一种高压甲醇制氢工艺及其系统的制作方法

1.本发明涉及甲醇制氢领域，具体涉及一种高压甲醇制氢工艺及其系统。


背景技术：

2.众所周知，煤炭是世界上最经济、最安全、最稳定的高经济效率能源，然而 过多的使用煤炭会产生较多的环境不友好型气体，严重的还会直接影响气候和生 态环境，所以，全世界各国都期待能改变传统能源结构，实现可持续发展；现阶 段，甲醇水制氢是应用最广的方式，通过甲醇水制氢得到能够直接使用的氢能源 是当下社会的关注重点。


技术实现要素：

3.本发明提供一种高压甲醇制氢工艺及其系统，通过高压的甲醇水产出高压的 氢气，缓解气体压缩成本大、过程艰难的问题，为直接使用产出氢气提供保障。
4.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高压甲醇制氢 工艺，其中，包括以下步骤，
5.s1.通过高压液体泵将甲醇和水混合；
6.s2.将甲醇和水的混合液体注入反应器中反应制氢；
7.s3.将反应得到的氢气及废气注入提纯器中提纯氢气，并使废气分离；
8.s4.将高纯氢气通过换热器和压缩机得到高压高纯氢气。
9.作为优选，在步骤s1和s2之间还有s1.1.预热步骤，将甲醇和水的混合液 体注入预热器中升温至650摄氏度至1200摄氏度之间。
10.作为优选，步骤s1中甲醇和水的压强为5兆帕至10兆帕之间。
11.作为优选，将步骤s2中分离的废气进行重新燃烧向反应器供热。
12.作为优选，向步骤s2中的反应器中加入镍系催化剂。
13.一种高压甲醇制氢系统，其中，包括高压液体泵、反应器、提纯器、第一换 热器和压缩机，所述高压液体泵、所述反应器、所述提纯器、所述第一换热器和 所述压缩机依次连接，所述高压液体泵将甲醇和水分别进行抽取和加压后注入所 述反应器，所述反应器为甲醇水混合液体提供反应场所，所述提纯器用于将从所 述反应器中生成的反应气体进行分离和提纯，所述第一换热器用于对高温氢气降 温，所述压缩机用于对氢气进行加压。
14.作为优选，在所述高压液体泵和所述反应器之间连接有预热器。
15.作为优选，所述提纯器通过回流管道连接所述反应器。
16.作为优选，所述回流管道通过催化燃烧加热装置连接所述反应器，所述催化 燃烧加热装置用于燃烧废气并向所述反应器供热。
17.作为优选，在所述压缩机和所述高压液体泵之间连接有第二换热器，所述第 二换热器用于将所述压缩机的热量传递给甲醇水混合液体。
18.综上所述，本发明具有如下有益效果。
19.1、通过高压的甲醇水产出高压的氢气，缓解气体压缩成本大、过程艰 难的问题，
为直接使用产出氢气提供保障。
20.2、通过对甲醇水反应中产生的废气进行再燃焼供热，提升能量利用率。
21.3、高热量利用率支撑高温反应环境，配合镍系催化剂提升甲醇水的反 应效率。
附图说明
22.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要 使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实 施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他附图。
23.图1为高压甲醇制氢工艺流程图。
24.图2为高压甲醇制氢系统结构示意图。
25.图3为催化燃烧加热装置示意图。
26.图4为反应器表面气体流道结构示意图。
27.图5为燃烧管剖视结构示意图。
28.图6为固定通板和转动调节板结构示意图。
29.图7为流向控制部工作示意图。
30.图8为换热器整体结构示意图。
31.图9为预热管结构示意图。
32.图10为原料管结构示意图。
33.图11为原料管外表面平铺示意图。
34.图中：11、高压液体泵，12、预热器，13、反应器，14、提纯器，15、第一 换热器，16、压缩机，17、回流管道，2、催化燃烧加热装置，21、燃烧管，22、 通气管，23、环绕斜管，24、固定通板，25、转动调节板，26、稀疏孔，27、密 集孔，28、重叠槽，29、竖延管，210、管内移动片，211、管外推片，3、第二 换热器，31、预热管，32、降温管，33、原料管，34、水环管，35、热水槽，36、 扩散加热槽，37、连通槽道，38、流入阔口，310、水泵。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
36.实施例一
37.如图1所示，一种高压甲醇制氢工艺，其中，包括以下步骤，
38.s1.通过高压液体泵将甲醇和水混合；
39.s2.将甲醇和水的混合液体注入反应器中反应制氢；
40.s3.将反应得到的氢气及废气注入提纯器中提纯氢气，并使废气分离；
41.s4.将高纯氢气通过换热器和压缩机得到高压高纯氢气。
