CN106829859B - 一种制氢装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制氢装置及方法，其中，制氢装置包括气化炉、等离子发生器、第一反应容器、第二反应容器、通入水蒸气的蒸汽管道；气化炉、第一反应容器、第二反应容器中分别设有加热装置；气化炉的气体排出端与等离子发生器的介质输入端连通，等离子发生器的气体介质输出端交替与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端形成连通，蒸汽管道交替与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端形成连通。本发明能够在水蒸气与海绵铁发反应生成氢气，并对反应后的海绵铁形成还原反应，无限循环使用下去，且通过采用两个反应容器能够实现交替制氢，以使达到制氢的连续性，提升制氢装置的制氢效率。

Description

一种制氢装置及方法

技术领域

本发明涉及气体能源制备技术领域，具体涉及一种制氢装置及方法。

背景技术

氢能源是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的，目前制取氢气的主要方法有：(1)天然气蒸汽转化制氢；(2)煤转化制氢；(3)甲醇或氨裂解制氢；(4)水电解制氢。其中，目前的煤转化制氢装置在制氢时，由于制氢效率低且无法实现连续性，影响制氢设备的推广使用，另外，无法实现重复长时间使用，使用寿命短。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种结构设计合理，便于推广使用且能够连续制氢的制氢装置及方法。

本发明的目的一是提供如下技术方案：

一种制氢装置，包括气化炉、等离子发生器、第一反应容器、第二反应容器，以及通入水蒸气的蒸汽管道；所述气化炉内的气化物料为炭料；

在气化炉、第一反应容器、第二反应容器中分别设置有对各自内部进行加热升温的加热装置；所述气化炉的气体排出端与等离子发生器的介质输入端连通，等离子发生器的气体介质输出端交替与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端形成连通，所述蒸汽管道交替与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端形成连通；

当等离子发生器的气体介质输出端与第一反应容器的介质进入端形成连通时，蒸汽通道与第二反应容器的介质进入端形成连通；当等离子发生器的气体介质输出端与第二反应容器的介质进入端形成连通时，蒸汽通道与第一反应容器的介质进入端形成连通；

所述第一反应容器、第二反应容器内分别填料有海绵铁，蒸汽管道输入的水蒸气、等离子发生器排出的气体介质通过海绵铁后从对应反应容器的气体排出端排出。

采用了上述技术方案，气化炉内添加炭料，在气化炉的作用下产生气体，气体通过等离子发生器将气体中对海绵铁的污染物质脱除掉；水蒸气经过蒸汽管道交替进入第一反应容器、第二反应容器中，与反应容器中的海绵铁进行反应，反应过程中生成氢气并从反应容器的气体排出端排出并进行收集；当水蒸气进入第一反应容器内时，从等离子发生器中输出的气体进入第二反应容器内进行反应，以使海绵铁在与水蒸气反应过程中产生的Fe₃0₄进行还原反应；而当水蒸气进入第二反应容器内时，从等离子发生器中输出的气体则会进入第一反应容器内进行反应，周而复始；本发明能够使水蒸气与海绵铁发生反应生成氢气，并对反应后的海绵铁形成还原反应，无限循环使用下去，且通过采用两个反应容器能够实现交替制氢，以使达到制氢的连续性，提升制氢装置的制氢效率。

进一步地，所述气化炉内添加的炭料为兰炭，气化炉内通过加热装置将气化炉内部的炭料加热升温到600℃—800℃，并生成含有CO、N₂、CO₂、H₂S的气体排入等离子发生器中进行脱硫。

进一步地，所述第一反应容器、第二反应容器相对应的加热装置将各自的反应容器内部温度加热到500℃—580℃；

通过蒸汽通道进入第一反应容器、第二反应容器中的水蒸气与海绵铁发生反应获得氢气并从相应反应容器的气体排出端排出，反应方程式为：Fe+H₂O—Fe₃0₄+H₂；

等离子发生器中进入第一反应容器、第二反应容器中的CO与Fe₃0₄发生反应，反应方程式为：CO+Fe₃0₄—Fe+CO₂，反应产生的二氧化碳及未参加反应的气体从相应反应容器的气体排出端排出。

进一步地，所述第一反应容器、第二反应容器的气体排出端连通有氢气排出管、混合气体排出管，在氢气排出管、混合气体排出管上分别装配有排气控制阀。

进一步地，所述蒸汽管道与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端、等离子发生器的气体介质输出端通过第一管道形成并联式连通，其中，等离子发生器的气体介质输出端与第一反应容器的介质进入端之间的管道上设置有第一流通控制阀，第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端之间的管道上设置有第二流通控制阀，第二反应容器的介质进入端设置有第三流通控制阀；

