專(zhuān)利名稱(chēng)：由固體碳和水生產(chǎn)氫氣的方法和系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及生產(chǎn)氫氣的方法和系統(tǒng)，更確切地說(shuō)，涉及生產(chǎn)用作化工原料和用于各種用途的燃料的富氫氣體的方法和系統(tǒng)。
2.相關(guān)技術(shù)的描述人們對(duì)從水或天然氣經(jīng)過(guò)水蒸氣轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氫氣的方法已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究和開(kāi)發(fā)。
美國(guó)專(zhuān)利5,030,661公開(kāi)了一種將天然氣轉(zhuǎn)化成氫氣的水蒸氣轉(zhuǎn)化方法。在這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)方法中，使用天然氣作為原料大大地增加了氫氣的生產(chǎn)成本。此外，由于水蒸氣轉(zhuǎn)化過(guò)程需要大尺寸的加熱爐，這種加熱爐消耗了大量的能源。因此，制氫裝置的尺寸很大，結(jié)果在生產(chǎn)裝置的操作中步驟復(fù)雜，操作費(fèi)用明顯提高。另外，加熱爐會(huì)排出大量的CO2，CO2是全球變熱的主要原因。
美國(guó)專(zhuān)利5,159,900公開(kāi)了一種使用相對(duì)的碳電極之間在水下電弧放電的方法的制氫系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，電弧放電區(qū)域被限制在相對(duì)電極的明顯邊緣之間非常小的區(qū)域內(nèi)，因此，僅有非常少量的水蒸氣與碳反應(yīng)以非常低的產(chǎn)品收率生成富氫氣體。
美國(guó)專(zhuān)利5,513,600公開(kāi)了一種用于生產(chǎn)氫氣和氧氣的、包括許多相對(duì)電極的電解質(zhì)反應(yīng)器。在這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)中，大量的氫氣泡和氧氣泡被粘在電極表面，結(jié)果降低了水與電極表面的有效接觸，從而降低了電解質(zhì)反應(yīng)器的操作效率。
美國(guó)專(zhuān)利5,690,902公開(kāi)了一種使用裝有鐵粉的管子的制氫設(shè)備。在該設(shè)備中，雖然高溫水與鐵粉表面接觸引起金屬表面氧化，從而產(chǎn)生氫氣，但是在水與鐵粉反應(yīng)期間鐵表面形成了氫氧化鐵，導(dǎo)致反應(yīng)效率降低。
因此，現(xiàn)有技術(shù)的制氫方法和系統(tǒng)的效率都非常低，從現(xiàn)場(chǎng)和需求的角度看它都極其難以非常低的成本生產(chǎn)氫氣。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種以最高效和非常低的成本從低成本的固體碳物質(zhì)和水大量生產(chǎn)氫氣的方法和系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了從固體碳物質(zhì)和進(jìn)料水生產(chǎn)氫氣的方法，該方法包括步驟準(zhǔn)備一個(gè)具有等離子反應(yīng)室和位于該反應(yīng)室中的電弧電極的電弧等離子體反應(yīng)器；將固體碳物質(zhì)放入反應(yīng)室，并在固體碳物質(zhì)中形成許許多多細(xì)小的電弧通道；給電弧電極分別供電以在細(xì)小的電弧通道中生產(chǎn)電弧放電等離子體；將水蒸氣通過(guò)細(xì)小的電弧通道，使水蒸氣與固體碳物質(zhì)在電弧放電等離子體存在下反應(yīng)，生成富氫氣體。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種制氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有固體碳供給口、進(jìn)料水供給口，具有合成氣出口的隔離套管，在隔離套管中形成的電弧等離子體室，位于電弧等離子體室一端的交流電弧電極，位于電弧等離子體室另一端的中性電極，和在電弧等離子體室中裝有的固體碳物質(zhì)形成的許多細(xì)小的電弧通道的電弧等離子體反應(yīng)器；通過(guò)進(jìn)料水供給口將進(jìn)料水供給電弧等離子體室的進(jìn)料水供給泵，使進(jìn)料水轉(zhuǎn)變成水蒸氣；向電弧電極供給交流電電能的交流電電源，以在細(xì)小的電弧通道中分別產(chǎn)生電弧放電等離子體，從而使水暴露于電弧放電等離子體中形成水蒸氣，該水蒸氣在經(jīng)過(guò)細(xì)小的電弧通道時(shí)與固體碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