水蒸汽裂解催化剂及其制法和水蒸汽裂解氢燃烧方法
【专利摘要】本发明提供了一种水蒸汽裂解催化剂，该水蒸汽裂解催化剂的应用以及水蒸汽裂解催化剂的制备方法。此外，本发明还提供了一种水蒸汽裂解氢气直接燃烧方法。本发明提供的催化剂采用了大量的廉价的原料制备，因此成本低廉。此外，本发明提供的催化剂能够稳定地控制水蒸汽裂解的速度，稳定地生产氢气，有效防止爆炸事故的发生。本发明提供的水蒸汽裂解氢气直接燃烧方法第一次真正实现了向水要氢能源的设想。
【专利说明】水蒸汽裂解催化剂及其制法和水蒸汽裂解氢燃烧方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水蒸汽裂解催化剂以及水蒸汽裂解催化剂的应用和制备方法以及水蒸汽裂解氢气直接燃烧方法。
【背景技术】
[0002]能源是人类经济活动中最重要的要素。能源是自然的资源，它来自于太阳的辐射。煤、石油、天然气是远古时代存储于生物中的太阳能，它们主要是碳氢化合物。水和空气在太阳能的作用下可产生巨大的势能和动能，把这种势能和动能变为电力就可成为一切机器的动力。水力和风力可直接转化为电力，这种转化不会产生环境污染物。燃烧煤、石油、天然气放出巨大的热量，从而产生动力；然而燃烧过程却产生大量环境污染物:一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、碳黑颗粒物等，这些环境污染物破坏了人类的生存环境和危害人们的健康；而且这些能源是不可再生的，随着能源耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些能源将要枯竭。因此，在能源与环境问题日益突出的大背景下，寻找清洁可再生的新能源代替传统化石能源受到世界各国的关注。
[0003]在各种新能源的研究中，氢气以完全清洁的燃烧方式以及可以再生的优势成为研究者的首选。氢气作为一种理想的新的能源，它具有以下特点:
[0004]1.氢气的放热效率高，燃烧I克氢气可以放出14万焦耳的热量，约为燃烧I克汽油放热的3倍，并可以循环使用。
[0005]2.氢气的原料主要是水，在I个水分子中就有2个氢原子；而占地球表面71 %的为水，所以资源非常丰富。
[0006]3.氢气在燃烧过程中，除释放出巨大的能量外，燃烧产物只有水，无污染排放，不会造成环境污染，因而又被称为“清洁能源”。
[0007]4.氢气的重量轻、密度小、便于运送和携带，容易储藏，与难储存的电相比，优越性更为显著。
[0008]5.氢气的用途极为广泛，它不但能燃烧生热，而且还可以生产各类含氢化合物，并作为吸热的工质等。
[0009]氢能源虽然具有上述这么多优点，但目前，氢能源的发展由于制造氢气的价格昂贵而受到制约。传统的制氢方法为电解水制氢及高压、高温制氢，都需要消耗大量的电能和煤或天然气，消耗的能量比燃烧这种燃料所产生的能量还要多。这种费用上的不划算使它只适用于专门用途，如推进太空火箭或在航天器中维持燃料电池。因此，尽管多年来，许多研究者都提出向水要氢能源，但是这一设想一直未能真正实现。
【发明内容】
[0010]为了克服现有技术不能廉价地利用水中氢能源的缺陷，本发明提供了一种廉价的裂解水蒸汽的催化剂以及廉价的水蒸汽裂解氢气直接燃烧方法。
[0011]本发明一方面提供了一种水蒸汽裂解催化剂，其特征在于，该催化剂包括以下元素:铁、铝、钥、钼、锰和碱金属；其中，所述铁和所述铝为各自的单质，所述钥、所述钼、所述锰和所述碱金属分别为各自的单质或化合物。
[0012]本发明另一方面提供了 一种水蒸汽裂解催化剂在催化裂解水产生氢气中的应用。