所述等离子发生器的气体介质输出端与第二反应容器的介质进入端之间通过第二管道连通，在第二管道上设置有第四流通控制阀，所述第三流通控制阀处于第二管道与第二反应容器介质进入端的连通处和第一管道之间。

本发明另一目的是提供如下技术方案：

一种制氢方法，包括如下步骤：

步骤一，通过气化炉内的加热装置将炉内的炭料加热升温到600℃—800℃，向气化炉内添加空气，空气与气化炉内的兰炭形成反应，生成含有CO、N₂、CO₂、H₂S的气体，气体从气化炉的气体排出端排出；

步骤二，气化炉气体排出端排出的气体经过等离子发生器，气体中的H₂S转变为S单质，防止第一反应容器和第二反应容器中的海绵铁发生中毒；

步骤三，蒸汽通道交替向第一反应容器、第二反应容器内输入水蒸气，第一反应容器、第二反应容器内的加热装置分别将各自反应容器内加热升温到500℃—580℃，水蒸气与第一反应容器内的海绵铁、第二反应容器内的海绵铁产生如下反应：Fe+H₂O—Fe₃0₄+H₂，反应生成的氢气进行收集；

步骤四，当水蒸气通入第一反应容器内进行反应时，步骤二中等离子发生器排出的气体进入第二反应容器内与之前水蒸气与海绵铁反应产生的Fe₃0₄进行如下反应：CO+Fe₃0₄— Fe+CO₂，反应产生的二氧化碳及未参加反应的气体从第二反应容器的气体排出端排出；

当水蒸气通入第二反应容器内进行反应时，步骤二中等离子发生器排出的气体进入第一反应容器内与之前水蒸气与海绵铁反应产生的Fe₃0₄进行如下反应：CO+Fe₃0₄—Fe+CO₂，反应产生的二氧化碳及未参加反应的气体从第一反应容器的气体排出端排出。

步骤五，重复上述步骤一、步骤二、步骤三、步骤四，得以源源不断的产生氢气,可以收集或直接利用。

采用了上述技术方案，本发明能够使水蒸气与海绵铁发生反应生成氢气，并对反应后的海绵铁形成还原反应，无限循环使用下去，且通过采用两个反应容器能够实现交替制氢，以使达到制氢的连续性，提升制氢装置的制氢效率。

附图说明

图1为本发明制氢装置的结构示意图；

图中：1为气化炉，2为等离子发生器，3为第一反应容器，4为第二反应容器，5为蒸汽管道，6为进气管，7为海绵铁，8为氢气排出管，9为混合气体排出管，10为排气控制阀， 11为第一管道，12为第一流通控制阀，13为第二流通控制阀，14为第三流通控制阀，15为第二管道，16为第四流通控制阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种制氢装置，包括气化炉1、等离子发生器2、第一反应容器3、第二反应容器4，以及通入水蒸气的蒸汽管道5；气化炉内的气化物料为炭料，炭料可以采用填料的方式添加在气化炉中，以增加炭料的反应面积；在气化炉工作过程中，通过向进气管6向气化炉内补入空气作为气化剂，以使气化炉内炭料发生气化反应。

在气化炉、第一反应容器、第二反应容器中分别设置有对各自内部进行加热升温的加热装置，可以在气化炉及反应容器内设置夹套，加热装置设置于夹套内，加热装置可以为螺旋围绕布置在夹套内的变频加热线圈，以加快加热效率；气化炉的气体排出端与等离子发生器的介质输入端连通，气化炉内产生的气体能够进入等离子发生器中，通过等离子发生器作用将气体中的H₂S变成S单质，防止第一反应容器和第二反应容器中的海绵铁发生中毒；等离子发生器的气体介质输出端交替与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端形成连通，蒸汽管道交替与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端形成连通。

具体地，经过等离子发生器的气体进入反应容器以及水蒸气进入反应容器的交替方式为：当等离子发生器的气体介质输出端与第一反应容器的介质进入端形成连通时，蒸汽通道与第二反应容器的介质进入端形成连通；当等离子发生器的气体介质输出端与第二反应容器的介质进入端形成连通时，蒸汽通道与第一反应容器的介质进入端形成连通；即在水蒸气进入第二反应容器内反应时，等离子发生器中的气体进入第一反应容器内进行反应，当水蒸气进入第一反应容器内反应时，等离子发生器中的气体进入第二反应容器内进行反应。

第一反应容器、第二反应容器内分别填料有海绵铁7，蒸汽管道输入的水蒸气、等离子发生器排出的气体介质通过海绵铁后从对应反应容器的气体排出端排出。海绵铁其抗压强度高，不粉化、不板结，比表面积大，活性高，再生效果好，适合长时间的循环使用，延长制氢设备的使用寿命以及制氢效率。

