CN208916818U - 一种铁粉制氢反应炉及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种铁粉制氢反应炉及装置，其中，铁粉制氢反应炉为卧式反应炉，包括圆筒形炉体，炉体具有进气端和出气端，进气端设有含氧蒸汽进口和磁铁粉排出口，出气端设有铁粉进口和氢气出口，炉体内安装有转轴，转轴与炉体之间密封设置，转轴上安装有沿轴向方向间隔开的多组叶片，组与组之间的叶片位置错开一角度，每组叶片包括沿周向间隔开的多个平板式叶片，平板式叶片上密布孔；炉体内还安装有靠近进气端的电加热器。铁粉制氢装置包括至少一个反应炉、铁粉原料罐、磁铁粉收集罐、供水罐、液氧罐、液氧气化器、水泵、雾化器、换热器和吸附过滤器。本实用新型体积小,用在潜艇上，每小时生产300方的装置需要的体积只有3立方米。

Description

一种铁粉制氢反应炉及装置

技术领域

本实用新型涉及一种铁粉制氢反应炉及装置。

背景技术

目前制取氢气的主要方法有：

1.电解水制氢

水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程,因此只要提供一定形式一定能量，则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75-85％，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。

2.矿物燃料制氢

以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气是主要的方法。该方法在我国都具有成熟的工艺，并建有工业生产装置。

A.以煤为原料制取氢气

在我国能源结构中，在今后相当长一段时间内，煤炭还将是主要能源。煤气化制氢是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物。气化剂为水蒸汽或氧所(空气)，气体产物中含有氢有等组份，其含量随不同气化方法而异。但是此方法投资大，污染物排放量大，耗水大，适合大规模氢气生产。

B.以天然气或轻质油为原料制取氢气

该法是在催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。反应在800-820℃下进行。有部分氢气来自水蒸汽。用该法制得的气体组成中，氢气含量可达74％(体积)，其生产成本主要取决于原料价格，我国轻质油价格高，制气成本贵，采用受到限制。大多数大型合成氨合成甲醇工厂均采用天然气为原料，催化水蒸汽转化制氢的工艺。以石油及天然气为原料制氢的工艺已十分成熟，但因受原料的限制目前主要用于制取化工原料。

在军用潜艇的AIP(空气隔绝推进系统)解决方案之一，氢燃料电池能够让潜艇长时间在水下航行不用换气，综合各种因素，各国都把燃料电池视为比较理想的潜艇的AIP系统。但是氢的供应和储存也是急需解决的关键，目前日本采用压力700BAR储氢系统，储存量不大，危险性高；德国开发了固体氢气储备技术，采用昂贵的金属铂钯，只能是实验室装置，无法大规模应用；存储量比较大的是液态氢，比如运载火箭这种极端要求下就是这样的。但液态氢也是密度很小的液体，要求存储罐体积很大，并且低温对存储罐的材料、加工要求很高，在潜艇里也无法使用。

发明内容

本实用新型旨在提供一种铁粉制氢反应炉及装置，以解决目前潜艇中氢的供应和储存问题。为此，本实用新型采用的具体技术方案如下：

根据本实用新型第一方面，提供了一种铁粉制氢反应炉，其特征在于：所述铁粉制氢反应炉为卧式反应炉，包括圆筒形炉体，所述炉体具有进气端和出气端，所述进气端设有含氧蒸汽进口和磁铁粉排出口，其中所述含氧蒸汽进口位于所述炉体顶部，且所述磁铁粉排出口位于所述炉体底部，所述出气端设有铁粉进口和氢气出口，所述铁粉进口位于所述炉体中下部，所述氢气出口位于所述炉体顶部，所述炉体内安装有转轴，所述转轴与所述炉体之间设置密封，所述转轴上安装有沿轴向方向间隔开的多组叶片，组与组之间的叶片位置错开一角度，每组叶片包括沿周向间隔开的多个平板式叶片，所述平板式叶片上密布孔；所述炉体内还安装有靠近进气端的电加热器。

