CN107667162A - 利用水蒸气等离子的制氢装置及制氢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用水蒸气等离子的制氢装置及制氢方法，利用微波对水蒸气激活，生成氢、氧自由基(化学式1)，在气化反应器中使碳物质与氢、氧自由基或部分未激活的水蒸气反应生成CO、CO2及H2(化学式2、3、4)，将生成的气体和在气化反应器中由氢自由基结合而生成的H2((化学式5)与水蒸气一同注入到一氧化碳转换器中进一步生成H2，将CO转换为CO2并排出(化学式6)。本发明通过将水蒸气等离子气化器的气化反应器设计成六面体形大容量结构，使水蒸气等离子体炬容易附着，并将炬设置面积增加及简单化，从而能够在一个气化反应器上附着10～100个水蒸气等离子体炬，具有提供商业规模的大容量水蒸气等离子气化反应器的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用水蒸气等离子的制氢装置及制氢方法，更详细地，涉及一种使被微波激活为等离子状态的水蒸气和碳成分进行反应来制备氢、二氧化碳及一氧化碳，并再使一氧化碳和水蒸气进行二次反应来追加制备氢并进行提炼分离的利用水蒸气等离子的制氢装置及制氢方法。
背景技术
虽然氢是通过天然气、石脑油(Naphtha)重整、水电解等来制备，但由于制备成本高，将这些制备方法适用到作为氢市场的燃料电池、汽车、炼油、化学工程等时产生经济问题，因此迫切需要低廉的氢生产方法。
因此，利用水蒸气和微波等离子的气化工程备受瞩目，但现有的水蒸气等离子气化器中所设置的微波发生器的最大容量为100kW，因此为确保商用规模的水蒸气等离子气化器而需要数十个微波发生器，而且，现有的圆筒形(Cylinder)或与此相似结构的水蒸气等离子气化器是水蒸气等离子体炬的附着面积狭窄，与附着微波波导管、注入煤炭、注入水蒸气等相关的水蒸气等离子体炬周边的附带设施复杂，因此附着于每个水蒸气等离子气化器的水蒸气等离子体炬的数量受到限制(3～4个)，为克服这种问题，可将多个小型气化器并列连接来适当地增加气化器的容量，但由此会导致水蒸气等离子气化装置的设置及维护管理费上升、设置占地面积大等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明是为了解决水蒸气等离子气化器中存在的上述问题而提出的，目的在于提供一种商业规模的大容量水蒸气等离子气化器，其通过将水蒸气等离子气化器的气化反应器设计成大容量的六面体形结构，使水蒸气等离子体炬容易附着，并将炬设置面积增加及简单化，从而能够在一个气化反应器上附着10～100个水蒸气等离子体炬。
并且，本发明的另一目的在于提供一种商用水蒸气等离子气化器的标准模型，其通过将水蒸气等离子气化器和热回收锅炉设计成一体型，大幅缩小设施占地面积，实现设备的简单化，因此不仅降低设备投资费用，还减少设备的故障频率，从而能够提高设备的可信度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用水蒸气等离子的制氢装置，其包括：水蒸气等离子体炬，其连接水蒸气锅炉、微波发生器、给煤粉机、供氧机；气化反应器，使用等离子体炬的火焰使经由所述微波发生器的微波进行等离子激活的水蒸气和煤粉进行高温反应来产生合成气体；热回收水蒸气锅炉，从所述气化反应器的合成气体回收显热；气体提炼设备，其去除所述合成气体中的硫化物等；粉尘去除设备，其去除所述合成气体中的粉尘；一氧化碳转换器，其使通过所述粉尘去除设备的合成气体中的一氧化碳和水蒸气进行催化反应从而转换为二氧化碳和氢；变压吸附气体分离器，从由所述一氧化碳转换器放出的气体分离出氢；氢储存箱，其储存分离出的所述氢。
其中，所述气化反应器与所述热回收水蒸气锅炉中间隔着隔板形成一体化结构。
