CN220745386U - 一种天然气制氢设备 - Google Patents

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高野绿
法尔罕慕达萨
梁梓琳
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Abstract

本实用新型公开了一种天然气制氢设备,包括:依次顺序连接的脱硫器、预热换热器、水和反应器、变换反应器、选择氧化器和纯化分离器,水和反应器的周缘设有燃烧加热器,天然气管道依次经过脱硫器、预热换热器和燃烧加热器以使高温的天然气进入水和反应器,水路管道经过预热换热器、燃烧加热器以使水蒸气分别进入水和反应器和变换反应器,第一空气管道经过预热换热器以进入选择氧化器,燃烧加热器的输出端设有将废气回流的第一废气管路,纯化分离器的输出端设有将废气回流的第二废气管道。增设纯化分离器有利于提高氢气的纯度,利用燃烧加热器产生的废气和从纯化分离器分离出来的废气来加热预热换热器,提升各个反应的充分程度,热利用率高。

Description

一种天然气制氢设备
技术领域
本实用新型涉及制氢设备技术领域,尤其涉及一种天然气制氢设备。
背景技术
氢的能量密度很高,且反应后无二氧化碳排放,是真正的绿色清洁能源。普通的制氢方法主要有两种,第一种是电解水制氢,电解水制氢在制氢过程中需要使用大量电力,制氢成本高,设备体积大,对运行条件要求高,无法做到小型化以及便于家用的需求;第二种是天然气制氢,天然气制氢的原料易得,氢气产率相对较高,是氢气的重要来源,虽然可以实现相对小型化的需求,但是需要持续供应大量的热量,而且输出的氢气中含有一定量的一氧化碳,不利于直接使用。
在传统的天然气制氢工艺中,主要包含以下四个步骤:天然气脱硫、水蒸气改制反应、水蒸气变换反应和选择性氧化反应,在这些反应步骤中通常需要外部提供热量以保障反应温度处于设定的范围之内,在氢气制作完成之后也会产生大量的废热,外部提供的热量以及废热的总量很大,直接排放造成热能的浪费,导致制氢设备的高功耗。另外,废气中包含水和二氧化碳,水直接排放造成水资源浪费,二氧化碳直接排放造成环境污染,不适应国家对于双碳计划目标。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本实用新型提出一种热利用率高、氢气纯度高的天然气制氢设备。
根据本实用新型实施例的一种天然气制氢设备,包括:依次顺序连接的脱硫器、预热换热器、水和反应器、变换反应器、选择氧化器和纯化分离器,所述水和反应器的周缘设置有燃烧加热器,天然气管道依次经过所述脱硫器、所述预热换热器和所述燃烧加热器以使高温的天然气进入所述水和反应器,水路管道经过所述预热换热器、所述燃烧加热器以使水蒸气分别进入所述水和反应器和所述变换反应器,第一空气管道经过所述预热换热器以进入所述选择氧化器,所述燃烧加热器的输出端设有能够将废气回流至所述预热换热器的第一废气管路,所述纯化分离器的输出端设有能够将废气回流至所述预热换热器的第二废气管道。
根据本实用新型实施例的一种天然气制氢设备,至少具有如下有益效果:
以上天然气制氢设备在选择氧化器之后增设纯化分离器以将氢气与其他废气相分离而提高氢气的纯度,在脱硫器与水和反应器之间增设预热换热器,利用燃烧加热器产生的废气和从纯化分离器分离出来的废气来提高预热换热器的温度,从而将热量传递给天然气、空气和水,进而提升水和反应器、变换反应器和选择氧化器内的反应充分程度,热利用率高,节约能源。
在本实用新型的一些实施例中,所述选择氧化器与所述变换反应器之间设有用于驱使所述选择氧化器内的气体回流至所述变换反应器的旁通管道,所述选择氧化器的输出端设有开关阀。
在本实用新型的一些实施例中,所述水路管道与所述预热换热器之间设有将水形成水雾的雾化器。
在本实用新型的一些实施例中,所述燃烧加热器具有对所述水和反应器进行加热的燃烧腔,从所述预热换热器输出的所述天然气管道连接有可将天然气输入所述燃烧腔的供气管道,从所述预热换热器输出的所述第一空气管道连接有可将空气输入所述燃烧腔的第二空气管道,所述第一废气管路的两端分别连通所述燃烧腔和所述预热换热器。
