CN109437100B - 一种氢碘酸分解制氢用反应器及其制氢方法 - Google Patents

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Abstract

一种氢碘酸分解制氢用反应器及其制氢方法，属于化工设备和制氢技术领域。本发明提供的反应器为U型管式换热反应器，由管箱、管板、筒体及U形反应管等部件组成。与氢碘酸接触的部件如U形管材选用耐腐蚀的碳化硅或镍基合金，镍基合金包括Hastelloy B、C、或X系列合金；不与氢碘酸接触的部件如筒体选材为马氏体钢、奥氏体钢或镍基合金。本发明提供的制氢方法为：采用本发明提供的U型管式换热反应器作为氢碘酸分解反应器，将催化剂置于U形管中，将高温氦气或高温熔盐通过加热介质入口进入筒体，将反应原料氢碘酸通入U形管进行分解制氢。本反应器只有一个管板、密封面少、传热性能较好、承压能力强，本制氢方法简单可行、运行可靠。

Description

一种氢碘酸分解制氢用反应器及其制氢方法
技术领域
本发明涉及一种氢碘酸分解制氢用反应器及其方法，属于化工设备和制氢技术领域。
背景技术
氢作为一种重要的化工原料，已经被广泛应用于石油化工、化学工业、金属冶炼等众多领域。近年来，氢作为极具潜力的清洁能源而受到人们广泛关注。然而目前超过90％的氢都来自化石燃料转化，制氢过程不环保、制氢效率低等问题使得现有的制氢方法难以满足未来氢能经济对氢气的大规模需要。研究开发清洁、高效、可持续的大规模制氢方法成为氢能战略中的重要方向之一。以核能或太阳能为热源，经热化学循环可以实现较低温度下的水分解制氢，且过程无有毒有害物质排放。目前研究人员已经提出了百余种热化学循环制氢过程。碘硫(IS)热化学循环制氢被认为是最具应用前景的循环之一，引起世界上很多国家和机构的高度重视和广泛研究。
IS循环由美国通用原子能(GA)公司于上世纪70年代提出，该循环过程由以下三个反应组成：
(1)Bunsen反应：SO2+I2+2H2O→2HI+H2SO4(120℃)；
(2)硫酸分解反应：H2SO4→H2O+SO2+1/2O2(800-900℃)；
(3)氢碘酸分解反应:2HI→H2+I2(300-500℃)。
上述三个反应耦合在一起的净反应为水分解：：H2O→H2+1/2O2。碘硫循环将原本在2500℃以上高温进行的水分解反应在800～900℃实现。该循环具有无温室气体排放、预期制氢效率高、与高温堆热匹配性好(高温堆提供的工艺热可以高达950℃，能很好的满足碘硫循环的热需求)等优势。因而，美国、日本、法国、韩国等国都将IS循环作为未来核能制氢的首选流程进行研究。
遗憾的是，虽然碘硫循环自提出至今已被研究几十年，但是要使碘硫循环真正实现规模化长时间稳定闭合循环运行，仍有许多科学、技术及工程方面问题需要解决。其中基于工程材料的氢碘酸分解反应器的研发就是各国学者需要解决的尤为突出的问题之一。目前公开报道的氢碘酸分解反应器有四种：电加热的石英材质管式固定床反应器(文献1：SKubo,S Kasahara,H Okuda,et al.A pilot test plan of the thermochemical water-splitting iodine-sulfur process.Nuclear Engineering and Design,2004,233(1-3):355-362；文献2：Laijun Wang,Daocai Li,Ping Zhang,et al.The HI catalyticdecomposition for the lab-scale H2 producing apparatus of the iodine-sulfurthermochemical cycle.Int J Hydrogen Energy,2012,37:6415-6421)、电加热的Hastelloy C-276材质的管式固定床反应器(文献3：KS Kang,CH Kim,JW Kim,etal.Hydrogen production by SI process,with electrodialysis stack embedded inHI decomposition section,Int J Hydrogen Energy,2016,41:4560-4569)、电加热的Hastelloy C-276材质的径向流固定床反应器(a radial flow typefixed bed reactor.