CN115557466A - 一种通过裂解生产氢气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过裂解生产氢气的装置,包括外透波管、内透波管和压缩波导,所述外透波管的一端设有高速喷射管,所述外透波管与内透波管之间形成第一气体通道,所述内透波管的内腔与出气口连通并形成第二气体通道,所述外透波管侧壁上设有与第一气体通道连通的侧进气口,高速喷射管的一端穿过外透波管和内透波管并与第二气体通道连通,所述高速喷射管设置在第二气体通道内的一端设有高速进气口,所述压缩波导的一端套设在外透波管外侧,所述压缩波导的另一端与微波源连接。本发明提供了一种通过裂解生产氢气的装置,具有加热速度快、热效率高、省电节能、甲烷气体的转化率高等优点。

Description

一种通过裂解生产氢气的装置
技术领域
本发明涉及制氢技术领域,尤其是涉及一种通过裂解生产氢气的装置。
背景技术
氢能作为清洁能源,将在未来世界能源中承担着举足轻重的地位,氢能作为能源载体和能源互联媒介具有零碳、高效显著优势,若氢能实现广泛应用将会促进全球能源转型升级。
目前氢能产业链中最重要也是影响最大的就是氢气的制取和运输。制氢方法主要有五种技术路线:工业尾气制氢、化工原料制氢、石化原料制氢、电解水制氢和新型制氢方法等,天然气制氢、煤制氢成本较低,成为短期发展氢能的核心。但是现有的利用石化原料或化工原料制氢的装置存在制氢过程能源损耗较大,原料转换率较低等问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术中的上述不足,提供一种通过裂解生产氢气的装置,具有加热速度快、热效率高、省电节能、气体转化率高等优点。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种通过裂解生产氢气的装置,包括外透波管、内透波管和压缩波导,所述外透波管的一端设有高速喷射管,另一端套设在内透波管外侧且与内透波管的外壁密封连接,所述外透波管与内透波管之间形成第一气体通道,所述内透波管上设有出气口,所述内透波管的内腔与出气口连通并形成第二气体通道,第一气体通道与第二气体通道通过连通口连通,所述外透波管侧壁上设有与第一气体通道连通的侧进气口,高速喷射管的一端穿过外透波管和内透波管并与第二气体通道连通,所述高速喷射管设置在第二气体通道内的一端设有高速进气口,所述压缩波导的一端与微波源连接,所述压缩波导的另一端套设在外透波管外侧,通过微波加热内透波管内的原料气体以使原料气体裂解重组为含有氢气的混合物,所述侧进气口和出气口设置在压缩波导的一侧,所述高速进气口和连通口设置在压缩波导的另一侧。
上述技术方案中,一部分甲烷气体直接从高速喷射管进入第二气体通道,压缩波导内的微波在第二气体通道内与快速加热甲烷,使甲烷裂解重组形成碳粉和氢气,并从出气口排出本装置,高速气流可以避免被加热的气体在此区域过长的停留时间带来的升温。另一部分甲烷气体从侧进气口进入第一气体通道,对外透波管和内透波管进行冷却,同时甲烷气体在经过压缩波导位置时,会被压缩波导进行预加热,然后原料气体从第一气体通道进入第二气体通道,继续对内透波管进行冷却,同时甲烷气体在第二气体通道再次经过压缩波导位置时,被快速加热裂解重组形成碳粉和氢气,与第一部分的气体产生的碳粉和氢气一起排出本装置。所述压缩波导从微波源传递过来的微波的场强在外透波管径向位置上并非是均匀分布的,而是中心位置的场强最大,并向两侧依次减弱,且微波场的径向宽度等于微波的波长,所述第一气体通道设置在第二气体通道内侧,可以使甲烷气体经过高场强区域而不经过低场强的外侧区域,使经过高场强区域的甲烷气体被快速加热、充***解,提高甲烷气体的转化率,所述第二气体通道设置在第一气体通道外侧,可以与微波的低场强区域重合,充分利用低场强区域的能量进行预加热,提高能量利用率,第二气体通道内的甲烷气体还可以将产生的热量带走,降低场强区域的温度,通过第二气体通道内流动的气体,对外透波管和内透波管进行冷却,避免外透波管和内透波管因为温度过高导致损坏。