本發(fā)明屬于氫能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種安全的氣體混合裝置及其在高濃度氫氣混合領(lǐng)域中的應(yīng)用，和在氫燃燒催化過程中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氫氣是一種高能量密度的理想清潔能源，不僅能用來發(fā)電和儲能，還可通過燃燒進(jìn)行供熱，因此在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。眾所周知，氫氣是一種易燃易爆氣體，最小點(diǎn)火能量僅為0.017mj，在空氣中的爆炸極限范圍為4～75％(體積)，氧氣中的爆炸極限范圍為4.7～94％(體積)。當(dāng)用高濃度氫氣(例如工業(yè)純氫，其濃度為99.99％(體積))作為燃料直接與空氣(或氧氣)混合時，氫濃度會經(jīng)歷從高到低的變化，而為了實現(xiàn)氫氣的充分燃燒，氫氣在空氣(或氧氣)混合氣中的體積濃度需要控制在29.5％(或66.6％)以下，因此必然會進(jìn)入氫氣的爆炸極限范圍，極易造成爆炸事故發(fā)生。采用氫氣催化燃燒技術(shù)，可以使氫氣在催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，安全性好，且無nox廢氣排放，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于供熱等技術(shù)領(lǐng)域中。但是在應(yīng)用氫氣催化燃燒技術(shù)時，仍然存在著高濃度氫氣與空氣(或氧氣)混合存在爆炸風(fēng)險的問題。

2、實用新型專利cn215570436u，公開了一種氫氣催化燃燒器，使空氣與氫氣分別通過空氣管路與氫氣管路進(jìn)入反應(yīng)腔，與催化劑發(fā)生催化反應(yīng)，并將反應(yīng)放出的熱量傳遞至導(dǎo)熱油進(jìn)行熱利用，但其忽略了氫氣與空氣在反應(yīng)腔內(nèi)混合存在爆炸風(fēng)險的問題。

3、發(fā)明專利cn110282600a，公開了一種基于氫氣催化燃燒加熱的脫氫裝置，將氫氣與空氣分別引入氣體混合腔充分混合，再把混合氣體通入脫氫罐體中，該專利也沒有考慮氫氣與空氣在混合過程中存在的爆炸風(fēng)險，因此沒有提出針對性的解決方案。

4、本發(fā)明的目的在于針對氫氣催化燃燒技術(shù)領(lǐng)域中氫氣與空氣在混合過程中有潛在的爆炸風(fēng)險，針對性地提供了一種高濃度氫氣與空氣(和/或氧氣)安全混合的裝置，以有效地降低潛在的爆炸風(fēng)險。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供高濃度氫氣與空氣(或氧氣)安全混合的裝置，降低爆炸風(fēng)險。所述氣體混合裝置包含了罐體、氣體混合單元、氣體分布板、氫氣進(jìn)氣單元、助燃?xì)怏w進(jìn)氣單元、催化劑設(shè)置單元，測溫單元以及混合氣體的出口單元；采用所述氣體混合裝置進(jìn)行高濃度氫氣與空氣(或氧氣)混合時，由于裝置內(nèi)部合理的結(jié)構(gòu)布局及金屬填料填充，不但能使氣體混合均勻，而且可充分降低爆炸風(fēng)險。所述裝置及方法簡單易操作、效果好、成本低、安全性高，可應(yīng)用于氫氣催化燃燒過程中。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述氣體混合裝置適用于體積純度≥99.99％的氫氣與助燃?xì)怏w的混合。

4、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述助燃?xì)怏w選自空氣、氧氣中的至少一種。

5、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述氣體混合裝置包含了罐體、氣體混合單元、氣體分布板、氫氣進(jìn)氣單元、助燃?xì)怏w進(jìn)氣單元、催化劑設(shè)置單元，測溫單元以及混合氣體的出口單元；

6、其中：

7、所述氣體混合單元、氣體分布板、氫氣進(jìn)氣單元、助燃?xì)怏w進(jìn)氣單元、催化劑設(shè)置單元，測溫單元以及混合氣體的出口單元均設(shè)置在罐體中；

8、所述氣體混合單元內(nèi)部填充金屬填料；

9、所述氣體分布板位于氣體混合單元與催化劑設(shè)置單元之間或氣體混合單元內(nèi)；

10、所述氫氣進(jìn)氣單元包含氫氣進(jìn)氣管路和位于氫氣進(jìn)氣管路末端的噴嘴。

11、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述氣體分布板為不銹鋼絲網(wǎng)，厚度1-5mm，氣孔直徑1-300μm，開孔率≥90％。

12、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述金屬填料選自不銹鋼三角螺旋填料或狄克松填料，所述填料的大小為2mm×2mm。

13、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述氣體混合單元的容積與罐體的容積比為0.05-0.5。

14、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述噴嘴為不銹鋼材質(zhì)，孔徑0.1-0.5mm，適用流量：0-5l/min，溫度范圍：-30-300℃，壓力：0.1-10mpa。

15、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述噴嘴的設(shè)置數(shù)與氫氣進(jìn)氣單元的流量比例為0.2-5個/l/min。

16、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述噴嘴位于所述氣體混合單元中的1/4-2/3處。

17、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述氫氣進(jìn)氣單元和所述助燃?xì)怏w進(jìn)氣單元可以被設(shè)置于罐體的相同位置，也可以被分別設(shè)置在罐體的不同位置。