文献4：S Kasahara,J Iwatsuki,H Takegami,et al.Current R&D status ofthermochemical water splitting iodine-sulfur process in Japan Atomic EnergyAgency.Int J Hydrogen Energy,2017,42:13477-13485)、氦气加热的Hastelloy C-276材质的列管式反应器(文献5：Y Shin,J Lim,T Lee,et al.Designs and CFD analyses ofH2SO4 and HI thermal decomposers for a semi-pilot scale SI hydrogen productiontest facility.Applied Energy,2017,204:390-402)。显然单管式的固定床反应器由于效率和经济性问题无法直接用于将来的碘硫热化学核能制氢。日本JAEA提出的径向流反应器虽然具有阻力小、空速大、反应气体分布均匀等优点。然而众所周知，径向流反应器最基本的结构是由两个多孔的同轴套筒组成,两套筒之间填充催化剂颗粒，反应气体穿过催化剂层径向流动。氢碘酸分解气氛为高温强酸强腐蚀气氛，多孔反应器的设计势必使反应器的强度及寿命大打折扣，且这种电加热的反应器无法直接用于高温气体换热促使氢碘酸分解。韩国KIER提出的管壳式换热反应器属于固定管板式换热器，在操作状态下由于管子与壳体的壁温不同，二者的热变形量也不同，从而在管子、壳体和管板中产生温差应力，另外反应器有两个管板对于密封要求极高，加工难度大。因此上述文献报道的氢碘酸分解反应均不是理想的制氢用反应器。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢碘酸分解制氢用反应器及其方法，使其具有设计制造结构简单、密封面少、传热性能较好、承压能力强造价低等优点，同时工艺方法简单，的氢碘酸分解反应器及分解制氢方法，即氢碘酸分解制氢用U型管式换热式反应器，及采用本发明提供的U型管式换热式反应器作为氢碘酸分解反应器进行氢碘酸分解制氢的方法。
本发明的技术方案如下：
一种氢碘酸分解制氢用反应器，其特征在于：所述反应器主要包括管箱、筒体和多根U型换热反应管；管箱和筒体通过管板连接；在所述的管箱内设有分程隔板，管箱两侧设有反应物料进口和反应产物出口；所述的多根U型换热反应管设置在筒体内，且U型换热反应管与筒体内壁之间留有加热介质流道；所述U型换热反应管进口和出口分别通过管板与所述反应物料进口和反应产物出口连通；所述筒体的两侧分别设有加热介质输入口和加热介质输出口；在筒体中心的竖直平面上设有纵向隔板；所述分程隔板和所述纵向隔板通过管板位于所述的同一竖直平面上，且每根U型换热反应管反应物进口管段和产物出口管段关于纵向隔板呈对称布置。
上述技术方案中，所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管制造材质选用耐腐蚀的碳化硅或镍基合金；所述的筒体和纵向隔板制造材质选用马氏体钢、奥氏体钢或镍基合金；镍基合金优选Hastelloy B、Hastelloy C或Hastelloy X系列合金。
优选地，所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管制造材质采用HastelloyC-276；所述的筒体和纵向隔板选用S31008不锈钢。
本发明提供的一种氢碘酸分解制氢方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将催化剂放置于U型换热反应管内；通过加热介质输入口将加热介质通入筒体内，使U型换热反应管内催化剂床层温度不断升高至温度为400～600℃；
2)将反应物料氢碘酸通过反应物料进口通入U型换热反应管内，筒体内的加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生热交换，在温度为400～600℃，压力0.1～1MPa的条件下使氢碘酸分解，进行制氢反应；
3)氢碘酸分解反应后的产物和换热后的加热介质分别通过反应产物出口和加热介质输出口流出U型管式换热反应器。
本发明方法中，所述的催化剂采用活性炭、负载型单金属、双金属或者多金属催化剂；所述的加热介质采用温度为450～950℃，压力0.1～10MPa的高温氦气或高温熔盐；对氦气和熔盐加热的热源采用核能或太阳能。所述的加热介质和反应物料之间的热交换，可以是逆流交换，也可以是顺流交换。所述的反应物料氢碘酸包括碘化氢气体或质量浓度不低于45％的碘化氢的水溶液或碘化氢质量浓度不低于45％的碘化氢与水蒸气组成的混合气体。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明所提供的一种氢碘酸分解用U型管式换热反应器不仅具有结构简单、密封面少、传热性能较好、承压能力强等优势，且管束的U形端不加固定，可自由伸缩；因只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少，造价较低，非常适用于以核能或太阳能加热的高温氦气或熔盐对氢碘酸分解提供换热。所提供的制氢方法简单可行、运行可靠，适于工业化发展。
