专利名称：一种天然气现场制氢装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于制氢技术领域，特别涉及一种天然气现场制氢装置。
技术背景
氢能作为一种清洁的二次能源，以其高燃烧率、燃烧产物洁净以及用途多样化等突 出优点，被认为是未来最有希望的能源之一；并且，燃料电池因其高能量转化效率和环 境友好性能而受到极大关注。作为燃料电池的首选燃料，氢能在未来交通和发电领域将 具有广阔的市场前景，在未来能源结构中将会占有越来越重要的位置。由于自然界的氢 多以化合态存在，因此要实现氢的大规模应用，须首先解决氢源问题。化石资源制氢以 天然气制氢最为经济与合理，世界约一半的氢是通过天然气蒸汽重整工艺生产的，该过 程生产技术较为成熟，但能耗高、生产成本高，设备投资大。并且由于氢气的储存和运 输比较困难，从建立燃料电池汽车加氢站和提供分散氢源方面考虑，则要求有先进的小 规模天然气现场制氢与气体纯化技术。因此研究开发制氢新工艺，縮短流程，简化操作 单元，减少小规模现场制氢装置投资和制氢成本具有重大意义。
由于天然气的自热重整、部分氧化重整的共同特点是系统中需要有制纯氧的设备，
并且产品气是CO、 C02和H2的混合气，仍需经过变换反应和氢气的分离过程。因此， 现有的天然气水蒸气重整制氢和常规的深冷分离或变压吸附分离净化氢技术，不是很适 于加氢站对小规模制氢装置的需求。而采用天然气裂解方式生成碳和氢气，产物气中不 含或含少量碳氧化合物，不需要进一步的变换反应，因此相对其他制氢方法，应用于小 规模天然制氢具有明显优势。但目前因天然气裂解制氢需要高温条件，能耗较大，而且 需要设置冷却装置。
中国发明申请号200710020394. 7提出了《一种低浓度气态烃的燃烧装置》，其特征 是由薄板状外壁面和内壁面围成环状进气通道和排气通道，形成双向逆流的气流通道， 连通位于环状通道圈中心的燃烧室;燃烧室内置有多孔材料，多孔材料设置电加热元件。 该燃烧装置燃烧低浓度气态烃即可在中心燃烧室达到较高的工作温度，同时对外部绝热 要求低，简化了设备，降低了成本。向本装置通入化学当量比大于1的天然气空气或者 氧气混合气，过量的天然气可在高温条件下裂解生成氢气，但该方法不能制取纯氢，需 要产物分离设备，同时存在爆炸危险,工业化受到一定限制。发明内容
为了克服目前制氢装置能耗高、系统复杂、成本高等不足，本实用新型基于中国发 明申请号200710020394. 7提出的《一种低浓度气态烃的燃烧装置》设计一种集反应物 预热、高温裂解制氢、产物冷却于一体的制氢装置。该装置不仅能有效提高制氢效率， 降低能量损失，而且具有流程短和操作单元简单、安全等特点，可降低小规模现场制氢 装置投资和制氢成本，满足燃料电池车对分散氢能的需求。
本实用新型所采用的技术方案是现场制氢装置主要包括切向进口，逆向换热器， 切向出口，多孔介质，电加热硅碳棒，反应盘管，反应盘管进口端，反应盘管出口端； 切向进口与切向出口焊接在逆向换热器最外层，多孔介质安置在逆向换热器中心，电加 热硅碳棒安置在多孔介质中心；反应盘管安置在逆向换热器通道和多孔介质中，反应盘 管进口端在切向出口内，反应盘管出口端在切向进口内；其特征是反应盘管置入逆向换 热器通道和中心多孔介质中，反应盘管进口端在逆向换热器的切向出口内，反应盘管出 口端在逆向换热器的切向进口内。
本实用新型的特点也在于所述的反应盘管由导热性能优良和耐热的材料制备而 成，反应盘管内可设置催化剂，也可不设置催化剂。逆向换热器中心内层表面镀耐高温 陶瓷材料，其他外圈层低温换热区域材料采用不锈钢，可采用螺旋板式换热器加工工艺 制作；多孔介质为具有导热率和热容量大，蓄热效率高的陶瓷球堆积而成，置入逆向换 热器中心；电加热硅碳棒安装在逆向换热器中心多孔介质内，用于预热点火。
本实用新型的有益效果是
1) 反应盘管的引入，可制备纯氢，并且可提高操作的安全性。
2) 自预热、自冷却的工艺过程，使设备设计紧凑，降低了装置的占地面积，降低 了成本，并有效利用了产物的携带的余热，降低了能耗。
3) 反应器的最外围是常温预混气体进气层，温度接近室温，散热损失基本为零， 仅需对装置的上下两端面进行保温，大大降低了制氢反应器的保温要求。
4) 反应器外部的逆向换热和中心多孔介质的有效蓄热，有利于提高反应温度，形 成天然气高温裂解制氢的环境，可大大提高制氢反应速度和效率。
5) 中心区较高的燃烧温度，可拓展天然气的燃烧极限，降低天然气的消耗。
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图1为本实用新型一种天然气现场制氢装置示意图。
