一种产生热空气，或高温蒸汽，或者生产纯净水的零碳排放的装置及工艺的制作方法

本发明涉及室内取暖，或者热水或纯水生产领域，具体涉及一种产生热空气，或高温蒸汽，或者生产纯净水的零碳排放的装置及工艺。

背景技术：

1、当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源、能源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样的二次能源。氢位于元素周期表之首，原子序数为1，常温常压下为气态，超低温高压下为液态。作为一种理想的新的含能体能源，它具有以下特点：

2、1、重量最轻：标准状态下，密度为0.0899g/l，-252.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢可变为金属氢。2、导热性最好：比大多数气体的导热系数高出10倍。3、储量丰富：据估计它构成了宇宙质量的75％，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。4、回收利用：利用氢能源的汽车排出的废物只是水，所以可以再次分解氢，再次回收利用。5、理想的发热值：除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142351kj/kg，是汽油发热值的3倍。6、燃烧性能好：点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。7、环保：与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氨气外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氨气经过适当处理也不会污染环境，氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应。8、利用形式多：既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。9、多种形态：以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。10、耗损少：可以取消远距离高压输电，代以远近距离管道输氢，安全性相对提高，能源无效损耗减小。11、利用率高：氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高。12、运输方便：氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本从全程效益考虑社会总效益优于其他能源。

3、目前氢能源在家居利用方面主要重点在于氢气锅炉，氢气锅炉大多是在空气中燃烧氢气而不是天然气(或甲烷)。但是其和天然气燃气锅炉燃烧方式并没有太多不同，氢气锅炉利用空气中的氧及氢气自由基燃烧，通过锅炉换热，得到热水。燃烧尾气因为含有二氧化碳、一氧化碳、vocs和水蒸气等随尾气排放室外，也带走一部分热量。同时因为氢气燃烧温度太高，高浓度氢气(5vol％)在空气中燃烧时，会产生nox，对环境产生巨大的污染并引起温室效应。目前的各种燃烧加热都采用电子点火，需要天然气或氢气以及天然气混合物在爆炸浓度限以上操作，通过自由基燃烧来进行，危险系数大。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种产生热空气，或高温蒸汽，或者生产纯净水的零碳排放的装置，能够增大反应室中催化剂与氢气和氧气的接触面积，氢气和氧气反应所生成的湿热空气通过加热引导装置，可引入室内用于取暖和净化并湿润空气；本发明的目的之二在于提供一种产生热空气，或高温蒸汽，或者生产纯净水的零碳排放的工艺，氢气和氧气或者空气经过催化剂床层，使得氢气和空气中的氧气充分反应，同时存在于空气中的一些voc如甲醛，一氧化碳等也被催化氧化为水和二氧化碳，从而得到水和湿热空气。该湿热空气可以直接定向引到需要取暖的空间，或者利用该湿热空气的热量加热，又或者将湿热空气中的水蒸气冷凝生产高纯水。

2、本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

3、一种产生热空气，或高温蒸汽，或者生产纯净水的零碳排放的装置，包括：储气单元、导气装置、反应室和加热引导装置；储气单元用于分别储存氢气和氧气或空气；储气单元通过导气装置分别与反应室连接，导气装置用于将储气单元的氧气或空气和氢气运送至反应室内；反应室还设有净化后的湿热空气出口，湿热空气出口与加热引导装置连接；反应室为设有若干层依次连接的管道，反应室用于发生氢气和并且温度可以通过控制氢气流速以及氢气和氧气比例来控制，没有生成水和热量的反应；管道内填充或涂覆催化剂，形成催化剂床层；其中，催化剂包括载体以及负载在载体表面的活性成分，活性成分含有第7、8、9、10或11族过渡金属中的一种或两种以上的金属元素。

4、具体地，本发明的装置能用于室内加热，其原理类似于室内电加热器，由于采用纯氢，没有含碳氧化物产生，不需要排气，所有热气都聚集在室内，而且室内空气也循环至装置内进入反应室通过催化剂床层，低于爆炸限的氢气和空气混合物经过催化剂床层，进行氢氧反应，生成水蒸汽，由于氢氧反应是放热反应，所以能使得催化剂床层的温度升高，甚至能达到100℃以上，高温能对反应室内的空气起到灭菌杀毒的效果，并产生热量，加热空气。所以该装置能净化空气中的污染物，从而形成室内完全干净温暖的空气，达到室内加热的目的。同时氢氧催化反应所产生的的湿热空气在排出装置后，在室内和冷空气热交换时，湿热空气其中的水蒸气在室内起到湿润室内空气的作用。

