CN113998670A - 一种制氢机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氢能源技术领域，尤其涉及一种制氢机，包括依次连接的储液系统、输送系统、重整反应器系统和气体缓冲系统，所述重整反应器系统包括制气结构和设置于所述制气结构外围的保温结构。相对于现有技术，本发明简化了甲醇水蒸气重整制氢系统，将气化系统和重整系统进行了一体化设计，缩减了设备体积，提高了系统热量利用率，合理的布局设计以及加工工艺保证了催化反应条件，提高了制氢速率，并节约了成本。

Description

一种制氢机
技术领域
本发明属于氢能源技术领域，尤其涉及一种制氢机。
背景技术
氢气广泛应用于化工生产、电子、航天燃料等领域。随着近年氢燃料电池项目推进，氢的生产及运输得到广泛关注。在氢气的制取方面，目前市面制氢机多以大型设备为主，小型制氢设备多以撬装式电解水式制氢机为主，其制氢耗电量大，以1Nm3/h制氢机为例，一小时耗电量高达4.0-6kWh，从而使得制氢成本较大，另外自身所需的大电流也限制其大规模应用。
具体而言，氢气的制备方法有很多种，如电解水制氢工艺、煤制气分离制氢工艺和甲醇制氢工艺等，其中甲醇制氢工艺因其成本较低、生产方便、安全等优点成为目前主流的制氢工艺。该工艺的主要过程为：将液态的甲醇从加液口加入制氢系统中，在加热结构的加热作用下气化，然后甲醇气体与水蒸汽混合物在催化剂的作用下完成转化反应，生成氢气和二氧化碳。
现有的甲醇气化制氢机体积庞大、制氢效率低，成本高，无法实现大规模应用。
有鉴于此，本发明旨在提供一种制氢机，其简化了甲醇水蒸气重整制氢系统，将气化系统和重整系统进行了一体化设计，缩减了设备体积，提高了系统热量利用率，合理的布局设计以及加工工艺保证了催化反应条件，提高了制氢速率，并节约了成本。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种制氢机，其简化了甲醇水蒸气重整制氢系统，将气化系统和重整系统进行了一体化设计，缩减了设备体积，提高了系统热量利用率，合理的布局设计以及加工工艺保证了催化反应条件，提高了制氢速率，并节约了成本。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制氢机，包括依次连接的储液系统、输送系统、重整反应器系统和气体缓冲系统，所述重整反应器系统包括制气结构和设置于所述制气结构外围的保温结构。
作为本发明制氢机的一种改进，所述储液系统包括储液容器和设置于所述储液容器上的液位报警器。
作为本发明制氢机的一种改进，所述输送系统包括输送管道和依次设置于所述输送管道上的过滤器、电磁阀和单向阀，所述输送管道的一端与所述储液系统连接，所述输送管道的另一端与所述重整反应器系统连接，所述输送管道还连接有齿轮泵，所述齿轮泵位于所述电磁阀和所述单向阀之间。
作为本发明制氢机的一种改进，所述制气结构包括外管和设置于所述外管内的内管，所述内管内设置有第一加热体，所述外管和所述内管之间设置有第二加热体、第一反应室、第二反应室和第三反应室，所述第一反应室的进液口与所述输送系统连接，所述第一反应室的入口处设置有气化室，所述第二反应室的出气口与所述气体缓冲系统连接，所述制气结构还设置有热交换室，所述第三反应室与所述第一反应室和所述第二反应室连通，所述第一反应室、所述第二反应室和所述第三反应室内均设置有催化剂。
作为本发明制氢机的一种改进，所述气化室设置为第一盘管结构；所述热交换室是由高温气体与低温区域（低温区域为第二反应室和靠外围的第三反应室的大约上部三分之一的区域）形成，所述第一反应室、所述第二反应室和所述第三反应室的下方设置有支撑网架，所述支撑网架与所述外管的底部之间形成有架空空间，所述第一反应室的进液口和所述第二反应室的出气口位于所述制气结构的同一侧。
作为本发明制氢机的一种改进，所述内管内设置有第一测温装置，所述第三反应室内设置有第二测温装置；所述内管和所述外管的一端部通过密封结构密封连接，所述第一测温装置和所述第二测温装置均通过卡接套头固定于所述密封结构上。
作为本发明制氢机的一种改进，所述第二加热体通过固定架设置于所述内管和所述外管之间，所述固定架包括立柱和依次穿设于所述立柱上的加热体支撑板、加热体固定板和加热体支架固定板，所述加热体固定板上设置有可供所述第二加热体穿过的第一孔洞，所述加热体支架固定板上设置有可供所述第二加热体穿过的第二孔洞。
