CN214031728U - 一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，包括接地的筒体，混合气流入口，设置在筒体内壁的螺旋形混合气体流道，气流出口，第一接线柱，第二接线柱，与第一接线柱相连悬空阴极电极座，悬空设置在筒体内部的变截面的滑移弧放电阴极电极，设置在筒体内部与第二接线柱相连的压电陶瓷和设置在筒体外部的励磁装置。本实用新型是为了解决制氢的成本和安全问题，采用磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢，无需在制氢过程中使用催化剂，而是利用等离子体中的自由电子的活化作用和高活性自由基来催进反应的有效进行，因此避免了催化剂失活和替换的技术及成本难题；在旋转滑移弧放电腔上形成气体流道的微流道，进一步提高反应效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及无机化学技术领域，具体涉及一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置。
背景技术
氢气是一种重要的资源，在石油化工领域，氢能是人类终极的洁净能源,氢气与氧气燃烧产生的排放产物是水(2H2+O2＝2H2O)，对环境不产生任何污染，同时氢气的燃烧值非常巨大，每千克氢气通过燃烧释放的热能为1.42*105KJ，是每千克汽油燃烧释放热能的3倍以上，特别是以氢为燃料的燃料电池技术的突飞猛进,使得纯电动汽车与燃料电池技术的有机结合，在零排放的前提下请动力驱动的机车成为可能。
人类对氢气资源的需求也将愈发广泛，但自然界的氢气资源非常稀少。人们在很早时期就发现利用金属在酸溶液中能够产生氢气，但氢气作为能源的利用成本非常高。2019年初，河南南阳市与某国内著名汽车制造企业联合发布的“加水即可驱动汽车行驶”的概念，实际上就是利用将铝粉与水混合，生成三氧化二铝(也就是大家熟知的明矾，沉淀物)和氢气。其化学反应式为:2A1+3H2O→Al203+3H2。专家稍微估算其实用成本约为：驱动汽车行驶以50km/小时的速度行驶 1千米需要花费约19元人民币。电解水也同样可以制氢，并且是非常古老制氢技术，方法简单，技术成熟，制氢装备的投资非常低。但其制氢的能耗却非常大，约为每标方氢气需要耗能约为5kWh(也就是5度电)。
目前工业界传统的制氢方式采用烃类重整制氢技术，通过甲烷、丙烷、石脑油重整制氢。工业界约有80％～85％制氢采用甲烷水蒸气催化重整制氢。其技术成熟度较高，制氢效率较高，并在工业上广泛采用。但其制氢装备的投资非常巨大，需要在3MPa压力下，反应温度约为800-1200℃，构用镍金属粉末催化剂，在工业生产的条件下，天然气(主要成分为甲烷)中含有少量的硫化氢和杂质气体，导致催化剂失活，且硫化氢在反应产生物中溶于水形成酸性溶液、对管道产生腐蚀，并在高压的作用下使得局部腐蚀出现不可逆转的灾难，这种传统制氢的氢气成本约为每标方氢气1.7元入民币(电费约为 0.33元/每度,如果采用1元/每度的电价,则需5元)。利用传统甲烷重整制氢技术生产的氢气，应用到氢动力汽车又面临氢气的存储和运输的难题。在标准大气压下，氢气的质量密度非常低，只有0.09g/L，在常温下(20℃)150个大气压条件下，200立方米的容积也只能承载1.7T的氢气。运输成本变得非常高,严重制约氢能源的利用。
除此之外高压氢气的运输过程的偶然泄漏都可能导致难以预防的重大灾难。如果能够找到一种投资较小、在加氢站附近即可低成本制氢的技术，就解决氢资源长途运输的成本和技术难题。电弧等离子体对甲烷(天然气)重整制氢技术在上世纪九十年代出现后，为低成本小规模就近制氢带来巨大的希望。等离子体技术具有能量密度高、反应效率高、结构非常简单、设备投资成本低、便于操作、且启停迅速、流程简单，因此在中小型制氢站具有独特的优势。并且可以通过多机并联运行的方式，形成大规模制氢的能力。
发明内容
本实用新型是为了解决制氢的成本和安全问题，采用磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢，无需在制氢过程中使用催化剂，而是利用等离子体中的自由电子的活化作用和高活性自由基来催进反应的有效进行，因此避免了催化剂失活和替换的技术及成本难题；在旋转滑移弧放电腔上形成气体流道的微流道，进一步提高反应效率。
