一种热化学循环制氢装置及制氢方法

本发明属于制氢，尤其涉及一种热化学循环制氢装置及制氢方法。

背景技术：

1、氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，氢能产业是重点发展方向，开发绿色制氢技术对构建氢能产业链有重要意义。热化学循环直接分解水制氢技术作为一种绿色可再生制氢技术受到了广泛关注。热化学循环制氢是基于金属氧化物氧化还原对(氧载体)的两步式循环来实现水分解制氢。但由于水的热力学性质较为稳定，常规热化学循环分解水反应需要在较高的温度(大于1500℃)下进行。由于常规的热化学循环制氢工艺温度较高(1500℃左右)，采用常规的加热方式能耗高、经济性差，故其反应器主要采用太阳能聚光加热的方法，主要面临反应器成本高、太阳能供热受天气、气候等影响，稳定性差、难以大规模生产等难题。

2、基于目前的热化学循环制氢工艺以及反应器存在的缺陷，有必要对此进行改进。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种热化学循环制氢装置及制氢方法，以解决或至少部分解决现有技术中存在的缺陷。

2、第一方面，本发明提供了一种热化学循环制氢装置，包括：

3、壳体，其内部中空，所述壳体内部一端形成燃烧室、另一端形成加热室，所述燃烧室与所述加热室连通，所述壳体上对应燃烧室处开设有燃料进口管；

4、进气环管，其套设在壳体对应燃烧室的外周；

5、多个反应管，其位于加热室内，所述反应管一端向下延伸并穿过所述壳体与所述进气环管连通；

6、出气环管，其位于所述壳体外，所述反应管另一端向上延伸并穿过所述壳体与所述出气环管连通。

7、优选的，所述壳体上对应加热室处设有烟气排出管，所述出气环管套设在烟气排出管外周。

8、优选的，所述进气环管端部设有进气管，所述反应管与进气管连通，所述进气管内设有第一阀门。

9、优选的，所述出气环管端部设有出气管，所述反应管与出气管连通，所述出气管内设有第二阀门。

10、优选的，反应管内设有多孔分布板以用于承载氧载体。

11、优选的，所述反应管顶部设有温度压力检测器，用于监测反应管内的温度和压力。

12、优选的，所述壳体外还设有保温层，所述反应管位于壳体外的部分设有氧载体加入口。

13、第二方面，本发明还提供了一种热化学循环制氢方法，包括以下步骤：

14、提供所述的热化学循环制氢装置；

15、将氧载体置于反应管内；

16、将燃料通过燃料进口管加入至燃烧室内，并通入空气以使燃料在燃烧室内充分燃烧；

17、将热解气通入至进气环管内，燃料燃烧产生的热量对反应管加热，使得热解气与氧载体发生反应，夺取氧载体内的晶格氧，而氧载体被还原，热解气发生重整反应产生合成气，并从出气环管排出；

18、氧载体还原完成后，停止通入热解气，将蒸汽通入至进气环管内，蒸汽与还原后氧载体进行反应，产生氢气，并从出气环管排出，蒸汽氧化后的氧载体获得了晶格氧实现了再生。

19、优选的，所述氧载体包括钙铁石、co-fe金属氧化物、高熵尖晶石氧化物中的至少一种；

20、所述高熵尖晶石氧化物包括(ni0.2co0.2ca0.2cu0.2mg0.2)fe2o4、(cr0.2mn0.2co0.2ni0.2mg0.2)fe2o4中的至少一种；

21、所述热解气包括以下体积分数组分：co 23～33％、ch410～20％、cnhm7～17％、h218～28％、co217～27％，其中，m、n均为正整数，2≤n≤4，4≤m≤10；

22、所述燃料为生物质粉末。

23、优选的，燃料燃烧产生的热量对反应管加热使得反应管内温度为600～900℃；

24、将蒸汽通入至进气环管内，其中，蒸汽温度为200～400℃；

25、所述蒸汽包括水蒸汽和/或甲苯蒸汽。

26、本发明的一种热化学循环制氢装置及测试方法，相对于现有技术具有以下

27、有益效果：

28、1、本发明的热化学循环制氢装置，通过设置加热室，可以将廉价的生物质等作为燃料为该系统进行加热，能够显著降低该工艺过程的加热成本(加热温度在900℃以下)，提升了应用范围。

29、2、本发明的热化学循环制氢方法，引入生物质热解气，配合氧载体的使用，进一步降低了热化学循环反应过程的温度，有助于提升反应装置的使用寿命。具体的，在金属氧化物还原过程引入甲苯等还原性燃料，及燃料辅助热化学循环直接分解水制氢工艺，可以显著降低反应温度至900℃以下；相比于常规的热化学循环制氢工艺，燃料辅助热化学循环制氢工艺所需反应温度相对较低，反应过程所需要的热量可采用常规的加热方式进行，如甲烷、生物燃气、生物质粉末等燃料燃烧供热。此外，相比与常规热循环制氢工艺，燃料辅助热化学循环制氢工艺具有投资及运行成本低、稳定性高等优势。

技术特征：

1.一种热化学循环制氢装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的热化学循环制氢装置，其特征在于，所述壳体上对应加热室处设有烟气排出管，所述出气环管套设在烟气排出管外周。

3.如权利要求1所述的热化学循环制氢装置，其特征在于，所述进气环管端部设有进气管，所述反应管与进气管连通，所述进气管内设有第一阀门。

4.如权利要求1所述的热化学循环制氢装置，其特征在于，所述出气环管端部设有出气管，所述反应管与出气管连通，所述出气管内设有第二阀门。

5.如权利要求1所述的热化学循环制氢装置，其特征在于，反应管内设有多孔分布板以用于承载氧载体。

6.如权利要求1所述的热化学循环制氢装置，其特征在于，所述反应管顶部设有温度压力检测器，用于监测反应管内的温度和压力。

7.如权利要求1所述的热化学循环制氢装置，其特征在于，所述壳体外还设有保温层，所述反应管位于壳体外的部分设有氧载体加入口。

8.一种热化学循环制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的热化学循环制氢方法，其特征在于，所述氧载体包括钙铁石、co-fe金属氧化物、高熵尖晶石氧化物中的至少一种；

10.如权利要求8所述的热化学循环制氢方法，其特征在于，燃料燃烧产生的热量对反应管加热使得反应管内温度为600～900℃；

技术总结
本发明提供了一种热化学循环制氢装置及制氢方法。发明的热化学循环制氢装置，通过设置加热室，可以将廉价的生物质等作为燃料为该系统进行加热，能够显著降低该工艺过程的加热成本(加热温度在900℃以下)，提升了应用范围。本发明的热化学循环制氢方法，引入生物质热解气，配合氧载体的使用，进一步降低了热化学循环反应过程的温度，有助于提升反应装置的使用寿命。相比于常规的热化学循环制氢工艺，燃料辅助热化学循环制氢工艺所需反应温度相对较低。此外，相比与常规热循环制氢工艺，燃料辅助热化学循环制氢工艺具有投资及运行成本低、稳定性高等优势。

技术研发人员：王训,赵韵鲲,郭一博,闵淑婷,汪荣晶,钟明轩
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5