CN114713175A - 一种天然气无碳制氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天然气无碳制氢装置，包括：外管，所述外管内设有石英支撑环，所述石英支撑环上设有反应内管，所述外管外设有加热装置，所述外管下端连接排碳装置，所述外管上端连接取样装置、进气管和排气管，所述取样装置和进气管均延伸至反应内管内，所述取样装置包括取样管，所述取样管上端连接进料管，所述进料管上设有抽气口和进气口，所述取样管和进料管之间从上到下依次设有进料岔口和取样岔口，所述进料岔口和取样岔口之间设有第一隔断阀门，所述取样岔口上设有第二隔断阀门，所述取样岔口连接取样腔；本发明实现了连续自动化产氢，提高了产氢效率和保证了实验的安全性，有利于广泛使用。

Description

一种天然气无碳制氢装置

技术领域

本发明涉及制氢辅助装置技术领域，具体涉及一种天然气无碳制氢装置。

背景技术

随着化石能源燃烧带来的环境问题日益加剧，传统化石能源向清洁可再生能源的转型迫在眉睫。氢能是一种清洁可再生能源，有着燃烧热值高、安全性好、来源路径多等优点，被认为是理想的清洁燃料。但在当前技术下，氢能源的广泛利用受其生产成本和储运成本限制较大，因此，研发低碳排放、低能耗、低成本的先进制氢技术是获得廉价氢源的重要保障，是推进能源结构顺利转型的关键。

熔融金属催化甲烷热解制氢技术，能够将甲烷高效转化为氢气和固体碳，其碳产品可提供额外的利润，在“双碳”背景下具有极好的发展前景，但当前该技术的工业化还存在一些问题，首先在反应过程中生成的固体碳会漂浮在熔融金属表面并不断堆积，致使在反应器运行一段时间后不得不暂停运行并清理积碳。这样不仅会因停机而造成生产效率下降，还会增加额外的人工费用支出；其次碳产物的结构与其生长时间息息相关，要想获得高价值碳产品，必须控制碳在熔融金属表面的生长时间；还包括熔融金属在高温下会产生金属蒸气，金属蒸气会随产气和碳产物排出到反应器外。由于不同熔融金属的蒸气压不同，在运行相同时间后损失的金属的量也不同，这会导致熔融合金的成分发生变化，催化效率下降。若停止反应器来取样分析和加入金属，则存在冷凝后取样困难的问题，且停机会导致生产效率下降，成本增加。

综上所述，该技术在反应装置上还存在改进的空间。提供一种天然气无碳制氢装置，能在反应过程中同步监测熔融金属成分和分离碳产物，并调控熔融金属成分变化，控制碳的生长时间，进而进一步提高制氢效率和碳产物价值的装置十分重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种天然气无碳制氢装置,通过进气吹扫管在生产过程中同步对漂浮在熔融金属表面的固体碳进行清理，碳产品的生长时间可控，有利于高值碳产物的定向生产，其收集和排出不影响设备的正常运行，可实现连续自动化生产，同时能够在生产过程中调控熔融金属成分，减小其成分变化导致效率降低的影响的气泵式取样进料管型组件。

本发明采用下述的技术方案：

一种天然气无碳制氢装置，包括：外管，所述外管内设有石英支撑环，所述石英支撑环上设有反应内管，所述外管外设有加热装置，所述外管下端连接排碳装置，所述外管上端连接取样装置、进气管和排气管，所述取样装置和进气管均延伸至反应内管内；通过石英支撑环固定反应内管，防止高温反应时反应内管发生偏移和抖动，同时有利于碳产品的顺利排出，取样装置便于在不停止反应的情况下，进行熔融金属催化剂的检测和投放，提高反应的效率。

进一步的，所述取样装置包括取样管，所述取样管上端连接进料管，所述进料管上设有抽气口和进气口，所述取样管和进料管之间从上到下依次设有进料岔口和取样岔口，所述进料岔口和取样岔口之间设有第一隔断阀门，所述取样岔口上设有第二隔断阀门；取样管延伸至反应内管内，便于在反应进行时对熔融金属催化剂进行取样、检测和投放，通过控制第一隔断阀门和第二隔断阀门的开合，实现不同的操作目的。

