利用甲醇水制備氫氣的設備的制作方法
【專利摘要】本實用新型揭示了一種利用甲醇水制備氫氣的設備，包括液體儲存容器、原料輸送裝置、制氫設備、膜分離裝置、尾氣換熱裝置；液體儲存容器用于存儲液態(tài)的甲醇和水，原料輸送裝置將所述液體儲存容器中的甲醇和水原料輸送至制氫設備制備氫氣，制得的氫氣輸送至膜分離裝置進行分離；尾氣換熱裝置包括第二換熱器，第二換熱器以原料甲醇和水為冷卻介質冷卻尾氣；第二換熱器的換熱管的入口通過管路連接液體儲存容器，第二換熱器的換熱管的出口連接制氫設備；原料經(jīng)過第二換熱器換熱管的換熱被溫度升高，同時尾氣的溫度降低。本實用新型提出的利用甲醇水制備氫氣的設備，可不設置廢氣處理裝置，從而減小設備體積，提高移動性。
【專利說明】 利用甲醇水制備氫氣的設備
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于氫氣制備【技術領域】，涉及一種制備氫氣的設備，尤其涉及一種利用甲醇水制備氫氣的設備。
【背景技術】
[0002]在眾多的新能源中，氫能將會成為21世紀最理想的能源。這是因為，在燃燒相同重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產生的能量最多，而且它燃燒的產物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環(huán)境；而煤和石油燃燒生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分別產生溫室效應和酸雨。煤和石油的儲量是有限的，而氫主要存于水中，燃燒后唯一的產物也是水，可源源不斷地產生氫氣，永遠不會用完。
[0003]氫是一種無色的氣體。燃燒一克氫能釋放出142千焦爾的熱量，是汽油發(fā)熱量的3倍。氫的重量特別輕，它比汽油、天然氣、煤油都輕多了，因而攜帶、運送方便，是航天、航空等高速飛行交通工具最合適的燃料。氫在氧氣里能夠燃燒，氫氣火焰的溫度可高達2500°C，因而人們常用氫氣切割或者焊接鋼鐵材料。
[0004]在大自然中，氫的分布很廣泛。水就是氫的大“倉庫”，其中含有11%的氫。泥土里約有1.5%的氫；石油、煤炭、天然氣、動植物體內等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在的，而地球表面約70%為水所覆蓋，儲水量很大，因此可以說，氫是“取之不盡、用之不竭”的能源。如果能用合適的方法從水中制取氫，那么氫也將是一種價格相當便宜的能源。
[0005]氫的用途很廣，適用性強。它不僅能用作燃料，而且金屬氫化物具有化學能、熱能和機械能相互轉換的功能。例如，儲氫金屬具有吸氫放熱和吸熱放氫的本領，可將熱量儲存起來，作為房間內取暖和空調使用。
[0006]氫作為氣體燃料，首先被應用在汽車上。1976年5月，美國研制出一種以氫作燃料的汽車；后來，日本也研制成功一種以液態(tài)氫為燃料的汽車；70年代末期，前聯(lián)邦德國的奔馳汽車公司已對氫氣進行了試驗，他們僅用了五千克氫，就使汽車行駛了 110公里。
[0007]用氫作為汽車燃料，不僅干凈，在低溫下容易發(fā)動，而且對發(fā)動機的腐蝕作用小，可延長發(fā)動機的使用壽命。由于氫氣與空氣能夠均勻混合，完全可省去一般汽車上所用的汽化器，從而可簡化現(xiàn)有汽車的構造。更令人感興趣的是，只要在汽油中加入4%的氫氣。用它作為汽車發(fā)動機燃料，就可節(jié)油40 %，而且無需對汽油發(fā)動機作多大的改進。
[0008]氫氣在一定壓力和溫度下很容易變成液體，因而將它用鐵罐車、公路拖車或者輪船運輸都很方便。液態(tài)的氫既可用作汽車、飛機的燃料，也可用作火箭、導彈的燃料。美國飛往月球的“阿波羅”號宇宙飛船和我國發(fā)射人造衛(wèi)星的長征運載火箭，都是用液態(tài)氫作燃料的。
[0009]另外，使用氫一氫燃料電池還可以把氫能直接轉化成電能，使氫能的利用更為方便。目前，這種燃料電池已在宇宙飛船和潛水艇上得到使用，效果不錯。當然，由于成本較高，一時還難以普遍使用。[0010]現(xiàn)在世界上氫的年產量約為3600萬噸，其中絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取的，這就得消耗本來就很緊缺的礦物燃料；另有4%的氫是用電解水的方法制取的，但消耗的電能太多，很不劃算，因此，人們正在積極探索研究制氫新方法。而用甲醇、水重整制氫可減少化工生產中的能耗和降低成本，有望替代被稱為“電老虎”的“電解水制氫”的工藝，利用先進的甲醇蒸氣重整——變壓吸附技術制取純氫和富含CO2的混合氣體，經(jīng)過進一步的后處理，可同時得到氫氣和二氧化碳氣。