并且，所述气化反应器被设计为大容量六面体形结构，除热回收水蒸气锅炉侧的壁面和上表面、下表面之外的气化反应器的三个壁面能够设置10～100个水蒸气等离子体炬，设置在三个壁面上的10～100个水蒸气等离子体炬产生的等离子火焰在气化反应器的中央部位形成火焰柱(Fire Ball)，从而迅速达到气化反应所需的温度。
并且，所述气体提炼设备采用利用熟石灰的半干式泥浆喷雾方式。
并且，本发明提供一种利用水蒸气等离子的制氢方法，其方法包括以下步骤：将水蒸气锅炉的水蒸气移动至由微波发生器生成的微波的通道并激活成等离子状态；将由给煤粉机喷射的煤粉和由供氧机供应的氧与被激活成所述等离子状态的水蒸气一同注入到气化反应器中，并利用等离子火焰进行高温反应来生成合成气体；使用与所述气化反应器中间隔着隔板一体形成的热回收水蒸气锅炉回收由气化反应器生成的合成气体的显热；使用半干式泥浆喷雾方式的气体提炼设备去除热回收后温度变低的合成气体中的硫成分等，使用袋滤器等粉尘去除设备去除灰粉尘、泥浆等飞散物质；将已通过粉尘去除设备的合成气体压缩并和水蒸气锅炉的水蒸气一同混合投放到一氧化碳转换器中，从而大部分的一氧化碳通过催化反应被转换为氢和二氧化碳；对从一氧化碳转换器中放出的气体进行冷却和压缩，并在变压吸附气体分离器中分离，从而制备纯度99％以上的氢，并将制备的氢储存到氢储存箱。
其中，在所述气化反应器中生成合成气体的步骤是在大气压或比大气压稍微低的压力条件下进行。
并且，在所述气化反应器中生成合成气体的步骤中，在气化反应器的中央部位多个等离子火焰合在一起形成的火焰柱(Fire Ball)中完成气化反应。
并且，本发明提供一种利用水蒸气等离子的制氢方法，其中，利用由所述热回收水蒸气锅炉生产的水蒸气来均能够，从而可以代替合成气体生成步骤和一氧化碳转换步骤中所需的全部水蒸气。
并且，本发明提供一种利用水蒸气等离子的制氢方法，其中，通过所述粉尘去除设备的除尘工作气体将粉尘毛对合成气体中的部分气体进行冷却和压缩来作为工作气体，从而防止气体的外部流出或外部空气的混入。
(三)有益技术效果
本发明具有提供商业规模的大容量水蒸气等离子气化器的效果，所述气化器通过将水蒸气等离子气化器的气化反应器设计成六面体形大容量结构，使水蒸气等离子体炬容易附着，并将炬设置面积增加及简单化，从而能够在一个气化反应器上附着10～100个水蒸气等离子体炬。
并且，本发明的水蒸气等离子气化反应器作为商业化模型充分执行其作用，大大贡献于促进作为相关产业的制氢、合成气发电、燃料电池、氢动力汽车、化工产业等的发展。
并且，本发明具有提供一种商用水蒸气等离子气化器的标准模型的效果，所述水蒸气等离子气化器是通过将气化反应器和热回收锅炉设计成一体型，大幅缩小设施占地面积，实现设备的简单化，因此不仅降低设备投资费用，还减少设备的故障频率，从而能够提高设备的可信度。
并且，本发明的水蒸气等离子气化反应器是将低阶煤作为碳原料来使用，相比现有的天然气重整制氢工艺，能够大幅降低制氢单价，从而能够诱发燃料电池等将氢作为燃料的相关产业的经济效果，并且能够提前作为清洁能源的氢经济时代的到来。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的利用水蒸气等离子的制氢装置及制氢工艺图；
图2是本发明的一个实施例的气化反应器的侧面概念图；
图3是本发明的一个实施例的气化反应器内部的气化工作情况的俯视概念图；
图4是根据本发明的一个实施例的在气化反应器的三个面上以各面4×4的排列方式设置共48个水蒸气等离子体炬的气化反应器的俯视概念图；
图5是将48个水蒸气等离子体炬分别设置在12个现有的圆筒型(cylinder)小容量气化反应器上时的概念图；
