CN110282600A - 一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置 - Google Patents

一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置 Download PDF

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Abstract

本申请一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置，包括脱氢罐体1、反应管2以及气体混合腔3，实际应用中，脱氢罐体1内填充有的氢气燃烧催化剂，反应管2内填充有脱氢催化剂；气体混合腔3向脱氢罐体1内通入空气与氢气的混合气体，并在氢气燃烧催化剂的作用下进行催化燃烧，在脱氢罐体1内释放热量；含氢有机液体通过反应管2的入口端21进入反应管2，通过脱氢催化剂和在脱氢罐体中吸收的热量作用，使含氢有机液体中的氢气与有机溶剂分离，并在出口端22排出。本申请提供的脱氢装置有效利用脱氢反应得到的氢气进行催化燃烧，以释放的热量替代电加热方式，提高能量转化和利用效率。

Description

一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置
技术领域
本申请涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置。
背景技术
有机液体储氢技术是借助某些烯烃、炔烃或芳香烃等存在不饱和碳-碳键的储氢溶剂，通过储氢溶剂与氢气发生可逆的“加氢/脱氢”反应，来实现氢气的储存和释放。有机液体储氢技术，可以通过液态溶剂的形式，将气态的氢能进行存储，以方便氢能运输存放等工艺，使得有机液体储氢技术可以应用在氢能发电系统中。
典型的氢能发电系统主要包括制氢单元、储氢单元、脱氢单元和发电单元。其中，制氢单元可以采用电解水产生氢气的技术，大量制得氢气；储氢单元采用有机液体，如苯环芳香烃来存储氢气；脱氢单元则是对存储氢气的有机液体进行加热催化，脱出有机液体中的氢气；发电单元则包括氢燃料电池或内燃机等电能转化设备，将氢气的化学能转化为电能。其中，储氢单元中的有机液体在存储氢气后，可以被称为含氢有机液体；脱氢单元中的有机液体在脱出氢气后，也称为脱氢氢油。
实际应用中，含氢有机液体的脱氢过程是需要吸收热量的，一般脱氢过程需要保持反应温度为180-240℃，因此需要脱氢单元中的脱氢反应器为脱氢过程提供热量供给。目前，脱氢反应器的热量供给可以采用电加热方式，电加热所使用的电能，由氢燃料电池发电提供。然而，脱氢过程中需要消耗大量的热量，进而需要大量的电能，而燃料电池总的转换效率多在40％～50％范围内，能量从氢气化学能转换为电能，再加热脱氢反应的过程，限制了储氢系统的能量效率，从而大大降低整个发电系统的能量效率。
发明内容
本申请提供了一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置，以解决传统脱氢单元能量转换效率低的问题。
本申请提供一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置，包括：脱氢罐体、反应管以及气体混合腔；
其中，所述脱氢罐体内填充有的氢气燃烧催化剂；所述反应管设置在所述脱氢罐体的内部，具有多重弯曲结构，以增加热量吸收；所述反应管内填充有脱氢催化剂；所述反应管还包括设置脱氢罐体外部的入口端和出口端，含氢有机液体通过入口端进入反应管，通过所述脱氢催化剂和在脱氢罐体中吸收的热量，使含氢有机液体中的氢气与有机溶剂分离，并在所述出口端排出；
所述气体混合腔连通所述脱氢罐体，以向所述脱氢罐体内通入空气与氢气的混合气体，并在所述氢气燃烧催化剂的作用下进行催化燃烧，释放热量。
可选的，所述脱氢罐体内的氢气燃烧催化剂填充为多层结构；所述反应管中的脱氢催化剂为球负载颗粒结构。
