一种甲烷制氢设备应用的液态金属蒸气抑制装置的制作方法

1.本实用新型涉及氢气制备辅助机构技术领域，特别是一种甲烷制氢设备应用的液态金属蒸气抑制装置。


背景技术：

2.由于全球能源需求急剧增加，化石燃料等不可再生能源面临枯竭的危险，化石燃料对环境的影响也不容忽视，所以，开发和利用新能源成为越来越迫切的要求。在众多新能源燃料中，氢气作为能源燃料，它被认为是理想的清洁高能燃料，越来越受到人们的关注。但现有技术中，由于氢气的制取成本高，在生活和生产中大量使用氢能源还存在一定困难。因此研究和开发更为先进的制氢新工艺技术是解决廉价氢源的重要保证，新工艺技术应在降低生产装置投资和减少生产成本方面具有明显的突破。
3.利用甲烷制氢，具有成本低，规模效应显著等优点，且生产纯度高，生产效率高，但是现有技术还存在一定的不足。因此本技术人为了克服上述问题，提交了专利号“202110543757.5”、专利名称“一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器”的专利申请，如图1所示，其应用制备氢气中，反应气体甲烷通过进气管21进入石英管底部缓冲区5，并经支撑板4气孔41（开孔）进入扩散器3下，再由扩散器3若干微孔31导入反应区13，在反应区13（石英管2内部）中与高温液态锡14充分接触，并裂解成氢气和碳黑（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量，使得甲烷分子c-h键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳）。氢气通过排气管91进入后端氢气罐，经氢气罐相关处理系统分离后，可获得高纯度氢气；反应区裂解的碳黑漂浮于液态金属14表面，经一定时间后可打开上连接座9对其进行收集；该发明利用液态金属（锡）高温裂解甲烷制氢，纯度高、裂解率高，可制备高纯氢气，同时其副产物碳黑具有纯度高、良好的热导性等优异特点，具有较广泛的用途；该发明采用的扩散器，可使气体均匀分散，在上升过程中与液态锡14充分接触，增大反应界面，提高裂解率；同时扩散器3在缓冲区进入的甲烷气体压强的作用下，可支撑液态锡，不会进入扩散器3内部空隙。采用金属保护管1，同时底部填充与保温层7相同材料，起保温、减震保护作用，防止了石英管2在安装及使用过程中碎裂。通过上述，该发明能有效制备出氢气，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。
4.虽然一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器实现了有效利用甲烷制备氢气，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。但是应用中由于高温影响，液态锡会因为蒸发造成液态金属的损失，进而对液态金属高温裂解甲烷制氢反应器后续制备氢气带来了影响。还有就是，蒸发的液态金属进入排气管91内后由于温度降低会凝结固化在排气管91内的内壁，逐渐把排气管堵塞，进而会造成制备后氢气无法有效排出，同样会对液态金属高温裂解甲烷制氢反应器后续制备氢气带来影响。最后就是，液态金属高温裂解甲烷制氢反应器由于没有一种配套的压力监测装置，当反应区13（石英管2内部）因各种原因造成气压升高时（比如加热液态锡14的加热设备温控器发生故障导致石英管内温度异常升高进而造成压力变大，或者反应区内上端产生的上浮碳黑过多没有及时清除、造成反应器内空间变小进而造成压力过
高），会对石英管的使用寿命带来影响，且也会对高温裂解甲烷制备氢气带来影响，极端情况下还会因为压力过高造成石英管爆裂。综上，因此液态金属高温裂解甲烷制氢反应器还存在改进的余地，提供一种协同一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器使用，能效减少液态金属蒸发进入排气管内，且能实时监测石英管内部压力的装置显得尤为必要。


技术实现要素：

