一种甲醇水重整制氢机及其制氢方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及氢气制备设备技术领域，特别涉及一种甲醇水重整制氢机及其制氢方法。
【背景技术】
[0002]氢，是一种21世纪最理想的能源之一，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的主要是COjPSO2，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。氢的分布很广泛，水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。
[0003]目前，世界上氢的年产量约为3600万吨，制氢方法主要有两种:其一、绝大部分氢是从石油、煤炭和天然气中制取，这种方法需要消耗本来就很紧缺的矿物燃料；其二、约有4%的氢是用电解水的方法制取，这种方法消耗电能大，很不划算。随着技术的进步，采用甲醇和水重整制氢的技术渐渐得到发展，其能减少化工生产中的能耗和降低成本，并有望替代电能消耗特别大的电解水制氢工艺。利用先进的甲醇水蒸气重整技术制取4与0)2的混合气体，再经钯膜分离器分离，可分别得到HjP CO 2。
[0004]参照中国发明申请201310340475.0 (申请人:上海合既得动氢机器有限公司)，该专利公开了一种甲醇水制氢系统，甲醇与水蒸气重整器的重整室内，在350-4090C温度下1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下:(I) CH3OH — C0+2H2； (2) H 20+C0 — C02+H2； (3) CH 30H+H20 — C02+3H2，重整反应生成的 H2^PCO2,再经过分离室的钯膜分离器将HjP CO 2分离，得到高纯氢气。在重整器内，还设置有气化室及燃烧室，气化室用于将甲醇与水进入重整器前气化成蒸汽，而燃烧室用于通过4燃烧放热，为重整室提供350-409°C的重整反应温度，以及为气化室提供热量。
[0005]然而，上述甲醇水制氢系统还存在以下缺失:其一、由于重整器需要设置燃烧室，因此，重整器还需要设置用于扇入空气中氧气的进风风扇和进风通道，以及用于排出燃烧后产生的废气的烟窗，高温废气从烟窗排出，不仅浪费热能，而且容易影响制氢系统各部分设备运转；其二、燃烧室内，氢气燃烧温度往往会短时间内飚升至1000°c以上，容易烧坏重整器，并且，氢气燃烧放热的方式难以控制，燃烧室的温度稳定性差(燃烧室的温度通常要求405-570°C之间)；其三、重整器设置气化室、燃烧室等腔室、进风风扇、进风通道、及烟窗等部件，增大了重整器的结构复杂性和检修难度。
[0006]有鉴于此，本申请人(广东合即得能源科技有限公司)于2014年11月7日申请了一项名称为一种甲醇水制氢机及其制氢方法，申请号为201410622141.7发明专利，该发明专利的重整器设有重整室及电加热器，电加热器为重整室提供热能，重整室内设有催化剂，甲醇和水在重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体；具体地，该电加热器包括电阻发热体及金属铸件导热体。由于该制氢机的重整器设置有为重整室加热的电加热器，因此重整器无需设置燃烧室、进风风扇、进风通道和烟窗，整体上为一封闭的重整器，不会排放高温废气，避免了热能浪费，避免了因高温废气影响制氢系统各部分设备运转，避免了因燃烧对重整器的破坏问题，并降低了重整器的结构复杂性和检修难度，电加热器的加热温度也较容易控制。
[0007]然而，该甲醇水制氢机采用的电加热器是电阻发热体及金属铸件导热体，还存在如下缺陷:其一、使用寿命短、维修量大，电加热器由于采用电阻发热体发热，金属铸件导热体导热，当温度达405-570°C之间，电阻丝容易因高温及老化而烧断，常用电阻发热体的寿命平均不到半年，因而维修工作量相对较大；其二、采用电阻发热体发热、金属铸件导热体导热的方式，其热滞后较大，控制装置不易精确控制重整室温度；其三、采用电阻发热体发热、金属铸件导热体导热的方式，重整器启动速度慢，启动时间通常在3分钟以上；其四、电阻发热体自身发热的热效率低，通常只能利用电能的50%，并且加热不均匀。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种甲醇水重整制氢机，该制氢机的重整器不仅无需设置燃烧室、进风风扇、进风通道和烟窗、结构较为简单，而且使用寿命长、维修量小、热滞后较小、控制精准，重整器启动速度快，热效率高、加热均匀；为此，本发明还要提供一种该甲醇水重整制氢机的制氢方法。
[0009]为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是:一种甲醇水重整制氢机，包括甲醇水储存容器、输送泵、换热器及重整器，其中:
甲醇水储存容器，其内储存有液态的甲醇和水；
输送泵，用于将甲醇水储存容器中的甲醇和水输送至重整器的重整室；
换热器，安装于输送泵与重整器之间的输送管道上，低温的甲醇和水在换热器中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高，氢气温度降低；
