一种甲酸制备碳氢水系统的制作方法

本发明涉及碳氢水制备，具体涉及一种甲酸制备碳氢水系统。

背景技术：

1、甲酸作为一种液态有机氢载体，具有储氢密度高、常温常压下稳定、便于运输和储存等优势，在分布式氢源供应领域受到广泛关注。富氢水作为一种新型植物生长调节剂，在农业领域展现出广阔的应用前景，可促进种子萌发、提高作物抗逆性并改善农产品品质。同时，酸性水对于蓝莓、草莓等喜酸作物的种植和土壤酸碱度调节具有重要价值。

2、相关技术中已公开了基于甲酸制氢的集成式制氢装置，其通过精馏提纯组件或变压吸附系统分离氢气和二氧化碳，产出高纯度氢气，主要用于工业供氢或燃料电池领域。现有甲酸制氢装置普遍设置有氢气提纯模块，甲酸裂解产生的富氢气体（主要成分为h2和co2）必须经提纯处理后才能输出使用，二氧化碳则作为废气或副产物排出。

3、上述技术方案与农业应用场景存在明显脱节。一方面，现有制氢装置围绕制氢、提纯、储氢、供氢的架构构建，系统复杂、成本高昂，体积庞大，限制了其在温室、大棚等农业场景中的移动部署；另一方面，现有装置均设置有氢气提纯模块以分离h2和co2，缺乏对富氢气体直接利用的结构设计，无法实现将h2和co2混合气直接溶于水制备兼具氢气和二氧化碳功能的水体。目前虽有通过富氢水灌溉和co2气肥联用促进作物生长的技术思路，但均需分别处理氢气和co2，系统复杂、成本高昂。

4、因此，本技术研究一种甲酸制备碳氢水系统，实现一体化设备集成，直接利用h2和co2混合气制备碳氢水，降低成本。

技术实现思路

1、为了实现一体化设备集成，直接利用h2和co2混合气制备碳氢水，降低成本，本技术提供一种甲酸制备碳氢水系统。

2、本技术提供的一种甲酸制备碳氢水系统，采用如下的技术方案：

3、一种甲酸制备碳氢水系统，包括柜体、制氢模块、融氢模块以及控制模块，所述制氢模块设置于所述柜体内，所述制氢模块包括依次连接的甲酸储罐、反应釜、co脱除模块、冷却模块和气液分离模块，所述反应釜用于以甲酸为原料经催化裂解反应生成富氢气体，所述富氢气体包含氢气和二氧化碳，所述co脱除模块用于将富氢气体中的co转化为co2；

4、所述融氢模块设置于所述柜体内且与所述气液分离模块的富氢气体出口通过气体管路连接，用于将经co脱除后的富氢气体与水混合；所述控制模块设置于所述柜体内且分别与所述制氢模块和所述融氢模块信号连接，用于控制所述制氢模块和所述融氢模块的运行；

5、所述气液分离模块的富氢气体出口与所述融氢模块的进气口连通，使所述富氢气体中的co2随氢气一并进入所述融氢模块并溶解于水中，所述co2溶解于水中形成碳酸以调节水的ph值。

6、通过采用上述技术方案，通过将制氢模块、融氢模块和控制模块集成于同一柜体内，省去了氢气提纯模块及其附属设备，缩减了系统体积，降低了设备成本和运行能耗；同时利用甲酸裂解产物中co2随h2一并进入融氢模块并溶解于水形成碳酸的特性，无需额外添加酸性物质即可制备酸性碳氢水，有效解决了现有甲酸制氢装置因设置氢气提纯模块导致系统复杂、成本高昂、体积庞大的问题，实现一体化设备集成，直接利用h2和co2混合气制备碳氢水，从而降低成本。

7、可选的，所述co脱除模块为低温水汽变换反应器，内部装填有铜基催化剂并设置有加热器，用于将富氢气体加热至180℃-240℃，使co和水蒸气在催化剂的作用下发生变换反应生成h2和co2。