[0011]甲醇與水蒸氣在一定的溫度、壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發(fā)生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統(tǒng)。反應方程如下:
[0012]CH3OH ^ C0+2H2(I)
[0013]H2CHCO — C02+H2(2)
[0014]CH30H+H20 — C02+3H2 (3)
[0015]重整反應生成的H2和CO2,再經(jīng)過鈀膜分離將H2和CO2分離，得到高純氫氣。變壓吸附法的耗能高、設備大，且不適合小規(guī)模的氫氣制備。
[0016]此外，現(xiàn)有的制氫設備由于廢氣的溫度較高，通常需要設置廢氣輸出通道排放廢氣。廢氣輸出通道的設置不但增加了設備的體積，不易攜帶，同時有燙傷人的風險。
[0017]有鑒于此，如今迫切需要設計一種新的制氫設備，以便克服現(xiàn)有制氫設備的上述缺陷。
實用新型內容
[0018]本實用新型所要解決的技術問題是:提供一種利用甲醇水制備氫氣的設備，可不設置廢氣處理裝置，從而減小設備體積`，提高移動性。
[0019]為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案:
[0020]一種利用甲醇水制備氫氣的設備，所述設備包括:液體儲存容器、原料輸送裝置、制氫設備、膜分離裝置、尾氣換熱裝置；
[0021]所述液體儲存容器用于存儲液態(tài)的甲醇和水，原料輸送裝置將所述液體儲存容器中的甲醇和水原料輸送至制氫設備制備氫氣；膜分離裝置與制氫設備連接，用于將制得的氫氣分離；
[0022]所述尾氣換熱裝置連接膜分離裝置，尾氣換熱裝置包括第二換熱器，第二換熱器以原料甲醇和水為冷卻介質冷卻尾氣；第二換熱器的換熱管的入口通過管路連接液體儲存容器，第二換熱器的換熱管的出口連接制氫設備。
[0023]作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述膜分離裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置。
[0024]作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述設備包括依次連接的換熱器、氣化室、重整室；膜分離裝置設置于分離室內，分離室設置于重整室的上部；所述液體儲存容器與制氫設備連接。
[0025]作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述尾氣換熱裝置的兩側分別設有間隔擋板。
[0026]作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述尾氣換熱裝置還包括換風機。
[0027]本實用新型的有益效果在于:本實用新型提出的利用甲醇水制備氫氣的設備，可不設置廢氣處理裝置，從而減小設備體積，提高移動性。同時，經(jīng)過換熱器的原料溫度升高(在制備氫氣時原料需要加熱)，從而可以有效降低制氫成本。此外，本實用新型設備還可以改善環(huán)境。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為實施例一中本實用新型制備氫氣的設備的組成示意圖。
[0029]圖2為尾氣換熱裝置的結構示意圖。
[0030]圖3為實施例二中本實用新型制備氫氣的設備的組成示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖詳細說明本實用新型的優(yōu)選實施例。
[0032]實施例一
[0033]請參閱圖1，本實用新型揭示了一種利用甲醇水制備氫氣的設備，所述設備包括:液體儲存容器10、原料輸送裝置50、制氫設備20、膜分離裝置30、尾氣換熱裝置60。所述液體儲存容器10用于存儲液態(tài)的甲醇和水，原料輸送裝置50將所述液體儲存容器10中的甲醇和水原料輸送至制氫設備20制備氫氣，制得的氫氣輸送至膜分離裝置30進行分離。
[0034]所述尾氣換熱裝置60包括第二換熱器，第二換熱器以原料甲醇和水為冷卻介質冷卻尾氣；第二換熱器的換熱管的入口通過管路連接液體儲存容器，第二換熱器的換熱管的出口連接制氫設備20 ;原料經(jīng)過第二換熱器換熱管的換熱被溫度升高，同時尾氣的溫度降低。
[0035]本實施例中，尾氣換熱裝置的結構如圖2所示，尾氣換熱裝置內設有間隔擋板，使氣流走折線，可以起到更好的換熱效果。
