CN110950303B - 一种钛合金甲醇水重整器及制氢设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金甲醇水重整器及制氢设备，其中重整器包括钛合金壳体、钛合金重整腔体、钛合金汽化盘管、钛合金纯化装置及燃烧室；钛合金重整腔体安装于钛合金壳体之内，钛合金重整腔体包括圆筒形外腔壁和圆筒形内腔壁，两者之间的腔室为甲醇水重整制氢腔室，圆筒形内腔壁之内具有上下贯通的圆筒形通孔；钛合金汽化盘管安装于圆筒形通孔之中，钛合金汽化盘管具有上下贯通的中孔；钛合金纯化装置安装于中孔之中；钛合金纯化装置与钛合金汽化盘管之间具有一空间，构成燃烧室。本发明重量轻，强度高，壁厚度较薄，不易被腐蚀，能形成脆化层，硬度大、降低钛合金纯化装置的微量CO杂质成分；同时整体结构合理，重整制氢效率高，能量利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及甲醇水氢气制备设备技术领域，特别涉及一种钛合金甲醇水重整器及制氢设备。
背景技术
氢，是一种21世纪最理想的能源之一，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的主要是CO2和SO2，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。氢的分布很广泛，水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。
目前，世界上氢的年产量约为3600万吨，制氢方法主要有两种：其一、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；其二、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，采用甲醇和水重整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在的电解水制氢工艺。利用先进的甲醇水蒸气重整技术制取H2与CO2的混合气体，再经钯膜分离器分离，可分别得到H2和CO2。
参照中国发明申请201310340475.0（申请人：上海合既得动氢机器有限公司），甲醇与水蒸气在350-409℃温度下、1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：
CH3OH→CO+2H2 (1)
H2O+CO→CO2+H2 (2)
CH3OH+H2O→CO2+3H2 (3)
重整反应生成的H2和CO2，再经过分离室的钯膜分离器将H2和CO2分离，得到高纯氢气。在整个制氢过程中，甲醇水制氢设备的重整器是最为核心的制氢设备，重整器包括壳体、重整室、汽化室、燃烧室及纯化装置，汽化后的甲醇水气体在重整室发生重整制氢反应制得富氢气体，再经纯化装置后输出高纯氢气，燃烧室用于向重整室提供热量。但是在现有技术中，甲醇水制氢设备的重整器还存在如下缺失：其一、采用不锈钢材质，重量重、强度较低，壁厚在2mm左右；其二、传统重整器易被腐蚀；其三、重整室和纯化装置中，不能与H2形成脆化层提高壁体强度；其三、传统重整器的壳体、重整腔体、汽化盘管、纯化装置及燃烧室结构和布局不够合理，甲醇水原料难以得到高效利用，能量利用率不够高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种钛合金甲醇水重整器，该钛合金甲醇水重整器重量轻，强度高，壁厚度较薄，不易被腐蚀，并且钛合金重整腔、钛合金纯化装置的表层钛金属能在高温下与氢、CO反应形成脆化层，使重整器壁体硬度更大、降低钛合金纯化装置的微量CO杂质成分；同时钛合金壳体、钛合金重整腔体、钛合金汽化盘管、钛合金纯化装置及燃烧室的结构合理，能使甲醇水原料得到最大化利用，甲醇水重整制氢效率高，能量利用率高；为此，本发明还要提供一种利用所述钛合金甲醇水重整器的制氢设备
