金属裂解水蒸气制氢系统的制作方法

1.本实用新型涉及制氢设备技术领域，特别涉及一种金属裂解水蒸气制氢系统。


背景技术：

2.氢能作为终极能源，具有可再生、零排放、高热值、可储存、用途广等特点。作为战略性新兴产业，氢能产业链条较长，包括制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等诸多环节，各个环节都有自身的产品发展方向，且环环相扣，产业链上每个环节都大有可为。制氢路径多种多样，但不同路径由于原料价格不同制氢成本存在很大差异。在制氢技术路径中，金属与水反应生产氢气的化学过程是绿色制氢过程。但是，单一金属与水反应存在许多问题，某些单一金属虽然具有较高的反应活性，但由于反应过程中表面会形成氧化膜，阻碍金属与水的继续反应，所以在研究金属与水的反应中，主要把焦点放在如何除去表面的氧化物和抑制氧化膜的生成，从而缩短诱导反应的时间，加快反应，提高转化率。例如:在铝制氢项目中，目前国内外采用的方法主要有以下几种:a、在碱性环境下发生反应，b、在氧化物或盐存在的环境下促进反应的进行，c、改变金属的形态，增大表面积，比如把铝制成铝箱、铝粉、片状等，d、合金化；但是，按此方向的研究顶多把例如9:1的比例做到极致，就算做到极致，金属与水转换置换反应的产气比例依旧太低，产氢成本依旧较高，达不到商业化的条件。
3.针对现有制氢方式的缺陷，申请人提出了利用非贵金属裂解剂的水蒸气裂解制氢工艺，工业上应用最多的是非贵金属，裂解剂以铝为主，可以称为铝系裂解剂，包含铝及铝合金、铁和铁合金等。裂解剂制备较为简便，价格低廉。裂解剂解决了低温时活性不高的问题:铝系裂解剂使用时先还原，使铝等金属元素以金属形态发挥活性组分的作用:氧化铝为载体，起分散作用；氧化锌起稳定作用。为了更好地实现金属裂解水蒸气绿色制氢和现场制氢，需要提供对应的制氢系统。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是提供一种金属裂解水蒸气制氢系统，用于实现金属裂解水蒸气绿色制氢和现场制氢，结构简单，易于实现。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种金属裂解水蒸气制氢系统，所述制氢系统包括蒸气源、裂解反应器、冷凝器、气液分离器，其中：
6.所述裂解反应器包括筒体，所述筒体内阵列设置有多个反应管，所述反应管内填装有可更换的裂解剂，所述裂解反应器具有蒸气接口和混合气体接口，所述蒸气接口与所述蒸气源相连通，所述蒸气源能向所述裂解反应器输入压力在0.6mpa以内，温度在140-180℃之间的水蒸气，且所述筒体内的水蒸气能进入所述反应管内；
7.所述混合气体接口与所述冷凝器的入口相连通，所述冷凝器的出口与所述气液分离器的入口相连通，所述裂解反应器输出氢气和水蒸气混合气体能依次通过所述冷凝器和所述气液分离器，所述气液分离器通过一氢气输出口供应氢气。
8.进一步的，所述蒸气源包括：锅炉、减压结构、冷却结构、锅炉控制箱、温度采集器
件和气压采集器件；所述锅炉、所述减压结构和所述冷却结构依次连通，所述锅炉产生的水蒸气能输送到所述减压结构、所述冷却结构，所述温度采集器件实时采集管路中的水蒸气的温度参数，所述气压采集器件实时采集管路中的水蒸气的压力参数，所述锅炉控制箱根据所述温度参数、所述压力参数连接控制所述减压结构、所述冷却结构，使得水蒸气的压力在0.6mpa 以内，温度在140-180℃之间。
9.进一步的，所述减压结构为多级减压结构串联构成，每一级减压结构设置固定的减压比，所述减压比为减压结构出口压力与入口压力的比值；所述压力参数包括每一级减压结构输出端的高温水蒸气压力参数。
10.进一步的，所述冷却结构包括：储水箱、容积泵和气液混合组件，所述储水箱用于存储冷却水，所述储水箱中的冷却水经过所述容积泵输入到所述气液混合组件对高温水蒸气进行冷却后输出；所述温度采集器件和所述气压采集器件实时采集水蒸气输出端的温度参数、压力参数。
11.具体的，所述容积泵为变频容积泵，锅炉控制箱通控制变频容积泵的频率调节注入气液混合组件的冷却水流量。
12.具体的，减压结构对系统压力调节的调节比为p n
‑‑
1，其中减压级数为n，减压比为p；冷却结构对蒸气源温度的调节范围为：最低压力饱和温度
‑‑
供应高温水蒸气温度。
13.进一步的，所述裂解反应器还包括有设置在筒体下端和上端的第一椭圆封头、第二椭圆封头，所述第一椭圆封头、所述第二椭圆封头与所述筒体形成箱体；所述蒸气接口位于所述第一椭圆封头上，所述混合气体接口位于所述第二椭圆封头上，水蒸气从所述蒸气接口进入到所述筒体，通过所述反应管后被催化裂解形成氢气、水蒸气混合气体后从所述混合气体接口输出。