[0013]本发明另一方面提供了一种制备所述水蒸汽裂解催化剂的方法，其特征在于，该方法包括将所述催化剂的各组分粉碎成细粉，用不与所述水蒸汽裂解催化剂各组分反应的粘合剂将所述各组分调匀，之后在一定压力下模压成型。
[0014]本发明另一方面提供了一种水蒸汽裂解氢气直接燃烧方法，其特征在于，该方法包括从装有本发明提供的催化剂的耐压容器的进口引入水蒸汽，从所述耐压容器的出口引出含有裂解得到的氢气和氧气的混合气体，将该混合气体与一定量的引燃剂分别引入燃烧处或者将该混合气体与激光分别引入燃烧处点火。
[0015]现有技术提供的裂解水的催化剂往往都是贵重金属，例如钼，成本昂贵。本发明提供的催化剂采用了大量的廉价的原料制备，成本低廉。此外，本发明提供的催化剂能够稳定地控制水蒸汽裂解的速度，稳定地生产氢气，有效防止爆炸事故的发生。
[0016]另外，由于当氢气含量为4-75%的混合物在空气中燃烧会发生爆炸，而由水分解的氢气在混合气体中的含量为约67 %左右，正好处于燃烧爆炸的范围。因此，在目前，本领域还不能够实现直接燃烧由水分解的氢气的技术。本发明的发明人意外发现当水蒸气与氢气和氧气的混合气体一起引到一个火焰源中燃烧时，能够安静地、稳定地燃烧，并且提供了大量的能量。因此，本发明提供的水蒸汽裂解氢气直接燃烧方法第一次真正实现了向水要氢能源的设想。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明水蒸汽裂解氢气直接燃烧方法的示意图。
【具体实施方式】
[0018]本发明提供一种水蒸汽裂解催化剂，其特征在于，该催化剂包括以下元素:铁、铝、钥、钼、锰和碱金属；其中，所述铁和所述铝为各自的单质，所述钥、所述钼、所述锰和所述碱金属分别为各自的单质或化合物。
[0019]根据本发明的发明人的研究结果，所述碱金属这一族的元素均能够实现本发明的目的，例如锂、钠、钾、铷、铯。但是，为了更便于工业操作，优选为钠。
[0020]尽管所述钥、所述钼、所述锰和所述碱金属的单质或化合物均能够实现本发明的目的，但是本发明的发明人发现，这些物质中，有些是化合物制备的催化剂效果更好，有些是单质制备的催化剂的效果更好。
[0021]在一种优选的实施方式中，所述钼为单质，所述碱金属的化合物可以为钠盐，所述钥的化合物可以为钥矿，优选为辉钥矿，更优选为精制的辉钥矿，所述锰的化合物为锰矿，优选为精制的锰矿。
[0022]采用上述成分配制的催化剂能够有效地催化水蒸气裂解为氢气和氧气。为了进一步提高催化效果，在一种优选的实施方式中，所述钠盐为氯化钠、硫酸钠、硝酸钠中的一种或几种，但更优选为氯化钠；其中，以所述水蒸汽裂解催化剂的总重量为基准，所述铁为1-15重量％,所述招为10-40重量所述钼单质为1-20重量％,所述氯化钠盐为1-15重量％，所述辉钥矿为10-30重量％，所述锰矿为10-50重量％。在另一种优选的实施方式中，所述铁为3-10重量％,所述招为15-30重量所述钼单质为1-10重量所述氯化钠盐为1-10重量％ ,所述辉钥矿为10-20重量％ ,所述猛矿为10-40重量以这种配方制备的催化剂不仅成本进一步降低，而且催化效果更好。
[0023]所述水蒸汽裂解催化剂可以根据实际需要制备为现有催化剂的各种形式，例如可以为粉末状、多孔的颗粒状、多孔的块状以及负载在其它载体上。但在一种优选的实施方式中，上述水蒸汽裂解催化剂制备为多孔的颗粒状、多孔的块状，最优选为多孔的块状。
[0024]本发明还提供一种制备上述水蒸汽裂解催化剂的方法，例如将各组分粉碎为粉末，混合均匀即可。为了制备多孔的颗粒状或多孔的块状催化剂，这除了要将各组分粉碎为粉末，混合均匀，还要用粘合剂将各组分调匀，然后在不同模具中制成多孔的不同形状。上述粘合剂不与所述催化剂各成分反应。
