CN107596863A - 一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢*** - Google Patents

一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢*** Download PDF

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Abstract

本发明属于热管应用技术领域，提供了一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢***，包括原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分；原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分依次连通；本发明实现了直接利用太阳能进行分布式制氢，利用圆筒形高温热管构建反应器，实现了热量接收装置与化学反应器的直接耦合，显著地降低了太阳能热化学制氢装置的复杂性；利用圆筒形高温热管解决了二维圆环形聚光光斑对三维管状反应区域的加热问题，有效的改善了间接型制氢反应器反应温度低的问题；构建了间接型反应器，有效避免了直接型反应器石英窗清洁及气密性维持问题。

Description

一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢 ***
技术领域
本发明属于热管应用技术领域，涉及一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢***。
背景技术
在世界各主要城市中，交通部门的温室气体(GHG)排量均占据很高比例。由于交通运输部门的GHG排放与交通工具的燃料类型紧密相关，因而导致了目前的高碳排放。
当前，传统化石燃料汽车的发展已经暴露出了一些问题，其中比较突出是温室气体大量排放和空气污染加重的问题。氢能由于其能量密度大(2.37kW·h/dm3)，燃烧产物清洁，因此，作为一种清洁的替代能源受到广泛的关注。近年来，氢燃料电池汽车的迅猛发展和商业化席卷了整个世界，其高效节能以及零排放或接近零排放的良好环境性能，使之成为当今世界能源和交通领域开发的热点。
然而，现有制氢工艺高耗能和碳排放捕集困难的主要缺点使氢燃料电池汽车从全周期上来看难以达到节能减排的基本目标。因此，目前亟待开发一种基于可再生能源的制氢技术来解决氢能供应问题。本发明旨在开发一种基于太阳能供能的反应***以降低制氢能耗，同时利用热化学方式制氢，以达到降低过程碳排放的同时提升能源品位的双重目标，最终实现可分布式制氢加氢的氢气供应产业链。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能热化学制氢技术装置，其目的是解决目前现有的制氢技术存在高耗能，生产过程中产生的二氧化碳捕集困难等缺点，降低制氢能耗，降低过程碳排放的同时提升能源品位。
本发明的技术方案：
一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢***，包括原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分；原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分依次连通；
所述的原料预热部分由两个多管程套管式换热器及蒸汽发生器组成，第一换热器的管程通原料气，原料气分为甲烷和水的混合气、甲烷和二氧化碳的混合气两种；当原料气为甲烷和水的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气，壳程中被冷凝的水蒸气收集，直接通入蒸气发生器作为反应原料使用；当原料气为甲烷和二氧化碳的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气；第一换热器的壳程入口与第二换热器的管程出口直接相连，由第二换热器中流出的高温水对第一换热器的管程中的原料气进行预热，第一换热器的管程出口与反应器本体入口直接相连；
所述的反应器本体部分提供热化学反应(如甲烷重整)发生环境，包括太阳能聚光装置(如蝶式、塔式)、太阳能双轴跟踪***和圆筒形高温热管反应器三部分；
