CN216336598U - 一种新型中闪制氢炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种新型中闪制氢炉，包括炉体、氢气烟道及燃料烟道，炉体内设有挡墙，挡墙将炉体分为加热室及裂解室，氢气烟道与裂解室连通，燃料烟道与加热室连通，炉体底部设有熔体层，挡墙上设有连通加热室及裂解室的通道，通道位于所述熔体层的液面以下，加热室的侧壁或底部设有浸入式烧嘴，浸入式烧嘴的出口设于加热室内的熔体层中，所述裂解室的侧壁或底部设有天然气喷枪，天然气喷枪的出口设于裂解室内的熔体层中。本实用新型所述的新型中闪制氢炉在现有技术的基础上，通过隔离加热空间和裂解空间，可以达到以低成本、低碳排放生产较高纯度氢气的目的并能实现大规模工业化生产氢气的目标。

Description

一种新型中闪制氢炉

技术领域

本实用新型属于天然气制氢领域，尤其是涉及一种新型中闪制氢炉。

背景技术

氢气不仅是一种"洁净"的能源，也是一种十分重要的工业原料，它广泛应用于石油、化工、电子、冶金、油脂、航天、轻工业等领域。

天然气的主要成分是甲烷，在工业上一个重要的应用是制氢。但目前主流的以天然气为原料大规模制取氢气的工艺，存在着催化剂失活、效率不高、氢气生产成本高及二氧化碳排放量大的问题，影响产能的进一步扩大。

为解决上述问题，研究人员新近开发了甲烷裂解制氢的技术工艺，该工艺不用固体催化剂、生产成本低、效率高。但甲烷裂解需要吸收大量的热量，该工艺若想工业化应用，则需要提供大量的燃料燃烧为裂解过程补热，而燃烧势必会产生大量的烟气，从而会降低制得的氢气的浓度，增加后续氢气提纯的成本和难度。

因而，在吸收现有甲烷裂解技术工艺优点的基础上，开发一种可以得到较高纯度氢气并能实现大规模产业化的新型的甲烷裂解制氢工艺和装备就成为一个亟待解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种新型中闪制氢炉，以实现低成本、高效、零碳排放的制氢目标。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种新型中闪制氢炉，包括炉体、氢气烟道及燃料烟道。

所述炉体内设有挡墙，所述挡墙将炉体分为加热室及裂解室，其中加热室与裂解室的上段完全隔开，仅保持下段熔体层相互连通，所述氢气烟道与裂解室连通，裂解产生的氢气从氢气烟道排出炉体，所述燃料烟道与加热室连通，燃料与氧气燃烧产生的烟气通过燃料烟道排出炉体，氢气烟道及燃料烟道两个烟道互相隔离，可以大幅度提高进入氢气烟道中的氢气的纯度，降低后续烟气处理的难度。

所述炉体底部设有熔体层，所述挡墙上设有连通加热室及裂解室的通道，所述通道位于所述熔体层的液面以下，熔体层的熔体通过挡墙上的通道可以在加热室及裂解室之间流动，另外，通道可以有若干个，但须设置在熔体层液面以下，以保证加热室与裂解室位于熔体层以上的空间互不连通。

所述加热室的侧壁或底部设有浸入式烧嘴，所述浸入式烧嘴的出口设于所述加热室内的熔体层中，浸入式烧嘴可以有若干个，用于将燃料与氧气喷入炉体内，燃料与氧气在炉体内充分燃烧放热，通过对流、传导及辐射的方式使熔体层温度升高至1000-1600℃，为甲烷裂解提供高温环境。

所述裂解室的侧壁或底部设有天然气喷枪，所述天然气喷枪的出口设于所述裂解室内的熔体层中，天然气喷枪可以有若干个，用于向熔体层中上部喷入天然气，天然气中的烷烃(主要是甲烷)迅速裂解为氢气和炭黑，氢气从氢气烟道排出，而炭黑浮在熔体层上形成炭黑层。

进一步地，所述加热室的侧壁或底部设有加料装置，加料装置用于向炉体内添加熔体、渣料或裂解催化剂等固态或液态原料。

进一步地，所述裂解室的侧壁设有炭黑抽取装置，所述炭黑抽取装置在裂解室侧壁的安装位置高于熔体层液面，当炭黑层积累至一定的厚度时，通过炭黑抽取装置把炭黑抽出炉外。

进一步地，所述天然气喷枪的出口位置高于所述浸入式烧嘴的出口位置，浸入式烧嘴出口设置在熔体层偏底部的位置，以便产生的热量通过自然对流的方式传递至熔体层的中上部。天然气喷枪的出口设置在熔体层内，高于浸入式烧嘴的出口位置，以使甲烷的裂解反应能吸收到足够的热量。