本实用新型提供一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，包括接地的筒体，设置在筒体一侧的混合气流入口，与混合气流入口相连的设置在筒体内壁的螺旋形混合气体流道，设置在筒体另一侧的气流出口，设置在筒体一侧的第一接线柱，设置在筒体另一侧的第二接线柱，与第一接线柱相连悬空设置在筒体内部的阴极电极座，与阴极电极座相连的悬空设置在筒体内部的变截面的滑移弧放电阴极电极，设置在筒体内部与第二接线柱相连的压电陶瓷和设置在筒体外部的励磁装置；
筒体与第二接线柱相连成为滑移弧放电阳极；
混合气流入口用于甲烷混合水蒸气的流入；气流出口用于氢气、二氧化碳的流出；混合气体流道一端与气流入口相连，另一端设置在筒体内部，混合气体流道末端设置有多个分支，分支的出口设置在滑移弧放电阴极电极周围；
筒体包括接线空腔和与接线空腔相连的反应室，第一接线柱、第二接线柱和压电陶瓷设置在接线空腔内，阴极电极座穿过接线空腔伸入反应室，混合气流入口、混合气体流道、气流出口、滑移弧放电阴极电极设置在反应室，励磁装置设置在反应室外侧。
本实用新型所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，作为优选方式，反应室内壁上设置有用于催化的镍金属网。
本实用新型所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，作为优选方式，混合气流入口设置有第一热电偶。
本实用新型所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，作为优选方式，反应室上设置有位于气流出口一侧的采样出口。
本实用新型所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，作为优选方式，反应室上位于气流出口一侧设置有第二热电偶。
本实用新型所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，作为优选方式，混合气体流道的分支均匀分布。
本实用新型所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，作为优选方式，气流出口有至少有两个。
本实用新型所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，作为优选方式，滑移弧放电阴极电极为圆台形。
本实用新型所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，作为优选方式，励磁装置包括若干个铷铁硼永磁体。
本装置的使用方法为：甲烷水蒸气从磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置的混合气流入口进入筒体，经过气体流道进入反应室，在1500V高压作用下，筒体和滑移弧放电阴极电极间产生滑移弧，滑移弧击穿放电产生放电电流，同时励磁装置产生纵向磁场，放电电流在磁场的洛伦兹力作用下产生磁旋转并向上滑动形成非热平衡等离子体，非热平衡等离子体与甲烷水蒸气碰撞生成氢气和二氧化碳；反应式如下：
1、磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置的成本计算如下：
本系统每小时制氢量达到1kg()/h，平均每千克氢气的能耗约为 0.8度电，天然气的转换效率高于80％。每小时消耗甲烷的重量按照如下比例计算:
4H2:2CH4＝8:16＝1:2(g:g)
1kg氢气需要净2kg的甲烷气体质量,考虑甲烷的转化效率80％, 甲烷总消耗量约为2.5kg。每标方甲烷的成本约为2.0元人民币，一标方天然气的质量约为：
2.5kg质量的天然气是3.5标方的体积，成本约7元人民币。电价每度约1元,耗电0.8度约0.8元。去离子水的成本可以忽略不计。生产1kg氢气的净成本约为8元。
1标方氢气的质量约为:
1kg氢气的体积约为11.11标方，采用滑移弧水蒸气重整制氢技术分布式制氢的成本约为0.72元每标方氢气。远远低于经典常规高温高压制氢工艺每标方氢气成本1.7元,并且采用工业用电价格每度 1元。
ω＝1×B＝0.66×0.05＝0.033(arc degrees-1)＝0.32(rpm)
2、磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置的具体参数如下：
每小时甲烷气体的流量约为3.5标方，也就是58.33slm(标准大气压下每分钟58.33升)，出口定向流速约为400ms-1，气体大气密度约为2.0*1025m-3，温度400K，气体的静压:
PS＝nkT＝2×1025×1.38×10-23×400＝1.1×105(Pa)