气化炉内添加的炭料为兰炭，兰炭利用神府煤田盛产的优质侏罗精煤块烧制而成的，作为一种新型的炭素材料，以其固定炭高、比电阻高、化学活性高、含灰份低、铝低、硫低、磷低的特性，以逐步取代焦炭(冶金焦)而广泛用于化工、冶炼、造气等行业。气化炉内通过加热装置将气化炉内部的炭料加热升温到600℃—800℃之间(具体的加热温度可以为600℃、700℃、800℃)，并生成含有大量CO、N₂、少量CO₂和微量H₂S的气体排入等离子发生器中进行脱硫。通过等离子发生器将微量的H₂S脱成S单质，以避免进入反应容器内对海绵铁产生污染中毒现象，保证海绵铁处于安全的环境下工作。

第一反应容器、第二反应容器相对应的加热装置将各自的反应容器内部温度加热到500℃或550℃或580℃；通过蒸汽通道进入第一反应容器、第二反应容器中水蒸气与海绵铁发生反应获得氢气并从相应反应容器的气体排出端排出进行收集，反应方程式为：Fe+H₂O—Fe₃0₄+H₂；

等离子发生器中进入第一反应容器、第二反应容器中的CO与Fe₃0₄发生反应，反应方程式为：CO+Fe₃0₄—Fe+CO₂，反应产生的二氧化碳及未参加反应的气体从相应反应容器的气体排出端排出。第一反应容器、第二反应容器的气体排出端连通有氢气排出管8、混合气体排出管9，在氢气排出管、混合气体排出管上分别装配有排气控制阀10。当反应容器内排出的为氢气时，开启氢气排出管上的排气控制阀，对氢气进行收集，关断混合气体排出管上的排气控制阀；而当反应容器内排出的气体为二氧化碳混合气体时，则关断氢气排出管上的排气控制阀，开启混合气体排出管上的排气控制阀，对二氧化碳混合气体进行排放。

为了实现水蒸气及等离子发生器排出的气体形成交替循环的进入两个反应容器中进行反应，将蒸汽管道与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端、等离子发生器的气体介质输出端通过第一管道11形成并联式连通，其中，等离子发生器的气体介质输出端与第一反应容器的介质进入端之间的管道上设置有第一流通控制阀12，第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端之间的管道上设置有第二流通控制阀13，第二反应容器的介质进入端设置有第三流通控制阀14；等离子发生器的气体介质输出端与第二反应容器的介质进入端之间通过第二管道15连通，在第二管道上设置有第四流通控制阀16，第三流通控制阀处于第二管道与第二反应容器介质进入端的连通处和第一管道之间。当水蒸气进入第一反应容器内时，第二流通控制阀、第四流通控制阀开启，第一流通控制阀、第三流通控制阀处于关断状态，这样等离子发生器排出的气体能够进入第二反应容器内；当水蒸气进入第二反应容器内时，第一流通控制阀、第三流通控制阀开启，第二流通控制阀、第四流通控制阀处于关断状态。

下面结构制氢装置的结构示意图对本发明中的制氢方法进行说明，具体包括如下步骤：

步骤一，通过气化炉1内的加热装置将炉内的兰炭加热升温到600℃或650℃或700℃或 750℃或800℃，通过进气管6向气化炉内添加空气，空气与气化炉内的兰炭形成反应，生成含有CO、N₂、CO₂、H₂S的气体，气体从气化炉1的气体排出端排出。

步骤二，气化炉气体排出端排出的气体经过等离子发生器2，通过等离子发生器对气体中的H₂S进行脱硫，以避免对海绵铁造成污染，而损害海绵铁，影响海绵铁的工作及制氢的效率。

步骤三，蒸汽通道5交替向第一反应容器3、第二反应容器4内输入水蒸气，第一反应容器、第二反应容器内的加热装置分别将各自反应容器内加热升温到500℃或520℃或540℃或560℃或580℃，通入的水蒸气与第一反应容器内的海绵铁、第二反应容器内的海绵铁产生如下反应：Fe+H₂O—Fe₃0₄+H₂，反应生成的氢气进行收集；

步骤四，当水蒸气从蒸汽管道5中通过第一管道11通入第一反应容器3内进行反应时，第二流通控制阀13、第四流通控制阀16开启，第一流通控制阀12、第三流通控制阀14处于关断状态，这样等离子发生器排出的气体通过第二管道15进入第二反应容器内与之前水蒸气与海绵铁反应产生的Fe₃0₄进行如下反应：CO+Fe₃0₄—Fe+CO₂，反应产生的二氧化碳及未参加反应的混合气体从第二反应容器的气体排出端排出；

当水蒸气从蒸汽管道5中通过第一管道通入第二反应容器内进行反应时，第一流通控制阀12、第三流通控制阀开启14，第二流通控制阀13、第四流通控制阀16处于关断状态，等离子发生2排出的气体进入第一反应容器内与之前水蒸气与海绵铁反应产生的Fe₃0₄进行如下反应：CO+Fe₃0₄—Fe+CO₂，反应产生的二氧化碳及未参加反应的气体从第一反应容器的气体排出端排出。