可选的，所述氢气燃烧催化剂为Al2O3球负载1％质量分数的金属催化剂颗粒；所述脱氢催化剂为金属催化剂。
可选的，所述脱氢罐体中还设有多个隔板，所述隔板为多孔板结构；所述隔板的边缘连接所述脱氢罐体的内壁，以将所述脱氢罐体划分为多个燃烧反应腔，均衡所述脱氢罐体内的混合气体分布。
可选的，所述隔板的边缘设有翻边结构，以通过所述翻边结构连接所述脱氢罐体的内壁；
或者，所述隔板与所述脱氢罐体之间为过盈配合，以使所述隔板的边缘连接所述脱氢罐体的内壁。
可选的，所述脱氢罐体上还设有排废口；所述排废口设置在远离所述气体混合腔一侧的所述脱氢罐体上，以使氢气和空气催化燃烧产生的水和废气从所述排废口排出。
可选的，所述脱氢罐体的外壁上包裹有保温层，以避免所述脱氢罐体内的热量流失。
可选的，所述气体混合腔上设有连通所述气体混合腔的空气入口和氢气入口；
所述反应管的出口端上设有气液分离器，所述气液分离器的气体出口设有连通所述氢气入口的支管路。
可选的，所述空气入口和氢气入口上均设有阀门和流量计，以控制通入脱氢罐体内的氢气与空气的混合比例。
由以上技术方案可知，本申请一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置，包括脱氢罐体、反应管以及气体混合腔，实际应用中，脱氢罐体内填充有的氢气燃烧催化剂，反应管内填充有脱氢催化剂；气体混合腔向脱氢罐体内通入空气与氢气的混合气体，并在氢气燃烧催化剂的作用下进行催化燃烧，在脱氢罐体内释放热量；含氢有机液体通过反应管的入口端进入反应管，通过脱氢催化剂和在脱氢罐体中吸收的热量作用，使含氢有机液体中的氢气与有机溶剂分离，并在出口端排出。本申请提供的脱氢装置有效利用脱氢反应得到的氢气进行催化燃烧，以释放的热量替代电加热方式，提高能量转化和利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置结构示意图；
图2为本申请另一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置结构示意图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
参见图1，为本申请一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置结构示意图。由图1可知，本申请提供的基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置，包括：脱氢罐体1、反应管2以及气体混合腔3。
其中，所述脱氢罐体1内填充有的氢气燃烧催化剂；所述反应管2设置在所述脱氢罐体1的内部，具有多重弯曲结构，以增加热量吸收；所述反应管2内填充有脱氢催化剂；所述反应管2还包括设置脱氢罐体1外部的入口端21和出口端22，含氢有机液体通过入口端21进入反应管2，通过所述脱氢催化剂和在脱氢罐体1中吸收的热量，使含氢有机液体中的氢气与有机溶剂分离，并在所述出口端22排出。所述气体混合腔3连通所述脱氢罐体1，以向所述脱氢罐体1内通入空气与氢气的混合气体，并在所述氢气燃烧催化剂的作用下进行催化燃烧，释放热量。
实际应用中，脱氢罐体1可采用金属材料制成的圆柱形罐体结构，以便于进行装配固定，以及利用金属材料的延展性维持反应平衡；反应管2可以为金属管，管径根据实际含氢有机液体供给量来设计。反应管2整体可以呈现为U形管结构，并且在U形管中部设有多重弯曲结构，以增大反应管2的吸热面积。
脱氢罐体1内的氢气燃烧催化剂可以对氢气和空气的混合气体进行催化反应作用，使氢气燃烧，释放热量。反应管2中的脱氢催化剂可以在接触含氢有机液体后，通过反应吸收热量促进反应管2中的氢气与有机溶液实现分离。为了实现更好的脱氢功能，所述脱氢罐体1内的氢气燃烧催化剂填充为多层结构；所述反应管2中的脱氢催化剂为球负载颗粒结构。多层结构的氢气燃烧催化剂，可以使通入的混合气体能够在脱氢罐体1内均匀分布，从而使脱氢罐体1内各个部位均有氢气发生催化燃烧反应，提供均衡的温度场，即有利于维持脱氢罐体内的温度在180-240℃范围内。