附图说明
图1为本发明的逆流换热的氢碘酸分解制氢用反应器的结构原理示意图。
图2为图1中A-A位置的横向截面图。
图3为本发明的顺流换热的氢碘酸分解制氢用反应器的结构原理示意图。
图中:1-分程隔板；2-管箱；3-筒体(壳体)；4-纵向隔板；5-U型换热反应管；6-管板；7-反应物料进口；8-反应产物出口；9-加热介质输入口；10-加热介质输出口；A截面位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构和具体实施过程做进一步的说明。
图1、图3分别为本发明逆流和顺流换热的氢碘酸分解制氢用反应器的结构原理示意图。该反应器主要包括管箱2、筒体3和多根U型换热反应管5；管箱和筒体通过管板6连接；在所述的管箱内设有分程隔板1，管箱两侧设有反应物料进口7和反应产物出口8；所述的多根U型换热反应管设置在筒体内，且U型换热反应管与筒体内壁之间留有加热介质流道；所述U型换热反应管进口和出口分别通过管板与所述反应物料进口7和反应产物出口8连通；所述筒体的两侧分别设有加热介质输入口9和加热介质输出口10；在筒体中心的竖直平面上设有纵向隔板4；所述分程隔板1和所述纵向隔板4通过管板位于所述的同一竖直平面上，且每根U型换热反应管反应物进口管段和产物出口管段关于纵向隔板呈对称布置。所述的管箱2、分程隔板1、管板6和U型换热反应管5制造材质选用耐腐蚀的碳化硅或镍基合金；所述的筒体3和纵向隔板4制造材质选用马氏体钢、奥氏体钢或镍基合金。所述的镍基合金选用Hastelloy B、Hastelloy C或Hastelloy X系列合金。最优选地，所述的管箱2、分程隔板1、管板6和U型换热反应管5制造材质采用Hastelloy C-276；所述的筒体3和纵向隔板4选用S31008不锈钢。
本发明提供的一种氢碘酸分解制氢方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将催化剂放置于U型换热反应管内；通过加热介质输入口将加热介质通入筒体内，使U型换热反应管内催化剂床层温度不断升高至温度为400～600℃；
2)将反应物料氢碘酸通过反应物料进口通入U型换热反应管内，筒体内的加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生热交换，在温度为400～600℃，压力0.1～1MPa的条件下使氢碘酸分解，进行制氢反应；
3)氢碘酸分解反应后的产物和换热后的加热介质分别通过反应产物出口和加热介质输出口流出U型管式换热反应器；
本发明方法中，所述的催化剂采用活性炭、负载型单金属(包括各种载体负载的Pt、Pd、Ir、Ni等单金属催化剂)、双金属(包括各种载体负载的Pt-Pd、Pt-Ir、Ir-Ni、Pt-Ni等双金属催化剂)或者多金属催化剂(包括各种载体负载的Pt-Pd-Ir、Pt-Ir-Ni、Pd-Ir-Ni-Ce等多金属催化剂)。所述的加热介质采用温度为450～950℃，压力0.1～10MPa的高温氦气或高温熔盐；对氦气和熔盐加热的热源采用核能或太阳能。所述的加热介质和反应物料之间的热交换，可以采用顺流热交换方式或逆流热交换方式。所述的反应物料氢碘酸包括碘化氢气体或质量浓度不低于45％的碘化氢的水溶液，也可以是碘化氢质量浓度不低于45％的碘化氢与水蒸气组成的混合气体。
下面通过几个具体实施例来详细说明本发明。
实施例1
采用本发明提供的氢碘酸分解制氢用反应器，其所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管制造材质选用耐腐蚀的碳化硅；所述的筒体和纵向隔板制造材质选用马氏体钢。氢碘酸分解制氢方法为，采用上述反应器作为氢碘酸分解反应器，将活性炭催化剂放置于U型换热反应管内；通过加热介质输入口将经核能加热的温度950℃，压力4MPa的氦气通入筒体内，使U型换热反应管内催化剂床层温度不断升高至温度为600℃，将反应物料氢碘酸：质量浓度不低于45％的碘化氢的水溶液通过反应物料进口通入U型换热反应管内，筒体内的加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生逆流式热交换，在温度为600℃，压力0.1MPa的条件下使氢碘酸分解，进行制氢反应。氢碘酸分解反应后的产物和换热后的加热介质分别通过反应产物出口和加热介质输出口流出U型管式换热反应器。
