一种热化学循环制氢的燃烧装置的制作方法

1.本发明涉及节能环保新能源领域，具体为一种热化学循环制氢的燃烧装置。


背景技术：

2.锅炉是人们常用到的一种将化学能、电能转化为一定热能的蒸汽、高温水或者有机热载体的一种能量转化设备。但是锅炉往往存在能耗高、环保不达标、燃烧杂质多等缺点，往往需要针对性进行锅炉减排改造。
3.而将h2o分解成h2和o2，需要高达3000℃以上的高温，这个过程是吸热反应需要提供大量的能耗，但另一方面h2本身又潜存有极高的比能量。热化学循环制氢是采用加热化学反应方法制氢的工艺。水热化学循环制氢指在含有催化剂的水系统中，在不同温度下，经历几个不同反应阶段，最终将水分解为氢气和氧气的化学过程。此过程只消耗水和一定热量，参与过程的催化剂可以再生和反复利用，整个反应过程构成一封闭循环系统。相较于水的直接热解制氢，热化学循环制氢每一步反应均在较低温度800～1000℃下进行，能源匹配、设备装置耐温要求以及投资成本等问题都较易解决，是一种能耗最低和最合理的制氢工艺。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种热化学循环制氢的燃烧装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括筒体、中空管、导热填充物、催化剂载体、筒身上法兰、封头法兰、筒身下法兰、焊接丝网、半锥体入口、半锥体出口、导向管、等离子腔体、等离子体出口、下椎体、下椎体顶面法兰、水蒸气进口、单向电磁阀、一分多接头、蒸汽管道、蒸汽泵；所述筒身上法兰安装在筒体外壁上侧；所述封头法兰安装在筒身上法兰上，配装螺栓固定；筒身下法兰安装在筒体外壁下侧；所述筒体内部设有若干中空管，安装时上侧贯穿筒身上法兰和封头法兰，下侧贯穿筒身下法兰，且中空管外壁与筒体内壁间使用导热填充物；所述催化剂载体填充在中空管内；所述焊接丝网焊接在中空管内部上下两端；所述半锥体入口焊接在中空管下端；所述半锥体出口焊接在中空管上端；所述导向管与半锥体出口连接；所述等离子腔体安装在封头法兰上，其顶部中央设有等离子体出口；所述下椎体通过长螺栓安装在筒身下法兰下侧，其下侧设有水蒸气进口；所述下椎体顶面法兰安装在下椎体上侧，其上设有两个螺孔；所述单向电磁阀安装在下椎体顶面法兰的螺孔上；所述一分多接头安装在单向电磁阀顶端，通过蒸汽管道与半锥体入口连通；所述蒸汽泵通过管路与水蒸气进口连接。
6.作为本发明的一种优选技术方案，所述筒身上法兰、封头法兰、筒身下法兰上均设有互相对正的通孔，通孔孔径与中空管外径相等且安装后进行密封焊接。
7.作为本发明的一种优选技术方案，所述中空管为无缝钢管，内部填充的催化剂载体为蜂窝状圆柱形结构，且催化剂载体中负载着主要成分为cr2o3、naoh的活性物质和非晶
态合金催化剂；所述导热填充物为钾钠合金。
8.作为本发明的一种优选技术方案，所述一分多接头每一个出口通过一个蒸汽管道连接一个半锥体入口，且两个一分多接头各通过蒸汽管道连接一半数量的中空管。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明适用于燃煤、燃油、燃气、燃烧生物质等锅炉/窑炉的节能减排改造，可加装于锅炉/窑炉燃烧器内，形成一套相对独立的燃烧系统。锅炉/窑炉燃烧器产生的热量通过导热介质将中空管内部加热至800℃以上，在高温和催化剂的共同作用下cr2o3、naoh、水蒸汽连续发生化学反应产生氢气、氧气，高温条件下产生的氢、氧主要以等离子体状态存在，上述化学反应可循环发生，形成一套循环不断的氢氧等离子体生产线。氢氧等离子体经等离子体出口喷出，接入燃烧器烧嘴进行燃烧，具有燃烧速度快、燃烧温度高、排放清洁排放物仅为h2o的特点，可代替部分原始燃料，起到节能减排的作用。
附图说明
10.图1为本发明循环制氢的燃烧装置结构示意图；图中：筒体1、中空管2、导热填充物3、催化剂载体4、筒身上法兰5、封头法兰6、筒身下法兰7、焊接丝网8、半锥体入口9、半锥体出口10、导向管11、等离子腔体12、等离子体出口13、下椎体14、下椎体顶面法兰15、水蒸气进口16、单向电磁阀17、一分多接头18、蒸汽管道19、蒸汽泵20。
具体实施方式
11.实施例1
