一种自热式有机液体脱氢供氢系统及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种自热式有机液体脱氢供氢系统，包括氢氧催化燃烧器、脱氢反应器、空气预热器、原料预热器、气液分离器、冷凝器、两个缓冲罐、隔膜泵、离心风机和阀门等；还公开了该应用于有机液体脱氢，为燃料电池供氢：采用氧气、有机液体和脱氢供氢系统内的氢气产物作为原料，对系统进行冷启动，使氢气与氧气按下式发生催化燃烧反反应。本脱氢供氢系统具有自热功能，不需外界供热的条件下就能实现有机液体的脱氢，充分利用了脱氢反应的余热，具有较高的热效率。

A Self-Heating Hydrogen Supply System for Dehydrogenation of Organic Liquids and Its Application

The invention discloses a self-heating organic liquid dehydrogenation and hydrogen supply system, including hydrogen and oxygen catalytic burner, dehydrogenation reactor, air preheater, raw material preheater, gas-liquid separator, condenser, two buffer tanks, diaphragm pump, centrifugal fan and valve, etc. It also discloses the application of the system in organic liquid dehydrogenation for fuel cell hydrogenation: using oxygen, organic liquid and dehydrogenation to supply hydrogen for fuel cell. The hydrogen products in the system are used as raw materials to start the system cold, so that hydrogen and oxygen react catalytically. The dehydrogenation hydrogen supply system has the self-heating function. It can dehydrogenate organic liquids without external heating. It makes full use of the waste heat of dehydrogenation reaction and has high thermal efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种自热式有机液体脱氢供氢系统及其应用
本专利技术涉及储氢
，尤其涉及一种有机液体脱氢与燃料电池供氢装置及其应用。
技术介绍
氢是可再生能源，并且是其它可再生能源如太阳能、风能等的可储存能源载体。因其具有绿色无污染、质量能量密度高、可再生、资源丰富等优点，被认为是21世纪的绿色能源，具有极大的应用潜力。世界各国对氢气的生产、储存、运输与应用的研究开展的正如火如荼，以期在未来的
和新能源竞争中占据优势。然而氢的应用推广还存在许多急需解决的问题，尤其是氢气的储运。氢能工业对储氢的要求总的来说是储氢系统安全、容量大、成本低、使用方便。目前储氢技术中高压气态储存能耗高，更重要的是民众接受心理存在障碍。液化储存损耗率每天为1%～2%，不适用于间歇使用的场合。金属氢化物储氢密度低，且合金易粉化。有机液体储氢是目前储氢技术的研究热点，具有以下特点：1，催化加氢、脱氢反应可逆，储氢材料可实现循环使用；2，储氢密度高，氢化有机液体常温常压储存，运输方便，安全性高；3，储氢效率高，加氢效率99%以上，脱氢效率在96%以上，周期效率大于94%；4，脱氢时不产生CO和CO2等杂质。有机液体储氢的应用也存在尚未完全解决的难题，关键问题之一是脱氢温度较高，一般在160℃以上，为质子交换膜燃料电池供氢时，需增加供热装置。目前大多采用电加热的方式脱氢，存在能量效率低的严重缺陷。如若以燃气锅炉供热，以天然气为燃料时存在碳排放问题，偏离了绿色无污染的初衷。以氢气为燃料时，存在燃烧温度高、热效率低的缺陷。专利201510198856.9公开了一种自热式供氢装置，以氢氧催化燃烧供热，脱氢反应器为同心套管结构，内管为催化脱氢反应器，外部套管为氢催化燃烧反应器。氢催化燃烧催化剂涂在内管外壁。因氢氧反应速率极大，该装置存在氢催化燃烧时供热不稳定的缺点，传热不稳定势必造成脱氢反应不稳定。专利200910174383.3公开了用于氢存储材料的加热系统，将催化燃烧和脱氢集成为一体，同样存在传热不稳定的问题。以上两个专利未考虑空气的循环使用，空气需求量大导致内耗高。