[发明专利]利用水的热分解生产氢气的方法

说明书

本发明的领域

本发明属于利用水的热分解生产氢气的方法和装置。

本发明的背景

氢气早就被视为一种理想的可燃能源。氢气在空气中燃烧的产物基本上是水，但在某些条件下也可产生痕量的氮氧化物。氢气燃烧不产生任何二氧化碳，二氧化碳是一种“温室”气体，明显导致人们对环境，尤其是市区环境恶化的关注。燃料电池技术上的最新进展以及燃料电池的高总体能量效率已形成了有利于更广泛采用和利用氢气燃料的各种条件。

氢气主要通过重整烃，如甲烷来生产，较少利用水的电解。这些方法通常包括使用能够产生污染的能源。例如，在某些电解工艺中，热电站的烃消耗就是氢气生产链的一部分。因此，长期需要能够将水直接或间接转化成氢气的有效方法。

由水生产氢气的许多热方法可利用太阳能。其中一种方法是在非常高的温度下，通常在2200-2500℃下，将水在太阳能炉中直接分解。许多这些方法并不特别有效，有效氢气产率仅为10-15％。许多参考文献都公开了由太阳能热水离解反应得到氢气的方法，其中将氢气或氧气通过多孔材料，如金属镍选择性地提取(参见美国专利5397559、4233127、4053576、5306411；以及“在日光炉中分离水热解产物的可能性”，Shakhbazov等人，1977,Gelioteknika,13卷，№6,71-72页，UDC 621.472)。这些扩散法在商业实施时的一个明显重要的局限在于，气体分离速率明显取决于有效扩散表面的面积。大规模生产氢气就需要非常大的扩散表面或膜表面。因此，可能需要将大扩散表面加热至非常高的温度才能在气体冷却之前分离出所需分子，这样可防止氢气和氧气的再化合。这种大面积物质的加热可能会由于辐射能损失和相应的低效而产生明显的工业化问题。

美国专利4030890和4071608(Diggs)提出利用离心力从氧气中分离出氢气。Diggs公开了一种用于分离氢气和氧气的具有氧气出口和氢气出口的腔。氧气出口环绕在该腔的圆周壁中，靠近腔的底部，位于该腔的末端(由此加入水蒸汽)。Diggs设备中的氢气出口轴向位于该腔的上端，与加入水蒸汽的腔端相对。Diggs设备中氢气和氧气出口的这种排列方式是基于在反应腔的涡流中氧气和氢气出口具有特殊的空间分布。但加热气体在涡流管中行为复杂。在一种有时称作Ranque效应的工艺中，气流可在涡流管中分离成两股出口流，相对气体进料的温度，一股较热，另一股则较冷(参见美国专利1952281)。在该方法中，本领域知道，在管的轴向和径向都形成了压力和组成梯度而涡流芯包含一种沿着涡流周围与加热气体流向相反的方向流动的冷却气体。这种效应可用于从气流中分离蒸汽，如美国专利4343772和5843801所公开的。相反，美国专利3922871公开了其它的流动参数，据说可在涡流内产生相反的气体温度层化作用，位于涡流芯中的气体较热。尽管该参考文献没有给出具体的气体分离方法，但这说明了在涡流气流中可能遇到的各种情况。

需要有利用水的热解来生产氢气的替代方法和设备，特别是适合利用太阳能的方法和设备。

本发明的综述

一方面，本发明提供了一种由水生产氢气的方法，包括将水加热至水的离解温度，形成包含氢气和氧气的离解水反应混合物。形成反应混合物的涡流，使该反应混合物围绕涡流管反应器内部空间的纵向轴经受离心力，这样涡流管反应器内部空间中的氢气和氧气就发生径向层化。氢气优先在沿着涡流管反应器内部空间纵向轴的隔离点上从反应混合物中提取出来。或者，该方法可包括优先在沿着涡流管反应器圆周的纵向隔离点上从涡流的圆周部分中提取出氧气。水可通过聚焦在涡流管反应器上的集中的太阳能辐射而加热至离解温度，水的离解温度可以是约1800-3000℃。反应混合物可与催化剂接触，这样可将水催化离解成氢气和氧气。可施加真空以优先提取出氢气或氧气。

另一方面，本发明提供了一种涡流管反应器，包括具有第一端面和第二端面的细长壁，该壁和端面共同限定了一个具有纵向轴且适合容纳涡流的内部空间。第一端面上配有入口孔，用于将气体以正切角度引入内部空间，引发所述气体在内部空间围绕纵向轴进行圆周运动以形成涡流。氢气导管可沿着纵向轴同轴位于内部空间，氢气导管在纵向隔离点处可透过氢气。或者，氧气导管可同轴位于与圆柱壁相邻的内部空间，氧气导管在纵向隔离点处可透过氧气。该反应器可由适合经受水离解温度的耐火材料组成。