5.为了克服现有液态金属高温裂解甲烷制氢反应器因结构所限，无法有效减少液态金属蒸发带来的影响，以及不具有压力监测设备存在安全隐患的弊端，本实用新型提供了协同液态金属高温裂解甲烷制氢反应器使用，在液态金属高温裂解甲烷制氢反应器的石英管内上部设置有漂浮于液态金属上的石英砂，利用石英层具有的透气特性，既能保证反应生成的氢气顺利通过石英砂层，又能有效抑制液态金属蒸气挥发进入排气管，且不影响反应生成的碳排出，显著降低了液态金属蒸发的几率，还具有压力探测设备及控制电路，在压力超高时能每间隔一定时间提示工作人员进行处置，防止了压力过大导致各种不可预见事故的一种甲烷制氢设备应用的液态金属蒸气抑制装置。
6.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种甲烷制氢设备应用的液态金属蒸气抑制装置，包括石英砂、压力探测设备，其特征在于还具有控制电路；所述石英砂有若干量，石英砂布设在液态金属高温裂解甲烷制氢反应器的石英管内液态金属的上部，石英砂层的厚度在10-50mm之间，压力探测设备安装在液态金属高温裂解甲烷制氢反应器的上连接座侧端；所述控制电路包括稳压电源、延时子电路和报警子电路；所述稳压电源、延时子电路和报警子电路安装在电气控制箱内；所述压力探测设备的信号输出端和报警子电路的控制输入端电性连接，报警子电路的控制输出端和延时子电路的信号输入端电性连接，延时子电路的信号输出端和报警子电路的信号输入端电性连接。
8.进一步地，所述石英砂的粒径分别为10目、20目、40目，其比例为1:2:1。
9.进一步地，所述稳压电源是交流转直流开关电源模块。
10.进一步地，所述压力探测设备是水冷式高温压力变送器。
11.进一步地，所述延时子电路包括可调电阻、npn三极管、极性电容、电阻，可调电阻、npn三极管、极性电容、电阻之间电性连接，可调电阻一端和npn三极管基极连接，npn三极管集电极和电容负极连接，电容正极和第一只电阻一端、第二只电阻一端连接。
12.进一步地，所述报警子电路包括继电器、蜂鸣器和npn三极管，继电器、蜂鸣器和npn三极管之间电性连接，npn三极管集电极和第一只继电器负极电源输入端连接，第一只继电器正极及控制电源输入端连接，第一只继电器常闭触点端和蜂鸣器正极电源输入端连接，第一只继电器的常开触点端和第二只继电器正极电源输入端连接，npn三极管发射极和蜂鸣器负极电源输入端连接。
13.本实用新型有益效果是：本实用新型协同液态金属高温裂解甲烷制氢反应器使用，利用石英砂密度比液态金属小的特点，石英砂层可直接覆盖于液态金属锡表面，无需其他支撑结构，既能较好的适应反应器的石英管形成的反应区内形状，又能随液态金属液面变化而实时变化。本实用新型利用石英层具有透气特性，既能保证反应生成的氢气顺利通过石英砂层，又能有效抑制液态金属蒸气挥发进入排气管，且不影响液态金属高温裂解甲
烷制氢反应器反应生成的碳排出，石英砂层的厚度根据甲烷进气量的不同可进行调节，且方便快捷，显著降低了液态金属蒸发的几率。本新型中，当石英管内因各种原因压力过高时，压力探测设备探测到后能经控制电路每间隔一定时间，经蜂鸣器发声提示工作人员进行处置，防止了压力过大导致各种不可预见事故的发生。基于上述，本实用新型具有好的应用前景。
附图说明
14.图1是本实用新型整体结构示意图。
15.图2是本实用新型局部结构示意图。
16.图3是本实用新型电路图。
具体实施方式
17.图1、2所示，一种甲烷制氢设备应用的液态金属蒸气抑制装置，包括石英砂15、压力探测设备16，还具有控制电路；所述石英砂15有若干量，石英砂15布设在液态金属高温裂解甲烷制氢反应器的石英管2内金属锡14的上部，石英砂15层的厚度根据液态金属高温裂解甲烷制氢反应器甲烷进气量的不同、在10-50mm之间（本实施例35mm），石英砂15的粒径分别为10目、20目、40目，其比例为1:2:1，液态金属高温裂解甲烷制氢反应器的上连接座9右上侧端具有一个内螺纹开孔，压力探测设备16的进气管通过外螺纹旋入内螺纹内进而横向安装在上连接座9右上侧端，压力探测设备15的进气管前端位于石英管2内；所述控制电路包括稳压电源171、延时子电路172和报警子电路173；所述稳压电源171、延时子电路172和报警子电路173安装在电气控制箱18内电路板上。