明通過(guò)參考下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案和附圖的描述，可以更好地理解本發(fā)明、及其目的和優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1是按照本發(fā)明方法進(jìn)行的制氫系統(tǒng)的示意圖；和圖2是圖1所示的電弧等離子體反應(yīng)器的放大的橫斷面視圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳述關(guān)于附圖，圖1顯示了進(jìn)行本發(fā)明方法的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的制氫系統(tǒng)10。
在圖1中，制氫系統(tǒng)10由下列設(shè)備組成固體碳加料裝置12，該裝置提供固體碳物質(zhì)如粒狀、顆粒、粉末狀或球形石墨物質(zhì)，活性碳物質(zhì)或煤炭，供給進(jìn)料水的供水泵P1，在水蒸氣存在下將固體碳顆粒轉(zhuǎn)化成富氫氣體的電弧等離子體反應(yīng)器APR，位于電弧等離子體反應(yīng)器APR下游側(cè)的用于冷卻富氫氣體同時(shí)預(yù)熱循環(huán)水的換熱器H，與換熱器H連接用于進(jìn)一步冷卻富氫氣體的冷卻裝置C，用于分離富氫氣體和冷凝水的液/氣分離器S，循環(huán)管線19，循環(huán)泵P2，關(guān)閉閥V1-V5，和用于除去富氫氣體中所含的雜質(zhì)如CO和CO2的第一和第二反應(yīng)器15和17。液/氣分離器S用于從富氫氣體分離出冷凝水，使冷凝水通過(guò)循環(huán)管線19和循環(huán)泵P2作為循環(huán)水循環(huán)到電弧等離子體反應(yīng)器APR。
圖2顯示了圖1中所示的電弧等離子體反應(yīng)器APR的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。在圖2中，電弧等離子體反應(yīng)器APR包括與固體碳加料裝置12連接的電弧反應(yīng)器裝置14，和電弧電源16。固體碳加料裝置12由儲(chǔ)存固體碳物質(zhì)的進(jìn)料斗20、螺旋進(jìn)料機(jī)22和以預(yù)定的進(jìn)料量連續(xù)供給固體碳粒子的旋轉(zhuǎn)閥24組成。熱反應(yīng)器裝置14包括由耐熱陶瓷制成的圓筒形的外隔離套管26，和具有圓筒形等離子體反應(yīng)室34的內(nèi)部隔離套管32。絕緣電極支持物28通過(guò)固定螺栓30與內(nèi)部絕緣套管32的上端連接在一起。等離子體反應(yīng)室34具有由水蒸氣產(chǎn)生區(qū)34A形成的上游側(cè)和由富氫氣體產(chǎn)生區(qū)34B形成的下游側(cè)。實(shí)際上，富氫氣體產(chǎn)生區(qū)34B占據(jù)了等離子體反應(yīng)室34的較大部分。當(dāng)固體碳顆粒供給等離子體反應(yīng)室34時(shí)，在固體碳物質(zhì)之間以縫隙的形式形成了許多細(xì)小的電弧通道35，通過(guò)這些細(xì)小的電弧通道35在作為等離子氣體的水蒸氣存在下由于均勻的電火花產(chǎn)生了許多電弧等離子體。此時(shí)，進(jìn)料水暴露于水蒸氣產(chǎn)生區(qū)34A的高溫下，并轉(zhuǎn)變成水蒸氣流。水蒸氣流通過(guò)大量的細(xì)小電弧通道35流向下游側(cè)。在水蒸氣流流動(dòng)期間，在電弧等離子體存在下根據(jù)下列反應(yīng)式水蒸氣與固體碳物質(zhì)反應(yīng)形成了含有氫氣、一氧化碳和二氧化碳的富氫氣體(1)(2)富氫氣體中的氫含量是根據(jù)反應(yīng)室34中的操作溫度變化的。也就是說(shuō)，當(dāng)反應(yīng)室34的反應(yīng)溫度提高時(shí)，富氫氣體中的氫含量增加。
絕緣電極支持物28支持著許多棒狀電弧電極36，38，40。環(huán)狀圓盤(pán)形中性電極42位于絕緣套管32的下部。中性電極42有一個(gè)錐形面42a和一個(gè)中心孔42b。裝入中性電極42并用在絕緣套管26底部形成的電極支持物78支撐和用固定螺栓80就地固定。另一方面，電極支持物28具有一個(gè)與固體碳加料裝置12連接的碳進(jìn)料口50。外面的絕緣套管26的上部有一個(gè)在電弧電極36，38，40的上面區(qū)域附近形成的進(jìn)料水進(jìn)料口52以便將進(jìn)料水引入水蒸氣產(chǎn)生區(qū)34A。這有利于進(jìn)料水作為冷卻劑來(lái)防止電極36，38，40的溫度升得過(guò)高，并且有利于進(jìn)料水有效地轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳛榈入x子氣體的水蒸氣，以便促進(jìn)在合成氣產(chǎn)生區(qū)35中產(chǎn)生電弧等離子體。內(nèi)套管32和中性電極42的外圍形成有由環(huán)狀冷卻劑通道54組成的冷卻和熱回收區(qū)63，相鄰的冷卻劑通道通過(guò)中間通道54相互連接。外絕緣套管26有一個(gè)進(jìn)口74和一個(gè)出口76，該進(jìn)口和出口通過(guò)冷卻劑通道54彼此連通。由螺栓80經(jīng)密封板83連接到電極支持物78上的是絕緣端板82。中性電極42和端板82分別具有同心孔42b和82a，其中合成氣從過(guò)濾器84中穿過(guò)。端板82具有一個(gè)合成氣出口86。