进一步地，所述平板式叶片包括至少二个支腿和一矩形平板，所述支腿一端焊接于所述转轴，另一端固定于所述平板，所述平板上密布孔。

更进一步地，所述支腿在所述反应炉径向上的长度等于所述炉体半径的1/3至1/2，且所述平板在所述反应炉径向上的长度等于所述炉体半径的2/3至1/2。

更进一步地，所述孔的直径为6-10毫米，其之间的间距为1-2厘米。

进一步地，所述转轴上安装有四组叶片，每组叶片包括彼此相距120度的三个平板式叶片，组与组之间的叶片位置错开30度。

进一步地，所述炉体内还设有铁粉防漏挡板和磁铁粉溢出板，所述铁粉防漏挡板位于所述含氧蒸汽进口向所述出气端的一侧，所述磁铁粉溢出板位于所述磁铁粉排出口向出气端的一侧。

进一步地，所述炉体的保温层的厚度为5厘米。

进一步地，所述炉体和叶片由耐高温合金钢制成。

根据本实用新型第二方面，提供了一种铁粉制氢装置，其特征在于：所述铁粉制氢装置包括至少一个反应炉、铁粉原料罐、磁铁粉收集罐、供水罐、液氧罐、液氧气化器、水泵、雾化器、换热器和吸附过滤器，所述反应炉为如上所述的铁粉制氢反应炉，所述反应炉安装成使得所述出气端高于进气端，所述铁粉原料罐位于反应炉上方并通过一进料管与所述铁粉进口连通，所述磁铁粉收集罐位于反应炉下方并通过一排料管与所述磁铁粉排出口连通，所述供水罐、所述水泵、所述雾化器和所述换热器的第一介质入口依次连通，所述液氧罐、所述液氧气化器和所述换热器的第一介质入口依次连通，所述含氧蒸汽进口与所述换热器的第一介质出口连通，所述氢气出口与所述换热器的第二介质入口连通，所述换热器的第二介质出口与所述吸附过滤器的进气口连通，所述吸附过滤器的出气口与下游氢气用户连通。

进一步地，所述反应炉的数量为两个，一用一备。

进一步地，所述下游氢气用户为燃料电池，所述燃料电池的氧气进口与所述液氧气化器连通，并且其排水口与所述供水罐连通。

本实用新型采用上述技术方案，具有的有益效果是：本实用新型体积小,用在潜艇上，每小时生产300方的装置需要的体积只有3立方米，如储存10立方的铁粉，可提供30000方氢气，足够潜艇长时间运行,并且非常安全和环保,没有任何排放。

附图说明

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

图1是本实用新型的铁粉制氢反应炉的示意图；

图2是图1中的铁粉制氢反应炉的正视剖视图；

图3是图2中的转轴和叶片的侧视图；

图4是图2中的转轴和叶片的侧视图；

图5是本实用新型的铁粉制氢装置的示意图；

图6是图5中的铁粉制氢装置的部分设备布置图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

参照图1-3，描述一种铁粉制氢反应炉1(以下简称，反应炉)。反应炉为卧式反应炉，包括圆筒形炉体10，炉体10长3-5米,直径0.5-1米。炉体材料采用耐高温合金钢，工作温度在600-700℃,工作压力从常压到8BAR。炉体外有保温层50，厚度为5-10厘米。炉体包括进气端和出气端。在进气端，顶部设置有含有蒸汽进口110和铁粉防漏挡板120,铁粉防漏挡板120位于含氧蒸汽进口110向所述出气端的一侧；底部设置有磁铁粉排出口130和磁铁粉溢出板140，磁铁粉溢出板140位于磁铁粉排出口130向出气端的一侧。当然，在其它实施例中，铁粉防漏挡板120和磁铁粉溢出板140也可以省略。铁粉防漏挡板120在出气端，顶部设置有氢气出口150，中下部设置有铁粉进料口160。

