CN113683054A - 高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统，包括截止阀、质量流量计、出气压力传感器、安全阀、电磁阀以及进气压力传感器、控制电路板、开关电源；截止阀、质量流量计、出气压力传感器、安全阀、电磁阀以及进气压力传感器分别和液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置本体连接，控制电路板和质量流量计、出气压力传感器、进气压力传感器、截止阀，电磁阀的电性连接；高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统具有多种控制工况。本发明具有自动适时压力监控保护功能，使得制氢反应器运行时具有更好的稳定性和安全性，延长了制氢反应器的使用寿命，可适时调节质量流量计的进气流量，缓冲区压力运行在设定范围，保证了氢气裂解效率。

Description

高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统及应用方法

技术领域

本发明涉及氢气制备辅助设备技术领域，特别是一种高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统及应用方法。

背景技术

由于全球能源需求急剧增加，化石燃料等不可再生能源面临枯竭的危险，化石燃料对环境的影响也不容忽视，所以，开发和利用新能源成为越来越迫切的要求。在众多新能源燃料中，氢气作为能源燃料，它被认为是理想的清洁，高能燃料，越来越受到人们的关注。但由于氢气的制取成本高，在生活和生产中大量使用氢能源还存在一定困难。因此研究和开发更为先进的制氢新工艺技术是解决廉价氢源的重要保证，新工艺技术应在降低生产装置投资和减少生产成本方面应有明显的突破。

利用甲烷制氢，具有成本低，规模效应显著等优点，且生产纯度高，生产效率高。但现有技术中，还无一种可有效利用甲烷制备氢气的装置，其应用还仅限于实验室，因此，研究和开发更为先进的甲烷制氢新工艺技术及设备是解决廉价氢源的重要保证。因此本申请人为了克服上述问题，提交了专利名称“新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置”的专利申请，如图1所示，其制备氢气中使用前打开上端连接座A9，然后在石英管2内加入五分之三量的金属锡14，然后安装好上端连接座A9，就可进入制备氢气工作，新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置采用液态金属高温裂解甲烷制氢方法，利用液态金属高导热性和流动性等特性，在温度1200℃时裂解甲烷，制备出高纯氢气；工作时，反应气体甲烷通过下端气管70进入石英管底部缓冲区5，并经支撑板20中部气孔201（开孔）进入扩散器19下，再由扩散器19若干微孔191导入反应区13，在反应区13（石英管2内部）中与高温液态锡14（被电加热器加热呈液态）充分接触，并裂解成氢气和碳黑，（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量后，使得甲烷分子C-H键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳）；氢气通过上端气管70进入后端氢气罐，经氢气罐相关处理系统分离后，可获得高纯度氢气；反应区裂解的碳黑漂浮于液态金属14表面，经一定时间后可打开上部连接座A9对其进行收集；应用中，冷水从两套连接座A、连接座B进水管11流入、出水管12流出，对两套连接座A、连接座B进行冷却，进而对密封圈10进行冷却，保证了密封圈10和石英管2之间的密封效果。通过上述，该发明能有效制备出氢气，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。

虽然新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置实现了有效利用甲烷制备氢气，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。但是由于结构所限，控制进气及排气等全部是全手动操作，且不具有压力监控保护功能，对制氢反应器运行稳定性和安全性都存在影响，相应的缩短了制氢反应器的使用寿命。综上，提供一种适用于新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置使用的监控保护系统及应用方法显得尤为必要。

发明内容

为了克服新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置因结构所限，控制进气及排气等全部是全手动操作，且不具有压力监控保护功能，对制氢反应器运行稳定性和安全性都存在影响，相应缩短了制氢反应器使用寿命的弊端，本发明提供了协同新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置使用，应用中在相关机构及电路共同作用下，具有自动适时压力监控保护功能，使得制氢反应器（新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置）运行时具有更好的稳定性和安全性，延长了制氢反应器的使用寿命，可适时调节质量流量计的进气流量，缓冲区压力运行在设定范围，保证了氢气裂解效率的高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统及应用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统，包括截止阀、质量流量计、出气压力传感器、安全阀、电磁阀以及进气压力传感器、控制电路板、开关电源；其特征在于出气压力传感器、安全阀、电磁阀分别安装在液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置本体的上端连接座A两侧端；所述进气压力传感器安装在液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的下端连接座A的气管侧部；所述液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置本体的下端气管和质量流量计排气管连接，质量流量计进气管和截止阀一端连接，截止阀另一端和液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的甲烷储罐排液管连接，液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的上端连接座A的气管和液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的氢气储罐进气管连接；所述控制电路板的信号输入端和质量流量计、出气压力传感器、进气压力传感器的信号输出端电性连接；所述控制电路板的电源输出端和截止阀，电磁阀的电源输入端电性连接。