所述的圆筒形高温热管反应器固定于太阳能聚光装置的焦点位置处，太阳光直射时给圆筒形高温热管蒸发段供能，再将太阳能聚光获得的热量均匀传递给整个反应器，并保证圆筒形高温热管反应器底部与顶部温度差低于10℃；太阳能双轴跟踪***利用光敏传感器实时输入信号并获得光线入射角度，通过电信号控制步进电机控制太阳能聚光装置移动；同时，机械传动机构设计限位装置，保证***追踪精度高；
所述的圆筒形高温热管反应器为双层套筒结构，外壁为筒形高温热管，内部为反应发生腔；圆筒形高温热管反应器采用反重力设计，在多角度工况下仍提供反应所需热量；圆筒形高温热管反应器顶部端盖设有原料管入口和中心产物气收集管出口；在内壁与中心产物气收集管环隙装有筛状的催化剂隔板；反应器顶部端盖、原料管、产物气收集管、催化剂隔板四者焊接为一体，通过螺柱与筒形高温热管连接；反应器本体工作时，原料气从顶部端盖原料管入口进入，被筒形高温热管加热，催化剂置于筛状催化剂隔板上，原料气流经催化剂床层发生反应，产物气到达反应器本体底部，由产物气收集管通过顶部端盖排出反应器本体；若原料气为CH4与水蒸气的混合气时，所述的产物气为H2、CO、CO2、水蒸气和微量的未反应完CH4混合气；若原料气为CH4与CO2的混合气时，所述的产物气为H2、CO和微量的未反应完的CH4与CO2混合气；
若原料气为CH4与水蒸气的混合气时，气体纯化部分包括水汽变换装置、第二换热器、气液分离器和变压吸附装置，水汽变换装置直接与反应器本体的产物气收集管出口相连接，由反应器本体排出的产物气进入水汽变换装置，将产物气中的CO转化成CO2及H2；水汽变换装置与第二换热器直接相连通，冷却水在管程流动，产物气在壳程流动，产物气中含有的水蒸气被冷却后通过气液分离器排出，排出的冷凝水收集后作为原料重新利用，气液分离器的出口与第一压缩机相连通，被压缩后的产物气直接通入变压吸附装置，通过变压吸附装置，将CO2和未反应的CH4分离，获得高纯度H2，再次经过第二压缩机压缩后进入氢气储存部分；
若原料气为CH4与CO2的混合气时，气体纯化部分包括第二换热器和变压吸附装置，冷却水在管程流动，产物气在壳程流动，第二换热器出口与第一压缩机相连通，被压缩后的产物气直接通入变压吸附装置，通过变压吸附装置，将微量的CO2和CH4分离，获得高纯度H2和CO，再次经过第二、第三压缩机压缩后进入氢气与一氧化碳储存部分；
氢气储存部分由压缩机及储气罐构成，由通过气体纯化部分得到的含氢量99.9％的纯净氢气被压缩机压缩到70Mpa后充入储气罐，压缩机与储气罐间用单向阀相连，储气罐配有超压泄放装置、氢气泄露报警装置、压力仪表附属安全设施。
***中各传感器和仪表分别通过数据线与A/D转换模块相连，A/D转换模块通过数据线与工控机相连；管路中各阀门为手/自动阀门，均可与相应设备联锁，由工控机实现自动控制。
筒形高温热管选取液体钠作为本装置的热管工质，管壳材料选用相容性较好的镍铬合金，为了保持在多角度工况下仍能提供反应所需热量，高温热管采用反重力设计，内部循环动力为毛细力，吸液芯材料可选取三层金属丝网，丝网孔数可为400目，为了保证装置的快速启动特性，筒形热管宜采用小长径比设计。
变压吸附装置采用4灌PSA，循环形式采用4‐1‐1+1(吸附罐总数为4，同时处于吸附罐数为1，吹洗前均压次数为1，吹洗后均压次数为1)，变压吸附装置中采用的吸附剂为氧化铝、活性炭及分子筛。
本发明的有益效果是：实现了直接利用太阳能进行分布式制氢，利用圆筒形高温热管构建反应器，实现了热量接收装置与化学反应器的直接耦合，显著地降低了太阳能热化学制氢装置的复杂性；利用圆筒形高温热管解决了二维圆环形聚光光斑对三维管状反应区域的加热问题，有效的改善了间接型制氢反应器反应温度低的问题；构建了间接型反应器，有效避免了直接型反应器石英窗清洁及气密性维持问题。
附图说明
图1是以甲烷与水蒸气为原料的圆筒形高温热管的聚光太阳能热化学制氢***的工作流程示意图。
图2是以甲烷与二氧化碳为原料的圆筒形高温热管的聚光太阳能热化学制氢***的工作流程示意图。
图3是圆筒形高温热管反应器的结构示意图。
图中：1‐1第一换热器；1‐2第二换热器；2蒸汽发生器；3太阳能集热器；4圆筒形高温热管反应器；5水汽变换装置；6气液分离器；7‐1第一压缩机；7‐2第二压缩机；7‐3第三压缩机；8变压吸附装置；9氢气储气罐；10一氧化碳储气罐；11原料管；12产物气收集管；13端盖；14筒形高温热管；15催化剂床；16催化剂隔板；其中实线为气路，虚线为水路。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1：
