專利名稱：一種利用甲醇水制備氫氣的系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氫氣制備技術領域，涉及一種制備氫氣的系統(tǒng)，尤其涉及一種利用甲醇水制備氫氣的系統(tǒng)；同時，本發(fā)明還涉及一種利用甲醇水制備氫氣的方法。
背景技術：
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。 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。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I. 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。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。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。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。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。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。
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，經過進一步的后處理，可同時得到氫氣和二氧化碳氣。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
權利要求
1.一種利用甲醇水制備氫氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括液體儲存容器、主制氫設備、一個或多個子制氫設備； 一個或多個子制氫設備制得的氫氣或/和余氣作為主制氫設備的初始啟動能源，當子制氫設備制得的部分氫氣或/和余氣滿足設定量時，啟動主制氫設備；此后，主制氫設備制得的氫氣或/和余氣維持主制氫設備運行； 所述子制氫設備包括小功率電機、子換熱器、子氣化室、子重整室、子分離室；所述液體儲存容器、子換熱器、子氣化室、子重整室、子分離室通過管路依次連接； 所述小功率電機用以滿足子氣化室、子重整室、子分離室的環(huán)境參數；液體儲存容器中的甲醇和水經過處理輸送至子重整室重整、子分離室分離；將制得的氫氣及余氣燃燒，為主制氫設備需要加熱的元件提供熱量；待主制氫設備正常工作后子制氫設備停止工作； 所述主制氫設備包括殼體，及殼體內的換熱器、氣化室、重整室、分離室；所述液體儲存容器、換熱器、氣化室、重整室、分離室通過管路依次連接； 所述液體儲存容器中的甲醇和水通過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=Cu-ZnO-Al2O3或/和Cu-ZnO-ZrO ;重整室內的溫度為370° -409° ； 重整室與分離室之間的傳送通道設有一預熱控溫機構，該預熱控溫機構用以加熱從重整室輸出的氣體；所述預熱控溫機構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； 所述分離室的溫度設定為410° -430°，重整室內的溫度低于分離室內的溫度；所述分離室內設有陶瓷鈀膜分離器、金屬鈀膜分離器，進入分離室的氣體先經過陶瓷鈀膜分離器做預處理，得到較高純度的氫氣，余氣排出；較高純度的氫氣再進入金屬鈀膜分離器，得到更高純度的氫氣，余氣排出； 所述分離室連接有氫氣管路、余氣輸送管路，氫氣從氫氣管路輸出，余氣通過余氣輸送管路輸出； 所述余氣輸送管路盤在殼體的一側，而后通過第二殼體將余氣輸送管路罩住，所述第二殼體的外側設有溫差發(fā)電機，通過余氣輸送管路的溫度與外界流通空氣的溫度之差發(fā)電，將發(fā)出的電能提供給主制氫設備；所述溫差發(fā)電機包括若干溫差發(fā)電片； 通過分離室輸出的余氣為所述換熱器、氣化室、重整室、分離室、預熱控溫機構加熱；所述設備還包括余氣量檢測單元，當檢測到余氣不足設定量時，將設定氫氣分流輸送至換熱器、氣化室、重整室、分離室、預熱控溫機構，以保證換熱器、氣化室、重整室、分離室、預熱控溫機構的溫度條件。
2.一種利用甲醇水制備氫氣的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括液體儲存容器、殼體、反應容器，反應容器設置于該殼體內；所述反應容器內設有換熱器、氣化室、重整室、分離室，所述液體儲存容器、換熱器、氣化室、重整室、分離室通過管路依次連接； 所述液體儲存容器中的甲醇和水通過輸送裝置輸送至換熱器換熱，換熱后進入氣化室氣化；氣化后的氣體進入重整室重整，而后重整后的氣體進入分離室分離，分離出氫氣及余氣; 所述分離室連有余氣輸送管路，所述余氣輸送管路盤在所述殼體外側；所述系統(tǒng)還包括第二殼體，余氣輸送管路設置于該第二殼體內，第二殼體的外側與外界空氣連通，第二殼體的外側設有溫差發(fā)電機，該溫差發(fā)電機通過余氣輸送管路的溫度與外界流通空氣的溫度之差發(fā)電，得到電能。
3.根據權利要求2所述的利用甲醇水制備氫氣的系統(tǒng)，其特征在于 所述系統(tǒng)包括主制氫設備，殼體、反應容器、換熱器、氣化室、重整室、分離室組成了主制氫設備的主要部分；所述系統(tǒng)還包括一個或多個子制氫設備； 一個或多個子制氫設備制得的氫氣或/和余氣作為主制氫設備的初始啟動能源，當子制氫設備制得的部分氫氣或/和余氣滿足設定量時，啟動主制氫設備；此后，主制氫設備制得的氫氣或/和余氣維持主制氫設備運行； 所述子制氫設備包括小功率電機、子換熱器、子氣化室、子重整室、子分離室；所述液體儲存容器、子換熱器、子氣化室、子重整室、子分離室通過管路依次連接； 所述小功率電機用以滿足子氣化室、子重整室、子分離室的環(huán)境參數；液體儲存容器中的甲醇和水經過處理輸送至子重整室重整、子分離室分離；將制得的氫氣及余氣燃燒，為主制氫設備需要加熱的元件提供熱量；待主制氫設備正常工作后子制氫設備停止工作。