進(jìn)口74連接到進(jìn)料水管線11，出口76連接到進(jìn)料水進(jìn)料口52。進(jìn)料水在冷卻區(qū)63預(yù)熱并從出口76排出進(jìn)入進(jìn)料水進(jìn)料口52。然后將進(jìn)料水引入水蒸氣產(chǎn)生區(qū)34A形成由水蒸氣組成的等離子氣體。從出口86排出的一部分富氫氣體通過(guò)再循環(huán)管道(未畫(huà)出)循環(huán)到等離子體反應(yīng)室34中，在等離子體反應(yīng)室34中水以上述化學(xué)反應(yīng)式(2)所示的方式發(fā)生轉(zhuǎn)移反應(yīng)。代號(hào)88表示密封部件。
在圖2中，電極支持物28固定地支撐交流電三相電極36，38，40，這些電極提供有來(lái)自電弧電源16的交流三相電力。中性電極42與三相電弧電源16的中點(diǎn)連接，電源16提供了輸出頻率為10-60赫茲、輸出電壓為30-240伏特的電能。
現(xiàn)在再回到圖1，第一反應(yīng)器15由一對(duì)反應(yīng)器150，150’組成，它們通過(guò)關(guān)閉閥V2-V5交替操作。每一個(gè)反應(yīng)器150，150’裝有活性炭顆粒150a和由鈷/鉬催化劑組成的一氧化碳轉(zhuǎn)化催化劑150b，該催化劑由Nikki化學(xué)有限公司以″N938″的名稱(chēng)銷(xiāo)售的，該催化劑可將CO轉(zhuǎn)化成CO2。第二反應(yīng)器由CO2吸收塔組成，該CO2吸收塔包括高壓吸收反應(yīng)器和低壓吸收反應(yīng)器，比如已知的PSA(壓力回轉(zhuǎn)吸收)，這兩種反應(yīng)器都裝有活性炭顆粒以吸收剩余的CO和CO2，從而生產(chǎn)高純度的氫氣H2。CO2及收塔17可裝有二氧化碳吸收劑，其公開(kāi)在日本專(zhuān)利臨時(shí)公開(kāi)號(hào)11-244652中。
在運(yùn)行中，將三相電弧放電電力提供給電弧等離子體反應(yīng)器APR的三相電弧電極36，38，40，同時(shí)驅(qū)動(dòng)螺旋進(jìn)料機(jī)22和旋轉(zhuǎn)閥24，將固體碳物質(zhì)加到電弧等離子體反應(yīng)器APR中。然后，驅(qū)動(dòng)進(jìn)料水供給泵P1，將進(jìn)料水從進(jìn)料水進(jìn)料口52供給等離子體反應(yīng)室34的水蒸氣產(chǎn)生區(qū)34A，進(jìn)料水經(jīng)受高溫產(chǎn)生作為等離子氣體的水蒸氣。水蒸氣流過(guò)許多細(xì)小的等離子體通道35，水蒸氣與固體碳物質(zhì)在高于1000℃的溫度下反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成富氫氣體。富氫氣體在換熱器H中冷卻，然后在冷卻器C中進(jìn)一步冷卻至60-90℃。將如此冷卻的富氫氣體提供給液/氣分離器S，在分離器S中從富氫氣體中分離出水份以產(chǎn)生冷凝水。當(dāng)冷凝水達(dá)到給定高度時(shí)，驅(qū)動(dòng)泵P2將冷凝水供給進(jìn)料水供給管線11，與新鮮進(jìn)料水混合。在電弧等離子體反應(yīng)器APR的冷卻區(qū)63預(yù)熱混合水，然后提供給進(jìn)料水供給口52。然后將干的富氫氣體送入第一和第二反應(yīng)器15和17以上述方式除去雜質(zhì)如CO和CO2，產(chǎn)生純化的氫氣H2。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法與現(xiàn)有技術(shù)相比提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括(1)可使用成本非常低的進(jìn)料水和固體碳物質(zhì)作為原料，從而使氫氣的生產(chǎn)費(fèi)用明顯降低。
(2)所用的電弧等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)小，但具有高的操作性能，能夠從低成本的固體碳物質(zhì)和進(jìn)料水有效生產(chǎn)富氫氣體。
(3)因?yàn)槿康墓腆w碳物質(zhì)僅消耗于生產(chǎn)富氫氣體，而不象現(xiàn)有技術(shù)中所要求的那樣碳物質(zhì)作為燃料用于轉(zhuǎn)化爐，因此，碳物質(zhì)的利用率是非常高的，從而使富氫氣體的生產(chǎn)成本明顯降低。