非原料气体也可以从侧进气口进入装置,例如用来提高等离子稳定性的氮气,氩气,氢气等气体。本发明装置的原料气体为甲烷时,产物是碳粉和氢气,碳粉和氢气一个为固态一个为气态,可以很好的进行分离、利用,氢气可以作为清洁燃料直接利用,碳粉可以作为工业原料使用,进行工业加工,碳粉不作为燃料,不会转化为二氧化碳直接进入大气循环,可以降低二氧化碳的排放,实现对甲烷的低碳使用。
作为优选,所述外透波管的内径为d1,压缩波导内微波的波长为λ,λ≤d1≤1.1λ,所述内透波管的内径为d2,0.5λ≤d2≤0.8λ。所述外透波管内的微波场强的径向宽度等于微波的波长,所述λ≤d1≤1.1λ,可以使外透波管恰好容纳整个微波场强,充分利用微波能量。所述0.5λ≤d2≤0.8λ,可以使内透波管处于微波场的中心高场强区域,充分利用高场强区域对气体进行高温裂解,提高气体转换率,同时保证内透波管内径不会过小,保证内透波管内的气体通过量。
作为优选,所述高速喷射管的出口端设有拉瓦尔喷管,以使高速喷射管内的亚音速气体经过拉瓦尔喷管形成超音速气体喷出。所述拉瓦尔喷管可以进一步增加高速喷射管的出口端的气体流速,使气流达到超音速,高速气流可以避免被加热的气体在此区域过长的停留时间带来的升温,同时拉瓦尔喷管可以降低第一气体通道内的压力,能够使本装置在一个比较低的压力下运行。
作为优选,所述高速喷射管的外侧设有螺旋进气分配器,螺旋进气分配器内设有螺旋形气道,以使螺旋进气分配器内的气体沿螺旋进气分配器的轴向螺旋流动。所述结构可以使进入内透波管的气体沿螺旋进气分配器的轴向螺旋流动,对内透波管的侧壁起到了良好的降温保护作用。
作为优选,所述侧进气口的轴线沿外透波管的切向设置,以使气体沿外透波管的切向进入第一气体通道,所述第一气体通道内的气体在周向上的运动方向与所述螺旋形气道内的气体在周向上的运动方向相反。所述结构可以使进入第一气体通道的沿外透波管的内壁螺旋流动,对外透波管和内透波管起到了良好的降温保护作用,且内透波管内外气体的周向运动方向相反,气体在连通口位置需要换向,各个位置的气体会发生混乱的混合,使气体温度更加均匀,不会局部过热,进入第二气体通道可以对内透波管更好的进行冷却,且各个部分温度均匀,可以增加气体后续的加热裂解的转化率。
作为优选,所述侧进气口的轴线沿外透波管的切向设置,以使气体沿外透波管的切向进入第一气体通道。所述结构可以使进入第一气体通道的沿外透波管的内壁螺旋流动,对外透波管和内透波管起到了良好的降温保护作用。
作为优选,所述侧进气口的数量为多个,多个侧进气口沿外透波管的轴线螺旋分布。所述结构可以增加气进气量,且使气体可以形成更好的螺旋效果,增加降温保护效果。
作为优选,所述压缩波导的数量为多个,多个压缩波导沿外透波管的轴向依次设置,且多个压缩波导套设在外透波管上的部分依次紧贴。所述多个压缩波导的迭加可以有效的解决微波功率不足的问题,必要的时候可以进一步增加输入微波源的数量,用于提高整体所需要的功率。
作为优选,所述多个压缩波导沿外透波管的周向均布。所述结构可以降低压缩波导在轴向上的尺寸。
作为优选,所述外透波管外侧固定有金属外壳,金属外壳与外透波管之间设有冷却腔,冷却腔上设有冷却气进口和冷却气出口。金属外壳可以隔绝微波,气起到一定的防护作用。可以将冷却气从冷却气进口进入冷却腔,对外透波管和外壳进行冷却后,冷却气从冷却气出口排出。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明的剖视图。
