一種零碳排放的甲醇水重整制氫系統及其應用和制氫方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及氫氣制備設備技術領域，特別涉及一種零碳排放的甲醇水重整制氫系統及其應用和制氫方法。
【背景技術】
[0002]氫，是一種21世紀最理想的能源之一，在燃燒相同重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產生的能量最多，而且它燃燒的產物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環境；而煤和石油燃燒生成的主要是0)2和SO2，可分別產生溫室效應和酸雨。煤和石油的儲量是有限的，而氫主要存于水中，燃燒后唯一的產物也是水，可源源不斷地產生氫氣，永遠不會用完。氫的分布很廣泛，水就是氫的大“倉庫”，其中含有11%的氫。泥土里約有1.5%的氫；石油、煤炭、天然氣、動植物體內等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在的，而地球表面約70%為水所覆蓋，儲水量很大，因此可以說，氫是“取之不盡、用之不竭”的能源。如果能用合適的方法從制取氫，那么氫也將是一種價格相當便宜的能源。
[0003]目前，世界上氫的年產量約為3600萬噸，制氫方法主要有兩種:其一、絕大部分氫是從石油、煤炭和天然氣中制取，這種方法需要消耗本來就很緊缺的礦物燃料；其二、約有4%的氫是用電解水的方法制取，這種方法消耗電能大，很不劃算。隨著技術的進步，采用甲醇和水重整制氫的技術漸漸得到發展，其能減少化工生產中的能耗和降低成本，并有望替代電能消耗特別大的電解水制氫工藝。利用先進的甲醇水蒸氣重整技術制取比與0)2的混合氣體，再經鈀膜分離器分離，可分別得到HjP CO 2。
[0004]參照中國發明申請201310340475.0 (申請人:上海合既得動氫機器有限公司)，該專利公開了一種甲醇水制氫系統，甲醇與水蒸氣重整器的重整室內，在350-409°C溫度下1-5M Pa的壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統。反應方程如下:(I) CH3OH — C0+2H2； (2) H 20+C0 — C02+H2； (3) CH 30H+H20 — C02+3H2，重整反應生成的 H2和CO2,再經過分離室的鈀膜分離器將HjP CO 2分離，得到高純氫氣，而二氧化碳及未反應的水汽則直接排出外界。
[0005]然而，由于二氧化碳作為主要溫室氣體，其導致的溫室效應影響著大氣圈與生物圈原有的平衡，引發了一系列與人類生活環境緊密相關的問題，威脅著人類的生存，因此，上述甲醇水制氫系統直接排出CO2不利于環境保護。并且，由于CO2又可作為碳資源加以開發利用，在工業和國民經濟各部門具有廣泛的應用價值，而上述甲醇水制氫系統直接排出的CO2通常是純度較高的CO 2 (主要雜質為水汽)，因此，這樣直接排出實屬資源浪費。此夕卜，從甲醇水制氫系統直接排出的二氧化碳具有較高溫度(405-570°C之間)，容易影響制氫系統各部分設備運轉，特別是當甲醇水制氫系統運用于燃料電池汽車等新能源領域時，燃料電池汽車還需要專門設置排放二氧化碳的煙囪，這樣極不利于燃料電池汽車的推廣和應用。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術中的不足，提供一種零碳排放的甲醇水重整制氫系統，該制氫系統能夠回收CO2，不影響環境，對制氫系統自身無傷害，有利于燃料電池汽車等新能源領域的推廣和應用。為此，本發明還要提供該零碳排放的甲醇水重整制氫系統的應用，以及該零碳排放的甲醇水重整制氫系統的制氫方法。
[0007]為解決上述第一個技術問題，本發明的技術方案是:一種零碳排放的甲醇水重整制氫系統，包括甲醇水儲存容器、輸送栗、第一換熱器、重整器及二氧化碳回收裝置，其中:
甲醇水儲存容器，其內儲存有液態的甲醇和水；
輸送栗，用于將甲醇水儲存容器中的甲醇和水輸送至重整器的重整室；
