CN112661107A - 一种氢气反应器以及制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氢气反应器以及制氢系统。所述氢气反应器，包括：进气集箱，设于所述氢气反应器的一端，开设有废气入口；排气集箱，设于所述氢气反应器的另一端，开设有废气出口；加热组件，包括多根加热管，设于所述进气集箱和所述排气集箱之间；制氢套筒，套设在所述加热组件外部，连接在所述进气集箱和所述排气集箱之间；其中，所述制氢套筒与所述加热组件之间形成氢气生成空间，所述氢气生成空间内设有制氢催化剂。本发明有效提高了制氢系统制氢效率，降低了能耗并减少了废气排放。
Description
技术领域
本发明涉及化工技术领域领域，具体而言，涉及一种氢气反应器以及制氢系统。
背景技术
现如今，人类社会正面临着资源匮乏和环境污染的双重考验，节能环保成为各界关注的焦点，积极探索新能源具有重大的时代意义。氢气作为新能源的一种，其具有完全燃烧后的产物只有水、热值高以及制备原料易获得等优点，目前在工业和医学方面得到了大量的采用。
现有技术中，制氢方法以电解水制氢或高温、高压制氢为主，但目前的制氢方法制氢效率低且能耗高，并会产生大量废气。
发明内容
本发明解决的问题是现有的制氢系统制氢效率低且能耗高，并会产生大量废气。
为解决上述问题，本发明提供一种氢气反应器，包括：进气集箱，设于所述氢气反应器的一端，开设有废气入口；排气集箱，设于所述氢气反应器的另一端，开设有废气出口；加热组件，包括多根加热管，设于所述进气集箱和所述排气集箱之间；制氢套筒，套设在所述加热组件外部，连接在所述进气集箱和所述排气集箱之间；其中，所述制氢套筒与所述加热组件之间形成氢气生成空间，所述氢气生成空间内设有制氢催化剂。
本实施例中，热废气从废气入口进入进气集箱内，再通过多根加热管对氢气生成空间加热，提高氢气生成空间内的蒸气与制氢催化剂的反应速率，最后通入排气集箱内经由废气出口排出。
进一步的，所述加热管为盘管，水平环绕设置，或者所述加热管为直管，多根分列排布设置。
本实施例中，通过水平环绕设置为盘管的加热管，可以延长热废气在加热管内的存留时间，增加了加热管的接触面积，提高了热传导效率；通过分列排布设置多根为直管的加热管，增加了加热管接触面积，且便于加热管安装更换，提高加热管安装拆卸效率。
进一步的，所述每个加热管内设有蓄热球。
本实施例中，蓄热球能够保存热废气中的热量进行加热，避免热废气流通速度快，热量来不及吸收就流走，采用蓄热球后，能够对热量进行充分吸收，使热废气热量被存留在蓄热球中，之后通过蓄热球再将热量均匀的传递至加热管，实现对热废气的再利用及热量传递的均匀性。
进一步的，所述每个加热管外部套设有多个翅片。
本实施例中，翅片能增大加热管的换热面积，提高换热效率。
进一步的，所述加热组件还包括：电加热器，设于所述制氢套筒内壁。
本实施例中，电加热器与加热管互相配合对氢气生成空间进行加热，提高氢气生成空间内的蒸气与制氢催化剂的反应速率，并降低了整体能耗，实现了热废气的再利用。
进一步的，所述电加热器包括多个电加热件，所述每个电加热件在所述制氢套筒内壁上呈环状设置，且多个所述电加热件在所述制氢套筒内壁上等间距布置或不等间距布置。
本实施例中，通过设置电加热件呈环状设置，使得加热面积更为均匀，设置多个电加热件可提高发热效率。
进一步的，所述制氢套筒还包括：多个多孔阻隔板，设于所述制氢套筒内，并将所述排气集箱与所述进气集箱之间的所述氢气生成空间依次分割为第一空间、第二空间和第三空间；其中，所述第一空间开设有蒸气入口，所述第三空间开设有氢气出口；所述第二空间内设有所述制氢催化剂。
本实施例中，制氢套筒内设置多个多孔阻隔板，将氢气生成空间分割为第一空间、第二空间和第三空间，便于制氢催化剂至于氢气生成空间内，且每个多孔阻隔板上分布有小于制氢催化剂直径的小孔，便于进入氢气生成空间的蒸气与制氢催化剂进行反应。