在本实用新型的一些实施例中,所述第二空气管道与所述供气管道之间连接有第一混合容器,所述第一混合容器连接有延伸至所述燃烧腔内的预设位置的第一混合管道。
在本实用新型的一些实施例中,所述第二废气管道的输出端与所述第一混合管道相连通。
在本实用新型的一些实施例中,该小型化天然气制氢设备还包括汽水分离器,所述汽水分离器用于接收所述第一废气管路输出的经过所述预热换热器后的气体以及用于接收所述第二废气管道输出的经过所述预热换热器后的气体,所述汽水分离器具有输出液态水的第一输出端和输出将水分离后的气体的第二输出端,所述第一输出端通过水循环管道与所述水路管道的输入端相连通。
在本实用新型的一些实施例中,所述第二输出端连接有二氧化碳回收器。
在本实用新型的一些实施例中,从所述预热换热器伸出的所述水路管道和从所述预热换热器伸出的所述天然气管道通过第二混合容器相连通,所述第二混合容器连接有延伸至所述水和反应器中的第二混合管道。
在本实用新型的一些实施例中,所述第一空气管道与所述预热换热器之间设有空气过滤器。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本实用新型的天然气制氢设备的实施例一的原理示意图;
图2为本实用新型的天然气制氢设备的实施例二的原理示意图;
图3为本实用新型的天然气制氢设备的实施例三的原理示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本实用新型,而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中,需要理解的是,涉及到方位描述,例如术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中,若干的含义是一个或者多个,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
参见图1,本实用新型实施例的一种天然气制氢设备,包括:依次顺序连接的脱硫器100、预热换热器200、水和反应器300、变换反应器400、选择氧化器500和纯化分离器600,所述水和反应器300的周缘设置有燃烧加热器700,天然气管10道依次经过所述脱硫器100、所述预热换热器200和所述燃烧加热器700以使高温的天然气进入所述水和反应器300,水路管道20经过所述预热换热器200、所述燃烧加热器700以使水蒸气分别进入所述水和反应器300和所述变换反应器400,第一空气管道30经过所述预热换热器200以进入所述选择氧化器500,所述燃烧加热器700的输出端设有能够将废气回流至所述预热换热器200的第一废气管路40,所述纯化分离器600的输出端设有能够将废气回流至所述预热换热器200的第二废气管道50。
以上天然气制氢设备在选择氧化器500之后增设纯化分离器600以将氢气与其他废气相分离而提高氢气的纯度,在脱硫器100与水和反应器300之间增设预热换热器200,利用燃烧加热器700产生的废气和从纯化分离器600分离出来的废气来提高预热换热器200的温度,从而将热量传递给天然气、空气和水,进而提升水和反应器300、变换反应器400和选择氧化器500内的反应充分程度,热利用率高,节约能源。需要说明的是,水和反应器300内所需的反应温度约为650℃,在催化剂的作用下,发生天然气与水蒸气的反应:CH4+2H2O→4H2+CO2以及CH4+H2O→3H2+CO;变换反应器400内所需的反应温度约为350℃,在催化剂的作用下,发生一氧化碳与水蒸气的反应:CO+H2O→H2+CO2;选择氧化器500内所需的反应温度约为150℃,在催化剂的作用下,发生一氧化碳与氧气的反应:CO+1/2O2→CO2。当水和反应器300内的反应温度不足时,一氧化碳产出比例会增大,不利于形成较高比例的氢气;当变换反应器400内的反应温度不足时,一氧化碳和水蒸气反应而转换为氢气的量减少;当选择氧化器500内的反应温度不足时,一氧化碳和氧气反应而转换为二氧化碳的量减少;因此,将燃烧加热器700产生的废气和从纯化分离器600分离出来的废气的热量传递给天然气、空气和水,有助于天然气、空气和水达到以上化学反应所需的温度,节约能源。
