專利名稱：一種太陽能制氫/水煤氣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能制氫/水煤氣裝置、屬于太陽能制氫技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氫是21世紀的燃料、它有很高的燃燒值而且無污染。目前氫的制備在工業(yè)上主要是水電解法和以煤、石油、天然氣為原料制取。其中水電解法制氫要消耗大量電能、能量的總轉(zhuǎn)換效率一般底于20％、因此成本高昂；以煤、石油、天然氣為原料制氫有代表性的方法是利用碳和空氣中的氧燃燒維持高溫條件、有控制地將氧或含氧化合物(如H2O、CO2和空氣)通入高溫煤炭發(fā)生有機物的部分氧化反應、而獲得含有H2、CO、NH4、CO2、N2、SO2等的混合氣體，再用加壓、加溫催化、水洗等工藝將氫分離出來。這樣不僅消耗了大量原材料碳、也產(chǎn)生大量二氧化碳溫室氣體和氧化硫等污染氣體。在國外雖然有利用太陽光在催化劑作用下分解水制氫的試驗、由于產(chǎn)量小等問題尚難于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
所以目前各種氫的制取方法中存在要么能量轉(zhuǎn)換效率低、要么工藝設(shè)備復雜而且副產(chǎn)品含有大量CO2加劇溫室效應造成大氣污染、或者難于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
針對氫的制備裝置上述不足狀況、本發(fā)明旨在提供一種有高能量轉(zhuǎn)換效率、而且工藝設(shè)備簡單能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、對環(huán)境無污染的一種太陽能制氫裝置、或提供一種有高燃燒值的由氫氣和一氧化碳組成的混合可燃氣。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是將“太陽能光纖傳導聚能矩陣”(專利號200510100654.2)的會聚光束、通過設(shè)置于反應爐外殼上的透光窗照射里面的煤粉使之升溫到1273k、煤粉內(nèi)設(shè)置有熱電偶、將鍋爐產(chǎn)生的水蒸汽從設(shè)置在反應爐底部的噴嘴噴入，在反應爐上部設(shè)置有排氣孔、側(cè)面設(shè)置有爐門；冷凝器的一端連接在排氣孔、另一端連接在分離塔的進氣口上；冷凝器的底部設(shè)置有排水管、排水管伸入蓄水池內(nèi)分離塔可以是一個或多個、在分離搭內(nèi)中部設(shè)置有頂針、在頂針上方設(shè)置有上活塞、在頂針下方設(shè)置有下活塞，且頂針與活塞上的氣孔一一相對；在塔的外殼中部設(shè)置有進氣管、上部設(shè)置氫氣管、下部設(shè)置一氧化碳管；在沿塔的軸線處設(shè)置有絲桿、并慣穿分離塔的頂部、底部和上活塞和下活塞、并在分離塔外部絲桿的一端設(shè)置有活塞電機；在絲桿的上下半部各設(shè)置有方向相反的螺紋、絲桿與分離搭外殼之間用O型圈密封；在與絲桿平行的塔內(nèi)空間還設(shè)置有一條貫穿上活塞和下活塞的定位桿；或?qū)⒗淠髋c分離塔的進氣口一端斷開、取消分離塔直接從冷凝器的這一端引出由氫氣和一氧化碳組成的水煤氣、這樣本發(fā)明就是一種太陽能制水煤氣裝置。
本發(fā)明的有益效果是能大量廉價生產(chǎn)氫氣或由氫氣和一氧化碳組成的混合可燃氣、將作為能源消耗的碳節(jié)省下來、并且不產(chǎn)生CO2、SO2等污染大氣的副產(chǎn)品、對原材料煤的質(zhì)量要求低、工藝設(shè)備簡單有很高的能量轉(zhuǎn)換效率。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1是本發(fā)明的第一實施例結(jié)構(gòu)圖。
圖2.是本發(fā)明的第二實施例結(jié)構(gòu)圖。
圖3是透光窗的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是活塞的結(jié)構(gòu)圖。
圖5.是控制器電原理圖。
