一种重整制氢装置及采用该装置制氢的方法与流程

本发明涉及制氢技术，特别是涉及一种重整制氢装置，还涉及一种采用该装置的非热电弧等离子体制氢方法。

背景技术：

燃料电池作为一种将燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的一种化学能源技术，具有高效、洁净及安全的优点，被认为是最有希望的替代能源技术之一。燃料电池的最佳燃料为氢，自从燃料电池诞生起，氢源与燃料电池本身同样，都是重要的核心技术。目前，燃料电池的氢源主要有高压储氢与燃料重整制氢。高压储氢由于体积能量密度低、成本高，且没有加氢站，限制了其在燃料电池中的应用。燃料重整制氢技术包括催化重整、高温热裂解和等离子体重整。催化重整由于使用稀有金属，投资成本高，且催化剂易中毒、积炭，需定期更换。此外，催化反应需在较高的温度下，需花较多的时间给催化剂预热，启动时间长。燃料高温热裂解，氢气的选择性较差，且高温反应，也需要较长时间的预热，一般用于大型的化工装置。

非热电弧等离子体具有较高的电子数密度和较好的选择性，在燃料重整制氢中的应用逐渐受到重视。该类型的反应器具有结构紧凑，无需使用重整催化剂和启动快，在燃料重整制氢中有优势。而采用柴油作为原料，主要是由于柴油具有较高的体积能量密度，且现有的加油站就可以供应柴油燃料，利于该技术的推广应用。目前，非热电弧重整柴油制氢的技术处于起步阶段，由于反应器结构与催化剂的选择等的问题，重整所得的氢气含量低。因此，开发非热电弧等离子体重整柴油制氢技术并提高重整气中氢气含量是急需关注的方向。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种重整制氢装置及采用该装置的非热电弧重整柴油制氢方法。发明中设计的反应器具有结构紧凑、启动快且反应器制造成本较低等特点。本发明的技术方案：提供一种非热电弧等离子体重整制氢方法：柴油可以经反应器上端的空气辅助雾化喷嘴雾化后进入反应器。当喷雾进料时，反应器需要通入三股空气，其中一股空气通入喷嘴，辅助液体雾化。一股通入反应器的上端，经过一个简易的分布器后沿壁面向下运动减少液滴与壁面碰撞。还有一股从反应器的中部通入，反应器中部的气体分布部件由一个分布腔和3个以上切向孔组成，气体进入分布腔后经3个以上切向孔进入电极间，以旋转流动方式推动等离子体运动。同时，也可以将柴油与水通入蒸发室气化后，与空气混合，经反应器的中部引入，经气体分布部件后以一定的旋转角度进入电极间；电弧在旋转气体的推动下向反应器的中间区域运动，在此过程中，等离子体、空气、柴油分子和水之间发生反应，产生含氢气的混合气；混合气体经反应器后段催化剂的作用，可以进一步提高氢气的含量。

一种重整制氢装置，包括由上至下依次连接的下端开口的密闭圆形燃料雾化筒、圆环状陶瓷绝缘套管1、圆环形高压电极、圆环形接地电极、上端开口的密闭圆形后处理筒；

燃料雾化筒下开口端与圆环状陶瓷绝缘套管1的上端口密闭连接，圆环状陶瓷绝缘套管1的下端口与圆环形高压电极上端口密闭连接，圆环形高压电极设置于圆环状陶瓷绝缘套管2内部，圆环形高压电极下端口与圆环形接地电极上端口相对设置，圆环形高压电极下端口与圆环形接地电极上端口之间留有间隙，所述电极间距离为3-6cm；采用面放电，可以得到较多的等离子体；于上述环形间隙的四周外部设有中空的密闭圆环形夹套，圆环形夹套内壁面分别与陶瓷绝缘套管2和圆环形接地电极外壁面密闭连接；圆环形接地电极下端口与后处理筒上开口端密闭连接；所述圆环状陶瓷绝缘套管用于使高压电极和气体分布部件之间形成电隔离；同时高压电极与外部环境形成电隔离；

燃料雾化筒顶端中部设有物料进口，物料进口处安装有空气辅助雾化喷嘴；后处理筒底部设有物料出口；采用空气雾化，可以在较小的压力下得到较细的液滴，同时可以减小液体的贯穿距离，从而减小反应器的体积。

圆环形夹套内部的中空腔室为一环状气体分布腔，圆环形夹套外侧壁面上开设有作为气体进口的通孔，于圆环形夹套内侧壁面上开设有3个以上作为气体出口的圆形通孔，3个以上的气体出口于沿圆环形夹套内侧壁面的周向均匀分布，且3个以上(较好为6-10个)的气体出口轴线位于圆环形夹套的同一径向截面上。上述结构设计有利于进料气体的均匀分布。

