CN110342461A - 一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统及其启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统及其启动方法。反应器系统包括甲酸储存容器、甲酸输送泵、换热器、裂解反应器、氢气分离装置、氢气储存容器，裂解反应器内设有氢气燃烧室；反应器系统首次启动时利用电加热棒将反应器本体内的催化剂加热至合适的温度，后续启动时，则利用存储在氢气储存容器内的氢气在氢气燃烧室内的燃烧来将裂解反应器内的催化剂加热至合适的温度。本发明所提供的反应器系统及其启动方法，可减少制氢过程中对矿石燃料及电能的消耗，使制氢过程更加环保、高效。

Description

一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统及其启动方法
技术领域
本发明涉及氢气制备技术领域，具体涉及一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统及其启动方法。
背景技术
人类社会日益增长的能源需求和化石能源的快速消耗导致的能源危机和环境问题促使人们去寻找新型的可再生能源。而氢气以其高热值，燃烧产物为无污染的水等特点，逐渐受到了人们的关注，特别是以氢燃料电池为主的供能方案是未来社会取代化石燃料，实现可持续发展的方向。但是，氢气的主要缺点是密度低，常规的高压和液化方法对设备要求高，耗能较高，同时在输运过程中存在着成本和安全性问题。因此有效的储存方案是实现未来氢能经济发展的关键因素。
化学储氢是通过共价键的形式把氢原子固定在固态或者液态的化合物载体中，其中氢的释放是由载体的热分解或催化分解触发的。常见的化学载体是甲酸分子(HCOOH)。甲酸在常温常压下是一种无色、有刺激性气味的液体，在催化剂的存在下，可以分解为氢气和二氧化碳。其液体性质和低毒性使得甲酸在作为化学氢载体方面备受关注，科学家开发了多种催化剂以提高甲酸的催化分解效率，从而使其成为高效的氢能源储存和释放载体。
目前，制氢方法主要有两种：一、绝大部分氢是从石油、煤炭和天然气中制取，这种方法需要消耗本来就很紧缺的矿物燃料；二、约有4％的氢是用电解水的方法制取，这种方法消耗电能大，很不划算。随着技术的进步，采用甲酸制氢的技术渐渐得到发展，其能减少化工生产中的能耗和降低成本，并有望替代电能消耗特别大的电解水制氢工艺。
为此，本发明基于催化甲酸裂解来制取H2与CO2的混合气体的方法，设计了一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，并优化了其启动方法，以使制氢反应更加高效，减少制氢过程中的能源浪费和消耗，使制氢过程更加节能、环保。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统及其启动方法，以提高制氢反应的效率，减少反应的能耗。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，该系统包括甲酸储存容器、甲酸输送泵、换热器、裂解反应器、氢气分离装置、氢气储存容器；
所述裂解反应器包括反应器本体和出气口，所述反应器本体用于容纳裂解反应所需要的液态催化剂；所述出气口用于将裂解反应制取的混合气体输出；
所述换热器设置于甲酸输送泵与裂解反应器之间，在所述换热器中低温的甲酸与所述裂解反应器输出的高温混合气体进行换热，使甲酸温度升高，混合气体温度降低；降温后的混合气体进入氢气分离装置，分离得到的氢气储存在氢气储存容器中。
进一步地，所述换热器设有甲酸进口、甲酸出口、气体入口和气体出口，甲酸输送泵将甲酸从甲酸储存容器中泵入甲酸进口，高温的混合气体从裂解反应器的出气口排出后，通过气体入口进入换热器，与甲酸进行热交换后，降温后的混合气体从气体出口流出换热器，进入氢气分离装置，升温后的甲酸从甲酸出口流出换热器。
进一步地，所述反应器本体上还设置有探温口、液位探测器、电加热棒、泄压阀、尾气回收口。
进一步地，所述反应器本体内还设有氢气燃烧室，用于燃烧尾气回收口回收的废气。
进一步地，所述氢气分离装置为钯膜管；所述氢气分离装置上设置有第一废气回收装置，用于回收氢气分离装置产生的废气，并将废气输送至反应器本体上的尾气回收口。
进一步地，所述换热器的甲酸出口与裂解反应器之间的管道上设置有单向阀。
进一步地，所述氢气储存容器可以通过管路将氢气输送至反应器本体内的氢气燃烧室。
进一步地，所述氢气储存容器可以通过管路将氢气输送至反应器系统外部的燃烧装置。
进一步地，所述燃烧装置上设置有第二废气回收装置，用于回收燃烧氢气产生的废气，并将废气输送至反应器本体上的尾气回收口。
