CN110817792B - 用于制备氢气的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制备氢气的装置及方法，所述装置包括：第一反应单元(1)，包括第一端(A)和第二端(B)，所述第一反应单元(1)内设置有多个载热颗粒(2)；加热单元，设置为加热所述多个载热颗粒(2)；连接至所述第一端(A)的第一输送管道(41)和第三输送管道(43)；以及连接至所述第二端(B)的第二输送管道(42)和第四输送管道(44)；其中，所述第一输送管道(41)设置为送入多个金属氧化物颗粒，所述第二输送管道(42)设置为送入甲烷气体，所述第三输送管道(43)设置为排出反应后包含有氢气的混合气体，所述第四输送管道(44)设置为排出反应后的液态金属。

Description

用于制备氢气的装置及方法
技术领域
本发明的实施例涉及气体制备领域，特别涉及一种用于制备氢气的装置及方法。
背景技术
氢气作为一种工业原料和清洁燃料，在化工、冶金、电子、医药、食品、航天、能源等诸多领域都具有广泛的应用需求，因此开发用于制备氢气的装置和方法具有重要意义。
目前，在工业上，氢气主要通过水电解法和以煤、石油、天然气为原料制取，然而，不论采用哪种制氢方法，都需要消耗大量的电能或热能，其中需要大量的化石燃料供热，一方面浪费能源，另一方面燃料燃烧会造成环境污染。另外，制氢过程可能包括复杂的提取分离步骤，这会导致增加装置的复杂度和提高制氢成本。
因此，有必要研究一种能够节约能源、节省成本、结构简单、环保的制氢装置及方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于制备氢气的装置及方法，以解决上述技术问题中的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提出一种用于制备氢气的装置，包括：第一反应单元，包括第一端和第二端，所述第一反应单元内设置有多个载热颗粒；加热单元，设置为加热所述多个载热颗粒；连接至所述第一端的第一输送管道和第三输送管道；以及连接至所述第二端的第二输送管道和第四输送管道；其中，所述第一输送管道设置为送入多个金属氧化物颗粒，所述第二输送管道设置为送入甲烷气体，所述第三输送管道设置为排出反应后包含有氢气的混合气体，所述第四输送管道设置为排出反应后的液态金属。
根据一些实施方式，所述装置还包括第二反应单元，所述第二反应单元与所述第一输送管道和所述第四输送管道连接，所述液态金属在所述第二反应单元内发生反应生成金属氧化物和氢气，所述金属氧化物经处理后得到所述金属氧化物颗粒。
根据一些实施方式，所述液态金属在所述第二反应单元内与水发生反应。
根据一些实施方式，所述装置还包括第一分离单元和第五输送管道，所述第一分离单元与所述第三输送管道连接，并设置为从所述混合气体中分离出未反应的甲烷气体，所述未反应的甲烷气体经所述第五输送管道送入所述第一反应单元。
根据一些实施方式，所述装置还包括设于所述第二端的第二分离单元，用于分离出纯净的液态金属。
根据一些实施方式，所述金属氧化物颗粒的尺寸小于所述多个载热颗粒之间的间隙尺寸。
根据一些实施方式，所述加热单元包括聚光单元，设置为将太阳光聚焦到所述第一反应单元以加热所述多个载热颗粒。
根据一些实施方式，所述多个载热颗粒被加热至1000K～1200K。
根据一些实施方式，所述液态金属相对于所述载热颗粒表面的浸润角大于预设值。
根据本发明的另一方面，提出一种用于制备氢气的方法，包括：对第一反应单元内的多个载热颗粒进行加热；当加热到预设温度后，从所述第一反应单元的两端分别送入多个金属氧化物颗粒和甲烷气体，使得两者在所述第一反应单元内发生反应；以及排出反应后包含有氢气的混合气体和液态金属。
根据一些实施方式，所述方法还包括：将所述液态金属输送至第二反应单元内发生反应生成金属氧化物和氢气，所述金属氧化物经处理后得到所述金属氧化物颗粒；以及将得到的所述金属氧化物颗粒送入所述第一反应单元。
根据一些实施方式，使得所述液态金属在所述第二反应单元内与水发生反应。
根据一些实施方式，所述方法还包括：利用第一分离单元对所述混合气体进行分离，并将分离出的未反应的甲烷气体送入所述第一反应单元。
根据一些实施方式，所述方法还包括：利用第二分离单元分离出纯净的液态金属。
