CN113213423B - 一种催化辅助甲烷裂解制氢的设备 - Google Patents
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Abstract
一种催化辅助甲烷裂解制氢的设备，包括催化反应器、进气管、排气管、催化剂，催化反应器包括中空石英管、电加热器、外筒体；外筒体具有通孔，石英管横安装在外筒体通孔内；电加热器安装在石英管的外侧端，电加热器外侧和外筒体内侧之间有绝缘隔热层；催化剂安装在石英管内一端，进气管一端和石英管一端连接，排气管一端和液态金属高温裂解甲烷制氢系统的输气管连接，排气管另一端和石英管另一端连接，进气管另一端和液态金属高温裂解甲烷制氢系统的甲烷气罐的排气阀门连接。本发明实现了渐进式裂解甲烷制氢，所需能量更低、裂解速度更快，进一步提高了裂解效率，避免了因炭覆盖催化剂表面而造成催化剂失活，极大的延长了催化剂使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及氢气制备辅助设备技术领域，特别是一种催化辅助甲烷裂解制氢的设备。
背景技术
由于全球能源需求急剧增加，化石燃料等不可再生能源面临枯竭的危险，化石燃料对环境的影响也不容忽视，所以，开发和利用新能源成为越来越迫切的要求。在众多新能源燃料中，氢气作为能源燃料，它被认为是理想的清洁高能燃料，越来越受到人们的关注。但现有技术中，由于氢气的制取成本高，在生活和生产中大量使用氢能源还存在一定困难。因此研究和开发更为先进的制氢新工艺技术是解决廉价氢源的重要保证，新工艺技术应在降低生产装置投资和减少生产成本方面具有明显的突破。
利用甲烷制氢，具有成本低，规模效应显著等优点，且生产纯度高，生产效率高。随
着科技的发展，甲烷制氢的设备也得到了应用。现有技术中，利用甲烷制备氢气的设备，主
要工作原理是将甲烷气体经进气管输入到装有催化剂的反应罐体内，然后利用催化剂的催
化作用在高温下（甲烷制备氢气设备的辅助设施加热反应罐体到700℃左右）使甲烷失去氢
原子，最终生产出所需氢气和副产物碳（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子中C-
H键能为439 kJ/mol，催化剂在甲烷裂解反应中降低反应活化能，加快反应速率的作用，使
得甲烷发生裂解反应，甲烷分子C-H键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳）。虽然现有技术
实现了甲烷制氢的效果，但是由于技术及设备限制，甲烷在反应罐内直接裂解成碳和氢气
（CH4 C+2H2），中间并无缓冲的过程（也不能及时排出副产物碳），因此裂解产生的碳
一段时间后会覆盖在反应罐体内催化剂表面，会使催化剂中毒（无法有效接触作用于甲烷
气体）失效，使用寿命较短；通常出现这种情况后，需要将催化剂激活后再使用，催化剂激活
需要通入氧气除碳，碳的氧化过程，是一个剧烈的放热反应，反应速率很快，除碳效率高，会
产生二氧化碳排放不利于低碳环保，且在氧化过程中催化剂始终处于高温强氧化状态中，
催化剂很容易被氧化，进行下一步反应时又需将催化剂重新还原，使催化剂恢复性能，后续
的甲烷制氢能正常进行，这样会给工作人员带来不便，停机操作不能连续生产也不利于提
高工作效率、也增加了氢气制备的成本。现有技术中，还有一种甲烷制备氢气的方法，是甲
烷水蒸气催化剂结合制备氢气（不需要高温），但是现有甲烷水蒸气催化剂重整制备氢气也
会导致二氧化碳大量产生（CH4+2H2O4H2+CO2），后续配套气体分离器分离出氢气后，
副产物二氧化碳量相对过大，也不利于低碳环保、会给环境造成不良影响。
针对现有甲烷催化剂制氢设备的缺点，本申请人进行了改良，本申请人提交了专利号“202110242946.9”、专利名称“一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统”的专利申请，如图1所示，其应用中，罐体3内部填充金属9，在加热器A13的作用下将金属加热至1100℃，形成熔融态液态金属，反应气体甲烷通过甲烷罐排气阀门29进入罐体3内，与来自分离器2的甲烷气体一起沿输气管5进入分配器8内，裂解成氢气和碳黑（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量后，使得C-H键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳。），氢气、未反应完全的甲烷及其携带的部分碳黑粉体，通过排气管15依次进入过滤器1、分离器2，可将碳黑粉体、甲烷分离，从而获得高纯度氢气，分离出的碳黑粉体可直接收集，分离出的甲烷气体沿连接管进入混合罐4，通过输气管5进入分配器2，再由分配器2导入罐体3内进一步反应，提高了甲烷的利用率，罐体3内裂解的碳黑（102）漂浮于液态锡9表面，并随液态锡9沿导流槽10流入到过渡腔室16，碳黑在液态锡9表面堆积后，叶片22经电机21带动，通过过渡腔室16和收集腔室17之间的开口26将碳黑推扫至收集腔室17中，碳黑经收集腔室17进入储存腔室18，利于集中收集，并通过排出口27真空吸出。通过上述，该专利申请能将制备氢气中产生的碳及时排出，克服了现有甲烷催化剂制氢设备碳堆积带来的不良后果，同时由于反应温度高、碳黑不会对反应带来影响、甲烷在高温下反应充分，能制备出高纯氢气，反应前期排出的二氧化碳也极其微量，减少了对环境的影响，还达到了良好的节能目的，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。
