气体供热回路装置以及气体供热回路的运行方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种气体供热回路装置以及运行方法，回路装置包括气体换热器、压缩机以及冷却器，冷却器的进口端用于连接分解反应器，冷却器的出口端连接压缩机，压缩机连接气体换热器的进口端，气体换热器的出口端用于连接分解反应器，在压缩机的驱动下，工作气体进入气体换热器并被加热到预设温度后进入分解反应器为其供热，工作气体流出分解反应器后进入所述冷却器发生热量交换后返回所述压缩机，如此循环，工作气体以脉冲形式向分解反应器提供，工作气体的气体流速在预设流速值的100％

【技术实现步骤摘要】
气体供热回路装置以及气体供热回路的运行方法


[0001]本申请涉及化工、制氢
，特别是涉及一种气体供热回路装置以及气体供热回路的运行方法。

技术介绍

[0002]氢气是重要的工业原料，也是无污染、可再生的清洁能源及能源载体。除了在合成氨、合成甲醇等工业中的传统应用外，氢气在石油精炼、煤液化等领域的应用与需求近年来迅速增加；在作为能源用于燃料电池汽车、作为还原剂用于直接还原炼铁等领域需求也有巨大潜力。但是目前氢气的制备绝大部分由化石燃料转化制备，制备过程中排放大量CO2和其他有害气体。若要减少或者消除CO2排放，以水为原料制氢是很好的选择。水的直接分解需要2500℃以上的高温才能进行，在工程上难以实现。经过多年的研发与评估，国际上认为热化学碘硫(IS)循环和混合硫(HyS)循环是最有工业化前景的热化学分解水制氢流程。以工业热气、核能特别是高温气冷反应堆的高温氦气等为热源，经热化学循环分解水，可实现氢气的高效、无排放或低排放的大规模制备。IS循环由美国通用原子能(GA)公司于上世纪70年代提出，该循环过程由以下三个反应组成：
[0003](1)Bunsen反应：SO2+I2+2H2O
→
2HI+H2SO4(120℃)；
[0004](2)硫酸分解反应：H2SO4→
H2O+SO2+1/2O2(800
‑
900℃)；
[0005](3)氢碘酸分解反应:2HI
→
H2+I2(350
‑
550℃)。
[0006]上述三个反应耦合在一起的净反应为水分解：H2O
→
H2+1/2O2。碘硫循环将原本在2500℃以上高温进行的水分解反应在800～900℃实现。该循环具有无温室气体排放、预期制氢效率高、与高温堆热匹配性好(高温堆提供的工艺热可以高达950℃，能很好的满足碘硫循环的热需求)等优势。
[0007]HyS循环原理由美国西屋公司提出，包括HyS循环包括如下两步反应：
[0008]SO2去极化电解反应：SO2+2H2O＝H2SO4+H230
‑
120℃；
[0009]硫酸分解反应：H2SO4＝H2O+SO2+1/2O2，～850℃。
[0010]SO2电解产生硫酸和氢气，其中的氢气为产品，而硫酸将返回硫酸分解器，发生分解反应产生氧气和SO2，前者为副产品，后者再用于电解反应，如此组成闭合循环；净结果为水分解产生氢气和氧气。过程所需热和电可由太阳能提供。
[0011]上述两个热化学循环制氢工艺中的硫酸分解和碘化氢分解反应(也即氢碘酸分解反应)，是利用高温工艺热、实现高效制氢的核心环节。硫酸分解和碘化氢分解反应的反应器与传统反应器存在着重大区别，两者是以工业热气或者高温堆提供的高温氦气作为热源来进行加热，驱动反应的发生，也就是说，采用的是气体加热的换热式分解反应器，例如对于硫酸分解反应，研究者提出了列管式或集束式管壳换热反应器的设计方案。针对这些反应器的特点，需要设计相应的气体供热回路。
[0012]目前，用于硫酸分解和碘化氢分解反应的气体换热反应器结构较为复杂(多为列管结构)，气体温度较高(进气温度一般高于500℃)，对换热区温度的分布要求也非常严格。
常规气体供热回路难以满足上述要求，特别是在换热区中容易形成死区，这为高温分解反应操作带来了风险，同时也大幅度提高了相关分解反应器的设计难度。

