③启动微波发生器，产生的微波经波导同轴电缆注入到位于所述反应器中液相放电电极，在所述醇类水溶液中产生等离子体，等离子体中的高能粒子对醇类分子进行碰撞分解，产生含有氢气的混合气体；待所述反应器及连接管路中残留的少量空气排出后进行所述混合气体的收集储存。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤①中配制体积分数为5-25％的醇类水溶液。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤①中注入的所述醇类水溶液的体积占所述反应器的空间的2/3。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤②中所述反应器内的压强控制在2000-7000Pa。

5.根据权利要求1至3任一权利要求项所述的方法，其特征在于：所述步骤①中醇类原料为无水甲醇或无水乙醇。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述醇类水溶液的温度为15-80℃。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述醇类水溶液的温度为15-40℃。