CN114590777A - 一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，包括：反应装置，所述反应装置上端连接提纯装置，所述反应装置外设有加热装置，所述加热装置内设有固体氧化物燃料电池装置，所述固体氧化物燃料电池装置下端连接第一气体分离器，所述第一气体分离器连接提纯装置，所述固体氧化物燃料电池装置上端连接空气压缩机，所述反应装置下端连接收集装置；本发明利用熔融金属的高导热性和其本身的催化活性等特性，在高温条件下催化天然气直接裂解，可以实现长时间连续自动化生产，达到同时制备高纯氢气和高值碳的目的。

Description

一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置

技术领域

本发明涉及制氢设备技术领域，具体涉及一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置。

背景技术

随着二氧化碳排放带来的环境问题日益加剧，传统化石能源结构向清洁可再生能源的转型迫在眉睫。我国作为一个煤炭大国，当前能源消费结构仍以化石能源为主，而“双碳”目标的确立，使得用化石能源作为燃料的行业压力倍增。氢能作为一种清洁可再生能源，有着燃烧热值高、安全性较好、生产方式多样等优点，是极其理想的高能燃料，但氢气的制取和储运还存在一些问题。工业上广泛应用的甲烷水蒸气重整制氢会产生大量的二氧化碳，不利于环境保护和“双碳”目标达成；电解水制氢能耗过高，成本高。因此，研发低碳排放、低能耗、成本低的先进制氢技术是推进我国能源结构顺利转型的关键。

甲烷裂解制氢技术并非一种全新的技术，该技术的可行性早已被多个机构通过实验证明，但因反应过程中固体催化剂积碳失活的问题，一直未能实现工业规模的连续运转。对此，国外有研究者提出了使用熔融金属催化剂替代传统固体催化剂来解决积碳失活的问题。这一基于熔融金属的创新技术，不但有着零碳排放、低能耗、低成本、较易于工业化的优点，其反应中生产的固体碳还更安全，更易分离、储存，生产的多种结构的碳还有额外的市场价值，进一步降低了生产成本。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置,通过利用液态金属高导热性和高催化活性等特性，在温度1000℃时催化天然气直接裂解，实现连续自动化生产，达到良好的节能目的；同时通过固体氧化物燃料电池装置的设计，让裂解反应只需要少量启动电源的情况下，实现连续自动化生产，更节能更环保，同时产氢效率更高。

本发明采用下述的技术方案：

一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置方法，包括：反应装置，所述反应装置上端连接提纯装置，所述反应装置外设有加热装置，所述加热装置内设有固体氧化物燃料电池装置，所述固体氧化物燃料电池装置下端连接第一气体分离器，所述第一气体分离器连接提纯装置，所述固体氧化物燃料电池装置上端连接空气压缩机，所述反应装置下端连接收集装置；通过提纯装置向反应装置进行输送天然气，并吸收反应后的气体进行提纯，再通过固体氧化物燃料电池装置对加热装置提供持续的能量供应，更好的实现了节能，保证了反应的不断进行。

进一步的，所述反应装置包括内管和外管，所述内管通过石英套固定在外管内，所述外管开口处设有密封法兰接口，所述法兰接口上连接提纯装置；反应在内管进行，产生的固体碳从内管溢出，到外管内，再通过外管掉入收集装置中，产生的气体通过法兰接口上连接的提纯装置进行收集和提纯。

进一步的，所述提纯装置包括天然气进气管，所述天然气进气管连接混合罐，所述混合罐一端连接外管，另一端连接第二气体分离器，所述外管连接第一阀门，所述第一阀门连接过滤器，所述过滤器连接第二气体分离器；提纯装置通过将收集的气体，通过过滤器将气体中的碳粉分离，再进入第二气体分离器将氢气、天然气分离，从而得到高纯度氢气，分离出的天然气重新进入混合罐，重新进入反应。

进一步的，所述加热装置包括电阻丝加热器和保温层，所述电阻丝加热器连接加热控制器，所述加热控制器连接补偿电源；通过补偿电源启动加热控制器，控制电阻丝加热和启动固体氧化物燃料电池装置进行反应。