以水和甲烷为原料利用基于圆筒形高温热管的聚光太阳能热化学制氢***进行高纯氢(纯度>99.9％)生产的方法如下：
(1)进料及预热：检查所有阀门处于关闭状态，开启冷却水入口阀门，随后，同时缓慢旋转减压阀与水阀向管路中恒压、恒流量的通入CH4和H2O，水首先通过蒸汽发生器2，CH4进入第一换热器1‐1管程，由蒸汽发生器2流出的水蒸气与由第一换热器1‐1管程流出的CH4混合后由进料管进入反应器本体，随后开启太阳能双轴电控***，太阳能聚光装置对太阳进行追踪并开始对圆筒形高温热管反应器进行加热；
(2)反应：CH4与H2O的混合气流经催化剂床后生成产物气，产物气从中央产物气收集管通过反应器顶端排出反应器本体，该产物气中含有干基体积分数70‐75％的H2，10‐15％的CO，微量的CO2和CH4及未反应完全的水蒸气；
(3)纯化：由反应本体流出的产物气温度约为700℃，首先进入两级水汽变换装置5，将其中的CO含量降低至10ppm以下，并使重整产物气温度下降到200℃以下，由水汽变换装置5流出后的产物气通入第二换热器1‐2壳层，产物气中的水蒸气被冷凝后通过气液分离器6直接排出，随后，产物气被第一压缩机7‐1压缩后进入变压吸附装置8，除去产物气中的微量甲烷气体及CO2，从而获得可直接应用于PEMFC的高纯H2；
(4)储氢：经过纯化的高纯氢气由第二压缩机7‐2将压力提高到70MPa，注入储氢罐储氢装置或无缝钢管储氢瓶储氢装置。
实施例2：
以二氧化碳和甲烷为原料利用基于圆筒形高温热管的聚光太阳能热化学制氢***进行高纯氢(纯度>99.9％)生产的方法如下：
(1)进料及预热：检查所有阀门处于关闭状态，缓慢旋转减压阀向管路中恒压通入CO2，开启太阳能双轴电控***，太阳能聚光装置3对太阳进行追踪并对开始对圆筒形高温热管反应器4进行加热，流经反应器本体的CO2被太阳能聚光装置加热到800‐1000℃，排空管路中残余气体后，开启冷却水管路入口进水阀，高温的CO2气体通入第二换热器1‐2壳层，将流经管程的水加热到90℃左右，被加热的水进入第一换热器1‐1壳层，当第一换热器1‐1壳层出口流出水温到达90℃时，缓慢旋转CH4管路减压阀，向管路中恒压通入CH4气体，第一换热器1‐1对管程中的进料甲烷进行预热；
(2)反应：CH4与CO2混合后从反应器进料管11进入圆筒形高温热管反应器4，流经催化剂床15后生成产物气，产物气从产物气收集管12通过反应器顶端排出反应器本体，该产物气中含有干基体积分数50‐55％的H2，45‐50％的CO，余量为CO2和微量CH4；
(3)纯化：由反应本体流出的产物气温度约为700℃，该产物气直接通入第二换热器1‐2壳程冷却，随后被第一压缩机7‐1压缩后通入变压吸附装置8中，在变压吸附装置8中可将未反应的CO2与CH4气体移除，并将CO和H2分离；
(4)储存：分离后的CO与H2分别由第二压缩机和第三压缩机将压力提升到70Mpa后注入无缝钢管储气瓶装置或储气罐装置。
本发明所涉及的一种基于圆筒形高温热管的太阳能甲烷‐二氧化碳重整制氢技术装置并不仅仅限于以上实施例中所述的结构和步骤。以上仅为发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换或者组合使用，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢***，其特征在于，所述的聚光太阳能分布式热重整制氢***包括原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分；原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分依次连通；
所述的原料预热部分由两个多管程套管式换热器及蒸汽发生器组成，第一换热器的管程通原料气，原料气分为甲烷和水的混合气、甲烷和二氧化碳的混合气两种；当原料气为甲烷和水的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气，壳程中被冷凝的水蒸气收集，直接通入蒸气发生器作为反应原料使用；当原料气为甲烷和二氧化碳的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气；第一换热器的壳程入口与第二换热器的管程出口直接相连，由第二换热器中流出的高温水对第一换热器的管程中的原料气进行预热，第一换热器的管程出口与反应器本体入口直接相连；
