一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢系统技术方案

本发明专利技术属于热管应用技术领域，提供了一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢系统，包括原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分；原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分依次连通；本发明专利技术实现了直接利用太阳能进行分布式制氢，利用圆筒形高温热管构建反应器，实现了热量接收装置与化学反应器的直接耦合，显著地降低了太阳能热化学制氢装置的复杂性；利用圆筒形高温热管解决了二维圆环形聚光光斑对三维管状反应区域的加热问题，有效的改善了间接型制氢反应器反应温度低的问题；构建了间接型反应器，有效避免了直接型反应器石英窗清洁及气密性维持问题。

A distributed heat reforming hydrogen production system based on cylindrical high temperature heat pipe with concentrated solar energy

The invention belongs to the field of application of heat pipe technology, provides a cylindrical heat concentrating solar distributed high temperature heat pipe reforming system based on, including raw material preheating part, a reactor body part, gas purification and hydrogen storage part; raw material preheating part, a reactor body part, gas purification and hydrogen storage are connected; the present invention realizes the direct use of solar energy for distributed hydrogen production, using the cylindrical heat pipe reactor construction, realizes the direct coupled heat receiving device and chemical reactor, significantly reducing the complexity of low solar thermochemical hydrogen production device; by using a cylindrical high temperature heat pipe to solve the heating problem of two-dimensional circular focusing spot on the reaction regional 3D tubular, effectively improve the problem of indirect type hydrogen production reactor with low reaction temperature; construct The indirect type reactor effectively avoids the problem of cleaning and maintaining the air tightness of the quartz window in the direct reactor.

【技术实现步骤摘要】
一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢系统
本专利技术属于热管应用
，涉及一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢系统。
技术介绍