14.具体的，所述第一椭圆封头通过第一法兰连接组件安装在所述筒体下端，所述第二椭圆封头通过第二法兰连接组件安装在所述筒体上端。
15.可选的，所述筒体通过一安装支架设置在安装台板上，当安装台板设置为可移动平台，使得制氢系统可以灵活移动。
16.进一步的，所述反应管是网孔结构管，所述反应管的侧壁上设置有多个供水蒸气进入的网孔结构，沿着所述筒体长度方向交错设置有多个折流挡板，水蒸气从所述筒体上端进入后沿着所述折流挡板弯折通过所述反应管形成的阵列。
17.具体的，所述反应管之间还还设置有定距管，所述定距管通过一拉杆连接。
18.进一步的，所述第一椭圆封头上设置有与所述箱体连通的进气检测接口，用于实时检测进入到所述筒体内水蒸气的压力参数、温度参数；所述筒体一侧设置有与所述箱体连通的筒体检测接口，用于实时检测所述筒体内混合气体的压力参数、温度参数。
19.进一步的，所述筒体外周壁均匀设置有冷却管，所述冷却管的两端分别于一冷却介质输入接口、冷却介质输出接口连通。
20.可选的，在所述第一椭圆封头内对应所述蒸气接口设置有环形气流分布器，所述第二椭圆封头内对应所述混合气体接口设置有锥形挡板。
21.进一步的，所述气液分离器与所述氢气输出口之间还依次设置有过滤器、稳压阀。
22.采用上述技术方案，本实用新型实施例的金属裂解水蒸气制氢系统，利用蒸气锅炉产生的蒸气或蒸气发生器产生的水蒸气，通过降压处理将水蒸气压力控制在0.6mpa以
内，然后让水蒸气通过含有水裂解催化剂的裂解反应器，水蒸气进入筒体内的反应管中就会产生氢气和水蒸气的混合气体，混合气含氢量较高，可以直接燃烧，也可以继续通过冷凝器、气液分离器分离提纯。该系统的裂解催化剂可以更换，该系统可以集成设置在移动平台成为适应于不同应用场景的各种规格的小型撬装现场制氢设备。水蒸气裂解制氢操作条件相对温和，产物组成相对简单，分离提纯简便，规模在10～-10000m3/h内均能建设装置产量可根据需求调整，制氢成本适中，适应分布式制氢就地供氢的要求。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本实用新型实施例的金属裂解水蒸气制氢系统主视结构图；
25.图2为蒸气源的结构示意图；
26.图3为本实用新型实施例的金属裂解水蒸气制氢系统三维结构图一；
27.图4为本实用新型实施例的金属裂解水蒸气制氢系统三维结构图二；
28.图中，10-蒸气源，20-裂解反应器，30-冷凝器，40-气液分离器，50-过滤器，60-稳压阀，70-氢气输出口；
29.11-锅炉，12-一级减压结构，13-二级减压结构，14-三级减压结构，15-气液混合组件， 16-锅炉控制箱，17-储水箱，18-容积泵；
30.21-蒸气接口，22-进气检测接口，23-环形气流分布器，24-第一椭圆封头，25-第一法兰连接组件，26-冷却介质输入接口，27-拉杆，28-定距管，29-反应管，210-折流挡板，211
‑ꢀ
筒体，212-冷却介质输出接口，213-第二法兰连接组件，214-箱体，215-锥形挡板，216
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第二椭圆封头，217-混合气体接口，218-筒体检测接口，219-安装支架，220-冷却管。
具体实施方式
31.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
32.实施例1
33.如图1所示，本实用新型实施例提供了一种金属裂解水蒸气制氢系统，包括蒸气源10、裂解反应器20、冷凝器30、气液分离器40，裂解反应器20包括筒体211，筒体211内阵列设置有多个反应管29，反应管29内填装有可更换的裂解剂，裂解反应器20具有蒸气接口21 和混合气体接口217，蒸气接口21与蒸气源10相连通，蒸气源10向裂解反应器20输入压力在0.6mpa以内，温度在140-180℃之间的水蒸气，且筒体211内的水蒸气能进入反应管29 内。
34.混合气体接口217与冷凝器30的入口相连通，冷凝器30的出口与气液分离器40的入口相连通，裂解反应器20输出氢气和水蒸气混合气体依次通过冷凝器30和气液分离器40，气液分离器40通过一氢气输出口供应氢气。
35.如图2所示，蒸气源10包括：锅炉11、减压结构、冷却结构、锅炉控制箱16、温度采集器件和气压采集器件；锅炉11产生的高温高压水蒸气输送到减压结构、冷却结构，温度采集器件实时采集管路中的水蒸气的温度参数，气压采集器件实时采集管路中的水蒸气的压力参数，锅炉控制箱16根据温度参数、压力参数连接控制减压结构、冷却结构，使得水蒸气的压力在0.6mpa以内，温度在140-180℃之间。