进一步地，所述天然气喷枪的出口位置高于所述通道的上端，可以使天然气喷枪喷入的气流在侧面被挡墙遮挡，防止有天然气原料或者裂解产生的氢气进入加热室，避免原料气或产品气的浪费。

进一步地，所述加热室的底部低于所述裂解室的底部，由于裂解室的相对位置更高，方便加热室的高温熔体通过自然对流的方式进入裂解室，向裂解室传递热量。

进一步地，所述浸入式烧嘴出口位置低于所述裂解室的底部，浸入式烧嘴的出口设置在加热室的底部，方便加热后的熔体通过对流方式进入位置更高的裂解室，从而为甲烷裂解提供充足的热量。

进一步地，所述裂解室底部设有排渣口，当熔体层的催化活性降低时，通过排渣口从炉体中放出熔体，同时或随后通过加料装置向炉体内加入熔体层原料。

进一步地，所述挡墙采用导热系数大于100W/(m·k)的耐高温材料制成，优选地，所述挡墙的材质为氧化铍、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化镁中的一种或多种的组合。

进一步地，所述浸入式烧嘴内设有多个通道，至少一个通道用于向炉体内喷入氧气，一个通道用于通入冷却介质，用于冷却烧嘴，冷却介质可以是冷空气、冷水，且至少一个通道用于向炉体内喷入燃料，燃料可以是氢气、天然气、轻油、重油、煤粉、粉焦等，优选氢气，以降低碳排放。另外，浸入式烧嘴也可由燃料喷枪及氧枪组合而成，通过控制注入炉体内的燃料与氧气的量可以控制熔体层的温度。

本发明创造所述的中闪制氢炉的工作原理如下：

氧气和燃料通过浸入式烧嘴喷入加热室下部的熔体中，氧气与燃料充分燃烧并放出热量，把熔体温度加热到1000℃以上。加热后的熔体主要通过对流的方式向裂解室传热。氧气与燃料燃烧的烟气经燃料烟道排出炉外。

同时，向裂解室下部的熔体内喷入天然气。天然气进入熔体后，其中的烷烃(主要是甲烷)迅速裂解为氢气和炭黑，甲烷在熔体中发生如下化学反应：

CH₄→C+2H₂

生成的高温氢气经氢气烟道排出炉外，而生成的固态小颗粒的炭黑上浮至熔体层表面，形成炭黑层；当炭黑层积累至一定的厚度时，通过炭黑抽取装置把炭黑抽出炉外。

当熔体的催化活性降低时，可通过排渣口从炉体中放出熔体，同时或随后通过加料装置向熔体内加入含催化剂成分的熔体。

本实用新型所述的新型中闪制氢炉也称为中闪Ⅱ型制氢炉，相对于现有技术，具有以下优势：

(1)中闪Ⅱ型制氢炉以天然气为原料，通过分离裂解产物炭黑及氢气的方法，可以实现以低成本、低碳排放或零碳排放大规模工业化生产氢气的目标。

(2)中闪Ⅱ型制氢炉炉体内的熔体层为液态熔体，熔体层还含有催化烷烃裂解的有效成分，为甲烷裂解反应提供了一个良好的高温催化环境，甲烷进入熔体层后，与熔融状的催化剂充分接触，迅速升温并发生裂解反应，相对于传统甲烷催化的气固接触(采用固体催化剂)，比表面积大了几个数量级，因而使甲烷的催化效率和转化率成倍增长，还使单位空间的处理量有了较大的提升，从而使单位氢气的生产成本和投资大大降低。

(3)中闪Ⅱ型制氢炉的排渣口及加料装置的设计可实现催化剂的动态可替换，催化剂活性降低时，可通过排渣口排出熔体层，同时或随后通过加料装置向炉体内加入催化剂成分。

(4)中闪Ⅱ型制氢炉巧妙地设计了加热室与裂解室，使其在空间相互隔绝，但在熔体内又相互连通，一方面使燃烧产生的烟气与裂解产生的氢气相互分离，提高了制得氢气的纯度，另一方面，使加热室燃烧产生的热量可以通过熔体对流之类的方式传递到裂解室，保证了裂解反应的持续进行。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例1所述的中闪制氢炉的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2所述的中闪制氢炉的结构示意图。

附图标记说明：

1、炉体；2、熔体层；3、加料装置；4、浸入式烧嘴；5、天然气喷枪；6、炭黑抽取装置；7、挡墙；8、加热室；9、裂解室；10、炭黑层；11、氢气烟道；12、燃料烟道；13、排渣口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