附图标记说明：100：水蒸气等离子体炬；110：水蒸气锅炉；110'：水蒸气锅炉；111：水蒸气锅炉；120：微波发生器；130：给煤粉机；140：供氧机；200：气化反应器；200'：圆筒形小容量气化反应器；210：等离子火焰；220：火焰柱(Fire Ball)；250：隔板；260：隔板；300：热回收水蒸气锅炉；400：气体提炼设备；410：熟石灰储存池；500：粉尘去除设备；600：一氧化碳转换器(CO Shifter)；700：变压吸附气体分离器；800：氢储存箱。
具体实施方式
本发明的利用水蒸气等离子的制氢装置包括如下工艺：通过微波对水蒸气进行激活，并生成等离子状态的氢自由基和氧自由基(化学式1)，然后在气化反应器中使煤炭或有机物等碳物质与所述等离子状态的氢自由基、氧自由基或部分未激活的水蒸气进行反应来生成一氧化碳、二氧化碳及氢(化学式2、3、4)，将由所述生成的气体和在气化反应器中氢自由基相互结合而生成的氢(化学式5)形成的合成气体和水蒸气一同注入到一氧化碳转换器(CO Shifter)中，并追加生成氢，将一氧化碳转换为二氧化碳并进行排出(化学式6)。
[化学式1]
H2O→2HR+OR
[化学式2]
C+O2→CO2
[化学式3]
2C+O2→2CO
[化学式4]
C+H2O→CO+H2
[化学式5]
2HR→H2
[化学式6]
CO+H2O→CO2+H2
并且，对于水蒸气等离子气化反应器来说，反应温度、反应时间、反应压力是重要的因素，通过水蒸气等离子的气化的反应速度非常快，可在常压下进行反应，因此，本发明的着眼点是将气化反应器的结构由现有的高压用圆筒形小容量结构改造成常压用六面体形大容量结构。
如上所述，通过将气化反应器改造为六面体形大容量结构，能够将作为等离子体炬的外围设备的微波波导管的附着或注入煤炭、注入水蒸气、注入氧等的复杂设备容易设置在等离子体炬的外围，并且能够将多个等离子体炬容纳于一个气化反应器中并进行设置。
尤其，若考虑到一台微波发生器的最大容量为100kW左右，一个等离子体炬上设置一台微波发生器，商业规模的气化器需要数十个等离子体炬，但等离子体炬的设置面积不充分的现有的高压用圆筒形结构的小容量气化反应器，只能将气化反应器以并列的方式连接数十个，因此不适合商业化。
在本发明中，通过将气化反应器制造成适合常压反应的六面体大容量，等离子体炬外围设施的设置变得容易，因此每台气化反应器能够设置10～100个等离子体炬，因此气化反应器的单位容量增加，从而能够实现等离子气化设施的商业运行。
并且，在本发明中，将气化反应器和热回收水蒸气锅炉设计为一体型，使设备简单化，从而减少设置面积、降低设施费用、减少故障频率等的提高经济效果。
下面，根据附图对本发明进行详细的说明。
图1是本发明的一个实施例的利用水蒸气等离子的制氢装置及制氢工艺图。
本发明的一个实施例的利用水蒸气等离子的制氢装置包括：水蒸气等离子体炬100，其连接在水蒸气锅炉110、微波发生器120、给煤粉机130、供氧机140；气化反应器200，使用等离子体炬100的火焰210使通过所述微波发生器120的微波被等离子激活的水蒸气和煤粉进行高温反应来产生合成气体；热回收水蒸气锅炉300，从所述气化反应器200的合成气体回收显热；气体提炼设备400，其去除所述合成气体中的硫化物等；粉尘去除设备500，其去除所述合成气体中的粉尘；一氧化碳转换器600，其使通过所述粉尘去除设备500的合成气体中的一氧化碳和水蒸气进行催化反应从而转换为二氧化碳和氢；变压吸附气体分离器700，从由所述一氧化碳转换器600放出的气体分离出氢；氢储存箱800，其储存分离出的氢。
本发明的一个实施例的利用水蒸气等离子的制氢装置的所述气化反应器200和所述热回收水蒸气锅炉300中间隔着隔板250、260形成一体化结构。
所述隔板250、260具有充分确保气化反应器200中的气化反应时间的同时滤除合成气体中的粉尘，从而具有减少粉尘附着在热回收水蒸气锅炉300的热回收线圈上的情况的功能。
本发明的一个实施例的利用水蒸气等离子的制氢装置的工作和制氢方法如下。
