CN114031037A - 熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构及其后处理工艺 - Google Patents

Abstract

熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构，包括液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体、碳收集室、排碳腔、汇集管、推杆、气缸、旋风分离器、布袋除尘器、水洗槽、酸洗槽；碳收集室、排碳腔、汇集管、推杆、气缸、旋风分离器、布袋除尘器、水洗槽、酸洗槽安装在一起且和液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体的腔室、排气管、过滤器、气体分离器等连接；熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构处理工艺包括五个步骤。本发明在相关机构共同作用下，通过多个步骤能实现碳气体分离、除尘、水洗和酸洗，获得的碳能直接用于其他生产领域使用，实现了制氢反应器的应用价值最大化，克服了现有技术中，无法有效处理及利用甲烷制氢产生的副产物碳的弊端。

Description

熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构及其后处理工艺

技术领域

本发明涉及氢气制备辅助设备及应用方法技术领域，特别是一种熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构及其后处理工艺。

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。针对上述技术问题，本申请人提交了专利名称“一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统”、专利号“202110242946.9 ”的专利申请，如图1可知，其工作时，反应气体甲烷通过甲烷罐排气阀门29进入混合罐4内，并沿输气管5进入分配器8内，再由分配器8导入罐体3内，在罐体3中与高温液态锡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2-1内，过滤器1、气体分离器2-1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102在液态锡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。

虽然一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统实现了甲烷制氢的技术突破，但是受到技术限制，其只是将产生的副产品碳排出收集并作为废弃物处理，并没有对碳的进一步处理，实际上碳同样具有较高的工业应用价值，因此，提供一种结合一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统使用，能有效处理回收甲烷制氢产生的副产物碳的处理机构及应用方法显得尤为必要。

发明内容

为了克服现有技术中无法有效处理及利用甲烷制氢产生的副产物碳的弊端，本发明提供了结合一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统使用，在相关机构共同作用下，能将制氢系统裂解生成的碳提纯收集，实现了制氢反应器的应用价值最大化的熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构及其后处理工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构，包括液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体、碳收集室、排碳腔、汇集管、推杆、气缸、旋风分离器、布袋除尘器、水洗槽、酸洗槽；其特征在于所述收集室的上端和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的腔室下端安装在一起，收集室的下端和排碳腔的上端安装在一起，推杆安装在排碳腔内，排碳腔的一侧端安装有安装座，安装座的内安装有密封圈，推杆一端位于密封圈内，推杆一端侧和气缸的活塞杆安装在一起，气缸的筒体安装在机架上；所述排碳腔的两侧端下部分别安装有左出碳管、右出碳管，左出碳管、右出碳管的下端分别和汇集管的左右两端上部安装在一起，汇集管的一侧端和旋风分离器的进气管连接在一起，旋风分离器的排气管和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的排气管与一只汇流管道一端并联连接，汇流管道另一端和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的过滤器一端连接，过滤器另一端和布袋除尘器的进气管道连接在一起，布袋除尘器的排气管道和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的气体分离器进气端连接；所述旋风分离器、布袋除尘器的出料管和水洗槽的进料管连接，水洗槽的出料管和酸洗槽的进料管连接。

进一步地，所述排碳腔的外层是中空结构，排碳腔的两侧分别安装有进水管、排水管。

进一步地，所述安装座的外部是中空结构，安装座两侧各安装有一只进水管A、排水管A。

进一步地，所述推杆位于排碳腔的部位间隔距离安装有多只推板，中间两只推板之间外侧端安装有密封圈。

熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构的后处理工艺，其特征在于包括如下步骤，A：液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体生产产生的碳经腔室进入收集室内，气缸在控制作用下带动推杆运动，将碳排入到汇集管内；B:碳在旋风分离器内被分离，腔室带出的氢气、反应气体和少部分碳沿旋风分离器出口进入汇流管道，与排气管道的氢气汇流后经过滤器过滤，再进入布袋除尘器，将碳进一步分离，氢气和残余反应气体经气体管道进入气体分离器；C：旋风分离器和布袋除尘器分离出的碳进入水洗槽，碳中混杂的盐溶于水中，碳及混杂的金属物沉降在水洗槽底部；D：碳水洗后经过滤后进入酸洗槽，将碳中混杂的金属物溶于酸中，起到去除金属杂质的作用；E;碳酸洗后经过滤、干燥获得高纯碳。

进一步地，所述气缸在PLC控制作用下其活塞杆会带动推杆左右往复运动，推杆带动推板将碳经左出碳管、右出碳管排入到汇集管内。

本发明有益效果是：本发明结合液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体使用，在相关机构共同作用下，通过多个步骤能实现碳气体分离、除尘、水洗和酸洗，获得的碳能直接用于其他生产领域使用，实现了制氢反应器的应用价值最大化，基于上述，本发明具有好的应用前景。