具体地，所述氢气燃烧催化剂为Al2O3球负载1％质量分数的金属催化剂颗粒；所述脱氢催化剂为金属催化剂。其中，Al2O3是指氧化铝为基质制成的球星结构，混合质量分数为1％的铂元素，从而促使氢气进行催化燃烧。金属催化剂可以为内置在脱氢罐体1中布置的金属钯，铂和钌等金属催化剂。
在本申请的部分实施例中，所述脱氢罐体1中还设有多个隔板4，所述隔板4为多孔板结构；所述隔板4的边缘连接所述脱氢罐体1的内壁，以将所述脱氢罐体1划分为多个燃烧反应腔，均衡所述脱氢罐体1内的混合气体分布。本实施例中，通过隔板4配合氢气燃烧催化剂的多层结构，可以使脱氢罐体1内被分隔为多个燃烧反应腔，这样的结构可以使通过气体混合腔3供入到脱氢罐体1内的气体可以充分接触到脱氢罐体1内各个位置处的催化剂，从而在催化剂周围发送反应，而产生均匀的热量。实际应用中，具体的隔板4的数量，应根据实际应用环境确定。
为了使隔板4能够安装在脱氢罐体1的内部，所述隔板4的边缘设有翻边结构，以通过所述翻边结构连接所述脱氢罐体1的内壁；或者，所述隔板4与所述脱氢罐体1之间为过盈配合，以使所述隔板4的边缘连接所述脱氢罐体1的内壁。
在本申请提供的部分实施例中，所述脱氢罐体1上还设有排废口5；所述排废口5设置在远离所述气体混合腔3一侧的所述脱氢罐体1上，以使氢气和空气催化燃烧产生的水和废气从所述排废口5排出。
以图1为例，位于脱氢罐体1左侧的气体混合腔3可以将空气与氢气的混合物通入脱氢罐体1内，并且在脱氢罐体1中依靠催化剂作用，发生反应，而产生热量。由于实施反应过程为氢气与氧气发生氧化反应，因此反应会不断生成水，生成的水需要从脱氢罐体1内排出，才能保证后续反应的进行。并且，空气中除氧气外的其他成分，如氮气，CO2等，不会与氢气发生反应，因此这部分气体即废气，也需要从脱氢罐体1中排出，从而能够供入新的混合气体。为了形成顺畅的气流，使反应过程趋于平稳，排废口5应当设置在远离气体混合腔3的一端，并且为了能够使可能液化的水蒸汽流出脱氢罐体1，还需要将排废口5设置在脱氢罐体1的底部位置上。
进一步地，所述脱氢罐体1的外壁上包裹有保温层，以避免所述脱氢罐体1内的热量流失。实际应用中，保温层可以采用隔热性能较好的材料制成，例如矿物棉材料、绝热涂层、绝热陶瓷材料等。本实施例中，保温层一方面能够阻止脱氢罐体1的罐壁散发热量，避免热量流失，维持脱氢罐体1内的温度；另一方面还能够通过保温作用，使脱氢罐体1中产生的水分呈现气态，从而避免产生的水限制反应管2周围的温度。
在本申请的部分实施例中,如图2所示，所述气体混合腔3上设有连通所述气体混合腔3的空气入口31和氢气入口32。即实际应用中，参与催化燃烧的氢气从氢气入口32进入到气体混合腔3中，同时空气通过空气入口31也进入到气体混合腔3中，氢气与空气在气体混合腔3中充分混合后，可以通过不断供入的气体，使混合气体进入到脱氢罐体1中。显然，为了便于确定混合气体中，氢气和空气的混合比例，所述空气入口31和氢气入口32上均设有阀门和流量计，通过阀门和流量计，可以控制通入脱氢罐体1内的氢气与空气的量，从而控制氢气与空气的混合比例。
实际应用中，氢气与空气以1/40的比例混合，通过催化剂作用可在脱氢罐体1中燃烧，从而在脱氢罐体1可获得约200℃的高温。若需要提高温度，提高混合燃烧前氢气的含量，例如，当氢气与空气以1/25的比例混合时，通过催化燃烧，可在脱氢罐体1中获得约280℃的高温。需要说明的是，为保证安全，气体混合腔3供入脱氢罐体1中的氢气体积浓度需控制在4.0％以下。
进一步地，所述反应管2的出口端22上设有气液分离器23，所述气液分离器23的气体出口设有连通所述氢气入口32的支管路。本实施例中，气液分离器23用于将氢气从脱氢氢油中分离出来，由于其主要作用是分离出氢气，因此可以通过目前市面上的任何类型的气液分离器所代替。例如，通过重力沉降、折流分离、离心力分离、丝网分离、超滤分离、填料分离等原理制成的气液分离器23。