[0036]此外，尾氣換熱裝置還包括換風機，用于帶動廢氣流動，從而提高廢氣處理速度。
[0037]實施例二
[0038]本實施例與實施例一的區(qū)別在于，本實施例中，請參閱圖3，所述制備氫氣的設備利用甲醇水制備氫氣，所述制備氫氣的設備包括固態(tài)氫氣儲存容器40、液體儲存容器10、原料輸送裝置50、制氫設備20、膜分離裝置30、尾氣換熱裝置60。尾氣換熱裝置60與實施例一相類似。
[0039]所述固態(tài)氫氣儲存容器40、液體儲存容器10分別與制氫設備20連接；液體儲存容器10中儲存有液態(tài)的甲醇和水，所述固態(tài)氫氣儲存容器40中儲存固態(tài)氫氣。
[0040]當制氫系統(tǒng)啟動時，通過氣化模塊將固態(tài)氫氣儲存容器40中的固態(tài)氫氣轉換為氣態(tài)氫氣，氣態(tài)氫氣通過燃燒放熱，為制氫設備20提供啟動熱能，作為制氫設備20的啟動能源。當然，固態(tài)氫氣儲存容器40不是本實用新型的必要設備，可以通過其他能源啟動制氫設備20。
[0041 ] 所述原料輸送裝置50提供動力，將液體儲存容器10中的原料輸送至制氫設備20 ；所述原料輸送裝置50向原料提供1.1?5M Pa的壓強(如提供1.1M Pa或1.2M Pa或1.5MPa或5M Pa的壓強)，使得制氫設備20制得的氫氣具有足夠的壓強。所述制氫設備20啟動制氫后，制氫設備20制得的部分氫氣或/和余氣通過燃燒維持制氫設備20運行(當然，制氫設備20的運行還可以通過其他能源)。[0042]所述制氫設備20制得的氫氣輸送至膜分離裝置30進行分離，用于分離氫氣的膜分離裝置30的內外壓強之差大于等于1.1M Pa (如膜分離裝置30的內外壓強為1.1M Pa或 1.2M Pa 或 1.5M Pa 或 5M Pa)。
[0043]本實施例中，所述膜分離裝置30為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金，鈀銀合金的質量百分比鈀占75%~78%，銀占22%~25%。所述膜分離裝置30的制備工藝包括如下步驟:
[0044]步驟1、將多孔陶瓷設置于磁控濺射裝置的真空室內；
[0045]步驟2、利用磁控濺射裝置的磁場產生機構產生磁場，使得金屬靶產生偏差電流，金屬靶作為負極，從而使多孔陶瓷表面帶有磁層體；所述金屬靶的材料為濺射貴重金屬，所述貴重金屬為鈀銀合金，質量百分比鈀占75%~78%，銀占22%~25% ；
[0046]步驟3、在金屬靶產生偏差電流的同時，對磁控濺射裝置的真空室進行加熱，溫度控制在350°C~800°C ；
[0047]步驟4、抽出真空室內的氣體，當真空室內的真空度小于KT2Pa時，向真空室內充入設定濃度的氬氣；
[0048]步驟5、向金屬靶通入電流，進行濺射鍍膜；金屬靶產生的離子在電場的作用下加速飛向多孔陶瓷表面的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向多孔陶瓷表面；氬離子在電場的作用下加速轟擊金屬靶，濺射出大量的金屬靶靶材原子或分子，呈中性的靶原子或分子沉積在多孔陶瓷表面上，形成1~15 μ m的貴重金屬薄膜；
[0049]其中，在濺射鍍膜的過程中還包括氬氣濃度檢測步驟；實時或者以設定時間間隔檢測真空室內的氬氣濃度，當氬氣濃度低于設定閾值時自動打開氬氣充氣閥門，向真空室內充入氬氣，直至真空室內的氬氣濃度符合設定閾值范圍；
[0050]在濺射鍍膜的過程中還包括氣壓檢測步驟；實時或者以設定時間間隔檢測真空室內的氣壓，當真空室內的氣壓不在設定閾值區(qū)間，調整真空室內的氣壓至設定閾值區(qū)間；
[0051]步驟6、向真空室內通入大氣，取出工件。
[0052]優(yōu)選地，所述制氫設備包括換熱器、氣化室、重整室；膜分離裝置設置于分離室內，分離室設置于重整室的上部。
[0053]所述液體儲存容器中的甲醇和水通過原料輸送裝置輸送至換熱器換熱，換熱后進入氣化室氣化；氣化后的甲醇蒸氣及水蒸氣進入重整室，重整室內設有催化劑，重整室下部及中部溫度為350°C~409°C;所述重整室上部的溫度為400°C~570°C;重整室與分離室通過連接管路連接，連接管路的全部或部分設置于重整室的上部，能通過重整室上部的高溫繼續(xù)加熱從重整室輸出的氣體；所述連接管路作為重整室與分離室之間的緩沖，使得從重整室輸出的氣體的溫度與分離室的溫度相同或接近；所述分離室內的溫度設定為400°C~ 5700C ;分離室內設有膜分離器，從膜分離器的產氣端得到氫氣。
[0054]以上介紹了甲醇水制備氫氣的設備的組成，本實用新型還揭示一種利用上述甲醇水制備氫氣的設備的制氫方法，所述制氫方法包括:
