CN217650902U - 即时制氢快速加热体系 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种即时制氢快速加热体系，包括加热室，该加热室内设有燃烧加热装置，该燃烧加热装置上方设置有汽化器、重整器和氢气分离器模块，所述汽化器上设置有汽体出口和气液出口，其中所述汽体出口连接所述重整器和氢气分离器模块的进气口，所述气液出口通过醇汽燃料阀连接所述燃烧加热装置的燃料进口；所述燃烧加热装置用于加热所述汽化器和重整分离模块。本实用新型的有益效果是：在制氢系统冷启动的初始阶段，汽化器内被加热的甲醇水或其混合蒸汽再度通入燃烧加热装置，燃料自身的热量和燃烧化学能释放，起到循环加热效果，加快了甲醇水或其混合蒸汽的消耗和整个系统的热量积累，与现有技术相比，缩短冷启动时间，并摆脱对外部能源的依赖或降低依赖度。

Description

即时制氢快速加热体系

技术领域

本实用新型涉及甲醇制氢技术领域，具体涉及一种即时制氢快速加热体系。

背景技术

氢能是一种清洁可再生的二次能源，但当前受限于氢气的存储运输难题，氢气的利用并不广泛。科技界认为，由于甲醇是富含氢气的载体并且易于储存运输，甲醇与水重整即时制氢是一种将甲醇转化为氢能加以利用的方式。甲醇水重整制氢的技术核心一般包括汽化、催化裂解和氢气分离等几个步骤。目前已经有一些试验性项目在进行研究，但整个样机系统体积庞大、冷启动慢、效率低，远不能满足使用要求。其中，整个系统冷启动慢的主要原因在于，由于整个反应过程需要在较高的温度下进行，因此初期将整个系统的温度升高到设计温度，需要消耗较多热量。公布号为CN111056533A的专利文献公开了一种快速启动的甲醇水重整制氢系统及方法，通过将甲醇水储存容器中的甲醇水原料经管道送至启动器的甲醇水定量汽化器，在电加热器的作用下加热汽化，然后进入重整器重整反应，再进入纯化器进行氢气分离，氢气通过热交换器对低温醇水进行加热回收余热，含氢余气则通入燃烧室作为燃料燃烧，为整个重整器进行加热。这种制氢系统的冷启动阶段极大地依赖于电加热器的加热效率，因此整个系统功率难以做大，并且启动阶段还需要消耗外部储能电能。本申请的实用新型人针对现有技术制氢系统的不足进行研究，改进了系统设计，以期实现快速启动。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种即时制氢快速加热体系，以汽化器流出的甲醇水或混合蒸汽作为燃料对反应模块进行加热，以实现反应模块的快速升温，使整个系统快速冷启动，进入制氢状态时间大大减少。

为实现上述目的，本实用新型技术方案如下：

一种即时制氢快速加热体系，其关键在于，包括加热室，该加热室内设有燃烧加热装置，该燃烧加热装置上方设置有汽化器、重整器和氢气分离器模块，所述汽化器上设置有汽体出口和气液出口，其中所述汽体出口连接所述重整器和氢气分离器模块的进气口，所述气液出口通过醇汽燃料阀连接所述燃烧加热装置的燃料进口；

所述燃烧加热装置用于加热所述汽化器和重整器和氢气分离器模块。

作为优选，上述加热室底部设有空气入口，所述加热室上部侧壁设有排气口。

作为优选，上述汽化器包括汽化部和预热部，其中所述预热部包括预热管，该预热管以盘旋线方式弯曲延伸，从而形成整体呈空心柱状的预热部，所述预热管所围绕的空间区域用于容纳燃烧加热装置；