42.具体地，分别通过高压液体泵抽取甲醇和水后注入相同管道内混合，也可以 将甲醇也水混合后由高压液体泵抽出，将混合后的甲醇水液体通入反应器中进行 反应制得氢气，将反应后的气体通入提纯器中进行氢气的提纯，其中，反应后会 得到氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体，经过提纯器后可将氢气和其他气体 分离，这里可以使用钯膜分离装置，一方面得到高纯氢气，一方面得到废气，将 高纯氢气陆续通过换热器和压缩机后，得到
高压高纯氢气，从而根据所需，输出 高压高纯氢气。
43.在步骤s1和s2之间还有s1.1.预热步骤，将甲醇和水的混合液体注入预热 器中升温至650摄氏度至1200摄氏度之间。
44.步骤s1中甲醇和水的压强为5兆帕至10兆帕之间。将反应原料加压至5
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10 兆帕之间进行反应，相比常压下的甲醇水制氢反应可以获得更加高压的氢气，这 样可以减轻后期气体压缩艰难的问题。通过液体加压容易的方式替换气体加压艰 难的困扰。
45.将步骤s2中分离的废气进行重新燃烧向反应器供热。将未燃烧充分的废气 重新进行燃烧，将燃烧生成的热量对反应器供热，可以节省预热环节的能源消耗， 有效提升原料利用率，并且实现能量重复利用。
46.向步骤s2中的反应器中加入镍系催化剂。镍系催化剂在650
‑
1200摄氏度的 高温区间内稳定性好，且能保证甲醇转化率高，镍系催化剂可将甲醇转化率提升 至99％以上，对传统的铜系催化剂或钛系催化剂或稀有金属催化剂或贵金属催化 剂的甲醇转化率为95％以上。
47.如图2、图3所示，一种高压甲醇制氢系统，其中，包括高压液体泵11、反 应器13、提纯器14、第一换热器15和压缩机16，高压液体泵11、反应器13、 提纯器14、第一换热器15和压缩机16依次连接，高压液体泵11将甲醇和水分 别进行抽取和加压后注入反应器13，反应器13为甲醇水混合液体提供反应场所， 提纯器14用于将从反应器13中生成的反应气体进行分离和提纯，第一换热器 15用于对高温氢气降温，压缩机16用于对氢气进行加压。
48.在高压液体泵11和反应器13之间连接有预热器12。高压液体泵11将甲醇 和水分别进行抽取和加压后先注入预热器12中加热，温度上升到650摄氏度至 1200摄氏度之间后再注入反应器13中反应。
49.提纯器14通过回流管道17连接反应器13。提纯器14为三通装置，接入管 道为连接反应器13中生成的反应气体，输出管道为输出提纯后的高纯氢气管道， 回流管道17为将分离的二氧化碳和一氧化碳回流通向反应器13的管道。
50.回流管道17通过催化燃烧加热装置2连接反应器13，催化燃烧加热装置2 用于燃烧废气并向反应器13供热。如图3至图7所示，催化燃烧加热装置2包 括燃烧管21、通气管22和用于对反应器加热的气体流道，通气管22连通燃烧 管21，通气管22连通回流管道17，燃烧管21连通气体流道，气体流道环绕于 反应器周围，需要对反应器13进行加热时，通气管22一端接通燃烧管21，另 一端连接回流管道17，向燃烧管21内注入氢气和废气，同时，燃烧管21由外 界注入空气，空气可由气泵抽入，使得空气与氢气、废气同处燃烧管21中燃烧 反应产生热气，热气进入气体流道后对反应器13进行加热，以使得反应器13 中反应物获得所需的反应温度。特别的，还可向燃烧管21中加入催化剂，使得 燃烧更加高效，如镍系催化剂或者贵金属催化剂等。气体流道包括环绕斜管23 和出气管，环绕斜管23为自燃烧管21的出气口水平两侧面分别向上、下倾斜往 复延伸的倾斜折线型管道，出气管连通环绕斜管23与外界大气，燃烧管21为圆 形管道。环绕斜管23可增大对反应器13的接触面积，同时可更好地均匀加热， 最后通过出气管排出气体流道。在燃烧管21中还有控制出气流量的流量控制部， 流量控制部包括固定通板24、转动调节板25和转杆条，转杆条为自燃烧管21 表面延伸至内腔的条状通槽，固定通板24上有中心孔、稀疏孔26和密集孔27， 中心孔为位于固定通板24中心处的通孔，稀疏孔26和密集孔27分布于不同直 径上，稀疏孔26沿着直径间隔排列
的距离大于密集孔27沿着直径间隔排列的距 离，转动调节板25上有重叠槽28和角度条，重叠槽28为穿过转动调节板25 中心的直条槽，角度条为自转动调节板25表面穿过转杆条向外延伸的直杆，其 中，转动调节板25的厚度大于转杆条的槽宽，转动调节板25的壁面贴压于转杆 条内口上。具体地，固定通板24和转动调节板25均为圆盘状面板，紧贴于燃烧 管21的内壁，使得高温气体通过重叠槽28、中心孔、稀疏孔26和密集孔27后 进入气体流道内。此时，可通过操控角度条在转杆条中的倾斜角度，实现转动调 节板25的转动，从而使得重叠槽28与稀疏孔26和密集孔27有不同的重叠位置 关系，从而改变高温气体的流量，即当重叠槽28与稀疏孔26重叠时，流入气体 流道内的流量变小，当重叠槽28与密集孔27重叠时，流入气体流道内的流量变 大，以此控制流入气体流道内的高温气体流量。