将水蒸气锅炉110的水蒸气(5～10kg/cm2)移动至由微波发生器120生成的微波(300MHz～30GHz)的通道并激活成等离子状态，将由给煤粉机130喷射的煤粉和由供氧机140供应的氧与被激活成所述等离子状态的水蒸气一同注入到气化反应器200中，并利用等离子火焰210进行高温反应(1100～1500℃)来生成合成气体。
其中，气化反应器200在比大气压或在一氧化碳转换器600的前端部通过压缩机(未图示)的吸入产生的大气压稍微低的压力条件下运行，煤粉和氧是从等离子火焰210的入口被投放，并与等离子火焰210一同向气化反应器200内侧移动的同时与等离子状态的水蒸气进行反应，并在气化反应器200的中央部位形成多个等离子火焰210的火焰柱(FireBall)中完成反应。
供氧机140是为了将气化反应器200的温度迅速提高至反应温度而只在运行初期运转，在正常工作状态(steady state)下可停止运转，为了对投放的煤粉进行不完全燃烧来提高氢的生成率，这种工作也是必要的。
并且，水蒸气锅炉110也是只在运行初期运转，之后通过由热回收水蒸气锅炉300生产的水蒸气能够维持正常工作状态(steady state)，因此在正常工作状态(steadystate)下可停止运行水蒸气锅炉110。
如上所述，由气化反应器200生成的合成气体通过两个隔板250、260的同时延长反应持续时间(retention time)，因此更加提高反应的完成度。
并且，通过热回收水蒸气锅炉300回收所生成的合成气体显热来生产水蒸气，1100～1500℃的合成气体的出口温度通过热回收的温度为250～350℃，因此利用其回收热来生产水蒸气(7～15kg/cm2)，从而能够代替上述水蒸气等离子体炬100用的水蒸气和后述一氧化碳转换器600用的水蒸气，部分剩下的水蒸气还可销售。
经过热回收温度变低(250～350℃)的合成气体中的硫成分(SOX、H2S等)通过利用石灰水的半干式泥浆喷雾方式的气体提炼设备400来去除，灰(Ash)粉尘、泥浆等飞散物质使用袋滤器(Bag Filter)等粉尘去除设备500来去除，通过粉尘去除设备500的除尘工作气体将合成气体中的部分气体进行冷却和压缩，从而防止气体的外部流出或外部空气的混入。
将已通过粉尘去除设备500的合成气体和水蒸气锅炉111的水蒸气一同混合投放到一氧化碳转换器600(CO Shifter)时，大部分(99.7％)的一氧化碳通过催化反应转换为氢和二氧化碳。
冷却从一氧化碳转换器600放出的气体并在变压吸附气体分离器700(PSA)中分离，从而制备纯度99％以上的氢，并将制备的氢储存到氢储存箱800。
图2是本发明的一个实施例的气化反应器的侧面概念图。图3是气化反应器内部的气化工作情况的俯视概念图。
本发明的一个实施例的气化反应器200与热回收水蒸气锅炉300中间隔着隔板250、260形成一体化结构。
本发明的一个实施例的气化反应器200被设计为大容量六面体形结构，除热回收水蒸气锅炉300侧的壁面和上表面、下表面之外的气化反应器200的三个壁面可设置10～100个水蒸气等离子体炬100。
并且，在本发明的一个实施例的气化反应器200中，由设置在三个壁面上的10～100个水蒸气等离子体炬100产生的等离子火焰210在气化反应器200的中央部位形成火焰柱(Fire Ball)，从而能够迅速达到气化反应所需的温度。
图4是根据本发明的一个实施例的在气化反应器的三个面上以各面4×4的排列方式设置共48个水蒸气等离子体炬的气化反应器的俯视概念图，图5是将48个水蒸气等离子体炬分别设置在12个现有的圆筒型(cylinder)小容量气化反应器上时的概念图。
