CN112340698B - 一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，包括内部空腔的初步反应室；在所述初步反应室的一端设有一与该初步反应室连通的燃料输送单元；在所述初步反应室的另一端设有一与该初步反应室连通的循环反应室，在所述循环反应室上远离所述初步反应室的一端通过一连接管连接有二氧化碳去除循环反应室，其中，所述连接管的一端与所述循环反应室连通以及所述连接管的另一端与所述二氧化碳去除循环反应室连通；还在所述二氧化碳去除循环反应室的顶部设有一与该二氧化碳去除循环反应室连通的过滤单元。本发明具有使用方便、能耗低、能够提高甲烷利用率以及转化率、不会附产大量环境不友好型温室气体CO2的优点。

Description

一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置
技术领域
本发明涉及一种甲烷制备氢燃料设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置。
背景技术
氢燃料作为一种清洁的能源，有望成为21世纪的主要能源之一；目前全世界大约96％的氢燃料是通过甲烷水蒸气催化气化的方法制备而成，现有的甲烷制氢技术比较普遍与成熟，以氢气为主要产品的典型制氢技术是甲烷水蒸气重整制氢(SMR)，在国内外行业已被广泛应用。
然而，现有的甲烷水蒸气制氢燃料装置，均采用催化床结合分级反应器制备氢燃料，不仅操作繁琐，而且在制备氢燃料的过程中，存在能耗高、甲烷利用率与转化率低、附产出大量环境不友好型温室气体CO2，难以满足实际的应用需求。因此，有必要寻求一种新的甲烷裂解制氢燃料技术来克服现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高甲烷利用率以及转化率的高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，该高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置使用方便，能耗低，不会附产大量环境不友好型温室气体CO2。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，包括内部空腔的初步反应室；在所述初步反应室的一端设有一与该初步反应室连通的燃料输送单元；在所述初步反应室的另一端设有一与该初步反应室连通的循环反应室，在所述循环反应室上远离所述初步反应室的一端通过一连接管连接有二氧化碳去除循环反应室，其中，所述连接管的一端与所述循环反应室连通以及所述连接管的另一端与所述二氧化碳去除循环反应室连通；还在所述二氧化碳去除循环反应室的顶部设有一与该二氧化碳去除循环反应室连通的过滤单元。
优选地，所述燃料输送单元包括水蒸气输送管，在所述水蒸气输送管的前端侧壁上设有一与外部水蒸气输送设备连接的水蒸气进入口，其中，所述燃料输送单元是通过所述水蒸气输送管与所述初步反应室连通；还包括甲烷输送管，该甲烷输送管的一端与一外部甲烷输送设备连接，以及，该甲烷输送管的另一端开设有若干甲烷喷射口并且该端部穿过水蒸气输送管后伸入到所述初步反应室内。
优选地，在所述水蒸气输送管的内部上、下两侧壁上均设有涡轮风扇，例如：所述涡轮风扇7为G2E160-AY47-01涡轮风扇。
优选地，所述循环反应室包括内部空腔的第一壳体，在所述第一壳体内填充有催化剂，在所述第一壳体的内部下端设有F形支架，在所述第一壳体的内部上端设有一与所述F形支架配合形成S形通道的倒F形支架；其中，所述循环反应室是通过所述第一壳体分别与所述初步反应室、连接管连通。
优选地，所述催化剂为脱氢催化剂。
优选地，所述二氧化碳去除循环反应室包括内部空腔的第二壳体，在所述第二壳体的内部一侧壁上设有一个在工作时用于容纳氢氧化钙溶液的U形通道，并且，所述U形通道的一端开口与所述第二壳体的空腔连通，所述U形通道的另一端开口与所述过滤单元连通，在所述U形通道的一侧壁上设有一氢氧化钙溶液注入管，以及，该氢氧化钙溶液注入管的一端与所述U形通道连通，该氢氧化钙溶液注入管的另一端贯穿所述第二壳体的外侧壁后延伸到所述第二壳体的外部，在所述U形通道的底部开设有氢氧化钙溶液排放口；还包括设在所述第二壳体底部的废气废液排放管，在所述废气废液排放管上设有截止阀；其中，所述二氧化碳去除循环反应室是通过所述第二壳体分别与所述连接管、过滤单元连通，并且，所述连接管的一端贯穿所述第二壳体的顶部后伸入到所述第二壳体中。
优选地，还在所述第二壳体的外部设有一包裹该第二壳体上端外壁的冷却水槽，并且，该冷却水槽套设在所述氢氧化钙溶液注入管上；其中，所述氢氧化钙溶液注入管的一端贯穿所述冷却水槽的外壁后延伸到所述冷却水槽的外部。
