本發(fā)明屬于制氫，尤其涉及一種熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置及制氫方法。

背景技術(shù)：

1、氫能是未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分，氫能產(chǎn)業(yè)是重點(diǎn)發(fā)展方向，開發(fā)綠色制氫技術(shù)對(duì)構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)鏈有重要意義。熱化學(xué)循環(huán)直接分解水制氫技術(shù)作為一種綠色可再生制氫技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。熱化學(xué)循環(huán)制氫是基于金屬氧化物氧化還原對(duì)(氧載體)的兩步式循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)水分解制氫。但由于水的熱力學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，常規(guī)熱化學(xué)循環(huán)分解水反應(yīng)需要在較高的溫度(大于1500℃)下進(jìn)行。由于常規(guī)的熱化學(xué)循環(huán)制氫工藝溫度較高(1500℃左右)，采用常規(guī)的加熱方式能耗高、經(jīng)濟(jì)性差，故其反應(yīng)器主要采用太陽(yáng)能聚光加熱的方法，主要面臨反應(yīng)器成本高、太陽(yáng)能供熱受天氣、氣候等影響，穩(wěn)定性差、難以大規(guī)模生產(chǎn)等難題。

2、基于目前的熱化學(xué)循環(huán)制氫工藝以及反應(yīng)器存在的缺陷，有必要對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置及制氫方法，以解決或至少部分解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，包括：

3、殼體，其內(nèi)部中空，所述殼體內(nèi)部一端形成燃燒室、另一端形成加熱室，所述燃燒室與所述加熱室連通，所述殼體上對(duì)應(yīng)燃燒室處開設(shè)有燃料進(jìn)口管；

4、進(jìn)氣環(huán)管，其套設(shè)在殼體對(duì)應(yīng)燃燒室的外周；

5、多個(gè)反應(yīng)管，其位于加熱室內(nèi)，所述反應(yīng)管一端向下延伸并穿過所述殼體與所述進(jìn)氣環(huán)管連通；

6、出氣環(huán)管，其位于所述殼體外，所述反應(yīng)管另一端向上延伸并穿過所述殼體與所述出氣環(huán)管連通。

7、優(yōu)選的，所述殼體上對(duì)應(yīng)加熱室處設(shè)有煙氣排出管，所述出氣環(huán)管套設(shè)在煙氣排出管外周。

8、優(yōu)選的，所述進(jìn)氣環(huán)管端部設(shè)有進(jìn)氣管，所述反應(yīng)管與進(jìn)氣管連通，所述進(jìn)氣管內(nèi)設(shè)有第一閥門。

9、優(yōu)選的，所述出氣環(huán)管端部設(shè)有出氣管，所述反應(yīng)管與出氣管連通，所述出氣管內(nèi)設(shè)有第二閥門。

10、優(yōu)選的，反應(yīng)管內(nèi)設(shè)有多孔分布板以用于承載氧載體。

11、優(yōu)選的，所述反應(yīng)管頂部設(shè)有溫度壓力檢測(cè)器，用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)管內(nèi)的溫度和壓力。

12、優(yōu)選的，所述殼體外還設(shè)有保溫層，所述反應(yīng)管位于殼體外的部分設(shè)有氧載體加入口。

13、第二方面，本發(fā)明還提供了一種熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，包括以下步驟：

14、提供所述的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置；

15、將氧載體置于反應(yīng)管內(nèi)；

16、將燃料通過燃料進(jìn)口管加入至燃燒室內(nèi)，并通入空氣以使燃料在燃燒室內(nèi)充分燃燒；

17、將熱解氣通入至進(jìn)氣環(huán)管內(nèi)，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)反應(yīng)管加熱，使得熱解氣與氧載體發(fā)生反應(yīng)，奪取氧載體內(nèi)的晶格氧，而氧載體被還原，熱解氣發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生合成氣，并從出氣環(huán)管排出；

18、氧載體還原完成后，停止通入熱解氣，將蒸汽通入至進(jìn)氣環(huán)管內(nèi)，蒸汽與還原后氧載體進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，并從出氣環(huán)管排出，蒸汽氧化后的氧載體獲得了晶格氧實(shí)現(xiàn)了再生。

19、優(yōu)選的，所述氧載體包括鈣鐵石、co-fe金屬氧化物、高熵尖晶石氧化物中的至少一種；

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中的至少一種；

21、所述熱解氣包括以下體積分?jǐn)?shù)組分：co?23～33％、ch410～20％、cnhm7～17％、h218～28％、co217～27％，其中，m、n均為正整數(shù)，2≤n≤4，4≤m≤10；