8、通过采用上述技术方案，通过将co脱除模块设置为低温水汽变换反应器，并采用铜基催化剂和加热器将反应温度控制在180℃-240℃，在该温度区间内co与水在催化剂作用下高效转化为co2和h2，使富氢气体中的co含量降至安全水平，解决了富氢气体因含co而无法直接用于农业应用的安全问题。

9、可选的，所述冷却模块包括换热模块和空冷散热器；所述换热模块设置于所述co脱除模块的出气口与所述空冷散热器的进气口之间，用于使经co脱除后的高温富氢气体与甲酸原料进行热交换，对甲酸原料预热的同时将富氢气体降温；所述空冷散热器包括多根不锈钢毛细管及连接于所述不锈钢毛细管外壁的铝翅片，所述空冷散热器还设有风机，用于对经所述换热模块降温后的富氢气体进行风冷。

10、通过采用上述技术方案，通过设置换热模块使高温富氢气体与甲酸原料进行热交换，利用反应余热对原料进行预热，同时降低富氢气体温度，实现了系统内部热量的梯级利用，有效降低了反应釜的加热能耗，提高了系统整体能效；空冷散热器采用不锈钢毛细管及铝翅片结构配合风机强制风冷，确保富氢气体充分冷却以便于后续气液分离，解决了现有技术中反应余热未得到有效利用、系统能耗偏高的问题。

11、可选的，所述气液分离模块包括回液罐和汽水分离器，所述回液罐内设有分流板，用于对富氢气体进行粗分离；所述汽水分离器用于对粗分离后的富氢气体进行精细气液分离，所述回液罐的排水口连接有吸附罐，所述吸附罐内装填有用于中和冷凝水酸性的填料，所述冷凝水经所述吸附罐中和处理后排放。

12、通过采用上述技术方案，通过设置回液罐和汽水分离器对富氢气体进行两级气液分离，先由回液罐内的分流板引导气体改变流向进行粗分离，再由汽水分离器进行精细分离，实现了气体中液态水的充分脱除；同时通过吸附罐对回液罐排出的酸性冷凝水进行中和处理后排放，解决了现有技术中气液分离不彻底导致后续设备进水以及冷凝水直接排放造成环境污染的问题，提升了系统运行的可靠性和环保性。

13、可选的，所述融氢模块包括融水罐与浓度传感器，所述融水罐设有进水口、融水进气口和碳氢水出口，所述融水进气口与所述气液分离模块的富氢气体出口连通；

14、所述融水罐用于将经co脱除后的富氢气体与水混合，并通过切割和空化工艺使富氢气体形成微纳米气泡后溶解于水中；

15、所述浓度传感器设于所述碳氢水出口的管路上，用于实时检测碳氢水的含氢浓度并反馈至所述控制模块。

16、通过采用上述技术方案，通过设置融水罐接收富氢气体并与水混合，利用切割和空化工艺将富氢气体破碎为微纳米气泡后溶解于水中，大幅提高了气体在水中的溶解效率和稳定性；通过浓度传感器实时检测碳氢水含氢浓度并反馈至控制模块，实现了碳氢水浓度的自动监控。

17、可选的，所述融水罐的融水进气口上设有单向阀，所述融水罐的顶部设有排气阀和压力表。

18、通过采用上述技术方案，通过在融水罐进气管路上设置单向阀，防止融水罐内的水在系统停机或压力波动时倒流至制氢模块，避免了管路和设备的损坏；通过在融水罐顶部设置排气阀和压力表，确保罐内压力不超限运行。

19、可选的，所述制氢模块还设有气体分配模块，所述气体分配模块连接于所述气液分离模块与所述融氢模块之间，所述气体分配模块包括三通阀组件，所述三通阀组件具有第一出口和第二出口，所述第一出口与所述融氢模块连通，所述第二出口与所述柜体外部大气连通；所述控制模块控制所述三通阀组件在系统正常运行时将富氢气体导向所述第一出口，在系统停机或紧急状态下将富氢气体导向所述第二出口排出。