气体流动的动压:
滑移弧出气通道的截面积约为s，通过输出的甲烷分子数流约为：
阳极与阴极间施加1500V的恒定高压，阳极接地。
气体击穿后放电电流增大，恒压电源的输出功率也必须增大。阴阳极间的放电电流约为660mA，恒压源的电功率的为1000W，工作1 小时耗电1度电(kWh)，滑移弧放电室内由铷铁硼永磁体产生500G 的纵向磁场，放电电流在磁场的洛伦兹力作用下，产生旋转。
旋转角频率约为阴阳极间电弧电流，受到阴阳极上电流的洛伦兹力作用而向上滑动，放电电场的降低(阴阳极间的放电距离增大,而恒压源的电压不变)，造成电弧电流的主要载流子电子与离子出现非热平衡现象。电弧的旋转使得电弧形成的电离区遍布整个电弧喷嘴内的气体区域。也就是电子在电场加速下其电子温度约为1-5eV，而离子受到电场加速的功率非常低,加热后的电子与离子、中性原子碰撞造成电子的能量损失较小，且从底部流出的气体受到电离作用气体温度上升，气体密度下降，电子与气体分子的碰撞频率也下降。电场对电子的加速作用更加明显，电子的温度上升的更快，形成电子温度远远大于离子和中性分子的温度，成为非热平衡的等离子体。
非热平衡等离子体在甲烷水汽重整过程中，能量电子(动能超过 1-5eV)碰撞甲烷分子，造成分子键CH断裂，并与氢氧健的断裂成分氧原子合成形成CO，CO继续与氢氧健断裂成分化合形成CO2，而在化学反应过程中，离子和分子的质量远远大于电子的质量，其运动速度较低，在化学反应过程中，只是将分子假定为静止不动的分子团，加热分子只会造成能量的额外消耗，并不增加化学反应速率。因此采用非热平衡的电弧等离子体是非常有助于节省重整过程的能量消耗。
滑移弧产生非热平衡电弧等离子体，只是将电子温度加热到 1-5eV，也就是10000-50000开氏度，但离子和中性气体分子的温度大致还保持约500-600开氏度，滑移弧的电离率约为5-10％。比经典高温高压制氢方式节省约一半的能源消耗。
另外电弧电子受到纵向磁场的约束，高温电子传递给阳极器壁的热流密度反比于纵向磁场，也是一个节省能量消耗的机制之一。电子在围绕纵向旋转过程中会更加高频地与气体分子碰撞，将分子激励到激发态，促进重整反应的高速进行。因此平均每一个氢气分子生成中所消耗的能量就较低。
分布式甲烷水汽重整制氢工艺中，恒压电源的功率约为1kW，是一个非常容易控制的设备，滑移弧放电电压初期约为1500V，起弧后等离子体的电导率增加，放电功率会加大,最大也只有1kW。在恒压电源上加载一个限流电阻，壁面恒压电源的过流，长期保持电源的安全运行。甲烷气体以一定压力流进减压阀，使得出口流量控制在 58.33slm。
本实用新型具有以下优点：
(1)本实用新型提供一套小型的磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，无需在制氢过程中使用催化剂，而是利用等离子体中的自由电子的活化作用和高活性自由基来催进反应的有效进行，因此避免了催化剂失活和替换的技术及成本难题；
(2)本实用新型提供的制氢系统采用清洁能源--电，成本低廉，污染小；且在电的选择方面，可以使用价格更低的波谷电或者光伏电，进一步降低成本；
(3)本实用新型使用方便，制氢效率高，能耗低，在甲烷部分氧化重整和甲烷裂解制氢方面，旋转滑动弧的重整效果明显优于传统刀片式滑动弧，在处理能力得到明显提升的同时，CH4转化率和H2选择性均明显升高；
(4)在旋转滑移弧放电腔上通过MEMS加工技术形成气体流道的微流道，控制甲烷水蒸气与滑移弧的反应速度，进一步提高反应效率。
附图说明
图1为一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置实施例1结构图；
图2为一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置实施例2结构图；
图3为一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置实施例3结构图。
附图标记：
1、筒体；11、接线空腔；12、反应室；2、混合气流入口；33、混合气体流道；4、气流出口；5、第一接线柱；6、第二接线柱； 7、阴极电极座；8、滑移弧放电阴极电极；9、压电陶瓷；A、励磁装置；A1、铷铁硼永磁体；B、第一热电偶；C、采样出口；D、第二热电偶。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，包括接地的筒体1，设置在筒体1一侧的混合气流入口2，与混合气流入口2相连的设置在筒体1内壁的螺旋形混合气体流道3，设置在筒体1 另一侧的气流出口4，设置在筒体1一侧的第一接线柱5，设置在筒体 1另一侧的第二接线柱6，与第一接线柱5相连悬空设置在筒体1内部的阴极电极座7，与阴极电极座7相连的悬空设置在筒体1内部的变截面的滑移弧放电阴极电极8，设置在筒体1内部与第二接线柱6相连的压电陶瓷9和设置在筒体1外部的励磁装置A；
