一种氢燃料无焰催化燃烧膜反应生产高质量水蒸汽的方法与流程

1.本发明涉及氢能利用、热能生产及催化反应技术领域，尤其涉及一种氢燃料无焰催化燃烧膜反应生产高质量水蒸汽的方法。


背景技术：

2.随着世界范围内能源供应不断增加与环境污染的矛盾日益突出，以氢能为基础的能源供应结构越来越受到重视。我国氢能生产和利用比例也将会迅速上升，并将可能在我国未来的能源供应体系中成为主体。
3.众所周知，利用碳基能源资源实现大规模能源生产的最主要问题就是在能源生产(如生产电力，水蒸汽、动力等)的同时，产生大量的空气污染物(如硫化物、氮氧化物和粉尘颗粒物等)，导致严重的空气污染，这也是我国大范围工业雾霾的主要成因。通过现有技术实现这些空气污染物的控制而满足国家排放标准，不仅因其成本高、运行费用大，而导致企业运行成本大大增加，同时还可能造成严重的二次污染，形成污染物的转移，造成更严重的土壤污染和水污染。
4.氢燃料是公认的清洁燃料。目前氢能利用主要通过氢燃料电池实现，主要用于电力的生产。但目前存在能源转化整体效率低、设备成本高、设备大型化困难、实现大规模电力生产和供应难度大等问题。同时，氢燃料电池也无法解决工业生产对高品质水蒸汽(即热能生产和供应)的要求。
5.用氢燃料替代目前的碳基燃料在传统的能源生产装置(如锅炉、燃气轮机等)中进行能源生产有极大的难度，同时对能源的安全生产也是严峻的挑战。因此，研发新的氢能高效利用技术迫在眉睫。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种氢燃料无焰催化燃烧膜反应生产高质量水蒸汽的方法,结合膜反应器和催化反应器的优点，在500～800℃温度范围通过使用pt基催化剂实现氢燃料的无焰催化燃烧，同时集成高效热交换器，实现了高效生产高品质水蒸气的热能生产，并实现了热能生产过程的零污染排放。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
8.一种氢燃料无焰催化燃烧膜反应生产高质量水蒸汽的方法，包括如下步骤：
9.1)以纯氢作为燃料，以压缩空气为氧化剂；氢燃料进入反应器上部的燃料通道，压缩空气进入反应器下部的催化燃烧反应室，燃料通道和催化燃烧反应室之间采用高温膜分隔；
10.2)催化燃烧反应室内设有固体催化剂，氢燃料通过高温膜扩散到催化燃烧反应室中，并在催化燃烧反应室中发生催化燃烧反应，燃烧过程为无焰燃烧，反应温度为500～800℃；
11.3)催化燃烧反应的产物通过反应器出口进入冷却装置，其中的水蒸汽冷却后形成
水，剩余氧和氮气从冷却装置出口排出；
12.4)催化燃烧反应产生的热量通过热交换器加热水，产生高温高压的水蒸汽。
13.所述的固体催化剂由催化剂颗粒及其载体组成；催化剂颗粒的粒径为100～500微米，催化剂表达式为al2o3/pt
m
‑
co
n
‑
x
y
，m为0.3
‑
0.5，n为0.3
‑
0.5，x为mn、cu、ce、pd、或nd，y为0.05
‑
0.25，所述的催化剂载体为多孔氧化铝陶瓷，催化剂载体的担载量为1.0
‑
8.0％。
14.所述固体催化剂填充到催化反应室的下半部分，构成固定床式的催化燃烧反应室。
15.所述催化燃烧反应室的温度通过控制氢燃料的流量和通入热交换器中的水流量进行控制。
16.所述催化燃烧反应室内设电子打火的氢气燃烧器，反应开始前，催化燃烧反应室先通入燃料进行燃烧，产生的高温气体通入反应器内对反应器整体进行预加热。
17.所述反应器的本体采用ni基不锈钢材料制作。
18.所述高温膜为氧化锆多孔陶瓷膜。
19.实现所述方法的氢燃料无焰催化燃烧膜反应生产高质量水蒸汽的装置，该装置包括燃烧室、热交换室，燃烧室通过高温膜分为上下两个部分，上部为氢燃料通道，下部为通入氢气的催化燃烧反应室；所述的燃烧室上下设有热交换室。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.1)本发明利用纯氢气作燃料、以压缩空气作氧化剂，在膜反应器结合催化剂的条件下，在500～800℃下实现氢燃料的无焰催化燃烧，通过集成换热器，高效生产高品质水蒸汽，用于满足工业生产如食品、电力等生产的需要；具有能效高、无污染、成本低、集成度高的特点。