18.图3所示，稳压电源u1是型号220v/12v的交流转直流开关电源模块成品。压力探测设备u2是水冷式型号ppm-t235a的高温压力变送器成品，其具有三根引线，两根1及2脚是电源线，另外一根3脚是信号线，工作时随检测到的压力不同信号输出端会输出0-5v之间变化的电压信号。延时子电路包括可调电阻rp、npn三极管q1、极性电容c、电阻r1及r2，其间经电路板布线连接，可调电阻rp一端和npn三极管q1基极连接，npn三极管q1集电极和电容c负极连接，电容c正极和第一只电阻r1一端、第二只电阻r2一端连接。报警子电路包括继电器k及k1、蜂鸣器b和npn三极管q2，其间经电路板布线连接，npn三极管q2集电极和第一只继电器k负极电源输入端连接，第一只继电器k正极及控制电源输入端连接，第一只继电器k常闭触点端和蜂鸣器b正极电源输入端连接，第一只继电器k的常开触点端和第二只继电器k1正极电源输入端连接，npn三极管q2发射极和蜂鸣器b 负极电源输入端连接。稳压电源u1的电源输入端1及2脚和交流220v电源两极分别经导线连接，稳压电源u1的电源输出端3及4脚和压力探测设备u2的电源输入两端1及2脚、延时子电路的电源输入端电阻r1另一端及npn三极管q1发射极、报警子电路电源输入端继电器k正极电源输入端及继电器k1负极电源输入端分别经导线连接；压力探测设备u2的信号输出端3脚和报警子电路的继电器k1控制输入端经导线连接，报警子电路的继电器k1常闭触点端和延时子电路的信号输入端可调电阻rp另一端经导线连接，延时子电路的信号输出端电阻r2另一端、npn三极管q1发射极和报警子电路的信号输入端npn三极管q2基极、npn三极管q2的发射极及蜂鸣器b负极电源输入端分别经导线连接。
19.图1、2、3所示，本实用新型协同液态金属高温裂解甲烷制氢反应器使用，利用石英砂15密度比液态金属小的特点，石英砂层15可直接覆盖于金属高温裂解甲烷制氢反应器石英管2内液态金属14的表面，无需其他支撑结构，既能较好的适应反应器的石英管2形成的反应区内形状，又能随液态金属14液面变化而实时变化。本实用新型利用石英砂15具有透气特性，既能保证反应生成的氢气顺利通过石英砂层15，又能在反应初期有效抑制液态金属14蒸气挥发进入金属高温裂解甲烷制氢反应器的排气管91内，随着反应持续进行，且不影响液态金属高温裂解甲烷制氢反应器反应生成的碳排出（反应持续进行，碳会冲破石英砂15层，并与石英砂15层混合在一起，同样起到蒸汽抑制作用），石英砂15层的厚度根据甲烷进气量的不同可进行调节，且方便快捷，显著降低了液态金属锡14蒸发的几率。
20.图1、2、3所示，压力探测设备和控制电路中，220v交流电源进入稳压电源u1的电源输入端后，稳压电源u1在其内部电路作用下3及4脚输出稳定的12v电源进入压力探测设备u2及控制电路的电源输入端，于是，压力探测设备u2及控制电路处于得电工作状态。当液态金属高温裂解甲烷制氢反应器工作正常，其作为反应区的石英管2内压力正常时（比如低于2mpa），压力探测设备u2由于进气管检测到的气压相对低，这样其3脚输出的信号电压经可调电阻rp降压限流后进入npn三极管q1的基极电压低于0.7v，npn三极管q1处于截止状态，那么后级蜂鸣器b不会得电发声、代表液态金属高温裂解甲烷制氢反应器工作正常。当液态金属高温裂解甲烷制氢反应器因各种原因、工作不正常比（比如加热液态锡14的加热器温控器发生故障导致石英管内温度异常升高、进而造成压力变大，或者反应区内上端产生的上浮碳黑过多没有及时清除、造成反应器内空间变小进而造成压力过高），其作为反应区的石英管2内压力不正常超高时（比如高于2mpa），压力探测设备u2由于进气管检测到的气压相对高，这样其3脚输出的信号电压经可调电阻rp降压限流后进入npn三极管q1的基极电压高于0.7v，npn三极管q1处于导通状态其集电极输出低电平进入电容c的负极，这样12v电源会经电阻r1降压限流为电容c充电，同时由于npn三极管q2发射极和蜂鸣器b负极电源输入端得电，12v电源正极会经继电器k的控制电源输入端、常闭触点端进入蜂鸣器b的正极电源输入端，蜂鸣器b得电发出响亮的提示声音、提示工作人员石英管内压力超高及时进行处置。12v电源为电容c充电的前6秒钟时间内，由于电容c电没有充满，这样，12v电源正极经电阻r2降压限流后进入npn三极管q2基极电压低于0.7v，npn三极管q2继续保持截止状态、继电器k不得电吸合继续失电控制电源输入端和常闭触点端闭合，那么蜂鸣器b继续得电工作发声。