CN107986231A - 一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置 - Google Patents

一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，主要应用于超高温聚光太阳能系统。在装置的主体部分(载热粒子放热罐)内，布置有若干个特制的鼓泡式甲烷直接裂解反应器单元；高温载热粒子从放热罐顶部向下流过反应器单元，并将热传递给反应器单元内的载热流体；甲烷气泡在载热流体中裂解产生氢气和碳纳米颗粒；纳米碳颗粒与反应气体在反应器单元内分离，然后通过引风机抽出；反应后的混合气体(氢气和未反应的甲烷气体)从反应器单元出来后，经过冷却送入下一级反应器单元内继续反应或送出装置进入氢气分离系统。本发明装置实现了载热流体无须送出装置外加热，保证了系统安全、稳定运行；而反应器单元的模块化设计便于装置的缩放设计。

Description

一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置
技术领域
本发明属于甲烷制氢及聚光太阳能利用技术领域，具体涉及一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置。
背景技术
能源是人类赖以生存和发展的重要支撑因素，保证能源的来源是世界各国的重大基本战略之一。同时，常规能源(例如石油和煤)使用过程中对环境造成的不利影响也不容忽视。因此，能源的可持续化、清洁化及低碳化是未来的必然发展趋势。
氢能是一种被看好的重要环保能源，具有能源密度高，且对环境的影响小(因为其燃烧产物为水)的特点。但是目前96％的氢来源于化石燃料，其生产过程包括天然气重整和煤气化等化学反应过程。这些化学反应过程往往伴随着碳排放问题，因为反应产生了二氧化碳难以捕捉。另外，制氢过程需要消耗大量的能源，而常规能源的使用过程往往也伴随着严重的碳排放问题。
聚光太阳能驱动的鼓泡式反应器内甲烷直接裂解反应技术是一种非常具有吸引力的可持续发展的替代制氢技术，该系统具有非常多的优点：(1)零碳排放，甲烷裂解反应化学方程式为：CH4(g)→C(s)+H2(g),ΔHR,0＝74.85kJ/mol。从该化学反应式可以看出，其裂解形成的碳是以固体存在的；而反应所需要的热量由太阳能提供，能量消耗过程也不存在碳排放问题。(2)成本低，裂解形成的固体碳颗粒直径在20-100nm范围内，可以用于制作碳纳米原材料，多重收益使得系统成本有效降低。(3)能源利用效率高，在考虑了碳捕获和储存后，甲烷裂解的能源利用效率可以达到55％，而甲烷重整和煤气化的能源利用效率仅分别为54％和43％。(4)反应过程可以长期稳定运行，高温鼓泡式反应器采用液态金属或熔盐作为载热流体用于加热甲烷，甲烷以气泡形式与高温载热流体直接接触。当温度达到1000℃左右时，在没有催化剂的条件下，甲烷裂解反应也可以发生，因此不需要催化剂。同时，高温介质的密度比碳纳米颗粒高数倍，因此碳颗粒会漂浮在载热流体表面，而不会堵塞反应器通道。
但是，聚光太阳能驱动的鼓泡式反应器内甲烷直接裂解反应技术面临的最大挑战是如何安全生产。该系统存在的不安全因素包括：(1)存在爆炸的可能性，甲烷是可燃气体，在遇到空气的情况下有可能发生爆炸，特别是直接甲烷裂解反应的运行温度超过了1000摄氏度；(2)聚光太阳能光热转化设备的热应力问题，与所有的可再生能源一样，太阳能最大的缺点就是不稳定和不连续性，一天24小时中，太阳能的有效利用时间只有8-10个小时左右，且天气变化对于其稳定性也有非常大的影响。在如此极端条件下，聚光太阳能过程的光热转换设备(吸热器)经受的热应力是不能忽略的。如果采用将鼓泡式反应器内的载热流体通入吸热器进行加热方式，吸热器需采用管式吸热器，这种吸热器在热应力的作用下极容易出现管道破裂，高温载热流体外泄的事故。(3)载热流体堵塞问题，高温载热流体的熔点温度一般较高，以锡为例，其熔点为231.93℃。由于高于环境温度，所以容易导致载热流体在管道内的堵塞事故，从而导致系统无法正常运行，甚至发生危险。
发明内容
发明目的：本发明提供一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，能够解决上述三大技术问题。
