一种通过裂解生产氢气的装置的制作方法

本技术涉及制氢，尤其是涉及一种通过裂解生产氢气的装置。

背景技术：

1、氢能作为清洁能源，将在未来世界能源中承担着举足轻重的地位，氢能作为能源载体和能源互联媒介具有零碳、高效显著优势，若氢能实现广泛应用将会促进全球能源转型升级。

2、目前氢能产业链中最重要也是影响最大的就是氢气的制取和运输。制氢方法主要有五种技术路线：工业尾气制氢、化工原料制氢、石化原料制氢、电解水制氢和新型制氢方法等，天然气制氢、煤制氢成本较低，成为短期发展氢能的核心。但是现有的利用石化原料或化工原料制氢的装置存在制氢过程能源损耗较大，原料转换率较低等问题。

技术实现思路

1、本实用新型为了克服现有技术中的上述不足，提供一种通过裂解生产氢气的装置，具有加热速度快、热效率高、省电节能等优点。

2、为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

3、一种通过裂解生产氢气的装置，包括外透波管、内透波管、压缩波导和外壳，所述外透波管设置在外壳内，所述外透波管的一端密封，另一端套设在内透波管外侧且与内透波管的外壁密封连接，所述外透波管与内透波管之间形成第一气体通道，所述内透波管上设有出气口，所述内透波管的内腔与出气口连通并形成第二气体通道，第一气体通道与第二气体通道通过连通口连通，所述外透波管侧壁上设有与第一气体通道连通的侧进气口，所述压缩波导的一端与微波源连接，所述压缩波导的另一端穿过外壳并套设在外透波管外侧，所述侧进气口和出气口设置在压缩波导的一侧，所述连通口设置在压缩波导的另一侧。

4、上述技术方案中，甲烷气体从侧进气口进入第一气体通道，对外透波管和内透波管进行冷却，同时甲烷气体在经过压缩波导位置时，会被压缩波导进行预加热，然后原料气体从第一气体通道进入第二气体通道，继续对内透波管进行冷却，同时甲烷气体在第二气体通道再次经过压缩波导位置时，被快速加热裂解重组形成碳粉和氢气，并从出气口排出微波装置。所述压缩波导从微波源传递过来的微波的场强在外透波管径向位置上并非是均匀分布的，而是中心位置的场强最大，并向两侧依次减弱，且微波场的径向宽度等于微波的波长，所述第一气体通道设置在第二气体通道内侧，可以使甲烷气体经过高场强区域而不经过低场强的外侧区域，使经过高场强区域的甲烷气体被快速加热、充分裂解，提高甲烷气体的转化率，所述第二气体通道设置在第一气体通道外侧，可以与微波的低场强区域重合，充分利用低场强区域的能量进行预加热，提高能量利用率，第二气体通道内的甲烷气体还可以将产生的热量带走，降低场强区域的温度，通过第二气体通道内流动的气体，对外透波管和内透波管进行冷却，避免外透波管和内透波管因为温度过高导致损坏。本实用新型装置的原料气体为甲烷时，产物是碳粉和氢气，碳粉和氢气一个为固态一个为气态，可以很好的进行分离、利用，氢气可以作为清洁燃料直接利用，碳粉可以作为工业原料使用，进行工业加工，碳粉不作为燃料，不会转化为二氧化碳直接进入大气循环，可以降低二氧化碳的排放，实现对甲烷的低碳使用。

5、作为优选，所述外透波管的一端设有高速喷射管，高速喷射管的一端穿过外透波管和内透波管并与第二气体通道连通，所述高速喷射管设置在第二气体通道内的一端设有高速进气口，压缩波导设置在出气口与高速进气口之间。

6、上述技术方案中，一部分甲烷气体直接从高速喷射管进入第二气体通道，压缩波导内的微波在第二气体通道内与快速加热甲烷，使甲烷裂解重组形成碳粉和氢气，并从出气口排出微波装置，高速气流可以避免被加热的气体在此区域过长的停留时间带来的升温。另一部分甲烷气体从侧进气口进入第一气体通道，对外透波管和内透波管进行冷却，同时甲烷气体在经过压缩波导位置时，会被压缩波导进行预加热，然后原料气体从第一气体通道进入第二气体通道，继续对内透波管进行冷却，同时甲烷气体在第二气体通道再次经过压缩波导位置时，被快速加热裂解重组形成碳粉和氢气，与第一部分的气体产生的碳粉和氢气一起排出微波装置。

7、作为优选，所述高速喷射管的出口端设有拉瓦尔喷管，以使高速喷射管内的亚音速气体经过拉瓦尔喷管形成超音速气体喷出。所述拉瓦尔喷管可以进一步增加高速喷射管的出口端的气体流速，使气流达到超音速，高速气流可以避免被加热的气体在此区域过长的停留时间带来的升温，同时拉瓦尔喷管可以降低第一气体通道内的压力，能够使微波装置在一个比较低的压力下运行。

8、作为优选，所述高速喷射管的外侧设有螺旋进气分配器，螺旋进气分配器内设有螺旋形气道，以使螺旋进气分配器内的气体沿螺旋进气分配器的轴向螺旋流动。所述结构可以使进入内透波管的气体沿螺旋进气分配器的轴向螺旋流动，对内透波管的侧壁起到了良好的降温保护作用。