附图说明

图1是现有一种金属高温裂解甲烷制氢系统本体结构示意图。

图2、3、4、5、6是本发明一种制氢反应器碳处理机构结构示意图。

图7是本发明工艺流程示意图。

具体实施方式

图1、2、3、4、5、6、7所示，熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构，包括液态金属（可采用熔融介质）高温裂解甲烷制氢系统本体、碳收集室1、排碳腔2、汇集管206、推杆7、气缸5（经PLC控制，工作时其活塞杆按照PLC编程左右来回运动）、旋风分离器（图中未画出）、布袋除尘器（图中未画出）、水洗槽（图中未画出）、酸洗槽（图中未画出）；所述收集室1的上端和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的腔室18下端用螺杆螺母连接在一起，收集室1的下端和排碳腔2的上端中部安装在一起且互通，推杆7横向安装在排碳腔2内，排碳腔2的右侧端经螺杆螺母安装有一个安装座3，安装座3的中部横向紧套安装有一只密封圈303，推杆7右端位于密封圈303中部内，推杆7位于排碳腔2（左端密封）右端部分外和气缸5的左端活塞杆经联轴器4安装在一起，气缸5的筒体经螺杆螺母固定在机架上；所述排碳腔2的两侧端下中部分别焊接有一只左出碳管204、右出碳管205，左出碳管204、右出碳管205的下端分别和汇集管206的左右两端上中部焊接在一起，汇集管206的右侧端（左端密封）和旋风分离器的进气管道用螺杆螺母连接在一起，旋风分离器的排气管和金属（或熔融介质）高温裂解甲烷制氢系统本体的排气管15与一只汇流管道一端并联连接，汇流管道另一端和液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体的过滤器1-1一端连接，过滤器1-1另一端和布袋除尘器的进气管道用螺杆螺母连接在一起，布袋除尘器的排气管道和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的气体分离器2-1进气端经螺杆螺母连接，气体分离器2-1的排气端和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的混合罐4-1右部连接管通过管道接头用螺杆螺母连接在一起，气体分离器2-1的排气管和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的氢气罐的进气管经管道连接；所述旋风分离器、布袋除尘器的出料管各经阀门串联和水洗槽的进料管经管道连接，水洗槽的出料管和酸洗槽的进料管经管道连接。

图1、2、3、4、5、6、7所示，排碳腔2的外层是中空两层结构211，排碳腔的上端两侧分别焊接有一只和其外层中空部位内互通的进水管209、排水管201，进水管209和生产区域的自来水管等经管道连接，排水管210和生产区域废水管经管道连接。安装座3的外部是中空结构，安装座3上下端各焊接有一只和外部中空部位内互通的进水管A301、排水管A302，进水管A301和生产区域的自来水管等经管道连接，排水管A302区域废水管经管道连接。推杆7左端到中部之间间隔一定等距离安装有四只圆形推板701，中间两只推板701（之间内侧为中空结构）的外侧端安装有环形密封圈703，推板701及密封圈703的外侧均安装有耐热密封圈707，推板701及密封圈703外径略小于排碳腔7的内径，密封圈707和排碳腔7内侧处于密封结构，推杆7右端和安装座的密封圈303内侧紧密接触。

图1、2、3、4、5、6、7所示，本发明应用中，液态金属（高温裂解甲烷制氢系统本体生产产生的碳经腔室18进入收集室1内（液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体的反应气体经混合罐4混合进入罐体3后，在制氢反应器内裂解成碳和氢气，其中氢气沿排气管道15进入汇流管道），PLC控制气缸5的活塞杆带动推杆7左右循环运动，推杆7运动到排碳腔2内右部止点时，（图3所示）左部的推板701和中间两只推板701的左部一只位于收集室下端的管道208下中部，这样，收集室1内的碳进入左部的推板701和中间两只推杆的左部一只推板701之间内；（图3所示）推杆7运动到排碳腔2内左部止点时，左部的推板701和中间两只推板701的左部一只位于左出碳管204的上端，于是，碳进入汇集管206内。（图4所示）推杆7运动到排碳腔2左部止点时，右部的推板701和中间两只推板701的右部一只位于收集室下端的管道208下中部，这样，收集室1内的碳进入右部的推板701和中间两只推板701的右部一只推板701之间内；推杆7运动到排碳腔2右部止点时，右部的推板701和中间两只推板701的右部一只位于右出碳管204的上端，于是，碳进入汇集管206内。通过推杆控制四只推板701、进而分别控制碳经左出碳管203、右出碳管204进入汇集管206内，保证了碳有效进入汇集管206内前提下，还实现了液态金属（高温裂解甲烷制氢系统本体与后处理系统的有效密封隔离。本发明中，排碳腔2外壳设有水冷层211，左端设有进水口209，右端设有出水口210，这样，循环水能通过进水口209进入、出水口210流出，水冷层211对进入排碳腔2的碳以及推杆密封位置的密封圈707进行冷却，防止密封圈因温度过高而损坏，影响密封性能；同时冷却水从安装座的进水口A302流入，出水口A301流出，可对密封圈303进行冷却，防止密封圈303因温度过高而损坏，影响密封性能。