图中:外透波管1、内透波管2、压缩波导3、高速喷射管4、第一气体通道5、第二气体通道6、出气口7、连通口8、拉瓦尔喷管9、螺旋进气分配器10、金属外壳11、侧进气口12、高速进气口13、螺旋形气道14、冷却气进口15、冷却气出口16、冷却腔17。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1:
如图1和图2所示,一种通过裂解生产氢气的装置,包括外透波管1、内透波管2和压缩波导3,所述外透波管1的一端设有高速喷射管4,另一端套设在内透波管2外侧且与内透波管2的外壁密封连接,所述外透波管1与内透波管2之间形成第一气体通道5,所述内透波管2上设有出气口7,所述内透波管2的内腔与出气口7连通并形成第二气体通道6,第一气体通道5与第二气体通道6通过连通口8连通,所述外透波管1侧壁上设有与第一气体通道5连通的侧进气口12,高速喷射管4的一端穿过外透波管1和内透波管2并与第二气体通道6连通,所述高速喷射管4设置在第二气体通道6内的一端设有高速进气口13,所述压缩波导3的一端与微波源连接,所述压缩波导3的另一端套设在外透波管1外侧,通过微波加热内透波管内2的原料气体以使原料气体裂解重组为含有氢气的混合物,所述侧进气口12和出气口7设置在压缩波导3的一侧,所述高速进气口13和连通口8设置在压缩波导3的另一侧。所述外透波管1外侧固定有金属外壳11。所述外透波管1与压缩波导3的重叠位置设置在金属外壳11内,或全部位于金属外壳11内。金属外壳11可以隔绝微波,气起到一定的防护作用。金属外壳11与外透波管1之间设有冷却腔17,冷却腔17上设有冷却气进口15和冷却气出口16。高速进气口13、侧进气口12、出气口7和压缩波导3均穿过金属外壳11。
所述压缩波导3中微波的传输方向与外透波管1的轴向相垂直,压缩波导3为变截面结构,由纵向截面面积最大的前部,纵向截面面积由大变小的中部,与纵向截面面积最小的后部组成,后部开有贯通透波材料管路的圆孔。变截面结构进一步的提高了后部中心的微波场强度,后部中心的微波场强为谐振腔内最高,无需点火即可产生电离放电。压缩波导3的前部的侧壁上设有若干个调节销钉。微波源的微波频率为915MHz或2.45GHz。所述外透波管1和内透波管2可以整体采用微波可穿透的材料制成,例如石英材质,也可以是靠近压缩波导3的部分采用微波可穿透的材料制成,其余部位采用其它材料制成。本发明的本装置可以以较低的成本有效地将多种的含氢气体分解成分子氢和至少一种副产物,例如含氢气体可以是甲烷,城市天然气中含有95%的甲烷,在通过本装置后分解成为氢和碳元素,CH4-C+2H2,含氢气体也可以含氨98%以上的工业无水氨,在经过此装置后,可以分解成为75%氢和25%氮,然后通过变压吸附进行分离。
上述技术方案中,本装置对甲烷进行裂解和转化时,一部分甲烷气体直接从高速喷射管4进入第二气体通道6,压缩波导3内的微波在第二气体通道6内与快速加热甲烷,使甲烷裂解重组形成碳粉和氢气,并从出气口7排出本装置,高速气流可以避免被加热的气体在此区域过长的停留时间带来的升温。另一部分甲烷气体从侧进气口12进入第一气体通道5,对外透波管1和内透波管2进行冷却,同时甲烷气体在经过压缩波导3位置时,会被压缩波导3进行预加热,然后原料气体从第一气体通道5进入第二气体通道6,继续对内透波管2进行冷却,同时甲烷气体在第二气体通道6再次经过压缩波导3位置时,被快速加热裂解重组形成碳粉和氢气,与第一部分的气体产生的碳粉和氢气一起排出本装置。