一种用于天然气掺氢的多级掺混装置

技术领域

本发明属于天然气掺氢技术领域，具体涉及一种用于天然气掺氢的多级掺混装置。

背景技术

化石能源消费比重下降是能源绿色低碳发展的大趋势，但能源结构转变是一个循序渐进的、先立后破的过程。天然气管道掺氢能够有效联通传统化石能源供应新能源，应用原有天然气管道输送掺氢天然气既可以降低天然气的含碳量，降低燃烧时的碳排放，提升可再生能源的利用比例，又解决了大规模风电制氢和大量工业副产氢的消纳问题。加大掺氢天然气的使用，在确保安全的前提下将掺氢天然气应用于居民生活，对于节约天然气用量、降低碳排放具有很大意义，大力促进了我国氢能产业在未来的发展。

国内外对掺氢天然气的关注日益提升，然而氢气与天然气的物性差别较大，导致其混合流动的特性以及对管道的影响发生变化。不均匀的混合会导致两种气体之间产生分层，又由于氢气的易燃易爆的特性，低混合均匀度的掺氢天然气会对终端用户的使用造成影响，并存在一定的燃爆风险。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种用于天然气掺氢的多级掺混装置，提高了掺氢天然气的混合效果，为后续的掺氢天然气混合应用提供了新的思路。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于天然气掺氢的多级掺混装置，包括天然气入口法兰，天然气入口法兰的一侧固定连接有混合器壳体，混合器壳体上贯穿设有氢气入口管道，混合器壳体内固定安装有半椭圆板，半椭圆板位于氢气入口管道远离天然气入口法兰的一端；混合器壳体内还固定安装有内螺纹槽管、多孔筒体及丝网，内螺纹槽管位于半椭圆板的出口处，多孔筒体及丝网位于内螺纹槽管的出口处；混合器壳体的一端固定连接有混合气出口法兰，混合器壳体的下侧设有两个支座。

优选的，上述方案中半椭圆板的数量为大于1组，每组半椭圆板均为十字交叉的导流结构，若干组半椭圆板依次连接形成具有两个相互交叉的气体通道的导流装置。

优选的，上述方案中内螺纹槽管构造为内螺纹管的内壁设置多条螺纹槽的结构。

优选的，上述方案中多孔筒体的圆筒上设有呈圆周阵列分布的通孔。

优选的，上述方案中圆周阵列的阵列数为19，圆周阵列的每个圆周上均布20个通孔。

优选的，上述方案中丝网填充于多孔圆筒的内部并在其端部与多孔圆筒通过点焊固定连接。

优选的，上述方案中半椭圆板、内螺纹槽管、多孔筒体以及丝网的轴线均与混合器壳体的轴线相重合。

优选的，上述方案中氢气入口管道垂直于混合器壳体。

优选的，上述方案中氢气入口管道设有氢气入口法兰。

优选的，上述方案中混合器壳体、半椭圆板、内螺纹槽管、多孔筒体以及丝网均采用不锈钢材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.氢气通过入口管道与混合器壳体内的天然气进行接触，流动方向相垂直的两种气流在混合器壳体内进行第一次掺混，增加了混合气体的均匀度。

2.经初步混合后的混合气体再通过设置在混合器上游的半椭圆板导流装置时，混合气体分别按两个流通通道流动，使混合气体得到第二次掺混。

3.通过在半椭圆板导流装置出口处设置内螺纹槽管，打乱了接近混合器近壁面处的混合气体的层流分布，实现第三次掺混。

4.通过在内螺纹槽管出口处设置多孔筒体以及丝网结构，进一步促进气体的混合以及提高了混合气体组分变化的缓冲功能，实现了第四次掺混，混合气体达到完全紊流状态，最终完成混合气体的均匀混合。

综上，本发明能在较短的管道内快速完成天然气与氢气的初步掺混，提高混合气体的均匀度，并在后续的三个通道结构中进行后续掺混，进一步提高了混合气体的均匀度，减少了混合气体分层现象的出现。

附图说明

图1为本发明提出的一种用于天然气掺氢的多级掺混装置的立体图。

图2为本发明提出的一种用于天然气掺氢的多级掺混装置的主视图。

图3为本发明提出的一种用于天然气掺氢的多级掺混装置的俯视图

图4为本发明提出的一种用于天然气掺氢的多级掺混装置的局部剖面主视图。

图5为本发明提出的一种用于天然气掺氢的多级掺混装置的局部剖面俯视图。

图6为本发明提出的半椭圆板导流装置的主视图。

图7为本发明提出的半椭圆板导流装置的立体图。

图8为本发明提出的内螺纹槽管的主视图。

图9为本发明提出的多孔筒体的主视图。

图中，1.天然气入口法兰，2.氢气入口法兰，3.氢气入口管道，4.混合器壳体，5.混合气出口法兰，6.半椭圆板，7.内螺纹槽管，8.多孔筒体，9.丝网，10.支座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-7说明本发明的具体实施方式。