所述汽化部包括汽化管，该汽化管弯曲设置在所述汽化部上端，该汽化管位于所述燃烧加热装置正上方，该汽化管的液体进口与所述预热管的液体出口连接。

作为优选，上述汽化管以其一端为中心向外呈渐开线弯曲延伸，从而形成所述汽化部，所述汽化管的内端形成所述汽化部的气体出口，所述汽化管的外端形成所述汽化部的液体进口；

所述汽化管的管心线位于同一水平面内。

作为优选，上述汽化管以螺旋渐开线方式弯曲延伸。

作为优选，上述汽化部的气体出口处设置有醇汽分配器，该醇汽分配器位于所述汽化部上方，该醇汽分配器上有两个出口，分别形成所述汽化器的汽体出口和汽液出口；

所述醇汽分配器的汽体出口处设置有气体导通阀，该气体导通阀仅允许气体流入所述重整器和氢气分离器模块。

作为优选，上述燃烧加热装置包括加热炉，该加热炉包括燃烧管和燃料暂存腔室，所述燃烧管上表面开设有喷火孔；

所述燃烧管与燃料暂存腔室之间连接有供液管，所述供液管的一端与所述燃料暂存腔室连通，另一端与所述燃烧管连通；

所述供液管至少部分经过所述燃烧管正上方。

作为优选，上述燃烧管和燃料暂存腔室均呈环状结构，二者同心设置，所述燃烧管上端面分布有所述喷火孔；

所述燃料暂存腔室上端高于所述燃烧管上端面，所述供液管倾斜设置，其上端连接所述燃料暂存腔室上部，其下端连接所述燃烧管。

作为优选，上述加热炉还包括储液槽，该储液槽上方设有所述燃烧管和燃料暂存腔室，所述储液槽用于盛接自所述喷火孔溢出的液体燃料。

作为优选，上述醇汽燃料阀上设置有控制流道；

所述加热体系还包括醇气混合器，该醇气混合器设置有第一进气口和第二进气口，其中第一进气口连接所述醇汽燃料阀的控制流道的出口，其中第二进气口用于连接另一燃料供应装置。

本实用新型的有益效果是：在制氢系统冷启动的初始阶段，甲醇水作为初始燃料送入燃烧加热装置，释放的热量对汽化器加热，汽化器内被加热的甲醇水或其混合蒸汽再度通入燃烧加热装置，燃料自身的热量和燃烧化学能释放，起到循环加热效果，这一燃烧状态加快了甲醇水或其混合蒸汽的消耗和整个系统的热量积累，有助于加热室快速升温，系统快速进入制氢状态，与现有的电加热或油浴加热方式相比，极大地缩短冷启动时间，并摆脱对外部能源的依赖或降低依赖度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为汽化器的结构示意图；

图3为图2中A-A剖视图；

图4为气体导通阀的结构示意图；

图5为程控阀总成的结构示意图；

图6为燃烧加热装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种即时制氢快速加热体系，包括加热室，该加热室内设有燃烧加热装置800，该燃烧加热装置800上方设置有汽化器200和重整分离模块，所述汽化器200上设置有汽体出口和气液出口，其中所述汽体出口连接所述重整分离模块的进气口，所述气液出口通过醇汽燃料阀760连接所述燃烧加热装置800的燃料进口。所述燃烧加热装置800用于加热所述汽化器 200和重整分离模块。

在燃烧加热装置800处，由于火焰温度较高，可达800℃以上，甲醇在高温下可以自然裂解产生氢气，而氢气的热值较甲醇热值更高，并且氢气密度较小更易上升，因此可以使燃烧火焰温度进一步升高并使火焰上窜，提高对加热室的加热效果。由于氢气燃烧释放的热量更高，热量的集中释放对汽化器200的升温效果更明显，而汽化器200内被加热的甲醇水或其混合蒸汽再度通入燃烧加热装置800，燃料自身的热量和燃烧化学能再度释放，起到循环加热效果。总体来看，这一燃烧状态加快了甲醇水或其混合蒸汽的消耗和整个系统的热量积累，因此加热效果好，有助于加热室快速升温，系统快速进入制氢状态，与现有的电加热或油汀加热方式相比，极大地缩短冷启动时间，并摆脱对外部能源的依赖或降低依赖度，并且由于氢气的能量密度大，比纯甲醇燃烧加热节约能源。

在800℃以上和一定压力状态下，甲醇水中30％的水还会部分自然裂解生成氢气和氧气，氢气是燃烧气体，氧气是助燃剂，更大提高氢气等燃烧物的供氧量，所以本燃烧系统在正常状态下主要是燃烧的氢气，且有部分水裂解的氧气助燃，降低了本系统的能源消耗。