进一步的，所述氢气反应器还包括：废气输入管，其一端连接所述废气入口，另一端连接废气输入风机；废气输出管，其一端连接所述废气出口，另一端连接废气输出风机。
本实施例中，根据氢气反应器内实时温度，可通过废气输入风机调节热废气输入速率或通过废气输出风机控制热废气输出速率，使氢气反应器内温度保持在制氢催化剂的最佳反应温度内。
进一步的，所述氢气反应器还包括：保温层，套设在所述制氢套筒外部形成隔热层。
本实施例中，保温层用于阻止制氢套筒向外界环境的热传导和热对流，并切断热辐射。
另一方面，本发明提供一种制氢系统，包括：氢气反应器，为上述任意一项实施例所述的氢气反应器；蒸气发生器，通过蒸气管道连通所述氢气反应器。
本实施例中，蒸气发生器制得蒸气后，蒸气通过蒸气管道进入氢气反应器，在氢气反应器内与制氢催化剂发生制氢反应后得到氢气。
采用本发明的技术方案后，能够达到如下技术效果：
(1)加热管内通有热废气，热废气向氢气生成空间提供热量，提高制氢反应的反应速率，并降低了加热成本，实现了热废气的再利用。
(2)通过电加热器与加热管配合加热，降低了加热能耗，提高了制氢效率，实现了热废气的再利用。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的氢气反应器100的结构示意图；
图2为图1中氢气反应器100的剖视图；
图3为电加热器133的结构示意图；
图4为本发明第二实施例提供的制氢系统300的结构示意图；
图5为图4中蒸气发生器200的结构示意图；
图6为图5中蒸汽发生器200的剖视图；
图7为图5中储液部210的结构示意图；
图8为图7中储液部210的剖视图。
附图标记说明：
100为氢气反应器；110为进气集箱；111为废气入口；120为排气集箱；121为废气出口；130为加热组件；131为加热管；132为翅片；133为电加热器；134为电加热件；140为制氢套筒；141为氢气出口；142为蒸气入口；150为氢气生成空间；151为第一空间；152为第二空间；153为第三空间；161为废气输入管；162为废气输出管；170为氢气管道；180为蒸气管道；190为保温层；191为隔热层；192为真空层；
200为蒸气发生器；210为储液部；211为输液入口；212为储液容纳腔；213为第一法兰盘；214为第二法兰盘；220为蒸气部；221为蒸气出口；222为蒸气容纳腔；230为加热部；240为过热部；241为蒸气过热通道；242为电过热器；243为壳体；244为尾气输入开口；245为热废气出口；246为过热空间；247为热废气入口；248为电过热件；250为蒸气传输通道；300为制氢系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
【第一实施例】
参见图1和图2，其为本发明第一实施例提供的氢气反应器100的结构示意图，氢气反应器100例如包括：进气集箱110、排气集箱120、加热组件130以及制氢套筒140。加热组件130设于进气集箱110和排气集箱120之间，制氢套筒140套设于加热组件130外部，并连接在进气集箱110和排气集箱120之间；其中，制氢套筒140与加热组件130之间形成氢气生成空间150，热废气通过进气集箱110进入加热组件130，对氢气生成空间150进行加热，再进入排气集箱120，最后排出氢气反应器100。
具体的，加热组件130例如包括：至少一根加热管131。加热管131的一端连接进气集箱110，另一端连接排气集箱120；其中，加热管131为直管，并等间距分布排列设置或不等间距排布设置，使得加热更加均匀，且可以提高发热效率，提高制氢效率。
优选的，加热管131为盘管，并环绕设置，可以延长所述热废气在加热管131内的停留时间，避免因所述热废气流通速度过快，热量被所述热废气带走而造成其热量浪费，且盘管式加热管131相较于直管式加热管131，接触面积更大，提高了热传导效率。