实施例2
采用本发明提供的氢碘酸分解制氢用反应器，其管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管制造材质选用耐腐蚀的镍基合金Hastelloy C-276；所述的筒体和纵向隔板制造材质选用奥氏体钢。氢碘酸分解制氢方法为：采用上述U型管式换热式反应器作为氢碘酸分解反应器，将活性炭负载的双金属Pt-Ir催化剂放置于U型换热反应管内；通过加热介质输入口将加热介质：经核能加热的温度450℃，压力10MPa的氦气通入筒体内，使U型换热反应管内催化剂床层温度不断升高至温度为400℃，将反应物料氢碘酸：碘化氢气体通过反应物料进口通入U型换热反应管内，筒体内的加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生顺流式热交换，在温度为400℃，压力1MPa的条件下使氢碘酸分解，进行制氢反应。氢碘酸分解反应后的产物和换热后的加热介质分别通过反应产物出口和加热介质输出口流出U型管式换热反应器。
实施例3
采用本发明提供的氢碘酸分解制氢用反应器，其所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管制造材质选用耐腐蚀的Hastelloy B系列镍基合金；所述的筒体和纵向隔板制造材质选用Hastelloy X系列镍基合金。氢碘酸分解制氢方法为，采用上述U型管式换热式反应器作为氢碘酸分解反应器，将负载型Pt催化剂放置于U型换热反应管内；通过加热介质输入口将加热介质：经核能加热的温度500℃，压力0.1MPa的熔盐通入筒体内，使U型换热反应管内催化剂床层温度不断升高至温度为450℃，将反应物料氢碘酸：碘化氢质量浓度为57％的碘化氢与水蒸气的混合气体通过反应物料进口通入U型换热反应管内，筒体内的加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生逆流式热交换，在温度为450℃，压力0.5MPa的条件下使氢碘酸分解，进行制氢反应。氢碘酸分解反应后的产物和换热后的加热介质分别通过反应产物出口和加热介质输出口流出U型管式换热反应器。
实施例4
采用本发明提供的氢碘酸分解制氢用反应器，其所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管制造材质选用耐腐蚀的Hastelloy X系列镍基合金；所述的筒体和纵向隔板制造材质选用奥氏体钢。氢碘酸分解制氢方法为，采用上述U型管式换热式反应器作为氢碘酸分解反应器，将负载型Pt-Ir-Ni催化剂放置于U型换热反应管内；通过加热介质输入口将加热介质：经太阳能加热的温度600℃，压力7MPa的氦气通入筒体内，使U型换热反应管内催化剂床层温度不断升高至温度为550℃，将反应物料氢碘酸：碘化氢质量浓度为90％的碘化氢与水蒸气的混合气体通过反应物料进口通入U型换热反应管内，筒体内的加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生顺流式热交换，在温度为550℃，压力0.6MPa的条件下使氢碘酸分解，进行制氢反应。氢碘酸分解反应后的产物和换热后的加热介质分别通过反应产物出口和加热介质输出口流出U型管式换热反应器。
实施例5
采用本发明提供的氢碘酸分解制氢用反应器，其所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管制造材质选用耐腐蚀的Hastelloy C-276镍基合金；所述的筒体和纵向隔板制造材质选用S31008不锈钢。氢碘酸分解制氢方法为，采用上述U型管式换热式反应器作为氢碘酸分解反应器，将活性炭负载型Pt-Ir-Ni-Ce催化剂放置于U型换热反应管内；通过加热介质输入口将加热介质：经高温气冷堆提供的温度600℃，压力7MPa的氦气通入筒体内，使U型换热反应管内催化剂床层温度不断升高至温度为550℃，将反应物料氢碘酸：碘化氢质量浓度为95％的碘化氢与水蒸气的混合气体通过反应物料进口通入U型换热反应管内，筒体内的加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生逆流式热交换，在温度为500℃，压力0.3MPa的条件下使氢碘酸分解，进行制氢反应。氢碘酸分解反应后的产物和换热后的加热介质分别通过反应产物出口和加热介质输出口流出U型管式换热反应器。
实施例6