技术方案：为实现上述目的本发明采用如下技术方案：
一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，包括载热粒子放热罐，所述载热粒子放热罐上部设有载热粒子入口，下部设有载热粒子出口，内部设有若干个鼓泡式反应器单元；所述鼓泡式反应器单元包括气体出口、气体入口、甲烷裂解反应区域，所述甲烷裂解反应区域内填充有载热流体；载热粒子从载热粒子入口进入载热粒子放热罐，从鼓泡式反应器单元之间流过，从载热粒子出口流出；所述气体入口连通甲烷供应装置，甲烷进入甲烷裂解反应区域与载热流体混合，发生裂解反应，生成碳颗粒和氢气，氢气从气体出口排出。
进一步的，所述鼓泡式反应器单元包括外层和开口向上的内层，所述外层上部设有填料口和气体出口，下部设有气体入口，所述内层顶部与外层之间存在间隙，内层的侧壁和底部与外层之间填充有载热流体，所述载热流体的填充高度低于内层顶部的高度。
进一步的，所述载热粒子入口与鼓泡式反应器单元之间设有分流板，所述分流板上均匀设有若干个供载热粒子通过的分流孔。
进一步的，所述气体出口通过管道依次连通载热粒子放热罐外部的除尘器、冷却器。冷却器出口布置有冷却器出口阀门。
进一步的，所述气体入口通过管道连通载热粒子放热罐外部的压缩机。气体入口与压缩机之间布置有压缩机出口阀门。
进一步的，所述内层的下部设有碳出口，所述碳出口通过管道依次连通载热粒子放热罐外部的储碳罐、引风机。碳出口与储碳罐之间布置有储碳罐入口阀门。
进一步的，所述气体出口连通的管道上布置有压力表。
进一步的，所述鼓泡式反应器单元内气体入口处设有喷嘴矩阵，所述喷嘴矩阵的喷嘴朝上。
本发明提出的装置适用于以固体粒子作为载热介质的聚光太阳能加热系统。载热粒子在吸热器内垂直下降，下降过程中吸收由聚光器反射到吸热器内的聚光太阳能，并被加热到1000摄氏度以上；加热后的载热粒子进入到本发明提供的装置内。
装置内安装有若干个特制的鼓泡式反应器单元，高温载热粒子由发明装置顶部进入，经过粒子分流板分流后，由鼓泡式反应器单元之间的间隙中向下流动；流动过程中将热量传递给鼓泡式反应器单元，之后低温载热粒子从发明装置底部流出，并被再次送入吸热器进行加热，如此形成循环。
每个鼓泡式反应器单元均由内、外两层构成，内层与外层之间仅在顶部相通，内层高度低于外层，内外层之间为甲烷裂解反应发生区域，内层为暂存碳纳米颗粒的区域；外层顶部设有填料口，填料口用于系统运行前往内外层之间区域填装载热流体，载热流体填充高度低于内层高度，防止高温载热流体进入内层；填装好载热流体后，该填料口关闭。
在鼓泡式反应器单元底部设有气体入口，气体入口与压缩机通过管道相连，气体入口与内外层之间的甲烷裂解反应区域相通；正常运行过程中，待反应气体(纯甲烷或未反应甲烷与氢气混合气体)经压缩机增压后，由气体入口进入反应器单元内外层底部，经喷嘴产生毫米级气泡群；在浮升力作用下，气泡在载热流体内向上运动，在向上运动的过程中吸收高温载热流体的热量而发生甲烷裂解反应，一部分甲烷裂解为氢气和固态碳纳米颗粒；当气泡达到反应器顶部时发生破裂，气泡内反应产生的碳颗粒在重力的作用下与氢气和未反应的甲烷气体发生分离；分离后的碳纳米颗粒在重力作用下落到高温载热流体的表面，由于载热流体的密度比碳纳米颗粒大，所以在表面张力的作用下，绝大部分碳纳米颗粒会停留在载热流体表面，而不会进入载热流体内部；随着反应的进行，碳纳米颗粒的量逐渐增加，最终从内外层顶部的间隙进入内层暂存。反应生产的氢气和未反应的甲烷混合气体从鼓泡式反应器顶部设置的气体出口流出。在鼓泡式反应器出口布置有除尘器，用于捕捉混合气体可能携带的碳纳米颗粒。由于从鼓泡式反应器出来的混合气体温度仍较高，为了防止混合气体中的甲烷气体继续反应，产生的碳颗粒堵塞管道，所以在除尘器后还设置有冷却器，将混合气体温度降低到甲烷裂解反应温度(800摄氏度)以下。冷却后的混合气体中的甲烷浓度仍较高，则可以接着送入下一级鼓泡式反应器单元内继续反应；如果甲烷浓度不高，则冷却后的混合气体送出发明装置，进入气体分离装置，从而将混合气体中的甲烷和氢气进行分离。