6秒钟后，电容c的电充满后，12v电源正极经电阻r2降压限流后进入npn三极管q2基极电压高于0.7v，npn三极管q2导通集电极输出低电平进入继电器k的负极电源输入端，于是继电器k得电吸合其控制电源输入端和常闭触点端开路、控制电源输入端和常开触点端闭合，进而蜂鸣器b失电不再发声、继电器k1得电吸合其控制电源输入端和常闭触点端开路。由于，压力探测设备u2的信号输出端3脚和继电器k1控制输入端经导线连接、继电器k1常闭触点端和可调电阻rp另一端经导线连接，所以此刻压力探测设备u2的信号输出端3脚输出的信号电压不再进入可调电阻rp另一端，那么12v电源不再为电容c充电。压力探测设备u2的信号输出端3脚输出的信号电压不再进入可调电阻rp一端，电容c上充的电压维持npn三极管q2继续导通大概3秒钟后，电压降低不能继续维持npn三极管q2导通，进而继电器k、k1均会失电，这样，压力探测设备u2的信号输出端3脚输出的信号电压又会进入可调电阻rp另一端，npn三极管q1集电极输出低电平再进入npn三极管q2发射极、蜂鸣器b负极电源输入
端，那么蜂鸣器b又会得电发声，电容c继续充电，充电约3秒钟后（上次电容c还具有余电，所以3秒钟左右能充满电）继电器k、k1又会得电吸合，进而蜂鸣器b再次不发声、可调电阻rp另一端再次失去信号电压
……
上述过程不断循环，只要石英管内压力超高工作人员没有进行处置或者关闭稳压电源u1的电源开关时，蜂鸣器b就会先得电发声6秒钟，然后以每间隔3秒钟得电发声3秒钟的工作方式发声下去，直到工作人员关闭电源开关为止。本新型通过间隔发声能起到更好的提示作用（一直发声有可能听觉疲劳，不能引起工作人员注意）。通过上述，本新型防止了压力过大导致各种不可预见事故的发生。电路中，可调电阻rp型号是6m（生产时，技术人员在石英管内通入实验用的最高允许压力之上空气、然后调节可调电阻rp的电阻值，刚好调节到继电器k得电吸合后可调电阻rp的电阻值就调节到需要）；电阻r1阻值是2.72m；电阻r2阻值是470k；电容c型号是2
µ
f/25v；npn三极管q1、q2型号是9013；继电器k、k1是dc12v继电器；蜂鸣器b是型号sf12的有源连续声蜂鸣报警器成品。
21.图1所示，此段是液态金属高温裂解甲烷制氢反应器的主要工作原理，本实施例进行介绍是为了让领域内人员更能理解本实用新型的创造点。用前打开上连接座9，然后在石英管2内加入金属锡（锡或锡化合物）14（五分之三量）和石英砂层15，然后安装好上连接座9，就可进入制备氢气工作。液态金属高温裂解甲烷制氢反应器采用液态金属高温裂解甲烷制氢方法（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量，使得甲烷分子c-h键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳），利用液态金属高导热性和流动性等特性，在温度1100℃时裂解甲烷，制备出高纯氢气。制备氢气中，反应气体甲烷通过进气管21进入石英管底部缓冲区5，并经支撑板4气孔41（开孔）进入扩散器3下，再由扩散器3若干微孔31导入反应区13，在反应区13（石英管2内部）中与高温液态金属14充分接触，并裂解成氢气和碳黑。氢气通过排气管91进入后端氢气罐，经氢气罐相关处理系统分离后，可获得高纯度氢气。反应区裂解的碳黑漂浮于液态金属14表面，经一定时间后可打开上连接座9对其进行收集。液态金属高温裂解甲烷制氢反应器利用液态金属（锡或锡化合物）高温裂解甲烷制氢，纯度高、裂解率高，可制备高纯氢气，同时其副产物碳黑具有纯度高、良好的热导性等优异特点，具有较广泛的用途。液态金属高温裂解甲烷制氢反应器采用的扩散器，可使气体均匀分散，在上升过程中与液态金属14充分接触，增大反应界面，提高裂解率。同时扩散器3在缓冲区进入的甲烷气体压强的作用下，可支撑液态金属，不会进入扩散器3内部空隙。采用金属保护管1，同时底部填充与保温层7相同材料，起保温、减震保护作用，防止了石英管2在安装及使用过程中碎裂。液态金属高温裂解甲烷制氢反应器能有效制备出氢气。
22.以上显示和描述了本实用新型基本原理和主要特征及本实用新型的优点，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。
23.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。