作为本发明制氢机的一种改进，所述加热体支撑板、所述加热体固定板和所述加热体支架固定板均呈半圆形条状结构。
作为本发明制氢机的一种改进，所述气体缓冲系统上设置有泄压装置。
作为本发明制氢机的一种改进，所述制氢机还包括控制系统。
作为本发明制氢机的一种改进，所述控制系统包括控制箱、显示屏和急停按钮，所述控制箱与所述显示屏和所述急停按钮连接，所述控制系统还与所述储液系统、所述输送系统、所述重整反应器系统和所述气体缓冲系统连接。
相对于现有技术，本发明简化了甲醇水蒸气重整制氢系统，将气化系统和重整系统进行了一体化设计，缩减了设备体积，提高了系统热量利用率，合理的布局设计以及加工工艺保证了催化反应条件，提高了制氢速率，并节约了成本。
此外，本发明还有如下优势：
第一，本发明的制气结构包括内管和外管，并在内管内放入第一加热体，同时在内管和外管之间放入第二加热体，可以实现内部加热，如此即可实现少的热损失，同时可以节省体积，提升效率。即，本发明在管式反应器整体外形结构不变的情况下，通过增加内部套管结构，解决了反应器反应路径过短的问题，同时内环的材料的增加使得反应器导热量加大，床层温度更加均匀，同时极大的缩短了反应器冷机启动时间，改善了反应器装填分区状态，同时不锈钢等金属及各种合金焊接简单，装卸催化剂方便。
第二，本发明在第一反应室的入口处设有一定长度的盘管结构，输送系统与盘管结构连通，如此即可充分利用制气结构的热量对甲醇液体进行气化，实现少的热损失，提高热能的利用率；实际制作时，使用一定长度的管子，将管子按照圆柱形盘圈，盘管需要贴合第一反应室的入口内壁。由于由盘管结构制成的气化室能近距离接触供热体，因此能够使发热体与冷液达到换热效果，从而充分利用热量，达到高的热量转换率。
第三，由于本发明合理使用了制气结构的内部空间，不需要额外的气化室，因此可以节省体积。而且气化室装配简单，制备成本低。
第四，本发明中，第一反应室的进液口和第二反应室的出气口位于所述制气结构的同一侧。因此可以减小整个反应器的体积，而且能够避免堵塞。即，本发明的反应器为同端进液、出气，可根据反应情况对反应器原料输入端和产物输出端进行对调调整。
第五，热交换室提高了制气结构低温区域的温度，提升了热量利用率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的部分放大图。
图3为本发明中固定架的立体结构示意图（带加热体）。
图4为本发明中固定架的分解结构示意图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……) 仅用于解释某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、 “第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围内。
如图1至图4所示，本发明提供了一种制氢机，包括依次连接的储液系统1、输送系统2、重整反应器系统3和气体缓冲系统4，重整反应器系统3包括制气结构31和设置于制气结构31外围的保温结构32。本发明中，重整反应器系统3为高度集成型，该系统具有冷启动时间短、热量利用率高、制气效率高等优点；该重整反应器系统3在最优状态下甲醇转化率可达96%，氢气含量可达95%。
其中，储液系统1包括储液容器11和设置于储液容器11上的液位报警器12。储液容器11的材质为塑料，成本低，重量轻。
输送系统2包括输送管道21和依次设置于输送管道21上的过滤器22、电磁阀23和单向阀24，输送管道21的一端与储液系统1连接，输送管道21的另一端与重整反应器系统3连接，输送管道21还连接有齿轮泵25，齿轮泵25位于电磁阀23和单向阀24之间。输送系统2可以确保液体精确、干净的输送到制气结构31中；