如图4所示，本发明的一个实施例的气化反应器200被设计为与热回收水蒸气锅炉300一体化形成的大容量六面体形结构，并且，在除热回收水蒸气锅炉300侧壁面和上表面、下表面以外的气化反应器200的三个壁面上以4×4的排列方式设置有16个水蒸气等离子体炬100，即共设置有48个水蒸气等离子体炬100，设置这些设备所需面积被计算为约19.37m×30.13m≒584㎡。
另外，如图5所示，若将设置于一台本发明一个实施例的气化反应器上的48个水蒸气等离子体炬以每台设置四个的方式分别设置在12台现有的圆筒形小容量气化反应器200ˊ并将水蒸气锅炉110ˊ作为附带设施包括在其中，则设置这些设备所需面积被计算为约30.77m×52.56m≒1,617㎡，因此，本发明的一个实施例的气化器(气化反应器及热回收水蒸气锅炉)具有在设置面积上比现有的圆筒形小容量气化反应器(包括水蒸气锅炉)节减64％的效果，从而具有大幅降低包括工厂占地面积购买费在内的设备投资成本等的效果。
并且，本发明的一个实施例的利用水蒸气等离子的制氢装置是通过将水蒸气锅炉和气化反应器形成一体来将气化反应器放出的合成气体的显热直接作为水蒸气锅炉的水蒸气生产热源再利用，因此不仅降低水蒸气生产成本，而且实现设备的简单化，并降低设备的故障频率，从而提高设备的可信度。
下面，根据一个实施例对本发明的利用水蒸气等离子的制氢方法再次进行详细说明，但这仅仅是例示性说明，本发明并不限定于此。
实施例1
1.通过运转水蒸气锅炉110来保持水蒸气压力7kg/cm2并去除冷凝水。
2.向微波发生装置供给电源并投放冷却水，制造运转准备状态，然后通过波导管注入微波的同时注入去除冷凝水的水蒸气，由此将等离子火焰点火。
3.当火焰状态变正常时，一边慢慢投放煤粉粉末和氧，一边观察温度，若温度达到1000℃，慢慢减少氧。
4.当气化反应器的内部温度达到1200℃时，再次注入水蒸气来制造稳定状态。
5.使制造的合成气体通过热回收水蒸气锅炉，并使其在气体提炼设备与熟石灰接触，从而去除硫化合物(H2S、SOx)。
6.在粉尘去除设备(Bag Filter)中去除灰分(Ash)和其他固体物。
7.将提炼的合成气体压缩并与水蒸气一同投放至一氧化碳转换器(CO Shifter)中，从而再次制备氢和二氧化碳。
8.将制备的二次合成气体用冷却水冷却后，在变压吸附气体分离器(PSA，Pressure Swing Adsorption)中分离氢并储存。
以下表1表示实施例1的各工艺区间的气体组成成分表。
表1
如表1所示，本发明的实施例1中通过变压吸附气体分离，氢含量增加到99.9％，流量(LPM)为12,241.3LPM(Liter Per Minute)，与一氧化碳转换器后端的流量13,601.4LPM相比，发生10％左右的损失，这是由于变压吸附气体分离器的效率(90％)而产生的。
工业实用性
可通过上述记载事项得知，在本发明的利用水蒸气等离子的制氢装置及制氢方法中，将水蒸气等离子气化器的气化反应器设计成六面体形大容量结构，使水蒸气等离子体炬容易附着，并将炬设置面积增加及简单化，从而能够在一个气化反应器上附着10～100个水蒸气等离子体炬，因此具有提供商业规模的大容量水蒸气等离子气化器的工业实用性。
并且，本发明的水蒸气等离子气化反应器作为商业化模型充分执行其作用，大大促进作为相关产业的制氢、合成气发电、燃料电池、氢动力汽车、化工产业等的发展，具有工业实用性。
Claims (11)
1.一种利用水蒸气等离子的制氢装置，包括：
水蒸气等离子体炬(100)，其连接水蒸气锅炉(110)、微波发生器(120)、给煤粉机(130)、供氧机(140)；
气化反应器(200)，使用等离子体炬(100)的火焰(210)使经由所述微波发生器(120)的微波进行等离子激活的水蒸气和煤粉进行高温反应来产生合成气体；
热回收水蒸气锅炉(300)，从所述气化反应器(200)的合成气体回收热；
气体提炼设备(400)，其去除所述合成气体中的硫化物等；
粉尘去除设备(500)，其去除所述合成气体中的粉尘；