一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统的启动方法，该反应器系统的启动方法具体如下：
首次启动时，通过所述电加热棒，将所述反应器系统升温至额定温度，然后通过所述输送泵，定量地将甲酸从所述甲酸储存容器经过输送至所述反应器本体内，甲酸在一定温度及压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲酸裂解反应，生成氢气和二氧化碳；
后续启动时，将设备上次运行后存储在气体存储容器的氢气，输送至反应器本体内的氢气燃烧室进行燃烧，以生成热量，对反应器本体内的催化剂加热，将所述反应器系统升温至额定温度，然后通过所述输送泵，定量地将甲酸从所述甲酸储存容器经过输送至所述反应器本体内，甲酸在一定温度及压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲酸裂解反应，生成氢气和二氧化碳。
本发明的有益效果在于：
1)本发明基于甲酸裂解制取氢气，与传统的方法相比，节省了矿物燃料减少了电能的消耗大；
2)本发明的反应器系统将氢气分离及使用过程中产生的废气引入反应器本体内的氢气燃烧室燃烧，进一步降低的反应器系统的能耗；
3)本发明的反应器系统在首次启动之后，可以将储存的氢气引入反应器本体内的氢气燃烧室燃烧来启动催化反应，这可以进一步减少反应器系统的电能消耗。
附图说明
图1为本发明实施例中反应器系统的部件及管道布局示意图。
图中：1-甲酸储存容器；2-甲酸输送泵；3-换热器；4-单向阀；5-裂解反应器；6-氢气燃烧室；7-氢气分离装置；8-氢气储存容器；9-第一废气回收装置；10-燃烧装置；11-第二废气回收装置。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，该系统包括甲酸储存容器1、甲酸输送泵2、换热器3、裂解反应器5、氢气分离装置7、氢气储存容器8；
所述裂解反应器4包括反应器本体和出气口，所述反应器本体用于容纳裂解反应所需要的液态催化剂；所述出气口用于将裂解反应制取的混合气体输出；反应器本体上还设置有探温口、液位探测器、电加热棒、泄压阀、尾气回收口。所述反应器本体内还设有氢气燃烧室6，用于燃烧尾气回收口回收的废气，燃烧产生的热量可以用于加热催化剂溶液，以达到理想的反应温度。
反应器本体上的电加热棒浸入催化剂溶液中，为裂解反应器提供热能以达到理想反应温度；探温口监测所述反应器本体内部温度，使内部催化剂工作在理想工作温度；液位探测器监测内部催化剂的液位高度，避免所述反应器本体干烧或者液体溢出；泄压阀可以防止所述反应器本体内部压力过高。
所述换热器3设置于甲酸输送泵与裂解反应器之间，所述换热器设有甲酸进口、甲酸出口、气体入口和气体出口，甲酸输送泵2将甲酸从甲酸储存容器1中泵入甲酸进口，高温的混合气体从裂解反应器的出气口排出后，通过气体入口进入换热器，与甲酸进行热交换后，降温后的混合气体从气体出口流出换热器3，进入氢气分离装置，升温后的甲酸从甲酸出口流出换热器3。所述换热器3的甲酸出口与裂解反应器之间的管道上设置有单向阀4，以防止所述反应器本体内部的高压气体反向流向所述甲酸储存容器2，造成甲酸喷溅。
氢气分离装置7为钯膜管；所述氢气分离装置7上设置有第一废气回收装置9，用于回收氢气分离装置产生的废气，并将废气输送至反应器本体上的尾气回收口。
另外，氢气储存容器8可以通过管路将氢气输送至反应器系统外部的燃烧装置10；所述燃烧装置10上设置有第二废气回收装置11，用于回收燃烧氢气产生的废气，并将废气输送至反应器本体上的尾气回收口。所述氢气储存容器8可以通过管路将氢气输送至反应器本体内的氢气燃烧室，燃烧产生的热量可以用于加热催化剂溶液，以达到理想的反应温度。
反应系统工作原理及启动方法如下：
所述反应器系统具有压力，温度，液位等保护措施，确保系统的安全稳定运行，首次启动时，通过所述电加热棒，将所述反应器系统升温至额定温度，然后通过甲酸输送泵，定量地将甲酸从所述甲酸储存容器经过输送至所述反应器本体内，甲酸在10-90℃温度下在标准大气压或不大于100个大气压的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲酸裂解反应，生成氢气和二氧化碳。反应方程如下：HCOOH→CO2+H2。生成的高温混合气体经过换热器换热后，进入钯膜管，利用钯膜的渗透性，分离反应器中生成的二氧化碳和氢气，以得到高浓度氢气。由于，钯膜管产生的废气中仍含有一定的氢气，通过第一废气回收装置将废气回收，并输送到反应器本体内的氢气燃烧室内，进行燃烧，燃烧产生的热量可以用于加热催化剂溶液。