图2为本实用新型一种天然气现场制氢装置的结构俯视图。
1为切向进口， 2为逆向换热器，3为切向出口， 4为多孔介质，5为电加热硅碳棒， 6为反应盘管，7为反应盘管进口端，8为反应盘管出口端。
具体实施方式
以下结合附图进一歩说明本实用新型天然气现场制氢装置的具体实施方式
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本实用新型一种天然气现场制氢装置如图1、图2所示，主要包括切向进口l，逆 向换热器2，切向出口3，多孔介质4，电加热硅碳棒5，反应盘管6。逆向换热器2中 心内层表面镀耐高温陶瓷材料，其他外圈层低温换热区域材料采用不锈钢。反应盘管6 由导热性能优良和耐热的材料制备而成，置入逆向换热器2中。多孔介质4为具有导热 率和热容量大，蓄热效率高的陶瓷球堆积而成，置入逆向换热器2中心。电加热硅碳棒 5安装在多孔介质4中，用于预热。
首先启动安装在逆向换热器2中心的电加热硅碳棒5，将多孔介质4预热至600°C 70(TC;从切向进口 1通入当量比为1的天然气与空气预混气体，预混气体在多孔介 质4中点燃，关闭电源；烟气通过逆向换热器2的切向出口3排出，烟气与预混气体在 逆向换热器2中换热；至中心多孔介质温度升至120(TC左右，从反应盘管进口端7通 入天然气，天然气通过反应盘管6与逆向换热器2通道中的烟气换热，进入逆向换热器 2中心区后与多孔介质4换热至可裂解温度，生成碳和氢气；产物通过反应盘管6与逆 向换热器2通道中的预混气体换热，至反应盘管出口端8冷却到可收集温度。预混气在 逆向换热器2中的预热，以及与多孔介质4蓄热换热，可使预混气在更高温度条件下在 中心多孔介质4内燃烧。同时，根据天然气裂解温度需要，调整预混气体当量比和流量。 装置使用一段时间后，可通过向反应盘管进口端7通入蒸汽，来消除内部的积炭；也可 在反应盘管6内部安置催化剂，以降低对反应温度要求。
与其他制氢装置相比，本实用新型可制备纯氢，并且无需产物提纯装置、冷却装置、 保温材料等，具有结构简单、紧凑，能耗低等优点。.
权利要求1、一种天然气现场制氢装置，主要包括切向进口(1)，逆向换热器(2)，切向出口(3)，多孔介质(4)，电加热硅碳棒(5)，反应盘管(6)，反应盘管进口端(7)，反应盘管出口端(8)；切向进口(1)与切向出口(3)焊接在逆向换热器(2)最外层，多孔介质(4)安置在逆向换热器(2)中心，电加热硅碳棒(5)安置在多孔介质(4)中心；反应盘管(6)安置在逆向换热器(2)通道和多孔介质(4)中，反应盘管进口端(7)在切向出口(3)内，反应盘管出口端(7)在切向进口(1)内；其特征在于反应盘管(6)置入逆向换热器(2)通道和中心多孔介质(4)中，反应盘管进口端(7)在逆向换热器(2)的切向出口(3)内，反应盘管出口端(7)在逆向换热器(2)的切向进口(1)内。
2、 如权利要求1所述的一种天然气现场制氢装置，特征在于反应盘管(6)由导热性 能优良和耐热的材料制备而成，反应盘管(6)内可设置催化剂，也可不设置催化剂。
3、 如权利要求1所述的一种天然气现场制氢装置，特征在于逆向换热器(2)中心内 层表面镀耐高温陶瓷材料，其他外圈层低温换热区域材料采用不锈钢，可采用螺旋板式换 热器加工工艺制作。
4、 如权利要求1所述的一种天然气现场制氢装置，特征在于多孔介质(4)为具有导 热率和热容量大，蓄热效率高的陶瓷球堆积而成，置入逆向换热器(2)中心。
5、 如权利要求1所述的一种天然气现场制氢装置，特征在于电加热硅碳棒(5)安装 在逆向换热器(2)中心多孔介质(4)内，用于预热点火。
专利摘要本实用新型属于制氢技术领域，特别涉及一种天然气现场制氢装置。本实用新型主要包括切向进口，逆向换热器，切向出口，多孔介质，电加热硅碳棒，反应盘管；特征是外部的逆向换热器可实现产物冷却、反应物预热；逆向换热器中心安置多孔介质的有效蓄热，外部逆向换热器的保温，可为反应盘管内天然气裂解制取纯氢提供有利的高温环境；中心安置电加热硅碳棒对多孔介质进行预热启动点火，操作方便，点火可靠性高。本实用新型一种天然气现场制氢装置，具备自预热、自保温、自冷却、结构简单、能耗低、稳定等的优点，可实现纯氢的制备。
文档编号C01B3/34GK201330153SQ20082018178
公开日2009年10月21日 申请日期2008年12月20日 优先权日2008年12月20日
发明者何贤钊, 唐志国, 李永玲, 林其钊, 谢红占, 马培勇 申请人:中国科学技术大学