进一步地，所述控制电路板具有可编程逻辑控制器和触摸屏。

进一步地，所述截止阀、电磁阀内部阀芯常闭式。

高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统，其特征在于应用方法如下，A通过控制电路板采集的质量流量计流量信号以及进气压力传感器采集的高温裂解甲烷制氢反应器装置石英管内下端压力数据，进而调节甲烷气体的进气流量，保证高温裂解甲烷制氢反应器装置本体的石英管内下缓冲区压力运行在设定范围；B：通过控制电路板采集的出气压力传感器压力数据，石英管内上端氢气压力升高超过阈值后，控制电路板控制电磁阀得电阀芯打开排出部分压力；保证制氢反应器的安全稳定运行。

进一步地，所述石英管内下端压力数据不降，控制电路板将关闭截止阀和质量流量计，保证电磁阀能正常泄压，进而保证制氢反应器的安全稳定运行。

进一步地，所述安全阀与电磁阀协同工作，确保石英管内上端氢气压力升高超过阈值后，电磁阀不能正常工作时，安全阀能强制泄压，石英管内上端氢气压力下降到设定值时，电磁阀和安全阀均关闭。

本发明有益效果是：本发明协同新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置使用，应用中在相关机构及电路共同作用下，通过控制电路板采集的质量流量计流量信号以及进气压力传感器采集的石英管内下端压力数据，进而调节甲烷气体质的进气流量，通过控制电路板采集的出气压力传感器压力数据，石英管内上端氢气压力升高超过阈值后，控制电路板控制电磁阀得电阀芯打开排出部分压力，保证了制氢反应器的安全稳定运行，使得制氢反应器（新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置）运行时更具有稳定性和安全性，延长了制氢反应器的使用寿命，并可适时调节质量流量计的进气流量，缓冲区压力运行在设定范围，保证了氢气裂解效率。基于上述，本发明具有好的应用前景。

附图说明

图1是现有新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的整体结构示意图。

图2是本发明高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统和现有新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置之间的整体结构示意图。

图3是本发明结构系统框图。

图4是本发明电路系统框图。

具体实施方式

图2、3、4所示，高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统，包括截止阀2、质量流量计3、出气压力传感器7、安全阀8、电磁阀9以及进气压力传感器10、控制电路板6、开关电源A；液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置本体的上端连接座A左右侧端各有一根分管，出气压力传感器7的进气端和右端分管经管道接头连接，机械安全阀8、电磁阀9的一端和左端分管经管道接头并联连接；所述液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的下端连接座A的气管70右侧端有一个内螺纹开孔，进气压力传感器10的进气端和开孔经螺纹连接；所述液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置本体的下端气管和质量流量计3排气管连接，质量流量计3进气管和截止阀2一端经管道接头连接，截止阀2另一端和液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的甲烷储罐1排液管连接，液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的上端连接座A的气管70和液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的氢气储罐4进气管经管道连接。控制电路板6、开关电源安装在电控箱内。开关电源A的电源输入端和220V交流电源经导线连接，开关电源A的电源输出端和控制电路板6的电源输入端经导线连接，控制电路板6的信号输入端和质量流量计3、出气压力传感器7、进气压力传感器10的信号输出端电性连接；所述控制电路板6的两路电源输出端和截止阀2，电磁阀9的电源输入端电性连接。

图2、3、4所示，控制电路板6采用可编程逻辑控制器（PLC、型号：S7-200）和触摸屏（型号：TPC7062TD），用作系统工作远程监视和控制。截止阀2型号DJ2CV、在工作过程中PLC控制器控制截止阀2的开启和关闭。质量流量计3型号D07-7K，在工作过程中PLC控制其采集进气压力传感器10的压力输入信号，与设定压力值作比较，控制截止阀2的开启和关闭，从而控制气体的通入，以维持缓冲区（11，石英管内下端）压力在设定范围内工作。安全阀8型号φ6-φ6（316）,设定开启压力为0.02Mpa，低于此值单向阀8处于常闭状态，高于此值单向阀8开启。出气压力传感器7型号：DPA01M-P，在工作过程中出气压力传感器7采集石英管2内的气体压力，当气体压力直接作用在压力传感器测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号（模拟输出DC1-5V）,PLC 控制器采集到该信号后，就会与设定程序作比较，按设定的控制程序执行相应动作。电磁阀9型号2KS03006BG，具有两根电源线(DC24V),其中一根与开关电源连接，另一根与PLC控制器连接。在工作过程中PLC 控制器控制电磁阀9的开启和关闭，以实现泄压。进气压力传感器10型号：DPA01M-P，在工作过程中进气压力传感器10监测缓冲区11压力气体压力，当气体压力直接作用在压力传感器测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号（模拟输出DC1-5V）,PLC 控制器采集到该信号后，就会与设定程序作比较，按设定的控制程序执行相应动作。

