CN203582463U - 一种能快速启动的甲醇水制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种能快速启动的甲醇水制氢系统，所述系统包括液体储存容器、原料输送装置、快速启动装置、制氢设备、膜分离装置；快速启动装置包括第一启动装置、第二启动装置；第一启动装置包括第一加热机构、第一气化管路，第一气化管路缠绕于第一加热机构上；第一气化管路的一端连接液体储存容器，通过原料输送装置将甲醇送入第一气化管路中，由第一加热机构加热气化；制氢设备包括重整室；所述第二启动装置包括第二气化管路，第二气化管路的主体设置于重整室内，第一气化管路或/和第二气化管路输出的甲醇为重整室加热的同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化。本实用新型可快速启动，同时耗能少，实用性强。

Description

一种能快速启动的甲醇水制氢系统

技术领域

本实用新型属于氢气制备技术领域，涉及一种制氢系统，尤其涉及一种能快速启动的甲醇水制氢系统。

背景技术

在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为，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是二氧化碳和二氧化硫，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。

氢是一种无色的气体。燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量，是汽油发热量的3倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500℃，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。

在大自然中，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水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。

氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。

氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。1976年5月，美国研制出一种以氢作燃料的汽车；后来，日本也研制成功一种以液态氢为燃料的汽车；70年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了五千克氢，就使汽车行驶了110公里。

用氢作为汽车燃料，不仅干净，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作多大的改进。

氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。

另外，使用氢—氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利用更为方便。目前，这种燃料电池已在宇宙飞船和潜水艇上得到使用，效果不错。当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。

现在世界上氢的年产量约为3600万吨，其中绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取的，这就得消耗本来就很紧缺的矿物燃料；另有4％的氢是用电解水的方法制取的，但消耗的电能太多，很不划算，因此，人们正在积极探索研究制氢新方法。而用甲醇、水重整制氢可减少化工生产中的能耗和降低成本，有望替代被称为“电老虎”的“电解水制氢”的工艺，利用先进的甲醇蒸气重整──变压吸附技术制取纯氢和富含CO₂的混合气体，经过进一步的后处理，可同时得到氢气和二氧化碳气。

甲醇与水蒸气在一定的温度、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，再经过钯膜分离将H₂和CO₂分离，得到高纯氢气。变压吸附法的耗能高、设备大，且不适合小规模的氢气制备。

现有的制氢设备，冷启动通常需要很长时间，一般至少在5小时以上，有的设备甚至需要1天时间启动。而热启动需要耗费大量能源，使重整室（通常需要400℃以上）等设备处于高温状态。

因此，如何使制氢设备既实现快速冷启动、又能保证节约能源（还需要实用性强）是目前业界需要迫切解决的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种能快速启动的甲醇水制氢系统，可快速启动，同时耗能少，实用性强。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种能快速启动的甲醇水制氢系统，所述系统包括：液体储存容器、原料输送装置、快速启动装置、制氢设备、膜分离装置；

所述快速启动装置为制氢设备提供启动能源；所述快速启动装置包括第一启动装置、第二启动装置；

所述第一启动装置包括第一加热机构、第一气化管路，第一气化管路缠绕于第一加热机构上；

所述第一气化管路的一端连接液体储存容器，通过原料输送装置将甲醇送入第一气化管路中；第一气化管路的另一端输出被气化的甲醇并燃烧；

所述制氢设备包括重整室；所述第二启动装置包括第二气化管路，第二气化管路的主体设置于重整室内，第一气化管路或/和第二气化管路输出的甲醇为重整室加热的同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化。