所述压缩波导3从微波源传递过来的微波的场强在外透波管1径向位置上并非是均匀分布的,而是中心位置的场强最大,并向两侧依次减弱,且微波场的径向宽度等于微波的波长,所述第一气体通道5设置在第二气体通道6内侧,可以使甲烷气体经过高场强区域而不经过低场强的外侧区域,使经过高场强区域的甲烷气体被快速加热、充***解,提高甲烷气体的转化率,所述第二气体通道6设置在第一气体通道5外侧,可以与微波的低场强区域重合,充分利用低场强区域的能量进行预加热,提高能量利用率,第二气体通道6内的甲烷气体还可以将产生的热量带走,降低场强区域的温度,通过第二气体通道6内流动的气体,对外透波管1和内透波管2进行冷却,避免外透波管1和内透波管2因为温度过高导致损坏。非原料气体也可以从侧进气口12进入装置,例如用来提高等离子稳定性的氮气,氩气,氢气等气体。本发明中本装置的原料气体为甲烷时,产物是碳粉和氢气,碳粉和氢气一个为固态一个为气态,可以很好的进行分离、利用,可以得到高纯度的氢气。氢气可以作为清洁燃料直接利用,碳粉可以作为工业原料使用,进行工业加工,碳粉不作为燃料,不会转化为二氧化碳直接进入大气循环,可以降低二氧化碳的排放,实现对甲烷的低碳使用。本发明中用于制造氢气的原料气体不仅限于甲烷,也可以是其它可以通过微波加热裂解重组的气体,如原料为NH3。NH3在经过此装置后,可以分解成为75%氢和25%氮,然后通过变压吸附进行分离得到高纯度的氢气。
所述外透波管1的内径为d1,压缩波导3内微波的波长为λ,λ≤d1≤1.1λ,最优值为d1=λ,所述内透波管2的内径为d2,0.5λ≤d2≤0.8λ,最优值为d2=0.65λ。d2可以根据微波场强的分布进行调整,选取场强较高的一段范围,所述外透波管1内的微波场强的径向宽度等于微波的波长,所述λ≤d1≤1.1λ,可以使外透波管1恰好容纳整个微波场强,充分利用微波能量。所述0.5λ≤d2≤0.8λ,可以使内透波管2处于微波场的中心高场强区域,充分利用高场强区域对气体进行高温裂解,提高气体转换率,同时保证内透波管2内径不会过小,保证内透波管2内的气体通过量。
所述压缩波导3的数量四个,四个压缩波导3沿外透波管1的轴向依次设置,且四个压缩波导3套设在外透波管1上的部分依次紧贴。所述四个压缩波导3沿外透波管1的周向均布,相邻两个四个间距90°。所述多个压缩波导3的迭加可以有效的解决微波功率不足的问题,必要的时候可以进一步增加输入微波源的数量,用于提高整体所需要的功率。
所述高速喷射管4的出口端设有拉瓦尔喷管9,以使高速喷射管4内的亚音速气体经过拉瓦尔喷管9形成超音速气体喷出。所述拉瓦尔喷管9可以进一步增加高速喷射管4的出口端的气体流速,使气流达到超音速,高速气流可以避免被加热的气体在此区域过长的停留时间带来的升温,同时拉瓦尔喷管9可以降低第一气体通道5内的压力,能够使本装置在一个比较低的压力下运行。
所述高速喷射管4的外侧设有螺旋进气分配器10,螺旋进气分配器10内设有螺旋形气道14,以使螺旋进气分配器10内的气体沿螺旋进气分配器10的轴向螺旋流动。所述结构可以使进入内透波管2的气体沿螺旋进气分配器10的轴向螺旋流动,对内透波管2的侧壁起到了良好的降温保护作用。
所述侧进气口12的轴线沿外透波管1的切向设置,以使气体沿外透波管1的切向进入第一气体通道5,所述侧进气口12的数量为四个,四个侧进气口12沿外透波管1的轴线螺旋分布。所述结构可以使进入第一气体通道5的沿外透波管1的内壁螺旋流动,对外透波管1和内透波管2起到了良好的降温保护作用。
在一个实施例中,所述第一气体通道5内的气体在周向上的运动方向与所述螺旋形气道14内的气体在周向上的运动方向相反。所述结构可以使进入第一气体通道5的沿外透波管1的内壁螺旋流动,对外透波管1和内透波管2起到了良好的降温保护作用,且内透波管2内外气体的周向运动方向相反,气体在连通口8位置需要换向,各个位置的气体会发生混乱的混合,使气体温度更加均匀,不会局部过热,进入第二气体通道6可以对内透波管2更好的进行冷却,且各个部分温度均匀,可以增加气体后续的加热裂解的转化率。