所述圆形通孔轴线与圆环形夹套内侧壁面的切线成10-80度的夹角，且气体出口的气流方向同为逆时针或顺时针。

于所述燃料雾化筒内上部设有与燃料雾化筒同轴设置的圆形气体分布板，于圆形气体分布板中部设有安放空气辅助雾化喷嘴的通孔，圆形气体分布板通孔壁面与空气辅助雾化喷嘴连接；于圆形气体分布板上表面四周边缘设有圆环凸台；

位于圆形气体分布板上表面的燃料雾化筒顶端设有垂直的空气入口，空气入口轴线与圆形气体分布板的一半径相交，与此相交半径相交的圆环凸台处开设有向下的缺口凹槽。该进口引入的空气经简易分布装置后，从反应器内壁面以较高的速度向下运动，可以减少液滴与壁面的碰撞。

所述圆形后处理筒内形成产物后续处理区；所述产物后续处理区内置有重整催化剂和水气变换催化剂。所述重整催化剂活性组分为镍，可以将未反应的甲烷等重整为氢气；水气变换催化剂的活性组分为铁和铜，可以将一氧化碳变换为氢气。从而提高氢气的选择性。

所述重整燃料雾化腔与气体分布腔之间、气体分布腔与圆环形绝缘陶瓷之间、圆形绝缘陶瓷与高压电极之间、接地电极与产物后续处理腔之间的连接部分均设置有高温密封材料。所述密封材料为柔性石墨密封垫，可以用于高温场合，且可以有效防止氢气泄漏。

所述重整制氢装置外部设置有反应器外壳，所述外壳与所述接地电极连接。

当使用柴油、空气、水为反应物，且在等离子体反应区域后端加一段变换催化剂时，非热电弧重整柴油制氢的主要产物为n2、h2、co2，此外，产物中含有少量的co、ch4，o2，c2及以上的成分。

本发明的优点是反应器体积小，启动快，效率高，可以将柴油等大分子物质转化为含氢气体，供燃料电池使用。本发明是一种现场制氢技术，且所用燃料为柴油，可以采用现有的加油站设施加注燃料，有望在燃料电池汽车推广应用。

附图说明

图1(a)和(b)为本发明的结构示意图.

图中：1.壁面气体进料口；2.空气辅助雾化喷觜；3.绝缘陶瓷1；4.绝缘陶瓷2；5.气体进料与分布部件；6.简易气体分布部件；7.高压电极；8.接地电极；9.催化剂

具体实施方式

实施例

一种非热电弧重整柴油制氢的的装置，如图1所示，包括空气辅助雾化喷嘴、气体分布部件、环形高压电极、环形接地电极、绝缘陶瓷。其中高压电极7采用不锈钢材质，内径为50mm，外径为58mm，与高压交流电源连接。高压电极与接地电极的轴线重合，采用陶瓷隔开，两电极间的距离约为5mm。在气体进料与分布部件5中，进料管的内径为8mm，进料气体在一个高20mm，宽8mm的空腔分布后经6个直径为4mm的切向孔进入电极间，气料管与切向孔的轴线在高度方向(z轴)上的距离为6.5mm。切向孔的轴线与反应器的轴线距离为20mm。

将空气、气化后的柴油和水混合后，通过气体进料与分布部件5进入非热电弧等离子体反应器，混合气体经分布器后具有切向和径向速度。对等离子体反应器内的电极施以高压交流电，使得电极间的气体被击穿。等离子体、柴油、空气和水发生化学反应，并向反应器的中心运动，产生含氢的混合气。经等离子体重整后的气体含有较多的co，经水气变换催化剂9后，可进一步提高氢气含量和降低co的含量。实验过程中，当柴油的体积流量为6ml/min，空气中氧与柴油中碳的比(o/c)约为1.2，水的体积流量为4ml/min时，耗电量约为40w，得到的氢气约为17.1mol/h。此外，还含有少量co，ch4，c2及以上的组分，增大催化剂的投入，将有助于降低副产物的含量，提高氢气的产量。后期将用该反应器用于大流量的柴油的重整制氢实验。本发明的优点是反应器体积小，启动快，效率高，可以将柴油等大分子物质转化为含氢气体，供燃料电池使用。本发明是一种现场制氢技术，且所用燃料为柴油，可以采用现有的加油站设施加注燃料，有望在燃料电池汽车推广应用。