步骤五，重复上述步骤一、步骤二、步骤三、步骤四，得以源源不断的提供氢气,可以收集或直接利用。

Claims (5)

1.一种制氢装置，其特征在于，该制氢装置包括气化炉、等离子发生器、第一反应容器、第二反应容器，以及通入水蒸气的蒸汽管道；所述气化炉内的气化物料为炭料；

在气化炉、第一反应容器、第二反应容器中分别设置有对各自内部进行加热升温的加热装置；所述气化炉的气体排出端与等离子发生器的介质输入端连通，等离子发生器的气体介质输出端交替与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端形成连通，所述蒸汽管道交替与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端形成连通；

当等离子发生器的气体介质输出端与第一反应容器的介质进入端形成连通时，蒸汽通道与第二反应容器的介质进入端形成连通；当等离子发生器的气体介质输出端与第二反应容器的介质进入端形成连通时，蒸汽通道与第一反应容器的介质进入端形成连通；

所述第一反应容器、第二反应容器内分别填料有海绵铁，蒸汽管道输入的水蒸气、等离子发生器排出的气体介质通过海绵铁反应后从对应反应容器的气体排出端排出；

所述蒸汽管道与第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端、等离子发生器的气体介质输出端通过第一管道形成并联式连通，其中，等离子发生器的气体介质输出端与第一反应容器的介质进入端之间的管道上设置有第一流通控制阀，第一反应容器的介质进入端、第二反应容器的介质进入端之间的管道上设置有第二流通控制阀，第二反应容器的介质进入端设置有第三流通控制阀；

所述等离子发生器的气体介质输出端与第二反应容器的介质进入端之间通过第二管道连通，在第二管道上设置有第四流通控制阀，所述第三流通控制阀处于第二管道与第二反应容器介质进入端的连通处和第一管道之间。

2.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于，所述气化炉内添加的炭料为兰炭，气化炉内通过加热装置将气化炉内部的炭料加热升温到600℃—800℃，并生成含有CO、N₂、CO₂、H₂S的气体排入等离子发生器中进行脱硫。

3.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于，所述第一反应容器、第二反应容器相对应的加热装置将各自的反应容器内部温度加热到500℃—580℃；

通过蒸汽通道进入第一反应容器、第二反应容器中水蒸气与海绵铁发生反应获得氢气并从相应反应容器的气体排出端排出，反应方程式为：3Fe+4H₂O—Fe₃O₄+4H₂；

等离子发生器中进入第一反应容器、第二反应容器中的CO与Fe₃O₄发生反应，反应方程式为：4CO+Fe₃O₄—3Fe+4CO₂，反应产生的二氧化碳及未参加反应的气体从相应反应容器的气体排出端排出。

4.根据权利要求3所述的制氢装置，其特征在于，所述第一反应容器、第二反应容器的气体排出端连通有氢气排出管、混合气体排出管，在氢气排出管、混合气体排出管上分别装配有排气控制阀。

5.一种制氢方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，通过气化炉内的加热装置将炉内的炭料加热升温到600℃—800℃，向气化炉内添加空气，空气与气化炉内的兰炭形成反应，生成含有CO、N₂、CO₂、H₂S的气体，气体从气化炉的气体排出端排出；

步骤二，气化炉气体排出端排出的气体经过等离子发生器，气体中的H₂S转变为S单质，防止第一反应容器和第二反应容器中的海绵铁发生中毒；

步骤三，蒸汽通道交替向第一反应容器、第二反应容器内输入水蒸气，第一反应容器、第二反应容器内的加热装置分别将各自反应容器内加热升温到500℃—580℃，水蒸气与第一反应容器内的海绵铁、第二反应容器内的海绵铁产生如下反应：3Fe+4H₂O—Fe₃O₄+4H₂，反应生成的氢气进行收集；

步骤四，当水蒸气通入第一反应容器内进行反应时，步骤二中等离子发生器排出的气体进入第二反应容器内与之前水蒸气与海绵铁反应产生的Fe₃O₄进行如下反应：4CO+Fe₃O₄—3Fe+4CO₂，反应产生的二氧化碳及未参加反应的气体从第二反应容器的气体排出端排出；

当水蒸气通入第二反应容器内进行反应时，步骤二中等离子发生器排出的气体进入第一反应容器内与之前水蒸气与海绵铁反应产生的Fe₃O₄进行如下反应：4CO+Fe₃O₄—3Fe+4CO₂，反应产生的二氧化碳及未参加反应的气体从第一反应容器的气体排出端排出；

步骤五，重复上述步骤一、步骤二、步骤三、步骤四，得以源源不断的产生氢气。