所述的反应器本体部分提供热化学反应发生环境，包括太阳能聚光装置、太阳能双轴跟踪***和圆筒形高温热管反应器三部分；
所述的圆筒形高温热管反应器固定于太阳能聚光装置的焦点位置处，太阳光直射时给圆筒形高温热管蒸发段供能，再将太阳能聚光获得的热量均匀传递给整个反应器，并保证圆筒形高温热管反应器底部与顶部温度差低于10℃；太阳能双轴跟踪***利用光敏传感器实时输入信号并获得光线入射角度，通过电信号控制步进电机控制太阳能聚光装置移动；同时，机械传动机构设计限位装置，保证***追踪精度高；
所述的圆筒形高温热管反应器为双层套筒结构，外壁为筒形高温热管，内部为反应发生腔；圆筒形高温热管反应器采用反重力设计，在多角度工况下仍提供反应所需热量；圆筒形高温热管反应器顶部端盖设有原料管入口和中心产物气收集管出口；在内壁与中心产物气收集管环隙装有筛状的催化剂隔板；反应器顶部端盖、原料管、产物气收集管、催化剂隔板四者焊接为一体，通过螺柱与筒形高温热管连接；反应器本体工作时，原料气从顶部端盖原料管入口进入，被筒形高温热管加热，催化剂置于筛状催化剂隔板上，原料气流经催化剂床层发生反应，产物气到达反应器本体底部，由产物气收集管通过顶部端盖排出反应器本体；若原料气为CH4与水蒸气的混合气时，所述的产物气为H2、CO、CO2、水蒸气和微量的未反应完CH4混合气；若原料气为CH4与CO2的混合气时，所述的产物气为H2、CO和微量的未反应完的CH4与CO2混合气；
若原料气为CH4与水蒸气的混合气时，气体纯化部分包括水汽变换装置、第二换热器、气液分离器和变压吸附装置，水汽变换装置直接与反应器本体的产物气收集管出口相连接，由反应器本体排出的产物气进入水汽变换装置，将产物气中的CO转化成CO2及H2；水汽变换装置与第二换热器直接相连通，冷却水在管程流动，产物气在壳程流动，产物气中含有的水蒸气被冷却后通过气液分离器排出，排出的冷凝水收集后作为原料重新利用，气液分离器的出口与第一压缩机相连通，被压缩后的产物气直接通入变压吸附装置，通过变压吸附装置，将CO2和未反应的CH4分离，获得高纯度H2，再次经过第二压缩机压缩后进入氢气储存部分；
若原料气为CH4与CO2的混合气时，气体纯化部分包括第二换热器和变压吸附装置，冷却水在管程流动，产物气在壳程流动，第二换热器出口与第一压缩机相连通，被压缩后的产物气直接通入变压吸附装置，通过变压吸附装置，将微量的CO2和CH4分离，获得高纯度H2和CO，再次经过第二、第三压缩机压缩后进入氢气与一氧化碳储存部分；
氢气储存部分由压缩机及储气罐构成，由通过气体纯化部分得到的含氢量99.9％的纯净氢气被压缩机压缩到70Mpa后充入储气罐，压缩机与储气罐间用单向阀相连，储气罐配有超压泄放装置、氢气泄露报警装置、压力仪表附属安全设施。
2.根据权利要求1所述的基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢***，其特征在于，所述的筒形高温热管选取液体钠作为热管工质，管壳材料选用镍铬合金。
3.根据权利要求1或2所述的基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢***，其特征在于，所述的筒形高温热管采用反重力设计，内部循环动力为毛细力，吸液芯材料选取三层金属丝网，丝网孔数可为400目。
4.根据权利要求1或2所述的基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢***，其特征在于，变压吸附装置采用4灌PSA，循环形式采用4-1-1+1，即吸附罐总数为4，同时处于吸附罐数为1，吹洗前均压次数为1，吹洗后均压次数为1；变压吸附装置中采用的吸附剂为氧化铝、活性炭或分子筛。
5.根据权利要求3所述的基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢***，其特征在于，变压吸附装置采用4灌PSA，循环形式采用4-1-1+1，即吸附罐总数为4，同时处于吸附罐数为1，吹洗前均压次数为1，吹洗后均压次数为1；变压吸附装置中采用的吸附剂为氧化铝、活性炭或分子筛。
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