同时，为了保证系统的连续、安全及稳定运行，本发明装置还考虑了排空气，以及在不影响发明装置正常运行条件下的取碳和检修措施。鼓泡式反应器单元内层底部设置有碳出口，碳出口通过管道与储碳罐以及引风机顺序相连；同时，在储碳罐与碳出口之间，压缩机与反应器单元气体入口之间，以及冷取器出口都设置有阀门；另外，反应器单元气体出口处设置有压力表。
在发明装置正常运行前排净鼓泡式反应器单元内的空气，防止出现高温下甲烷与空气接触而发生爆炸事故。在排空气阶段，关闭冷却器出口阀门和压缩机出口阀门，打开储碳罐入口阀门，启动引风机，反应器单元内的空气会从鼓泡式反应器单元与储碳罐之间的连通管被抽出，当压力表显示反应器单元内的压力低于一定值时，排空气过程完成。
随着发明装置的运行，碳纳米颗粒在反应器单元内层越积越多，为了防止碳颗粒溢出而堵塞反应器单元，需要定期将碳纳米颗粒由鼓泡式反应器单元内层取出。取碳过程，与排空气过程类似，不同之处在于取碳过程发生在发明装置运行之后。此时，可以关闭压缩机及其出口阀门，关闭冷却器出口阀门，打开储碳罐入口阀门，最后打开引风机；在重力以及引风机的牵引力下，碳纳米颗粒从鼓泡式反应单元与储碳罐之间的连接管进入储碳罐，取碳过程完成。
该发明装置最有可能发生的故障就是碳颗粒引起的管道堵塞问题，所以需要考虑反应器单元的检修措施。当某个或某几个鼓泡式反应器单元发生碳堵塞情况时，这可以从观察压力表的压力变化情况察觉，只需要保证该反应器单元对应的引风机和压缩机处于停机状态，并关闭冷却器出口阀门、压缩机出口阀门以及储碳罐入口阀门，即可对该反应器单元进行检修，而不会影响到其他反应器单元的正常运行。
有益效果：(1)采用固体粒子作为载热介质，可以有效解决高温下的管式吸热器的热应力问题，防止吸热器爆管而高温载热流体外泄的危险事故发生，提升系统稳定及安全性能；(2)高温载热流体一直密封于鼓泡式反应器单元内，而无须送出发明装置外加热，所以不存在载热流体预冷堵塞管道的危险，同时降低了空气进入反应器单元内的可能性，进一步提升系统稳定性和安全性；(3)模块化设计有利于设备规模的缩放设计，鼓泡式反应器单元的数量可以根据系统规模进行变更；(4)多鼓泡式反应器单元的设计保障系统连续运行，当某个反应器单元需要进行取碳或检修时，只需要针对单个鼓泡式反应器单元进行处理，而其他反应器单元仍可以保证整体设备正常运行。
附图说明
图1本发明装置结构示意图；
图2分流板结构示意图；
图3鼓泡式反应器单元结构示意图；
图4喷嘴阵列结构示意图；
图中标号：1、载热粒子入口；2、分流板；3、压力表；4、除尘器；5、冷却器；6、冷却器出口阀门；7、鼓泡式反应器单元；8、压缩机出口阀门；9、压缩机；10、储碳罐；11、引风机；12、载热粒子出口；13、储碳罐入口阀门；14、载热粒子放热罐；15、分流孔；16、反应器单元气体出口；17、喷嘴矩阵；18、反应器单元气体入口；19、反应器单元碳出口；20、内层；21、填料口；22、外层；23、喷嘴。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，该发明装置在使用过程中可以包括如下过程：(1)载热流体填充过程；(2)排空气过程；(3)正常运行过程；(4)取碳过程以及(5)鼓泡式反应器单元检修过程。
(1)载热流体填充过程。即装置首次使用前，需要往发明装置内的鼓泡式反应器单元7中填充载热流体。载热流体储存在鼓泡式反应器单元7(具体结构参见图3)的内层20和外层22之间的区域，通过填料口21填装冷态载热流体；填充完后，密封填料口21，非特殊情况不再开启。
(2)排空气过程。发明装置正常运行前，关闭冷却器出口阀门6、压缩机出口阀门8，打开储碳罐入口阀门13，启动引风机11，则鼓泡式反应器单元7内的空气会从鼓泡式反应器单元7与储碳罐10之间的连通管被抽出，当压力表3显示整个鼓泡式反应器单元7内的压力低于一定值时，排空气过程完成，关闭引风机11，关闭储碳罐入口阀门13。
(3)正常运行过程。高温载热粒子从载热粒子放热罐14顶部的载热粒子入口1进入，经过分流板2(具体结构参见图2)的分流孔15分流后，均匀地从鼓泡式反应器单元7之间的间隙流下，流下的过程中加热鼓泡式反应器单元7；当载热流体变成液态时，打开压缩机出口阀门8，并开启压缩机9，甲烷气体经过压缩机8压缩升压后从鼓泡式反应器单元7的气体入口18进入，并在喷嘴阵列17的喷嘴23处产生气泡群，气泡群在上升过程中发生甲烷裂解反应。当压力表3压力显示超过一定值时，开启冷却器出口阀门6，裂解反应产生的氢气与未反应的甲烷组成的混合气体经过除尘器4除碳，并经过冷却器5冷却。冷却后的混合气体既可以送入下一级鼓泡式反应器单元7继续反应；也可以送出本发明装置，并送入氢气分离装置进行气体分离。