炉体10内安装有转轴20，转轴20由电机30驱动。转轴20的转速在每分钟6-10转左右。转轴20与炉体30之间设置密封。转轴20上安装有沿轴向方向间隔开的多组叶片30(示出四组)，组与组之间的叶片40位置错开有一角度(示出为30度)，每组叶片包括沿周向间隔开的多个平板式叶片，平板式叶片40上密布孔41。在所示实施例中，每组共设三个叶片40,叶片相互夹角120度时有最佳效率，可以让铁粉充分抬高降落。当转轴30转动时,叶片40也随之转动,将在底部的铁粉逐步提升,随着叶片40抬高倾斜,铁粉从孔41下落,与水蒸汽接触。叶片40越高,铁粉降落距离越大,与水蒸汽反应时间越长。在炉体10内安装有靠近进气端的电加热器(未示出)，电加热器用于在装置启动时将炉体内的温度加热至所需反应温度(600度)。

如图4所示,叶片40采用耐高温合金钢制成，宽0.5-1米，长为炉体的半径，厚3-5毫米。外端为矩形平板42，径向方向的长度为炉体10半径的1/2，中间为空心，有至少2个连接钢片(支腿)43焊接在转轴20上。平板42上密布孔41，孔41直径6-10毫米，均匀分布，间距1-2厘米。应该理解，矩形平板42和支腿43的尺寸不限于所示实施例。优选地，所述支腿在所述反应炉径向上的长度等于所述炉体半径的1/3至1/2，且所述平板在所述反应炉径向上的长度等于所述炉体半径的2/3至1/2。

现简要说明一下本实用新型的铁粉制氢反应炉的工作原理。加热后的含氧水蒸气从含氧蒸气进口进入反应炉内，往出气端流动与降落的铁粉发生反应,吸收热量生成四氧化三铁粉末和氢气,同时氧气与铁粉反应生成氧化铁,不断产生热量使水蒸汽与铁粉继续反应,产生氢气，氢气往前流动,逐步加热铁粉,和水蒸汽在炉体上方积聚,由于氢气更轻,最上层的是最纯的氢气，氢气自身逐渐冷却后从氢气出口离开反应炉。同时，铁粉经过反应后的磁铁粉末朝向进气端缓慢移动，最后磁铁粉末从溢流板流出并经由磁铁粉排出口排出。

参照图1-6，描述本实用新型的铁粉制氢装置。所述铁粉制氢装置包括至少一个反应炉1、铁粉原料罐2、磁铁粉收集罐3、供水罐4、液氧罐5、液氧气化器6、水泵7、雾化器8、换热器9和吸附过滤器11。反应炉1为如上所述的铁粉制氢反应炉，这里不再重复描述。在优选实施例中，反应炉1为两个，如图6所示，一用一备，以确保连续生产。反应炉1倾斜一定角度安装在框架12的中间层上，使得其出气端高于进气端。铁粉原料罐2位于反应炉1上方(具体地，安装在框架12的上层上)并通过一进料管13与铁粉进口160连通。磁铁粉收集罐3位于反应炉1下方(具体地，安装在框架12的底层上)并通过一排料管14与磁铁粉排出口130连通。进料管13和排料管14上可设有相应阀门(未示出)，以控制进料量和排料量。阀门可以是球阀、闸板和蝶阀等。此外，阀门可以是自动的或手动的。供水罐4、水泵7、雾化器8和换热器9的第一介质入口依次连通，并且液氧罐5、液氧气化器6和换热器9的第一介质入口依次连通。含氧蒸汽进口110与换热器9的第一介质出口连通。因此，水经过水泵加压至需要的压力3-5BAR，然后经雾化器8雾化成水蒸气，与气化后的氧气混合,进入换热器9。在换热器9中,水蒸汽被回流的氢气加热成为热蒸汽后进入反应炉1内。同样地，氧气汽化器至换热器的管线上以及喷雾器至换热器的管线上分别设有相应流量控制阀，以调节进入反应炉的水蒸气和氧气量。氢气出口150与换热器9的第二介质入口连通，换热器9的第二介质出口与吸附过滤器11的进气口连通，并且吸附过滤器11的出气口与下游氢气用户(例如，燃料电池15或氢气储罐等)连通。吸附过滤器11用于去除少量的二氧化碳(例如通过内置的氧化钙(熟石灰))、颗粒物(例如通过内置滤网)和其他杂质等。