优选地，在所述冷却水槽的一侧壁的上端开设有排水口，在所述冷却水槽的另一侧壁的下端开设有进水口。
优选地，所述过滤单元包括设在所述第二壳体的顶部并且与所述U形通道连通的第三壳体，通过一法兰与所述第三壳体连通的第四壳体，并且，所述第三壳体、第四壳体相互配合形成一个空腔体，在所述第四壳体内自下而上依次设有分子筛和滤片；还在所述第四壳体的顶部设有一与外部燃烧设备连通的燃料排出管。
优选地，所述分子筛为CO分子筛。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明通过在初步反应室的一端设有一与该初步反应室连通的燃料输送单元；在初步反应室的另一端设有一与该初步反应室连通的循环反应室，在循环反应室上远离初步反应室的一端通过一连接管连接有二氧化碳去除循环反应室，其中，连接管的一端与循环反应室连通以及连接管的另一端与二氧化碳去除循环反应室连通；还在二氧化碳去除循环反应室的顶部设有一与该二氧化碳去除循环反应室连通的过滤单元；使用时，通过燃料输送单元的水蒸气输送管、甲烷输送管分别将水蒸气、甲烷气体输送至初步反应室充分混合后进行初步反应，再将初步反应后的混合气体输送至循环反应室，利用循环反应室的S形通道以及催化剂相互配合使混合气体的水蒸气和甲烷气体再次循环反应，从而得到CO2、CO、H2以及尚未反应完的甲烷气体与水蒸气混合燃料，然后再将CO2、CO、H2、甲烷、水蒸气混合燃料经连接管输送至二氧化碳去除循环反应室，利用二氧化碳去除循环反应室的U形通道结合填充在U形通道内的Ca(OH)2溶液去除混合燃料中的水蒸气以及CO2，最终得到大量的H2和少量的CO、甲烷气体以及未去除的CO2混合燃料，最后再将得到的H2、CO、甲烷气体、CO2混合燃料经U形通道输送至过滤单元，利用过滤单元的分子筛和滤片进一步过滤混合燃料中的CO2，从而得到大量的H2以及极少量的CO、甲烷气体和CO2混合燃料，甚至，CO2与Ca(OH)2溶液完全反应时，可以彻底去除CO2，得到大量的H2以及极少量的CO、甲烷气体混合燃料，再通过过滤单元的燃料排出管将混合燃料输送至外部燃烧设备燃烧；采用上述的结构，使本发明具有使用方便、能耗低、能够提高甲烷利用率以及转化率、不会附产大量环境不友好型温室气体CO2的优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置的剖面结构示意图；
图2是本发明所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置的燃料输送单元结构示意图；
图3是本发明所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的二氧化碳去除循环反应室结构示意图。
附图标记说明：1、初步反应室，2、燃料输送单元，21、水蒸气输送管，22、水蒸气进入口，23、甲烷输送管，24、甲烷喷射口，3、循环反应室，31、第一壳体，32、催化剂，33、F形支架，34、倒F形支架，4、连接管，5、二氧化碳去除循环反应室，51、第二壳体，52、U形通道，53、氢氧化钙溶液注入管，54、氢氧化钙溶液排放口，55、废气废液排放管，56、截止阀，6、过滤单元，61、第三壳体，62、第四壳体，63、分子筛，64、滤片，65、燃料排出管，7、涡轮风扇，8、冷却水槽，9、排水口，10、进水口。
具体实施方式
参阅图1-图3所示，一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，包括内部空腔的初步反应室1；在所述初步反应室1的一端设有一与该初步反应室1连通的燃料输送单元2；在所述初步反应室1的另一端设有一与该初步反应室1连通的循环反应室3，在所述循环反应室3上远离所述初步反应室1的一端通过一连接管4连接有二氧化碳去除循环反应室5，其中，所述连接管4的一端与所述循环反应室3连通以及所述连接管4的另一端与所述二氧化碳去除循环反应室5连通；还在所述二氧化碳去除循环反应室5的顶部设有一与该二氧化碳去除循环反应室5连通的过滤单元6。
所述燃料输送单元2包括水蒸气输送管21，在所述水蒸气输送管21的前端侧壁上设有一与外部水蒸气输送设备连接的水蒸气进入口22，其中，所述燃料输送单元2是通过所述水蒸气输送管21与所述初步反应室1连通；还包括甲烷输送管23，该甲烷输送管23的一端与一外部甲烷输送设备连接，以及，该甲烷输送管23的另一端开设有若干甲烷喷射口24并且该端部穿过水蒸气输送管21后伸入到所述初步反应室1内。
