甲醇水制氢系统的重整器、甲醇水制氢系统及制氢方法

摘要

本发明公开了一种甲醇水制氢系统的重整器、甲醇水制氢系统及制氢方法。其中，甲醇水制氢系统的重整器一端安装有启动装置，该启动装置包括杯座，杯座上安装有原料输入管道、加热气化管道、点火装置及温度探测装置；原料输入管道与加热气化管道相连通，原料经原料输入管道进入加热气化管道后，从加热气化管道的末端输出；点火装置的位置与加热气化管道的末端相对应，用于对加热气化管道中输出的原料进行点火，原料经点火装置点火后燃烧，可对加热气化管道进行加热，使加热气化管道中的原料气化而迅速加大燃烧强度，进而为重整器加热；温度探测装置用于探测加热气化管道旁的温度。本发明启动时间短、加热效率高、安全可靠，且无需电加热装置加热。

说明书

技术领域

本发明涉及甲醇水氢气制备设备技术领域，特别涉及一种甲醇水制氢系统的重整器，与此同时，本发明还涉及采用该重整器的甲醇水制氢系统及制氢方法。

背景技术

氢，是一种21世纪最理想的能源之一，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的主要是CO₂和SO₂，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。氢的分布很广泛，水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。

目前，世界上氢的年产量约为3600万吨，制氢方法主要有两种：其一、绝大部分氢是从石油、煤炭和天然气中制取，这种方法需要消耗本来就很紧缺的矿物燃料；其二、约有4%的氢是用电解水的方法制取，这种方法消耗电能大，很不划算。随着技术的进步，采用甲醇和水重整制氢的技术渐渐得到发展，其能减少化工生产中的能耗和降低成本，并有望替代电能消耗特别在的电解水制氢工艺。利用先进的甲醇水蒸气重整技术制取H₂与CO₂的混合气体，再经钯膜分离器分离，可分别得到H₂和CO₂。

参照中国发明申请201310340475.0（申请人：上海合既得动氢机器有限公司），甲醇与水蒸气在350-409℃温度下1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：

CH₃OH→CO+2H₂        (1)

H₂O+CO→CO₂+H₂        (2)

CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂     (3)

重整反应生成的H₂和CO₂，再经过分离室的钯膜分离器将H₂和CO₂分离，得到高纯氢气。

甲醇水的催化反应在甲醇水制氢设备的重整器中完成，重整器包括重整器壳体及位于重整体器壳体内的燃烧腔和重整腔，还包括重整器启动装置，一般地，重整腔中需要350-409℃的温度，而燃烧腔中需要405-570℃的温度，重整器才能正常工作。重整器的启动是通过启动装置完成的，在现有技术中，冷启动通常需要很长时间，一般在5小时以上，而热启动需要耗费大量能源，使重整腔等装置处于高温状态。

有鉴于此，本创作者于2013年11月18日申请了一项发明专利201310578086.1（申请人：上海合既得动氢机器有限公司），该发明专利公开了一种能快速启动的甲醇水制氢系统及其制氢方法，该甲醇水制氢系统包括启动装置，该启动装置包括第一启动装置和第二启动装置，第一启动装置包括壳体、第一加热机构、第一气化管路，第一气化管路紧密地缠绕于第一加热机构上；第一加热机构可以为电加热棒，利用交流电或蓄电池、干电池即可，第一加热机构为第一气化管路，使第一气化管路输出被气化的甲醇；第二启动装置包括第二气化管路，第一气化管路输出气化甲醇点燃后为第二气化管路加热，使第二气化管路中的甲醇气化，进而使第二气化管路加热重整室，实现制氢系统的启动。