进一步的，加热组件130还包括蓄热体(图中未示出)。所述蓄热体可以为蓄热块(图中未示出)，所述蓄热块填充在加热管131内，并设有多个透气通孔；所述蓄热块能够保存所述热废气中的热量进行加热，避免所述热废气流通速度快，热量来不及吸收就流走，采用所述蓄热块后，能够对热量进行充分吸收，使所述热废气热量被存留在所述蓄热块中，之后通过所述蓄热块再将热量传递给加热管131，最后通过加热管131均匀的将热量释放给氢气生成空间150，并不断加热其内的蒸气，实现对所述热废气的再利用及热量传递的均匀性。
优选的，所述蓄热球还可以为蓄热球(图中未示出)，所述蓄热球设于加热管131内，可延长所述热废气在加热管131内的存留时间，且每个所述蓄热球可以保存所述热废气的部分热量，从而将所述热废气的热量充分吸收，存储在所述蓄热球内，防止所述热量被所述热废气带走而造成其热量浪费，进而所述蓄热球在所述热废气流走以后，不断将热量释放给加热管131，通过加热管131加热氢气生成空间150内的所述蒸气。因此，通过设置所述蓄热球，使得所述热废气的热量被大量保存下来，并完成了热传递，提高了热量利用率。
进一步的，加热组件130还可以包括翅片132，翅片132设于每个加热管131的外侧；其中，所述蓄热球和翅片132互相配合，所述蓄热球将存储的热量释放给加热管131后，加热管131通过翅片132不断加热氢气生成空间150内的所述蒸气，提高其温度，提高了热传递效率。
进一步的，参见图3，加热组件130例如包括：电加热器133，电加热器133设于氢气生成空间150内。电加热器133包括至少一个电加热件134，电加热件134在氢气生成空间150内呈环状设置；举例来说，电加热件134在氢气生成空间150内可以等间距设置或不等间距布置，使得受热面积更加均匀，提高了发热效率。
继续参见图1-2，氢气反应器100包括：进气集箱110以及排气集箱120。进气集箱110开设有废气入口111，废气入口111连接废气输入管161的一端，废气输入管161的另一端连接废气输入风机(图中未示出)，用于控制所述热废气的通入速度；排气集箱120开设有废气出口121，废气出口121连接废气输出管162的一端，废气输出管162的另一端连接废气输出风机(图中未示出)，用于控制所述热废气的排出。
具体的，制氢套筒140例如包括：氢气出口141以及蒸气入口142。氢气出口141开设于制氢套筒140靠近进气集箱110的一侧，连接氢气管道170；蒸气入口142开设于制氢套筒140靠近排气集箱120的一侧，连接蒸气管道180。其中，氢气出口141和蒸气入口142均连通氢气生成空间150。
进一步的，制氢套筒140例如还包括：多个多孔阻隔板143，每个多孔阻隔板143上分布有多个小于制氢催化剂直径的小孔；多个多孔阻隔板143设于制氢套筒140内并将氢气生成空间150依次分割为第一空间151、第二空间152和第三空间153。
进一步的，第一空间151连通蒸气管道180，第三空间153连通氢气管道170,第二空间152内设有制氢催化剂；其中，蒸气通过蒸气管道180进入第一空间151，再通过多孔阻隔板143上的小孔均匀进入第二空间152，之后通过加热组件130加热第二空间152内的所述蒸气以及所述制氢催化剂，加热后的所述蒸气与所述制氢催化剂发生反应从而制得氢气，所述氢气再通过多孔阻隔板143上的小孔均匀进入第三空间153，最后通过氢气输出管道170传输至氢气贮存装置内贮存。优选的，制氢套筒140还开设有换料口144，换料口144连通第二空间152，用于更换第二空间152内的所述制氢催化剂。
优选的，氢气反应器100例如还包括：保温层190，保温层190套设于制氢套筒140外部；其中，保温层190例如包括：隔热层191和真空层192，隔热层191由绝热材料制成，用于切断制氢套筒140对外界环境的热辐射，保温层190与制氢套筒140之间形成真空层192，用于切断制氢套筒140与外界环境的热传导和热对流，从而有效减少制氢套筒140的热量散失。