进一步的，所述固体氧化物燃料电池装置包括电池外壳，所述电池外壳内依次设有电池阴极、电解质和电池阳极，所述固体氧化物燃料电池装置下端设有第一腔室和第二腔室，所述第一腔室连接电池阴极，所述第二腔室连接电池阳极，所述第一腔室连接排气口，所述第二腔室连接第一气体分离器，所述加热控制器与固体氧化物燃料电池装置通过输电线连接；固体氧化物燃料电池装置进行反应，电池阳极内天然气氧化为二氧化碳，将二氧化碳和未反应完全的天然气通过第二腔室排入第一气体分离器中，电池阴极内的空气经过反应消耗空气中的氧气，再通过第一腔室排出。

进一步的，所述气压缩机连接电池阴极；为电池阴极提供空气。

进一步的，所述天然气进气管连接电池阳极；为电池阳极提供天然气。

进一步的，所述第一阀门连接电池阳极；将未能完全反应的天然气及其携带的部分碳粉通入电池阳极，提供反应原料。

进一步的，所述收集装置包括第二阀门和收集罐；通过控制第二阀门控制收集罐的闭合。

本发明的有益效果是：

本发明能够本发明利用熔融金属在高温下催化甲烷直接裂解制氢和高值碳，不存在催化剂积碳失活的问题，甲烷的转化率高，产出的氢气纯度高；本发明的反应装置采用内外双管结构，可以在不涉及熔融金属流动的情况下自动排碳，加上保温层可以有效的减少热量的流失，且内管中满溢的碳会落至外管底部，采用收集装置连接外管底部可使碳落入收集罐中得以取出，实现连续自动化生产；本发明的能量大部分来源于天然气，只需少量的补偿电源，在天然气开采地具有完美运行的条件，可获得较大的经济效益；本发明的产品有氢气和高值碳，可同时收集氢气和固体碳，实现多种功能；基于上述，本发明具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明固体氧化物燃料电池装置结构示意图；

图4为本发明固体氧化物燃料电池装置结构示意图

图中：

1-反应装置、2-提纯装置、3-加热装置、4-固体氧化物燃料电池装置、41-电池外壳、42-电池阴极、43-电解质、44-电池阳极、5-第一气体分离器、6-空气压缩机、7-收集装置、8-内管、9-外管、10-石英套、11-法兰接口、12-天然气进气管、13-混合罐、14-第二气体分离器、15-第一阀门、16-过滤器、17-电阻丝加热器、18-保温层、19-加热控制器、20-补偿电源、21-第一腔室、22-第二腔室、23-排气口、24-输电线、25-第二阀门、26-收集罐。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

如图1至图4所示，本发明提供一种技术方案：一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，包括有以下步骤：反应装置1，所述反应装置1包括内管8和外管9，所述内管8通过石英套10固定在外管9内，所述外管9开口处设有密封法兰接口11，所述法兰接口11上连接提纯装置2；

所述提纯装置2包括天然气进气管12，所述天然气进气管12连接混合罐13，所述混合罐13一端连接外管9，另一端连接第二气体分离器14，所述外管9连接第一阀门15，所述第一阀门15连接过滤器16，所述过滤器16连接第二气体分离器14；

所述反应装置1外设有加热装置3，所述加热装置3包括电阻丝加热器17和保温层18，所述电阻丝加热器17连接加热控制器19，所述加热控制器19连接补偿电源20；

所述加热装置3内设有固体氧化物燃料电池装置4，所述固体氧化物燃料电池装置4包括电池外壳41，所述电池外壳41内依次设有电池阴极42、电解质43和电池阳极44，所述固体氧化物燃料电池装置4下端设有第一腔室21和第二腔室22，所述第一腔室21连接电池阴极42，所述第二腔室22连接电池阳极44，所述第一腔室21连接排气口23，所述第二腔室22连接第一气体分离器5，所述加热控制器19与固体氧化物燃料电池装置4通过输电线24连接；

所述固体氧化物燃料电池装置4下端连接第一气体分离器5，所述第一气体分离器5连接提纯装置2，所述固体氧化物燃料电池装置4上端连接空气压缩机6，所述气压缩机6连接电池阴极42，所述电池阳极44连接天然气进气管12和第一阀门15；

所述反应装置1下端连接收集装置7，所述收集装置7包括第二阀门25和收集罐26。

按照如图所示，实验开始时先打开补充电源20，为加热控制器19提供电能，加热控制器19控制电阻丝加热器17进行加热，加热到900℃时，固体氧化物燃料电池装置4开始工作，固体氧化物燃料电池装置4开始为加热控制器19提供电能，此时可关闭补偿电源；