纯化后的氢气被储存在氢气储存容器中，储存的氢气可以通过管道输送至反应器系统外的燃烧器内，氢气在其中燃烧产生热量，燃烧产生的尾气中含有少量氢气，通过第二废气回收装置将废气回收，并输送到反应器本体内的氢气燃烧室内，进行燃烧，燃烧产生的热量可以用于加热催化剂溶液。
同时所述氢气储存容器可以通过管路将氢气输送至反应器本体内的氢气燃烧室。反应器系统后续启动时，则可以将设备上次运行后存储在气体存储容器的氢气，输送至反应器本体内的氢气燃烧室进行燃烧，以生成热量，对反应器本体内的催化剂加热，这样可以大大节省电力资源。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，其特征在于，该系统包括甲酸储存容器、甲酸输送泵、换热器、裂解反应器、氢气分离装置、氢气储存容器；
所述裂解反应器包括反应器本体和出气口，所述反应器本体用于容纳裂解反应所需要的液态催化剂；所述出气口用于将裂解反应制取的混合气体输出；
所述换热器设置于甲酸输送泵与裂解反应器之间，在所述换热器中低温的甲酸与所述裂解反应器输出的高温混合气体进行换热，使甲酸温度升高，混合气体温度降低；降温后的混合气体进入氢气分离装置，分离得到的氢气储存在氢气储存容器中。
2.一种如权利要求1所述的基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，其特征在于，所述换热器设有甲酸进口、甲酸出口、气体入口和气体出口，甲酸输送泵将甲酸从甲酸储存容器中泵入甲酸进口，高温的混合气体从裂解反应器的出气口排出后，通过气体入口进入换热器，与甲酸进行热交换后，降温后的混合气体从气体出口流出换热器，进入氢气分离装置，升温后的甲酸从甲酸出口流出换热器。
3.一种如权利要求1所述的基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，其特征在于，所述反应器本体上还设置有探温口、液位探测器、电加热棒、泄压阀、尾气回收口。
4.一种如权利要求3所述的基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，其特征在于，所述反应器本体内还设有氢气燃烧室，用于燃烧尾气回收口回收的废气。
5.一种如权利要求4所述的基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，其特征在于，所述氢气分离装置为钯膜管；所述氢气分离装置上设置有第一废气回收装置，用于回收氢气分离装置产生的废气，并将废气输送至反应器本体上的尾气回收口。
6.一种如权利要求2所述的基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，其特征在于，所述换热器的甲酸出口与裂解反应器之间的管道上设置有单向阀。
7.一种如权利要求4所述的基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，其特征在于，所述氢气储存容器可以通过管路将氢气输送至反应器本体内的氢气燃烧室。
8.一种如权利要求4所述的基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，其特征在于，所述氢气储存容器可以通过管路将氢气输送至反应器系统外部的燃烧装置。
9.一种如权利要求8所述的基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统，其特征在于，所述燃烧装置上设置有第二废气回收装置，用于回收燃烧氢气产生的废气，并将废气输送至反应器本体上的尾气回收口。
10.一种如权利要求9所述的基于甲酸裂解制取氢气的反应器系统的启动方法，其特征在于，该反应器系统的启动方法具体如下：
首次启动时，通过所述电加热棒，将所述反应器系统升温至额定温度，然后通过所述输送泵，定量地将甲酸从所述甲酸储存容器经过输送至所述反应器本体内，甲酸在一定温度及压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲酸裂解反应，生成氢气和二氧化碳；
后续启动时，将设备上次运行后存储在气体存储容器的氢气，输送至反应器本体内的氢气燃烧室进行燃烧，以生成热量，对反应器本体内的催化剂加热，将所述反应器系统升温至额定温度，然后通过所述输送泵，定量地将甲酸从所述甲酸储存容器经过输送至所述反应器本体内，甲酸在一定温度及压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲酸裂解反应，生成氢气和二氧化碳。
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