提供一种用于天然气掺氢的多级掺混装置，参照图1-3，包括天然气入口法兰1，为方便与外部管道的固定连接，天然气入口法兰1的固定侧与混合器壳体4固定连接；混合器壳体4上垂直连接有氢气入口管道3，为便于与外部输氢管道连接，设有氢气入口法兰2与氢气入口管道3固定连接；为便于对混合器的固定于支撑，混合器壳体4的下侧设有两个支座10。

参照图4-7，在混合器壳体4内安装有半椭圆板6，半椭圆板6位于氢气入口管道3远离天然气入口法兰1的一侧，即，保证了氢气和天然气在完成第一次掺混后即刻流入半椭圆板6。

半椭圆板6的数量可以为1组也可以为大于1组，每组半椭圆板6均为由叶片组成的十字交叉的导流结构，叶片之间的夹角为90°，如图6所示。若干组半椭圆板6依次固定连接形成具有两个相互交叉的气体通道的导流装置。

为了便于导流装置与混合器壳体4的焊接，需要对若干组半椭圆板进行预组装并焊接固定，然后再与混合器壳体4进行焊接固定，可避免因气体流速过大对该导流装置的冲蚀，即可避免因冲蚀而导致的该导流装置的失效。

为了避免因截流减压，氢气入口管道3与混合器壳体4采用垂直连接的方式。在氢气入口管道3与混合器壳体4的开孔位置完成混合气体的第一次掺混，再通过具有两个相互交叉的气体通道的导流装置，改变了混合器壳体4中气流的流动方向，实现了混合气体的第二次掺混。

参照图4-5，混合器壳体4内还设有内螺纹槽管7，内螺纹槽管7通过焊接方式固定于混合器壳体4的内腔，内螺纹槽管7位于半椭圆板6远离天然气入口法兰1的一侧，其与半椭圆板6导流装置的间距为100～200mm；在内螺纹槽管7远离天然气入口法兰1的一侧还设有多孔筒体8与丝网9组件，多孔筒体8与丝网9组件通过焊接方式固定于混合器壳体4的内腔，多孔筒体8与内螺纹槽管7的间距为100～200mm。

参照图8，内螺纹槽管7构造为内螺纹管的内壁设置多条螺纹槽的结构，优选的，设置20～30条螺纹槽，每条螺纹槽的深度设为管壁厚度减2mm。通过设置螺纹槽，增强了混合器壳体4近壁面处的湍流，从而进一步提高了两种气体的混合效果。为方便内螺纹槽管7与混合器壳体4的焊接，将内螺纹槽管7的外径设为混合器壳体4的内径减3mm。

参照图9，多孔筒体8的圆筒上设有呈圆周阵列分布的通孔，优选的，设置通孔的直径为10mm，圆周阵列的阵列数为19，圆周阵列的每个圆周上均布20个通孔，即一共设有380个通孔。

丝网9填充于多孔圆筒8的内部并在其端部与多孔圆筒8通过点焊的方式固定连接。

参照图4-5，半椭圆板6、内螺纹槽管7、多孔筒体8以及丝网9的轴线均与混合器壳体4的轴线相重合。

优选的，本装置所有零部件的材料均采用不锈钢材质，由于氢原子对碳钢材料容易产生氢脆以及氢腐蚀，通过使用不锈钢材质的零部件提高了设备使用的安全性。

在本发明中，混合器壳体4的一端为天然气气源入口，天然气流量一般占混合气流量的70％～100％，混合器壳体4的上方设有氢气被动气源入口，氢气流量一般占混合气流量的30％～0％，氢气入口管道3与混合器壳体4采用垂直连接方式，以防止截流减压现象。

在氢气入口管道3与混合器壳体4相连接的开孔处，喷射出的氢气与垂直流入的天然气进行第一次掺混，完成初步的气体混合。经初步混合的平流混合气体经过由若干组半椭圆板6组成的导流装置后形成扰流混合气体，打乱混合气体的平流层分布，在改变气流通道的同时实现了第二次掺混，进一步提高了混合气体的混合效果。经过两次掺混后的混合气体进入内螺纹槽管7，混合气体经过内螺纹槽管7时在混合器壳体4的近壁面处进一步增强湍流效果，实现第三次掺混。经过内螺纹槽管7掺混后的混合气体进入设置有圆周阵列分布的通孔的多孔筒体8与丝网9组件，彻底形成了紊流混合气体，实现了第四次掺混，混合气体达到完全紊流状态，最终完成混合气体的均匀混合。

最后，最终完成均匀混合的混合气体经由混合气出口法兰5排出。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。