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种氢化有机液体脱氢供氢系统，解决有机液体的供热难题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自热式有机液体脱氢供氢系统，包括氢氧催化燃烧器、连接催化燃烧器氢气入口的氢气缓冲罐、连接催化燃烧器氧气入口的氧气瓶和空气预热器、以及连接催化燃烧器尾气出口的脱氢反应器，脱氢反应器的热源为催化燃烧器的尾气，与有机液体逆流换热，脱氢反应器的尾气出口与空气预热器连接；所述的催化燃烧器由外壳和设于外壳内的预混合室、布料器和催化燃烧室组成，所述的催化燃烧室为催化板卷成的蜂窝结构，催化板以铝箔为基底，γ-Al2O3为中间载体，铂为活性成分；氢气缓冲罐提供的氢气与空气预热器输送的空气通过各自流道进入预混合室，经过布料器后流入催化燃烧室燃烧，尾气进入脱氢反应器壳程供热；所述的空气预热器上连接有冷凝器，用于冷凝除去尾气内的水蒸汽，冷凝器通过疏水阀连接有空气缓冲罐，空气缓冲罐通过离心风机连接空气预热器，离心风机用于输送空气，；尾气离开脱氢反应器后再流经冷凝器，温度降至40～50℃，冷凝水经疏水阀外排，尾气经空气预热器预热、通过氧气瓶补充氧气后再次进入催化燃烧器循环使用；所述的脱氢反应器为列管式反应器，管程内填充粒径为1～3mm的Raney-Ni催化剂，装填成固定床，脱氢时有机液体流经催化剂；脱氢反应器上连接有原料预热器，原料预热器通过原料泵连接有盛装有机液体的原料罐，原料泵为隔膜泵，用于输送有机液体，原料预热器通过气液分离器与氢气缓冲罐连接，气液分离器用于实现有机液体与氢气的分离，气液分离器连接有载体罐；原料泵提供的有机液体原料经原料预热器预热后进入脱氢反应器管程进行脱氢反应，产生的氢气与有机液体的混合物用于原料预热，混合物温度降至40～55℃后进入气液分离器，经过分离脱氢后的有机液体进入载体罐循环使用，而氢气进入氢气缓冲罐，一部分供应用氢单元（燃烧电池）使用，一部分系统内部使用。所述的一种自热式有机液体脱氢供氢系统，所述的催化燃烧器外壳为316L不锈钢，所述蜂窝的孔径控制在0.2～1mm，孔隙率在70%～90%，优选的所述的活性成分采用铂单质，质量分数为γ-Al2O3的0.5～1.5%。催化燃烧器外部做真空保温，避免热量散失，γ-Al2O3优选的为疏水性，粒径为5～10μm；为了避免空气进入氢气管道，氢气管道设置在上流，两个管道呈直角布置，且氢气管道压力大于空气管道。所述的一种自热式有机液体脱氢供氢系统，其脱氢反应器为316L材质，其列管内径为催化剂粒径的8倍以上，管程作为热介质的流道，为提高热效率，脱氢反应器外部做真空保温，避免热量散失，通过匹配燃烧器内燃料流量与有机液体流量，控制有机液体温度为180～220℃，发生脱氢反应。所述的一种自热式有机液体脱氢供氢系统，其空气预热器和原料预热器为板翅式换热器，铝制、钎焊焊接，分别为空气和有机液体原料预热。采用热导率高的铝材质制成，板翅式换热器具有热效率高、结构紧凑的优点。所述的一种自热式有机液体脱氢供氢系统，其气液分离器为立式丝网分离器；其冷凝器为铝制、钎焊的板翅式换热器。所述的一种自热式有机液体脱氢供氢系统，其空气缓冲罐和氢气缓冲罐为316L材质，分别用于储存氮气和氢气。所述的一种自热式有机液体脱氢供氢系统，其有机液体为不饱和芳香烃或杂环类化合物，包括N-乙基咔唑、甲苯等。本专利技术还提供一种上述自热式有机液体脱氢供氢系统在有机液体脱氢中的应用，为燃料电池供氢：采用氧气、有机液体和脱氢供氢系统内的氢气产物作为原料，对系统进行冷启动，使氢气与氧气按下式发生催化燃烧反应；所述的氢气占氢空混合气体积10%以下，空速10000～20000h-1，控制燃烧尾气的温度为280～500℃。其中：启动前，氢气缓冲罐与空气缓冲罐分别储存一定量的气体，将氢气缓冲罐和空气缓冲罐中的氢气与氮气按照2：3～3：2的比例，常温通入催化燃烧器，待温度升至100℃以上后，停止通入氢气，继续通入空气，使得氢气占比为10%以下，然后通过氧气瓶通入1/2倍氢气体积的氧气，待催化燃烧器尾气温度升至280～500℃后，系统开始稳定运行。正常运转时，氢气、氮气和氧气混合，混合气以10000～20000h-1的空速进入催化燃烧器，燃烧尾气进入脱氢反应器供热；有机液体以空速1～10h-1进入脱氢反应器，控制混合气流量和有机液体原料的流量比为2.7～3：1，有机液体原料温度为180～200℃，发生脱氢反应；脱氢后的有机液体与氢气混合液通过原料预热器进行换热，降温至40～55℃后进入气液分离器，脱氢后的有机液体进入载体罐；脱氢反应器流出的尾气进入空气预热器加热空气，再经过冷凝器冷凝后降至40～50℃，冷凝水经疏水阀外排，尾气经补充氧气和预热后进入催化燃烧器循环使用。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过催化燃烧尾气加热脱氢装置，存在供热稳定、脱氢稳定的优点；且空气可以实现循环使用，在运行时只需往系统内输入氢化有机液体和氧气，即可实现脱氢和供氢。