第一換熱器，安裝于輸送栗與重整器之間的輸送管道上，低溫的甲醇和水在第一換熱器中，與重整器輸出的高溫二氧化碳及水汽混合氣體進行換熱，甲醇和水溫度升高，二氧化碳及水汽混合氣體溫度降低；
重整器，設有重整室、電磁加熱器及氫氣純化裝置，所述電磁加熱器包括電磁線圈及金屬受磁體，電磁線圈通電后能廣生尚頻磁場，使金屬受磁體受磁場感應而發熱，為重整室提供熱能；所述重整室內設有催化劑，甲醇和水在重整室內發生甲醇和水的重整制氫反應制得二氧化碳和氫氣，該二氧化碳、氫氣以及未反應的水汽混合成高溫混合氣體，輸向氫氣純化裝置；所述重整室與氫氣純化裝置通過連接管路連接，連接管路的全部或部分設置于重整室內，能通過重整室內的高溫繼續加熱從重整室輸出的高溫混合氣體；所述連接管路作為重整室與氫氣純化裝置之間的緩沖，使得從重整室輸出的高溫混合氣體的溫度與氫氣純化裝置的溫度相同或接近；經氫氣純化裝置對高溫混合氣體進行分離后，從氫氣純化裝置的氫氣輸出端輸出氫氣，從氫氣純化裝置的余氣輸出端輸出二氧化碳和未反應的水汽混合氣體，該二氧化碳和未反應的水汽混合氣體經第一換熱器后輸向二氧化碳回收裝置；
二氧化碳回收裝置，用于回收從重整器輸出的二氧化碳及部分水汽，該二氧化碳回收裝置為可更換的模塊化二氧化碳回收裝置。
[0008]作為對本發明的進一步闡述:
所述零碳排放的甲醇水重整制氫系統還包括氣體回轉管道，該氣體回轉管道設置于二氧化碳回收裝置與重整器的重整室之間，該氣體回轉管道設置有傳感器及電磁閥，該傳感器用于感應二氧化碳回收裝置中的氣壓，當氣壓達到或高于安全氣壓值時，電磁閥打開，二氧化碳回收裝置中的部分氣體經氣體回轉管道輸送至重整器的重整室，當氣壓低于安全氣壓值時，電磁閥關閉，氣體回轉管道關閉。
[0009]所述零碳排放的甲醇水重整制氫系統還包括水回收裝置，該水回收裝置設置于二氧化碳回收裝置與第一換熱器之間；所述二氧化碳及水汽混合氣體經第一換熱器降溫后，大部分水汽流入水回收裝置儲存。進一步，水回收裝置與甲醇水儲存容器之間設置有輸水管道，該水回收裝置中的水可經輸水管道輸入至甲醇水儲存容器，以便作為原料水循環利用。
[0010]所述重整器從外至內依次包括保溫殼體、重整室及氫氣純化裝置，所述電磁加熱器的電磁線圈設置于保溫殼體與重整室之間，所述金屬受磁體設置于重整室內。進一步，所述金屬受磁體設置有單層或多層，金屬受磁體呈筒狀結構或網狀結構。
[0011]所述零碳排放的甲醇水重整制氫系統還包括第二換熱器、氣體分流器、燃料電池及交直流電力轉換裝置，所述第二換熱器安裝于輸送栗與重整器之間的輸送管道上，且第二換熱器與第一換熱器并聯設置，低溫的甲醇和水在第二換熱器中，與重整器輸出的高溫氫氣進行換熱，甲醇和水溫度升高，氫氣溫度降低；所述氣體分流器用于分流從第二換熱器輸出的氫氣，經氣體分流器分流后，部分氫氣進入燃料電池；所述燃料電池用于氫氣及空氣中的氧氣發生電化學反應產生電能；產生的電能經交直流電力轉換裝置轉換后，為所述輸送栗及重整器的電磁加熱器供電。
[0012]為解決上述第二個技術問題，本發明的技術方案是:應用所述零碳排放的甲醇水重整制氫系統的燃料電池汽車，包括甲醇水儲存容器、輸送栗、第一換熱器、重整器、二氧化碳回收裝置、第二換熱器、燃料電池、交直流電力轉換裝置及汽車馬達，其中:
甲醇水儲存容器，其內儲存有液態的甲醇和水；
輸送栗，用于將甲醇水儲存容器中的甲醇和水輸送至重整器的重整室；
第一換熱器，安裝于輸送栗與重整器之間的輸送管道上，低溫的甲醇和水在第一換熱器中，與重整器輸出的高溫二氧化碳及水汽混合氣體進行換熱，甲醇和水溫度升高，二氧化碳及水汽混合氣體溫度降低；
重整器，設有重整室、電磁加熱器及氫氣純化裝置，所述電磁加熱器包括電磁線圈及金屬受磁體，電磁線圈通電后能廣生尚頻磁場，使金屬受磁體受磁場感應而發熱，為重整室提供熱能；所述重整室內設有催化劑，甲醇和水在重整室內發生甲醇和水的重整制氫反應制得二氧化碳和氫氣，該二氧化碳、氫氣以及未反應的水汽混合成高溫混合氣體，輸向氫氣純化裝置；所述重整室與氫氣純化裝置通過連接管路連接，連接管路的全部或部分設置于重整室內，能通過重整室內的高溫繼續加熱從重整室輸出的高溫混合氣體；所述連接管路作為重整室與氫氣純化裝置