一种用于热化学碘硫循环制氢系统的硫酸分解器的制作方法

本技术涉及水制氢，具体涉及一种用于热化学碘硫循环制氢系统的硫酸分解器。

背景技术：

1、氢是一种清洁高效的能量载体，具有热值高、无毒、可再生、来源多样的特点，被誉为“21世纪的能源”，对缓解世界能源危机和环境污染具有积极作用。目前制氢方法有很多种，主要分为化石燃料制氢、生物质制氢和水制氢三大类。其中化石能源制氢需要依赖化石燃料且制氢时会产生大气污染和温室效应，这种方法将会被逐渐取代。生物质制氢技术起步较晚，技术尚未发展成熟。而地球中水资源储量丰富，水制氢在未来将是推动氢能发展的主力军。

2、水制氢有多种方案，其中直接高温热解水制氢耗能较高；电解水制氢成本较高；光解水制氢能量利用效率低，易受外部条件影响，应用受限。相比之下，热化学碘硫循环水分解制氢由于其热效率较高、过程无污染，可匹配核能和太阳能、成本低、易于实现大规模工业化等优点，被认为极具发展前景，受到了国内外学者的广泛关注。

3、热化学碘硫循环制氢系统以水为原料，产物是氢气和氧气，其余中间产物循环回收，整个过程通过吸收外部提供的高温热量以维持连续的系统反应。该系统包含三大化学反应：本生(bunsen)反应、hi分解反应、h2so4分解反应。其反应原理如下：

4、

5、

6、其中硫酸分解反应(3)又分成了以下两步：

7、

8、

9、上述反应之中，硫酸初步分解反应(4)所需温度相对较低，无需催化剂并且反应迅速，容易实现100％分解。而so3分解反应(5)则必须使用催化剂，并且反应所需温度较高(1073-1173k)，在此温度下的反应环境具有较强的腐蚀性，因此硫酸分解反应是影响整个碘硫循环制氢过程热效率的主要步骤。如何实现硫酸安全、稳定、高效的分解是碘硫循环制氢系统中待解决的一大关键问题。

10、为实现较大的单元制氢量，目前的硫酸分解器通常广泛采用圆柱形反应器和电加热。由于反应器的直径较大，导致反应器径向传热困难。因此，此类设备存在传热效果差、难以耦合实际热源、耐腐蚀性能较差、催化剂成本较高或易失活、硫酸分解量小等缺陷。

11、因此，设计一种安全耐腐蚀、高效持久、传热性能优良并且适合工业化应用的硫酸分解器迫在眉睫。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种用于热化学碘硫循环制氢系统的硫酸分解器，其导热效率高，升温速度快，能够充分满足反应生产需求，其结构完整性高，安全稳定，简便易用。

2、本技术的技术方案如下：

3、本技术实施例提供了一种用于热化学碘硫循环制氢系统的硫酸分解器，其包括相互连接的预热分解反应器和催化分解反应器；

4、上述预热分解反应器包括加热套管、预热分解管、内加热器和第一外加热器，上述内加热器穿设于上述加热套管内，上述预热分解管套设于上述加热套管外且与上述加热套管之间存在间隔并限定形成反应腔室，上述反应腔室内设置有导热填充层，上述催化分解反应器与上述反应腔室连通，上述第一外加热器套设于上述预热分解管外；

5、上述预热分解管设置有与上述反应腔室连通的硫酸进料管，上述催化分解反应器设置有排料管。

6、相对于现有技术，本技术的实施例至少具有如下优点或有益效果：

7、针对上述方面，本技术实施例提供了一种用于热化学碘硫循环制氢系统的硫酸分解器，其包括预热分解反应器和催化分解反应器，其中，预热分解反应器又包括加热套管、预热分解管、内加热器和第一外加热器。在实际使用时，加热套管和预热分解管形成双层套管结构，其内部限定形成反应腔室，硫酸物料在反应腔室内流动，与传统的直径较大的圆柱形反应器相比能够有效减小径向传热间距，从而加快流体中心处的升温速率。同时通过加热套管内部的内加热器提供热源进行加热，从而进一步提高加热效率，提升传热效果，进而能够减小为了充分预热所需的设备长度尺寸。另外，通过在反应腔室内设置导热填充层，既增大了壁面向流体域内部的传热速率，又使硫酸溶液或混合气体在流动过程中能够形成涡流并相互扰动，增强了流体相互之间的传热效果；在两种增强效果下可以极大提高硫酸的升温速率，并使硫酸温度分布更加均匀。同时，将预热分解反应器和催化分解反应器独立设置并使二者相互连接，在实际使用的过程中，能够根据现场实际情况灵活布置设备的安装位置，因此在现场空间条件不佳的应用场景下也能够满足安装要求，且后期维护起来更为方便，便于推广使用。

