一种氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置及方法

本发明涉及氢能应用，具体而言，涉及一种氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置及方法。

背景技术：

1、氢气是一种高效的清洁能源。氢的重量热值高于各类化石燃料，是同等重量汽油的三倍多、褐煤的九倍多，能量释放强劲，且燃烧产热时只生成水，不会产生碳排放或其它温室气体。虽然目前全球90％以上的氢气仍产自化石燃料，在制氢生产过程中会产生碳排放，但随着电解水制氢和可再生能源的不断发展，绿氢的占比将逐步增加，氢能将成为一种真正零碳的清洁能源。目前约99％的氢气作为基础化工原料用来合成氨、炼油或生产化工产品，氢气燃烧利用作为推进氢能低碳利用的主体占比极低，这与氢能的发展战略极度不匹配，而这种现象的产生主要与氢气燃烧技术发展存在较多难题有关。

2、与天然气相比，氢气可燃范围(体积分数)更广，点火能只有甲烷点火能的7％，意味着氢气的自动点火时间要远低于甲烷，因此氢气具有更高的自燃以及爆炸风险。氢气的绝热火焰温度要高于甲烷，且火焰形状也更加紧凑，因此更容易在实际的燃烧过程中出现超过2000℃以上的局部高温，增加了普通碳钢容器发生蠕变的风险，同时，较高的燃烧温度也会产生更多的热力型nox，造成氢气燃烧时的nox排放量要大于天然气燃烧时的nox排放量。另外，氢气燃烧时还存在回火、热声振荡等问题，为燃烧设备的正常运行带来极大安全隐患。开发采用氢气催化燃烧技术，可借助催化剂的作用降低氢气的起燃温度，并利用催化剂颗粒散热面大的有利因素，抑制氢气燃烧时催化剂床层的整体温升，进而有效减少nox的排放，同时可一定程度上避免回火和热声振荡等问题。然而，由于氢气的易燃易爆特性，对氢气(催化)燃烧进行实验研究风险较大，导致相关的技术开发与应用进展缓慢。

3、另一方面，工业上有大量涉及吸热反应的过程，如烃类蒸汽或二氧化碳重整制氢、丙烷脱氢制丙烯、二氧化碳加氢还原等，都是吸热反应过程，而在氢能领域作为储氢剂使用的有机液体氢化物其脱放氢过程也是吸热的。为了维持吸热反应过程正常进行，需要外界提供热量给反应体系。目前工业上一般采用化石燃料燃烧的方式或电加热的方式供热，但是化石燃料燃烧必定会产生碳排放及nox等有害物质，而采用电加热则不但费用高且依赖于稳定电力供应。

4、因此，需要开发新的供热方式，其中通过氢气催化燃烧供热无疑是一种理想选择，因为氢气燃烧不但清洁环保绿色低碳，而且同等燃料用量下氢气燃烧的供热量大，同时热导率大，能量利用率高，此外氢气燃烧速度快、传热响应快、燃烧完全度高。例如公开号为：cn 109855107a的中国发明专利提供了一种供热脱氢一体化反应器，然而该一体化反应器具有一定的安全隐患，因此设计开发安全高效的利用氢气催化燃烧给吸热反应供热的装置是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供了一种氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置，其能够安全高效地利用氢气催化燃烧给吸热反应供热。

2、本发明的目的还在于，提供了一种氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置，其能够安全高效地利用氢气催化燃烧给吸热反应供热。

3、本发明的实施例可以通过以下方式实现：

4、一种氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置，所述氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置包括：

5、壳体；

6、氢催化燃烧反应管，所述氢催化燃烧反应管安装在所述壳体内，且所述氢催化燃烧反应管与所述壳体的内壁之间形成壳层空间；

7、氢气管路，所述氢气管路的至少部分位于所述氢催化燃烧反应管内，所述氢气管路具有相对的进气端和封闭端；所述氢气管路位于所述氢催化燃烧反应管内的部分具有氢气流出孔，所述氢气管路中的氢气通过所述氢气流出孔进入所述氢催化燃烧反应管；

8、中空泡沫镍催化剂床层，所述中空泡沫镍催化剂床层填充所述氢催化燃烧反应管内，且位于所述氢气管路外部；以及

9、助燃气管路，所述助燃气管路与所述中空泡沫镍催化剂床层连通，所述助燃气管路用于向所述中空泡沫镍催化剂床层输送助燃气，以使所述氢气与所述助燃气在所述中空泡沫镍催化剂床层中发生氢催化燃烧反应；

10、其中，所述壳体还具有与所述壳层空间连通的进料口和出料口，所述进料口用于向所述壳层空间通入吸热反应原料，以使所述吸热反应原料在所述壳层空间中发生吸热反应；所述出料口用于排出所述吸热反应产生的反应产物。

