一种流向变换微波催化消氢器及消氢方法

摘要

本发明涉及一种流向变换微波催化消氢器，包括高温石英管式反应器、微波发生器、气体流向切换阀及管路，高温石英管式反应器置于微波发生器腔体内，为三层固定床反应器,两端放有蓄热体，外部缠绕保温棉进行热隔绝，中间为霍加拉特催化剂，微波发生器范围为2400～2500MHz，气体流向切换阀控制氢气流向周期性切换；还公开了消氢方法；本发明的催化活性可达到贵金属催化剂处理效果，并且价格便宜；采用微波辐照进行加热，速度快能耗低，催化剂在微波场中热响应强烈迅速达到催化启活温度，还能诱导催化反应，提高消氢反应效率，流向变换周期操作可将消氢反应所释放的热量留在中间催化剂床层，能够维持自热进行反应，有效提高消氢效率以及降低消氢过程的能耗。

说明书

技术领域

本发明属于流向变换、微波催化和消氢技术领域，特别是涉及一种流向变换微波催化消氢器，以及其消氢方法。

背景技术

近年来，燃料电池动力在汽车、轮船、潜艇、发电基站等场景中得到广泛开发与应用。然而就目前的技术而言，氢燃料的利用率不可能达到100%，因此尾气中不可避免含有未反应完的氢气。这些氢气直接排放会带来严重的安全隐患。这是因为氢气为易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限为4～75%，遇明火或电火花会发生爆炸。在常规潜艇铅酸蓄电池舱室、在电解水制氧车间聚集少量氢气，以及在核电站中核装置中的水受辐照分解产生氢气或者金属在高温下与水发生反应释放氢气，这些氢气在有限空间不断积累，极易引发爆炸危险。因此，将这些空间内产生的氢气在低浓度下予以消除，对于防止发生爆炸事故具有现实意义。

目前各种消氢技术的基本原理都是利用氢气与氧气结合生产水，主要包括高温燃烧消氢技术和常温催化消氢技术。高温消氢技术通过风机将氢气引入消氢器中，通过电加热器将反应气体加热至氢气燃点温度以上发生反应予以消除，但这种技术能耗大，附属配套设备较多，反应过程中明火燃烧，伴随着爆鸣声。常温催化消氢技术采用高活性的消氢催化剂，能在常温下启动，反应气体由风机直接送入催化床进行反应，一般不需要能量消耗或只需要少量电能，但是这种技术对催化剂对抗毒化、抗湿等性能要求较高，高催化活性需采用贵金属催化剂，价格昂贵，一旦氢气处理量过大，设备投入费用将十分巨大。

发明内容

本发明的目的之一在于根据现有消氢技术中存在着能耗大、效率低、附属设备多、催化剂性能要求高、价格昂贵等问题，设计了一种流向变换微波催化消氢器，该消氢器采用微波发生器提供冷启动热源，微波辐照具有加热均匀、能耗低、加热速度快，可以快速冷启动消氢，还能诱导催化反应，提高消氢反应效率，能有效消除氢气，降低氢气排放带来的安全隐患。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种流向变换微波催化消氢器，包括微波发生器和置于微波发生器腔体内的高温石英管式反应器，所述的微波发生器频率调节范围为2400～2500MHz，微波发生器上设置有热电偶温控器，热电偶温控器中的热电偶带金属屏蔽套管，所述的高温石英管式反应器为三层固定床反应器，床层两端分别放有吸热能力较强的上蓄热体和下蓄热体，上蓄热体和下蓄热体外部缠绕隔热保温棉，上蓄热体和下蓄热体之间为消氢催化剂，上蓄热体和下蓄热体之间向左右两侧分别引出两条气体管道，两条气体管道上分别设置有总进气口、总出气口和用来控制氢气流向周期性切换的气体流向切换阀。

所述的一种流向变换微波催化消氢器，其上蓄热体和下蓄热体材料为堇青石，蓄热段长度为整个床层长度的1/3。

所述的一种流向变换微波催化消氢器，其消氢催化剂为金属氧化物复合催化剂，催化恒温区长度为整个床层长度的1/3。

所述的一种流向变换微波催化消氢器，其消氢催化剂为霍加拉特催化剂。

所述的一种流向变换微波催化消氢器，其气体流向切换阀包括进气阀和出气阀。

本发明的目的之二是提供一种微波催化消氢器进行消氢的方法，包括如下步骤：

氢气由总进气口进入后，开启进气阀和出气阀，氢气自上而下依次流经反应器蓄热段和催化段，反应完产生的水蒸气从总出气口排出；

再开启进气阀和出气阀，氢气自下而上依次流经反应器蓄热段和催化段；

通过气体流向切换阀来控制氢气流向周期性切换，周期变换时间为5～120min，经不断周期变化操作，消氢反应释放的热量留在中间消氢催化剂床层，维持自热进行反应，显著提高了消氢效率以及降低了消氢过程的能耗。