圖中1.光纖束、2.聚能光束、3.反應爐、4.透光窗、5.排氣孔、6.煤粉、7.熱電偶、8.噴嘴、9.爐門、10.爐門電機、11.冷凝器、12.定位桿、13.排水管、14.水池、15.分離塔、16.氫氣管、17.一氧化碳管、18.上活塞、19.絲桿、20.活塞電機、21.進氣口、22.頂針、23.氣門、24.鍋爐、25.控制器、26.蒸汽閥、27.氣孔、28.下活塞。
具體實施例方式
參閱附圖1、3所示光纖束(1)是“太陽能光纖傳導聚能矩陣”專利號200510100654.2的光能輸出部件、它能將大面積的太陽輻射能集中起來以聚能光束(2)的形式通過設(shè)置在反應爐殼體上部的透光窗(4)照射在反應爐(3)里面的煤粉(6)上。反應爐(3)可以在高于大氣壓狀態(tài)下運行、也可以在正常大氣壓狀態(tài)下運行，本實施例中采用正常大氣壓狀態(tài)。透光窗(4)是用光學玻璃制成、由于其優(yōu)良的透光性能以及煤粉(6)近似絕對黑體的性質(zhì)，投射的光能被煤粉大量吸收。
根據(jù)煤粉的數(shù)量和水蒸氣的噴入量、適當選擇“太陽能光纖傳導聚能矩陣”的聚光器數(shù)量和聚光器總面積，光纖束(1)就可提供足夠的太陽幅射能、使煤粉的溫度上升到1273k而且滿足碳還原水蒸氣的反應所需吸收的熱量、使反應繼續(xù)進行。
參閱附圖5所示、XP是熱電偶(7)它將感受的溫度轉(zhuǎn)變成電動勢、經(jīng)過電橋補償后送入BG1、BG2組成的差動放大器，調(diào)節(jié)RT的阻值選擇差動放大器平衡點。當XP溫度達到1273k時差動放大器失衡BG4導通、繼電器M吸合、觸點m1、m2閉合蒸汽閥(26)即D通電打開，水蒸氣就從鍋爐(24)經(jīng)過蒸汽閥(26)從噴嘴(6)噴出；當煤粉中的碳被反應消耗只剩下雜質(zhì)時、因反應停止爐內(nèi)溫度上升并且超過1273kk一定范圍時、電壓比較器LM108就有電壓輸出、于是繼電器P吸合、觸點P1閉合、MD即爐門電機(10)正向運轉(zhuǎn)打開爐門(9)。清除雜質(zhì)、重新添加煤粉之后合上開關(guān)K、它的常閉觸點k1、k2斷開、常開觸點k3、k4閉合爐門電機反向運轉(zhuǎn)關(guān)閉爐門(9)然后繼續(xù)進行上述過程。L1、L2是爐門電機的接線圖。L3、L4是活塞電機的接線圖。
由于碳還原水蒸氣的反應需吸收熱量、當煤粉的溫度下降低于1273k時、由上述可知繼電器M將斷電、觸點m1、m2斷開、控制器(25)停止輸出控制電流、于是蒸汽閥(26)關(guān)閉停止噴入水蒸氣、煤粉的溫度就繼續(xù)上升。于是反應爐(3)內(nèi)的反應維持在這一溫度之上、反應將繼續(xù)下去。反應爐(3)內(nèi)的煤粉在這個溫度下和從噴嘴(6)噴入水蒸氣的反應生成為H2、CO其反應式如下C熾熱+H2O＝H2+CO(1)(加熱至1273K )因反應爐內(nèi)的反應生成物為氣體、所以隨著氣體體積的增加、反應生成物H2、CO和部分剩余的水蒸氣會從反應爐上部設(shè)置的排氣孔(5)流入冷凝器(11)。
在冷凝器內(nèi)由于溫度將從數(shù)百度的高溫下降到常溫、水蒸氣會在冷凝器中凝結(jié)成水并從冷凝器下方設(shè)置的排水管(13)流入水池(14)內(nèi)。由于排水管伸入水池水線以下、所以冷凝器內(nèi)的氣體不會流入大氣中，H2、CO只能從進氣口(21)流入分離塔(15)。
分離塔的工作過程如下述參閱附圖4所示、上活塞(18)、下活塞(28)構(gòu)造完全相同、其上設(shè)置有氣孔(27)、氣孔上設(shè)置有在彈簧作用下平常關(guān)閉當有外力作用時打開的氣門(23)；上下活塞的中心部位設(shè)置有與絲桿(19)上的羅紋相配合的螺孔。在分離塔內(nèi)上下活塞的初始位置為分別位于頂針(22)的兩側(cè)并且頂針(22)將氣門(23)一一打開。所以此時活塞(18)、(28)的上下兩部分空間是相通的?；钊c分離塔內(nèi)壁之間為移動副。
因為一氧化碳、氫氣的分子量分別是28和2相差14倍，它們的比重也相差14倍、所以在常溫常壓下這兩種氣體在重力作用下會自然分離開，較輕的氫氣會留在上層、較重的一氧化碳將聚集在下層。由反應式(1)可知、在反應生成物中氫氣和一氧化碳有相同的摩爾數(shù)、它們在標準狀態(tài)下有相同的體積、因此兩者的分界線大致在塔的中間位置。