在下游氢气用户为燃料电池15的情况下，燃料电池15的氧气进口与液氧气化器6连通，并且其排水口与供水罐4连通。即，燃料电池15的氢气和氧气燃烧反应产生的水可以循环使用。燃料电池15产生的电力可以供给潜艇的AIP(空气隔绝推进系统)。

优选地，换热器9的第一介质出口经由磁铁粉收集罐3与含氧蒸汽进口110连通。因此，从换热器9离开的水蒸气能够由磁铁粉收集罐3中的高温磁铁粉进一步加热至所需反应温度，这一方面可以充分利用余热，另一方面可以冷却磁铁粉。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种铁粉制氢反应炉，其特征在于：所述铁粉制氢反应炉为卧式反应炉，包括圆筒形炉体，所述炉体具有进气端和出气端，所述进气端设有含氧蒸汽进口和磁铁粉排出口，其中所述含氧蒸汽进口位于所述炉体顶部，且所述磁铁粉排出口位于所述炉体底部，所述出气端设有铁粉进口和氢气出口，所述铁粉进口位于所述炉体中下部，所述氢气出口位于所述炉体顶部，所述炉体内安装有转轴，所述转轴与所述炉体之间设置密封，所述转轴上安装有沿轴向方向间隔开的多组叶片，组与组之间的叶片位置错开一角度，每组叶片包括沿周向间隔开的多个平板式叶片，所述平板式叶片上密布孔；所述炉体内还安装有靠近进气端的电加热器。

2.如权利要求1所述的铁粉制氢反应炉，其特征在于：所述平板式叶片包括至少二个支腿和一矩形平板，所述支腿一端焊接于所述转轴，另一端固定于所述平板，所述平板上密布孔。

3.如权利要求2所述的铁粉制氢反应炉，其特征在于：所述支腿在所述反应炉径向上的长度等于所述炉体半径的1/3至1/2，且所述平板在所述反应炉径向上的长度等于所述炉体半径的2/3至1/2。

4.如权利要求2所述的铁粉制氢反应炉，其特征在于：所述孔的直径为6-10毫米，其之间的间距为1-2厘米。

5.如权利要求1-4中的任一项所述的铁粉制氢反应炉，其特征在于：所述转轴上安装有四组叶片，每组叶片包括彼此相距120度的三个平板式叶片，组与组之间的叶片位置错开30度。

6.如权利要求1所述的铁粉制氢反应炉，其特征在于：所述炉体内还设有铁粉防漏挡板和磁铁粉溢出板，所述铁粉防漏挡板位于所述含氧蒸汽进口向所述出气端的一侧，所述磁铁粉溢出板位于所述磁铁粉排出口向出气端的一侧。

7.一种铁粉制氢装置，其特征在于：所述铁粉制氢装置包括至少一个反应炉、铁粉原料罐、磁铁粉收集罐、供水罐、液氧罐、汽化器、水泵、雾化器、换热器和吸附过滤器，所述反应炉为如权利要求1至6中的任一项所述的铁粉制氢反应炉，所述反应炉安装成使得所述出气端高于进气端，所述铁粉原料罐位于反应炉上方并通过一进料管与所述铁粉进口连通，所述磁铁粉收集罐位于反应炉下方并通过一排料管与所述磁铁粉排出口连通，所述供水罐、所述水泵、所述雾化器和所述换热器的第一介质入口依次连通，所述液氧罐、所述汽化器和所述换热器的第一介质入口依次连通，所述含氧蒸汽进口与所述换热器的第一介质出口连通，所述氢气出口与所述换热器的第二介质入口连通，所述换热器的第二介质出口与所述吸附过滤器的进气口连通，所述吸附过滤器的出气口与下游氢气用户连通。

8.如权利要求7所述的铁粉制氢装置，其特征在于：所述下游氢气用户为燃料电池，所述燃料电池的氧气进口与所述汽化器连通，并且其排水口与所述供水罐连通。