【第二实施例】
参见图4，其为本发明第二实施例提供的制氢系统300的结构示意图，制氢系统300例如包括：氢气反应器100以及蒸气发生器200。其中，氢气反应器100与蒸气发生器200之间通过蒸气管道180连接，蒸气发生器200内制得的蒸气通过蒸气管道180输入氢气反应器100内，经氢气反应器100制得氢气。
具体的，结合图5和图6，蒸气发生器200例如包括：储液部210、蒸气部220、加热部230、过热部240以及至少一个蒸气传输通道250。其中，至少一个蒸气传输通道连接储液部210和蒸气部220。
具体的，结合图7和图8，储液部210例如包括：第一法兰盘213以及第一法兰盘214，第一法兰盘213和第一法兰盘214均有一侧设有凹腔，当第一法兰盘213设有所述凹腔的一侧和第一法兰盘214设有所述凹腔的一侧相对连接成一个整体时，其内部形成的空腔为储液容纳腔212。通过在第一法兰盘213和/或第一法兰盘214中间设置凹陷形成所述凹腔，可以在整个设备中不增加新的结构而形成储液容纳腔212，一方面，节约了成本；另一方面，法兰盘凹陷形成的所述凹腔体积较小，能够使得液体介质直接进入所述凹腔后即可进行循环加热，使得整个设备容积进一步缩小，不构成压力容器，从而减少检查次数。
进一步的，储液部210还包括输液入口211，输液入口211设于第一法兰盘213上，连通输液管和储液容纳腔212；优选的，所述输液管包括输水管和液态甲醇输送管，水和甲醇分别通过所述输水管和所述液态甲醇输送管预热后进入储液容纳腔212内，混合后得到一定比例的水—甲醇混合液。
继续参见图6，蒸气部220例如包括：蒸气出口221和蒸气容纳腔222，蒸气出口221开设于蒸气部220上，连通蒸气容纳腔222，并连接蒸气管道180，用于输送所述蒸气至氢气反应器100。
具体的，过热部240例如包括：蒸气过热通道241和电过热器242，电过热器242包括多个电过热件248，蒸气过热通道241连通蒸气传输通道250和蒸气部220，每个蒸气过热通道241内设有至少一个电过热件248，用于过热蒸气。
进一步的，过热部240还包括壳体243、尾气输入开口244以及热废气出口245，壳体243设于过热部240外部，连接储液部210和蒸气部220，壳体243与过热部240之间形成过热空间246，尾气输入开口244开设于壳体243靠近储液部210的一侧，热废气出口245开设于壳体243靠近蒸气部220的一侧，且尾气输入开口244和热废气出口245均连通过热空间246；其中，过热空间246内设有催化燃烧剂，尾气通过尾气输入开口244进入所述过热空间246，并与所述燃烧催化剂发生催化燃烧反应进行放热，对蒸气过热通道241内的蒸气进行过热。
优选的，尾气输入开口244包括空气进气管，尾气进气管以及甲醇进气管，空气和尾气分别通过所述空气进气管和所述尾气进气管预热后进入过热空间246，且部分甲醇通过所述甲醇进气管过热汽化后通入过热空间246，与所述空气和所述尾气混合得到混合气体，与所述燃烧催化剂发生催化燃烧反应进行放热。
继续参见图6，蒸气传输通道250为直管，多个蒸气传输通道250分列规则排布设置，提高了热传导效率，且易于更换；举例来说，蒸气传输通道250也可以为盘管，水平或竖直环绕设置，增加了接触面积，提高了热传导效率。
具体的，加热部230例如包括：电加热装置和/或废气加热装置和/或催化燃烧加热装置，所述电加热装置与所述废气加热装置与所述催化燃烧加热装置可单独设置加热也可以互相配合加热。
举例来说，所述电加热装置作用于储液部210和蒸气传输通道250，对储液部210和蒸气传输通道250内的介质进行加热。