重整器，设有重整室、电磁加热器及氢气纯化装置，所述电磁加热器包括电磁线圈及金属受磁体，电磁线圈通电后能广生尚频磁场，使金属受磁体受磁场感应而发热，为重整室提供热能；所述重整室内设有催化剂，甲醇和水在重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体；所述重整室与氢气纯化装置通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室内，能通过重整室内的高温继续加热从重整室输出的高温混合气体；所述连接管路作为重整室与氢气纯化装置之间的缓冲，使得从重整室输出的高温混合气体的温度与氢气纯化装置的温度相同或接近；从氢气纯化装置的产气端得到氢气，该氢气经换热器后输出。
[0010]作为对本发明的进一步阐述:
所述甲醇水重整制氢机还包括气体分流器、燃料电池及交直流电力转换装置，所述气体分流器用于分流从换热器输出的氢气，经气体分流器分流后，部分氢气进入燃料电池；所述燃料电池用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能；产生的电能经交直流电力转换装置转换后，为所述输送泵及重整器的电磁加热器供电。进一步，所述交直流电力转换装置输送给电磁加热器的电为20-40KHZ的高频高压电。所述甲醇水重整制氢机还设有贮氢瓶，该贮氢瓶可在重整器启动过程中，为燃料电池输入氢气，使燃料电池工作，产生电能，为输送泵及重整器的电磁加热器供电。
[0011 ] 所述重整器从外至内依次包括保温壳体、重整室及氢气纯化装置，所述电磁加热器的电磁线圈设置于保温壳体与重整室之间，所述金属受磁体设置于重整室内。进一步，所述金属受磁体设置有单层或多层，金属受磁体呈筒状结构或网状结构。所述重整室的外侧和内侧还设有汽化盘管，甲醇和水在进入重整室之前先通过汽化盘管，以便甲醇和水汽化。
[0012]所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
[0013]为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是:一种甲醇水重整制氢机的制氢方法，包括以下步骤:
a.控制装置控制甲醇水重整制氢机启动，输送泵将甲醇水储存容器中的甲醇和水经换热器后，输送至重整器的重整室，在换热器中，甲醇和水温度升高，氢气温度降低；
b.控制装置控制重整器的电磁加热器工作，电磁加热器的电磁线圈通电后产生高频磁场，使电磁加热器的金属受磁体受磁场感应而发热，为重整室提供350-570°C温度，在重整室内，汽化的甲醇和水在催化剂作用下，发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体；
c.高温混合气体经连接管路进入重整器的氢气纯化装置进行分离，从氢气纯化装置的产气端得到高温氢气，该高温氢气经换热器降温后输出。
[0014]所述步骤C中输出的氢气经气体分流器后，部分氢气进入燃料电池，在燃料电池内，氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，产生的电能经交直流电力转换装置后，为为所述输送泵及重整器的电磁加热器供电，其中，交直流电力转换装置输送给电磁加热器的电为20-40KHZ的高频高压电。
[0015]本发明的有益效果是:其一、由于本发明的重整器设置有为重整室加热的电磁加热器，因此重整器无需设置燃烧室、进风风扇、进风通道和烟窗，整体上为一封闭的重整器，不会排放高温废气，避免了热能浪费，避免了因高温废气影响制氢系统各部分设备运转，避免了因燃烧对重整器的破坏问题；其二、本发明采用电磁加热器给重整室，因电磁线圈本身基本不会产生热量，因而寿命长，无需检修，无维护更换成本，使用寿命高达10年以上，后期基本无维护费用；其三、电磁线圈通电后能产生高频磁场，使金属受磁体受磁场感应而迅速发热，为重整室提供热能，这种加热方式的热滞后较小，控制装置很容易精准控制重整器温度；其四、采用金属受磁体受磁场感应而迅速发热的方式，重整器启动速度非常快速，效率非常高，经实验证明，重整器的启动时间可以降低至10秒；其五、电磁加热器的热效率非常高，能利用电能的95%以上，并且加热均匀。此外，在本发明进一步技术方案中，电磁加热器及输送泵的电能由燃料电池提供，而燃料电池所需要的氢气又来自于本发明制得的氢气，因此，本发明无需外接市电，即可实现电磁加热器及输送泵的工作，因而使本发明适应性极强，不受地域条件和市电的限制。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的整体结构方框图。
[0017]图2为本发明的重整器及换热器外部结构示意图。
[0018]图3为本发明一优选实施例的重整器横剖视结构示意图。
[0019]图4为金属受磁体的一种优选结构示意图。
[0020]图5为金属受磁体的另一种优选结构示意图。
[0021]图中:1.甲醇水储存容器；2.输送泵；3.换热器；4.重整器；41.重整室；42.电磁加热器；43.氢气纯化装置；44.保温壳体；45.汽化盘管；5.气体分流器；6.燃料电池；7.交直流电力转换装