5、进一步，所述装置还包括水箱，水箱与所述加热引导装置连接，湿热空气中含有大量水蒸气可经过冷凝后形成纯水，收集在水箱内。或者利用湿热空气中的热量加热水箱中的水。

6、进一步，所述装置包括加热装置，加热装置与反应室连接；加热装置用于提高反应室的反应温度。

7、进一步，所述装置还包括可再生能源发电装置和水电解槽，可再生能源发电装置与水电解槽电性连接，水电解槽与储气单元连接；其中，再生能源发电装置用于为水电解槽提供能源；水电解槽用于生成氢气和氧气；可再生能源发电装置为太阳能发电装置或风力发电装置。

8、进一步，所述活性成分包括fe、co、ni、cu、tc、ru、rh、pd、ag、re、os、ir、pt及au中的一种或两种以上元素；更优选地，金属选自元素周期表中的第8、9、10和/或11族。合适的第8、9、10或11族金属包括ni、ir、pd、ru、rh及pt。最优选地该金属是铂或者钯。两种或多种金属可以组合存在于催化剂中。其中，催化剂中活性成分含量可以是从0.001wt％-100(wt)％，优选活性金属含量不超过20wt％，更理想状态是金属含量不超过5wt％。

9、所述载体包括氧化铝、改性的氧化铝、尖晶石氧化物、钙钛矿、二氧化硅、改性二氧化硅、氧化镁、氧化钛、氧化锆、沸石、铝酸盐和氧化锰中的一种或两种以上组合物。考虑到其稳定性，优选氧化铝、硅铝分子筛及尖晶石氧化物如六铝酸钙等。这些多孔材料可以单独使用，也可以混合使用。也能根据所需的最终产物，可以选择分子筛，如沸石。载体最好是多孔的。其粒径理想的是0.01mm～10mm，更优选0.0 2mm～4mm。载体材料表面积最好超过1.0m2/g较为理想，优选超过5m2/g，可以使用一种载体或至少两种载体的混合物。

10、具体地，所述催化剂的制备方法，包括以下步骤：

11、所述催化剂的制备方法包括浸渍法或共沉淀法；

12、其中，浸渍法包括以下步骤：

13、1)将含金属盐和/或金属氧化物的活性成分溶于水，通过调节ph为4～14以调节载体表面的等电点，制成溶液；

14、2)将载体浸泡在溶液中，在再将浸渍后的载体干燥煅烧；

15、3)煅烧后的载体再通氢活化，得到蛋壳型的催化剂。蛋壳型的催化剂的活性组分分布在载体外表面，有利于催化反应。

16、共沉淀的制备方法，包括以下步骤：

17、1)配制含有活性组分的金属溶液a以及含有载体组分的溶液b；

18、2)将a溶液和b溶液混合，搅拌混匀，调节ph为3～10，使得活性组分的金属和载体组分沉淀，静置分层；

19、4)取出底层的沉淀，洗涤后，进行干燥；

20、4)干燥后的沉淀经过焙烧后成型，然后通入氢气进行还原，得到所述催化剂。

21、进一步，所述反应室设有温度传感器和气体流量计；所述加热引导装置为定向射流管，含有水蒸气并被净化过的热空气可以通过末端的热气射流管定点送到需要取暖的对象，如人群或居室，更具有针对性。