根据一些实施方式，使得所述金属氧化物颗粒能够顺利通过所述多个载热颗粒之间的间隙。
根据一些实施方式，对所述多个载热颗粒进行加热包括：将太阳光聚焦到第一反应单元以加热其内的多个载热颗粒。
根据一些实施方式，所述预设温度为1000K～1200K。
根据一些实施方式，使得所述液态金属相对于所述载热颗粒表面的浸润角大于预设值。
在根据本发明的实施例的用于制备氢气的装置中，通过设置加热单元对多个载热颗粒进行加热，可以为第一反应单元内的反应提供热量，所述多个载热颗粒用作储能载体。并且，金属氧化物颗粒与甲烷气体在多个载热颗粒的间隙内流动，能够与载热颗粒充分接触，增大换热面积，从而提高反应效率。同时，金属氧化物颗粒反应后被分解或还原为液态金属，所述液态金属可以沿载热颗粒的间隙自由流出，无需采用复杂的提取分离设备，使得装置结构简单。此外，以金属氧化物颗粒作为氧化剂，可以避免传统工艺采用纯氧而导致的成本问题和安全问题。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于制备氢气的装置的示意图；
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于制备氢气的方法的流程图；以及
图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于制备氢气的方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。
在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于制备氢气的装置100的示意图。如图1所示，装置100包括：第一反应单元1，包括第一端A和第二端B，第一反应单元1内设置有多个载热颗粒2；加热单元，设置为加热多个载热颗粒2；连接至第一端A的第一输送管道41和第三输送管道43；以及连接至第二端B的第二输送管道42和第四输送管道44；其中，第一输送管道41设置为送入多个金属氧化物颗粒，第二输送管道42设置为送入甲烷(CH4)气体，第三输送管道43设置为排出反应后包含有氢气(H2)的混合气体，第四输送管道44设置为排出反应后的液态金属。
在根据本发明的实施例的用于制备氢气的装置100中，通过设置加热单元对多个载热颗粒2进行加热，可以为第一反应单元1内的反应提供热量，所述多个载热颗粒2用作储能载体。并且，金属氧化物颗粒与甲烷气体在多个载热颗粒2的间隙内流动，能够与载热颗粒2充分接触，增大换热面积，从而提高反应效率。同时，金属氧化物颗粒反应后被分解或还原为液态金属，所述液态金属可以沿载热颗粒2的间隙自由流出，无需采用复杂的提取分离设备，使得装置结构简单。此外，以金属氧化物颗粒作为氧化剂，可以避免传统工艺采用纯氧而导致的成本问题和安全问题。
第一输送管道41和第二输送管道42作为原料输入管道，可以分别用于源源不断地将多个金属氧化物颗粒和甲烷气体送入第一反应单元1内。第三输送管道43和第四输送管道44作为反应产物输出管道，可以分别用于将反应后包含有氢气的混合气体和反应后的液态金属及时排出。由此，原料不断进入，反应产物及时排出，同时聚光单元3保持对第一反应单元1进行聚光照射以对多个载热颗粒2进行加热，使得第一反应单元1内的反应能够持续进行。第一输送管道41可以连接到储存有大量金属氧化物颗粒的第一储存单元，第二输送管道42可以连接到储存有大量甲烷气体的第二储存单元。排出的包含有氢气的混合气体可以经过分离得到氢气以用于各种用途，排出的液态金属可以另行处理或利用。第一端A可以为第一反应单元1的上端，第二端B可以为第一反应单元1的下端，所述多个金属氧化物颗粒和所述液态金属可以在重力作用下向所述下端自由流动。
所述加热单元可以包括聚光单元3，设置为将太阳光聚焦到第一反应单元1以加热多个载热颗粒2。聚光单元3可以自动跟踪太阳位置，并将太阳光聚焦到第一反应单元1。第一反应单元1可以设置大面积透光窗口，太阳光可以通过所述透光窗口照射第一反应单元1内的多个载热颗粒2，所述透光窗口可以采用耐高温、耐高压、透光性良好的石英玻璃制作。通过设置聚光单元3将太阳光聚焦到第一反应单元1以加热多个载热颗粒2，从而能够利用清洁的太阳能作为外部能源为反应提供热能，无需消耗化石燃料，节能、环保。
所述加热单元也可以是任何其他适于对多个载热颗粒2进行加热的设备，只要使得多个载热颗粒2作为第一反应单元1内的储能载体即可。例如，所述加热单元可以为电加热设备。