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种钛合金甲醇水重整器，包括钛合金壳体、钛合金重整腔体、钛合金汽化盘管、钛合金纯化装置及燃烧室；所述钛合金重整腔体安装于钛合金壳体之内，所述钛合金重整腔体包括圆筒形外腔壁和圆筒形内腔壁，圆筒形内腔壁安装于圆筒形外腔壁之内，圆筒形外腔壁和圆筒形内腔壁之间的腔室为甲醇水重整制氢腔室，所述圆筒形内腔壁之内具有上下贯通的圆筒形通孔；所述钛合金汽化盘管安装于圆筒形内腔壁的圆筒形通孔之中，所述钛合金汽化盘管具有上下贯通的中孔；所述钛合金纯化装置安装于钛合金汽化盘管的中孔之中；所述钛合金纯化装置与钛合金汽化盘管之间具有一空间，该空间构成所述燃烧室。
优选地，所述圆筒形内腔壁的长度大于圆筒形外腔壁的长度，所述圆筒形内腔壁的下端之外套有下环形挡片，该下环形挡片与圆筒形外腔壁的下端相连接，以挡住所述甲醇水重整制氢腔室的下端；所述圆筒形外腔壁和圆筒形内腔壁的上端安装有上环形挡片，以挡住所述甲醇水重整制氢腔室的上端。
优选地，所述钛合金壳体包括钛合金外壳体、钛合金内壳体、钛合金烟筒及保温棉，所述钛合金外壳体和钛合金内壳体的上端封闭，下端开空，钛合金内壳体安装于钛合金外壳体之内，钛合金外壳体和钛合金内壳体之间填充所述保温棉；所述钛合金外壳体和钛合金内壳体的上端一侧开有烟孔，所述钛合金烟筒安装于烟孔之内。
优选地，所述钛合金汽化盘管沿着甲醇水原料的输送方向依次包括甲醇水液体进料端、螺旋盘管部、甲醇水气体输料管，所述甲醇水液体进料端位于钛合金汽化盘管的下端，用于向螺旋盘管部输入甲醇水液体；所述螺旋盘管部从下至上呈螺旋状盘起，所述螺旋盘管部用于将甲醇水液体汽化成甲醇水气体；所述螺旋盘管部的上端连通甲醇水气体输料管的上端，甲醇水气体输料管竖向设置于螺旋盘管部的一侧，甲醇水气体输料管的下端连通所述甲醇水重整制氢腔室的下端。
优选地，所述甲醇水重整制氢腔室之内设有催化剂，用于甲醇水气体发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温富氢气体；所述甲醇水重整制氢腔室的上端通过管道连通钛合金纯化装置；所述钛合金纯化装置包括富氢进气管、纯化器、纯氢出料管及杂质气体出料管，所述富氢进气管的进气端连通所述甲醇水重整制氢腔室的上端，从甲醇水重整制氢腔室输出的高温富氢气体经富氢进气管进入纯化器，所述纯化器用于将高温富氢气体分离成纯氢气体和杂质气体，在纯化器之内，设有纯氢气体通道和杂质气体通道，其中纯氢气体通道连通所述纯氢出料管，杂质气体通道连通杂质气体出料管；所述杂质气体出料管的出料端连通所述燃烧室的下端，所述燃烧室用于燃烧杂质气体中未纯化的余量氢气，向钛合金重整腔体、钛合金汽化盘管和钛合金纯化装置提供热量，所述燃烧室的上端连通所述钛合金烟筒。
优选地，所述钛合金纯化装置的富氢进气管设有电磁阀，以控制纯化器的进气通道打开或关闭，所述电磁阀为钛合金电磁阀。