进一步的，所述取样岔口连接取样腔，所述取样腔内设有取样杯；取样岔口内用于收集取样的熔融金属催化剂，取样杯更便于拿取凝固后的金属样品。

进一步的，所述取样管与取样岔口连接处设有观察窗；便于观察熔融金属负压上升的高度，避免取样过多，溢出取样杯。

进一步的，所述第一隔断阀门下端设有气压检测装置；用于检测负压取样时的气压，便于判断。

进一步的，所述外管上端设有吹扫管，所述吹扫管延伸至反应内管上方；吹扫管用于吹扫反应产生的固体碳，保证反应的持续进行。

进一步的，所述外管上端设有K型热电偶，所述K型热电偶延伸至外管和反应内管之间；通过K型热电偶监测外管内的温度。

进一步的，所述加热装置包括保温层，所述保温层内设有涡流感应加热器，所述保温层外设有外壳；装置通过涡流感应加热器进行加热，通过保温层进行保温，外壳为不锈钢外壳。

进一步的，所述排碳装置包括碳收集箱，所述碳收集箱和外管之间设有第一电动阀门和第二电动阀门，所述第一电动阀门和第二电动阀门之间设有空腔；通过空腔进行积碳的冷却，通过控制第一电动阀门和第二电动阀门的开合实现积碳的排放。

进一步的，所述空腔内设有高温报警装置；高温报警装置安装在靠近第二电动阀门上不受积碳的影响，通过高温报警装置检测熔融金属的泄漏情况。

本发明的有益效果是：

本发明通过控制熔融金属液面上方处的进气吹扫管的进气流速与进气间隔，来控制漂浮在熔融金属表面的固体碳的生长时间，并将其吹出刚玉反应管，在重力和气流作用下汇聚到电动阀门处，通过双重电动阀门的间歇性异步开合来排出和收集固体碳，碳产物的生长时间可控，有利于高值碳产物的定向生产，固体碳的排出和收集不影响设备的正常运行，可实现连续自动化生产；同时，双重电动阀门的间歇性异步开合，以及位于下阀门上方的高温报警装置，能够在刚玉反应管破裂，熔融金属漏出后及时报警，以关闭下阀门来避免泄漏，提高了反应装置的安全性；此外，本发明中的取样装置，可协同天然气无碳制氢反应器使用或视情况独立使用，能够在生产过程中取样熔融金属和进料金属粉末，进而调控熔融金属的成分，以减小长时间高温运行下熔融金属因各成分蒸气压不同导致成分变化带来的影响，有利于设备的长时间高效运行。

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为本发明取样装置结构图；

图3为本发明石英支撑架结构示意图；

图4为本发明石英支撑架结构示意图；

图中：

1-外管、2-加热装置、3-反应内管、4-排碳装置、5-取样装置、51-取样管、52-进料管、521-抽气口、522-进气口、53-进料岔口、54-取样岔口、541-取样腔、542-取样杯、55-第一隔断阀门、56-观察窗、57-气压检测装置、58-第一隔断阀门、6-进气管、7-排气管、8-保温层、9-涡流感应加热器、10-外壳、11-碳收集箱、12-第一电动阀门、13-第二电动阀门、14-空腔、15-高温报警装置、16-吹扫管、17-石英支撑环、18-K型热电偶。

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：一种天然气无碳制氢装置，包括：外管1，所述外管1内设有石英支撑环17，所述石英支撑环17上设有反应内管3，所述外管1上端连接取样装置5、吹扫管16、K型热电偶18、进气管6和排气管7，所述取样装置5和进气管6均延伸至反应内管3内，进气管6与反应内管3底部留有一段距离，吹扫管16延伸至反应内管3上方，也可延伸至反应内管3内，保持在熔融金属液面上方一段距离即可，K型热电偶18延伸至外管1和反应内管3之间，用于检测外管1内的温度；

所述取样装置5包括取样管51，所述取样管51上端连接进料管52，所述进料管52上设有抽气口521和进气口522，所述取样管51和进料管52之间从上到下依次设有进料岔口53和取样岔口54，所述进料岔口53和取样岔口54之间设有第一隔断阀门55，第一隔断阀门55下端设有气压检测装置57，取样管51与取样岔口54连接处设有观察窗56，所述取样岔口54上设有第二隔断阀门58，所述取样岔口54连接取样腔541，所述取样腔541内设有取样杯542，安装好后取样装置均处于密封状态；

所述外管1外设有加热装置2，所述加热装置2包括保温层8，所述保温层8内设有涡流感应加热器9，所述保温层8外设有不锈钢材质的外壳10，外管1的上端高于保温层8高度，用于反应后气体冷却，以降低对排气管及尾气处理装置的耐高温要求；

所述外管1下端连接排碳装置4，所述排碳装置4包括碳收集箱11，所述碳收集箱11和外管1之间设有第一电动阀门12和第二电动阀门13，所述第一电动阀门12和第二电动阀门13之间设有空腔14，所述空腔14内设有高温报警装置15，高温报警装置15靠近第二电动阀门13。