然而，该甲醇水制氢系统还存在以下缺失：第一启动装置之第一气化管路中的甲醇需要第一加热机构进行加热才能气化，而加热机构为电加热棒，并利用交流电或蓄电池、干电池等供电，此种电加热方式虽然能提高现有技术中重整器的启动时间，但是电加热的加热速度仍然较慢，因为要实现甲醇水气化或自燃，通常需要将第一气化管路加热至200℃以上的温度。并且，采用交流电供电的加热方式安全性差，而蓄电池、干电池等储电装置供电消耗大，充电不方便，更换也不便。此外，第一气化管路以缠绕方式安装于加热机构上，使得加热装置所产生的热量不能完全作用于对第一气化管路的加热，而第一启动装置与制氢设备（重整器）需要分离设置，也降低了第一启动装置对制氢设备（重整器）中第二启动装置的加热效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种启动时间短、加热效率高、安全可靠，且无需电加热装置的甲醇水制氢系统的重整器。与此同时，本发明还要提供一种采用该重整器的甲醇水制氢系统及该甲醇水制氢系统的制氢方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种甲醇水制氢系统的重整器，该重整器一端安装有启动装置，该启动装置包括杯座，杯座上安装有原料输入管道、加热气化管道、点火装置及温度探测装置；所述原料输入管道与加热气化管道相连通，所述原料经原料输入管道进入加热气化管道后，从加热气化管道的末端输出；所述点火装置的位置与加热气化管道的末端相对应，用于对加热气化管道中输出的原料进行点火，所述原料经点火装置点火后燃烧，可对加热气化管道进行加热，使加热气化管道中的原料气化而迅速加大燃烧强度，进而为重整器加热；所述温度探测装置用于探测加热气化管道旁的温度。

所述杯座包括安装部及安装部上方的液体容纳部，所述原料输入管道、加热气化管道、点火装置及温度探测装置均安装于杯座之安装部上，所述液体容纳部可容纳从加热气化管道末端输出的原料，所述液体容纳部上端还设有液体防溅盖。

所述加热气化管道依次包括直通管段、螺旋管段及上拱形管段，所述原料可经直通管段上升至最高位置后，再经螺旋管段螺旋下降，再经上拱形管段后输出。

所述杯座的底侧安装有进风盖板，该进风盖板设有风道，外界空气可经该风道进入至重整器内。

所述原料输入管道上设有电磁阀，以便控制原料输入管道打开或关闭。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种甲醇水制氢系统，包括甲醇水储存容器、原料输送装置、重整器及膜分离装置，其中：

所述原料输送装置用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料分别输送至重整器及重整器一端的启动装置；

所述重整器一端安装有启动装置，该启动装置包括杯座，杯座上安装有原料输入管道、加热气化管道、点火装置及温度探测装置；原料输入管道与加热气化管道相连通，原料经原料输入管道进入加热气化管道后，从加热气化管道的末端输出；所述点火装置的位置与加热气化管道的末端相对应，用于对加热气化管道中输出的原料进行点火，所述原料经点火装置点火后燃烧，可对加热气化管道进行加热，使加热气化管道中的原料气化而迅速加大燃烧强度，进而为重整器加热；所述温度探测装置用于探测加热气化管道旁的温度；

所述膜分离装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%～78%，银占22%～25%。

所述杯座包括安装部及安装部上方的液体容纳部，所述原料输入管道、加热气化管道、点火装置及温度探测装置均安装于杯座之安装部上，所述液体容纳部可容纳从加热气化管道末端输出的原料，所述液体容纳部上端还设有液体防溅盖。

所述加热气化管道依次包括直通管段、螺旋管段及上拱形管段，所述原料可经直通管段上升至最高位置后，再经螺旋管段螺旋下降，再经上拱形管段后输出。

为解决上述第三个技术问题，本发明的技术方案是：一种甲醇水制氢系统的制氢方法，包括以下步骤：

a.控制装置控制原料输送装置将甲醇水储存容器中的甲醇水原料以第一输送速度输送至重整器一端的启动装置；

b.甲醇水原料依次经启动装置的原料输入管道、加热气化管道后，从加热气化管道的末端嘀出；

c.控制装置控制点火装置点火，从加热气化管道的末端嘀出的甲醇水原料被点燃；

d.温度探测装置探测加热气化管道旁的温度，并将温度信息反馈给控制装置，由控制装置判断是否点火成功；若温度上升至控制装置设定的点火成功温度标准，则甲醇水原料已开始燃烧，点火成功，若温度未上升至控制装置设定的点火成功温度标准，则点火失败，此时，控制装置控制点火装置再次点火；

e.点火成功之后，控制装置控制原料输送装置将甲醇水储存容器中的甲醇水原料以第二输送速度输送至重整器一端的启动装置，该第二输送速度为第一输送速度的1.5～3倍；

f.甲醇水原料燃烧强度加大，温度继续上升，加热气化管道中的甲醇水原料被气化；

g.气化的甲醇水原料在重整器内迅速燃烧，为重整器加热；控制装置控制原料输送装置将甲醇水储存容器中的甲醇水原料输送至重整器，重整器内的温度达到产生甲醇水重整制氢反应的温度，重整器启动；