优选地，所述钛合金纯化装置的纯化器为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种利用所述钛合金甲醇水重整器的制氢设备，还包括甲醇水储存容器、输送泵和钛合金换热器，其中：所述甲醇水储存容器内储存甲醇水液体；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇水液体通过输送管道泵送至钛合金甲醇水重整器；所述钛合金换热器安装于甲醇水液体的输送管道上，甲醇水液体在钛合金换热器中，与钛合金甲醇水重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇水液体温度升高后输向钛合金甲醇水重整器，氢气温度降低后输出。
本发明的有益效果是：其一、本发明重整器为钛合金甲醇水重整器，包括钛合金壳体、钛合金重整腔体、钛合金汽化盘管、钛合金纯化装置，此外，制氢设备还包括钛合金换热器，其重量轻，强度高，不易被腐蚀，壁厚度较薄，壁厚能从原来的2mm降低至1mm左右；其二、钛合金重整腔、钛合金纯化装置的表层钛金属能在高温下与氢、CO反应形成脆化层，使重整器壁体硬度更大、降低钛合金纯化装置的微量CO杂质成分；其三、本发明圆筒形外腔壁和圆筒形内腔壁之间的腔室为甲醇水重整制氢腔室，圆筒形内腔壁之内具有上下贯通的圆筒形通孔，钛合金汽化盘管安装于圆筒形内腔壁的圆筒形通孔之中，所述钛合金汽化盘管具有上下贯通的中孔，钛合金纯化装置安装于钛合金汽化盘管的中孔之中，钛合金纯化装置与钛合金汽化盘管之间具有一空间，该空间构成所述燃烧室；这样，一方面，在燃烧室的燃烧放热作用下，燃烧火焰能贯通于圆筒形通孔中，使钛合金重整腔体、钛合金汽化盘管、钛合金纯化装置同时受热，使燃烧效率非常高；另一方面，甲醇水液体在钛合金汽化盘管中汽化，再进入甲醇水重整制氢腔室重整制氢，再进入钛合金纯化装置纯化，杂质气体中的余量氢气在燃烧室中燃烧放热，这样能使甲醇水原料得到最大化利用，甲醇水重整制氢效率高，能量利用率高。
附图说明
图1为本发明重整器的外部结构示意图。
图2为本发明重整器的分散结构示意图之一。
图3为本发明重整器的分散结构示意图之二。
图4为本发明重整器移除钛合金壳体后的分散结构示意图。
图5为本发明制氢设备的结构方框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
如图1-图4所示，一种钛合金甲醇水重整器100，包括钛合金壳体1、钛合金重整腔体2、钛合金汽化盘管3、钛合金纯化装置4及燃烧室5；所述钛合金重整腔体2安装于钛合金壳体1之内，所述钛合金重整腔体2包括圆筒形外腔壁21和圆筒形内腔壁22，圆筒形内腔壁22安装于圆筒形外腔壁21之内，圆筒形外腔壁21和圆筒形内腔壁22之间的腔室为甲醇水重整制氢腔室23，所述圆筒形内腔壁22之内具有上下贯通的圆筒形通孔24；所述钛合金汽化盘管3安装于圆筒形内腔壁22的圆筒形通孔24之中，所述钛合金汽化盘管3具有上下贯通的中孔31；所述钛合金纯化装置4安装于钛合金汽化盘管3的中孔31之中；所述钛合金纯化装置4与钛合金汽化盘管3之间具有一空间，该空间构成所述燃烧室5。本发明重量轻，强度高，壁厚度较薄，不易被腐蚀，并且钛合金重整腔、钛合金纯化装置的表层钛金属能在高温下与氢、CO反应形成脆化层，使重整器壁体硬度更大、降低钛合金纯化装置的微量CO杂质成分；同时钛合金壳体、钛合金重整腔体、钛合金汽化盘管、钛合金纯化装置及燃烧室的结构合理，能使甲醇水原料得到最大化利用，甲醇水重整制氢效率高，能量利用率高。所述钛合金甲醇水重整器的钛合金材料的钛含量优选为60%以上。
如图1-图4所示，所述圆筒形内腔壁22的长度大于圆筒形外腔壁21的长度，所述圆筒形内腔壁22的下端之外套有下环形挡片25，该下环形挡片25与圆筒形外腔壁21的下端相连接，以挡住所述甲醇水重整制氢腔室23的下端；所述圆筒形外腔壁21和圆筒形内腔壁22的上端安装有上环形挡片26，以挡住所述甲醇水重整制氢腔室23的上端。