采用本发明提供的氢碘酸分解制氢用反应器，其所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管制造材质选用耐腐蚀的碳化硅；所述的筒体和纵向隔板制造材质选用Hastelloy C-276镍基合金。氢碘酸分解制氢方法为，采用上述U型管式换热式反应器作为氢碘酸分解反应器，将氧化铝负载镍催化剂放置于U型换热反应管内；通过加热介质输入口将加热介质：经太阳能加热的温度530℃，压力0.2MPa的熔盐通入筒体内，使U型换热反应管内催化剂床层温度不断升高至温度为480℃，将反应物料氢碘酸：碘化氢气体通过反应物料进口通入U型换热反应管内，筒体内的加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生逆流式热交换，在温度为500℃，压力0.8MPa的条件下使氢碘酸分解，进行制氢反应。氢碘酸分解反应后的产物和换热后的加热介质分别通过反应产物出口和加热介质输出口流出U型管式换热反应器。
在上述各实施例中，由于氢碘酸分解制氢用U型管式换热式反应器只有一个管板，改变温度、压力、加热介质和反应物料等参数，均没有出现泄漏现象，表现出优良的密封性能。另外，相比于同样直径和高度的直管列管式换热反应器，U型管式设计增加了反应物料的流程，上述实施例中，换热效率高，温度控制稳定。

Claims (9)

1.一种氢碘酸分解制氢用反应器，其特征在于：所述反应器包括管箱(2)、筒体(3)和多根U型换热反应管(5)；管箱和筒体通过管板(6)连接；在所述的管箱内设有分程隔板(1)，管箱两侧设有反应物料进口(7)和反应产物出口(8)；所述的多根U型换热反应管设置在筒体内，且U型换热反应管与筒体内壁之间留有加热介质流道；所述U型换热反应管进口和出口分别通过管板与所述反应物料进口(7)和反应产物出口(8)连通；所述筒体的两侧分别设有加热介质输入口(9)和加热介质输出口(10)；在筒体中心的竖直平面上设有纵向隔板(4)；所述分程隔板(1)和所述纵向隔板(4)通过管板位于筒体中心的竖直平面上，且每根U型换热反应管反应物进口管段和产物出口管段关于纵向隔板呈对称布置。
2.根据权利要求1所述的一种氢碘酸分解制氢用反应器，其特征在于：所述的管箱(2)、分程隔板(1)、管板(6)和U型换热反应管(5)制造材质选用耐腐蚀的碳化硅或镍基合金；所述的筒体(3)和纵向隔板(4)制造材质选用马氏体钢、奥氏体钢或镍基合金。
3.根据权利要求2所述的一种氢碘酸分解制氢用反应器，其特征在于：所述的镍基合金选用Hastelloy B、Hastelloy C或Hastelloy X系列合金。
4.根据权利要求1所述的一种氢碘酸分解制氢用反应器，其特征在于：所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管制造材质采用Hastelloy C-276；所述的筒体和纵向隔板选用S31008不锈钢。
5.采用如权利要求1所述反应器的一种氢碘酸分解制氢方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将催化剂放置于U型换热反应管内；通过加热介质输入口(9)将加热介质通入筒体内，使U型换热反应管内催化剂床层温度不断升高至温度为400～600℃；
2)将反应物料氢碘酸通过反应物料进口(7)通入U型换热反应管(5)内，筒体内的加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生热交换，在温度为400～600℃，压力0.1～1MPa的条件下使氢碘酸分解，进行制氢反应；
3)氢碘酸分解反应后的产物和换热后的加热介质分别通过反应产物出口(8)和加热介质输出口(10)流出U型管式换热反应器。
6.根据权利要求5所述的一种氢碘酸分解制氢方法，其特征在于：所述的催化剂采用活性炭、负载型单金属、双金属或者多金属催化剂。
7.根据权利要求5所述的一种氢碘酸分解制氢方法，其特征在于，所述的加热介质采用温度为450～950℃，压力0.1～10MPa的高温氦气或高温熔盐；对氦气和熔盐加热的热源采用核能或太阳能。
8.根据权利要求5、6或7所述的一种氢碘酸分解制氢方法，其特征在于：所述加热介质和U型换热反应管内的反应物料发生热交换采用顺流或逆流方式。
9.根据权利要求5所述的一种氢碘酸分解制氢方法，其特征在于：所述的反应物料氢碘酸包括碘化氢气体或质量浓度不低于45％的碘化氢的水溶液，或碘化氢质量浓度不低于45％的碘化氢与水蒸气组成的混合气体。
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