本发明的有益效果是：

本发明采用微波发生器提供冷启动热源，微波辐照具有加热均匀、能耗低、加热速度快，可以快速冷启动消氢，还能诱导催化反应，提高消氢反应效率；消氢催化剂在微波场中热响应强烈，催化剂床层迅速达到设定温度，也可以快速冷启动消氢；同时采用流向变换周期操作可将消氢反应所释放的热量留在中间催化剂床层，能够维持自热进行反应，可有效提高消氢效率以及降低消氢过程的能耗。因此，该消氢器能有效消除氢气，降低氢气排放带来的安全隐患。

附图说明

图1是本发明消氢器示意图。

各附图标记为：1—高温石英管式反应器，10—上蓄热体，11—催化剂，12—下蓄热体，13—保温棉，2—微波发生器，21—热电偶温控器，3—气体流向切换阀，31/32—进气阀，33/34—出气阀，4—气体管道，41—总进气口，42—总出气口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

图1为本发明的流向变换微波催化消氢器，该消氢器包括高温石英管式反应器1、微波发生器2、气体流向切换阀3及气体管道4。

所述高温石英管式反应器1置于微波发生器2腔体内，为三层固定床反应器，床层两端分别放有吸热能力较强的上蓄热体10和下蓄热体12，外部缠绕隔热保温棉13，中间为消氢催化剂11。

所述微波发生器2频率调节范围为2400～2500MHz，自带热电偶温控器21；所述热电偶温控器21中的热电偶带金属屏蔽套管。

所述气体流向切换阀3用来控制氢气流向周期性切换，包括左侧的进气阀31和进气阀32以及右侧的出气阀33和出气阀34。

所述的气体管道4设有总进气口41和总出气口42；所述总进气口41和总出气口42两条支路分别连接着高温石英管式反应器1的两端。

所述上蓄热体10和下蓄热体12材料为堇青石，蓄热段长度为整个床层长度的1/3。

所述消氢催化剂11为金属氧化物复合催化剂——霍加拉特催化剂，催化恒温区长度为整个床层长度的1/3。

实施例2

所述消氢器进行消氢的方法，步骤为：通过气体流向切换阀3来控制氢气流向周期性切换，周期变换时间为5～120min。

氢气由总进气口41进入，当进气阀31和出气阀34开启，氢气自上而下流经反应器蓄热段和催化段，反应完产生水蒸气从总出气口42排出；当进气阀32和出气阀33开启，氢气自下而上流经反应器蓄热段和催化段；经不断周期变化操作，消氢反应释放的热量留在中间催化剂床层，维持自热进行反应，显著提高了消氢效率以及降低了消氢过程的能耗。

实施例3

本实施例中氢气的初始浓度为2400ppm，气体流量为1.5L/min，周期切换时间为30min。

打开微波发生器2，将温度设定在280℃，由于霍加拉特消氢催化剂11中二氧化锰在微波场中热响应强烈，催化剂床层迅速达到设定温度；设定气体切换阀周期变换时间，此时氢气由总进气口41进入，第一个周期内，进气阀31和出气阀34开启，进气阀32和出气阀33关闭；氢气经进气阀31从高温石英管式反应器1上部进入催化剂床层中进行消氢反应并释放大量热量，随着低温气流不断进入反应器，热量所形成的温度前沿会沿着气流方向逐渐向反应器出口方向推进；在这个过程中，气流携带的热量被储存在吸热能力强的上蓄热体10和下蓄热体12。

30min后进入下一个周期，此时进气阀31和出气阀34关闭，进气阀32和出气阀33开启，氢气由总进气口41进入，经进气阀32从高温石英管式反应器1下部进入催化剂床层中，此时刚通入消氢器的氢气温度相对较低，在流经蓄热段时候，氢气被在上一周期中蓄积蓄热段的热量进行预热，温度逐渐升高至催化剂活性温度，迅速发生消氢反应并放出热量，热量又不断被堇青石吸收蓄积供给下一周期氢气预热。

如此不断地周期切换氢气气体流向，将消氢反应所释放的热量形成的主要温度段留在反应器中间的催化床层，消氢反应可以进行自热反应，降低能耗。在总出气口42后端接入气相色谱仪对消氢反应后的尾气进行分析，氢气消除效率可达99.2%。

本发明采用微波发生器提供冷启动热源，微波辐照具有加热均匀、能耗低、加热速度快，可以快速冷启动消氢，还能诱导催化反应，提高消氢反应效率；霍加拉特催化剂中二氧化锰在微波场中热响应强烈，催化剂床层迅速达到设定温度，也可以快速冷启动消氢；同时，霍加拉特催化剂价格便宜，催化活性与贵金属催化剂处理效果相近；采用流向变换周期操作可将消氢反应所释放的热量留在中间催化剂床层，能够维持自热进行反应，可有效提高消氢效率以及降低消氢过程的能耗。因此，该消氢器能有效消除氢气，降低氢气排放带来的安全隐患。

本发明采用霍加拉特催化剂，催化活性能达到贵金属催化处理效果，并且价格便宜；采用微波辐照进行加热，加热速度快、能耗低，可以快速冷启动消氢，还能诱导催化反应，提高消氢反应效率；采用流向变换周期操作可将消氢反应所释放的热量留在中间催化剂床层，能够维持自热进行反应，可有效提高消氢效率以及降低消氢过程的能耗。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显得易见，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。