作为本实用新型的一种优选方案，所述第一气化管路的另一端输出被气化的甲醇，并通过设置的点火机构点火燃烧；

或者，第一气化管路的另一端输出被气化并达到自燃点的甲醇，直接自燃。

作为本实用新型的一种优选方案，所述重整室内壁包括设有催化剂的加热管路，所述快速启动装置通过加热所述加热管路为重整室加热。

作为本实用新型的一种优选方案，所述膜分离装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置。

一种能快速启动的甲醇水制氢系统，所述系统包括：液体储存容器、原料输送装置、快速启动装置、制氢设备、膜分离装置；

所述制氢设备包括换热器、气化室、重整室；膜分离装置设置于分离室内，分离室设置于重整室内的上部；

所述液体储存容器与制氢设备连接；液体储存容器中储存有液态的甲醇和水；

所述快速启动装置为制氢设备提供启动能源；所述快速启动装置包括第一启动装置、第二启动装置；所述第一启动装置包括第一加热机构、第一气化管路，第一气化管路的内径为1～2mm，第一气化管路紧密地缠绕于第一加热机构上；所述第一气化管路的一端连接液体储存容器，通过原料输送装置将甲醇送入第一气化管路中；第一气化管路的另一端输出被气化的甲醇，而后通过点火机构点火燃烧；或者，第一气化管路的另一端输出被气化的甲醇，且输出的甲醇温度达到自燃点，甲醇从第一气化管路输出后直接自燃；所述第二启动装置包括第二气化管路，第二气化管路的主体设置于所述重整室内，第一气化管路或/和第二气化管路输出的甲醇为重整室加热的同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化；所述重整室内壁设有加热管路，加热管路内放有催化剂；所述快速启动装置通过加热所述加热管路为重整室加热；

所述制氢系统启动后，制氢系统通过制氢设备制得的氢气提供运行所需的能源；

所述液体储存容器中的甲醇和水通过原料输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室下部及中部温度为300℃～420℃；

所述重整室上部的温度为400℃～570℃；重整室与分离室通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室的上部，能通过重整室上部的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

所述分离室内的温度设定为350℃～570℃；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气；

所述原料输送装置提供动力，将液体储存容器中的原料输送至制氢设备；所述原料输送装置向原料提供0.15～5MPa的压强，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强；

所述制氢设备启动制氢后，制氢设备制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢设备运行；

所述制氢设备制得的氢气输送至膜分离装置进行分离，用于分离氢气的膜分离装置的内外压强之差大于等于0.7M Pa；

所述膜分离装置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%。

一种上述甲醇水制氢系统的制氢方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、快速启动步骤；所述制氢系统利用快速启动装置提供启动能源启动；具体包括：

第一启动装置的第一加热机构通电设定时间，待第一加热机构达到设定温度后向第一气化管路通入甲醇；由于第一气化管路紧密地缠绕于第一加热机构上，甲醇温度逐步升高；第一气化管路输出被气化的甲醇，而后通过点火机构点火燃烧；或者，第一气化管路输出被气化的甲醇，且输出的甲醇温度达到自燃点，甲醇从第一气化管路输出后直接自燃；

气化的甲醇通过燃烧放热，为制氢设备提供启动能源；同时，第一气化管路输出的甲醇燃烧还为第二启动装置的第二气化管路加热，将第二气化管路中的甲醇气化；

待第二气化管路中输出气化的甲醇后，关闭第一启动装置，由第二启动装置的第二气化管路输出的甲醇为重整室加热，同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化；所述重整室内壁设有加热管路，加热管路内放有催化剂；所述快速启动装置通过加热所述加热管路为重整室加热；

步骤S2、系统启动后，制氢系统通过制氢设备制得的氢气提供运行所需的能源；待制氢系统运行制得足够的氢气，关闭快速启动装置，由制氢设备制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢设备运行；制氢过程具体包括：

所述液体储存容器中的甲醇和水通过原料输送装置输送至制氢设备的换热器换热，换热后进入气化室气化；气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室下部及中部温度为300℃～420℃；

所述重整室上部的温度为400℃～570℃；重整室与分离室通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室的上部，能通过重整室上部的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

所述分离室内的温度设定为350℃～570℃；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气；所述原料输送装置提供动力，将液体储存容器中的原料输送至制氢设备；所述原料输送装置向原料提供0.15～5MPa的压强，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强；所述制氢设备制得的氢气输送至膜分离装置进行分离，用于分离氢气的膜分离装置的内外压强之差大于等于0.7M Pa；所述膜分离装置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%；

所述制氢设备启动制氢后，制氢设备制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢设备运行。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的能快速启动的甲醇水制氢系统，可快速启动，通常只需10分钟以内；同时，制氢系统仅需要在启动开始阶段通过电能使加热棒为甲醇气化，消耗能量很少，通常2节电池便足够（本制氢系统可用于便于移动的小型制氢机）。因此本实用新型的实用性强，配合氢气发电机，可以供人们日常使用。

此外，通过提高原料输送装置的输送动力，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强，可提高制氢效率及制得氢气的纯度。