在所述水蒸气输送管21的内部上、下两侧壁上均设有涡轮风扇7，例如：所述涡轮风扇7为G2E160-AY47-01涡轮风扇。
所述循环反应室3包括内部空腔的第一壳体31，在所述第一壳体31内填充有催化剂32，在所述第一壳体31的内部下端设有F形支架33，在所述第一壳体31的内部上端设有一与所述F形支架33配合形成S形通道的倒F形支架34；其中，所述循环反应室3是通过所述第一壳体31分别与所述初步反应室1、连接管4连通。
所述催化剂32为脱氢催化剂。
所述二氧化碳去除循环反应室5包括内部空腔的第二壳体51，在所述第二壳体51的内部一侧壁上设有一个在工作时用于容纳氢氧化钙溶液的U形通道52，并且，所述U形通道52的一端开口与所述第二壳体51的空腔连通，所述U形通道52的另一端开口与所述过滤单元6连通，在所述U形通道52的一侧壁上设有一氢氧化钙溶液注入管53，以及，该氢氧化钙溶液注入管53的一端与所述U形通道52连通，该氢氧化钙溶液注入管53的另一端贯穿所述第二壳体51的外侧壁后延伸到所述第二壳体51的外部，在所述U形通道52的底部开设有氢氧化钙溶液排放口54；还包括设在所述第二壳体51底部的废气废液排放管55，在所述废气废液排放管55上设有截止阀56；其中，所述二氧化碳去除循环反应室5是通过所述第二壳体51分别与所述连接管4、过滤单元6连通，并且，所述连接管4的一端贯穿所述第二壳体51的顶部后伸入到所述第二壳体51中。
还在所述第二壳体51的外部设有一包裹该第二壳体51上端外壁的冷却水槽8，并且，该冷却水槽8套设在所述氢氧化钙溶液注入管53上；其中，所述氢氧化钙溶液注入管53的一端贯穿所述冷却水槽8的外壁后延伸到所述冷却水槽8的外部。
在所述冷却水槽8的一侧壁的上端开设有排水口9，在所述冷却水槽8的另一侧壁的下端开设有进水口10。
所述过滤单元6包括设在所述第二壳体51的顶部并且与所述U形通道52连通的第三壳体61，通过一法兰与所述第三壳体61连通的第四壳体62，并且，所述第三壳体61、第四壳体62相互配合形成一个空腔体，在所述第四壳体62内自下而上依次设有分子筛63和滤片64；还在所述第四壳体62的顶部设有一与外部燃烧设备连通的燃料排出管65。
所述分子筛63为CO分子筛。
本实施例具体使用时，首先，将经过加热的甲烷气体输送至甲烷输送管23，并通过甲烷喷射口24将甲烷气体垂直喷射至初步反应室1内，同时，将经过加热的水蒸气输送至水蒸气输送管，再通过涡轮风扇7将水蒸气加压输送至初步反应室1内与甲烷气体充分混合后并进行初步反应；其次，将初步反应后的混合气体输送至循环反应室3的第一壳体31内，混合气体流经由F形支架33与倒F形支架34在第一壳体31内相互配合形成的S形通道时与催化剂32接触进行循环催化反应，使混合气体的水蒸气和甲烷气体进一步得到催化反应，从而得到CO2、CO、H2以及尚未反应完的甲烷气体与水蒸气混合燃料；然后，再将CO2、CO、H2、甲烷、水蒸气混合燃料经连接管4输送至二氧化碳去除循环反应室5的第二壳体51内，CO2、CO、H2、甲烷、水蒸气混合燃料再经第二壳体51输送至U形通道52内，同时，通过氢氧化钙溶液注入管53将Ca(OH)2溶液输送至U形通道52内与CO2、CO、H2、甲烷、水蒸气混合燃料进行反应，从而去除混合燃料中的水蒸气以及CO2，最终得到大量的H2和少量的CO、甲烷气体以及未去除的CO2混合燃料，并且，Ca(OH)2溶液与CO2、CO、H2、甲烷气体、水蒸气混合燃料反应后的废液经氢氧化钙溶液排放口54排放至第二壳体51的底部，再通过废气废液排放管55、截止阀56进行排放回收；最后，将得到的H2、CO、甲烷气体、CO2混合燃料经U形通道52输送至过滤单元6的第三壳体61内，H2、CO、甲烷气体、CO2混合燃料再经第三壳体61输送至第四壳体62内，利用分子筛63和滤片64进一步过滤混合燃料中的CO2，从而得到大量的H2以及极少量的CO、甲烷气体和CO2混合燃料，甚至，CO2与Ca(OH)2溶液完全反应时，可以彻底去除CO2，得到大量的H2以及极少量的CO、甲烷气体混合燃料，，再通过燃料排出管65输送至外部燃烧设备使用即可；另外，利用进水口10输送冷却水至冷却水槽8内对第二壳体51内的混合燃料进行降温，并通过排水口9将冷却水吸收的余热输送至外部水蒸气输送设备进行循环利用。