[0025]因此，在一种优选的实施方式中，所述制备水蒸汽裂解催化剂的方法包括将所述催化剂的各组分粉碎成细粉，用不与所述催化剂各成分反应的粘合剂将所述各组分调匀，之后在一定压力下模压成型。
[0026]所述不与所述催化剂各成分反应的粘合剂可以为已知的各种不与水反应的粘合齐U，但优选为水玻璃、糯米浆和浆糊中的一种或几种，最优选为水玻璃，为了在成型的水蒸汽裂解催化剂中获得一定的孔隙率，所述压力可以为2-8个大气压，优选为3-7个大气压，更优选为4-6个大气压。
[0027]制备本发明所述的水蒸汽裂解催化剂的各组分均比较廉价，而且制备工艺简单，因此生产本发明的水蒸汽裂解催化剂成本低廉，而且易于生产。
[0028]本发明所述的水蒸汽裂解催化剂不仅能够有效的裂解水蒸汽，也能够催化裂解水产生氢气；例如本发明的水蒸汽裂解催化剂能够使温水缓慢地释放氢气，使热水能够迅速地释放氢气，例如能够使60-80°C的水很快放出氢气。
[0029]本发明所述的水蒸汽裂解催化剂在裂解水蒸汽能够可控地、稳定地产生氢气。因此，本发明还提供一种水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，该方法包括从装有所述水蒸汽裂解催化剂的耐压容器的进口引入水蒸汽，从所述耐压容器的出口引出含有裂解得到的氢气和氧气的混合气体，将该混合气体与一定量的引燃剂分别引入燃烧处或者将该混合气体与激光分别引入燃烧处点火。
[0030]所使用的引燃剂的量可以根据实际要求确定。
[0031]所述水蒸汽裂解催化剂可以为粉状、多孔的颗粒状或者多孔的块状；当所述水蒸汽裂解催化剂为粉状或颗粒状时，所述耐压容器中需要配备一个装料器，该装料器的壁上有孔，这些孔的孔径小于粉末或者颗粒的直径。当所述水蒸汽裂解催化剂为块状时，所述耐压容器中只需要有能够放置块状物的架子即可。因为，为了便于操作，所述水蒸汽裂解催化剂优选为块状，例如可以一次将I天所需要的催化剂一次放入到所述耐压容器中。
[0032]所述燃烧处可以为各种需要加热的位置，例如在用于加热蒸锅产生蒸汽时，所述燃烧处就是锅炉的炉膛。所述锅炉可以为现有的锅炉，也可以采用结构更为简单的专门为燃烧氢气而设计的锅炉。
[0033]当混合气体中存在水蒸气时，采用很少一点引燃剂就能够安全地燃烧。因此，在一种优选的实施方式中，所述混合气体含有未裂解的所述水蒸气。[0034]为了在点火前，获得更多的氢气，在一种优选的实施方式中，将所述水蒸气引入所述耐压容器之前，关闭所述出口 ；当所述耐压容器中的压力达到第一设定压力时，关闭所述进口 ；当所述耐压容器中的压力达到第二设定压力时，打开所述出口 ；在所述燃烧处点火，然后打开所述进口。
[0035]所述第一设定压力和所述第二设定压力可以根据耐压容器的耐压情况和/或根据燃烧时火焰的温度设定。
[0036]在一种优选的实施方式中，所述第一设定压力为1-4个大气压，优选为2.5-4个大气压，所述第二设定压力为3-8个大气压，优选为5-6个大气压。
[0037]在另一种优选的实施方式中，所述第一设定压力为2.5-4个大气压，所述第二设定压力为5-6个大气压。
[0038]为了避免耐压容器的压力增加太多，在一种优选的实施方式中，所述进口的口径小于所述出口的口径，以有利于释放耐压容器中的压力。
[0039]所述引燃剂和激光均为氢气的燃烧提供明火。
[0040]所述引燃剂可以为现有的气态或者液态的引燃剂，例如可以为乙醇、天然气、汽油或柴油，但优选为乙醇。
[0041]当所述引燃剂为液态时，为了防止喷头处液体堵塞，引流所述引燃剂的管道和/或引流所述混合气体的管道装配有容纳冷却介质的护套。所述冷却介质可以为现有技术中的各种冷却介质，但处于成本考虑，优选为水。