[0055]【步驟0】所述固態(tài)氫氣儲存容器中儲存固態(tài)氫氣，當制氫系統(tǒng)啟動時，通過氣化模塊將固態(tài)氫氣轉換為氣態(tài)氫氣，氣態(tài)氫氣通過燃燒放熱，為制氫設備提供啟動熱能，作為制氫設備的啟動能源；
[0056]【步驟1】所述原料輸送裝置提供動力，將液體儲存容器中的原料輸送至制氫設備；所述原料輸送裝置向原料提供1.1~5M Pa的壓強，使得制氫設備制得的氫氣具有足夠的壓強；
[0057]【步驟2】制氫設備制備氫氣；具體包括:
[0058]所述液體儲存容器中的甲醇和水通過原料輸送裝置輸送至換熱器換熱，換熱后進入氣化室氣化；
[0059]氣化后的甲醇蒸氣及水蒸氣進入重整室，重整室內設有催化劑，重整室下部及中部溫度為350°C~409°C ；
[0060]所述重整室上部的溫度為400°C~570°C ;重整室與分離室通過連接管路連接，連接管路的全部或部分設置于重整室的上部，能通過重整室上部的高溫繼續(xù)加熱從重整室輸出的氣體；所述連接管路作為重整室與分離室之間的緩沖，使得從重整室輸出的氣體的溫度與分離室的溫度相同或接近；
[0061]所述分離室內的溫度設定為400°C~570°C ;分離室內設有膜分離器，從膜分離器的產氣端得到氫氣。
[0062]【步驟3】所述制氫設備制得的氫氣輸送至膜分離裝置進行分離，用于分離氫氣的膜分離裝置的內外壓強之差大于等于1.1M Pa ；
[0063]本實施例中，制備氫氣的設備將分離室設置于重整室的上部，重整室上部相比中部及下部的溫度較高，通過連接管路連接重整室與分離室，連接管路在輸送的過程中能利用重整室上部的高溫加熱輸送的氣體，起到預熱作用，同時加熱方式非常便捷。在重整室與分離室之間的管路作為預熱控溫機構，可以對從重整室輸出的氣體進行加熱，使得從重整室輸出的氣體的溫度與分離室的溫度相同或接近；從而可以分別保證重整室內催化劑的低溫要求，以及分離室的高溫要求，進而提高氫氣制備效率。
[0064]綜上所述，本實用新型提`出`的利用甲醇水制備氫氣的設備，可不設置廢氣處理裝置，從而減小設備體積，提高移動性。同時，經(jīng)過換熱器的原料溫度升高(在制備氫氣時原料需要加熱)，從而可以有效降低制氫成本。此外，本實用新型設備還可以改善環(huán)境。
[0065]這里本實用新型的描述和應用是說明性的，并非想將本實用新型的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本實用新型的精神或本質特征的情況下，本實用新型可以以其它形式、結構、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本實用新型范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。
【權利要求】
1.一種利用甲醇水制備氫氣的設備，其特征在于，所述設備包括:液體儲存容器、原料輸送裝置、制氫設備、膜分離裝置、尾氣換熱裝置； 所述液體儲存容器用于存儲液態(tài)的甲醇和水，原料輸送裝置將所述液體儲存容器中的甲醇和水原料輸送至制氫設備制備氫氣；膜分離裝置與制氫設備連接，用于將制得的氫氣分離； 所述尾氣換熱裝置連接膜分離裝置，尾氣換熱裝置包括第二換熱器，第二換熱器以原料甲醇和水為冷卻介質冷卻尾氣；第二換熱器的換熱管的入口通過管路連接液體儲存容器，第二換熱器的換熱管的出口連接制氫設備。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用甲醇水制備氫氣的設備，其特征在于: 所述膜分離裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置。
3.根據(jù)權利要求1所述的利用甲醇水制備氫氣的設備，其特征在于: 所述設備包括依次連接的換熱器、氣化室、重整室；膜分離裝置設置于分離室內，分離室設置于重整室的上部；所述液體儲存容器與制氫設備連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的利用甲醇水制備氫氣的設備，其特征在于: 所述尾氣換熱裝置的兩側分別設有間隔擋板。
5.根據(jù)權利要求1所述的利用甲醇水制備氫氣的設備，其特征在于: 所述尾氣換熱裝置還包括換風機。
【文檔編號】C01B3/32GK203582461SQ201320676597
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權日:2013年10月29日
【發(fā)明者】向華, 向得夫 申請人:上海合既得動氫機器有限公司