加热到金属熔融状态下，开始从天然气进气管12输入天然气，天然气一部分通过混合罐13进入反应装置1的内管8的熔融金属内，并裂解成氢气和碳，氢气和未能完全反应的天然气及其携带的部分碳粉通过法兰接口11的出气口通过第一阀门15进入过滤器16，过滤器16将气体中的碳粉分离，分离的碳粉可以加以收集，然后将分离出来的气体通入第二气体分离器14，第二气体分离器14可将氢气、天然气分离，从而得到高纯度氢气，分离出的天然气进入混合罐13再次参与反应；

同时为了保证固体氧化物燃料电池装置4可持续产生电能，在电池阳极44连接天然气进气管12和第一阀门15，天然气进气管12可为电池阳极44提供天然气作为反应原料，实现就地取材，使用更便利，同时第一阀门15可将氢气、未能完全反应的天然气及其携带的部分碳粉通入电池阳极44，提供反应原料，电池阴极42通过空气压缩机6通入空气，为反应提供原料；

经过一段时间反应后，电池阴极42连通的第一腔室21内为氧气消耗后剩余气体，通过排气口23排出，电池阳极44连通的第二腔室22内为二氧化碳和未反应完全的天然气，通过第一气体分离器5将天然气和二氧化碳分开，天然气重新通入天然气进气管12内进行循环；

反应装置1的内管8内，反应一段时间后产生固体碳将溢出内管8内，掉落进外管9中，当碳粉满溢至外管9的底部，打开第二阀门25将固体碳排入收集罐26内。

本发明通过不断的循环使用，有效减少了天然气的浪费，提高了氢气的纯度的同时，对其他反应物进行了有效的收集，对固体碳的收集，大大提高了装置的经济性和使用性，有利于广泛使用，而且本发明反应气和能源均由天然气提供，只需少量的启动能源，即可实现全自动生产，对于天然气田具有重要意义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，其特征在于，包括：反应装置(1)，所述反应装置(1)上端连接提纯装置(2)，所述反应装置(1)外设有加热装置(3)，所述加热装置(3)内设有固体氧化物燃料电池装置(4)，所述固体氧化物燃料电池装置(4)下端连接第一气体分离器(5)，所述第一气体分离器(5)连接提纯装置(2)，所述固体氧化物燃料电池装置(4)上端连接空气压缩机(6)，所述反应装置(1)下端连接收集装置(7)。

2.根据权利要求1所述的一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，其特征在于，所述反应装置(1)包括内管(8)和外管(9)，所述内管(8)通过石英套(10)固定在外管(9)内，所述外管(9)开口处设有密封法兰接口(11)，所述法兰接口(11)上连接提纯装置(2)。

3.根据权利要求2所述的一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，其特征在于，所述提纯装置(2)包括天然气进气管(12)，所述天然气进气管(12)连接混合罐(13)，所述混合罐(13)一端连接外管(9)，另一端连接第二气体分离器(14)，所述外管(9)连接第一阀门(15)，所述第一阀门(15)连接过滤器(16)，所述过滤器(16)连接第二气体分离器(14)。

4.根据权利要求3所述的一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，其特征在于，所述加热装置(3)包括电阻丝加热器(17)和保温层(18)，所述电阻丝加热器(17)连接加热控制器(19)，所述加热控制器(19)连接补偿电源(20)。

5.根据权利要求4所述的一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池装置(4)包括电池外壳(41)，所述电池外壳(41)内依次设有电池阴极(42)、电解质(43)和电池阳极(44)，所述固体氧化物燃料电池装置(4)下端设有第一腔室(21)和第二腔室(22)，所述第一腔室(21)连接电池阴极(42)，所述第二腔室(22)连接电池阳极(44)，所述第一腔室(21)连接排气口(23)，所述第二腔室(22)连接第一气体分离器(5)，所述加热控制器(19)与固体氧化物燃料电池装置(4)通过输电线(24)连接。

6.根据权利要求5所述的一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，其特征在于，所述空气压缩机(6)连接电池阴极(42)。

7.根据权利要求5所述的一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，其特征在于，所述天然气进气管(12)连接电池阳极(44)。

8.根据权利要求5所述的一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，其特征在于，所述第一阀门(15)连接电池阳极(44)。

9.根据权利要求1所述的一种天然气无碳排放制氢和高值碳的反应装置，其特征在于，所述收集装置(7)包括第二阀门(25)和收集罐(26)。

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