参见图2,在本实用新型的一些实施例中,所述选择氧化器500与所述变换反应器400之间设有用于驱使所述选择氧化器500内的气体回流至所述变换反应器400的旁通管道60,所述选择氧化器500的输出端设有开关阀。可以理解的是,在变换反应器400内发生一氧化碳与水蒸气的反应:CO+H2O→H2+CO2,在选择氧化器500内发生一氧化碳与氧气的反应:CO+1/2O2→CO2,为了进一步降低一氧化碳的含量,以尽可能地提高输入纯化分离器600的氢气的量,利用旁通通道将已完成选择氧化器500内的反应的气体重新输入至变换反应器400内,如此循环多次后,再将开关阀打开以向纯化分离器600输出。一般而言,纯化分离器600采用分子筛,从选择氧化器500输出的物质主要为二氧化碳、空气中的氮气、氢气以及少于10ppm的一氧化碳,分子筛将氢气分离出来,剩余的二氧化碳、氮气、一氧化碳具有一定的热量,经过第二废气管道50直接引流至预热换热器200以实现换热。
参见图2或者图3,在本实用新型的一些实施例中,所述水路管道20与所述预热换热器200之间设有将水形成水雾的雾化器21,水雾与预热换热器200的换热面积大,换热效率高,提高液态水形成水蒸气的速率以及尽可能地提高水蒸气的温度,从而有利于水和反应器300内发生充分反应。
参见图2或者图3,在本实用新型的一些实施例中,所述燃烧加热器700具有对所述水和反应器300进行加热的燃烧腔,从所述预热换热器200输出的所述天然气管10道连接有可将天然气输入所述燃烧腔的供气管道11,从所述预热换热器200输出的所述第一空气管道30连接有可将空气输入所述燃烧腔的第二空气管道31,所述第一废气管路40的两端分别连通所述燃烧腔和所述预热换热器200。需要说明的是,经过脱硫的天然气的一部分经由供气管道11进入燃烧腔的预设位置,第二空气管道31供应的空气进入燃烧腔的预设位置以混合天然气并点燃,燃烧形成热量对水和反应器300进行加热,从而满足相应的反应温度的要求,其余的天然气则直接进入水和反应器300中参与反应,无需另外配置其他燃料来使水和反应器300达到约为650°的反应温度,有利于简化天然气制氢设备的构造。
参见图2或者图3,在本实用新型的一些实施例中,所述第二空气管道31与所述供气管道11之间连接有第一混合容器70,所述第一混合容器70连接有延伸至所述燃烧腔内的预设位置的第一混合管道71。设置第一混合容器70可以有效地将进入燃烧腔的天然气和空气进行提前混合,从而提高燃气的利用效率。
参见图3,在本实用新型的一些实施例中,所述第二废气管道50的输出端与所述第一混合管道71相连通。需要说明的是,从选择氧化器500输出的物质主要为二氧化碳、空气中的氮气、氢气以及少量的一氧化碳,氢气经过分子筛分离之后,为了避免一氧化碳直接排向预热换热器200而造成污染,将从选择氧化器500输出的二氧化碳、氮气和一氧化碳经过第一混合管道71进入燃烧腔中燃烧以消除掉一氧化碳,从而降低对环境的污染。
参见图2或图3,在本实用新型的一些实施例中,该小型化天然气制氢设备还包括汽水分离器800,所述汽水分离器800用于接收所述第一废气管路40输出的经过所述预热换热器200后的气体以及用于接收所述第二废气管道50输出的经过所述预热换热器200后的气体,所述汽水分离器800具有输出液态水的第一输出端和输出将水分离后的气体的第二输出端,所述第一输出端通过水循环管道80与所述水路管道20的输入端相连通。可以理解的是,汽水分离器800可以将废气中的水分析出,形成液态水以重新提供给水和反应器300以及变换反应器400,减少外部水源供应,达到节能减排的目的。
参见图2或图3,在本实用新型的一些实施例中,为了避免大量的二氧化碳直接排出到外部环境中而造成大气污染,所述第二输出端连接有二氧化碳回收器900。在本实施例中,二氧化碳回收器900可采用吸附结构来储存二氧化物,例如使用活性炭或者氧化钙等等。当然,在其他实施例中,二氧化碳回收器900还可以采用制作干冰的机器。