[0042]催化剂的用量可以根据期望水蒸汽裂解的速度来设定，为了控制水蒸汽裂解具有适宜的速度(即使水蒸汽裂解所产生的氢气能够稳定地燃烧，并且不会发生爆炸的风险)，所述催化剂的用量可以为0.3-2.5公斤/小时/吨裂解的水蒸汽，优选为0.5-2公斤/小时/吨裂解的水蒸汽，最优选为0.8-1.5公斤/小时/吨裂解的水蒸汽。
[0043]在一种实施方式中，所述氢气直接燃烧用于产生水蒸汽，用于裂解的所述水蒸汽为产生的所述水蒸汽的一部分，这种水蒸汽自循环作为燃料的实施方式能够进一步减少其他辅助的设备的使用。在连续向外提供水蒸汽时，当需要增加所述催化剂，可以暂时关闭耐压容器的进出口，然后直接加入所述催化剂，这所需要的时间很短，大概几分钟。当然优选为在进出口的地方配有三通阀，并配有两个耐压容器，以便实现几乎无间隔提供水蒸汽裂解的氢气。
[0044]用于裂解的所述水蒸汽的量可以根据所需要的火焰温度以及产生蒸汽的蒸锅的容量来设定；例如所述用于裂解的所述水蒸汽为产生的所述水蒸汽的1-10重量％。对于4吨的蒸锅(即4吨蒸汽/小时，下文中所述4吨的蒸锅具有相同涵义)，通常用于裂解的所述水蒸汽为产生的所述水蒸汽的3-8重量％，优选为产生的所述水蒸汽的4-6重量％时，获得的火焰温度通常能够达到1000°C以上。
[0045]当所述引燃剂为乙醇时，所述乙醇的用量可以为4-12公斤/小时/吨制备的水蒸汽，优选为5-10公斤/小时/吨制备的水蒸汽,更优选为6-8公斤/小时/吨制备的水蒸汽，以上实施方式对于4吨的蒸锅能够获得非常好的燃烧效果。
[0046]获得适宜的火焰温度，在一种更优选的实施方式中，所述用于裂解的所述水蒸汽为产生的所述水蒸汽的1-10重量％，所述乙醇的用量可以为4-12公斤/小时/吨制备的水蒸汽。对于4吨的蒸锅来说，用于裂解的所述水蒸汽为产生的所述水蒸汽的3-8重量％，优选为产生的所述水蒸汽的4-6重量％时，所述乙醇的用量可以为5-10公斤/小时/吨制备的水蒸汽，更优选为6-8公斤/小时/吨制备的水蒸汽。
[0047]本发明提供的水蒸汽裂解产生的氢气直接燃烧的方法的一个【具体实施方式】的示意图如图1所示，在该实施方式，水蒸汽裂解产生的氢气直接燃烧提供的热量用于产生水蒸气。如图1所示，在锅炉3上方左右两侧分别装配有外供水蒸汽5的管道和用于自循环裂解的水蒸汽6的管道，水蒸汽4分别通过这两管道输送外用水蒸汽和自循环用于裂解的水蒸汽；自循环裂解的水蒸汽从所述进口 7进入所述耐压容器1，该耐压容器中装有本发明提供的水蒸汽裂解催化剂，水蒸气在该耐压容器中被水蒸汽裂解催化剂催化裂解；裂解产生的氧气、氢气以及未裂解的水蒸汽出口 8经过管道送至燃烧处9，此处为置于锅炉中的喷头；引燃剂2也通过另一管道被送至燃烧处9，在燃烧处点火。喷头的个数可以根据需要设定为I个或者多个，例如，2个、3个或4个等。
[0048]本发明提供的水蒸汽裂解产生的氢气直接燃烧的方法提供了大量的热量，例如现有技术燃烧煤时，炉膛温度为80(TC左右，从冷态的水产生蒸汽需要花费至少2小时；本发明提供的水蒸汽裂解产生的氢气直接燃烧的方法火焰温度高于1000°C，大约1300°C左右，从冷态的水产生蒸汽只需要花费约45分钟。
[0049]本发明提供的水裂解氢气直接燃烧的方法，能够很快提供了大量的热量，这种热量似乎不仅仅主要由氢气燃烧提供的，或者解释为这种燃烧方式的热利用率特别高的缘故。下面通过热量计算进行详细说明:
[0050]以4吨蒸锅为例(小于5%的产生的水蒸汽用作裂解产生氢气):
[0051]在现有技术中，一天24小时需要燃烧5000千卡/公斤左右的煤约18-20吨，由燃烧18吨煤提供的热量为:18X 1000X5000千卡=9X IO7千卡。