11、可选地，所述氢气管路的封闭端端面与所述中空泡沫镍催化剂床层的端面齐平形成配合面；所述壳体还具有与所述氢催化燃烧反应管连通的出气口，所述氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置还包括金属填料，所述金属填料位于所述配合面与所述出气口之间。

12、可选地，所述氢气管路的周壁上开设有多个氢气流出孔，多个所述氢气流出孔沿所述氢气管路的轴向间隔分布，且所述氢气流出孔距离所述助燃气管路和所述中空泡沫镍催化剂床层的连通处的最小距离不少于50mm。

13、可选地，多个所述氢气流出孔沿所述氢气管路的轴向均匀分布；或者，

14、多个所述氢气流出孔沿所述氢气管路的轴向不均匀分布，且在所述氢气管路靠近所述进料口的部分的氢气流出孔的分布密度小于在所述氢气管路靠近出料口的部分的氢气流出孔的分布密度。

15、可选地，所述氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置还包括多个温度检测件，多个所述温度检测件沿所述进料口至所述出料口的方向间隔分布，以对所述壳层空间不同位置进行温度检测；多个所述温度检测件沿所述氢催化燃烧反应管的轴向间隔分布，以对所述氢催化燃烧反应管内的不同位置进行温度检测。

16、可选地，所述中空泡沫镍催化剂床层包括中空泡沫镍以及负载在所述中空泡沫镍上的催化活性组分；所述催化活性组分包括pt、pd、ru、au、ag中的至少一种；所述中空泡沫镍的孔隙率为40％～90％，孔径为0.1mm～0.5mm；所述中空泡沫镍上负载的催化活性组分的负载量为0.001wt％～0.1wt％。

17、可选地，所述氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置还包括填充在所述壳层空间中的吸热反应催化剂床层。

18、可选地，所述氢气管路的材质为金属；所述氢气管路的内径为3mm～14mm，所述氢气管路的厚度为1mm～3mm，长径比为10～100；和/或，

19、所述氢气管路上的氢气流出孔的直径为0.5mm～3mm。

20、可选地，所述氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置还包括保温层，所述保温层包裹在所述壳体外。

21、可选地，所述氢催化燃烧反应管的内径为8mm～32mm，壁厚为1mm～3mm，长径比为10～50；所述氢催化燃烧反应管的材质为不锈钢；和/或，

22、所述壳体的内径为20mm～80mm，壁厚为3mm～6mm。

23、一种氢催化燃烧供热耦合吸热反应方法，所述氢催化燃烧供热耦合吸热反应方法采用如上述的氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置实现；所述氢催化燃烧供热耦合吸热反应方法包括：

24、通过氢气管路和助燃气管路分别向中空泡沫镍催化剂床层中充入氢气和助燃气；其中，所述助燃气中含有氧气，所述氢气与所述氧气的体积比为0.04～2，所述助燃气流经所述中空泡沫镍催化剂床层时的体积空速为1000h-1～50000h-1；

25、从所述进料口向所述壳层空间通入吸热反应物料。

26、本发明的实施例提供的氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置及方法的有益效果包括：

27、本发明的实施例提供的氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置，其包括壳体、氢催化燃烧反应管、氢气管路、中空泡沫镍催化剂床层以及助燃气管路。氢催化燃烧反应管安装在壳体内，且在氢催化燃烧反应管与壳体的内壁之间形成壳层空间，壳体还具有与壳层空间连通的进料口和出料口，吸热反应原料从进料口进入壳层空间，在壳层空间中发生吸热反应后产生的反应产物从出料口排出。氢气管路的至少部分位于氢催化燃烧反应管内，中空泡沫镍催化剂床层填充在氢催化燃烧反应管内，且位于氢气管路外，助燃气管路与中空泡沫镍催化剂床层连通，从而向中空泡沫镍催化剂床层中输送助燃气，氢气管路中的氢气通过氢气流出孔进入氢催化燃烧反应管，从而在中控泡沫镍床层中与助燃气发生氢催化燃烧反应，氢催化燃烧反应为吸热反应提供热量。由于氢气与助燃气以非预混方式分别引入氢催化燃烧反应管，与氢气与助燃气预混直接燃烧相比降低了高温与安全风险，且由于泡沫镍具有窄多孔结构，能捕获自由基、阻断火焰传播，可避免回火或爆炸等破坏性现象发生，保障装置运行安全。同时泡沫镍还具有热导率高的有益效果，能够及时传递热量，提高了能量利用效率。综上，该氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置能够更加安全有效地利用氢气催化燃烧给吸热反应供热。

28、本发明的实施例还提供了一种氢催化燃烧供热耦合吸热反应方法，该方法基于上述的氢催化燃烧供热耦合吸热反应装置实现，因此也具有能够更加安全有效地利用氢气催化燃烧给吸热反应供热的有益效果。