所述加热室底部设有空气入口，所述加热室上部侧壁设有排气口。所述重整分离模块包括重整器300和分离器400，所述重整器300包括一组重整管，所有重整管在同一平面内排布，形成平面网状的重整器300。所述重整器300 和分离器400自下而上地依次设置在所述汽化器200上方。

加热过程中，热气向加热室上部升起，由于加热室顶部限制热气流动，使热气再转向从加热室上部侧壁的排气口排出，从而使得热气对汽化器200 和重整分离模块充分加热。

为进一步提高甲醇水的升温和汽化效果，如图2和3所示，所述汽化器 200包括汽化部220和预热部210，其中所述预热部210包括预热管，该预热管以盘旋线方式弯曲延伸，从而形成整体呈空心柱状的预热部210，所述预热管所围绕的空间区域用于容纳燃烧加热装置800。预热管靠近所述汽化部220 的一端与汽化部220的液体进口通过连接管平滑过渡连接，所述预热管远离所述汽化部220的一端形成进液口。进液口处设置有进液接头。

所述汽化部220包括汽化管，该汽化管弯曲设置在所述汽化部220上端，该汽化管位于所述燃烧加热装置800正上方，该汽化管的液体进口与所述预热管的液体出口连接，该燃烧加热装置800加热所述汽化部220并预热所述预热部210。

所述汽化管以其一端为中心向外呈渐开线弯曲延伸，从而形成所述汽化部220，所述汽化管的内端形成所述汽化部220的气体出口，所述汽化管的外端形成所述汽化部220的液体进口。所述汽化管的管心线位于同一水平面内，以使其受热均匀。这样设计的原因在于，在使用高温气体对汽化部220进行加热时，一般情况下加热区域中心的温度最高，而边缘温度最低，因此液体进入汽化管后，由边缘向中心流动，从而被充分加热，并保证加热管出口处温度最高，保证醇水充分汽化。

为减小汽化管的弯曲度，降低流体流动阻力，所述汽化管以螺旋渐开线方式弯曲延伸。这种排布方式也可以尽可能地增加单位面积内汽化管的排布密度，从而使醇水在汽化管内的流动距离尽可能长。

所述汽化部220的气体出口处设置有醇汽分配器230，该醇汽分配器230 位于所述汽化部220上方，该醇汽分配器230上有两个出口，分别形成所述汽化器200的汽体出口和气液出口。所述醇汽分配器230的汽体出口处设置有气体导通阀，该气体导通阀仅允许气体向上流入所述重整分离模块。

如图4所示，醇汽分配器230包括分配器壳体231，分配器壳体231与汽化管的出口连接，分配器壳体231顶部连接有气体导通阀的阀筒232，该阀筒 232竖向设置。分配器壳体231内设置有浮动式阀芯233，浮动式阀芯233具有封闭的内腔，以增大浮力。浮动式阀芯233与阀筒232的下端以球面配合，形成阀体流道密封面。浮动式阀芯233与分配器壳体231底壁之间设置有竖向导向机构。

气体导通阀的单相导通原理为：气体导通阀在自然状态下处于导通状态，气体可自由流过。当分配器壳体231内部集聚液体达到一定量时，浮力使得浮动式阀芯233上浮，从而使阀体流道密封面关闭。由于甲醇重整器300内严禁液体进入，因此气体导通阀可以作为物理开关，防止异常情况下醇水液体流入重整器300。

为进一步提高燃烧热量释放和加热效果，所述燃烧加热装置800包括加热炉，该加热炉包括燃烧管和燃料暂存腔室，所述燃烧管上表面开设有喷火孔。所述燃烧管与燃料暂存腔室之间连接有供液管，所述供液管的一端与所述燃料暂存腔室连通，另一端与所述燃烧管连通。所述供液管至少部分经过所述燃烧管正上方。

所述燃烧管和燃料暂存腔室均呈环状结构，二者同心设置，所述燃烧管上端面分布有所述喷火孔。所述燃料暂存腔室上端高于所述燃烧管上端面，所述供液管倾斜设置，其上端连接所述燃料暂存腔室上部，其下端连接所述燃烧管。