18、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述氫氣進(jìn)氣單元位于罐體的底部，所述助燃?xì)怏w進(jìn)氣單元位于罐體的側(cè)面距離罐體底部的距離為0.5-2cm。

19、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述助燃?xì)怏w單元位于所述氣體混合單元與催化劑設(shè)置單元之間，所述助燃?xì)怏w單元與所述氣體混合單元的容積比為1.5-4。

20、優(yōu)選的，本發(fā)明提供了一種安全的氣體混合裝置，所述氫氣進(jìn)氣單元和所述助燃?xì)怏w進(jìn)氣單元被設(shè)置于罐體底部的相同位置，所述氫氣進(jìn)氣單元的氫氣進(jìn)氣管路與助燃?xì)怏w進(jìn)氣單元的助燃?xì)怏w進(jìn)氣管路采用套管形式，其中氫氣進(jìn)氣管路為管程，助燃?xì)怏w進(jìn)氣管路為殼程。

21、另一方面，本發(fā)明還提供了上述氣體混合裝置在氫燃燒催化過程中的應(yīng)用。

22、優(yōu)選的，本發(fā)明還提供了上述氣體混合裝置用于氫氣與空氣的混合，經(jīng)所述氣體混合裝置混合后的氫氣與空氣的混合氣體中氫氣體積濃度為4-29.5％。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

24、本發(fā)明所述的氫氣與空氣(或氧氣)混合的裝置，特別適用于高濃度氫氣(如體積純度≥99.99％)的場合，例如，氫氣在空氣(或氧氣)混合氣中的體積濃度為4-29.5％(或4.7-66.6％)情況下的催化燃燒；采用高濃度的氫氣(如體積純度≥99.99％)進(jìn)行催化燃燒供熱，不但有利于提供較多的熱量，而且可減小裝置體積，降低設(shè)備成本。

25、本發(fā)明所述的高濃度氫氣(如體積純度≥99.99％)與空氣(或氧氣)混合的裝置，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低，氣體混合效果好，安全性高。當(dāng)高濃度的氫氣(如體積純度≥99.99％)與空氣(或氧氣)混合時，由于氫與氧自由基間可能會發(fā)生自由基鏈反應(yīng)，因此極易引起爆炸。根據(jù)火焰淬息理論，狹窄通道不利于火焰的傳播，同時，通道壁可捕獲自由基，減少自由基繼續(xù)參與鏈反應(yīng)的幾率，降低爆炸風(fēng)險。

26、本發(fā)明所述的氣體混合裝置，一方面通過控制混合室的高度以限制混合室的容積，盡可能減少氫氣與空氣(或氧氣)混合的空間，縮短兩者接觸時間；另一方面，通過恰當(dāng)設(shè)置氣體分布板的位置來分散氣體，達(dá)到使兩種氣體混合均勻的目的。所填充的金屬填料在混合裝置里發(fā)揮著重要作用，不但可以占據(jù)部分混合室空間體積，減少氫氣與空氣(或氧氣)實際混合空間，降低自由基生成濃度，而且由于其具有小顆粒金屬絲卷結(jié)構(gòu)，孔隙大且能充填整個混合室，可以起到分散氣體、提高混合均勻性的效果；同時，填充的小顆粒金屬絲卷通過分隔混合室空間形成了狹窄通道，有利于抑制自由基生成。

27、本發(fā)明所有器件結(jié)構(gòu)簡單，所用氣體分布板和金屬填料為市售產(chǎn)品，所選不銹鋼為常用材質(zhì)，因此制造成本低；

28、通過控制混合室容積、采用金屬填料分割形成狹窄通道，減小了自由基形成概率，降低了爆炸風(fēng)險，因此安全性好。

29、將本發(fā)明所述的混合裝置應(yīng)用到高濃度氫氣(如體積純度≥

30、99.99％)催化燃燒過程中時，可采用圖1、圖2或圖3所示的技術(shù)方案。采用圖1、圖2所示方案時，氫氣和空氣(或氧氣)在罐體的不同部位進(jìn)氣，安全性更高，且增加了一個空(氧)氣室，有利于改善空(氧)氣的分布，提高與氫氣混合的均勻性，但是增加了罐體體積，成本略高。

31、采用圖3所示方案時，沒有設(shè)置空(氧)氣室，罐體體積小，成本略低，但是氫氣和空氣(或氧氣)在罐體的相同部位進(jìn)氣，兩股高速氣流發(fā)生碰撞的概率大，存在一定的安全風(fēng)險，為此，需要對氫氣噴嘴的位置與空氣(或氧氣)進(jìn)氣管上端兩者間的距離進(jìn)行限制，距離太短，安全風(fēng)險高，距離太長，則使得混合室體積增大。所述的安全性可采用熱電偶測溫方式來檢測。

32、如圖1、圖2和圖3所示，在氫氣噴嘴正上方、氣體混合室的頂部位置放置熱電偶。若室溫(25℃)下進(jìn)入的氫氣和空(氧)氣因混合而引起溫度升高，例如，超過50℃，則表明氫氣與氧氣間發(fā)生了一定程度的氣相自由基反應(yīng)，因此存在著因反應(yīng)失控而帶來的安全風(fēng)險，溫升越顯著，則安全風(fēng)險越大。