CN110553275A - 一种用于密闭体系的消氢器及消氢方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于密闭体系的不依赖空气消氢器，包括筒体以及上封头和下封头，所述的上封头上连接有氢气进气管路，上封头内设置有多孔泡沫金属气体均布器，所述的下封头上设置有尾气排气管路，所述的筒体内设置有载氧体反应床和蛇形移热管，所述的载氧体反应床为活性载氧体填充的固定床，所述的筒体外设有电加热套，还公开了消氢的方法：消氢过程中，氢气进入载氧体反应床进行化学链燃烧氧化反应，反应所需的氧由活性载氧体提供，不需要依赖外部提供空气；并且反应过程无火焰产生，不与空气等助燃剂直接接触，使用安全性高。因此该不依赖空气消氢器非常适用于无法获取外部空气的密闭体系中尾氢的消除。

Description

一种用于密闭体系的消氢器及消氢方法
技术领域
本发明属于消氢技术领域，特别是涉及一种用于密闭体系的不依赖空气消氢器，以及其消氢方法。
背景技术
氢气为易燃易爆气体，在空气中的爆炸范围为4%～75%，与空气混合遇热、明火或电火花会发生爆炸。对于潜艇等水下潜航器，其携带的铅酸蓄电池、电解水制氧装置以及核动力装置中水的辐照分解都会产生氢气，氢气可能在这些密闭或者有限空间中发生泄露并不断积累，当其在空气中的浓度达到4%左右时，极易引发爆炸危险。因此，为了保证潜艇等潜航器安全，必须将产生的氢气在低浓度时予以消除。如何消除密闭或者有限空间中的氢气，有效控制所处环境中氢气的浓度在爆炸极限以下，防止发生爆炸事故具有重要意义。
对于潜艇等水下潜航器密闭或者有限空间来说，目前常用的消氢技术都有使用局限以及安全隐患。例如，常用的热消氢技术是利用电加热或者电火花把氢氧反应气体加热至足够高的温度发生化合反应的消氢技术，消氢过程需要通过风机引入大量的空气，同时反应过程伴随着高温以及产生明火爆鸣声；而常用的催化消氢是利用氢气与氧气在催化剂作用下常温进行复合生成水而消除氢气，工作时由风机抽取含氢空气送入催化床中，使氢氧发生反应。这两种消氢技术都需要引入大量空气发生反应，甚至反应过程有明火产生，这些都不适用于密闭或者有限空间中消氢。
针对目前消氢器应用于密闭或者有限空间存在的问题，解决的关键在于如何实现消氢器在不依赖空气的前提下将氢气完全消除，且消氢过程无明火产生，使用安全性高。
发明内容
本发明的目的是为了解决密闭或者有限空间的消氢过程存在的空气等助燃剂不足以及使用安全性等问题，提供了一种用于密闭体系的不依赖空气消氢器和其消氢方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于密闭体系的消氢器，包括筒体以及设于筒体两端的上封头和下封头，所述的上封头上连接有氢气进气管路，上封头内设置有多孔泡沫金属气体均布器，以实现氢气均匀进入反应床中进行彻底消除，所述的下封头上设置有尾气排气管路，所述的筒体内设置有载氧体反应床和蛇形移热管，用于带走反应产生的热量，保证载氧体反应床处于最适反应温度，所述的载氧体反应床为活性载氧体填充的固定床，所述的筒体外设有电加热套，通过加热使反应床的温度达到最适反应温度。
所述的一种用于密闭体系的消氢器，其活性载氧体为Ni基、Co基、Cu基、Fe基或者其混合型的圆柱体/球形颗粒。优选为圆柱状Cu基活性载氧体，平均尺寸为Ф5.02×2.45，主要成分为40wt% CuO、43wt% ZnO、17wt% Al2O3。
所述的一种用于密闭体系的消氢器，其多孔泡沫金属气体均布器为孔隙率大于90%的泡沫镍、泡沫钛或泡沫不锈钢，孔径小于活性载氧体直径。
一种使用消氢器进行消氢的方法，步骤为：选用圆柱状Cu基活性载氧体填充载氧体反应床，通过电加热套将载氧体反应床加热至275℃，将待消除的尾氢以0.1SL/min流量从氢气进气管路流入载氧体反应床，由活性载氧体提供氧与氢气进行化学链燃烧氧化反应，通过尾气排气管路将反应产生的尾气排出，除湿后通入色谱仪中进行分析，每隔5min进行尾气采样分析，看是否有氢气溢出，若消氢反应进行的前60min，尾气中未检测到有氢气溢出，说明在不依赖空气时消除率可达100%。
进一步，完成消氢后，设定氧化再生温度为230℃，分别通入0.1～2SL/min的氧气对消氢还原后的活性载氧体进行氧化再生，14～134min后活性载氧体完成再生，消氢器重复投入使用。
本发明的有益效果是：本发明提供的用于密闭体系的不依赖空气消氢器，在消氢过程中，氢气进入载氧体反应床进行化学链燃烧氧化反应，反应所需的氧由活性载氧体提供，不需要依赖外部提供空气；并且反应过程无火焰产生，不与空气等助燃剂直接接触，使用安全性高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明在275℃反应温度下氢气的溢出率随消氢时间的变化曲线。
图3是本发明消氢器氧化再生的曲线图。
各附图标记为：1—上封头，2—筒体，3—下封头，4—电加热套，5—氢气进气管路，6—尾气排气管路，7—多孔泡沫金属气体均布器，8—载氧体反应床，9—蛇形移热管，10—活性载氧体。
具体实施方式