载热颗粒2可以采用物理性能和化学性能稳定的陶瓷颗粒(例如碳化硅陶瓷颗粒)，保证其在高温环境中自身的物理性质不会发生明显变化，同时不与第一反应单元1内的其他物质发生反应。载热颗粒2可以具有良好的吸热性能，从而能够有效地利用太阳能进行光热转化，从而为制氢反应提供充足的热能。载热颗粒2可以为深色颗粒，载热颗粒2可以为高密度颗粒。多个载热颗粒2的粒径可以为1～100mm，具体可根据第一反应单元1来适当选择。
金属氧化物颗粒与甲烷气体在第一反应单元1内发生如下反应：
XmOn+nCH4→mX+nCO+2nH2 (1)
其中，X表示某一金属元素，XmOn表示金属氧化物。
根据式(1)，金属氧化物颗粒与甲烷气体发生反应后生成相应的金属单质、摩尔比为1：2的一氧化碳气体(CO)和氢气(H2)。所述摩尔比为1∶2的一氧化碳气体和氢气是具有高工业利用价值的混合气。
以上反应需要在一定温度下进行，例如，根据标准吉布斯自由能随反应温度的变化关系，在1200K以下有Fe3O4、ZnO、SnO2可以被CH4还原成相应的金属单质，因此CH4分别与Fe3O4、ZnO和SnO2于1200K以下发生气-固相反应在热力学上是可行的。
在本发明的实施例中，多个金属氧化物颗粒从第一反应单元1的第一端A进入，并沿多个载热颗粒2的间隙向第二端B流动，流动过程中不断吸收载热颗粒2的热量。与此同时，甲烷气体从第一反应单元1的第二端B进入，并沿多个载热颗粒2的间隙向第一端A流动，流动过程中不断吸收载热颗粒2的热量。由此，在获取热量之后，金属氧化物颗粒与甲烷气体能够在一定温度下发生反应。多个金属氧化物颗粒和甲烷气体分别在多个载热颗粒2之间大量的间隙中流动，能够增大换热面积，提高反应效率。所述金属氧化物颗粒的尺寸可以小于多个载热颗粒2之间的间隙尺寸，由此使得金属氧化物颗粒能够顺利从多个载热颗粒2之间的间隙通过。
为便于反应后的金属单质顺利排出，本发明使得反应后的金属单质呈液体状态，由此可从多个载热颗粒2之间的间隙自由流出。具体地，可以选用熔点低于反应温度的金属。例如，金属锌的熔点为692K，当反应温度高于692K时，被还原出的锌即为液态。在本发明的一个实施例中，多个载热颗粒2可以被加热至1000K～1200K，以提供相应的反应温度。在另一实施例中，多个载热颗粒2可以被加热至1093K～1180K。所述金属氧化物颗粒可以为氧化锌颗粒。
为保证反应后的液态金属能够顺利、充分地从多个载热颗粒2之间的间隙流出，在本发明的一个实施例中，可以使得所述液态金属相对于载热颗粒2表面的浸润角大于预设值。由于浸润角越大，“不浸润”的程度越高，因此，本发明使得所述液态金属相对于载热颗粒2表面是“不浸润”的，从而液态金属不会沾在载热颗粒2上，而是能够充分、快速地从第一反应单元1排出。可以通过对载热颗粒2进行硬化磨砂处理，使其表面足够粗糙，从而达到“不浸润”的效果，随着载热颗粒2表面粗糙度的增大，液态金属的接触角增大，越不浸润。此外，载热颗粒2的表面粗糙，也利于金属氧化物颗粒从载热颗粒2的间隙通过。
参照图1，在一个实施例中，装置100还可以包括第二反应单元5，第二反应单元5与第一输送管道41和第四输送管道44连接，所述液态金属在第二反应单元5内发生反应生成金属氧化物和氢气，所述金属氧化物经处理后得到所述金属氧化物颗粒。由此可以将作为反应产物的液态金属循环利用，液态金属经反应和处理后得到金属氧化物颗粒作为反应原料继续使用，并且反应能够生成纯净的氢气用于各种用途。即，第一反应单元1内生成的液态金属在重力作用下流入第四输送管道44，并经第四输送管道44流至第二反应单元5，液态金属在第二反应单元5内发生反应生成金属氧化物，同时生成氢气，所述金属氧化物经处理得到金属氧化物颗粒，所述金属氧化物颗粒由第一输送管道41输送回第一反应单元1内参与反应。由此可见，在该实施例中，可以从两个途径制得氢气：一是在第一反应单元1内金属氧化物颗粒与甲烷气体发生反应生成；二是在第二反应单元5内液态金属发生反应生成金属氧化物的同时生成。其中，第一条途径得到的气体为混合气，需要进一步分离才能得到氢气，第二条途径得到的是纯净的氢气。
例如，所述液态金属可以在第二反应单元5内与水发生反应，反应方程式如下：
mX+nH2O→XmOn+nH2 (2)