一氧化碳转换器(600)，其使通过所述粉尘去除设备(500)的合成气体中的一氧化碳和水蒸气进行催化反应从而转换为二氧化碳和氢；
变压吸附气体分离器(700)，从由所述一氧化碳转换器(600)放出的气体分离出氢；
氢储存箱(800)，其储存分离出的所述氢。
2.根据权利要求1所述的利用水蒸气等离子的制氢装置，其特征在于，所述气化反应器(200)与所述热回收水蒸气锅炉(300)中间隔着隔板(250、260)形成一体化结构。
3.根据权利要求1或2所述的利用水蒸气等离子的制氢装置，其特征在于，所述气化反应器(200)被设计为六面体形结构，除热回收水蒸气锅炉(300)侧的壁面和上表面、下表面之外的气化反应器(200)的三个壁面能够设置10～100个水蒸气等离子体炬(100)。
4.根据权利要求3所述的利用水蒸气等离子的制氢装置，其特征在于，由设置在所述气化反应器(200)的三个壁面上的10～100个水蒸气等离子体炬(100)产生的等离子火焰(210)在气化反应器(200)的中央部位形成火焰柱，从而迅速达到气化反应所需的温度。
5.根据权利要求1所述的利用水蒸气等离子的制氢装置，其特征在于，所述气体提炼设备(400)采用利用熟石灰的半干式泥浆喷雾方式。
6.一种利用水蒸气等离子的制氢方法，包括以下步骤：
将水蒸气锅炉(110)的水蒸气移动至由微波发生器(120)生成的微波的通道并激活成等离子状态；
将由给煤粉机(130)喷射的煤粉和由供氧机(140)供应的氧与被激活成所述等离子状态的水蒸气一同注入到气化反应器(200)中，并利用等离子火焰(210)进行高温反应来生成合成气体；
使用与所述气化反应器(200)中间隔着隔板(250、260)一体形成的热回收水蒸气锅炉(300)回收由气化反应器(200)生成的合成气体的显热；
使用半干式泥浆喷雾方式的气体提炼设备(400)去除热回收后温度变低的合成气体中的硫成分等，使用袋滤器等粉尘去除设备(500)去除灰粉尘、泥浆等飞散物质；
将已通过粉尘去除设备(500)的合成气体和水蒸气锅炉(111)的水蒸气一同混合投放到一氧化碳转换器(600)中，从而将一氧化碳转换为氢和二氧化碳；
对从一氧化碳转换器(600)中放出的气体进行冷却和压缩，并在变压吸附气体分离器(700)中分离，从而制备纯度99％以上的氢，并将制备的氢储存到氢储存箱(800)。
7.根据权利要求6所述的利用水蒸气等离子的制氢方法，其特征在于，在所述气化反应器(200)中生成合成气体的步骤是在大气压或比大气压稍微低的压力条件下进行。
8.根据权利要求6所述的利用水蒸气等离子的制氢方法，其特征在于，在所述气化反应器(200)中生成合成气体的步骤中，在气化反应器(200)的中央部位形成多个等离子火焰(210)的火焰柱中完成气化反应。
9.根据权利要求6所述的利用水蒸气等离子的制氢方法，其特征在于，利用由所述热回收水蒸气锅炉(300)生产的水蒸气来均能够代替合成气体生成步骤和一氧化碳转换步骤中所需的全部水蒸气。
10.根据权利要求6所述的利用水蒸气等离子的制氢方法，其特征在于，通过所述粉尘去除设备(500)的除尘工作气体将粉尘毛对合成气体中的部分气体进行冷却和压缩来作为工作气体，从而防止气体的外部流出或外部空气的混入。
11.一种利用水蒸气等离子的气化反应器，所述利用水蒸气等离子的气化反应器与热回收水蒸气锅炉(300)中间隔着隔板(250、260)形成一体，且被设计成六面体形结构，除所述热回收水蒸气锅炉(300)侧的壁面和上表面、下表面之外的三个壁面能够设置10～100个水蒸气等离子体炬(100)，由设置在所述三个壁面的10～100个水蒸气等离子体炬(100)产生的等离子火焰210在所述六面体形结构的中央部位形成火焰柱，以使迅速达到气化反应所需的温度。
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