36.具体的，减压结构为多级减压结构串联构成，每一级减压结构设置固定的减压比，减压比为减压结构出口压力与入口压力的比值；压力参数包括每一级减压结构输出端的高温水蒸气压力参数。
37.具体的，冷却结构包括：储水箱17、容积泵18和气液混合组件15，储水箱17用于存储冷却水，储水箱17中的冷却水经过容积泵18输入到气液混合组件15对高温水蒸气进行冷却后输出；温度采集器件和气压采集器件实时采集水蒸气输出端的温度参数、压力参数。
38.具体的，容积泵18为变频容积泵，锅炉控制箱通控制变频容积泵的频率调节注入气液混合组件的冷却水流量。
39.具体的，减压结构对系统压力调节的调节比为p n
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1，其中减压级数为n，减压比为p；冷却结构对蒸气源温度的调节范围为：最低压力饱和温度
‑‑
供应高温水蒸气温度。
40.锅炉中产生的高温水蒸气先经过减压结构减压，再进入冷却结构进行冷却后输出；温度采集器件实时采集过冷却结构输出端的高温水蒸气的温度参数，并将温度参数发送给锅炉控制箱；气压采集器件实时采集高温水蒸气的压力参数，并将压力参数发送给锅炉控制箱；锅炉控制箱基于压力参数与预设压力阈值进行比较后控制减压结构对蒸气源压力进行调节，基于温度参数与预设温度阈值进行比较后控制冷却结构对蒸气源温度进行调节。
41.如图2所示，锅炉11为气源，为工业生产或试验运行提供温度和压力参数相对稳定的高温水蒸气。储水箱17用于储存常温常压的冷却水。减压结构为多级减压结构串联构成，每一级减压结构设置固定的减压比，减压比为减压结构出口压力与入口压力的比值。本实施例供设置3级减压结构(一级减压结构12、二级减压结构13和三级减压结构14)串联构成减压结构，根据运行参数要求可以选择多级减压结构的不同组合设置，可以实现宽压力变化范围的连续调节。
42.其中，上述一级减压结构12、二级减压结构13和三级减压结构14可采用现有技术中常用的减压罐，由于其为成熟的现有技术，在此对其结构不做赘述。
43.本实施例中气压采集器件中的p1采集锅炉11后高温水蒸气的压力参数，气压采集器件中的p2采集一级减压结构12后高温水蒸气的压力参数，气压采集器件中的p3采集二级减压结构13后高温水蒸气的压力参数，气压采集器件中的p4采集三级减压结构14后高温水蒸气的压力参数，p5采集气液混合组件15后高温水蒸气的压力参数，这些高温水蒸气的压力参数均作为压力采集输入参数至锅炉控制箱16。温度采集输入参数主要是气液混合组件15后高温水蒸气的温度参数t1。
44.示例减压结构实践已实现对系统压力调节的调节比可达到0.4～1；压力调节精度达到
±ꢀ
0.15mpa，示例冷却结构实践已实现对系统温度的调节范围可达到150℃～450℃。温度调节精度达到
±
2℃，实施效果良好。
45.高温水蒸气温度和压力自动调控系统具体实施方式如下：
46.1)根据系统总体要求(高温水蒸气使用温度和压力变化范围、锅炉供汽参数等)，开展系统设计和计算分析，主要确定减压阀结构级数和冷却水调节组件的设计参数；
47.2)根据系统设计完成系统硬件集成安装和调试，完成温度和压力测点的安装和信号测试，完成运行控制系统控制软件编制和测试；
48.3)在正式投入运行时，首先根据运行要求，在运行控制系统中完成高温水蒸气输出要求的温度和压力参数值或者温度和压力随时间变化曲线设置；
49.4)将运行控制系统设定为手动控制模式，启动冷却水调节组件，将冷却水通入到气液混合组件；启动高温水蒸气多级减压结构，逐级缓慢开启减压阀组的阀门，将来自锅炉的高温水蒸气经过减压后通入气液混合组件，与冷却水混合以降低温度；
50.5)将出口温度和压力调节到适当值之后，切换运行控制系统到自动控制模式；
51.6)在自动控制模式下，温度压力测量组件自动测量各点位的温度和压力参数，并通过压力和温度采集输入运行控制系统，运行控制系统对比分析当前系统实测输出高温水蒸气温度和压力参数与设定目标值之间的偏差，如果系统实测输出参数与设定目标值在允许偏差范围内，则保持当前状态不做调整，如果系统实测输出参数与设定目标值超过偏差允许范围，则根据偏差的大小和系统响应特性进行运算分析，得到调节量并通过温度和压力控制输出单元将调控信号作用于温度和压力调节设备，使得系统输出的蒸气参数与设定目标值达到规定的偏差范围内，从而实现高温水蒸气参数的实时自动精确调节。
52.如图3、4所示，裂解反应器20还设置在筒体211下端和上端的第一椭圆封头24、第二椭圆封头216，第一椭圆封头24、第二椭圆封头216与筒体211形成箱体214；蒸气接口21 设置于第一椭圆封头24上，混合气体接口217设置在第二椭圆封头216上，水蒸气从蒸气接口21进入到筒体211，通过反应管29后被催化裂解形成氢气、水蒸气混合气体后从混合气体接口217输出。