12.如图1所示，本发明公开了一种热化学循环制氢的燃烧装置，包括筒体1、中空管2、导热填充物3、催化剂载体4、筒身上法兰5、封头法兰6、筒身下法兰7、焊接丝网8、半锥体入口9、半锥体出口10、导向管11、等离子腔体12、等离子体出口13、下椎体14、下椎体顶面法兰15、水蒸气进口16、单向电磁阀17、一分多接头18、蒸汽管道19、蒸汽泵20；所述筒身上法兰5安装在筒体1外壁上侧；所述封头法兰6安装在筒身上法兰5上，配装螺栓固定；筒身下法兰7安装在筒体1外壁下侧；所述筒体1内部设有若干中空管2，安装时上侧贯穿筒身上法兰5和封头法兰6，下侧贯穿筒身下法兰7，且中空管2外壁与筒体1内壁间使用导热填充物3；所述催化剂载体4填充在中空管2内；所述焊接丝网8焊接在中空管内部上下两端；所述半锥体入口9焊接在中空管2下端；所述半锥体出口10焊接在中空管2上端；所述导向管11与半锥体出口10连接；所述等离子腔体12安装在封头法兰6上，其顶部中央设有等离子体出口13；所述下椎体14通过长螺栓安装在筒身下法兰7下侧，其下侧设有水蒸气进口16；所述下椎体顶面法兰15安装在下椎体14上侧，其上设有两个螺孔；所述单向电磁阀17安装在下椎体顶面法兰15的螺孔上；所述一分多接头18安装在单向电磁阀17顶端，通过蒸汽管道19与半锥体入口9连通；所述蒸汽泵20通过管路与水蒸气进口16连接。中空管2为无缝钢管，中空管内填充含cr2o3、naoh、非晶态合金催化剂的催化剂载体4，催化剂载体4为蜂窝状的圆柱形结构。中空管2两端焊接丝网8封闭，丝网外径8与中空管2外径相同，这样催化剂载体4就牢牢紧固在中空管2内。中空管2两端分别焊接半锥体入口9和半锥体出口10，半锥体入口9与蒸汽管道19相连，半锥体出口10连接有导向管11，通入等离子体腔12。导向管11出口方向在等离子体
腔12内呈对向设置，以使生成的氢氧等离子体能够充分混和。
13.本发明的工作原理如下：本发明中空管2外壁与筒体1内壁间填充有导热填充物3钾钠合金(nak)，钾钠合金是热的良导体，通常用作原子反应堆导热剂，不仅具有宽的液态温度范围，重要的是在真空环境中，nak有非常低的蒸汽压，导热量大且安全，节约了设备投资。水蒸汽进口16管道上设有蒸汽泵20，用于将蒸汽加压泵入。水蒸汽可由锅炉自身生产，也可由工艺余热回收利用生产，如采用超高温热泵利用低品位热源生产蒸汽。
14.两个单向电磁阀17交错接通，即某单向电磁阀17处于接通状态，另一个单向电磁阀17处于关闭状态。此时，根据化学反应方程式(1)未通入水蒸汽的中空管产生氢气，根据化学反应方程式(2)通入水蒸汽的中空管产生氧气，氢气和氧气在等离子体腔12内混合在此高温条件下氢、氧主要以等离子体状态存在，经等离子体13出口喷出，接入燃烧器烧嘴进行燃烧。
15.本发明中参与反应的活性物质为cr2o3、naoh，以非晶态合金mnsi2作为催化剂，mnsi2催化剂本身具有分散度高(达亚微米级、纳米级)、比表面积大、催化效率高的特点，且非晶态合金中由于金属原子的排列不再象金属那样排列有序，它的短程有序，含有很多配位不饱和原子，富有反应活性，从而具有更多表面活性中心；它的长程无序，其表面保持液态时，原子混乱排列，有利于反应物的吸附，特别催化剂载体蜂窝状的结构，接触面积更适合反应物的吸附，加大流通面积给流通带来畅通无阻，加快了反应速度。所用的非晶态合金催化剂主要由过渡金属中一元或多元和类金属b、si、p、c中的一种或多种组合而成。金属的电负极性越小，催化活性越大，反之毒性越大，在同一周期电负极性从左到右逐渐增大，同一族中，从上到下，逐渐减小。本实施方式中选用mnsi2催化剂，主要考虑该催化剂资源相对丰富，易得，价格适中。所述的催化剂载体应采用高熔点，可以固定naoh的物质，如γ-al2o3、zsm-5分子筛等，cr2o3+naoh：载体＝70％：30％质量分数，负载方式可选用现有技术。
16.cr2o3、naoh的质量分数＝1:1.2-1.3，非晶态合金mnsi2催化剂质量分数3％-5％。热循环反应方程式如下：热循环反应方程式如下：按上述反应方程式，只要把cr2o3和naoh混和，加入mnsi2作为催化剂，当加热至800℃即可产出氢。产出氢后，通入水蒸汽，即可产出氧，同时na3cro4重新恢复为cr2o3和naoh，循环往复，不断生成氢气和氧气，在高温条件下氢、氧主要以等离子体状态存在。
17.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义
20.上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。