所述加热炉还包括储液槽，该储液槽上方设有所述燃烧管和燃料暂存腔室，所述储液槽用于盛接自所述喷火孔溢出的液体燃料。储液槽槽底上竖向贯穿有进气管。

制氢系统冷启动初期，自汽化器200的气液出口流出的甲醇水进入燃料暂存腔室，再经过供液管送入燃烧管。加热炉点燃后，即对加热室进行加热。来不及燃烧的甲醇水液体溢出到储液槽内，也可以在储液槽内被点燃。加热炉点燃后，高温火焰对燃料暂存腔室、供液管内的液体或气液混合气进行预热，使其以更高的温度在喷火孔处被点燃。并且，被加热的甲醇蒸汽在高温下更容易发生自然裂解产生氢气，因而有助于提高燃烧火焰的温度。

醇汽燃料阀760上设置有控制流道，用于控制通入燃烧加热装置800的甲醇水或其混合蒸汽的流量。

一种采用本加热体系的制氢系统如下：

如图1所示，一种制氢系统，除包括上述加热体系，还包括醇水供应装置100，醇水供应装置100的醇水出口连接所述汽化器200的进液口。分离器400可以是钯膜管，在分离器400内甲醇重整后的混合气体中氢气被分离，分离氢气后的余气为尾气，尾气中有少部分甲醇蒸汽、甲烷、少量一氧化碳和少量氢气等。分离器400上设置有氢气出口和尾气出口。其中氢气出口连接氢气降温装置600，氢气降温装置600采用热交换方式对氢气降温；尾气出口连接尾气处理装置500，尾气处理装置500采用热交换方式对尾气进行降温，以使其中的部分水液化排出。氢气降温装置600和尾气处理装置500均使用低温的甲醇水作为冷却液，这样可以对从醇水供应装置100流出的甲醇水进行预热升温，再通入汽化器200进行汽化。

制氢系统还包括用于控制整个系统各装置之间流体流量的程控阀总成 700。如图5所示，程控阀总成700除包括醇汽燃料阀760外，还包括醇水总阀710、尾气外排阀720、尾气燃料阀730、外炉燃料阀740、内炉燃料阀750、汽化器供液阀770和醇气混合器780。程控阀总成700内各个程控阀的结构相同。

程控阀总成700中各程控阀安装位置为：

如图1，醇水供应装置100的醇水出口连接醇水总阀710的控制流道进口，醇水总阀710的控制流道出口连接尾气处理装置500的冷却液进口，以控制通入尾气处理装置500的甲醇水的流量。尾气处理装置500的冷却液出口连接氢气降温装置600的冷却液进口，氢气降温装置600的冷却液出口连接汽化器供液阀770的控制流道进口，汽化器供液阀770的控制流道出口连接汽化器200的进液口，对通入汽化器200的醇水实现流量控制。

氢气降温装置600的进气口连接所述分离器400的氢气出口，氢气降温装置600的出气口连接氢气存储装置900。

本实施例中，燃烧加热装置800的燃料来源包括两部分，一是从汽化器 200流出的甲醇水或混合蒸汽和此设备状态下自然裂解的部分氢气和助燃剂氧气，另一个来源是尾气处理装置500排出的经处理的尾气。两种来源的燃料在醇气混合器780内进行混合，醇气混合器780设置有第一进气口和第二进气口。

因此，汽化器200为第一个燃料供应装置，分离器400就形成另一燃料供应装置。分离氢气后的尾气中含有水蒸汽、CO₂，以及少量甲醇气、甲烷、 H₂、一氧化碳等可燃气体，进一步可以通入燃烧装置800作为燃料燃烧，废气充分燃烧后，除CO₂外，不排放任何有害气体。

汽化器200的气液出口连接醇汽燃料阀760的控制流道进口，醇汽燃料阀760的控制流道出口连接醇气混合器780的第一进气口。

分离器400的尾气出口连接尾气处理装置500的进气口，尾气处理装置 500的出气口连接尾气燃料阀730的控制流道进口，尾气燃料阀730的控制流道出口连接醇气混合器780的第二进气口。

