CN116605837A - 一种基于直流电弧风洞的制氢方法及制氢设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流电弧风洞的制氢方法及制氢设备，包括等离子发生器以及与等离子发生器的端部同轴连接的超声速喷管；沿着等离子发生器的另一端设有阴极块，且等离子发生器的侧周设有阳极块，阴极块与阳极块之间设有气体注入口，阴极块与阳极块之间产生电弧，且电弧长度方向与气流方向共轴；制氢气体在等离子发生器的高温高压电弧环境下被裂解为含有氢气的多种组分的高温气体混合物，高温气体混合物经超声速喷管加速并分离出氢气；本发明结合直流电弧等离子和风洞技术，实现将甲烷(天然气的主要成分)转化为氢气的工艺，同时减少或不排放二氧化碳。

Description

一种基于直流电弧风洞的制氢方法及制氢设备

技术领域

本发明设计制氢工艺技术领域，具体为一种基于直流电弧风洞的制氢方法及制氢设备。

背景技术

目前现阶段主要用来制氢的方法是化石原料制氢法，使用基于天然气、页岩气、可燃冰为代表的化石能源通过重整技术生成氢气。由于其主要成分是甲烷，甲烷水蒸气重整制氢是此类采用最多的制氢技术。此方法技术成熟、成本低，适合大规模制氢，但是排放量高，气体杂质多需要提纯。而通过含氢化合物高温热分解制氢方法具有转化率高、原料易得、工艺简单的特点，但大规模生产使用热能多，成本较高。

高温热分解制氢方法需要对化学反应进程进行精细控制，如在高温条件下碳氢分子裂解后需要对高温环境及时调控来终止化学反应。目前对高温环境的调控方式是通过快速热交换将热量带出高温环境来降低气流温度，由于热交换气流冷却时间相对于化学反应时间较长，因此难以对反应进程进行精细控制。

发明内容

为此，本发明提供一种基于直流电弧风洞的制氢方法及制氢设备，以解决现有技术中存在的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种基于直流电弧风洞的制氢设备，包括：

包括等离子发生器以及与所述等离子发生器的端部同轴连接的超声速喷管；

沿着所述等离子发生器的另一端设有阴极块，且所述等离子发生器的侧周设有阳极块，所述阴极块与阳极块之间设有气体注入口，所述阴极块与所述阳极块之间产生电弧，且电弧长度方向与气流方向共轴；

制氢气体在所述等离子发生器的高温高压电弧环境下被裂解为含有氢气的多种组分的高温气体混合物，所述高温气体混合物经所述超声速喷管加速并终止气体化学反应。

作为本发明的一种优选方案，所述等离子发生器在所述阳极块的下游设有驻室，且所述驻室的下游设有与所述超声速喷管的内管径对接的喉道。

作为本发明的一种优选方案，所述阴极块使用掺镧钨电极，所述阳极块使用熔点高的金属或合金。

作为本发明的一种优选方案，所述等离子发生器在所述阴极块和所述阳极块之间形成电弧腔，且所述电弧腔内呈高压高温强电磁环境状态。

作为本发明的一种优选方案，所述气体注入口注入的气体为甲烷，或者甲烷与气态添加物的混合气体，所述气态添加物能够对甲烷裂解的化学反应过程进行调控。

作为本发明的一种优选方案，所述气体注入口的管道内壁设有多个呈螺旋设置的叶片，所述相邻两个所述叶片之间形成螺旋通道，从所述气体注入口注入的气体增加沿轴线的旋流分量来驱动所述阴极块与所述阳极块之间的电弧进行旋转，以减轻烧蚀。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明采用直流电弧等离子体风洞方法，能够通过电弧快速将碳氢分子加热到解离状态，然后经过喷管膨胀过程使气流快速降温来终止化学反应，从而实现对碳氢分子裂解的精确调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的结构示意图。

图中的标号分别表示如下：

1-等离子发生器；2-超声速喷管；3-阴极块；4-阳极块；5-气体注入口；6-驻室；7-喉道；8-电弧腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种基于直流电弧风洞的制氢设备，包括等离子发生器1以及与所述等离子发生器1的端部同轴连接的超声速喷管2。