参见图2或图3,在本实用新型的一些实施例中,从所述预热换热器200伸出的所述水路管道20和从所述预热换热器200伸出的所述天然气管10道通过第二混合容器90相连通,所述第二混合容器90连接有延伸至所述水和反应器300中的第二混合管道91。设置第二混合容器90可以有效地将进入水和反应器300的天然气和水蒸气进行提前混合,进而提高水和反应器300内的反应效率。
参见图2或图3,在本实用新型的一些实施例中,为了避免灰尘、颗粒物进入燃烧腔和选择氧化器500,所述第一空气管道30与所述预热换热器200之间设有空气过滤器32。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种天然气制氢设备,其特征在于,包括:
依次顺序连接的脱硫器(100)、预热换热器(200)、水和反应器(300)、变换反应器(400)、选择氧化器(500)和纯化分离器(600),所述水和反应器(300)的周缘设置有燃烧加热器(700),天然气管(10)道依次经过所述脱硫器(100)、所述预热换热器(200)和所述燃烧加热器(700)以使高温的天然气进入所述水和反应器(300),水路管道(20)经过所述预热换热器(200)、所述燃烧加热器(700)以使水蒸气分别进入所述水和反应器(300)和所述变换反应器(400),第一空气管道(30)经过所述预热换热器(200)以进入所述选择氧化器(500),所述燃烧加热器(700)的输出端设有能够将废气回流至所述预热换热器(200)的第一废气管路(40),所述纯化分离器(600)的输出端设有能够将废气回流至所述预热换热器(200)的第二废气管道(50)。
2.根据权利要求1所述的一种天然气制氢设备,其特征在于:
所述选择氧化器(500)与所述变换反应器(400)之间设有用于驱使所述选择氧化器(500)内的气体回流至所述变换反应器(400)的旁通管道(60),所述选择氧化器(500)的输出端设有开关阀。
3.根据权利要求1所述的一种天然气制氢设备,其特征在于:
所述水路管道(20)与所述预热换热器(200)之间设有将水形成水雾的雾化器(21)。
4.根据权利要求1所述的一种天然气制氢设备,其特征在于:
所述燃烧加热器(700)具有对所述水和反应器(300)进行加热的燃烧腔,从所述预热换热器(200)输出的所述天然气管(10)道连接有可将天然气输入所述燃烧腔的供气管道(11),从所述预热换热器(200)输出的所述第一空气管道(30)连接有可将空气输入所述燃烧腔的第二空气管道(31),所述第一废气管路(40)的两端分别连通所述燃烧腔和所述预热换热器(200)。
5.根据权利要求4所述的一种天然气制氢设备,其特征在于:
所述第二空气管道(31)与所述供气管道(11)之间连接有第一混合容器(70),所述第一混合容器(70)连接有延伸至所述燃烧腔内的预设位置的第一混合管道(71)。
6.根据权利要求5所述的一种天然气制氢设备,其特征在于:
所述第二废气管道(50)的输出端与所述第一混合管道(71)相连通。
7.根据权利要求1所述的一种天然气制氢设备,其特征在于:
还包括汽水分离器(800),所述汽水分离器(800)用于接收所述第一废气管路(40)输出的经过所述预热换热器(200)后的气体以及用于接收所述第二废气管道(50)输出的经过所述预热换热器(200)后的气体,所述汽水分离器(800)具有输出液态水的第一输出端和输出将水分离后的气体的第二输出端,所述第一输出端通过水循环管道(80)与所述水路管道(20)的输入端相连通。
8.根据权利要求7所述的一种天然气制氢设备,其特征在于:所述第二输出端连接有二氧化碳回收器(900)。
9.根据权利要求1所述的一种天然气制氢设备,其特征在于:
从所述预热换热器(200)伸出的所述水路管道(20)和从所述预热换热器(200)伸出的所述天然气管(10)道通过第二混合容器(90)相连通,所述第二混合容器(90)连接有延伸至所述水和反应器(300)中的第二混合管道(91)。
10.根据权利要求1所述的一种天然气制氢设备,其特征在于:
所述第一空气管道(30)与所述预热换热器(200)之间设有空气过滤器(32)。
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