20、通过采用上述技术方案，通过设置气体分配模块，利用三通阀组件将富氢气体在正常运行时导向融氢模块、在停机或紧急状态下导向柜体外部大气排出，实现了系统在不同工况下的气体流向切换控制，提升了系统运行的安全性和可控性。

21、可选的，所述柜体内部设有隔离结构，所述隔离结构将所述制氢模块和所述融氢模块分隔于不同腔体中，所述隔离结构为金属隔板，所述金属隔板的四周与所述柜体的内壁密封连接，所述金属隔板上开设有供管路和线缆穿过的穿孔，所述穿孔处设有密封接头。

22、通过采用上述技术方案，通过在柜体内部设置金属隔板将制氢模块和融氢模块分隔于不同腔体中，并在穿孔处设置密封接头，实现了水、气、电的有效隔离，提高系统稳定性与安全性，提高系统长期可靠性。

23、可选的，所述制氢模块所在的腔体内设有可燃气体检测探头、排气风扇和声光报警器，所述可燃气体检测探头、排气风扇和声光报警器分别与所述控制模块信号连接；当所述可燃气体检测探头的检测值超过设定阈值时，所述控制模块先切断甲酸进料，再启动所述排气风扇。

24、通过采用上述技术方案，通过在制氢模块所在腔体内设置可燃气体检测探头、排气风扇和声光报警器，并在氢气浓度超限时由控制模块先切断甲酸进料、再启动排气风扇，形成了检测、断料、通风的联动联锁控制机制，解决了制氢系统在氢气泄漏时缺乏有效安全处置手段的问题，提升了系统的本质安全水平。

25、可选的，所述甲酸储罐设有呼吸口、加液口和第二液位传感器，所述呼吸口与所述柜体的外部大气连通，用于平衡所述甲酸储罐的内部压力；所述第二液位传感器安装于所述甲酸储罐的底部，用于实时监测所述甲酸储罐内的液位并反馈至所述控制模块；所述控制模块根据所述第二液位传感器的信号控制供液泵向所述甲酸储罐内补充甲酸。

26、通过采用上述技术方案，通过在甲酸储罐上设置呼吸口保持罐内压力平衡，通过液位传感器实时监测液位并反馈至控制模块，实现了甲酸原料的自动补充，解决了甲酸储罐因压力失衡或原料耗尽导致系统运行中断的问题，保障了系统的连续稳定运行。

27、综上所述，本技术包括以下有益技术效果：

28、1.通过将制氢模块、融氢模块和控制模块集成于同一柜体内，省去了氢气提纯模块及其附属设备，缩减了系统体积，降低了设备成本和运行能耗；同时利用甲酸裂解产物中co2随h2一并进入融氢模块并溶解于水形成碳酸的特性，无需额外添加酸性物质即可制备酸性碳氢水，有效解决了现有甲酸制氢装置因设置氢气提纯模块导致系统复杂、成本高昂、体积庞大的问题，实现一体化设备集成，直接利用h2和co2混合气制备碳氢水，从而降低成本；

29、2.通过将co脱除模块设置为低温水汽变换反应器，并采用铜基催化剂和加热器将反应温度控制在180℃-240℃，在该温度区间内co与水在催化剂作用下高效转化为co2和h2，使富氢气体中的co含量降至安全水平，解决了富氢气体因含co而无法直接用于农业应用的安全问题；

30、3.通过设置换热模块使高温富氢气体与甲酸原料进行热交换，利用反应余热对原料进行预热，同时降低富氢气体温度，实现了系统内部热量的梯级利用，有效降低了反应釜的加热能耗，提高了系统整体能效；空冷散热器采用不锈钢毛细管及铝翅片结构配合风机强制风冷，确保富氢气体充分冷却以便于后续气液分离，解决了现有技术中反应余热未得到有效利用、系统能耗偏高的问题。