图1、2、3、4、5、6、7所示，本发明应用中，碳在推杆7的作用下进入分别经左出碳管204、右出碳管205进入汇集管206内后，碳在旋风分离器吸力的作用下进入旋风分离器，大部分碳在旋风分离器内被分离，只有氢气、反应气体和少部分碳沿旋风分离器出口进入汇流管道，与排气管道的氢气汇流后经过滤器1-1过滤后进入布袋除尘器，将碳进一步分离，获得洁净的氢气和残余反应气体，氢气和残余反应气体经气体管道进入气体分离器2-1，在气体分离器2-1中分离出氢气，残余反应气体经回收管道进入混合罐4-1，沿进气管道进入液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体进一步裂解。旋风分离器和布袋除尘器分离出的碳经打开的阀门、管道后进入水洗槽，这样，可将碳中混杂的盐溶于水中，起到去盐的作用，部分较大的金属颗粒和杂质颗粒可沉降在水洗槽底部，后期可通过过滤去除。碳水洗后经过滤经打开的阀门、管道进入酸洗槽，可将碳中混杂的金属物溶于酸中，起到去除金属杂质（比如Cu-Bi）的作用。碳酸洗后经过滤、干燥，可获得高纯碳。

图1、2、3、4、5、6、7所示，本发明中，推杆7往复运动有2个工作位置，推杆7的四只推板分别控制碳经左出碳管204、右出碳管205进入汇集管206内的时间可任意设定，优选0.5小时。工作位置为初始工作状态，推杆位于右止点及左止点时，在四只推板作用下，会分别和收集室1密封隔离形成密闭空间，可有效避免液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体与后级系统串气，对制氢反应器造成冲击，影响工作稳定性，同时碳收集室1的碳可以顺利进入汇集管206内，如此往复可实现连续排碳。实际情况下，推杆7往复运动时有一中间过程，此刻中间两只推板位于收集室1下端（图5所示），收集室和汇集管206完全隔绝，碳不再进入汇集管206内。本发明结合液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体使用，在相关机构共同作用下，通过多个步骤能实现碳气体分离、除尘、水洗和酸洗，获得的碳能直接用于其他生产领域使用，实现了制氢反应器的应用价值最大化。

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 (6)

1.熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构，包括液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体、碳收集室、排碳腔、汇集管、推杆、气缸、旋风分离器、布袋除尘器、水洗槽、酸洗槽；其特征在于所述收集室的上端和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的腔室下端安装在一起，收集室的下端和排碳腔的上端安装在一起，推杆安装在排碳腔内，排碳腔的一侧端安装有轴承座，轴承座的内安装有密封圈，推杆一端位于密封圈内，推杆一端侧和气缸的活塞杆安装在一起，气缸的筒体安装在机架上；所述排碳腔的两侧端下部分别安装有左出碳管、右出碳管，左出碳管、右出碳管的下端分别和汇集管的左右两端上部安装在一起，汇集管的一侧端和旋风分离器的进气管连接在一起，旋风分离器的排气管和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的排气管与一只汇流管道一端并联连接，汇流管道另一端和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的过滤器一端连接，过滤器另一端和布袋除尘器的进气管道连接在一起，布袋除尘器的排气管道和金属高温裂解甲烷制氢系统本体的气体分离器进气端连接；所述旋风分离器、布袋除尘器的出料管和水洗槽的进料管连接，水洗槽的出料管和酸洗槽的进料管连接。

2.根据权利要求1所述的熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构，其特征在于，排碳腔的外层是中空结构，排碳腔的两侧分别安装有进水管、排水管。

3.根据权利要求1所述的熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构，其特征在于，安装座的外部是中空结构，安装座两侧各安装有一只进水管A、排水管A。

4.根据权利要求1所述的熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构，其特征在于，推杆位于排碳腔的部位间隔距离安装有多只推板，中间两只推板之间外侧端安装有密封圈。

5.熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构的后处理工艺，其特征在于包括如下步骤，A：液态金属高温裂解甲烷制氢系统本体生产产生的碳经腔室进入收集室内，气缸在控制作用下带动推杆运动，将碳排入到汇集管内；B:碳在旋风分离器内被分离，腔室带出的氢气、反应气体和少部分碳沿旋风分离器出口进入汇流管道，与排气管道的氢气汇流后经过滤器过滤，再进入布袋除尘器，将碳进一步分离，氢气和残余反应气体经气体管道进入气体分离器；C：旋风分离器和布袋除尘器分离出的碳进入水洗槽，碳中混杂的盐溶于水中，碳及混杂的金属物沉降在水洗槽底部；D：碳水洗后经过滤后进入酸洗槽，将碳中混杂的金属物溶于酸中，起到去除金属杂质的作用；E;碳酸洗后经过滤、干燥获得高纯碳。

6.根据权利要求1所述的熔融介质天然气制氢反应器炭排出机构的后处理工艺，其特征在于，气缸在PLC控制作用下其活塞杆会带动推杆左右往复运动，推杆带动推板将碳经左出碳管、右出碳管排入到汇集管内。

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