在世界各主要城市中，交通部门的温室气体(GHG)排量均占据很高比例。由于交通运输部门的GHG排放与交通工具的燃料类型紧密相关，因而导致了目前的高碳排放。当前，传统化石燃料汽车的发展已经暴露出了一些问题，其中比较突出是温室气体大量排放和空气污染加重的问题。氢能由于其能量密度大(2.37kW·h/dm3)，燃烧产物清洁，因此，作为一种清洁的替代能源受到广泛的关注。近年来，氢燃料电池汽车的迅猛发展和商业化席卷了整个世界，其高效节能以及零排放或接近零排放的良好环境性能，使之成为当今世界能源和交通领域开发的热点。然而，现有制氢工艺高耗能和碳排放捕集困难的主要缺点使氢燃料电池汽车从全周期上来看难以达到节能减排的基本目标。因此，目前亟待开发一种基于可再生能源的制氢技术来解决氢能供应问题。本专利技术旨在开发一种基于太阳能供能的反应系统以降低制氢能耗，同时利用热化学方式制氢，以达到降低过程碳排放的同时提升能源品位的双重目标，最终实现可分布式制氢加氢的氢气供应产业链。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能热化学制氢技术装置，其目的是解决目前现有的制氢技术存在高耗能，生产过程中产生的二氧化碳捕集困难等缺点，降低制氢能耗，降低过程碳排放的同时提升能源品位。本专利技术的技术方案：一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢系统，包括原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分；原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分依次连通；所述的原料预热部分由两个多管程套管式换热器及蒸汽发生器组成，第一换热器的管程通原料气，原料气分为甲烷和水的混合气、甲烷和二氧化碳的混合气两种；当原料气为甲烷和水的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气，壳程中被冷凝的水蒸气收集，直接通入蒸气发生器作为反应原料使用；当原料气为甲烷和二氧化碳的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气；第一换热器的壳程入口与第二换热器的管程出口直接相连，由第二换热器中流出的高温水对第一换热器的管程中的原料气进行预热，第一换热器的管程出口与反应器本体入口直接相连；所述的反应器本体部分提供热化学反应(如甲烷重整)发生环境，包括太阳能聚光装置(如蝶式、塔式)、太阳能双轴跟踪系统和圆筒形高温热管反应器三部分；所述的圆筒形高温热管反应器固定于太阳能聚光装置的焦点位置处，太阳光直射时给圆筒形高温热管蒸发段供能，再将太阳能聚光获得的热量均匀传递给整个反应器，并保证圆筒形高温热管反应器底部与顶部温度差低于10℃；太阳能双轴跟踪系统利用光敏传感器实时输入信号并获得光线入射角度，通过电信号控制步进电机控制太阳能聚光装置移动；同时，机械传动机构设计限位装置，保证系统追踪精度高；所述的圆筒形高温热管反应器为双层套筒结构，外壁为筒形高温热管，内部为反应发生腔；圆筒形高温热管反应器采用反重力设计，在多角度工况下仍提供反应所需热量；圆筒形高温热管反应器顶部端盖设有原料管入口和中心产物气收集管出口；在内壁与中心产物气收集管环隙装有筛状的催化剂隔板；反应器顶部端盖、原料管、产物气收集管、催化剂隔板四者焊接为一体，通过螺柱与筒形高温热管连接；反应器本体工作时，原料气从顶部端盖原料管入口进入，被筒形高温热管加热，催化剂置于筛状催化剂隔板上，原料气流经催化剂床层发生反应，产物气到达反应器本体底部，由产物气收集管通过顶部端盖排出反应器本体；若原料气为CH4与水蒸气的混合气时，所述的产物气为H2、CO、CO2、水蒸气和微量的未反应完CH4混合气；若原料气为CH4与CO2的混合气时，所述的产物气为H2、CO和微量的未反应完的CH4与CO2混合气；若原料气为CH4与水蒸气的混合气时，气体纯化部分包括水汽变换装置、第二换热器、气液分离器和变压吸附装置，水汽变换装置直接与反应器本体的产物气收集管出口相连接，由反应器本体排出的产物气进入水汽变换装置，将产物气中的CO转化成CO2及H2；水汽变换装置与第二换热器直接相连通，冷却水在管程流动，产物气在壳程流动，产物气中含有的水蒸气被冷却后通过气液分离器排出，排出的冷凝水收集后作为原料重新利用，气液分离器的出口与第一压缩机相连通，被压缩后的产物气直接通入变压吸附装置，通过变压吸附装置，将CO2和未反应的CH4分离，获得高纯度H2，再次经过第二压缩机压缩后进入氢气储存部分；若原料气为CH4与CO2的混合气时，气体纯化部分包括第二换热器和变压吸附装置，冷却水在管程流动，产物气在壳程流动，第二换热器出口与第一压缩机相连通，被压缩后的产物气直接通入变压吸附装置，通过变压吸附装置，将微量的CO2和CH4分离，获得高纯度H2和CO，再次经过第二、第三压缩机压缩后进入氢气与一氧化碳储存部分；氢气储存部分由压缩机及储气罐构成，由通过气体纯化部分得到的含氢量99.9％的纯净氢气被压缩机压缩到70Mpa后充入储气罐，压缩机与储气罐间用单向阀相连，储气罐配有超压泄放装置、氢气泄露报警装置、压力仪表附属安全设施。