22、本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

23、一种产生热空气，或高温蒸汽，或者生产纯净水的零碳排放的工艺，基于上述的产生热空气，或高温蒸汽，或者生产纯净水的零碳排放的装置，包括以下步骤：

24、1)将储气单元的氢气和空气引入反应室内，与管道的催化剂床层接触，引发氢气和氧气间的反应，生成水蒸气和得到湿热空气；

25、2)湿热空气出口至加热引导装置进行排放，用于取暖和净化并湿润空气。

26、进一步，还包括步骤3)，湿热空气经过加热引导装置运送至常温水箱，用于将湿热空气中的水蒸气进行冷凝，得到纯水并收集。

27、再进一步，还包括步骤4)，当所述装置用于产生纯净水时，将装置浸入海水，氢气流和空气流或氧气流经过催化剂床层进行反应，从内部产生热量，蒸发海水。

28、进一步，步骤1)中，若反应室温度低于10℃，对反应室进行加热，加热的温度为50～95℃；氢气的加入量为管道内空气流量的0.1～8％。

29、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

30、(1)一种产生热空气，或高温蒸汽，或者生产纯净水的零碳排放的装置，包括：储气单元、导气装置、反应室和加热引导装置；储气单元用于分别储存氢气和氧气或空气；储气单元通过导气装置分别与反应室连接，导气装置用于将储气单元的氧气或空气和氢气运送至反应室内；反应室还设有湿热空气出口，湿热空气出口与加热引导装置连接；反应室为设有若干层依次连接的管道，反应室用于发生氢气和氧气生成水和热量的反应；管道内填充或涂覆催化剂，形成催化剂床层。氧气或空气和氢气分别从氧气进气口和氢气进气口进入到反应室内，在反应室内充分混合且与催化剂接触进行反应，形成的湿热空气通过加热引导装置定向引到需要取暖的空间或者用于加热介质，由于湿热空气的高温能起到杀菌消毒的作用，所以本发明的装置不仅可以用于室内取暖并湿润空气，还能起到净化空气的作用。

31、(2)本发明的装置还可以包括水箱，加热引导装置与水箱连接，将湿热空气直接通入水箱，经过水箱里凉水的洗涤后，不仅带走了湿热空气的热量，同时将湿热空气中的水份凝结在水箱，可用于生产高纯水。

32、(3)本发明的装置还可以包括可再生能源发电装置和水电解槽，可再生能源发电装置为水电解槽提供能源，水电解槽能将富余且不稳定光能、风能或谷电转化为和氢气，并传送至储气单元贮存，待需要使用时再送至反应室进行反应，起到节能环保，减少能量损失的效果。

33、(4)本发明的装置中，反应室的氢气进口和空气进口应至少有两个，在反应过程中可分段加入氢气，氢气每段加入量不超过管道里空气流量的8％(体积比)。最低量甚至可以低到0.1％(vol)，具体氢气加入量根据室内的加入速度来调节。氢气最好是绿氢，其中不含其他杂原子气体。经过试验可知：在第一阶段氢气反应完后，后面的温度显示温升在每加入体积浓度1％氢气后，反应室管道内温升增加50～70℃；再根据室内取暖需要，第二段需要及时补充氢气，以使得反应继续进行，而且同样在消耗1(vol))％氢气后，管道内的温度应该在50～70℃，反应管内的空气中氧气浓度会根据加入的氢气量相应降低，同时空气中会有热的水蒸气生成。更为重要的是，我们的催化剂可以使得进入的氢气完全和氧气反应，出口氢气低于10ppm，即使0.4(vol)％的h2在空气中，经过催化剂床层，也可以是催化剂床层升温8-20℃，和气体流速相关。

34、(5)本发明的工艺包括以下步骤：1)将储气单元的氢气和空气引入反应室内，与管道的催化剂床层接触，引发氢气和氧气间的反应，生成水蒸气和得到湿热空气；2)湿热空气出口至加热引导装置进行排放，用于室内取暖和净化并湿润空气。在氢气和氧气的反应过程中，只要反应温度高于10℃，反应都能顺利进行，若室温催化剂床层低于10℃，根据催化剂性质，也许需要提供少量热量以引发反应，反应被引发后，由于该反应是放热的，即使不用加热，只要催化剂存在，反应室中的氢气和氧气就能继续完全反应，生成水蒸气，由于反应室设置为多段管道，经过一段或多段反应后，热气流中的氧残留(以氢气为主流气流)或者氢气(以氧气或者空气为主流气流)残留一般不超过50ppm，甚至低至1ppm。当反应被引发后，虽然是氢氧反应，但是本装置能通过储气单元的气体流量，从开始就确保氢气或者空气中氧气的体积浓度低于爆炸限，而且因为采用了催化剂催化氢和氧反应，所以不需要把氢气量加到爆炸限以上来引发反应。基于本发明的装置和工艺能保证反应的安全性和可靠性。

35、(6)当用于纯净水产生时候，可以把本发明的装置浸入海水容器或者冷水的容器，当含有氧气或纯氧气和氢气流经过催化剂床层，从内部产生热量，蒸发海水。同时经过催化剂床层的氢氧反应所产生的水经过冷却直接收集。