虽然一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统实现了连续自动化生产，碳黑不会对反应带来影响、甲烷在高温下反应充分，能制备出高纯氢气，反应前期排出的二氧化碳也极其微量，减少了对环境的影响，还达到了良好的节能目的，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。但是应用中，由于甲烷气体没有得到预处理，是直接进入罐体3内高温裂解反应，因此还存在改进的余地，提供一种协同一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统等使用，能预先将甲烷气体通过催化剂功能对甲烷进行预处理，进而进一步提高氢气制备效率的设备显得尤为必要。
发明内容
为了克服现有甲烷制氢设备因结构所限，需要工作人员停机为反应罐内通入还原气体及清洗液等清除积碳，会给工作人员带来不便，停机操作不能连续生产不利于提高工作效率、增加了氢气制备的成本，排出到大气的二氧化碳量相对过大不利于低碳环保、会对环境造成不良影响的缺点，以及液态金属高温裂解甲烷制氢系统由于甲烷气体没有得到预处理，是直接进入罐体内高温裂解反应，还存在相对耗能的弊端，本发明提供了协同液态金属高温裂解甲烷制氢系统使用，应用中在相关机构共同作用下，能对经进气管进入液态金属高温裂解甲烷制氢系统罐体内的甲烷气体，通过催化剂进行低温催化将甲烷脱氢，使甲烷气体得到初步处理，预裂解成氢气和CxHx中间产物（并不是将甲烷直接裂解成氢气和碳，只有微量碳生成并进入罐体内，不会造成催化剂中毒失效）实现了渐进式裂解甲烷制氢，CxHx进入罐体内中裂解成氢气和碳，所需能量更低、裂解速度更快，进一步提高了裂解效率的一种催化辅助甲烷裂解制氢的设备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种催化辅助甲烷裂解制氢的设备，包括催化反应器、进气管、排气管、催化剂，其特征在于催化反应器包括中空石英管、电加热器、外筒体；所述外筒体横向具有通孔，石英管横安装在外筒体通孔内、且石英管的两侧分别位于外筒体两侧外端；所述电加热器安装在石英管的外侧端并位于外筒体内部，电加热器的外侧和外筒体内侧之间安装有绝缘隔热层；所述催化剂安装在石英管内一端，进气管一端和石英管一端连接，排气管一端和液态金属高温裂解甲烷制氢系统的输气管连接，排气管另一端和石英管另一端连接，进气管另一端和液态金属高温裂解甲烷制氢系统配套的甲烷气罐的排气阀门一端连接。
进一步地，所述催化剂是为Ni、Fe、Pt和Pd中的一种，或几种的混合。
进一步地，所述电加热器工作温度设定在250℃-600℃之间。
进一步地，所述绝缘隔热层是玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐中的一种或多种组合。
本发明有益效果是：本发明协同液态金属高温裂解甲烷制氢系统使用，甲烷气体先进入本发明的石英管内、在加热器热温度作用下，以及催化剂进行低温催化作用下将甲烷脱氢，使甲烷气体得到初步处理，预裂解成氢气和CxHx中间产物（并不是将甲烷直接裂解成氢气和碳，只有微量碳生成并进入罐体内，不会造成催化剂中毒失效）实现了渐进式裂解甲烷制氢，CxHx进入罐体内中裂解成氢气和碳，所需能量更低、裂解速度更快，进一步提高了裂解效率。本发明避免了因碳覆盖催化剂表面而造成催化剂失活，极大的延长了催化剂使用寿命。基于上述，本发明具有好的应用前景。
附图说明
图1是现有技术一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统的整体结构示意图。
图2是本发明结构示意图。
具体实施方式