系统中各传感器和仪表分别通过数据线与A/D转换模块相连，A/D转换模块通过数据线与工控机相连；管路中各阀门为手/自动阀门，均可与相应设备联锁，由工控机实现自动控制。筒形高温热管选取液体钠作为本装置的热管工质，管壳材料选用相容性较好的镍铬合金，为了保持在多角度工况下仍能提供反应所需热量，高温热管采用反重力设计，内部循环动力为毛细力，吸液芯材料可选取三层金属丝网，丝网孔数可为400目，为了保证装置的快速启动特性，筒形热管宜采用小长径比设计。变压吸附装置采用4灌PSA，循环形式采用4‐1‐1+1(吸附罐总数为4，同时处于吸附罐数为1，吹洗前均压次数为1，吹洗后均压次数为1)，变压吸附装置中采用的吸附剂为氧化铝、活性炭及分子筛。本专利技术的有益效果是：实现了直接利用太阳能进行分布式制氢，利用圆筒形高温热管构建反应器，实现了热量接收装置与化学反应器的直接耦合，显著地降低了太阳能热化学制氢装置的复杂性；利用圆筒形高温热管解决了二维圆环形聚光光斑对三维管状反应区域的加热问题，有效的改善了间接型制氢反应器反应温度低的问题；构建了间接型反应器，有效避免了直接型反应器石英窗清洁及气密性维持问题。附图说明图1是以甲烷与水蒸气为原料的圆筒形高温热管的聚光太阳能热化学制氢系统的工作流程示意图。图2是以甲烷与二氧化碳为原料的圆筒形高温热管的聚光太阳能热化学制氢系统的工作流程示意图。图3是圆筒形高温热管反应器的结构示意图。图中：1‐1第一换热器；1‐2第二换热器；2蒸汽发生器；3太阳能集热器；4圆筒形高温热管反应器；5水汽变换装置；6气液分离器；7‐1第一压缩机；7‐2第二压缩机；7‐3第三压缩机；8变压吸附装置；9氢气储气罐；10一氧化碳储气罐；11原料管；12产物气收集管；13端盖；14筒形高温热管；15催化剂床；16催化剂隔板；其中实线为气路，虚线为水路。具体实施方式以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施方式。实施例1：以水和甲烷为原料利用基于圆筒形高温热管的聚光太阳能热化学制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢系统，其特征在于，所述的聚光太阳能分布式热重整制氢系统包括原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分；原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分依次连通；所述的原料预热部分由两个多管程套管式换热器及蒸汽发生器组成，第一换热器的管程通原料气，原料气分为甲烷和水的混合气、甲烷和二氧化碳的混合气两种；当原料气为甲烷和水的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气，壳程中被冷凝的水蒸气收集，直接通入蒸气发生器作为反应原料使用；当原料气为甲烷和二氧化碳的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气；第一换热器的壳程入口与第二换热器的管程出口直接相连，由第二换热器中流出的高温水对第一换热器的管程中的原料气进行预热，第一换热器的管程出口与反应器本体入口直接相连；所述的反应器本体部分提供热化学反应发生环境，包括太阳能聚光装置、太阳能双轴跟踪系统和圆筒形高温热管反应器三部分；所述的圆筒形高温热管反应器固定于太阳能聚光装置的焦点位置处，太阳光直射时给圆筒形高温热管蒸发段供能，再将太阳能聚光获得的热量均匀传递给整个反应器，并保证圆筒形高温热管反应器底部与顶部温度差低于10℃；太阳能双轴跟踪系统利用光敏传感器实时输入信号并获得光线入射角度，通过电信号控制步进电机控制太阳能聚光装置移动；同时，机械传动机构设计限位装置，保证系统追踪精度高；所述的圆筒形高温热管反应器为双层套筒结构，外壁为筒形高温热管，内部为反应发生腔；圆筒形高温热管反应器采用反重力设计，在多角度工况下仍提供反应所需热量；圆筒形高温热管反应器顶部端盖设有原料管入口和中心产物气收集管出口；在内壁与中心产物气收集管环隙装有筛状的催化剂隔板；反应器顶部端盖、原料管、产物气收集管、催化剂隔板四者焊接为一体，通过螺柱与筒形高温热