热等离子体制氢装置和制备氢气的方法与流程

本发明涉及利用热等离子体将含碳物料气化制氢的技术，具体涉及一种热等离子体制氢装置和利用热等离子体制氢装置制备氢气的方法。

背景技术：

1、世界众多研究机构均认为氢将是下一代可用于运输燃料的能源载体。虽然氢元素在自然界含量极其丰富，但只有少量的氢分子存在自然界中。因此在工业中所需要的大量氢气就必须通过一定的方法制取，而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采、几乎完全依靠化石燃料。因此氢能源是一种二次能源，要想使氢能源作为下一代的清洁能源广泛用于生产和生活的各个方面，就需要生产出足够多的独立状态的氢分子。生产氢分子的原理是利用化学反应将氢分子从含氢的化合物中分离出来，这一化学反应过程需要从外界输入能量。在理想状态下，根据能量守恒定律生产氢气所需要的能量应该与生产出来的氢气完全燃烧所放出的能量相等。但是在实际生产却存在着大量的能量损失，所以氢气生产往往需要耗费大量的能源。目前工业上制备氢气的主要方法有六种，分别是：

2、(1)采用矿物燃料进行蒸汽转化生产氢气；

3、(2)电解水生产氢气；

4、(3)生物质气化反应生产氢气；

5、(4)光电化学反应生产氢气；

6、(5)光生物反应生产氢气；

7、(6)热分解生产氢气。

8、热等离子体射流具有高温、高焓、高速的特点，可以在毫秒级内实现含碳物料被加热并发生气化反应，利用热等离子体将含碳物料气化制氢具有反应时间短、废渣转化率高、无二氧化碳排放、水耗少、清洁高效等独特的优点，在本领域关于利用热等离子体气化含碳物料制备氢气已有一些研究。等离子体温度非常高，与含碳物料之间的反应迅速且剧烈，因而也带来一些技术难题有待攻破，例如反应温度非常高容易造成阴极烧损，气态碳气相沉积在反应管壁面和煤焦油缩聚反应产生容易粘附在反应管内壁的结焦物，制备的产品气中氢气含量如何进一步提升，能量利用效率的如何进一步改善等等诸多技术难点。如何克服其中一个或几个技术难题，有待本领域技术人员进一步探索突破。

技术实现思路

1、本发明提供一种热等离子体制氢装置和制备氢气的方法，采用本发明的热等离子体制氢装置有利于阴极的良好冷却保护，基于本发明的热等离子体制氢装置以水蒸气工作气体对液态含碳物料进行气化反应制备氢气，可以在不额外设置阴极冷却结构的情况下运行，使阴极获得冷却保护，并提高能量利用率。

2、本发明为达到其目的，提供如下技术方案：

3、本发明一方面提供一种热等离子体制氢装置，包括第一反应段和第二反应段；

4、所述第一反应段包括中空阴极和设于所述中空阴极外围的阳极；所述中空阴极带有中空通道，所述中空通道包括用于输入液态含碳物料的顶部入口和用于输出液态含碳物料的底部出口，所述底部出口下方为第一反应段的反应区；

5、所述阳极和所述中空阴极相对的表面之间形成水蒸气引流通道，所述水蒸气引流通道设有水蒸气入口和与所述反应区连通的热等离子体出口，所述水蒸气引流通道配置为能对水蒸气进行引流以使水蒸气自所述水蒸气入口进入所述水蒸气引流通道后的流向为环绕所述中空阴极的外壁并沿着所述中空阴极的外壁流动；所述中空阴极和所述阳极之间形成有电弧形成区，用于使所述水蒸气转化为热等离子体；

6、所述第二反应段包括反应管，所述反应管的内腔与所述反应区连通，用于接纳所述反应区得到的反应物料。

7、一些实施方式中，至少在所述水蒸气引流通道的水蒸气入口至所述中空阴极的下端之间的区域，所述阳极和所述中空阴极相对的表面之间互相平行；

8、优选的，所述水蒸气引流通道的水蒸气入口位于所述中空阴极的上部，所述热等离子体出口位于所述中空阴极的下方。

9、一些实施方式中，位于所述阳极和所述中空阴极相对的表面之间互相平行的区域的所述水蒸气引流通道部分的宽度d1与位于所述电弧形成区的所述中空阴极和所述阳极之间的最小距离d2的关系为1≤d1：d2≤2，优选1＜d1：d2≤2；