筒体1与第二接线柱6相连成为滑移弧放电阳极；
混合气流入口2用于甲烷混合水蒸气的流入；气流出口4用于氢气、二氧化碳的流出；混合气体流道3一端与气流入口2相连，另一端设置在筒体1内部，由MEMS工艺加工而成，混合气体流道3末端设置有多个分支，分支的出口设置在滑移弧放电阴极电极8周围；
筒体1包括接线空腔11和与接线空腔11相连的反应室12，第一接线柱5、第二接线柱6和压电陶瓷9设置在接线空腔11内，阴极电极座7穿过接线空腔11伸入反应室12，混合气流入口2、混合气体流道3、气流出口4、滑移弧放电阴极电极8设置在反应室12，励磁装置A设置在反应室12外侧。
实施例2
如图2所示，一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，包括接地的筒体1，设置在筒体1一侧的混合气流入口2，与混合气流入口2相连的设置在筒体1内壁的螺旋形混合气体流道3，设置在筒体1 另一侧的气流出口4，设置在筒体1一侧的第一接线柱5，设置在筒体 1另一侧的第二接线柱6，与第一接线柱5相连悬空设置在筒体1内部的阴极电极座7，与阴极电极座7相连的悬空设置在筒体1内部的变截面的滑移弧放电阴极电极8，设置在筒体1内部与第二接线柱6相连的压电陶瓷9，设置在筒体1外部的励磁装置A，设置在混合气流入口2的第一热电偶B，设置在反应室12上位于气流出口4一侧的采样出口C和设置在反应室12上位于气流出口4一侧的第二热电偶D；
筒体1与第二接线柱6相连成为滑移弧放电阳极；筒体1包括接线空腔11和与接线空腔11相连的反应室12，第一接线柱5、第二接线柱6和压电陶瓷9设置在接线空腔11内，阴极电极座7穿过接线空腔11伸入反应室12，混合气流入口2、混合气体流道3、气流出口4、滑移弧放电阴极电极8设置在反应室12，励磁装置A设置在反应室 12外侧；反应室12内壁上设置有用于催化的镍金属网；
混合气流入口2用于甲烷混合水蒸气的流入；
混合气体流道3一端与气流入口2相连，另一端设置在筒体1内部，由MEMS工艺加工而成，混合气体流道3末端设置有多个分支，分支的出口设置在滑移弧放电阴极电极8周围；
气流出口4用于氢气、二氧化碳的流出；
滑移弧放电阴极电极8为圆台形；
励磁装置A包括至少一个铷铁硼永磁体A1。
实施例3
如图3所示，一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，包括接地的筒体1，设置在筒体1一侧的混合气流入口2，与混合气流入口2相连的设置在筒体1内壁的螺旋形混合气体流道3，设置在筒体1 另一侧的气流出口4，设置在筒体1一侧的第一接线柱5，设置在筒体 1另一侧的第二接线柱6，与第一接线柱5相连悬空设置在筒体1内部的阴极电极座7，与阴极电极座7相连的悬空设置在筒体1内部的变截面的滑移弧放电阴极电极8，设置在筒体1内部与第二接线柱6相连的压电陶瓷9，设置在筒体1外部的励磁装置A，设置在混合气流入口2的第一热电偶B，设置在反应室12上位于气流出口4一侧的采样出口C和设置在反应室12上位于气流出口4一侧的第二热电偶D；
筒体1与第二接线柱6相连成为滑移弧放电阳极；筒体1包括接线空腔11和与接线空腔11相连的反应室12，第一接线柱5、第二接线柱6和压电陶瓷9设置在接线空腔11内，阴极电极座7穿过接线空腔11伸入反应室12，混合气流入口2、混合气体流道3、气流出口4、滑移弧放电阴极电极8设置在反应室12，励磁装置A设置在反应室 12外侧；反应室12内壁上设置有用于催化的镍金属网；
混合气流入口2用于甲烷混合水蒸气的流入；
混合气体流道3一端与气流入口2相连，另一端设置在筒体1内部，由MEMS工艺加工而成，混合气体流道3末端设置有多个分支，分支的出口设置在滑移弧放电阴极电极8周围；
气流出口4用于氢气、二氧化碳的流出；气流出口4有至少有两个；
滑移弧放电阴极电极8为圆台形；