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术催化燃烧器的燃烧腔的结构示意图。各附图标记为：C101—催化燃烧器，R101—脱氢反应器，n10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自热式有机液体脱氢供氢系统，其特征在于：包括氢氧催化燃烧器（C101）、连接催化燃烧器（C101）氢气入口的氢气缓冲罐（T106）、连接催化燃烧器（C101）氧气入口的氧气瓶（T101）和空气预热器（n101）、以及连接催化燃烧器（C101）尾气出口的脱氢反应器（R101），脱氢反应器（R101）的尾气出口与空气预热器（n101）连接；所述的催化燃烧器（C101）由外壳和设于外壳内的预混合室、布料器和催化燃烧室组成，所述的催化燃烧室为催化板卷成的蜂窝结构，催化板以铝箔为基底，γ‑Al2O3为中间载体，铂为活性成分；氢气缓冲罐（T106）提供的氢气与空气预热器（n101）输送的空气通过各自流道进入预混合室，经过布料器后流入催化燃烧室燃烧，尾气进入脱氢反应器（R101）供热；所述的空气预热器（n101）上连接有冷凝器（H102），冷凝器（H102）上连接有空气缓冲罐（T102），空气缓冲罐（T102）通过离心风机（P101）连接空气预热器（n101），尾气离开脱氢反应器（R101）后再流经冷凝器（H102），冷凝水外排，尾气经空气预热器（n101）预热、通过氧气瓶（T101）补充氧气后再次进入催化燃烧器（C101）循环使用；所述的脱氢反应器（R101）为列管式反应器，管程内填充粒径为1～3mm的Raney‑Ni催化剂，脱氢时有机液体流经催化剂；脱氢反应器（R101）上连接有原料预热器（H103），原料预热器（H103）通过原料泵（P102）连接有盛装有机液体的原料罐（T103），原料预热器（H103）通过气液分离器（T105）与氢气缓冲罐（T106）连接，气液分离器（T105）连接有载体罐（T104），原料泵（P102）提供的有机液体原料经原料预热器（H103）预热后进入脱氢反应器（R101）管程进行脱氢反应，产生的氢气与有机液体的混合物用于原料预热，混合物降温后进入气液分离器（T105），经过分离脱氢后的有机液体进入载体罐（T104）循环使用，而氢气进入氢气缓冲罐（T106），一部分供应用氢单元使用，一部分系统内部使用。...

【技术特征摘要】
1.一种自热式有机液体脱氢供氢系统，其特征在于：包括氢氧催化燃烧器（C101）、连接催化燃烧器（C101）氢气入口的氢气缓冲罐（T106）、连接催化燃烧器（C101）氧气入口的氧气瓶（T101）和空气预热器（n101）、以及连接催化燃烧器（C101）尾气出口的脱氢反应器（R101），脱氢反应器（R101）的尾气出口与空气预热器（n101）连接；所述的催化燃烧器（C101）由外壳和设于外壳内的预混合室、布料器和催化燃烧室组成，所述的催化燃烧室为催化板卷成的蜂窝结构，催化板以铝箔为基底，γ-Al2O3为中间载体，铂为活性成分；氢气缓冲罐（T106）提供的氢气与空气预热器（n101）输送的空气通过各自流道进入预混合室，经过布料器后流入催化燃烧室燃烧，尾气进入脱氢反应器（R101）供热；所述的空气预热器（n101）上连接有冷凝器（H102），冷凝器（H102）上连接有空气缓冲罐（T102），空气缓冲罐（T102）通过离心风机（P101）连接空气预热器（n101），尾气离开脱氢反应器（R101）后再流经冷凝器（H102），冷凝水外排，尾气经空气预热器（n101）预热、通过氧气瓶（T101）补充氧气后再次进入催化燃烧器（C101）循环使用；所述的脱氢反应器（R101）为列管式反应器，管程内填充粒径为1～3mm的Raney-Ni催化剂，脱氢时有机液体流经催化剂；脱氢反应器（R101）上连接有原料预热器（H103），原料预热器（H103）通过原料泵（P102）连接有盛装有机液体的原料罐（T103），原料预热器（H103）通过气液分离器（T105）与氢气缓冲罐（T106）连接，气液分离器（T105）连接有载体罐（T104），原料泵（P102）提供的有机液体原料经原料预热器（H103）预热后进入脱氢反应器（R101）管程进行脱氢反应，产生的氢气与有机液体的混合物用于原料预热，混合物降温后进入气液分离器（T105），经过分离脱氢后的有机液体进入载体罐（T104）循环使用，而氢气进入氢气缓冲罐（T106），一部分供应用氢单元使用，一部分系统内部使用。2.根据权利要求1所述的一种自热式有机液体脱氢供氢系统，其特征在于，所述的外壳为316L不锈钢，所述蜂窝的孔径0.2～1mm，孔隙率在70%～90%，所述的活性成分采用铂单质，质量分数为γ-Al2O3的0.5～1.5%。3.根据权利要求1所述的一种自热式有机液体脱氢供氢系统，其特征在于，所述的脱氢反应器（...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海港，吴飞，程臣，彭恩高，曾辉，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42