综上所述，本发明采用上述的结构，具有使用方便、能耗低、能够提高甲烷利用率以及转化率、不会附产大量环境不友好型温室气体CO2的优点。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，包括内部空腔的初步反应室(1)；其特征在于：在所述初步反应室(1)的一端设有一与该初步反应室(1)连通的燃料输送单元(2)；在所述初步反应室(1)的另一端设有一与该初步反应室(1)连通的循环反应室(3)，在所述循环反应室(3)上远离所述初步反应室(1)的一端通过一连接管(4)连接有二氧化碳去除循环反应室(5)，其中，所述连接管(4)的一端与所述循环反应室(3)连通以及所述连接管(4)的另一端与所述二氧化碳去除循环反应室(5)连通；还在所述二氧化碳去除循环反应室(5)的顶部设有一与该二氧化碳去除循环反应室(5)连通的过滤单元(6)；
所述循环反应室(3)包括内部空腔的第一壳体(31)，在所述第一壳体(31)内填充有催化剂(32)，在所述第一壳体(31)的内部下端设有F形支架(33)，在所述第一壳体(31)的内部上端设有一与所述F形支架(33)配合形成S形通道的倒F形支架(34)；其中，所述循环反应室(3)是通过所述第一壳体(31)分别与所述初步反应室(1)、连接管(4)连通；
所述二氧化碳去除循环反应室(5)包括内部空腔的第二壳体(51)，在所述第二壳体(51)的内部一侧壁上设有一个在工作时用于容纳氢氧化钙溶液的U形通道(52)，并且，所述U形通道(52)的一端开口与所述第二壳体(51)的空腔连通，所述U形通道(52)的另一端开口与所述过滤单元(6)连通，在所述U形通道(52)的一侧壁上设有一氢氧化钙溶液注入管(53)，以及，该氢氧化钙溶液注入管(53)的一端与所述U形通道(52)连通，该氢氧化钙溶液注入管(53)的另一端贯穿所述第二壳体(51)的外侧壁后延伸到所述第二壳体(51)的外部，在所述U形通道(52)的底部开设有氢氧化钙溶液排放口(54)；还包括设在所述第二壳体(51)底部的废气废液排放管(55)，在所述废气废液排放管(55)上设有截止阀(56)；其中，所述二氧化碳去除循环反应室(5)是通过所述第二壳体(51)分别与所述连接管(4)、过滤单元(6)连通，并且，所述连接管(4)的一端贯穿所述第二壳体(51)的顶部后伸入到所述第二壳体(51)中。
2.根据权利要求1所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，其特征在于：所述燃料输送单元(2)包括水蒸气输送管(21)，在所述水蒸气输送管(21)的前端侧壁上设有一与外部水蒸气输送设备连接的水蒸气进入口(22)，其中，所述燃料输送单元(2)是通过所述水蒸气输送管(21)与所述初步反应室(1)连通；还包括甲烷输送管(23)，该甲烷输送管(23)的一端与一外部甲烷输送设备连接，以及，该甲烷输送管(23)的另一端开设有若干甲烷喷射口(24)并且该端部穿过水蒸气输送管(21)后伸入到所述初步反应室(1)内。
3.根据权利要求2所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，其特征在于：在所述水蒸气输送管(21)的内部上、下两侧壁上均设有涡轮风扇(7)。
4.根据权利要求1所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，其特征在于：所述催化剂(32)为脱氢催化剂。
5.根据权利要求4所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，其特征在于：还在所述第二壳体(51)的外部设有一包裹该第二壳体(51)上端外壁的冷却水槽(8)，并且，该冷却水槽(8)套设在所述氢氧化钙溶液注入管(53)上；其中，所述氢氧化钙溶液注入管(53)的一端贯穿所述冷却水槽(8)的外壁后延伸到所述冷却水槽(8)的外部。
6.根据权利要求5所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，其特征在于：在所述冷却水槽(8)的一侧壁的上端开设有排水口(9)，在所述冷却水槽(8)的另一侧壁的下端开设有进水口(10)。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，其特征在于：所述过滤单元(6)包括设在所述第二壳体(51)的顶部并且与所述U形通道(52)连通的第三壳体(61)，通过一法兰与所述第三壳体(61)连通的第四壳体(62)，并且，所述第三壳体(61)、第四壳体(62)相互配合形成一个空腔体，在所述第四壳体(62)内自下而上依次设有分子筛(63)和滤片(64)；还在所述第四壳体(62)的顶部设有一与外部燃烧设备连通的燃料排出管(65)。
8.根据权利要求7所述的一种高温催化裂解甲烷制备氢燃料的反应装置，其特征在于：所述分子筛(63)为CO分子筛。
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