10、所述水蒸气引流通道的通道长度l与所述d2的关系为6≤l：d2≤12。

11、一些实施方式中，所述电弧形成区位于所述水蒸气引流通道的下游；优选的，位于所述电弧形成区的阳极部分的内壁呈弧形，且弧形内壁的阳极部分与所述中空阴极相对的表面之间的距离均等。

12、一些实施方式中，位于所述水蒸气引流通道内的所述中空阴极的外壁和/或所述阳极的内壁设有导热翅片。

13、一些实施方式中，所述装置包括用于冷却所述阳极和所述反应管的冷却结构，所述阴极不配置冷却结构。

14、一些实施方式中，所述用于冷却所述阳极和所述反应管的冷却结构包括循环冷却水通道，所述反应管的侧壁开设有供所述循环冷却水通道内的冷却水喷出至所述反应管内的多个喷口。

15、一些实施方式中，所述喷口的出口侧的口径r1小于所述喷口的入口侧的口径r2；

16、优选的，所述喷口由所述入口侧至所述出口侧的方向，其口径呈逐渐缩窄的趋势；

17、优选的，所述喷口的所述出口侧的口径r1与所述喷口的所述入口侧的口径r2之比为1:2-5，优选1:4。

18、一些实施方式中，还包括用于分离反应产物的分离器，所述分离器的入口与所述反应管的反应产物出口连通。

19、本发明还提供利用上文所述的热等离子体制氢装置制备氢气的方法，包括如下步骤：

20、从所述第一反应段的所述中空阴极的中空通道的顶部入口通入液态含碳物料，所述液态含碳物料从所述中空通道的底部出口流出至所述反应区；

21、将作为工作气体的水蒸气从所述水蒸气入口通入所述水蒸气引流通道，且在所述水蒸气引流通道的引流作用下使得水蒸气自所述水蒸气入口进入所述水蒸气引流通道后的流向为环绕于所述中空阴极的外壁并沿着所述中空阴极的外壁向下流动，所述水蒸气在所述电弧形成区产生热等离子体；所述热等离子体经所述热等离子体出口进入所述反应区并与所述液态含碳物料接触并反应，得到含有氢气的反应物料；

22、所述反应区得到的反应物料流入所述第二反应段的所述反应管内。

23、一些实施方式中，所述反应区的平均反应温度为1000-1600℃，优选1400-1600℃；

24、一些实施方式中，所述装置包括用于冷却所述阳极和所述反应管的冷却结构，所述冷却结构包括循环冷却水通道，在所述循环冷却水通道内通入循环冷却水以冷却所述阳极和所述反应管，在所述反应管的侧壁开设有供所述循环冷却水通道内的冷却水喷出至所述反应管内的喷口，流经所述喷口的冷却水从所述喷口喷出至反应管内，以清洁所述反应管的内壁，并与所述反应管内的反应物料接触并反应；

25、优选的，进入所述反应管内的反应物料在所述喷口喷出的冷却水作用下冷却至800-1300℃。

26、一些实施方式中，所述液态含碳物料选自粘度小于1000mpa·s的液态含碳物料，优选的，所述液态含碳物料选自水煤浆、油煤浆、煤焦油、重油和/或沥青。

27、一些实施方式中，所述液态含碳物料为水煤浆，优选所述水煤浆的水含量不低于40wt％。

28、本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

29、采用本发明的热等离子体制氢装置有利于阴极的良好冷却保护，提高能量利用率。基于本发明提供的装置利用液态含碳物料制备氢气，以水蒸气作为工作气体，以液态含碳物料作为制氢原料，同时结合热等离子体制氢装置的结构巧妙改进，可以优化能量利用方式，对阴极起到良好的冷却效果，能在省略阴极冷却结构的情形下运行，降低装置复杂度；优选方案中，通过进一步结合喷口的设置，可以进一步改善能量利用效果，并起到清洁反应管内壁结焦物的作用，同时在同等工艺条件下相比于不设喷口的装置还能提升反应所得产品气中氢气含量。