沿着所述等离子发生器1的另一端设有阴极块3，且所述等离子发生器1的侧周设有阳极块4，其中，所述阴极块3的形状为柱形，所述阳极块4的形状为环绕在所述等离子发生器1周向的环形。

所述等离子发生器1在所述阳极块4的下游设有驻室6，且所述驻室6的下游设有与所述超声速喷管2的内管径对接的喉道7。

优选的是，所述阴极块3使用掺镧钨电极，所述阳极块4使用熔点高的金属或合金。

所述等离子发生器1在所述阴极块3和所述阳极块4之间形成电弧腔8，且所述电弧腔8内呈高压高温强电磁环境状态。

所述等离子发生器1在所述阴极块3与阳极块4之间设有用于通入燃气流的气体注入口5，所述阴极块3与所述阳极块4之间产生电弧，且电弧的长度方向与燃气流在所述等离子发生器1内的流动方向共轴。

其中，所述燃气流在所述等离子发生器1的高温高压电弧环境下被裂解为含有氢气的高温气体混合物，所述高温气体混合物经所述超声速喷管2加速并分离出氢气。

所述气体注入口5注入的燃气流为甲烷，或者甲烷与气态添加物的混合气体，所述气态添加物能够对甲烷裂解的化学反应过程进行调控，因此高温气体混合物为氢气和碳氢气体的混合物。

超声速喷管2的马赫数可以根据工作条件进行设计，一般为马赫1.5。

所述高温气体混合物中的氢气浓度与产生的电弧流率、所述电弧腔8的温度和压力，以及所述高温气体混合物在所述驻室6的停留时间有关，因此，可以通过调节阴极块3与阳极块4的工作状态，改变生成的电弧质量流率，来优化下游氢气的生成率。

另外，作为本实施方式的优选，所述气体注入口5的管道内壁设有多个呈螺旋设置的叶片，所述相邻两个所述叶片之间形成螺旋通道，从所述气体注入口5注入的燃气流增加沿轴线的旋流分量来驱动所述阴极块3与所述阳极块4之间的电弧进行旋转，减轻烧蚀。

高温气体混合物经所述超声速喷管2加速并分离出氢气时，可以收集高温气体混合物在超声速喷管2的热量，并通过换热处理对注入的甲烷气体进行预热。

即通过收集产物气体的热量来预热甲烷气体，可以通过高效换热器设计来完成。比如，未预热甲烷气体通过换热器冷端入口后进入到电弧加热器中，换热器的热端通过换热工质与喷管、扩压器等装置连通带回热量。

基于上述，本实施方式还提供了一种基于直流电弧风洞的制氢设备的制氢方法，包括以下步骤：

步骤100、将燃气流注入等离子发生器内，燃气流在高温强电磁环境下被裂解为含有氢气的高温气体混合物；

步骤200、高温气体混合物进入超声速喷管，通过冻结所述高温气体混合物中的氢气进行氢气分离工作。

由于气流在超声速喷管内加速的特征时间尺度在亚毫秒量级，小于高温气体混合物在超声速喷管的化学反应时间，因此燃气流的高温化学反应会被冻结。在超声速喷管下游的高温气体混合物处于高速低温状态，因此气体化学反应终止，高温气体混合物中的氢气在下游被分离存储，而碳氢气体则分离后转化为工业用气进行焊接或再次进行电弧处理。

高温气体混合物经所述超声速喷管加速并分离出氢气的具体实现过程为：超声速风洞的喷管工作需要满足一定的总压和被压比例关系。当风洞下游的被压低于一定条件时，高温气体混合物通过超声速喷管的收缩段和扩张段后，其速度从驻止状态逐步加速到声速、超声速状态，其马赫数依赖于超声速喷管的出口与喉道的面积比。由于高温气体混合物形成的气流在超声速喷管内加速过程为等熵过程，高温气体混合物形成的气流的总能量保持不变，而内能逐步转化为机械能(即动能)，因此加速过程中高温气体混合物形成的气流的温度(即气流的静温)会逐步降低。当气流温度低于化学反应所需条件时，反应即终止，比如，甲烷的点燃温度538℃，低于该温度化学反应速率明显降低。

