一种利用太阳能熔融介质的天然气制氢反应器的制作方法

1.本实用新型涉及氢气制备设备技术领域，特别是一种利用太阳能熔融介质的天然气制氢反应器。


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应有明显的突破。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。但现有技术中，利用甲烷制氢还存在能耗高、二氧化碳排放问题。因此，研究和开发更为先进的甲烷制氢新工艺技术及设备是解决廉价氢源的重要保证。
3.为了克服现有技术存在的弊端，本技术人提交了专利名称
“ꢀ
具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置”，专利号“202111296719.0”的专利申请，其工作时如图1所示，在相关机构共同作用下，通过甲烷气体经催化剂低温催化作用下脱氢，使甲烷气体得到初步处理，预裂解成氢气和cxhy中间产物，实现了渐进式裂解甲烷制氢，且将利用氮气置换制氢反应器中的空气，相较于真空泵抽气，结构简单，同样排出空气，减少二氧化碳量的情况下，设备投入成本降低约90%，氮气的通入采用设定程序控制，并与制氢反应器控制电路集成在一起，实现自动控制，操作更加简单并将甲烷裂解载体选择为熔融或熔盐物，可将甲烷裂解温度由原来的1100℃降低至1000℃，因其具有催化活性，还可获得优于原液态锡作为裂解载体，裂解甲烷的产氢率，同时将扩散器甲烷通气孔设计成一圆孔，孔径0.5mm，避免了原微孔结构对进气的抑制作用，提高了甲烷进气速率，氢气单位时间内的产能达到了提升。
4.虽然具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置的专利申请实现了有效制备氢气，但是其完全采用电加热方式对裂解载体进行加热，因而存在相对耗能的缺点，对天然气（天然气的主要成分是甲烷）裂解制备氢气有效应用存在一定的技术制约。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中，具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置因结构所限存在如背景所述弊端，本实用新型提供了基于具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置本体，采用太阳能作为辅助加热热源，在相关机构共同作用下，能达到更好制氢效果，实现连续自动化生产，达到了良好的节能目地的一种利用太阳能熔融介质的天然气制氢反应器。
6.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种利用太阳能熔融介质的天然气制氢反应器，包括具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置本体、电机减速机构、反射镜、保温门；其特征在于具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置本体的反应区采用金属管，金属管的一侧外安装电加热器及保温层，金属管的另一侧由内至外分别涂覆有高导热材料和吸热材料，反射镜安装在金属管侧端；所述保温门上端铰接安装在金属管上中部，电机减速机构安装在金属管下部，电机减速机构的动力输出轴上端和保温门下端安装在一起，在金属管内侧位于具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置本体的石英棉以上部位安装有喷嘴。
8.进一步地，所述保温门包括半圆弧形壳体、保温层，保温层安装在壳体的内部，壳体的内弧面和金属管侧端的外弧面弧度一致。
9.进一步地，所述保温门关闭后，其和金属管一侧安装的保温层交接部分是紧密贴合。
10.进一步地，所述金属管另一侧接收反射镜聚光后的太阳光。
11.进一步地，所述制氢反应器装置本体应用的甲烷裂解载体为熔融金属和熔盐，且熔盐在熔融液态金属上面，优选熔融金属（45%cu-55%bi）和熔盐（3%fecl
3-49%nacl-48%kcl）。
12.本实用新型有益效果是：本实用新型其他使用原理及使用过程和现有具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置本体工作过程及原理完全一致。本新型中，电加热器将甲烷裂解载体加热至1000℃，转变成液态后，在太阳光照充足的情况下，可适时停止电加热器，并控制电机减速机构启动打开保温门，同时启动聚光太阳能反射镜工作，将聚光后太阳光反射到吸热材料，并通过高导热材料将热量传递给反应管管壁进行加热，管壁再将热量传递给甲烷裂解载体，实现对甲烷裂解载体的加热，阴雨天气和夜间保温门关闭，电加热器适时启动，实现了对太阳能的有效利用，显著降低用电能耗。基于上述，本实用新型具有好的应用前景。
附图说明
13.图1是现有具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置的结构示意图
14.图2是本新型结构示意图。
15.图3、4、5是本实用新型局部结构示意图。
具体实施方式
16.图1、2、3、4、5所示，一种利用太阳能熔融介质的天然气制氢反应器，包括具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置本体a、电机减速机构59、反射镜56、保温门65；具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置本体a的反应区51（反应管）采用金属管，金属管51的右侧中部以上外端安装电加热器54及保温层5，金属管51的左侧中部以上外层由内至外分别涂覆有高导热材料58和吸热材料57，反射镜56安装在金属管51左侧端；所述保温门65上端右侧铰接安装在金属管51后侧端上中部，卧式电机减速机构59经螺杆螺母安装在金属管51后侧端下部，电机减速机构59的动力输出轴上端和保温门65下端右侧经螺杆螺母安装在一起；所述具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置本体a的扩散器45、支撑板46取下不用，在金属管内侧位于石英棉16以上部位焊接有一只固定板，固定
