一种用于热化学硫碘循环制氢的新型硫酸分解装置的制作方法

本实用新型涉及热化学硫碘循环水分解制氢技术领域，具体涉及一种可用于热化学硫碘循环制氢系统的新型硫酸分解装置。

背景技术：

近年来，随着化石能源的日渐枯竭以及环境污染的日益严重，寻求新能源的发展迫在眉睫。而氢能由于存在热值高、清洁、可再生、可存储、用途广等优点，被誉为“21世纪的能源”。目前常见的制氢技术主要包括化石燃料制氢、可再生能源制氢和水制氢。考虑到地球水资源极为丰富，且水分解后仅生成h2和o2，不产生二次污染，是最为理想的制氢原材料。而水制氢中热化学硫碘循环制氢技术因其热效率高、易实现大规模应用且过程无污染，被众多研究者认为是最有研究意义和极大市场潜力的制氢技术。

热化学硫碘循环制氢系统分为本生(bunsen)反应、h2so4分解、hi分解三大模块，其基本反应组成如下：

其中硫酸分解又分为两步：

硫酸分解需要1123k的高温，是整个系统能耗最高的部分，且高温下硫酸腐蚀性极强，对反应器材料要求高，如何实现硫酸的高效稳定分解成为热化学硫碘循环制氢技术的一个关键。目前公开的硫酸分解装置存在结构单一，内部换热不均，未引入外部热源加热，催化剂易失活等不足。因此设计一种换热效果好、耐腐蚀性强、可满足实际工业应用的新型硫酸分解装置迫在眉睫。

技术实现要素：

为了克服背景技术存在的问题，本实用新型提供了一种可用于热化学硫碘循环制氢的新型硫酸分解装置。

本实用新型的一种可用于热化学硫碘循环制氢的新型硫酸分解装置，包括套筒形的反应器主体；

反应器主体顶端底端均连接有法兰，侧壁外包裹有保温棉；反应器主体内底端设有固定筛板，中部设有催化剂层，催化剂层上下方均为sic层，内部沿轴向设有硫酸进料管和热电偶套管；硫酸进料管底端穿出反应器主体，顶端延伸至上部的sic层上方的反应器主体内部空间中，热电偶套管内部装有活动式热电偶；

反应器主体侧壁顶端与底端均开设有通孔，分别作为高温气体入口和高温气体出口，反应器主体底端连接的法兰上开设有通孔，用于连接外接的生成物排料管。

作为一种改进，高温气体为700～1200℃的高温气冷堆氦气或锅炉高温烟气。

作为一种改进，反应器主体材料为sic、800ht或c-276。

作为一种改进，硫酸进料管顶端开有4列90°均布的孔。

作为一种改进，sic层由碳化硅小球堆积而成，其小球直径为5～20mm，空隙率30～50％。

作为一种改进，催化剂采用sic、al2o3等做载体，负载pt等贵金属或fe2o3、ceo2等金属氧化物。

作为一种改进，硫酸分解装置能单独使用或多套集成化使用，多套集成后能作为反应单元，形成集成硫酸分解器。

一种利用上述装置进行的可用于热化学硫碘循环制氢的新型硫酸分解方法，步骤为：

(1)将高温气体自反应器主体上部高温气体入口流入，自上而下流过反应器主体内部，为反应器提供热量，经充分换热后从反应器下部高温气体出口流出；

(2)硫酸经反应器下端进料管进入反应器主体后，依次通过sic下层、催化剂层、sic上层加热，并由硫酸进料管顶端的4列90°均布小孔均匀喷射出来，受热分解成so3；

(3)so3自上而下通过sic上层、催化剂层、sic下层，最后生成物自反应器下部排料管导出。

本实用新型集成硫酸分解器的工作原理如下：高温气体自集成分解器的顶部气体入口流入，自上而下流过集成分解器，为集成分解器内各反应器单元提供热量，经充分换热后从集成分解器底部高温气体出口流出。反应器单元内的硫酸流向与上述硫酸分解装置内流向相同。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、传统分解装置大都采用电加热以获得高温，其能耗极高。本实用新型采用高温气冷堆氦气或锅炉高温烟气等外部热源为分解装置提供热量，可大大节约能耗。

2.传统反应器内存在硫酸加热不均，气化效果不好等缺点。本实用新型作出三大改进：其一，分别在催化剂层上方和下方设有sic层，其既可增强系统蓄热能力，又可进一步增强气体的涡流，扰动，使气体分布更为均匀，换热更为充分。其二，硫酸流动采用折流形式，增加硫酸流程，提高换热效率。其三，在硫酸进料管顶端开有4列90°均布小孔，使得高温气体均匀喷向sic上层。

3、传统反应器内催化剂单一、易失活、效率低。本实用新型采用sic、al2o3等做载体，负载pt等贵金属或fe2o3、ceo2等金属氧化物，提高催化剂稳定性及效率。