图2、3、4所示，高温裂解甲烷制氢反应器装置本体启动工作前，工作人员根据实验参数条件在控制单元6触摸屏控制程序中输入相应的质量流量计3设定值和制氢反应器5（新型高温裂解甲烷制氢反应器装置）进气和出气压力范围值。制氢反应器5启动工作后，控制单元6（控制电路板）控制截止阀2和质量流量计3启动，并按设定流量向制氢反应器5通入甲烷气体，甲烷气体依次经缓冲区11和扩散器12进入液态金属区域13，并在液态金属中裂解成氢气和炭黑，氢气沿出气管路进入后端氢气储罐4。控制单元6的触摸屏控制程序通过和PLC数据实时传输在线监测制氢反应器5运行情况，并根据制氢反应器5的运行情况，适时启闭截止阀3，保证缓冲区11压力在设定范围内。制氢反应器5运行过程中若出气压力传感器7压力超出设定值范围，控制单元6将启动电磁阀9进行泄压， 同时在制氢反应器5的顶部设置安全阀8，可与电磁阀9协同工作，且可确保电磁阀9不能正常工作时，安全阀8也能强制泄压。从而保证制氢反应器5的安全稳定运行。新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置应用中，除了采用金属锡14外，还可采用铟、铋及铋合金、锡、镓、铅、银、17%铜-锡、17%铂-锡、17%铂-铋、62%铂-铋、17%镍-铟、17%镍-锡、17%镍-锡、73%镍-铟、17%镍-镓、17%镍-铅、17%镍-铋、27%镍-金、27%镍-铋、材料的一种或多种，优选铋合金材料。

图2、3、4所示，本发明协同新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置使用，使得制氢反应器（新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置）运行时更具有稳定性和安全性，延长了制氢反应器的使用寿命，并证了氢气裂解效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统，包括截止阀、质量流量计、出气压力传感器、安全阀、电磁阀以及进气压力传感器、控制电路板、开关电源；其特征在于出气压力传感器、安全阀、电磁阀分别安装在液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置本体的上端连接座A两侧端；所述进气压力传感器安装在液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的下端连接座A的气管侧部；所述液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置本体的下端气管和质量流量计排气管连接，质量流量计进气管和截止阀一端连接，截止阀另一端和液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的甲烷储罐排液管连接，液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的上端连接座A的气管和液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置的氢气储罐进气管连接；所述控制电路板的信号输入端和质量流量计、出气压力传感器、进气压力传感器的信号输出端电性连接；所述控制电路板的电源输出端和截止阀，电磁阀的电源输入端电性连接。

2.根据权利要求1所述的高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统，其特征在于，控制电路板具有可编程逻辑控制器和触摸屏。

3.根据权利要求1所述的高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统，其特征在于，截止阀、电磁阀内部阀芯常闭式。

4.根据权利要求1所述的高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统，其特征在于，应用方法如下，A：通过控制电路板采集的质量流量计流量信号以及进气压力传感器采集的高温裂解甲烷制氢反应器装置石英管内下端压力数据，进而调节甲烷气体的进气流量，保证高温裂解甲烷制氢反应器装置本体的石英管内下缓冲区压力运行在设定范围；B：通过控制电路板采集的出气压力传感器压力数据，石英管内上端氢气压力升高超过阈值后，控制电路板控制电磁阀得电阀芯打开排出部分压力，保证制氢反应器的安全稳定运行。

5.根据权利要求4所述的高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统的应用方法，其特征在于，石英管内下端压力数据不降，控制电路板将关闭截止阀和质量流量计，保证电磁阀能正常泄压，进而保证制氢反应器的安全稳定运行。

6.根据权利要求4所述的高温裂解甲烷制氢反应器装置的保护系统的应用方法，其特征在于，安全阀与电磁阀协同工作，确保石英管内上端氢气压力升高超过阈值后，电磁阀不能正常工作时，安全阀能强制泄压，石英管内上端氢气压力下降到设定值时，电磁阀和安全阀均关闭。

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