(4)取碳过程。所谓取碳过程，即将碳纳米颗粒由鼓泡式反应器单元7的内层20中提取到储碳罐10中。取碳过程与去空气过程类似，在取碳过程中，关闭压缩机9及压缩机出口阀门8，关闭冷却器出口阀门6，打开储碳罐入口阀门13，最后打开引风机11；在重力以及引风机11的牵引力下，碳纳米颗粒从鼓泡式反应单元7与储碳罐10之间的连接管进入储碳罐10，完成取碳过程。
(5)鼓泡式反应器单元检修过程。当某个或某几个鼓泡式反应器单元7发生碳堵塞情况时，这可以从观察压力表3的异常变化情况察觉；只需要保证该鼓泡式反应器单元7对应的引风机11和压缩机9处于停机状态，并关闭冷却器出口阀门6、压缩机出口阀门8以及储碳罐入口阀门13，即可对该鼓泡式反应器单元7进行检修，而不会影响到其他反应器单元7的正常运行。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，包括载热粒子放热罐(14)，所述载热粒子放热罐(14)上部设有载热粒子入口(1)，下部设有载热粒子出口(12)，内部设有若干个鼓泡式反应器单元(7)；所述鼓泡式反应器单元(7)包括气体出口(16)、气体入口(18)、甲烷裂解反应区域，所述甲烷裂解反应区域内填充有载热流体；载热粒子从载热粒子入口(1)进入载热粒子放热罐(14)，从鼓泡式反应器单元(7)之间流过，从载热粒子出口(12)流出；所述气体入口(18)连通甲烷供应装置，甲烷进入甲烷裂解反应区域与载热流体混合，发生裂解反应，生成碳颗粒和氢气，氢气从气体出口(16)排出。
2.根据权利要求1所述的一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，所述鼓泡式反应器单元(7)包括外层(22)和开口向上的内层(20)，所述外层(22)上部设有填料口(21)和气体出口(16)，下部设有气体入口(18)，所述内层(20)顶部与外层(22)之间存在间隙，内层(20)的侧壁和底部与外层(22)之间填充有载热流体，所述载热流体的填充高度低于内层(20)顶部的高度。
3.根据权利要求1所述的一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，所述载热粒子入口(1)与鼓泡式反应器单元(7)之间设有分流板(2)，所述分流板(2)上均匀设有若干个供载热粒子通过的分流孔(15)。
4.根据权利要求1或2所述的一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，所述气体出口(16)通过管道依次连通载热粒子放热罐(14)外部的除尘器(4)、冷却器(5)。
5.根据权利要求1或2所述的一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，所述气体入口(18)通过管道连通载热粒子放热罐(14)外部的压缩机(9)。
6.根据权利要求2所述的一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，所述内层(20)的下部设有碳出口(19)，所述碳出口(19)通过管道依次连通载热粒子放热罐(14)外部的储碳罐(10)、引风机(11)。
7.根据权利要求4所述的一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，所述气体出口(16)连通的管道上布置有压力表(3)。
8.根据权利要求1所述的一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，所述鼓泡式反应器单元(7)内气体入口(18)处设有喷嘴矩阵(17)，所述喷嘴矩阵(17)的喷嘴(23)朝上。
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