管连接；反应器本体工作时，原料气从顶部端盖原料管入口进入，被筒形高温热管加热，催化剂置于筛状催化剂隔板上，原料气流经催化剂床层发生反应，产物气到达反应器本体底部，由产物气收集管通过顶部端盖排出反应器本体；若原料气为CH4与水蒸气的混合气时，所述的产物气为H2、CO、CO2、水蒸气和微量的未反应完CH4混合气；若原料气为CH4与CO2的混合气时，所述的产物气为H2、CO和微量的未反应完的CH4与CO2混合气；若原料气为CH4与水蒸气的混合气时，气体纯化部分包括水汽变换装置、第二换热器、气液分离器和变压吸附装置，水汽变换装置直接与反应器本体的产物气收集管出口相连接，由反应器本体排出的产物气进入水汽变换装置，将产物气中的CO转化成CO2及H2；水汽变换装置与第二换热器直接相连通，冷却水在管程流动，产物气在壳程流动，产物气中含有的水蒸气被冷却后通过气液分离器排出，排出的冷凝水收集后作为原料重新利用，气液分离器的出口与第一压缩机相连通，被压缩后的产物气直接通入变压吸附装置，通过变压吸附装置，将CO2和未反应的CH4分离，获得高纯度H2，再次经过第二压缩机压缩后进入氢气储存部分；若原料气为CH4与CO2的混合气时，气体纯化部分包括第二换热器和变压吸附装置，冷却水在管程流动，产物气在壳程流动，第二换热器出口与第一压缩机相连通，被压缩后的产物气直接通入变压吸附装置，通过变压吸附装置，将微量的CO2和CH4分离，获得高纯度H2和CO，再次经过第二、第三压缩机压缩后进入氢气与一氧化碳储存部分；氢气储存部分由压缩机及储气罐构成，由通过气体纯化部分得到的含氢量99.9％的纯净氢气被压缩机压缩到70Mpa后充入储气罐，压缩机与储气罐间用单向阀相连，储气罐配有超压泄放装置、氢气泄露报警装置、压力仪表附属安全设施。...

【技术特征摘要】
1.一种基于圆筒形高温热管的聚光太阳能分布式热重整制氢系统，其特征在于，所述的聚光太阳能分布式热重整制氢系统包括原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分；原料预热部分、反应器本体部分、气体纯化部分和氢气储存部分依次连通；所述的原料预热部分由两个多管程套管式换热器及蒸汽发生器组成，第一换热器的管程通原料气，原料气分为甲烷和水的混合气、甲烷和二氧化碳的混合气两种；当原料气为甲烷和水的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气，壳程中被冷凝的水蒸气收集，直接通入蒸气发生器作为反应原料使用；当原料气为甲烷和二氧化碳的混合气时，第二换热器的管程通冷却水，壳程通产物气；第一换热器的壳程入口与第二换热器的管程出口直接相连，由第二换热器中流出的高温水对第一换热器的管程中的原料气进行预热，第一换热器的管程出口与反应器本体入口直接相连；所述的反应器本体部分提供热化学反应发生环境，包括太阳能聚光装置、太阳能双轴跟踪系统和圆筒形高温热管反应器三部分；所述的圆筒形高温热管反应器固定于太阳能聚光装置的焦点位置处，太阳光直射时给圆筒形高温热管蒸发段供能，再将太阳能聚光获得的热量均匀传递给整个反应器，并保证圆筒形高温热管反应器底部与顶部温度差低于10℃；太阳能双轴跟踪系统利用光敏传感器实时输入信号并获得光线入射角度，通过电信号控制步进电机控制太阳能聚光装置移动；同时，机械传动机构设计限位装置，保证系统追踪精度高；所述的圆筒形高温热管反应器为双层套筒结构，外壁为筒形高温热管，内部为反应发生腔；圆筒形高温热管反应器采用反重力设计，在多角度工况下仍提供反应所需热量；圆筒形高温热管反应器顶部端盖设有原料管入口和中心产物气收集管出口；在内壁与中心产物气收集管环隙装有筛状的催化剂隔板；反应器顶部端盖、原料管、产物气收集管、催化剂隔板四者焊接为一体，通过螺柱与筒形高温热管连接；反应器本体工作时，原料气从顶部端盖原料管入口进入，被筒形高温热管加热，催化剂置于筛状催化剂隔板上，原料气流经催化剂床层发生反应，产物气到达反应器本体底部，由产物气收集管通过顶部端盖排出反应器本体；若原料气为CH4与水蒸气的混合气时，所述的产物气为H2、CO、CO2、水蒸气和微量的未反应完CH4混合气；若原料气为CH4与CO2的混合气时，所述的产物气为H2、CO和微量的未反应完的CH4与CO2混合气；若原料气为C...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐大伟，蒋博，袁达忠，孙阳，郑金昊，李梦帆，张传奇，王东兴，冯宇，王硕，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21