4、传统分解装置较为单一。本实用新型硫酸分解装置可作为反应单元模块，将其集成化，外部统一加热，形成集成硫酸分解器，可用于大规模热化学硫碘循环制氢硫酸分解。

附图说明

图1为本实用新型的一种可用于热化学硫碘循环制氢的新型硫酸分解装置的结构示意图；

图2为本实用新型的一种可用于热化学硫碘循环制氢的集成硫酸分解器示意图。

附图标记说明：1-生成物排料管；2-法兰盖；3-法兰；4-高温气体出口；5-固定筛板；6-保温棉；7-热电偶套管；8-催化剂层；9-硫酸进料管；10-sic层；11-反应器主体；12-高温气体入口；13-集成硫酸分解器；14-反应器单元。

具体实施方式：

为了使本实用新型的技术方案能够更好的被理解，下面将结合附图详细说明本实用新型的实施情况。

实施例1：

如图1所示的，本实用新型的一种可用于热化学硫碘循环制氢的新型硫酸分解装置，包括套筒形的反应器主体11。

反应器主体11顶端底端均连接有法兰3，法兰3上设有法兰盖2，反应器主体11侧壁外包裹有保温棉6。硫酸腐蚀性极强，且其分解温度极高，故从反应器主体11稳定性角度考虑，采用sic、800ht、c-276等材料。

反应器主体11内底端设有固定筛板5，为防止生成物气流导出不畅，故在反应器11下部装有固定筛板5，为生成物导出提供缓冲空间。反应器主体11内中部设有催化剂层8，催化剂层8上下方均为sic层10，本实用新型中，为了增强对反应物的加热效果，增设两层sic层10，其中sic上层位于催化剂层8的上方。催化剂采用sic、al2o3等做载体，负载pt等贵金属或fe2o3、ceo2等金属氧化物。sic下层位于催化剂层8的下方。sic层10由碳化硅小球堆积而成，小球直径为5～20mm，空隙率为30～50％，其在增强系统蓄热能力的同时，可进一步增强气体的涡流，扰动，使气体分布更为均匀，换热更为充分。

内部沿轴向设有硫酸进料管9和热电偶套管7。硫酸进料管9底端穿出反应器主体11，顶端延伸至上部的sic层10上方的反应器主体11内部空间中，本实用新型中，硫酸流动采用折流形式，提高换热效率。硫酸进料管9布置在硫酸反应器11正中心，硫酸经进料管9进入反应器后，自下而上流动，充分换热，分解成so3和h2o，而后从硫酸进料管9顶端的4列90°均布小孔均匀喷出。随后高温气体自上而下依次通过sic上层10a、催化剂层8、sic下层10b，其中so3在催化剂层8分解成so2和o2，最后h2o、so2和o2自生成物排料管1导出。

为实时获得反应器11内部各点温度，在反应器11内部装有热电偶套管7，其材料为哈氏c合金，套管内为活动式k型热电偶。

反应器主体11侧壁顶端与底端均开设有通孔，分别作为高温气体入口12和高温气体出口4，反应器主体11底端连接的法兰3上开设有通孔，用于连接外接的生成物排料管1。

一种利用上述装置进行的可用于热化学硫碘循环制氢的新型硫酸分解方法，步骤为：

(1)将高温气体自反应器主体11上部高温气体入口12流入，自上而下流过反应器主体11内部，为反应器提供热量，经充分换热后从反应器下部高温气体出口4流出；

(2)硫酸经反应器下端进料管进入反应器主体11后，依次通过sic下层、催化剂层8、sic上层加热，并由硫酸进料管9顶端的4列90°均布小孔均匀喷射出来，受热分解成so3；

(3)so3自上而下通过sic上层、催化剂层8、sic下层，最后生成物自反应器主体排料管1导出。

硫酸分解模块是整个热化学硫碘循环水分解制氢系统最耗能的模块，其分解温度高达1123k以上，因此寻找合适匹配的热源至关重要。本硫酸分解装置的反应温度区间为873k-1173k，故本实用新型选用高温气冷堆氦气或锅炉高温烟气作为热源，为反应器11提供热量。由于反应器11下部为h2so4预热层，所需温度较低；中上部为h2so4分解层，所需温度较高，故高温气体沿反应器11自上而下流动。同时反应器11外包覆有保温棉6，防止散热。

实施例2，如图2所示，硫酸分解装置能多套集成化使用，多套集成后能作为反应单元，形成集成硫酸分解器13。本实用新型集成硫酸分解器13的工作原理如下：单元模块的外加热通道取消，高温气体自集成分解器13的顶部气体入口流入，自上而下流过集成分解器13，为集成分解器13内各反应器单元14提供热量，经充分换热后从集成分解器13底部高温气体出口4流出。反应器单元14内的硫酸流向与上述硫酸分解模块装置内流向相同。

本实施例中，选用高温气冷堆氦气或锅炉高温烟气作为热源，为各反应器单元14提供热量。同时，集成分解器13外包覆有保温棉6，防止散热。

以上描述解释了本实用新型的主要原理、基本特征和其优点，不能以此限定本实用新型实施的范围。上述说明书中描述的只是本实用新型的原理和特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有诸多的变化与改进，这些都在保护范围内。