CN110817793A - 氢分离与水煤气重整一体式装置 - Google Patents

氢分离与水煤气重整一体式装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氢分离与水煤气重整一体式装置，包括反应腔，反应腔内设置氢分离腔和水煤气重整腔，所述氢分离腔内插入吸氢管，适于分离出纯氢气；所述水煤气重整腔设置催化剂填料，所述水煤气重整腔开设氢气混合余气进口；吸氢管对氢分离腔内的混合气体进行吸氢分离，分离的纯氢气由吸氢管的纯氢气出口输出，分离的二氧化碳混合余气从二氧化碳混合余气出口输出。将氢分离腔和水煤气重整腔集成在同一个反应腔内，使氢分离和水煤气重整作业温度控制在同一个区间，实现水煤气重整与氢分离一体，优化整个制氢系统的布局结构。

Description

氢分离与水煤气重整一体式装置
技术领域
本发明涉及一种氢分离与水煤气重整一体式装置。
背景技术
氢能源作为21世纪最理想的能源，作为汽车燃料，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4％的氢气。用它作为汽车发动机燃料，就可节油40％，而且无需对汽油发动机做多大的改进。氢燃料电池作为发电系统。
无污染，燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式－－最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等)，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。
无噪声，燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合范围更广，包括室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。
高效率，燃料电池的发电效率可以达到50％以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换，因为多一次能源转化，效率就减少一次。。
目前的制氢系统是一个比较庞大的系统工程，如在中国在先申请专利-专利号为：201420661615.4，专利名称为：甲醇水制氢机，在该专利中介绍的制氢系统为，先将甲醇水汽化为甲醇水蒸气，然后将甲醇水蒸气送入重整器生成氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体(氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体的气相组分为65～75％氢气、20～26％二氧化碳、0.3-3％一氧化碳；)，再将氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体送入氢分离装置，通过氢分离装置将氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体中的氢气分离出来，并被采集收集。分离出来的二氧化碳混合气体的气相组分包括氢气25～45％、二氧化碳55～75％、0.3-3％一氧化碳以及水0～3％，对于二氧化碳混合气体仍然含有一定量的氢气、二氧化碳，因此只要对二氧化碳混合气体进行重整，这部分混合气仍然可以再次进入氢分离装置内进行氢分离，实现对二氧化碳混合气体的循环利用；
目前具体操作是，控制二氧化碳混合气体的压力和温度，液化出一部分二氧化碳，然后剩余的就是氢气混合余气，氢气混合余气的组分为氢气65～75％、二氧化碳20～26％、一氧化碳3～9％，控制氢气混合余气孔二氧化碳组分含量在20～26％，与氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体中二氧化碳含量先对应，然后再将氢气混合余气进行水煤气配水重整，生成重整混合气，重整混合气的气相组分为氢气62～77％、二氧化碳22～27％、一氧化碳0.5～1.5％；降低氢气混合余气中一氧化碳的含量，增加氢气组分含量至62～77％，从而使重整混合气气相组分与氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体的气相组分相对应，由于组分对应，因此，重整混合气可以再次进入氢分离装置循环进行氢气分离。
以上是对于目前制氢系统介绍，目前的制氢系统中，氢分离装置和水煤气重整装置是两个独立的设备，两个设备之间需要通过管路进行连接，造成整个制氢系统庞杂，也造成制氢系统的制氢效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种氢分离与水煤气重整一体式装置，解决以往氢分离装置和水煤气重整装置之间为分体式结构造成的系统庞杂的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种氢分离与水煤气重整一体式装置，包括反应腔，所述反应腔外设置加热腔，适于为反应腔提供反应温度；