22、所述燃料為生物質(zhì)粉末。

23、優(yōu)選的，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)反應(yīng)管加熱使得反應(yīng)管內(nèi)溫度為600～900℃；

24、將蒸汽通入至進(jìn)氣環(huán)管內(nèi)，其中，蒸汽溫度為200～400℃；

25、所述蒸汽包括水蒸汽和/或甲苯蒸汽。

26、本發(fā)明的一種熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置及測(cè)試方法，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下

27、有益效果：

28、1、本發(fā)明的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，通過設(shè)置加熱室，可以將廉價(jià)的生物質(zhì)等作為燃料為該系統(tǒng)進(jìn)行加熱，能夠顯著降低該工藝過程的加熱成本(加熱溫度在900℃以下)，提升了應(yīng)用范圍。

29、2、本發(fā)明的熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，引入生物質(zhì)熱解氣，配合氧載體的使用，進(jìn)一步降低了熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)過程的溫度，有助于提升反應(yīng)裝置的使用壽命。具體的，在金屬氧化物還原過程引入甲苯等還原性燃料，及燃料輔助熱化學(xué)循環(huán)直接分解水制氫工藝，可以顯著降低反應(yīng)溫度至900℃以下；相比于常規(guī)的熱化學(xué)循環(huán)制氫工藝，燃料輔助熱化學(xué)循環(huán)制氫工藝所需反應(yīng)溫度相對(duì)較低，反應(yīng)過程所需要的熱量可采用常規(guī)的加熱方式進(jìn)行，如甲烷、生物燃?xì)?、生物質(zhì)粉末等燃料燃燒供熱。此外，相比與常規(guī)熱循環(huán)制氫工藝，燃料輔助熱化學(xué)循環(huán)制氫工藝具有投資及運(yùn)行成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)特征：

1.一種熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，其特征在于，所述殼體上對(duì)應(yīng)加熱室處設(shè)有煙氣排出管，所述出氣環(huán)管套設(shè)在煙氣排出管外周。

3.如權(quán)利要求1所述的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，其特征在于，所述進(jìn)氣環(huán)管端部設(shè)有進(jìn)氣管，所述反應(yīng)管與進(jìn)氣管連通，所述進(jìn)氣管內(nèi)設(shè)有第一閥門。

4.如權(quán)利要求1所述的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，其特征在于，所述出氣環(huán)管端部設(shè)有出氣管，所述反應(yīng)管與出氣管連通，所述出氣管內(nèi)設(shè)有第二閥門。

5.如權(quán)利要求1所述的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，其特征在于，反應(yīng)管內(nèi)設(shè)有多孔分布板以用于承載氧載體。

6.如權(quán)利要求1所述的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，其特征在于，所述反應(yīng)管頂部設(shè)有溫度壓力檢測(cè)器，用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)管內(nèi)的溫度和壓力。

7.如權(quán)利要求1所述的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，其特征在于，所述殼體外還設(shè)有保溫層，所述反應(yīng)管位于殼體外的部分設(shè)有氧載體加入口。

8.一種熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.如權(quán)利要求8所述的熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，其特征在于，所述氧載體包括鈣鐵石、co-fe金屬氧化物、高熵尖晶石氧化物中的至少一種；

10.如權(quán)利要求8所述的熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，其特征在于，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)反應(yīng)管加熱使得反應(yīng)管內(nèi)溫度為600～900℃；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置及制氫方法。發(fā)明的熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，通過設(shè)置加熱室，可以將廉價(jià)的生物質(zhì)等作為燃料為該系統(tǒng)進(jìn)行加熱，能夠顯著降低該工藝過程的加熱成本(加熱溫度在900℃以下)，提升了應(yīng)用范圍。本發(fā)明的熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，引入生物質(zhì)熱解氣，配合氧載體的使用，進(jìn)一步降低了熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)過程的溫度，有助于提升反應(yīng)裝置的使用壽命。相比于常規(guī)的熱化學(xué)循環(huán)制氫工藝，燃料輔助熱化學(xué)循環(huán)制氫工藝所需反應(yīng)溫度相對(duì)較低。此外，相比與常規(guī)熱循環(huán)制氫工藝，燃料輔助熱化學(xué)循環(huán)制氫工藝具有投資及運(yùn)行成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：王訓(xùn),趙韻鯤,郭一博,閔淑婷,汪榮晶,鐘明軒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5