按照如图1所示安装好装置并放入反应催化剂等，打开涡流感应加热器9进行加热，进气管6通入天然气进行反应，同时打开排气口7排出反应后的气体，反应一段时间后，反应内管3内的熔融金属液面产生固体碳，影响反应效率，打开吹扫管16通入氩气，对产生的固体碳进行吹扫，通过控制进气间隔和流速来控制固体碳的生长时间，并将多余固体碳吹离反应内管3；

多余固体碳掉入外管1内，通过控制第一电动阀门12的开关，排出多余的固体碳，保证反应的不停工，提高产氢效率，多余的固体碳进入空腔14内，然后通过控制第二电动阀门13将固体碳排入碳收集箱11，第一电动阀门12和第二电动阀门13的异步开合也使得进入到碳收集箱11的可燃气体量很小，在通风良好的情况下不会出现安全事故，同时高温报警装置15可用于检测，当反应内管3发生破裂，熔融金属泄漏时，能及时报警并保持第二电动阀门13的闭合，防止熔融金属流出引发火灾等安全问题，进一步保证实验的安全性；

继续反应一段时间后，熔融金属催化剂因各成分蒸气压不同导致成分变化，影响实验效果，此时通过取样装置5对正在反应的熔融金属催化剂进行取样和添加。取样装置5使用前一直处于密封状态，取样时，先将抽气口521与真空泵连接，减少进料管52内的空气，防止爆炸；然后打开第一隔断阀门55和第二隔断阀门58，反应内管3内的液态熔融金属将在气压作用下沿着取样管51向上流动，此时可由观察窗56观测，当观测到熔融金属上升到取样岔口54处时，减小真空泵的抽气速率，真空泵抽气快慢可由气压监测器57判断；当观测到熔融金属上升到观察窗56标记处时，说明此时熔融金属刚好可由取样岔口54流入取样杯542，在熔融金属液面再次上升前关闭真空泵，并由进气口522缓慢进氩气，降低液面，以免熔融金属溢出取样杯542，凝固后难以取出。观察气压监测装置57，当取样管51气压恢复后，关闭第一隔断阀门55和第二隔断阀门58，待取样腔541冷却后再打开，取出取样杯542，完成取样。

通过对取样进行分析，计算所需进料的金属的质量，进行进料，关闭第一隔断阀门55和第二隔断阀门58，由抽气口521抽气一段时间，然后由进气口522进氩气，将进料管52内可能存在的氢气和甲烷气体换出。连接进料岔口53，将称量的金属由进料岔口53倒入，然后关闭进料岔口53，打开第一隔断阀门55，使进料金属自然落入熔融金属中，再通入氩气，将进料金属粉末搅拌均匀。在通入一段时间氩气后，关闭第一隔断阀门55，停止进气，完成进料。

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 (10)

1.一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，包括：外管(1)，所述外管(1)内设有石英支撑环(17)，所述石英支撑环(17)上设有反应内管(3)，所述外管(1)外设有加热装置(2)，所述外管(1)下端连接排碳装置(4)，所述外管(1)上端连接取样装置(5)、进气管(6)和排气管(7)，所述取样装置(5)和进气管(6)均延伸至反应内管(3)内。

2.根据权利要求1所述的一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，所述取样装置(5)包括取样管(51)，所述取样管(51)上端连接进料管(52)，所述进料管(52)上设有抽气口(521)和进气口(522)，所述取样管(51)和进料管(52)之间从上到下依次设有进料岔口(53)和取样岔口(54)，所述进料岔口(53)和取样岔口(54)之间设有第一隔断阀门(55)，所述取样岔口(54)上设有第二隔断阀门(58)。

3.根据权利要求2所述的一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，所述取样岔口(54)连接取样腔(541)，所述取样腔(541)内设有取样杯(542)。

4.根据权利要求3所述的一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，所述取样管(51)与取样岔口(54)连接处设有观察窗(56)。

5.根据权利要求4所述的一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，所述第一隔断阀门(55)下端设有气压检测装置(57)。

6.根据权利要求1所述的一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，所述外管(1)上端设有吹扫管(16)，所述吹扫管(16)延伸至反应内管(3)上方。

7.根据权利要求1所述的一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，所述外管(1)上端设有K型热电偶(18)，所述K型热电偶(18)延伸至外管(1)和反应内管(3)之间。

8.根据权利要求1所述的一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，所述加热装置(2)包括保温层(8)，所述保温层(8)内设有涡流感应加热器(9)，所述保温层(8)外设有外壳(10)。

9.根据权利要求6所述的一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，所述排碳装置(4)包括碳收集箱(11)，所述碳收集箱(11)和外管(1)之间设有第一电动阀门(12)和第二电动阀门(13)，所述第一电动阀门(12)和第二电动阀门(13)之间设有空腔(14)。

10.根据权利要求9所述的一种天然气无碳制氢装置，其特征在于，所述空腔(14)内设有高温报警装置(15)。

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