进一步的，所述废气加热装置包括热废气入口247和蓄热组件(图中未示出)，热废气入口247设于壳体243靠近储液部210的一侧，所述蓄热组件设于热废气入口247和热废气出口245之间，能够保存废气中的热量进行加热，避免所述废气流通速度快，热量来不及吸收就流走，采用所述蓄热组件后，能够对热量进行充分吸收，使所述废气热量被存留在所述蓄热组件中，之后通过所述蓄热组件再将热量均匀的传递至每个蒸气传输通道250内的待加热介质，实现对所述废气的再利用及热量传递的均匀性，进一步提高了加热效率。
进一步的，所述催化燃烧加热装置采用尾气与燃烧催化剂催化燃烧放热的方式进行加热，所述催化燃烧加热装置设于储液部210与蒸气传输通道250之间。
具体的，所述蒸气发生器200还包括：多个电磁阀门(图中未示出)，每个所述电磁阀门分别设于输液入口211、蒸气出口221、热废气入口247、热废气出口245以及尾气输入开口244处；优选的，每个所述电磁阀门可以为电动控制阀门，也可以是其他可以实现控制功能的装置，此处不做限定。
进一步的，所述蒸气发生器200还包括：控制器(图中未示出)和温度传感器(图中未示出)，所述温度传感器设于蒸气出口221处，用于检测蒸气出口221输出的蒸气的温度T，所述控制器电连接每个所述电磁阀门和所述温度传感器，根据所述温度传感器检测得到的蒸气温度T来控制每个所述电磁阀门的开合程度。
优选的，蒸气发生器200例如还包括：保温层，所述保温层套设于壳体243外部；其中，所述保温层例如包括：隔热保温层和真空保温层；具体的，所述隔热保温层套设于壳体243外部，且所述隔热保温层与壳体243之间的间隔空间为所述真空保温层。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种氢气反应器，其特征在于，包括：
进气集箱，设于所述氢气反应器的一端，开设有废气入口；
排气集箱，设于所述氢气反应器的另一端，开设有废气出口；
加热组件，包括至少一根加热管，设于所述进气集箱和所述排气集箱之间；
制氢套筒，套设在所述加热组件外部，连接在所述进气集箱和所述排气集箱之间；
其中，所述制氢套筒与所述加热组件之间形成氢气生成空间，所述氢气生成空间内设有制氢催化剂。
2.根据权利要求1所述的氢气反应器，其特征在于，所述加热管为盘管，环绕设置，和/或所述加热管为直管，分列排布设置。
3.根据权利要求2所述的氢气反应器，其特征在于，所述每个加热管内设有蓄热体。
4.根据权利要求2或3所述的氢气反应器，其特征在于，所述每个加热管外部套设有多个翅片。
5.根据权利要求1所述的氢气反应器，其特征在于，所述加热组件还包括：
电加热器，设于所述氢气生成空间内。
6.根据权利要求5所述的氢气反应器，其特征在于，所述电加热器包括至少一个电加热件，所述每个电加热件在所述氢气生成空间内呈环状设置，且所述电加热件在所述氢气生成空间内等间距布置或不等间距布置。
7.根据权利要求1所述的氢气反应器，其特征在于，所述制氢套筒还包括：
多个多孔阻隔板，设于所述制氢套筒内，并将所述排气集箱与所述进气集箱之间的所述氢气生成空间依次分割为第一空间、第二空间和第三空间；
其中，所述第一空间开设有蒸气入口，所述第三空间开设有氢气出口；所述第二空间内设有所述制氢催化剂。
8.根据权利要求1所述的氢气反应器，其特征在于，还包括：
废气输入管，其一端连接所述废气入口，另一端连接废气输入风机；
和/或，
废气输出管，其一端连接所述废气出口，另一端连接废气输出风机。
9.根据权利要求1所述的氢气反应器，其特征在于，还包括：
保温层，套设在所述制氢套筒外部形成隔热层。
10.一种制氢系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-9任意一项所述的氢气反应器；
蒸气发生器，通过蒸气管道连通所述氢气反应器。
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