9、作为优选，所述侧进气口的轴线沿外透波管的切向设置，以使气体沿外透波管的切向进入第一气体通道，所述第一气体通道内的气体在周向上的运动方向与所述螺旋形气道内的气体在周向上的运动方向相反。所述结构可以使进入第一气体通道的沿外透波管的内壁螺旋流动，对外透波管和内透波管起到了良好的降温保护作用，且内透波管内外气体的周向运动方向相反，气体在连通口位置需要换向，各个位置的气体会发生混乱的混合，使气体温度更加均匀，不会局部过热，进入第二气体通道可以对内透波管更好的进行冷却，且各个部分温度均匀，可以增加气体后续的加热裂解的转化率。

10、作为优选，所述外透波管的内径为d1，压缩波导内微波的波长为λ，λ≤d1≤1.1λ，所述内透波管的内径为d2，0.5λ≤d2≤0.8λ。所述外透波管内的微波场强的径向宽度等于微波的波长，所述λ≤d1≤1.1λ，可以使外透波管恰好容纳整个微波场强，充分利用微波能量。所述0.5λ≤d2≤0.8λ，可以使内透波管处于微波场的中心高场强区域，充分利用高场强区域对气体进行高温裂解，提高气体转换率，同时保证内透波管内径不会过小，保证内透波管内的气体通过量。

11、作为优选，所述侧进气口的轴线沿外透波管的切向设置，以使气体沿外透波管的切向进入第一气体通道。所述结构可以使进入第一气体通道的沿外透波管的内壁螺旋流动，对外透波管和内透波管起到了良好的降温保护作用。

12、作为优选，所述侧进气口的数量为多个，多个侧进气口沿外透波管的轴线螺旋分布。所述结构可以增加气进气量，且使气体可以形成更好的螺旋效果，增加降温保护效果。

13、作为优选，所述压缩波导的数量为多个，多个压缩波导沿外透波管的轴向依次设置，且多个压缩波导套设在外透波管上的部分依次紧贴。所述多个压缩波导的迭加可以有效的解决微波功率不足的问题，必要的时候可以进一步增加输入微波源的数量，用于提高整体所需要的功率。

14、作为优选，所述多个压缩波导沿外透波管的周向均布。所述结构可以降低压缩波导在轴向上的尺寸。

技术特征：

1.一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，包括外透波管、内透波管、压缩波导和外壳，所述外透波管设置在外壳内，所述外透波管的一端密封，另一端套设在内透波管外侧且与内透波管的外壁密封连接，所述外透波管与内透波管之间形成第一气体通道，所述内透波管上设有出气口，所述内透波管的内腔与出气口连通并形成第二气体通道，第一气体通道与第二气体通道通过连通口连通，所述外透波管侧壁上设有与第一气体通道连通的侧进气口，所述压缩波导的一端与微波源连接，所述压缩波导的另一端穿过外壳并套设在外透波管外侧，所述侧进气口和出气口设置在压缩波导的一侧，所述连通口设置在压缩波导的另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，所述外透波管的一端设有高速喷射管，高速喷射管的一端穿过外透波管和内透波管并与第二气体通道连通，所述高速喷射管设置在第二气体通道内的一端设有高速进气口，压缩波导设置在出气口与高速进气口之间。

3.根据权利要求2所述的一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，所述高速喷射管的出口端设有拉瓦尔喷管，以使高速喷射管内的亚音速气体经过拉瓦尔喷管形成超音速气体喷出。

4.根据权利要求2所述的一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，所述高速喷射管的外侧设有螺旋进气分配器，螺旋进气分配器内设有螺旋形气道，以使螺旋进气分配器内的气体沿螺旋进气分配器的轴向螺旋流动。

5.根据权利要求4所述的一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，所述侧进气口的轴线沿外透波管的切向设置，以使气体沿外透波管的切向进入第一气体通道，所述第一气体通道内的气体在周向上的运动方向与所述螺旋形气道内的气体在周向上的运动方向相反。

6.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，所述外透波管的内径为d1，压缩波导内微波的波长为λ，λ≤d1≤1.1λ，

7.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，所述侧进气口的轴线沿外透波管的切向设置，以使气体沿外透波管的切向进入第一气体通道。

8.根据权利要求7所述的一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，所述侧进气口的数量为多个，多个侧进气口沿外透波管的轴线螺旋分布。

9.根据权利要求1所述的一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，所述压缩波导的数量为多个，多个压缩波导沿外透波管的轴向依次设置，且多个压缩波导套设在外透波管上的部分依次紧贴。

10.根据权利要求9所述的一种通过裂解生产氢气的装置，其特征是，所述多个压缩波导沿外透波管的周向均布。

技术总结
本技术公开了一种通过裂解生产氢气的装置，包括外透波管、内透波管和压缩波导，所述外透波管的一端设有高速喷射管，所述外透波管与内透波管之间形成第一气体通道，所述内透波管的内腔与出气口连通并形成第二气体通道，所述外透波管侧壁上设有与第一气体通道连通的侧进气口，高速喷射管的一端穿过外透波管和内透波管并与第二气体通道连通，所述高速喷射管设置在第二气体通道内的一端设有高速进气口，所述压缩波导的一端套设在外透波管外侧，所述压缩波导的另一端与微波源连接。本技术提供了一种通过裂解生产氢气的装置，具有加热速度快、热效率高、省电节能、甲烷气体的转化率高等优点。

技术研发人员：周冰冰
受保护的技术使用者：杭州慕皓新能源技术有限公司
技术研发日：20220927
技术公布日：2024/1/12