励磁装置A包括至少一个铷铁硼永磁体A1。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，其特征在于：包括接地的筒体(1)，设置在所述筒体(1)一侧的混合气流入口(2)，与所述混合气流入口(2)相连的设置在所述筒体(1)内壁的螺旋形混合气体流道(3)，设置在所述筒体(1)另一侧的气流出口(4)，设置在所述筒体(1)一侧的第一接线柱(5)，设置在所述筒体(1)另一侧的第二接线柱(6)，与所述第一接线柱(5)相连悬空设置在所述筒体(1)内部的阴极电极座(7)，与所述阴极电极座(7)相连的悬空设置在所述筒体(1)内部的变截面的滑移弧放电阴极电极(8)，设置在所述筒体(1)内部与所述第二接线柱(6)相连的压电陶瓷(9)和设置在所述筒体(1)外部的励磁装置(A)；
所述筒体(1)与所述第二接线柱(6)相连成为滑移弧放电阳极；
所述混合气流入口(2)用于甲烷混合水蒸气的流入；所述气流出口(4)用于氢气、二氧化碳的流出；所述混合气体流道(3)一端与所述气流入口(2)相连，另一端设置在所述筒体(1)内部，所述混合气体流道(3)末端设置有多个分支，所述分支的出口设置在所述滑移弧放电阴极电极(8)周围；
所述筒体(1)包括接线空腔(11)和与所述接线空腔(11)相连的反应室(12)，所述第一接线柱(5)、所述第二接线柱(6)和所述压电陶瓷(9)设置在所述接线空腔(11)内，所述阴极电极座(7)穿过所述接线空腔(11)伸入所述反应室(12)，所述混合气流入口(2)、所述混合气体流道(3)、所述气流出口(4)、所述滑移弧放电阴极电极(8)设置在所述反应室(12)，所述励磁装置(A)设置在所述反应室(12)外侧。
2.根据权利要求1所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，其特征在于：所述混合气流入口(2)设置有第一热电偶(B)。
3.根据权利要求1所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，其特征在于：所述反应室(12)上设置有位于所述气流出口(4)一侧的采样出口(C)。
4.根据权利要求1所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，其特征在于：所述反应室(12)上位于所述气流出口(4)一侧设置有第二热电偶(D)。
5.根据权利要求1所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，其特征在于：所述混合气体流道(3)的所述分支均匀分布。
6.根据权利要求1所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，其特征在于：所述气流出口(4)有至少有两个。
7.根据权利要求1所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，其特征在于：所述滑移弧放电阴极电极(8)为圆台形。
8.根据权利要求1所述的一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置，其特征在于：所述励磁装置(A)包括至少一个铷铁硼永磁体(A1)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202022641228.2U CN214031728U (zh) | 2020-11-16 | 2020-11-16 | 一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置 |
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| CN202022641228.2U CN214031728U (zh) | 2020-11-16 | 2020-11-16 | 一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置 |
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| CN202022641228.2U Active CN214031728U (zh) | 2020-11-16 | 2020-11-16 | 一种磁旋转非平衡滑移弧重整天然气制氢装置 |
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- 2020-11-16 CN CN202022641228.2U patent/CN214031728U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
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