所述反应腔内设置氢分离腔和水煤气重整腔，所述氢分离腔位于水煤气重整腔上方，所述氢分离腔与水煤气重整腔连通；
所述氢分离腔上开设混合气进口和二氧化碳混合余气出口，所述氢分离腔内插入吸氢管，适于分离出纯氢气；所述水煤气重整腔设置催化剂填料，所述水煤气重整腔开设氢气混合余气进口；
甲醇水蒸气生成的氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体从混合气进口送入氢分离腔内，氢气混合余气送入水煤气重整腔内进行重整变为重整混合气，所述重整混合气的气相组分与氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体气相组分相对应，所述重整混合气进入氢分离腔内之后与氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体混合，所述吸氢管对氢分离腔内的混合气体进行吸氢分离，分离的纯氢气由吸氢管的纯氢气出口输出，分离的二氧化碳混合余气从二氧化碳混合余气出口输出。
进一步的，所述吸氢管为铌管，所述催化剂填料为铜基填料，所述反应腔的作业温度为200-350℃；
或者，所述催化剂填料为锆基填料，所述反应腔的作业温度为350-550℃。
进一步的，所述吸氢管为钯膜管或钯合金膜管，所述催化剂填料为锆基填料，所述反应腔的作业温度为250-550℃。
进一步的，所述氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体的气相组分为65～75％氢气、20～26％二氧化碳、0.3-3％一氧化碳；
所述二氧化碳混合余气的气相组分为氢气25～45％、二氧化碳55～75％、0.3-3％一氧化碳以及水0～3％；
所述重整混合气的气相组分为氢气62～77％、二氧化碳22～27％、一氧化碳0.5～1.5％；
氢气混合余气的组分为氢气65～75％、二氧化碳20～26％、一氧化碳3～9％。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种氢分离与水煤气重整一体式装置，将氢分离腔和水煤气重整腔集成在同一个反应腔内，使氢分离和水煤气重整作业温度控制在同一个区间，实现水煤气重整与氢分离一体，优化整个制氢系统的布局结构。
一方面，制氢是无害的，零态排放；另一方面，把二氧化碳减排做成甲醇，温室气体变成有用的甲醇液态燃料，拿甲醇液态燃料来做加氢站，太阳燃料的来源非常丰富，光、风、水、核能都可以，二氧化碳加氢制甲醇，甲醇可以运输，储存与运输都不是问题。整体来看就解决了制、储、运、装等问题，
第一，液态阳光加氢站解决了高压加氢站的安全问题；第二，解决了氢的储存、运输、安全问题；第三，氢可以作为再生能源，实现全流程清洁的目标；第四，液态阳光加氢站可以回收二氧化碳，实现二氧化碳减排，不再进一步产生二氧化碳，二氧化碳就一直在那里边循环；第五，液态阳光加氢站技术还可以扩展到其他的化学合成领域，也可以用在化学加氢上；第六，可以与加油站、加甲醇站多元共站。特别适合社区分布式热电联用的能源供给和现行的加油站。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明氢分离与水煤气重整一体式装置示意图；
其中，31、水煤气重整腔，32、氢分离腔，33、吸氢管，34、加热腔。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例一
如图1所示，一种氢分离与水煤气重整一体式装置，包括反应腔，所述反应腔外设置加热腔34，适于为反应腔提供反应温度；所述反应腔内设置氢分离腔32和水煤气重整腔31，所述氢分离腔32位于水煤气重整腔31上方，所述氢分离腔32与水煤气重整腔31连通；氢分离腔32与水煤气重整腔31在同一个反应温度下进行作业。
所述氢分离腔32上开设混合气进口和二氧化碳混合余气出口，所述氢分离腔32内插入吸氢管，适于分离出纯氢气；所述水煤气重整腔31设置催化剂填料，所述水煤气重整腔31开设氢气混合余气进口。
本实施例中，所述吸氢管33为铌管，所述催化剂填料为铜基填料，所述反应腔的作业温度为200-350℃；或者，所述催化剂填料为锆基填料，所述反应腔的作业温度为350-550℃。
或者，吸氢管33选用钯膜管或钯合金膜管，所述催化剂填料为锆基填料，所述反应腔的作业温度为250-550℃。
铜基填料或者锆基填料对应两种不同的催化温度，铜基填料对应的催化温度低于锆基填料，铜基填料催化反应温度在200-350℃，锆基填料催化反应温度在350-550℃。