制气结构31包括外管311和设置于外管311内的内管312，内管312内设置有第一加热体313，外管311和内管312之间设置有第二加热体314、第一反应室315、第二反应室316和第三反应室317，第一反应室315的进液口与输送系统2连接，第一反应室315的入口处设置有气化室318。第二反应室316的出气口与气体缓冲系统4连接，制气结构31还设置有热交换室319，第三反应室317与第一反应室315和第二反应室连通316，第一反应室315、第二反应室316和第三反应室317内均设置有催化剂320。使用时，甲醇从一反应室315的进液口进入，然后通入到气化室318中，气化室318内的热量对其进行加热，使其气化，然后进入到催化剂320内，在加热和催化剂的作用下，与水蒸汽混合物完成转化反应，生成氢气和二氧化碳，并从第二反应室316的出口处排出。本发明的制气结构31包括内管312和外管311，并在内管312内放入第一加热体313，同时在内管312和外管311之间放入第二加热体314，可以实现内部加热，如此既可实现少的热损失，同时可以节省体积，提升效率。即，本发明在管式反应器整体外形结构不变的情况下，通过增加内部套管结构，解决了反应器反应路径过短的问题，同时内环的材料的增加使得反应器导热量加大，床层温度更加均匀，同时极大的缩短了反应器冷机启动时间，改善了反应器装填分区状态，同时不锈钢等金属及各种合金焊接简单，装卸催化剂方便。
气化室318设置为第一盘管结构；热交换室是由高温气体与低温区域319（低温区域319为第二反应室316和靠外围的第三反应室317的大约上部三分之一的区域）形成，第一反应室315、第二反应室316和第三反应室317的下方设置有支撑网架322，支撑网架322与外管311的底部之间形成有架空空间，第一反应室315的进液口和第二反应室316的出气口位于制气结构31的同一侧，本发明中，第一反应室315的进液口和第二反应室316的出气口位于制气结构21的同一侧。因此可以减小整个反应器的体积，而且能够避免堵塞。即，本发明的反应器为同端进液、出气，可根据反应情况对反应器原料输入端和产物输出端进行对调调整。
本发明在第一反应室315的入口处设有一定长度的盘管结构，输送系统2与盘管结构连通，如此即可充分利用制气结构31的热量对甲醇液体进行气化，实现少的热损失，提高热能的利用率；实际制作时，使用一定长度的管子，将管子按照圆柱形盘圈，盘管需要贴合第一反应室315的入口内壁。由于由盘管结构制成的气化室318能近距离接触供热体，因此能够使发热体与冷液达到换热效果，从而充分利用热量，达到高的热量转换率。由于本发明合理使用了制气结构31的内部空间，不需要额外的气化室318，因此可以节省体积。而且气化室装配简单，制备成本低。
热交换室提高了制气结构低温区域的温度，提升了热量利用率。
内管312内设置有第一测温装置323，第三反应室317内设置有第二测温装置324；内管312和外管311的一端部通过密封结构325密封连接，第一测温装置323和第二测温装置324均通过卡接套头326固定于密封结构325上。第一测温装置323和第二测温装置324可以测试内管312和外管311内的实时温度。
第二加热体314通过固定架5设置于内管312和外管311之间，固定架5包括立柱51和依次穿设于立柱51上的加热体支撑板52、加热体固定板53和加热体支架固定板54，加热体固定板53上设置有可供第二加热体314穿过的第一孔洞55，加热体支架固定板54上设置有可供第二加热体314穿过的第二孔洞56。
即，加热体支撑板52支撑第二加热体314底部，加热体固定板53支撑第二加热体314横线位置，加热体支架固定板54支撑固定架，立柱51串联三板形成整体支架，其中，立柱51的一端穿设并固定在加热体支撑板52，另一端穿设并固定在加热体支架固定板54上，加热体固定板53则穿设并固定在立柱51的两端之间。优选的，加热体支撑板52、加热体固定板53和加热体支架固定板54平行设置。
加热体支撑板52、加热体固定板53和加热体支架固定板54均呈半圆形条状结构。使用时，两个固定结构相对设置，即形成了一个环形固定结构。实际使用时，将第二加热体314依次穿入第二孔洞56和第一孔洞55后抵接在加热体支撑板52上，形成固定，然后将装有第二加热体314的两个固定架5相对地放置在内管312和外管311界定的空间内即可。半圆结构做环形加热体的固定结构，使用环境为环形管道内部；弧形尤其是半圆形设计的优势是加工精度不需要太高，从而大大减少生产成本；而且此结构安装简易，可避开环形内外壁的同心度要求，互换性强，保障批量安装的质量。
加热体支架固定板54的外侧边沿设置有凸起结构57，便于将加热体支架固定板54与外管311的接触，使得外管边311缘对加热体支架固定板54起到支承作用。立柱51设置有若干根。本实施例中，立柱51设置为四根，其中，整体固定架的两端部各一根，中间部位两根。
加热体支撑板52、加热体固定板53和加热体支架固定板54均与立柱51焊接连接，操作简单容易实现。