53.具体的，本实用新型实施例涉及的其中一种裂解剂的配方组分：铁1％-15％；铝10％-40％；金属氯化盐1％-15％；辉钼矿10％-30％；锰矿10％-50％；其余为粘合剂；制备工艺为：将铁1％-15％；铝10％-40％；金属氯化盐1％-15％；辉钼矿10％-30％；锰矿10％-50％分别研磨成粉末状，其颗粒为100-300目；将研磨后的铁1％-15％；铝10％-40％；金属氯化盐1％-15％；辉钼矿10％-30％；锰矿10％-50％添加到粘合剂中搅拌混合，直至混合均匀；在粘合剂中混合均匀后在4-6个大气压下模压成型为多孔块状的复合金属材料。
54.具体的，第一椭圆封头24通过第一法兰连接组件25安装在筒体211下端，第二椭圆封头216通过第二法兰连接组件213安装在筒体211上端。
55.可选的，筒体211通过一安装支架219设置在安装台板上，当安装台板设置为可移动平台，使得制氢系统可以灵活移动。具体的，反应管29是网孔结构管，反应管29的侧壁上设置有多个供水蒸气进入的网孔结构，沿着筒体211长度方向交错设置有多个折流挡板210，水蒸气从筒体211上端进入后沿着折流挡板210弯折通过反应管29形成的阵列。
56.折流挡板210的作用是：能够一定程度上减慢水蒸气在裂解反应器20内自下至上的流动速度，使得水蒸气可以更充分的进入至反应管29内，与裂解剂接触。
57.可选的，反应管29之间还设置有定距管28，定距管28通过一拉杆27连接。定距管28 同样能够一定程度上减慢水蒸气在裂解反应器20内自下至上的流动速度。
58.如图3所示，第一椭圆封头24上设置有与箱体214连通的进气检测接口22，用于实
时检测进入到筒体211内水蒸气的压力参数、温度参数；筒体211一侧设置有与箱体214连通的筒体检测接口218，用于实时检测筒体211内混合气体的压力参数、温度参数。
59.如图3、4所示，筒体211外周壁均匀设置有冷却管220，冷却管220的两端分别于一冷却介质输入接口26、冷却介质输出接口212连通。
60.可选的，在第一椭圆封头24内对应蒸气接口21设置有环形气流分布器23，第二椭圆封头216内对应混合气体接口217设置有锥形挡板215。
61.上述环形气流分布器23的结构为本领域内的常规设置，由于其为成熟的现有技术，在此对其结构不做赘述。其作用是使蒸气均匀分散进入至裂解反应器20内。锥形挡板215具有一定防止蒸气倒流的作用。
62.如图1所示，气液分离器40与氢气输出口70之间还依次设置有过滤器50、稳压阀60。
63.本实用新型实施例的金属裂解水蒸气制氢系统，利用蒸气锅炉产生的蒸气或蒸气发生器产生的水蒸气，通过降压处理将水蒸气压力控制在0.6mpa以内，然后让水蒸气通过含有水裂解催化剂的裂解反应器，就会产生氢气和水蒸气的混合气体，混合气含氢量较高，可以直接燃烧，也可以继续通过冷凝器、气液分离器分离提纯。该系统的裂解催化剂可以更换，该系统可以集成设置在移动平台成为适应于不同应用场景的各种规格的小型撬装现场制氢设备。水蒸气裂解制氢操作条件相对温和，产物组成相对简单，分离提纯简便，规模在10-10000m3/h 内均能建设装置产量可根据需求调整，制氢成本适中，适应分布式制氢就地供氢的要求。
64.以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。
65.在本实用新型专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“排”、“列”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实用新型专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型专利新型的限制。
66.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型专利的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
67.在实用新型专利中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型专利中的具体含义。
68.在本实用新型专利中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第
一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。