其中，另外分离高温气体混合物中的氢气和碳氢气体的具体实现过程为：当裂解后的高温气体混合物达到超声速喷管尾端时候处在超声速状态，通过使用扩压器的方法来降低气流速度，同时通过热交换器的方法来降低气流温度以到达室温状态，然后可以通过常规方法(深冷法、选择吸附法、膜分离等)分离氢气，氢气从喷管出口到热交换器出口的全过程温度都远低于其点燃温度。

高温气体混合物中的氢气随喷管加速到超声速，而裂解的气流中的固体碳会部分被吸附在超声速喷管内壁面。即裂解的气流进入扩压器逐渐降速、冷却过程中，固体碳颗粒会被进一步吸附在扩压器内壁面。当裂解的气流温度达到常温状态口，可由过滤装置将剩余的固体碳颗粒过滤，即可实现分离存储氢气。

本发明采用直流电弧等离子体风洞方法，能够通过电弧快速将碳氢分子加热到解离状态，然后经过喷管膨胀过程使气流快速降温来终止化学反应，从而实现对碳氢分子裂解的精确调控。即结合直流电弧等离子和风洞技术，实现将甲烷(天然气的主要成分)转化为氢气的工艺，同时减少或不排放二氧化碳。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于直流电弧风洞的制氢设备，其特征在于，包括：

等离子发生器(1)以及与所述等离子发生器(1)的端部同轴连接的超声速喷管(2)；

沿着所述等离子发生器(1)的另一端设有阴极块(3)，且所述等离子发生器(1)的侧周设有阳极块(4)，所述等离子发生器(1)在所述阴极块(3)与阳极块(4)之间设有用于通入燃气流的气体注入口(5)，所述阴极块(3)与所述阳极块(4)之间产生电弧，且电弧的长度方向与燃气流在所述等离子发生器(1)内的流动方向共轴；

其中，所述燃气流在所述等离子发生器(1)的高温高压电弧环境下被裂解为含有氢气的高温气体混合物，所述高温气体混合物经所述超声速喷管(2)加速并分离出氢气。

2.根据权利要求1所述的一种基于直流电弧风洞的制氢设备，其特征在于，

所述等离子发生器(1)在所述阳极块(4)的下游设有驻室(6)，且所述驻室(6)的下游设有与所述超声速喷管(2)的内管径对接的喉道(7)。

3.根据权利要求1所述的一种基于直流电弧风洞的制氢设备，其特征在于，

所述阴极块(3)使用掺镧钨电极，所述阳极块(4)使用熔点高的金属或合金。

4.根据权利要求2所述的一种基于直流电弧风洞的制氢设备，其特征在于，

所述等离子发生器(1)在所述阴极块(3)和所述阳极块(4)之间形成电弧腔(8)，且所述电弧腔(8)内呈高压高温强电磁环境状态。

5.根据权利要求4所述的一种基于直流电弧风洞的制氢设备，其特征在于，

所述高温气体混合物中的氢气浓度与产生的电弧流率、所述电弧腔的温度和压力，以及所述高温气体混合物在所述驻室(6)的停留时间有关。

6.根据权利要求1所述的一种基于直流电弧风洞的制氢设备，其特征在于，

所述阴极块(3)的形状为柱形，所述阳极块(4)的形状为环绕在所述等离子发生器(1)周向的环形。

7.根据权利要求1所述的一种基于直流电弧风洞的制氢设备，其特征在于，

所述气体注入口(5)注入的燃气流为甲烷，或者甲烷与气态添加物的混合气体，所述气态添加物能够对甲烷裂解的化学反应过程进行调控。

8.根据权利要求7所述的一种基于直流电弧风洞的制氢设备，其特征在于，

所述气体注入口(5)的管道内壁设有多个呈螺旋设置的叶片，所述相邻两个所述叶片之间形成螺旋通道，从所述气体注入口(5)注入的燃气流增加沿轴线的旋流分量来驱动所述阴极块(3)与所述阳极块(4)之间的电弧进行旋转。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的基于直流电弧风洞的制氢设备的制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100、将燃气流注入等离子发生器内，燃气流在高温强电磁环境下被裂解为含有氢气的高温气体混合物；

步骤200、高温气体混合物进入超声速喷管，通过冻结所述高温气体混合物中的氢气进行氢气分离工作。