附图说明

图1为本实用新型能快速启动的甲醇水制氢系统的组成示意图。

图2为本实用新型制氢系统的快速启动装置的结构示意图。

图3为制氢设备及其加热管路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

实施例一

请参阅图1，本实用新型揭示了一种能快速启动的甲醇水制氢系统，所述系统包括：液体储存容器10、原料输送装置50、快速启动装置、制氢设备20、膜分离装置30。所述快速启动装置为制氢设备提供启动能源；所述快速启动装置包括第一启动装置40、第二启动装置60。

如图2所示，所述第一启动装置40包括壳体41、第一加热机构42、第一气化管路43，第一气化管路43的内径为1～2mm，第一气化管路43紧密地缠绕于第一加热机构42上；第一加热机构42可以为电加热棒，利用交流电或蓄电池、干电池即可。

所述第一气化管路43的一端连接液体储存容器10，甲醇被送入第一气化管路43中；第一气化管路43的另一端输出被气化的甲醇，而后通过点火机构点火燃烧；或者，第一气化管路43的另一端输出被气化的甲醇，且输出的甲醇温度达到自燃点，甲醇从第一气化管路43输出后直接自燃。

所述第二启动装置60包括第二气化管路，第二气化管路的主体设置于所述重整室内，第二气化管路为重整室加热（还可以为制氢系统其他单元加热）。第一气化管路43或/和第二气化管路输出的甲醇为重整室加热的同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化。

首先，需要第一气化管路43输出的甲醇加热第二气化管路，待第二气化管路可以持续产生气化的甲醇后设定时间，可以选择关闭第一启动装置40，而由第二气化管路输出的甲醇为第二气化管路加热；这样可以进一步减少对外部能源的依赖。

请参阅图3，为了提高制氢设备的加热速度，在所述制氢设备20的重整室内壁设有加热管路21，加热管路21内放有催化剂（如可以将加热温度控制在380℃～480℃）；所述快速启动装置40通过加热所述加热管路21为重整室加热，可以提高加热效率。

所述制氢系统启动后，制氢系统通过制氢设备制得的氢气提供运行所需的能源；此时，可以关闭快速启动装置。

以上介绍了本实用新型甲醇水制氢系统的组成，本实用新型在揭示上述制氢系统的同时，还揭示一种上述甲醇水制氢系统的制氢方法，所述方法包括如下步骤：

【步骤S1】快速启动步骤；所述制氢系统利用快速启动装置提供启动能源启动。具体包括：

第一启动装置的第一加热机构通电设定时间，待第一加热机构达到设定温度后向第一气化管路通入甲醇；由于第一气化管路紧密地缠绕于第一加热机构上，甲醇温度逐步升高；第一气化管路输出被气化的甲醇，而后通过点火机构点火燃烧；或者，第一气化管路输出被气化的甲醇，且输出的甲醇温度达到自燃点，甲醇从第一气化管路输出后直接自燃；

气化的甲醇通过燃烧放热，为制氢设备提供启动能源；同时，第一气化管路输出的甲醇燃烧还为第二启动装置的第二气化管路加热，将第二气化管路中的甲醇气化；

待第二气化管路中输出气化的甲醇后，关闭第一启动装置，由第二启动装置的第二气化管路输出的甲醇为重整室加热，同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化；所述重整室内壁设有加热管路，加热管路内放有催化剂；所述快速启动装置通过加热所述加热管路为重整室加热。

【步骤S2】系统启动后，制氢系统通过制氢设备制得的氢气提供运行所需的能源；待制氢系统运行制得足够的氢气，关闭快速启动装置；由制氢设备制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢设备运行。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，本实用新型甲醇水制氢系统包括：液体储存容器、原料输送装置、快速启动装置、制氢设备、膜分离装置。

所述制氢设备包括换热器、气化室、重整室；膜分离装置设置于分离室内，分离室设置于重整室内的上部。所述液体储存容器与制氢设备连接；液体储存容器中储存有液态的甲醇和水。

所述液体储存容器中的甲醇和水通过原料输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室下部及中部温度为300℃～420℃。所述重整室上部的温度为400℃～570℃；重整室与分离室通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室的上部，能通过重整室上部的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近。所述分离室内的温度设定为350℃～570℃；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。通过上述改进，可以分别保证重整室内催化剂的低温要求，以及分离室的高温要求，进而提高氢气制备效率；同时，本实用新型的预热方式（将分离室设置于重整室内的上部）非常便捷。

此外，所述原料输送装置提供动力，将液体储存容器中的原料输送至制氢设备；所述原料输送装置向原料提供0.15～5MPa的压强，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强。所述制氢设备制得的氢气输送至膜分离装置进行分离，用于分离氢气的膜分离装置的内外压强之差大于等于0.7M Pa。通过该改进，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强，可提高制氢效率及制得氢气的纯度。