h.重整器启动后，控制装置控制启动装置的甲醇水原料输入阀关闭；

i.重整器内制得的氢气，一部分用于重整器运行，余下部分经膜分离装置分离后输出。

所述重整器外设有换热器，所述甲醇水储存容器中的甲醇水原料输送至换热器换热，换热后进入重整器。

本发明的有益效果是：其一、由于重整器的启动装置通过点火装置点火燃烧，使加热气化管道中的原料气化而迅速加大燃烧强度，进而为重整器加热，其加热效率高、加热速度非常快，经实验证明，通常在5分钟内即可启动重整器；其二、由于重整器的启动装置无论在开始阶段，还是在加热阶段，均采用燃烧的方式加热，无需使用到电加热装置，嫌弃了现有技术中在开始阶段采用电能加热的方式，加热效率高，并且，避免了电加热时产生的电热丝烧坏等安全问题，可靠性好，也无需使用到蓄电池或干电池；其三、启动装置内置于重整器一端，使得启动装置所产生的热量能完全作用于对重整器的加热，节约了原料，且最大程度上提高了加热效率。

附图说明

图1为本发明重整器的分散结构示意图。

图2为本发明重整器启动装置的整体结构示意图。

图3为本发明重整器启动装置的杯座部分结构示意图。

图4为本发明甲醇水制氢系统结构方框图。

图中：1.重整器；2.启动装置；21.杯座；211.安装部；212.液体容纳部；213.液体防溅盖；22.原料输入管道；23.加热气化管道；231.直通管段；232.螺旋管段；233.上拱形管段；24.点火装置；25.温度探测装置；26.进风盖板；261.风道；3.甲醇水储存容器；4.原料输送装置；5.膜分离装置；6.换热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

实施例一：

如图1～图3所示，一种甲醇水制氢系统的重整器1，该重整器1一端安装有启动装置2，该启动装置2包括杯座21，杯座21上安装有原料输入管道22、加热气化管道23、点火装置24及温度探测装置25；所述原料输入管道22与加热气化管道23相连通，所述原料经原料输入管道22进入加热气化管道23后，从加热气化管道23的末端输出；所述点火装置24的位置与加热气化管道23的末端相对应，用于对加热气化管道23中输出的原料进行点火，所述原料经点火装置24点火后燃烧，可对加热气化管道23进行加热，使加热气化管道23中的原料气化而迅速加大燃烧强度，进而为重整器1加热；所述温度探测装置25用于探测加热气化管道23旁的温度。所述原料不仅限于甲醇水原料，还可以是其他可燃烧的能源燃料，在本实施例中，原料采用甲醇水原料，与重整器采用的原料相同。

需要说明的是，重整器还包括重整器加热管道、重整器气化管道、重整室、燃烧室，在重整器内，甲醇水原料经加热管道进入重整室，在重整室内发生重整反应，生成氢气和二氧化碳的混合气体，该混合气体一部分在燃烧室燃烧，提供重整器需要的热量，另一部分重整器气化管道输出；在此过程中，重整室内需要350-409℃的温度，而燃烧室中需要405-570℃的温度。在本发明实施例一中，重整器正是利用启动装置2为重整器1加热，才令重整器启动，进而发生重整反应，启动时间在5分钟内即可完成。

如图1～图3所示，所述杯座21包括安装部211及安装部上方的液体容纳部212，所述原料输入管道22、加热气化管道23、点火装置24及温度探测装置25均安装于杯座之安装部211上，所述液体容纳部212可容纳从加热气化管道23末端输出的原料，所述液体容纳部212上端还设有液体防溅盖213。原料输入管道22输入原料后，经加热气化管道23输出时，多余的原料可容纳于杯座之液体容纳部212中，当然，在原料迅速燃烧后，液体容纳部212中的原料也会气化燃烧。所述液体防溅盖213可防止液体容纳部212中的原料在气化燃烧时四处飞溅。

如图2所示，所述加热气化管道23的内径为1-2cm，该加热气化管道23依次包括直通管段231、螺旋管段232及上拱形管段233，所述原料可经直通管段231上升至最高位置后，再经螺旋管段232螺旋下降，再经上拱形管段233后输出。这样，启动装置2开始工作时，原料进入加热气化管道23，原料在上拱形管段233的作用下，原料会以滴落的方式从上拱形管段233的末端滴出，以便点火装置进行点火；点火成功之后，由于螺旋管段232的整体长度比较长，受热面积大，因此，螺旋管段232中的原料能充分受热气化。