如图1-图4所示，所述钛合金壳体1包括钛合金外壳体11、钛合金内壳体12、钛合金烟筒13及保温棉（图中未示出），所述钛合金外壳体11和钛合金内壳体12的上端封闭，下端开空，钛合金内壳体12安装于钛合金外壳体11之内，钛合金外壳体11和钛合金内壳体12之间填充所述保温棉；所述钛合金外壳体11和钛合金内壳体12的上端一侧开有烟孔，所述钛合金烟筒13安装于烟孔之内。
如图1-图4所示，所述钛合金汽化盘管3沿着甲醇水原料的输送方向依次包括甲醇水液体进料端32、螺旋盘管部33、甲醇水气体输料管34，所述甲醇水液体进料端32位于钛合金汽化盘管3的下端，用于向螺旋盘管部33输入甲醇水液体；所述螺旋盘管部33从下至上呈螺旋状盘起，所述螺旋盘管部33用于将甲醇水液体汽化成甲醇水气体；所述螺旋盘管部33的上端连通甲醇水气体输料管34的上端，甲醇水气体输料管34竖向设置于螺旋盘管部33的一侧，甲醇水气体输料管34的下端连通所述甲醇水重整制氢腔室23的下端。
如图1-图4所示，所述甲醇水重整制氢腔室23之内设有催化剂，用于甲醇水气体发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温富氢气体；所述甲醇水重整制氢腔室23的上端通过管道连通钛合金纯化装置4；所述钛合金纯化装置4包括富氢进气管41、纯化器42、纯氢出料管43及杂质气体出料管44，所述富氢进气管41的进气端连通所述甲醇水重整制氢腔室23的上端，从甲醇水重整制氢腔室23输出的高温富氢气体经富氢进气管41进入纯化器42，所述纯化器42用于将高温富氢气体分离成纯氢气体和杂质气体，在纯化器41之内，设有纯氢气体通道和杂质气体通道，其中纯氢气体通道连通所述纯氢出料管43，杂质气体通道连通杂质气体出料管44；所述杂质气体出料管44的出料端连通所述燃烧室5的下端，所述燃烧室5用于燃烧杂质气体中未纯化的余量氢气，向钛合金重整腔体2、钛合金汽化盘管3和钛合金纯化装置4提供热量，所述燃烧室5的上端连通所述钛合金烟筒13。
如图1-图4所示，所述钛合金纯化装置4的富氢进气管41设有电磁阀45，以控制纯化器的进气通道打开或关闭，所述电磁阀45为钛合金电磁阀45。
如图1-图4所示，所述钛合金纯化装置的纯化器41为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
如图5所示，结合参考图1-图4，利用所述钛合金甲醇水重整器的制氢设备，还包括甲醇水储存容器200、输送泵300和钛合金换热器400，其中：所述甲醇水储存容器200内储存甲醇水液体；所述输送泵300用于将甲醇水储存容器200中的甲醇水液体通过输送管道泵送至钛合金甲醇水重整器100；所述钛合金换热器400安装于甲醇水液体的输送管道上，甲醇水液体在钛合金换热器400中，与钛合金甲醇水重整器100输出的高温氢气进行换热，甲醇水液体温度升高后输向钛合金甲醇水重整器100，氢气温度降低后输出。