板的中部焊接有一只喷嘴45（加大甲烷的流速，这样能都达到更好裂解效果）。
17.图1、2、3、4、5所示，保温门65包括半圆弧形壳体、保温层，保温层安装在壳体的内部，壳体的内弧面和金属管51左侧端的外弧面弧度一致。保温门65关闭后，其和金属管51的右侧中部以上外端安装的保温层5交接部分是紧密贴合。经反射镜56聚光后的太阳光对准金属管51左侧。制氢反应器装置本体应用的甲烷裂解载体为熔融金属和熔盐，且熔盐在熔融液态金属上面。
18.图1、2、3、4、5所示，本实用新型其他使用原理及使用过程和现有具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置本体工作过程及原理完全一致，工作时，在制氢启动工作之前，打开上端连接座b31与排碳机构41的连接机构，将甲烷裂解载体熔融金属如：锡、铋及铋合金、（cu-bi）等，优选（cu-bi），熔盐如：（mncl
2-kcl）、（fecl
3-nacl-kcl）、（mncl2‑ꢀ
fecl
3-nacl-kcl）、（nabr
ꢀ‑
nacl）等，优选（fecl
3-nacl-kcl）放入金属管51内，并盛放至金属管5管内容量的五分之三，然后将上端连接座b31与排碳机构41安装好，就可进入制备氢气工作。首先经控制电路板47设定输入相应的电气比例阀43输出压力设定值、流量计3设定值和进气压力传感器10的进气和出气压力传感器27的出气压力范围值。制氢反应器启动工作后，控制电路板47控制电气比例阀43启动，以及截止阀b44和和安全电磁阀33启动并打开阀芯，向金属管51内通入氮气气体，对金属管51内的空气进行置换，并将金属管51内的空气经安全电磁阀33排出管外。工作10分钟后，电加热器21启动加热，且持续通入氮气气体，并将甲烷裂解载体加热至1000℃，转变成液态（因密度不同熔盐55会在熔融液态金属50上面），电加热器21达到设定温度后，控制电路板47控制截止阀2和质量流量计3启动，并按设定流量向石英管内通入甲烷气体，甲烷气体依次经螺旋管15、催化剂23和扩散器45进入液态甲烷裂解载体区域13。控制电路板47控制截止阀2和质量流量计3启动后，进气压力传感器10监测缓冲区11（也就是连接座a30和扩散器12之间）的压力，控制电路板47采集进气压力传器10的压力输入信号，与设定压力值作比较，控制截止阀b44和电气比例阀43关闭，适时控制截止阀a2的开启和关闭，从而控制甲烷气体的通入，以维持缓冲区11压力在设定范围内工作，保证缓冲区11的压力1.5倍于液态甲烷裂解载体在扩散器45上表面的压力，保证液态裂解载体不能进入缓冲区11。甲烷气体通入15分钟后，控制电路板47控制安全电磁阀33关闭。甲烷在液态裂解载体中裂解成氢气和碳黑（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量后，使得甲烷分子c-h键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳），氢气通过上端气管40进入后端氢气储罐4，经氢气储罐4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甲烷裂解载体表面，经一段时间后堆积至排碳机构41的推碳座152位置处。甲烷气体通入50分钟后，控制电路板47控制排碳机构41启动，在控制电路板47控制作用下，每间隔一定时间（比如每间隔0.5小时控制气缸得电工作10秒钟）气缸的活塞杆左右运动会经推碳座152将不断产生的碳黑推入到碳盒48中，便于后续收集处理。
19.图1、2、3、4、5所示，本新型中，电加热器将甲烷裂解载体加热至1000℃，转变成液态后，在太阳光照充足的情况下，可适时停止电加热器54的的电源，并控制减速电机59启动，打开保温门65，同时启动聚光太阳能反射镜56工作，将聚光后太阳光561反射到吸热材料，并通过高导热材料将热量传递给反应,51管壁进行加热，管壁再将热量传递给甲烷裂解载体，实现对甲烷裂解载体的加热，阴雨天气和夜间保温门65关闭，电加热器适时启动，实现了对太阳能的有效利用，显著降低用电能耗。本新型中，甲烷裂解载体为熔融金属和熔
盐，优选熔融（45%cu-55%bi）和熔盐（3%fecl
3-49%nacl-48%kcl），熔融金属和熔盐均具有一定的催化活性，可提高裂解效率，但熔融金属催化活性高于熔盐，熔盐相对于熔融金属，成本更低。采用二者组合，可获得较少的成本投入，较高的裂解效率。同时因熔盐密度低于熔融金属，两者熔化后会自然分层，且熔盐在熔融金属上面。甲烷气泡、氢气气泡从高密度介质到低密度介质的时，会在两者界面处发生膨胀，甚至破裂。甲烷气泡膨胀或破裂（破裂后会形成更多小气泡）后，增大了反应界面，提高裂解效率。因熔盐在熔融金属上面，反应气体、氢气和碳在上升过程中携带的熔融金属在进入熔盐中时会受到熔盐的阻力，起到冲洗效果，会回落到原有熔融金属中。且熔盐可有效抑制熔融金属蒸发的，降低其在反应过程中的质量损失，同时避免了金属进入碳中，有利于后期碳的分离。
20.以上显示和描述了本实用新型的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。
21.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。