22.2)本发明在无焰催化燃烧反应器的基础上集成了微反应器、催化反应器和膜反应器的特点，催化燃烧反应室采用固定床反应器的结构，催化燃烧过程中，氢燃料通过高温膜扩散到催化燃烧反应室内实现催化无焰燃烧。
23.3)无焰燃烧在低温催化条件下进行，反应温度为500～800℃，不产生nox和其他空气污染物，出口烟气为氮气和少量残余氧和少量水蒸汽，实现空气污染物的零排放。
24.4)本通过无焰催化燃烧室与换热器的高度集成，显著提高热能生产的整体效率(可以达到98％以上)，使单位热能生产单元的体积大大减少，从而大大减小热能生产单元的体积，降低热电厂的建设成本和维护成本。
附图说明
25.图1是本发明方法的流程图。
26.图2是本发明的装置的立体示意图。
27.图3是本发明的内部结构示意图。
28.图4是本发明使用的催化剂宏观照片和扫描电镜eds照片。
29.图中：1
‑
上部热交换室2
‑
燃烧室3
‑
下部换热室4
‑
燃料通道5
‑
催化燃烧反应室6
‑
高温膜
具体实施方式
30.下面结合附图详细叙述本发明的具体实施例。
31.见图1、图2、图3，一种氢燃料无焰催化燃烧膜反应生产高质量水蒸汽的装置，该装置包括燃烧室2、上部热交换室1和下部热交换室3，燃烧室2通过高温膜6分为上下两个部分，上部为氢气燃料通道4，下部为通入氢气的催化燃烧反应室5。
32.一种氢燃料无焰催化燃烧膜反应生产高质量水蒸汽的方法，包括如下步骤：
33.1)以纯氢作为燃料，以压缩空气为氧化剂；氢燃料进入反应器上部的燃料通道4，压缩空气进入反应器下部的催化燃烧反应室5，燃料通4道和催化燃烧反应室5之间采用高温膜6分隔；
34.2)催化燃烧反应室5内设有固体催化剂，氢燃料通过高温膜6扩散到催化燃烧反应室5中，并在催化燃烧反应室5中发生催化燃烧反应，燃烧过程为无焰燃烧，反应温度为500～800℃；
35.3)催化燃烧反应的产物通过反应器出口进入冷却装置(图中未示出)，其中的水蒸汽冷却后形成水，剩余氧和氮气从冷却装置出口排出；
36.4)催化燃烧反应产生的热量通过热交换器加热水，产生高温高压的水蒸汽。
37.所述的固体催化剂由催化剂颗粒及其载体组成；催化剂颗粒的粒径为100～500微米，催化剂表达式为al2o3/pt
m
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co
n
‑
x
y
，m为0.3
‑
0.5，n为0.3
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0.5，x为mn、cu、ce、pd、或nd，y为0.05
‑
0.25，所述的催化剂载体为多孔氧化铝陶瓷，催化剂载体的担载量为1.0
‑
8.0％。
38.所述固体催化剂填充到催化燃烧反应室5的下半部分，构成固定床式的催化燃烧反应室。
39.所述催化燃烧反应室5的温度通过控制氢燃料的流量和通入热交换器中的水流量进行控制。
40.所述催化燃烧反应室5内设电子打火的氢气燃烧器，反应开始前，催化燃烧反应室先通入燃料进行燃烧，产生的高温气体通入反应器内对反应器整体进行预加热。
41.所述反应器的本体采用ni基不锈钢材料制作。
42.所述高温膜为氧化锆多孔陶瓷膜。
43.本发明结合膜反应器和催化反应器的优点，在500～800℃温度范围通过使用pt基催化剂实现氢燃料的无焰催化燃烧，同时集成高效热交换器，实现了高效生产高品质水蒸气的热能生产，并实现了热能生产过程的零污染排放。
44.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。