所以當閉合開關(guān)J、觸點j1閉合活塞電機(20)正向運轉(zhuǎn)時通過絲桿(19)帶動上、下活塞同時向相反方向移動直到上下活塞移動到分離塔的頂和底附近停止、此期間活塞離開了頂針(22)所以氣門(23)自動關(guān)閉，上下活塞將分別把氫氣和一氧化碳從氫氣管(16)、一氧化碳管(17)排除，同時進氣口(21)繼續(xù)向塔內(nèi)流入氫氣和一氧化碳；然后閉合反向開關(guān)Z、活塞電機(20)反向運轉(zhuǎn)，通過絲桿(19)帶動上下活塞同時相向移動、上下活塞將回到初始位置、氣門(23)又被頂針(22)重新打開、關(guān)斷開關(guān)J和Z活塞電機(20)停止運轉(zhuǎn)。
隨著分離塔內(nèi)上下活塞的反復運動氫氣和一氧化碳被不斷從氫氣管(16)、一氧化碳管(17)排除。定位桿的作用是防止活塞在上下移動的過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動、保證活塞上的氣孔和頂針(22)的相對位置不變。
一氧化碳是本發(fā)明的副產(chǎn)品、它既是一種高燃燒值的氣體燃料又是重要的化工原材料。
參閱附圖2所示它與附圖1的區(qū)別是取消分離塔(15)、直接從冷凝器(11)的另一端引出由氫氣和一氧化碳組成的水煤氣。
從能量角度看氫氣和氧氣燃燒以及一氧化碳和氧氣燃燒都是放熱反應2H2+O2＝2H2O 2CO+O2＝2CO2 (2)、(3)兩式的氧化反應它們放熱總量達到1043k/mol、而碳還原水蒸氣反應所吸收的熱量只有131.3kj/mol、兩者之比為7.96倍。所以本發(fā)明有很高的能量投入產(chǎn)出效率。
權(quán)利要求
1.一種太陽能制氫/水煤氣裝置由“太陽能光纖傳導聚能矩陣”、反應爐、冷凝器、分離塔部件構(gòu)成，其特征在于將“太陽能光纖傳導聚能矩陣”的會聚光束、通過反應爐的透光窗照射里面的煤粉；在反應爐底部設(shè)置有噴嘴、上部設(shè)置有排氣孔、側(cè)面設(shè)置有爐門；冷凝器的一端連接在反應爐的排氣孔、另一端連接在分離塔的進氣口上、底部設(shè)置有排水管在分離搭內(nèi)中部空間設(shè)置有頂針、在頂針上方設(shè)置有上活塞、在頂針下方設(shè)置有下活塞且頂針與活塞上的氣門一一相對應，在分離塔外殼中部設(shè)置有進氣口、上部設(shè)置氫氣管、下部設(shè)置一氧化碳管，在分離塔軸線處設(shè)置有絲桿慣穿分離塔的頂部和底部以及上活塞和下活塞；或取消分離塔直接從冷凝器的另一端引出由氫氣和一氧化碳組成的水煤氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能制氫/水煤氣裝置、其特征在于透光窗是由光學玻璃構(gòu)成、并且安裝在反應爐外殼上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能制氫/水煤氣裝置、其特征在于上活塞、下活塞構(gòu)造完全相同、其上設(shè)置有氣孔、氣孔上設(shè)置有氣門；上下活塞的中心部位設(shè)置有與絲桿的羅紋相配合的螺孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能制氫/水煤氣裝置、其特征在于絲桿的上下半部各設(shè)置有方向相反的螺紋、絲桿與分離塔外殼之間用O型圈密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能制氫/水煤氣裝置、其特征在于分離塔數(shù)量可以是一個或多個。
全文摘要
一種太陽能制氫/水煤氣裝置由太陽能光纖傳導聚能矩陣、反應爐、冷凝器、等部件構(gòu)成。本發(fā)明由于利用太陽能提供反應所需熱量以及分離塔的作用、能克服目前各種制氫方法的不足而具備如下優(yōu)點能廉價大量生產(chǎn)氫氣或由氫氣和一氧化碳組成的混合可燃氣、節(jié)省大量作為燃料消耗的煤碳、不再產(chǎn)生二氧化碳、氧化硫等副產(chǎn)品污染大氣，另外本發(fā)明對作為原材料煤碳的質(zhì)量要求較低、工藝設(shè)備簡單具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號C10J3/20GK101037187SQ20071002720
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者高永祥, 李靜華 申請人:高永祥, 李靜華