第一孔洞55设置为若干个且在加热体固定板52上均匀布置。第二孔洞56设置为若干个且在加热体支架固定板53上均匀布置。而且第一孔洞55和第二孔洞56一一对应设置，形状、大小也基本一致，以供第二加热体314顺利通过。孔洞的数量可以根据第二加热体314的数量设置。
气体缓冲系统4上设置有泄压装置41。气体缓冲系统4采用常规的缓冲系统即可，其是以不锈钢板材加工而成，对高温气体起到降温、缓冲、净化、稳压的作用。
制氢机还包括控制系统5。控制系统5包括控制箱51、显示屏52和急停按钮53，控制箱51与显示屏52和急停按钮53连接，控制系统5还与储液系统1、输送系统2、重整反应器系统3和气体缓冲系统4连接。控制箱51检测、调控处理整机各个系统的协同工作；显示屏52通过屏幕操作对制氢时甲醇进液量进行调控，以及对其它系统参数进行查看并及时做出调整。第一测温装置323和第二测温装置324检测到的温度可以实时反馈给控制系统5，控制系统5能根据需要控制第一加热体313和第二加热体314的加热温度，从而控制内管311和外管312内的温度。控制系统5与齿轮泵25连接，以控制甲醇的进液量，控制系统可以根据需要进行调整。
液位报警器12、泄压装置41和急停按钮53共同构成物理防爆安全系统，以确保设备使用的安全性。
总之，本发明简化了甲醇水蒸气重整制氢系统，将气化系统和重整系统进行了一体化设计，缩减了设备体积，提高了系统热量利用率，合理的布局设计以及加工工艺保证了催化反应条件，提高了制氢速率，并节约了成本。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种制氢机，其特征在于：包括依次连接的储液系统、输送系统、重整反应器系统和气体缓冲系统，所述重整反应器系统包括制气结构和设置于所述制气结构外围的保温结构。
2.根据权利要求1所述的制氢机，其特征在于：所述储液系统包括储液容器和设置于所述储液容器上的液位报警器。
3.根据权利要求1所述的制氢机，其特征在于：所述输送系统包括输送管道和依次设置于所述输送管道上的过滤器、电磁阀和单向阀，所述输送管道的一端与所述储液系统连接，所述输送管道的另一端与所述重整反应器系统连接，所述输送管道还连接有齿轮泵，所述齿轮泵位于所述电磁阀和所述单向阀之间。
4.根据权利要求1所述的制氢机，其特征在于：所述制气结构包括外管和设置于所述外管内的内管，所述内管内设置有第一加热体，所述外管和所述内管之间设置有第二加热体、第一反应室、第二反应室和第三反应室，所述第一反应室的进液口与所述输送系统连接，所述第一反应室的入口处设置有气化室，所述第二反应室的出气口与所述气体缓冲系统连接，所述制气结构还设置有热交换室，所述第三反应室与所述第一反应室和所述第二反应室连通，所述第一反应室、所述第二反应室和所述第三反应室内均设置有催化剂。
5.根据权利要求4所述的制氢机，其特征在于：所述气化室设置为第一盘管结构；所述热交换室是由高温气体与低温区域形成，所述第一反应室、所述第二反应室和所述第三反应室的下方设置有支撑网架，所述支撑网架与所述外管的底部之间形成有架空空间，所述第一反应室的进液口和所述第二反应室的出气口位于所述制气结构的同一侧。
6.根据权利要求4所述的制氢机，其特征在于：所述内管内设置有第一测温装置，所述第三反应室内设置有第二测温装置；所述内管和所述外管的一端部通过密封结构密封连接，所述第一测温装置和所述第二测温装置均通过卡接套头固定于所述密封结构上。
7.根据权利要求4所述的制氢机，其特征在于：所述第二加热体通过固定架设置于所述内管和所述外管之间，所述固定架包括立柱和依次穿设于所述立柱上的加热体支撑板、加热体固定板和加热体支架固定板，所述加热体固定板上设置有可供所述第二加热体穿过的第一孔洞，所述加热体支架固定板上设置有可供所述第二加热体穿过的第二孔洞。
8.根据权利要求7所述的制氢机，其特征在于：所述加热体支撑板、所述加热体固定板和所述加热体支架固定板均呈半圆形条状结构。
9.根据权利要求1所述的制氢机，其特征在于：所述气体缓冲系统上设置有泄压装置。
10.根据权利要求1所述的制氢机，其特征在于：所述制氢机还包括控制系统；所述控制系统包括控制箱、显示屏和急停按钮，所述控制箱与所述显示屏和所述急停按钮连接，所述控制系统还与所述储液系统、所述输送系统、所述重整反应器系统和所述气体缓冲系统连接。
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