技术实现思路

[0013]基于此，针对传统技术中常规气体供热回路无法适应高温气体换热式反应器的复杂结构，换热区温度分布不符合要求，容易形成死区等问题中的至少一种问题，有必要提供一种气体供热回路装置。本专利技术的气体供热回路装置通过工作气体以脉冲形式进入换热反应器的换热区，能够有效地产生气体湍流，冲刷换热表面，提高换热效率，减少局部换热死区的出现。
[0014]本申请一实施例提供了一种气体供热回路装置。
[0015]一种气体供热回路装置，包括气体换热器、压缩机以及冷却器，所述冷却器的进口端用于连接分解反应器，所述冷却器的出口端连接所述压缩机，所述压缩机连接所述气体换热器的进口端，所述气体换热器的出口端用于连接分解反应器，工作气体进入所述气体换热器并被加热到预设温度后，进入分解反应器为其供热，工作气体流出分解反应器后进入所述冷却器发生热量交换后返回所述压缩机，如此循环，所述工作气体以脉冲形式向分解反应器提供，所述工作气体的气体流速在预设流速值的100％
‑
2000％范围内变化。
[0016]在其中一些实施例中，所述气体供热回路装置还包括管路组件，所述管路组件包括第一气路管线、第二气路管、第三气路管线以及第四气路管线，所述第一气路管线的两端分别连接所述压缩机以及所述气体换热器，所述第二气路管线的两端分别连接所述冷却器以及分解反应器，所述第三气路管线的两端分别连接所述气体换热器以及分解反应器，所述第四气路管线的两端分别连接所述冷却器与所述压缩机。
[0017]在其中一些实施例中，所述气体供热回路装置还包括阀门组件，所述阀门组件包括第一控制阀门，所述第一控制阀门安装在所述第一气路管线上；
[0018]和/或，所述阀门组件包括第二控制阀门，所述第二控制阀门安装在所述第二气路管线上。
[0019]在其中一些实施例中，所述工作气体的脉冲形式为周期性或非周期性，每次脉冲的气体流速的峰值相同或者不同。
[0020]在其中一些实施例中，所述工作气体进入所述气体换热器并被加热到的所述预设温度为350℃
‑
1000℃。
[0021]在其中一些实施例中，所述工作气体在所述压缩机的驱动下的压力为绝对压力1标准大气压
‑
12MPa。
[0022]在其中一些实施例中，所述工作气体为氦气、氩气、氮气、二氧化碳或空气。
[0023]在其中一些实施例中，当分解反应器输出的气体温度不高于所述压缩机的进口端的气体温度上限时，控制所述冷却器为待机状态。
[0024]在其中一些实施例中，所述气体供热回路装置还包括如下技术特征：
[0025](1)所述压缩机的最大功率为8
‑
60KW，频率范围15～50Hz，气体流量范围10kg/h至20000kg/h，最高工作温度为350℃
‑
400℃。
[0026]在其中一些实施例中，所述压缩机为离心风机。
[0027]本申请一实施例提供了一种气体供热回路的运行方法。
[0028]一种气体供热回路的运行方法，使用所述气体供热回路装置，包括如下步骤：
[0029]控制工作气体进入气体换热器并被加热到预设温度后，进入分解反应器为其供热，工作气体流出分解反应器后进入所述冷却器发生热量交换后返回所述压缩机，如此循环，所述工作气体以脉冲形式向分解反应器提供，所述工作气体的气体流速在预设流速值的100％
‑
2000％范围内变化。
[0030]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体供热回路装置，其特征在于，包括气体换热器、压缩机以及冷却器，所述冷却器的进口端用于连接分解反应器，所述冷却器的出口端连接所述压缩机，所述压缩机连接所述气体换热器的进口端，所述气体换热器的出口端用于连接分解反应器，工作气体进入所述气体换热器并被加热到预设温度后，进入分解反应器为其供热，工作气体流出分解反应器后进入所述冷却器发生热量交换后返回所述压缩机，如此循环，所述工作气体以脉冲形式向分解反应器提供，所述工作气体的气体流速在预设流速值的100％
‑
2000％范围内变化。2.根据权利要求1所述的气体供热回路装置，其特征在于，所述气体供热回路装置还包括管路组件，所述管路组件包括第一气路管线、第二气路管线、第三气路管线以及第四气路管线，所述第一气路管线的两端分别连接所述压缩机以及所述气体换热器，所述第二气路管线的两端分别连接所述冷却器以及分解反应器，所述第三气路管线的两端分别连接所述气体换热器以及分解反应器，所述第四气路管线的两端分别连接所述冷却器与所述压缩机。3.根据权利要求2所述的气体供热回路装置，其特征在于，所述气体供热回路装置还包括阀门组件，所述阀门组件包括第一控制阀门，所述第一控制阀门安装在所述第一气路管线上，和/或，所述阀门组件还包括第二控制阀门，所述第二控制阀门安装在所述第二气路管线上。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的气体供热回路装置，其特征在于，所述工作气体的脉冲形式为周期性或非周期性，每次脉冲的气体流速的峰值相同或者不同。5.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的气体供热回路装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈崧哲，张平，王来军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：