图1、2所示，一种催化辅助甲烷裂解制氢的设备，包括催化反应器、进气管33、排气管34、催化剂35，催化反应器包括两端为开放式结构的中空石英管321、环形电加热器322（工作电压交流220V、功率5kW）、外筒体323；所述外筒体323中间横向具有一个通孔，石英管321横向分布紧套在外筒体323通孔内、且石英管321的两侧分别位于外筒体323左右外端；所述电加热器322环形分布安装在石英管321的外侧端并位于外筒体323内部、且电加热器322内侧紧贴石英管321外侧端，电加热器322的外侧和外筒体323内侧之间安装有绝缘隔热层324；所述催化剂35安装在石英管321内左端（从排气管34右端依次安装不锈钢筛网、石英棉、催化剂、石英棉、不锈钢筛网，催化剂位于两层筛网内），进气管33一端和石英管321一端经管道接头连接，排气管34一端和液态金属高温裂解甲烷制氢系统的混合罐4进气管经管道接头连接，排气管另一端和石英管321另一端经管道接头连接，进气管33另一端和液态金属高温裂解甲烷制氢系统配套的甲烷气罐的排气阀门29一端的连接管经管道接头连接。
图2所示，催化剂35是Ni（镍）、Fe（铁）、Pt（铂）和Pd（钯金）中的一种，或几种的混合（本实施例优选Fe（铁）。电加热器322工作温度设定在250℃-600℃之间（本实施例优选450℃）。石英管321和外筒体323之间接触部位为密封式结构。绝缘隔热层324是玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐中的一种或多种组合，本实施例优选岩棉。
图1、2所示，本发明协同液态金属高温裂解甲烷制氢系统使用，甲烷气体先通过打开的甲烷气罐的排气阀门29进入本发明的石英管321内、在加热器322相对低温温度作用下，以及催化剂35催化作用下将甲烷初步脱氢，使甲烷气体得到初步处理，预裂解成氢气和CxHx（具体含义：碳氢化合物，如C2H2、C2H4等）中间产物并进入液态金属高温裂解甲烷制氢系统的罐体3内继续反应，由于相对低温下催化剂促使甲烷裂解（并不是将甲烷直接裂解成氢气和碳，只有微量碳生成并进入罐体内，不会造成催化剂中毒失效，且微量碳会随初步处理后甲烷进入液态金属高温裂解甲烷制氢系统的罐体3内进一步反应，更不会造成催化剂被碳覆盖失效），主要生成H2和中间产物CxHx，CxHx后续在液态金属高温裂解甲烷制氢系统高温液态金属中裂解所需能量相较于单纯裂解甲烷更低，更易裂解，实现了渐进式裂解甲烷制氢，CxHx进入罐体3内中裂解成氢气和碳，所需能量更低、裂解速度更快，进一步提高了裂解效率。
图1所示，此段是液态金属高温裂解甲烷制氢系统的主要工作原理，本实施例进行介绍是为了让领域内人员更能理解本发明的创造点。本发明初步处理后甲烷气体进入液态金属高温裂解甲烷制氢系统的混合罐4内，沿输气管5进入分配器8内，再由分配器8导入罐体3内，在罐体3中与高温液态金属9充分接触，并裂解成氢气和碳黑；氢气、未反应完全的甲烷及其携带的部分碳黑粉体，通过排气管15依次进入过滤器1、气体分离器2内，过滤器1、气体分离器2可将碳黑粉体、甲烷分离，从而获得高纯度氢气。罐体3内裂解的碳黑102漂浮于液态金属9表面，并随液态金属9沿导流槽10流入到过渡腔室16，碳黑102在液态金属9表面堆积后，被叶片22推扫至收集腔室17，然后经收集腔室17进入储存腔室18，利于集中收集，并通过排出口27真空吸出。
图1所示， 本发明利用催化剂辅助，结合液态金属高温裂解甲烷制氢系统的液态金属高温裂解甲烷制氢，减少了反应时间、提高了裂解效率 在低温下催化剂促使甲烷裂解，主要生成H2和中间产物CxHx，CxHx在高温液态金属中裂解所需能量相较于单纯甲烷低，更易裂解，减少了反应时间、提高了裂解效率。在低温下催化剂促使甲烷裂解，只有微量碳生成，避免因碳覆盖催化剂表面而造成催化剂失活，延长了催化剂使用寿命。由于和液态金属高温裂解甲烷制氢系统串联使用，同时具备了催化和高温裂解的优势，能高效制备氢气。为了减少反应时间、提高裂解效率，获得高纯氢气，本发明采用催化辅助高温液态金属裂解甲烷制备氢气，利用催化剂催化裂解效率高和高温液态金属裂解甲烷无二氧化碳（不需要还原催化剂及除碳，也不存在现有甲烷水蒸气催化剂重整制备氢气导致二氧化碳大量产生的问题，因此本发明不会产生二氧化碳）产生等特性，制备出了氢气。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种催化辅助甲烷裂解制氢的设备，包括催化反应器、进气管、排气管、催化剂，其特征在于催化反应器包括中空石英管、电加热器、外筒体；所述外筒体横向具有通孔，石英管横安装在外筒体通孔内、且石英管的两侧分别位于外筒体两侧外端；所述电加热器安装在石英管的外侧端并位于外筒体内部，电加热器的外侧和外筒体内侧之间安装有绝缘隔热层；所述催化剂安装在石英管内一端，进气管一端和石英管一端连接，排气管一端和液态金属高温裂解甲烷制氢系统的输气管连接，排气管另一端和石英管另一端连接，进气管另一端和液态金属高温裂解甲烷制氢系统配套的甲烷气罐的排气阀门一端连接；催化剂是为Ni、Fe、Pt和Pd中的一种，或几种的混合；电加热器工作温度设定在250℃-600℃之间；绝缘隔热层是玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐中的一种或多种组合。
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