甲醇水蒸气生成的氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体，氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体的气相组分为65～75％氢气、20～26％二氧化碳、0.3-3％一氧化碳；氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体从混合气进口进入氢分离腔32内；氢气混合余气从氢气混合余气进口进入水煤气重整腔31内，氢气混合余气的组分为氢气65～75％、二氧化碳20～26％、一氧化碳3～9％；氢气混合余气在水煤气重整腔31内进行配水重整反应，根据一氧化碳的含量进行配水，配水比(一氧化碳：水)为1:0.9～1，水煤气重整反应公式为：CO+H2O→CO2+H2；氢气混合余气送入水煤气重整腔31内进行重整变为重整混合气，重整混合气的气相组分为氢气62～77％、二氧化碳22～27％、一氧化碳0.5～1.5％；重整混合气进入氢分离腔32内之后与氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体混合，所述吸氢管33对氢分离腔32内的混合气体进行吸氢分离，分离的纯氢气由吸氢管33的纯氢气出口输出，分离的二氧化碳混合余气从二氧化碳混合余气出口输出，二氧化碳混合余气的气相组分为氢气25～45％、二氧化碳55～75％、0.3-3％一氧化碳以及水0～3％。
实施例二
本实施例基于实施例一，不同之处，在于将吸氢管33为钯膜管或钯合金膜管，此时的催化剂填料为锆基填料，所述反应腔的作业温度为250-550℃。钯膜管或钯合金膜管与锆基填料搭配，温度控制在250-550℃；
按照上述的温度要求，氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体在氢分离腔32内经吸氢管33进行分离，分离的纯氢气由吸氢管33的纯氢气出口输出，分离的二氧化碳混合余气从二氧化碳混合余气出口输出，二氧化碳混合余气的气相组分可以控制在为氢气25～45％、二氧化碳55～75％、0.3-3％一氧化碳以及水0～3％。
按照上述的温度要求，氢气混合余气在水煤气重整腔31内进行反应，生成的重整混合气的气相组分可以控制在氢气62～77％、二氧化碳22～27％、一氧化碳0.5～1.5％；该气相组分与分离腔内的的氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体气相组分相对应，实现对氢气混合余气的循环使用。
综上所述，本发明的氢分离与水煤气重整一体式装置，将氢分离腔32和水煤气重整腔31集成在同一个反应腔内，使氢分离和水煤气重整作业温度控制在同一个区间，实现水煤气重整与氢分离一体，优化整个制氢系统的布局结构。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.氢分离与水煤气重整一体式装置，其特征是，包括反应腔，所述反应腔外设置加热腔，适于为反应腔提供反应温度；
所述反应腔内设置氢分离腔和水煤气重整腔，所述氢分离腔位于水煤气重整腔上方，所述氢分离腔与水煤气重整腔连通；
所述氢分离腔上开设混合气进口和二氧化碳混合余气出口，所述氢分离腔内插入吸氢管，适于分离出纯氢气；所述水煤气重整腔设置催化剂填料，所述水煤气重整腔开设氢气混合余气进口；
甲醇水蒸气生成的氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体从混合气进口送入氢分离腔内，氢气混合余气送入水煤气重整腔内进行重整变为重整混合气，所述重整混合气的气相组分与氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体气相组分相对应，所述重整混合气进入氢分离腔内之后与氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体混合，所述吸氢管对氢分离腔内的混合气体进行吸氢分离，分离的纯氢气由吸氢管的纯氢气出口输出，分离的二氧化碳混合余气从二氧化碳混合余气出口输出。
2.根据权利要求1所述的氢分离与水煤气重整一体式装置，其特征是，所述吸氢管为铌管，所述催化剂填料为铜基填料，所述反应腔的作业温度为200-350℃；
或者，所述催化剂填料为锆基填料，所述反应腔的作业温度为350-550℃。
3.根据权利要求1所述的氢分离与水煤气重整一体式装置，其特征是，所述吸氢管为钯膜管或钯合金膜管，所述催化剂填料为锆基填料，所述反应腔的作业温度为250-550℃。
4.根据权利要求1所述的氢分离与水煤气重整一体式装置，其特征是，
所述氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体的气相组分为65～75％氢气、20～26％二氧化碳、0.3-3％一氧化碳；
所述二氧化碳混合余气的气相组分为氢气25～45％、二氧化碳55～75％、0.3-3％一氧化碳以及水0～3％；
所述重整混合气的气相组分为氢气62～77％、二氧化碳22～27％、一氧化碳0.5～1.5％；
氢气混合余气的组分为氢气65～75％、二氧化碳20～26％、一氧化碳3～9％。
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