(4)在現(xiàn)有技術(shù)中，將在富氫氣體通過(guò)使用水蒸氣轉(zhuǎn)化方法生產(chǎn)期間得到的冷凝水排到外面，造成環(huán)境污染。相反，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可將冷凝水作為循環(huán)水循環(huán)到電弧等離子體反應(yīng)器APR，結(jié)果使進(jìn)料水的量明顯減少，同時(shí)，消除了環(huán)境污染。
雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方案，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員都將理解，根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的全部教導(dǎo)可以對(duì)那些細(xì)節(jié)內(nèi)容進(jìn)行各種修改和替換。因此，公開(kāi)的具體實(shí)施方案僅僅是說(shuō)明性的，并且不限于附加的權(quán)利要求中所定義的發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.一種由固體碳物質(zhì)和進(jìn)料水生產(chǎn)氫的方法，包括步驟準(zhǔn)備一個(gè)具有等離子反應(yīng)室和位于該反應(yīng)室中的電弧放電電極的電弧等離子體反應(yīng)器；將固體碳物質(zhì)供入反應(yīng)室，并在固體碳物質(zhì)中形成大量細(xì)小的電弧通道；給電弧放電電極分別供電以在所述細(xì)小的電弧通道中生產(chǎn)電弧放電等離子體；和將水蒸氣通過(guò)細(xì)小的電弧通道，使水蒸氣與固體碳物質(zhì)在電弧放電等離子體存在下反應(yīng)，生成富氫氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中熱等離子體反應(yīng)器具有由水蒸氣產(chǎn)生區(qū)形成的上游側(cè)和由富氫氣體產(chǎn)生區(qū)形成的下游側(cè)，并還包括步驟將進(jìn)料水供給電弧等離子體反應(yīng)器的水蒸氣產(chǎn)生區(qū)，在其上游側(cè)形成水蒸氣；在氫氣產(chǎn)生區(qū)中在電弧放電等離子體存在下水蒸氣與固體碳物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生富氫氣體；冷卻富氫氣體以分離出冷凝水；和循環(huán)冷凝水至水蒸氣產(chǎn)生區(qū)以轉(zhuǎn)變成水蒸氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，還包括步驟從富氫氣體分離出含CO和CO2的雜質(zhì)。
4.一種制氫系統(tǒng)，包括具有固體碳供給口、進(jìn)料水供給口，具有合成氣出口的絕緣套管，在絕緣套管中形成的電弧等離子體室，位于電弧等離子體室一端的交流電弧放電電極，位于電弧等離子體室另一端的中性放電電極，和在電弧等離子體室中裝有的固體碳物質(zhì)形成的許多細(xì)小的電弧通道的電弧等離子體反應(yīng)器；通過(guò)進(jìn)料水供給口將進(jìn)料水供給電弧等離子體室的進(jìn)料水供給泵，使進(jìn)料水轉(zhuǎn)變成水蒸氣；和向電弧電極供給交流電電能的交流電電源，以在細(xì)小的電弧通道中分別產(chǎn)生電弧放電等離子體，從而使水暴露于電弧放電等離子體中形成水蒸氣，該水蒸氣在經(jīng)過(guò)細(xì)小的電弧通道時(shí)在電弧放電等離子體存在下與固體碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的制氫系統(tǒng)，還包括與電弧等離子體反應(yīng)器連接的液/氣分離器裝置，用于分離富氫氣體和冷凝水；和用于將冷凝水循環(huán)到電弧等離子體反應(yīng)器以形成富氫氣體的循環(huán)管線。
全文摘要
公開(kāi)了一種由固體碳物質(zhì)和進(jìn)料水產(chǎn)生氫氣的方法和系統(tǒng),包括電弧等離子體反應(yīng)器(APR),該電弧等離子體反應(yīng)器具有電弧放電電極和裝在等離子反應(yīng)器中的固體碳物質(zhì)形成的許多細(xì)小的電弧通道(35)。在等離子反應(yīng)器中將進(jìn)料水轉(zhuǎn)變成水蒸氣,并將水蒸氣通入細(xì)小的電弧通道,在這些電弧通道中在電弧等離子體存在下水蒸氣與固體碳物質(zhì)反應(yīng)生成富氫氣體。
文檔編號(hào)C01B3/06GK1370732SQ02106210
公開(kāi)日2002年9月25日 申請(qǐng)日期2002年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月29日
發(fā)明者畑中武史 申請(qǐng)人:畑中武史