如图1和图2所示，所述杯座21的底侧安装有进风盖板26，该进风盖板26设有风道261，外界空气可经该风道261进入至重整器1内。从该风道261进入的外界空气可为启动装置2提供氧气，也可为重整器1提供氧气。为提高空气进入量，可在风道261外侧增加风扇（图中未示出）。

所述原料输入管道22上设有电磁阀(图中未示出)，以便控制原料输入管道22打开或关闭。所述点火装置可以采用市场上耐高温的点火器，例如电子式脉冲式点火器等。

实施例二：

如图1～图4所示，一种甲醇水制氢系统，包括甲醇水储存容器3、原料输送装置4、重整器1及膜分离装置5，其中：

所述原料输送装置4用于将甲醇水储存容器3中的甲醇水原料分别输送至重整器1及重整器一端的启动装置2；

所述重整器1一端安装有启动装置2，该启动装置2与实施例1中的启动装置2相同，该启动装置2包括杯座21，杯座21上安装有原料输入管道22、加热气化管道23、点火装置24及温度探测装置25；原料输入管道22与加热气化管道23相连通，原料经原料输入管道22进入加热气化管道23后，从加热气化管道23的末端输出；所述点火装置24的位置与加热气化管道23的末端相对应，用于对加热气化管道23中输出的原料进行点火，所述原料经点火装置24点火后燃烧，可对加热气化管道23进行加热，使加热气化管道23中的原料气化而迅速加大燃烧强度，进而为重整器1加热；所述温度探测装置25用于探测加热气化管道23旁的温度；

所述膜分离装置5为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置5，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%～78%，银占22%～25%。

如图1～图3所示，所述杯座21包括安装部211及安装部上方的液体容纳部212，所述原料输入管道22、加热气化管道23、点火装置24及温度探测装置25均安装于杯座之安装部211上，所述液体容纳部212可容纳从加热气化管道23末端输出的原料，所述液体容纳部212上端还设有液体防溅盖213。

如图1～图3所示，所述加热气化管道23的内径为1-2cm，该加热气化管道23依次包括直通管段231、螺旋管段232及上拱形管段233，所述原料可经直通管段231上升至最高位置后，再经螺旋管段232螺旋下降，再经上拱形管段233后输出。

如图1～图2所示，所述杯座21的底侧安装有进风盖板26，该进风盖板26设有风道261，外界空气可经该风道261进入至重整器1内。

所述原料输入管道22上设有电磁阀(图中未示出)，以便控制原料输入管道22打开或关闭。所述点火装置可以采用市场上耐高温的点火器，例如电子式脉冲式点火器等。

实施例三：

一种甲醇水制氢系统的制氢方法，包括以下步骤：

a.控制装置控制原料输送装置将甲醇水储存容器中的甲醇水原料以第一输送速度输送至重整器一端的启动装置；

b.甲醇水原料依次经启动装置的原料输入管道、加热气化管道后，从加热气化管道的末端嘀出；

c.控制装置控制点火装置点火，从加热气化管道的末端嘀出的甲醇水原料被点燃；

d.温度探测装置探测加热气化管道旁的温度，并将温度信息反馈给控制装置，由控制装置判断是否点火成功；若温度上升至控制装置设定的点火成功温度标准，则甲醇水原料已开始燃烧，点火成功，若温度未上升至控制装置设定的点火成功温度标准，则点火失败，此时，控制装置控制点火装置再次点火；

e.点火成功之后，控制装置控制原料输送装置将甲醇水储存容器中的甲醇水原料以第二输送速度输送至重整器一端的启动装置，该第二输送速度为第一输送速度的1.5～3倍；

f.甲醇水原料燃烧强度加大，温度继续上升，加热气化管道中的甲醇水原料被气化；

g.气化的甲醇水原料在重整器内迅速燃烧，为重整器加热；控制装置控制原料输送装置将甲醇水储存容器中的甲醇水原料输送至重整器，重整器内的温度达到产生甲醇水重整制氢反应的温度，重整器启动；

h.重整器启动后，控制装置控制启动装置的甲醇水原料输入阀关闭；

i.重整器内制得的氢气，一部分用于重整器运行，余下部分经膜分离装置分离后输出。

如图1所示，所述重整器1外设有换热器6，所述甲醇水储存容器3中的甲醇水原料输送至换热器6换热，换热后进入重整器1。

以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。