实施例1

本实用新型中的新型中闪制氢炉，包括炉体1、熔体层2、加料装置3、浸入式烧嘴4、天然气喷枪5、烟道、炭黑抽取装置6、氢气烟道11及燃料烟道12，

炉体1内设有挡墙7，挡墙7采用导热系数大于100W/(m·k)的耐高温材料制成，挡墙7将炉体1分为加热室8及裂解室9，挡墙7的上下两端与炉体1上下两端固接，中部设有连通加热室8及裂解室9的通道。

氢气烟道11与裂解室9顶部连通，燃料烟道12与加热室8顶部连通，氢气烟道11与燃料烟道12两者之间互不连通。裂解室9底部设有排渣口13，熔体层2设于炉体1底部，熔体层2的液面高于通道上端，加料装置3与加热室8侧壁连通，位于熔体层2液面以上。

炭黑抽取装置6与裂解室9上段侧壁连通，炭黑抽取装置6的入口位置高于熔体层2液面。浸入式烧嘴4的出口设于加热室8内的熔体层2中，浸入式烧嘴4为3通道结构，一个通道喷入氧气，一个通道为氢气，一个通道为水冷。天然气喷枪5的出口设于裂解室9内的熔体层2中，天然气喷枪5的出口位置高于浸入式烧嘴4的出口位置，浸入式烧嘴4有若干个，浸入式烧嘴4出口设置在熔体层2偏底部的位置，天然气喷枪5也有若干个，天然气喷枪5的出口设置在熔体层2内，高于浸入式烧嘴4的出口位置。

本实施例中的中闪制氢炉的工作流程如下：

氧气和氢气通过氢氧浸入式烧嘴4喷入加热室8内的熔体层2中，氧气与氢气充分燃烧并放出热量，把加热室8内的熔体温度加热到1500℃以上。加热后的熔体通过连通的通道，向裂解室9中的熔体传热，使裂解室9的熔体层2维持在1200℃-1500℃的高温熔融状态。

同时，向裂解室9的熔体层2内喷入天然气。天然气进入熔体后，其中的烷烃迅速裂解为氢气和炭黑，生成的氢气经氢气烟道11排出炉外，生成的炭黑上浮至熔体上部，形成炭黑层10。当炭黑层10积累至一定的厚度时，通过炭黑抽取装置6把炭黑抽出炉外。

氢氧浸入式烧嘴4是一种特殊的氧燃喷枪，向熔体内喷入氧气(或空气)及氢气，燃烧放热但不产生碳排放，因而可以做到净零制氢。

实施例2

与实施例1的区别在于：实施例2中的加热室8的底部低于裂解室9的底部，浸入式烧嘴4的出口位置低于裂解室9的底部，挡墙7的下端不与炉体1的底部固接，而与炉体1的底部之间留有通道；上述不同的设置使浸入式烧嘴4加热的熔体位置更低，便于加热后的熔体通过对流的方式向位置更高的裂解室9传热。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型中闪制氢炉，其特征在于：包括炉体、氢气烟道及燃气烟道，

所述炉体内设有挡墙，所述挡墙将炉体分为加热室及裂解室，所述氢气烟道与裂解室连通，所述燃气烟道与加热室连通，

所述炉体底部设有熔体层，所述挡墙上设有连通加热室及裂解室的通道，所述通道位于所述熔体层的液面以下，

所述加热室的侧壁或底部设有浸入式烧嘴，所述浸入式烧嘴的出口设于所述加热室内的熔体层中，

所述裂解室的侧壁或底部设有天然气喷枪，所述天然气喷枪的出口设于所述裂解室内的熔体层中。

2.根据权利要求1所述的新型中闪制氢炉，其特征在于：所述加热室的侧壁或底部设有加料装置。

3.根据权利要求1所述的新型中闪制氢炉，其特征在于：所述裂解室的侧壁设有炭黑抽取装置，所述炭黑抽取装置在裂解室侧壁的安装位置高于熔体层液面。

4.根据权利要求1所述的新型中闪制氢炉，其特征在于：所述天然气喷枪的出口位置高于所述浸入式烧嘴的出口位置。

5.根据权利要求1所述的新型中闪制氢炉，其特征在于：所述天然气喷枪的出口位置高于所述通道的上端。

6.根据权利要求1所述的新型中闪制氢炉，其特征在于：所述加热室的底部低于所述裂解室的底部。

7.根据权利要求6所述的新型中闪制氢炉，其特征在于：所述浸入式烧嘴出口位置低于所述裂解室的底部。

8.根据权利要求1所述的新型中闪制氢炉，其特征在于：所述裂解室的侧壁或底部设有排渣口。

9.根据权利要求1所述的新型中闪制氢炉，其特征在于：所述挡墙的导热系数大于100W/(m·k)。

10.根据权利要求1所述的新型中闪制氢炉，其特征在于：所述浸入式烧嘴内设有多个通道，至少一个通道用于向炉体内喷入氧气，且至少一个通道用于向炉体内喷入燃料。

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