[0052]在本发明的实施方式中，一天需要燃烧约700公斤的乙醇以及由约4.8吨水蒸汽(4吨蒸锅的5%的水蒸气用于裂解产生氢气:4吨/小时X 24小时X0.05 = 4.8吨)裂解的氢气(假设这些水蒸气全部裂解为氢气，则产生的氢气量为:4.8吨X2 + 18 = 0.53吨)。
[0053]由乙醇(乙醇的燃烧热为1366.8KJ/mol)提供的热约为:1366.8+(46 X 4.2) X 1000 X 700 = 4.95X106千卡。由这些氢气(氢气的燃烧热为284.8KJ/mol)提供的热为:284.8+ (2X4.2) X 1000X0.53X1000 = 1.8X IO7 千卡。由乙醇和氢气总共产生的热量为:2.3X IO7千卡。
[0054]可见，由烧煤一天产生的理论热量约是本发明直接燃烧水蒸气裂解产生氢气产生的理论热量的约4倍，然而，在实际应用时发现，这两种方式提供的热量都只能够用于提供96吨的水蒸气。
[0055]由此可见，煤的实际热值效率很低，而本发明提供的直接燃烧水蒸气裂解产生氢气的实际热值效率很高。
[0056]或者，本发明直接燃烧水蒸气裂解产生氢气能够提供这么大量的热量是其它物质燃烧造成的，例如氢离子燃烧。通常分子燃烧产生的能量级通常为IO4左右，等离子体燃烧产生的能量级通常为IO7左右，原子核燃烧产生的能量级通常为IO9左右。有的科学家曾经对以下现象进行推测:在海面上刮过一阵凶猛的大风；大风过后，数千米的海面上突然燃起了通天大火。大火引起的原因，是由于那阵以每小时200公里疾驰的大风与海水发生猛烈摩擦，产生了很高的热量，将水中的氢原子和氧原子分离，并通过大风里电荷的作用，使氢离子发生爆炸，从而形成了“火海”。据科学家估算，这场“火海”所释放出的能量，相当于200颗氢弹爆炸时所产生的全部能量。也许，在本发明提供的直接燃烧水蒸气裂解产生氢气的方法中，在耐压容器中裂解产生的一部分氢离子还没有来得及形成氢分子就直接到达燃烧处进行燃烧了，因此，能够释放出那么大量的热量。
[0057]对于本发明提供的氢气直接燃烧方法能够释放出如此大量热的机理，本发明的发明人到目前还没有弄清，有待于进一步研究。上述的机理， 申请人:也仅仅是其中的一种探究而已。
[0058]采用本发明提供的直接燃烧水蒸气裂解产生氢气方法，不仅环保，可再生，而且成本非常低廉，其与燃烧煤能源进行的比较如下所示:
[0059]成本核算:
[0060]
【权利要求】
1.一种水蒸汽裂解催化剂，其特征在于，该催化剂包括以下元素:铁、铝、钥、钼、锰和碱金属；其中，所述铁和所述铝为各自的单质，所述钥、所述钼、所述锰和所述碱金属分别为各自的单质或化合物。
2.根据权利要求1所述的水蒸汽裂解催化剂，其特征在于，所述钼为单质，所述碱金属的化合物为钠盐，所述钥的化合物为辉钥矿，所述锰的化合物为锰矿。
3.根据权利要求2所述的水蒸汽裂解催化剂，其特征在于，所述钠盐为氯化钠；其中，以所述水蒸汽裂解催化剂的总重量为基准，所述铁为1-15重量％，所述铝为10-40重量％，所述钼为1-20重量％,所述氯化钠盐为1-15重量所述辉钥矿为10-30重量所述猛矿为10-50重量％。
4.根据权利要求3所述的水蒸汽裂解催化剂，其特征在于，所述铁为3-10重量％，所述招为15-30重量％,所述钼为1-10重量％,所述氯化钠盐为1-10重量所述辉钥矿为10-20重量％,所述猛矿为10-40重量％。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的水蒸汽裂解催化剂，其特征在于，所述水蒸汽裂解催化剂为粉末状、多孔的颗粒状、多孔的块状。
6.权利要求1-5中任意一项所述的水蒸汽裂解催化剂在催化裂解水产生氢气中的应用。