根据式(2)，液态金属发生水解反应，反应生成金属氧化物，同时还能生成氢气，达到制氢目的。一些性质相对稳定并能与H2O反应生成H2的金属包括Fe、Zn、Mg、Ca、Al、Ti以及Sn等。
装置100还可以包括设于第二端B的第二分离单元7，用于分离出纯净的液态金属。第二分离单元7设于第一反应单元1与第二反应单元5之间，其能够去除反应后液态金属中的杂质，使得纯净的液态金属进入第二反应单元5中反应生成纯净的金属氧化物。
参照图1，装置100还可以包括第一分离单元6和第五输送管道45，第一分离单元6与第三输送管道43连接，并设置为从所述混合气体中分离出未反应的甲烷气体，所述未反应的甲烷气体经第五输送管道45送入第一反应单元1。由第三输送管道43排出的所述混合气体可以包括反应生成的一氧化碳和氢气，以及未反应的甲烷气体。第一分离单元6分离出未反应的甲烷气体，从而得到一氧化碳和氢气组成的混合气。未反应的甲烷气体再次被输送至第一分离单元6参与反应，可以避免原料浪费并防止造成碳排放，节约、环保。第一分离单元6可以采用膜分离技术对所述混合气体进行分离。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于制备氢气的方法的流程图。如图2所示，所述方法包括以下步骤：
S1，对第一反应单元1内的多个载热颗粒2进行加热；
S2，当加热到预设温度后，从第一反应单元1的两端分别送入多个金属氧化物颗粒和甲烷气体，使得两者在第一反应单元1内发生反应；以及
S3，排出反应后包含有氢气的混合气体和液态金属。
所述步骤S1可以包括：将太阳光聚焦到第一反应单元1以加热其内的多个载热颗粒2。可替换地，也可以通过电加热的方式对多个载热颗粒2进行加热。
所述步骤S2可以包括：使得所述金属氧化物颗粒能够顺利通过多个载热颗粒2之间的间隙。由此，金属氧化物颗粒和甲烷气体能够通过间隙流动到一起从而发生反应，同时流动过程中能够各自获取多个载热颗粒2的热量以保证反应在一定温度下进行。
所述步骤S2中，所述预设温度可以为1000K～1200K。
所述方法还可以包括：使得所述液态金属相对于载热颗粒2表面的浸润角大于预设值，从而反应后的液态金属能够充分排出。
图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于制备氢气的方法的流程图，与图2相比，图3所示方法的不同之处在于，还包括以下步骤：
S4，将所述液态金属输送至第二反应单元5内发生反应生成金属氧化物和氢气，所述金属氧化物经处理后得到所述金属氧化物颗粒；以及
S5，将得到的所述金属氧化物颗粒送入所述第一反应单元1。
由此，作为反应产物的液态金属可以经反应和处理后变为金属氧化物颗粒以作为原料循环利用，节约资源；同时生成的氢气可以用于各种用途。具体地，可以使得所述液态金属在第二反应单元5内与水发生反应。
在将所述液态金属输送至第二反应单元5之前，还可以利用第二分离单元7分离出纯净的液态金属，以利用纯净的液态金属制备所述金属氧化物颗粒，避免引入杂质。
所述方法还可以包括：
利用第一分离单元6对所述混合气体进行分离，并将分离出的未反应的甲烷气体送入第一反应单元1中参与反应，以充分利用原料并防止造成碳排放。
根据以上描述，本发明用于制备氢气的装置及方法至少能够实现以下技术效果：
(1)利用清洁的太阳能提供热能，节能、环保；
(2)利用多个载热颗粒收集并提供热量，同时使得金属氧化物颗粒与甲烷气体在载热颗粒的间隙中流动，换热充分，反应效率高；
(3)使得反应后的金属形成液态，可以自由流动，便于产物排出，无需复杂的提取分离设备，装置结构简单，节约成本；
(4)采用甲烷气体制氢，原料来源广泛；
(5)能够实现反应物的闭式循环利用，提高经济效益，并且生产过程无碳排放。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。为了清楚地示出各个部件的细节，附图中的各个部件并不是按比例绘制的，所以附图中的各个部件的比例也不应作为一种限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (16)

1.一种用于制备氢气的装置，包括：
第一反应单元(1)，包括第一端(A)和第二端(B)，所述第一反应单元(1)内设置有多个载热颗粒(2)；加热单元，设置为加热所述多个载热颗粒(2)；
连接至所述第一端(A)的第一输送管道(41)和第三输送管道(43)；以及