8、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述内加热器和第一外加热器可采用电热加热器，其中第一外加热器还可以采用热油等换热介质，在提供加温的同时可以起到保温作用。

9、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述催化分解反应器包括催化分解管和第二外加热器，上述催化分解管内部与上述反应腔室连通，上述排料管设置于上述催化分解管，上述第二外加热器套设于上述催化分解管外；上述催化分解管内设置有催化填充层。

10、在上述实施例中，通过在催化分解管外侧设置第二外加热器，能够起到辅助升温的作用，有助于进一步提高其加热传热效率，以满足催化分解的反应温度需求。其中，第二外加热器可采用电加热器，也可采用热油等换热介质。

11、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述导热填充层内填充有sic颗粒，上述催化填充层内填充有催化剂。

12、在上述实施例中，sic颗粒具有较大的导热系数，有助于进一步提升导热效果，同时还能够使硫酸物料在填充有sic颗粒的导热填充层中流动时能够形成涡流并相互扰动，从而进一步增强传热效果，使其温度分布更加均匀。具体的，sic颗粒的粒径为2～5mm，孔隙率约为0.5。上述催化填充层内填充的催化剂可选用催化活性较高、成本低廉且稳定性较高的fe2o3、ceo2等金属氧化物，或者是cufe2o4等复合金属氧化物中的任意一种。

13、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述催化分解管的上下两端开口且两端均设置有法兰，其下端通过法兰盲板封闭。

14、在上述实施例中，在催化分解管的上下两端开口并设置法兰，对其底端进行封闭，以便于实际装配使用，能够更好的适用于各种不同的生产环境，也有利于设备后续维护。

15、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述催化分解管内设置有热电偶套管，上述热电偶套管穿设于上述催化分解管上端的法兰内并延伸至上述催化填充层内，上述热电偶套管内设置有活动式热电偶。

16、在上述实施例中，通过设置热电偶套管并在热电偶套管内设置活动式热电偶，能够实时监测催化分解管内部的温度，以便于及时对温度进行调控。具体的，上述活动式热电偶为k型热电偶。

17、进一步的，在本技术的一些实施例中，还包括连接管，上述连接管的一端与上述预热分解管连接且与上述反应腔室连通，另一端与上述催化分解管连接且内部连通。

18、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述连接管外壁包覆有保温层；上述连接管设置有压力计。

19、在上述实施例中，在连接管外壁包覆保温层有助于减缓热量散失，确保高温物料在进入催化分解反应器时温度相对稳定。具体的，保温层的材质为保温棉。通过设置压力计有助于实时监控设备内部的压力变化，从而在出现超压等情况时能够及时做出应对措施，有助于提高设备安全性。此外，还可以将压力计设置于预热分解管和催化分解管的顶部，压力计可通过信号线连接至上位工控机或声光报警器。

20、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述反应腔室内设置有多个横向和斜向的导流板。

21、在上述实施例中，设置多个导流板能够进一步改变流体方向从而增加流体回流路径，延长硫酸物料在导热填充层中的停留时间，以提升导热效果。

22、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述预热分解管内设置有热电偶，上述热电偶位于上述导热填充层内。

23、在上述实施例中，能够通过热电偶来对温度进行实时监控，以便于做出调节。

24、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述加热套管、上述预热分解管与上述内加热器为竖向同轴设置。

25、在上述实施例中，同轴套管结构有助于减小传热间距，加快物料升温速率，提升传热效果。

26、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述导热填充层和上述催化填充层的两端均设置有筛网，以防止填充物料流失。

27、进一步的，在本技术的一些实施例中，上述硫酸进料管、加热套管、预热分解管、催化分解管、排料管、热电偶套管和法兰的材质均为sic材料，以增强抗腐蚀的效果，有助于延长设备使用寿命，提升设备使用稳定性。