以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种钛合金甲醇水重整器，其特征在于：包括钛合金壳体、钛合金重整腔体、钛合金汽化盘管、钛合金纯化装置及燃烧室；所述钛合金重整腔体安装于钛合金壳体之内，所述钛合金重整腔体包括圆筒形外腔壁和圆筒形内腔壁，圆筒形内腔壁安装于圆筒形外腔壁之内，圆筒形外腔壁和圆筒形内腔壁之间的腔室为甲醇水重整制氢腔室，所述圆筒形内腔壁之内具有上下贯通的圆筒形通孔；所述钛合金汽化盘管安装于圆筒形内腔壁的圆筒形通孔之中，所述钛合金汽化盘管具有上下贯通的中孔；所述钛合金纯化装置安装于钛合金汽化盘管的中孔之中；所述钛合金纯化装置与钛合金汽化盘管之间具有一空间，该空间构成所述燃烧室；所述圆筒形内腔壁的长度大于圆筒形外腔壁的长度，所述圆筒形内腔壁的下端之外套有下环形挡片，该下环形挡片与圆筒形外腔壁的下端相连接，以挡住所述甲醇水重整制氢腔室的下端；所述圆筒形外腔壁和圆筒形内腔壁的上端安装有上环形挡片，以挡住所述甲醇水重整制氢腔室的上端；所述钛合金壳体包括钛合金外壳体、钛合金内壳体、钛合金烟筒及保温棉，所述钛合金外壳体和钛合金内壳体的上端封闭，下端开空，钛合金内壳体安装于钛合金外壳体之内，钛合金外壳体和钛合金内壳体之间填充所述保温棉；所述钛合金外壳体和钛合金内壳体的上端一侧开有烟孔，所述钛合金烟筒安装于烟孔之内。
2.根据权利要求1所述的钛合金甲醇水重整器，其特征在于：所述钛合金汽化盘管沿着甲醇水原料的输送方向依次包括甲醇水液体进料端、螺旋盘管部、甲醇水气体输料管，所述甲醇水液体进料端位于钛合金汽化盘管的下端，用于向螺旋盘管部输入甲醇水液体；所述螺旋盘管部从下至上呈螺旋状盘起，所述螺旋盘管部用于将甲醇水液体汽化成甲醇水气体；所述螺旋盘管部的上端连通甲醇水气体输料管的上端，甲醇水气体输料管竖向设置于螺旋盘管部的一侧，甲醇水气体输料管的下端连通所述甲醇水重整制氢腔室的下端。
3.根据权利要求2所述的钛合金甲醇水重整器，其特征在于：所述甲醇水重整制氢腔室之内设有催化剂，用于甲醇水气体发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温富氢气体；所述甲醇水重整制氢腔室的上端通过管道连通钛合金纯化装置；所述钛合金纯化装置包括富氢进气管、纯化器、纯氢出料管及杂质气体出料管，所述富氢进气管的进气端连通所述甲醇水重整制氢腔室的上端，从甲醇水重整制氢腔室输出的高温富氢气体经富氢进气管进入纯化器，所述纯化器用于将高温富氢气体分离成纯氢气体和杂质气体，在纯化器之内，设有纯氢气体通道和杂质气体通道，其中纯氢气体通道连通所述纯氢出料管，杂质气体通道连通杂质气体出料管；所述杂质气体出料管的出料端连通所述燃烧室的下端，所述燃烧室用于燃烧杂质气体中未纯化的余量氢气，向钛合金重整腔体、钛合金汽化盘管和钛合金纯化装置提供热量，所述燃烧室的上端连通所述钛合金烟筒。
4.根据权利要求3所述的钛合金甲醇水重整器，其特征在于：所述钛合金纯化装置的富氢进气管设有电磁阀，以控制纯化器的进气通道打开或关闭，所述电磁阀为钛合金电磁阀。
5.根据权利要求3所述的钛合金甲醇水重整器，其特征在于：所述钛合金纯化装置的纯化器为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
6.一种利用权利要求1-5中任意一项所述钛合金甲醇水重整器的制氢设备，其特征在于：还包括甲醇水储存容器、输送泵和钛合金换热器，其中：所述甲醇水储存容器内储存甲醇水液体；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇水液体通过输送管道泵送至钛合金甲醇水重整器；所述钛合金换热器安装于甲醇水液体的输送管道上，甲醇水液体在钛合金换热器中，与钛合金甲醇水重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇水液体温度升高后输向钛合金甲醇水重整器，氢气温度降低后输出。
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