7.一种制备权利要求1-5中任意一项所述水蒸汽裂解催化剂的方法，其特征在于，该方法包括将所述催化剂的各组分粉碎成细粉，用不与所述水蒸汽裂解催化剂各组分反应的粘合剂将所述各组分调匀，之后在一定压力下模压成型。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粘合剂为水玻璃、糯米浆和浆糊中的一种或几种，所述压力为2-8个大气压。
9.一种水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，该方法包括从装有权利要求1-5中任意一项所述水蒸汽裂解催化剂的耐压容器的进口引入水蒸汽，从所述耐压容器的出口引出含有裂解得到的氢气和氧气的混合气体，将该混合气体与一定量的引燃剂分别引入燃烧处或者将该混合气体与激光分别引入燃烧处点火。
10.根据权利要求9所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，所述混合气体含有未裂解的所述水蒸气。
11.根据权利要求10所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，将所述水蒸气引入所述耐压容器之前，关闭所述出口 ；当所述耐压容器中的压力达到第一设定压力时，关闭所述进口 ；当所述耐压容器中的压力达到第二设定压力时，打开所述出口 ；在所述燃烧处点火，然后打开所述进口。
12.根据权利要求11所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，所述第一设定压力为1-4个大气压，所述第二设定压力为3-8个大气压。
13.根据权利要求12所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，所述第一设定压力为2.5-4个大气压,所述第二设定压力为5-6个大气压。
14.根据权利要求9所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，所述进口的口径小于所述出口的口径。
15.根据权利要求9所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，所述引燃剂为乙醇、天然气、汽油或柴油。
16.根据权利要求15所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，当所述引燃剂为液态时，引流所述引燃剂的管道和/或引流所述混合气体的管道装配有容纳冷却介质的护套。
17.根据权利要求9-16中任意一项所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，所述催化剂的用量为0.3-2.5公斤/小时/吨裂解的水蒸汽。
18.根据权利要求9-16中任意一项所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，所述氢气直接燃烧用于产生水蒸汽，用于裂解的所述水蒸汽为产生的所述水蒸汽的一部分。
19.根据权利要求17或18所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，所述用于裂解的所述水蒸汽为产生的所述水蒸汽的1-10重量％。
20.根据权利要求18所述的水蒸汽裂解得到的氢气直接燃烧方法，其特征在于，当所述引燃剂为乙醇时，所 述乙醇的用量为4-12公斤/小时/吨制备的水蒸汽。
【文档编号】B01J27/138GK103691459SQ201210364826
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月27日 优先权日:2012年9月27日
【发明者】陈怀超 申请人:陈怀超