两种来源的燃料的用量和比例依靠尾气燃料阀730和醇汽燃料阀760进行控制。制氢系统稳定工作后，以经处理的尾气作为主要燃料。

如图1和6所示，所述燃烧加热装置800包括两台加热炉，分别为内炉 810和设置在内炉810周向外围的外炉820，其中内炉810作为主要加热装置，外炉820作为辅助加热装置，制氢系统根据系统状态需要，单独启动其中一台加热炉或两台同时启动。为此，所述醇气混合器780的出气口有两个，分别为第一出气口和第二出气口，其中第一出气口连接所述内炉810的燃料进口，第二出气口连接所述外炉820的燃料进口。

为实现对两台加热炉的控制，所述程控阀总成700设置内炉燃料阀750 和外炉燃料阀740，其中所述内炉燃料阀750设置在所述第一出气口和所述内炉810的燃料进口之间，用于控制通入内炉810的燃料量。所述外炉燃料阀 740设置在所述第二出气口和所述外炉820的燃料进口之间，用于控制通入外炉820的燃料量。

当制氢系统已经稳定工作时，若系统加热速度较快，某些温控点的温度达到预警温度，或者反应模块某些区域的压力达到预警压力，则需要降低向燃烧加热装置800内通入的尾气量。因此，所述程控阀总成700还包括尾气外排阀720，该尾气外排阀720的控制流道进口连接所述尾气燃料阀730的控制流道进口。这样，形成一个尾气外排的支路，并设置专门的废气燃烧器(图中未示出)。尾气外排阀720的控制流道出口可以连接废气燃烧器，废气燃烧器将富余的尾气消耗掉，由于废气燃烧器设置在特殊位置，燃烧产生的热量不对汽化器加热，即不用于对反应加热。

内炉810和外炉820均具有实施例1中的加热炉结构。

具体地，如图6，内炉810包括内炉储液槽811，内炉储液槽811上方设有内炉燃烧管812和内炉燃料暂存腔室813，内炉燃烧管812和内炉燃料暂存腔室813均为环形结构，内炉燃烧管812位于内炉燃料暂存腔室813所围成的区域内并水平设置，且内炉燃烧管812与内炉燃料暂存腔室813之间构成同心圆结构布局。

内炉燃料暂存腔室813与内炉燃烧管812之间通过内炉供液管814连通，内炉供液管814一端连接在内炉燃料暂存腔室813内侧侧壁，另一端连接在内炉燃烧管812内侧侧壁，内炉供液管814中部位于内炉燃烧管812上方，内炉燃烧管812的上端分布有喷火孔。加热炉启动前期，内炉储液槽811用于盛装自喷火孔溢出的液体燃料。

再如图6所示，内炉810加热装置工作时，液体燃料从外部进入内炉燃料暂存腔室813，然后通过内炉供液管814输送至内炉燃烧管812内，在喷火孔将燃料点燃后，火焰从喷火孔向上喷出，即可对上方汽化器200加热。

在本实施例中，内炉供液管814优选采用耐高温金属管，共计四根，四根内炉供液管814在内炉储液槽811水平方向的投影呈“井”字型结构，如此布局，能够形成一种编织结构，将内炉燃烧管812和内炉燃料暂存腔室813连接为一个整体，使得内炉加热装置具有更可靠的结构强度。

再如图6所示，外炉820包括环形的外炉储液槽821，外炉储液槽821上方设有环形的且半径依次增大并由内向外排布的第一外炉燃料暂存腔室824、第一外炉燃烧管822、第二外炉燃烧管823和第二外炉燃料暂存腔室825，组成同心结构。第一外炉燃烧管822和第二外炉燃烧管823上端均分布有喷火孔。

第一外炉燃料暂存腔室824与第二外炉燃烧管823之间通过第一外炉供液管826连通，第一外炉供液管826一端连接在第一外炉燃料暂存腔室824 外侧侧壁，另一端连接在第二外炉燃烧管823内侧侧壁，第一外炉供液管826 中部位于第一外炉燃烧管822上方。