还包括用于均衡加热的端部管道， 端部管道包括竖延管29和端边管，竖延管29为自燃烧管21的出气口竖直两侧 面分别向上、下延伸的竖直管道，端边管为自竖延管29的末端水平环绕延伸的 环形管道，端边管连通出气管，可以通过端部管道实现反应器13上、下端侧的 加热，提升气体流道的加热效率。还包括流向控制部，流向控制部包括管内移动 片210、管外推片211、连接杆和流向推槽，流向推槽为沿着燃烧管21的轴向方 向延伸并贯穿燃烧管21的直条槽，管内移动片210为贴合燃烧管21的内壁面且 沿着燃烧管21轴向方向延展的弧形条状面板，管外推片211为贴合燃烧管21 的外壁面且覆盖于流向推槽上的弧形面板，连接杆连接管内移动片210和管外推 片211，可通过推动管外推片211带动管内移动片210的伸缩运动，从而实现控 制气体从燃烧管21进入气体流道时的走向，即可通过流向控制部来控制气体是 否需要进入环绕斜管23或竖延管29以满足不同加热需求。
51.如图8至图11所示，在压缩机16和高压液体泵11之间连接有第二换热器 3，第二换热器3用于将压缩机16的热量传递给甲醇水混合液体。第二换热器3 包括交换水管和水泵310，交换水管外接注水管和出水管，注水管和出水管分别 带有阀门，可实现交换水管的注水和出水，即换新水，交换水管包括预热管31、 降温管32和连通管，预热管31包括原料管33和水环管34，水环管34包覆于 原料管33表面，降温管32包覆于压缩机表面，连通管连接预热管31、降温管 32和水泵310，形成一个水循环结构，水泵310两侧连接连通管，可实现预热管 31和降温管32内水的循环流动，这样，流经降温管32的水由于受压缩机16表 面热量传递而升温，随后流动至预热管31内，具体地，热水流入水环管34内， 对原料管33中的制氢原料进行升温，制氢原料为甲醇和水的混合液体，流经原 料管33后的高温制氢原料流入制氢反应器13中进行反应，而完成热交换后的水 环管34内的热水温度降度，再由水泵310抽送至降温管32中吸收压缩机16热 量。如此循环，即可解决压缩机16工作时的升温问题，还可以对制氢原料进行 升温，起到能量循环利用，极大地节省了能源消耗。原料管33上有增加与热水 接触面积的热水槽35，提升原料管33表面流经热水的接触面积，可以更好地加 热原料管33中流体。热水槽35为自原料管33的外表面向内凹陷且延伸方向与 原料管33一致的凹条槽，热水槽35在原料管33的表面呈圆周间隔分布且相对 于原料管33的中轴线中心对称，中心对称设计的热水槽35可以均衡加热原料管 33中的流体，均衡受热的流体具备更加稳定的流速。在原料管33表面还有扩散 加热槽36，扩散加热槽36为自热水槽35的两侧壁面向外倾斜延伸的凹陷槽， 通过扩散加热槽36可增强对原料管33表明的升温，尤其是热水槽35未能流经 的面积。在原料管33表面还有连通槽道37，连通槽道37为连通相邻的热水槽 35的倾斜直条凹槽，连通槽道37可实现相邻热水槽35内热水的交换，还可以 通过对热水槽
35内水流进行冲击来提升水环管34和热水槽35中热水的交换。 热水槽35上还有流入阔口38，流入阔口38为自热水槽35的迎水侧端口处壁面 向两侧倾斜发散延伸的扩口槽，流入阔口38设置于原料管33的迎水侧端口处， 即连通管将流经压缩机16后的热水的迎接方向，从而有利于流经压缩机16后的 热水从流入阔口38处向热水槽35中涌入，不仅可以提升流入热水槽35的初始 流量，还可以对热水槽35内水流造成冲击，改变热水槽35内水流的流速，增强 热水的交换。在原料管33中还有引导内部流体混合流动的弯转导片，弯转导片 为沿着原料管33的内壁面弯曲延展的凸起条板。弯转导片可圆周间隔设置，弯 转导片可引导原料管33中流体流动，主要加强甲醇、水的混合与此同时均衡原 料管33内液体的受热
52.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前后”、“左右”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发明和简化描 述，而不是指示或暗示所指的设备或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构 造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
53.当然在本技术方案中，本领域的技术人员应当理解的是，术语“一”应理解 为“至少一个”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为 一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为 对数量的限制。
54.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明的技术提示下可轻易想到的变化 或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权 利要求书的保护范围为准。