在另一个实施例中,所述第一气体通道5内的气体在周向上的运动方向与所述螺旋形气道14内的气体在周向上的运动方向相同。

Claims (10)

1.一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,包括外透波管、内透波管和压缩波导,所述外透波管的一端设有高速喷射管,另一端套设在内透波管外侧且与内透波管的外壁密封连接,所述外透波管与内透波管之间形成第一气体通道,所述内透波管上设有出气口,所述内透波管的内腔与出气口连通并形成第二气体通道,第一气体通道与第二气体通道通过连通口连通,所述外透波管侧壁上设有与第一气体通道连通的侧进气口,高速喷射管的一端穿过外透波管和内透波管并与第二气体通道连通,所述高速喷射管设置在第二气体通道内的一端设有高速进气口,所述压缩波导的一端与微波源连接,所述压缩波导的另一端套设在外透波管外侧,通过微波加热内透波管内的原料气体以使原料气体裂解重组为含有氢气的混合物,所述侧进气口和出气口设置在压缩波导的一侧,所述高速进气口和连通口设置在压缩波导的另一侧。
2.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,所述外透波管的内径为d1,压缩波导内微波的波长为λ,λ≤d1≤1.1λ,
所述内透波管的内径为d2,0.5λ≤d2≤0.8λ。
3.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,所述高速喷射管的出口端设有拉瓦尔喷管,以使高速喷射管内的亚音速气体经过拉瓦尔喷管形成超音速气体喷出。
4.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,所述高速喷射管的外侧设有螺旋进气分配器,螺旋进气分配器内设有螺旋形气道,以使螺旋进气分配器内的气体沿螺旋进气分配器的轴向螺旋流动。
5.根据权利要求4所述的一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,所述侧进气口的轴线沿外透波管的切向设置,以使气体沿外透波管的切向进入第一气体通道,所述第一气体通道内的气体在周向上的运动方向与所述螺旋形气道内的气体在周向上的运动方向相反。
6.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,所述侧进气口的轴线沿外透波管的切向设置,以使气体沿外透波管的切向进入第一气体通道。
7.根据权利要求6所述的一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,所述侧进气口的数量为多个,多个侧进气口沿外透波管的轴线螺旋分布。
8.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,所述压缩波导的数量为多个,多个压缩波导沿外透波管的轴向依次设置,且多个压缩波导套设在外透波管上的部分依次紧贴。
9.根据权利要求8所述的一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,所述多个压缩波导沿外透波管的周向均布。
10.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置,其特征是,所述外透波管外侧固定有金属外壳,金属外壳与外透波管之间设有冷却腔,冷却腔上设有冷却气进口和冷却气出口。
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