[發明專利]一種氫燃料無焰催化燃燒膜反應生產高質量水蒸汽的方法

有效

• 申請號: 202110273543.0
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113091029B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 余江龍;金鐘鎬;竇金孝
• 申請（專利權）人: 蘇州工業園區蒙納士科學技術研究院;遼寧科技大學;蘇州龍泰氫一能源科技有限公司
• 主分類號: F22B1/00
• 分類號: F22B1/00;F23D14/18
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所(普通合伙) 21224
• 代理人: 陶新亞

本發明涉及一種氫燃料無焰催化燃燒膜反應生產高質量水蒸汽的方法，包括：1)氫燃料進入反應器上部的燃料通道，壓縮空氣進入反應器下部的催化燃燒反應室，燃料通道和催化燃燒反應室之間采用高溫膜分隔；2)催化燃燒反應室內設有固體催化劑，氫燃料通過高溫膜擴散到催化燃燒反應室中，并在催化燃燒反應室中發生催化燃燒反應；3)催化燃燒反應的產物通過反應器出口進入冷卻裝置；4)催化燃燒反應產生的熱量通過熱交換器加熱水，產生高溫高壓的水蒸汽。本發明實現了高效生產高品質水蒸氣的熱能生產，并實現了熱能生產過程的零污染排放。

技術領域

本發明涉及氫能利用、熱能生產及催化反應技術領域，尤其涉及一種氫燃料無焰催化燃燒膜反應生產高質量水蒸汽的方法。

背景技術

隨著世界范圍內能源供應不斷增加與環境污染的矛盾日益突出，以氫能為基礎的能源供應結構越來越受到重視。我國氫能生產和利用比例也將會迅速上升，并將可能在我國未來的能源供應體系中成為主體。

眾所周知，利用碳基能源資源實現大規模能源生產的最主要問題就是在能源生產(如生產電力，水蒸汽、動力等)的同時，產生大量的空氣污染物(如硫化物、氮氧化物和粉塵顆粒物等)，導致嚴重的空氣污染，這也是我國大范圍工業霧霾的主要成因。通過現有技術實現這些空氣污染物的控制而滿足國家排放標準，不僅因其成本高、運行費用大，而導致企業運行成本大大增加，同時還可能造成嚴重的二次污染，形成污染物的轉移，造成更嚴重的土壤污染和水污染。

氫燃料是公認的清潔燃料。目前氫能利用主要通過氫燃料電池實現，主要用于電力的生產。但目前存在能源轉化整體效率低、設備成本高、設備大型化困難、實現大規模電力生產和供應難度大等問題。同時，氫燃料電池也無法解決工業生產對高品質水蒸汽(即熱能生產和供應)的要求。

用氫燃料替代目前的碳基燃料在傳統的能源生產裝置(如鍋爐、燃氣輪機等)中進行能源生產有極大的難度，同時對能源的安全生產也是嚴峻的挑戰。因此，研發新的氫能高效利用技術迫在眉睫。

發明內容

本發明提供了一種氫燃料無焰催化燃燒膜反應生產高質量水蒸汽的方法,結合膜反應器和催化反應器的優點，在500～800℃溫度范圍通過使用Pt基催化劑實現氫燃料的無焰催化燃燒，同時集成高效熱交換器，實現了高效生產高品質水蒸氣的熱能生產，并實現了熱能生產過程的零污染排放。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案實現：

一種氫燃料無焰催化燃燒膜反應生產高質量水蒸汽的方法，包括如下步驟：

1)以純氫作為燃料，以壓縮空氣為氧化劑；氫燃料進入反應器上部的燃料通道，壓縮空氣進入反應器下部的催化燃燒反應室，燃料通道和催化燃燒反應室之間采用高溫膜分隔；

2)催化燃燒反應室內設有固體催化劑，氫燃料通過高溫膜擴散到催化燃燒反應室中，并在催化燃燒反應室中發生催化燃燒反應，燃燒過程為無焰燃燒，反應溫度為500～800℃；

3)催化燃燒反應的產物通過反應器出口進入冷卻裝置，其中的水蒸汽冷卻后形成水，剩余氧和氮氣從冷卻裝置出口排出；

4)催化燃燒反應產生的熱量通過熱交換器加熱水，產生高溫高壓的水蒸汽。

所述的固體催化劑由催化劑顆粒及其載體組成；催化劑顆粒的粒徑為100～500微米，催化劑表達式為Al₂O₃/Pt_m-Co_n-X_y，m為0.3-0.5，n為0.3-0.5，X為Mn、Cu、Ce、Pd、或Nd，y為0.05-0.25，所述的催化劑載體為多孔氧化鋁陶瓷，催化劑載體的擔載量為1.0-8.0％。

所述固體催化劑填充到催化反應室的下半部分，構成固定床式的催化燃燒反應室。

所述催化燃燒反應室的溫度通過控制氫燃料的流量和通入熱交換器中的水流量進行控制。