4.根據權利要求2所述的利用甲醇水制備氫氣的系統(tǒng)，其特征在于 所述重整室與分離室之間的傳送通道設有一預熱控溫機構，該預熱控溫機構用以加熱從重整室輸出的氣體；所述預熱控溫機構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。
5.根據權利要求4所述的利用甲醇水制備氫氣的系統(tǒng)，其特征在于 所述分離室的溫度設定為410° -430°，重整室內的溫度低于分離室內的溫度；所述分離室內設有陶瓷鈀膜分離器、金屬鈀膜分離器，進入分離室的氣體先經過陶瓷鈀膜分離器做預處理，得到較高純度的氫氣，余氣排出；較高純度的氫氣再進入金屬鈀膜分離器，得到更高純度的氫氣，余氣排出。
6.根據權利要求5所述的利用甲醇水制備氫氣的系統(tǒng)，其特征在于 通過分離室輸出的余氣為所述換熱器、氣化室、重整室、分離室、預熱控溫機構加熱；所述設備還包括余氣量檢測單元，當檢測到余氣不足設定量時，將設定氫氣分流輸送至換熱器、氣化室、重整室、分離室、預熱控溫機構，以保證換熱器、氣化室、重整室、分離室、預熱控溫機構的溫度條件。
7.一種利用權利要求I所述系統(tǒng)制備氫氣的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 步驟一、子制氫設備制氫步驟； 步驟S11、所述小功率電機啟動，滿足子氣化室、子重整室、子分離室的環(huán)境參數； 步驟S12、液體儲存容器中的甲醇和水經過加熱進入子氣化室氣化； 步驟S13、氣化后的氣體輸送至子重整室重整，重整室內的溫度為370° -409° ;重整室內設有催化劑=Cu-ZnO-Al2O3或/和Cu-ZnO-ZrO ； 步驟S14、將制得的氣體通過子分離室分離出氫氣及余氣，所述分離室的溫度設定為410° -430° ;或者，不經過分離直接進入步驟S15; 步驟S15、將制得的氫氣及余氣燃燒，為主制氫設備需要加熱的元件提供熱量；待主制氫設備正常工作后子制氫設備停止工作；步驟二、主制氫設備制氫步驟； 步驟S21、所述液體儲存容器中的甲醇和水通過輸送裝置輸送至換熱器換熱，換熱后進入氣化室氣化； 步驟S22、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Cu-ZnO-Al2O3 或 / 和 Cu-ZnO-ZrO ;重整室內的溫度為 370° -409° ； 步驟S23、重整室與分離室之間的傳送通道設有一預熱控溫機構，該預熱控溫機構用以加熱從重整室輸出的氣體；所述預熱控溫機構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； 步驟S24、所述分離室的溫度設定為410° -430°，重整室內的溫度低于分離室內的溫度；所述分離室內設有陶瓷鈀膜分離器、金屬鈀膜分離器，進入分離室的氣體先經過陶瓷鈀膜分離器做預處理，得到較高純度的氫氣，余氣排出；較高純度的氫氣再進入金屬鈀膜分離器，得到更高純度的氫氣，余氣排出；所述分離室連接有氫氣管路、余氣輸送管路，氫氣從氫氣管路輸出，余氣通過余氣輸送管路輸出； 步驟S25、設置于第二殼體的外側的溫差發(fā)電機通過余氣輸送管路的溫度與流通空氣的溫度之差進行發(fā)電，將發(fā)出的電能提供給主制氫設備； 步驟S26、通過分離室輸出的余氣為所述換熱器、氣化室、重整室、分離室、預熱控溫機構加熱；所述設備還包括余氣量檢測單元，當檢測到余氣不足設定量時，將設定氫氣分流輸送至換熱器、氣化室、重整室、分離室、預熱控溫機構，以保證換熱器、氣化室、重整室、分離室、預熱控溫機構的溫度條件。
8.一種利用權利要求2所述系統(tǒng)制備氫氣的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 步驟SI、所述液體儲存容器中的甲醇和水通過輸送裝置輸送至換熱器換熱，換熱后進入氣化室氣化； 步驟S2、氣化后的氣體進入重整室重整； 步驟S3、重整后的氣體進入分離室分離，分離出氫氣及余氣； 步驟S4、設置于第二殼體的外側的溫差發(fā)電機通過余氣輸送管路的溫度與流通空氣的溫度之差進行發(fā)電，得到電能。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種利用甲醇水制備氫氣的系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括液體儲存容器、殼體、反應容器，反應容器設置于該殼體內；所述反應容器內設有換熱器、氣化室、重整室、分離室，所述液體儲存容器、換熱器、氣化室、重整室、分離室通過管路依次連接；分離室連有余氣輸送管路，所述余氣輸送管路盤在所述殼體外側；所述系統(tǒng)還包括第二殼體，余氣輸送管路設置于該第二殼體內，第二殼體的外側與外界空氣連通，第二殼體的外側設有溫差發(fā)電機，該溫差發(fā)電機通過余氣輸送管路的溫度與外界流通空氣的溫度之差發(fā)電，得到電能。本發(fā)明通過在余氣輸送管路附近設置溫差發(fā)電機，利用高溫余氣及外界空氣之間的溫差進行發(fā)電，有效地利用了余氣的溫度，節(jié)約能源。
文檔編號C01B3/32GK102874754SQ20121033991
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權日2012年9月13日
發(fā)明者向華, 龐娟娟, 向德成 申請人:上海合既得動氫機器有限公司