一般情况下，气液分离器23可以包括液体出口和气体出口，其中，气体出口可以将分离的氢气导流至指定的容器或设备内，进行存储或者参与发电过程；液体出口可以将分离后的脱氢氢油进行回收，以循环利用。而为了向气体混合腔3中供入氢气，可以在气体出口处设置一个连通氢气入口32的支管，以使分离后的部分氢气可以参与催化燃烧过程。
由以上技术方案可知，本申请一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置，包括脱氢罐体1、反应管2以及气体混合腔3，实际应用中，脱氢罐体1内填充有的氢气燃烧催化剂，反应管2内填充有脱氢催化剂；气体混合腔3向脱氢罐体1内通入空气与氢气的混合气体，并在氢气燃烧催化剂的作用下进行催化燃烧，在脱氢罐体1内释放热量；含氢有机液体通过反应管2的入口端21进入反应管2，通过脱氢催化剂和在脱氢罐体中吸收的热量作用，使含氢有机液体中的氢气与有机溶剂分离，并在出口端22排出。本申请提供的脱氢装置有效利用脱氢反应得到的氢气进行催化燃烧，以释放的热量替代电加热方式，提高能量转化和利用效率。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置，其特征在于，包括：脱氢罐体(1)、反应管(2)以及气体混合腔(3)；
其中，所述脱氢罐体(1)内填充有的氢气燃烧催化剂；所述反应管(2)设置在所述脱氢罐体(1)的内部，具有多重弯曲结构，以增加热量吸收；所述反应管(2)内填充有脱氢催化剂；所述反应管(2)还包括设置脱氢罐体(1)外部的入口端(21)和出口端(22)，含氢有机液体通过入口端(21)进入反应管(2)，通过所述脱氢催化剂和在脱氢罐体(1)中吸收的热量，使含氢有机液体中的氢气与有机溶剂分离，并在所述出口端(22)排出；
所述气体混合腔(3)连通所述脱氢罐体(1)，以向所述脱氢罐体(1)内通入空气与氢气的混合气体，并在所述氢气燃烧催化剂的作用下进行催化燃烧，释放热量。
2.根据权利要求1所述的脱氢装置，其特征在于，所述脱氢罐体(1)内的氢气燃烧催化剂填充为多层结构；所述反应管(2)中的脱氢催化剂为球负载颗粒结构。
3.根据权利要求2所述的脱氢装置，其特征在于，所述氢气燃烧催化剂为Al2O3球负载1％质量分数的金属催化剂颗粒；所述脱氢催化剂为金属催化剂。
4.根据权利要求1所述的脱氢装置，其特征在于，所述脱氢罐体(1)中还设有多个隔板(4)，所述隔板(4)为多孔板结构；所述隔板(4)的边缘连接所述脱氢罐体(1)的内壁，以将所述脱氢罐体(1)划分为多个燃烧反应腔，均衡所述脱氢罐体(1)内的混合气体分布。
5.根据权利要求4所述的脱氢装置，其特征在于，所述隔板(4)的边缘设有翻边结构，以通过所述翻边结构连接所述脱氢罐体(1)的内壁；
或者，所述隔板(4)与所述脱氢罐体(1)之间为过盈配合，以使所述隔板(4)的边缘连接所述脱氢罐体(1)的内壁。
6.根据权利要求1所述的脱氢装置，其特征在于，所述脱氢罐体(1)上还设有排废口(5)；所述排废口(5)设置在远离所述气体混合腔(3)一侧的所述脱氢罐体(1)上，以使氢气和空气催化燃烧产生的水和废气从所述排废口(5)排出。
7.根据权利要求1所述的脱氢装置，其特征在于，所述脱氢罐体(1)的外壁上包裹有保温层，以避免所述脱氢罐体(1)内的热量流失。
8.根据权利要求1所述的脱氢装置，其特征在于，所述气体混合腔(3)上设有连通所述气体混合腔(3)的空气入口(31)和氢气入口(32)；
所述反应管(2)的出口端(22)上设有气液分离器(23)，所述气液分离器(23)的气体出口设有连通所述氢气入口(32)的支管路。
9.根据权利要求8所述的脱氢装置，其特征在于，所述空气入口(31)和氢气入口(32)上均设有阀门和流量计，以控制通入脱氢罐体(1)内的氢气与空气的混合比例。
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