连接至所述第二端(B)的第二输送管道(42)和第四输送管道(44)；
其中，所述第一输送管道(41)设置为送入多个金属氧化物颗粒，所述第二输送管道(42)设置为送入甲烷气体，所述第三输送管道(43)设置为排出反应后包含有氢气的混合气体，所述第四输送管道(44)设置为排出反应后的液态金属；
所述液态金属相对于所述载热颗粒(2)表面的浸润角大于预设值；
所述金属氧化物颗粒的尺寸小于所述多个载热颗粒(2)之间的间隙尺寸，所述金属氧化物颗粒能够顺利通过所述多个载热颗粒(2)之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括第二反应单元(5)，所述第二反应单元(5)与所述第一输送管道(41)和所述第四输送管道(44)连接，所述液态金属在所述第二反应单元(5)内发生反应生成金属氧化物和氢气，所述金属氧化物经处理后得到所述金属氧化物颗粒。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述液态金属在所述第二反应单元(5)内与水发生反应。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括第一分离单元(6)和第五输送管道(45)，所述第一分离单元(6)与所述第三输送管道(43)连接，并设置为从所述混合气体中分离出未反应的甲烷气体，所述未反应的甲烷气体经所述第五输送管道(45)送入所述第一反应单元(1)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括设于所述第二端(B)的第二分离单元(7)，用于分离出纯净的液态金属。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热单元包括聚光单元(3)，设置为将太阳光聚焦到所述第一反应单元(1)以加热所述多个载热颗粒(2)。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个载热颗粒(2)被加热至1000K～1200K。
8.一种用于制备氢气的方法，包括：
对第一反应单元(1)内的多个载热颗粒(2)进行加热；
当加热到预设温度后，从所述第一反应单元(1)的两端分别送入多个金属氧化物颗粒和甲烷气体，使得两者在所述第一反应单元(1)内发生反应；以及
排出反应后包含有氢气的混合气体和液态金属。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述液态金属输送至第二反应单元(5)内发生反应生成金属氧化物和氢气，所述金属氧化物经处理后得到所述金属氧化物颗粒；以及
将得到的所述金属氧化物颗粒送入所述第一反应单元(1)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使得所述液态金属在所述第二反应单元(5)内与水发生反应。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
利用第一分离单元(6)对所述混合气体进行分离，并将分离出的未反应的甲烷气体送入所述第一反应单元(1)。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
利用第二分离单元(7)分离出纯净的液态金属。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使得所述金属氧化物颗粒能够顺利通过所述多个载热颗粒(2)之间的间隙。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对所述多个载热颗粒(2)进行加热包括：
将太阳光聚焦到第一反应单元(1)以加热其内的多个载热颗粒(2)。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设温度为1000K～1200K。
16.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使得所述液态金属相对于所述载热颗粒(2)表面的浸润角大于预设值。
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