所述制氢设备启动制氢后，制氢设备制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢设备运行，从而可以减少对外部能源的依靠，自适应能力强。

所述膜分离装置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%。本实用新型利用该钯膜分离装置，氢气的纯度更高。

本实用新型同时揭示一种上述甲醇水制氢系统的制氢方法，所述方法包括如下步骤：

【步骤S1】快速启动步骤；所述制氢系统利用快速启动装置提供启动能源启动。具体包括：

第一启动装置的第一加热机构通电设定时间，待第一加热机构达到设定温度后向第一气化管路通入甲醇；由于第一气化管路紧密地缠绕于第一加热机构上，甲醇温度逐步升高；第一气化管路输出被气化的甲醇，而后通过点火机构点火燃烧；或者，第一气化管路输出被气化的甲醇，且输出的甲醇温度达到自燃点，甲醇从第一气化管路输出后直接自燃；

气化的甲醇通过燃烧放热，为制氢设备提供启动能源；同时，第一气化管路输出的甲醇燃烧还为第二启动装置的第二气化管路加热，将第二气化管路中的甲醇气化；

待第二气化管路中输出气化的甲醇后，关闭第一启动装置，由第二启动装置的第二气化管路输出的甲醇为重整室加热，同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化；所述重整室内壁设有加热管路，加热管路内放有催化剂；所述快速启动装置通过加热所述加热管路为重整室加热。

【步骤S2】系统启动后，制氢系统通过制氢设备制得的氢气提供运行所需的能源；待制氢系统运行制得足够的氢气，关闭快速启动装置，由制氢设备制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢设备运行。

所述制备氢气的过程具体包括：

所述液体储存容器中的甲醇和水通过原料输送装置输送至制氢设备的换热器换热，换热后进入气化室气化；气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室下部及中部温度为300℃～420℃。所述重整室上部的温度为400℃～570℃；重整室与分离室通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室的上部，能通过重整室上部的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近。

所述分离室内的温度设定为350℃～570℃；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气；所述原料输送装置提供动力，将液体储存容器中的原料输送至制氢设备；所述原料输送装置向原料提供0.15～5MPa的压强，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强；所述制氢设备制得的氢气输送至膜分离装置进行分离，用于分离氢气的膜分离装置的内外压强之差大于等于0.7M Pa。所述膜分离装置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%。

所述制氢设备启动制氢后，制氢设备制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持制氢设备运行。

综上所述，本实用新型提出的能快速启动的甲醇水制氢系统，可快速启动，通常只需10分钟以内；同时，制氢系统仅需要在启动开始阶段通过电能使加热棒为甲醇气化，消耗能量很少，通常2节电池便足够（本制氢系统可用于便于移动的小型制氢机）。因此本实用新型的实用性强，配合氢气发电机，可以供人们日常使用。

此外，通过提高原料输送装置的输送动力，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强，可提高制氢效率及制得氢气的纯度。

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (4)

1.一种能快速启动的甲醇水制氢系统，其特征在于，所述系统包括：液体储存容器、原料输送装置、快速启动装置、制氢设备、膜分离装置；

所述快速启动装置为制氢设备提供启动能源；所述快速启动装置包括第一启动装置、第二启动装置；

所述第一启动装置包括第一加热机构、第一气化管路，第一气化管路缠绕于第一加热机构上；

所述第一气化管路的一端连接液体储存容器，通过原料输送装置将甲醇送入第一气化管路中；第一气化管路的另一端输出被气化的甲醇并燃烧；

所述制氢设备包括重整室；所述第二启动装置包括第二气化管路，第二气化管路的主体设置于重整室内，第一气化管路或/和第二气化管路输出的甲醇为重整室加热的同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化。

2.根据权利要求1所述的能快速启动的甲醇水制氢系统，其特征在于：

所述第一气化管路的另一端输出被气化的甲醇，并通过设置的点火机构点火燃烧；

或者，第一气化管路的另一端输出被气化并达到自燃点的甲醇，直接自燃。

3.根据权利要求1所述的能快速启动的甲醇水制氢系统，其特征在于：

所述重整室内壁包括设有催化剂的加热管路，所述快速启动装置通过加热所述加热管路为重整室加热。

4.根据权利要求1所述的能快速启动的甲醇水制氢系统，其特征在于：

所述膜分离装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置。

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