化学链燃烧是一种很有前景的燃烧方式，能够将传统燃烧过程解耦成多个过程。氢气的化学链燃烧是无火焰燃烧，可以将氢气与空气（或者氧气）直接接触反应转变为借助活性载氧体将反应解耦成两个反应过程，即氢气不与空气（或者氧气）直接接触，借助载氧体，氢气与载氧体中的氧结合生成水，载氧体还原成金属；因此，对于密闭或者有限空间的消氢，采用化学链燃烧技术中载氧体可实现不依赖空气完全消除氢气，且消除过程中无明火产生，使用安全高效。
下面结合本发明实施例附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
如图1所示，本发明的一种用于密闭体系的不依赖空气消氢器，该消氢器为管式反应器，至少包括上封头1、筒体2、下封头3、电加热套4，其中两个封头上分别设有氢气进气管路5和尾气排气管路6。氢气从上封头1的氢气进气管路5流入，经过封头内的多孔泡沫金属气体均布器7，实现氢气均匀进入载氧体反应床8中；载氧体反应床8为活性载氧体10填充的固定床，筒体2的外周设有电加热套4，通过加热使反应床的温度达到最适反应温度，此时氢气与活性载氧体10氧化反应而消除，反应释放的热量经蛇形移热管9带走，保证反应床处于最适反应温度，氢与载氧体的氧结合生成的水蒸气经尾气排气管路6排出。消氢反应完成后，还原的活性载氧体10化再生后重复使用。
图2是本发明的不依赖空气消氢器在275℃反应温度下氢气的溢出率随消氢时间的变化曲线。载氧体反应床8填充的是圆柱状Cu基活性载氧体10，氧体的主要成分为40wt%CuO、43wt% ZnO、17wt% Al2O3，平均尺寸为Ф5.02×2.45，装填量为130ml。
所述的多孔泡沫金属气体均布器7为孔隙率大于90%的泡沫镍、泡沫钛或泡沫不锈钢，孔径小于活性载氧体10直径。多孔泡沫金属气体均布器7主要有两个作用：气体均布以实现氢气均匀进入反应床中进行彻底消除；托住活性载氧体10颗粒，避免颗粒随气流飞出。
消氢过程中，首先通过电加热套4程序升温将载氧体反应床8加热至275℃，Cu基活性载氧体在此温度下具有较好的还原活性，达到最适反应温度后，尾氢以0.1SL/min流量从氢气进气管路5流入载氧体反应床8进行反应，反应产生的尾气经排气管路6排出，除湿后通入色谱仪中进行分析。每隔5min进行尾气采样分析，看是否有氢气溢出。从图可以看出，消氢反应进行的前60min，尾气中未检测到有氢气溢出，说明在活性载氧体存在的情况下，不需要依赖空气也能将氢气消除，并且消除率可达100%。
图3是本发明消氢器氧化再生的曲线图。当氧化再生温度为230℃时，分别通入0.1SL/min和2SL/min的氧气对消氢还原后的载氧体进行氧化再生，从图可以看出，其再生时间分别为134min和14min。通过对活性载氧体进行彻底再生，消氢器可以重复投入使用，节约设备投入成本。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于密闭体系的消氢器，其特征在于：包括筒体（2）以及设于筒体（2）两端的上封头（1）和下封头（3），所述的上封头（1）上连接有氢气进气管路（5），上封头（1）内设置有多孔泡沫金属气体均布器（7），所述的下封头（3）上设置有尾气排气管路（6），所述的筒体（2）内设置有载氧体反应床（8）和蛇形移热管（9），所述的载氧体反应床（8）为活性载氧体（10）填充的固定床，所述的筒体（2）外设有电加热套（4）。
2.根据权利要求1所述的一种用于密闭体系的消氢器，其特征在于，所述的活性载氧体（10）为Ni基、Co基、Cu基、Fe基或者其混合型的圆柱体/球形颗粒。
3.根据权利要求2所述的一种用于密闭体系的消氢器，其特征在于，所述的活性载氧体（10）为圆柱状Cu基活性载氧体。
4.根据权利要求3所述的一种用于密闭体系的消氢器，其特征在于，所述的活性载氧体（10）平均尺寸为Ф5.02×2.45，主要成分为40wt% CuO、43wt% ZnO、17wt% Al2O3。
5.根据权利要求1所述的一种用于密闭体系的消氢器，其特征在于，所述的多孔泡沫金属气体均布器（7）为孔隙率大于90%的泡沫镍、泡沫钛或泡沫不锈钢，孔径小于活性载氧体（10）直径。
6.一种使用权利要求1所述消氢器进行消氢的方法，其特征在于，步骤为：选用圆柱状Cu基活性载氧体（10）填充载氧体反应床（8），通过电加热套（4）将载氧体反应床（8）加热至275℃，将待消除的尾氢以0.1SL/min流量从氢气进气管路（5）流入载氧体反应床（8），由活性载氧体（10）提供氧与氢气进行化学链燃烧氧化反应，通过尾气排气管路（6）将反应产生的尾气排出，除湿后通入色谱仪中进行分析，每隔5min进行尾气采样分析，看是否有氢气溢出，若消氢反应进行的前60min，尾气中未检测到有氢气溢出，说明在不依赖空气时消除率可达100%。
7.根据权利要求6所述的消氢方法，其特征在于，完成消氢后，设定氧化再生温度为230℃，分别通入0.1～2SL/min的氧气对消氢还原后的活性载氧体（10）进行氧化再生，14～134min后活性载氧体（10）完成再生，消氢器重复投入使用。
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