第二外炉燃料暂存腔室825与第一外炉燃烧管822之间通过第二外炉供液管827连通，第二外炉供液管827一端连接在第二外炉燃料暂存腔室825 内侧侧壁，另一端连接在第一外炉燃烧管822外侧侧壁，第二外炉供液管827 中部位于第二外炉燃烧管823上方。

加热炉启动前期，外炉储液槽821用于盛装自喷火孔溢出的液体燃料。外炉储液槽821的槽底上也竖向贯穿有进气管。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本实用新型的优选实施例，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不违背本实用新型宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种即时制氢快速加热体系，其特征在于：包括加热室，该加热室内设有燃烧加热装置(800)，该燃烧加热装置(800)上方设置有汽化器(200)、重整分离模块，所述汽化器(200)上设置有汽体出口和气液出口，其中所述汽体出口连接所述重整分离模块的进气口，所述气液出口通过醇汽燃料阀(760)连接所述燃烧加热装置(800)的燃料进口；

所述燃烧加热装置(800)用于加热所述汽化器(200)和重整分离模块。

2.根据权利要求1所述的即时制氢快速加热体系，其特征在于：所述加热室底部设有空气入口，所述加热室上部侧壁设有排气口。

3.根据权利要求1所述的即时制氢快速加热体系，其特征在于：所述汽化器(200)包括汽化部(220)和预热部(210)，其中所述预热部(210)包括预热管，该预热管以盘旋线方式弯曲延伸，从而形成整体呈空心柱状的预热部(210)，所述预热管所围绕的空间区域用于容纳所述燃烧加热装置(800)；

所述汽化部(220)包括汽化管，该汽化管弯曲设置在所述汽化部(220)上端，该汽化管位于所述燃烧加热装置(800)正上方，该汽化管的液体进口与所述预热管的液体出口连接。

4.根据权利要求3所述的即时制氢快速加热体系，其特征在于：所述汽化管以其一端为中心向外呈渐开线弯曲延伸，从而形成所述汽化部(220)，所述汽化管的内端形成所述汽化部(220)的气体出口，所述汽化管的外端形成所述汽化部(220)的液体进口；

所述汽化管的管心线位于同一水平面内。

5.根据权利要求4所述的即时制氢快速加热体系，其特征在于：所述汽化管以螺旋渐开线方式弯曲延伸。

6.根据权利要求3～5任意一项所述的即时制氢快速加热体系，其特征在于：所述汽化部(220)的气体出口处设置有醇汽分配器(230)，该醇汽分配器(230)位于所述汽化部(220)上方，该醇汽分配器(230)上有两个出口，分别形成所述汽化器(200)的汽体出口和气液出口；

所述醇汽分配器(230)的汽体出口处设置有气体导通阀，该气体导通阀仅允许气体流入所述重整分离模块。

7.根据权利要求1～5任意一项所述的即时制氢快速加热体系，其特征在于：所述燃烧加热装置(800)包括加热炉，该加热炉包括燃烧管和燃料暂存腔室，所述燃烧管上表面开设有喷火孔；

所述燃烧管与燃料暂存腔室之间连接有供液管，所述供液管的一端与所述燃料暂存腔室连通，另一端与所述燃烧管连通；

所述供液管至少部分经过所述燃烧管正上方。

8.根据权利要求7所述的即时制氢快速加热体系，其特征在于：所述燃烧管和燃料暂存腔室均呈环状结构，二者同心设置，所述燃烧管上端面分布有所述喷火孔；

所述燃料暂存腔室上端高于所述燃烧管上端面，所述供液管倾斜设置，其上端连接所述燃料暂存腔室上部，其下端连接所述燃烧管。

9.根据权利要求8所述的即时制氢快速加热体系，其特征在于：所述加热炉还包括储液槽，该储液槽上方设有所述燃烧管和燃料暂存腔室，所述储液槽用于盛接自所述喷火孔溢出的液体燃料。

10.根据权利要求1～5任意一项所述的即时制氢快速加热体系，其特征在于：所述醇汽燃料阀(760)上设置有控制流道；

所述加热体系还包括醇气混合器(780)，该醇气混合器(780)设置有第一进气口和第二进气口，其中第一进气口连接所述醇汽燃料阀(760)的控制流道的出口，其中第二进气口用于连接另一燃料供应装置。

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