CN116332129B - 一种绿氢制备系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绿氢制备系统及工艺，包括天然气预处理单元、液态金属裂解单元、湍动床裂解单元、PSA净化分离单元；天然气预处理单元包括脱水塔、脱硫塔和预热器；液态金属裂解单元包括液态金属反应床、氢气燃烧器、石墨烯储罐、石墨烯气体分离器和汽水换热器；湍动床裂解单元包括电源、湍动床反应器、炭黑分离器和炭黑储罐；PSA净化分离单元包括PSA。本发明将液态金属反应床未裂解反应的甲烷在湍动床反应器中进行裂解反应，增加反应连续性，提高效率；热量梯级利用，增加了能量利用效率；天然气裂解效率达到98％以上，并得到孪生产品石墨烯和炭黑；得到氢气，氢气的纯度达到99.9％以上；天然气经过氢气换热后增加了进料气的热焓，降低了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及绿氢制备技术领域，尤其涉及一种绿氢制备系统及工艺。
背景技术
氢能是一种绿色能源，是未来无污染的永久清洁能源。氢能来源广泛、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统石化能源清洁高效利用，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择。氢能生产和应用受到全球的广泛关注，成为应对气候变化、建设脱碳社会的重要产业方向。氢能产业已成为我国能源战略布局的重要部分。根据氢能制取可分为灰氢、蓝氢和绿氢，在氢气制备过程中有二氧化碳产生即为灰氢；在灰氢制备工艺中采取了碳捕捉和碳储存，但还是少量的碳排放即为蓝氢；在氢气制备中无二氧化碳排放即为绿氢，绿氢中使用的能源可以是太阳能、光能和风能产生的电力。
目前，国内氢能生产、利用已经较为广泛，主要通过化石能源制氢和工业副产物制氢获得，制得的氢气主要应用于工业原料和生产供热中。在当前中国氢气供给结构中，化石能源制氢占比70％左右，工业副产品制氢占比30％左右，电解水制氢及其它生物制氢占比低。化石能源制氢目前主流工艺中最大的问题是制氢过程产生二氧化碳；工业副产物是指焦炉煤气、氯碱尾气等工业副产物提纯制氢，只能作为氢能利用的补充，无法作为氢能利用的大规模来源；水电解制氢无二氧化碳排放，但是对水质要求较高，最主要的是耗能高，是目前所有制氢工艺中耗能最高的，并且目前还处于试验和开发阶段，尚未形成工业化应用。
目前，国内外对氢能制取进行了积极探索，但在产业化应用还存在许多不足。
CN112938895A公布采用熔融液态金属Sn、In、Ga和Pt、Bi、Pd、Fe及其合金作为催化剂，这种虽提高效率，但是固相产物只能是炭黑；采用电磁泵进行液态金属流动时，液态金属中含有炭黑，由于炭黑的导电性低会对电磁泵造成污染进而发生故障，影响装置的运行稳定性,造成产业化应用瓶颈；天然气裂解产生的炭黑会覆着在金属催化剂原子上，使催化剂失效，降低裂解效率。
CN214880202U公布的天然气制氢系统主要先将液态金属在金属熔融罐中熔融然后再经过电磁泵将金属熔融液泵入到液态金属反应床中，其天然气裂解后的炭黑会与熔融金属混合在一起，由于炭黑导电性低，炭黑与熔融金属经流电磁泵中导致流动性不好，进而导致电磁泵故障，影响整个系统的连续稳定运行，使工程化应用遇到障碍。
CN114852964A公布采用液态金属裂解天然气制氢工艺中，采用电磁加热来熔化金属，加热线圈中的电压高达数千伏，对安全操作危害大，并且采用多孔管来释放天然气，会在液态金属中造成短流，即天然气只有少部分与液态金属接触反应，还有大部分天然气未参与反应直接排出；并且液态金属在裂解天然气过程中，裂解的炭黑会包裹住碳原子，直至产生的氢气吹脱炭黑，反应才能继续开始，因此，在液态金属裂解天然气制氢是一个间断过程而非连续化过程，制氢能耗大，工业化应用效率受到制约。
WO2021232158A1公布了一种无二氧化碳排放的烃制氢：泵送熔融介质以使其流过反应器；在反应器处或反应器上游将烃混合到熔融介质中，使得混合的烃和熔融介质被运送通过反应器上游管道中发生裂解反应，烃在熔融介质中裂解会产生碳黑，导致烃与熔融介质还未到达反应器就堵塞(即碳堵)，导致系统停止；在公开文件中，烃与熔融介质在反应器中处于湍流状态，熔融介质的粘度要远高于水，烃与熔融介质处于湍流状态，则会造成大量的烃类未反应而直接排除反应器。
AT502478B1公布了含烃原料重整产氢与炭黑的方案，在方案中变压吸附分离的未裂解烃类气体与蒸汽在重整中产生一氧化碳，一氧化碳燃烧产生二氧化碳，因此此方法不适合我国的碳排政策。
CN102964884B公布的尾气联产热裂解法炭黑制备工艺会产生二氧化碳排放，不符合当前及其未来我国的碳排放政策。
CN104086341A公布的气体裂解装置及其应用，采用储能粉末作为清碳沉积，采用传统裂解器作为天然气的裂解器，其反应效率低下，储能粉末损失严重。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种绿氢制备系统及工艺。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种绿氢制备系统，包括天然气预处理单元、液态金属裂解单元、湍动床裂解单元、PSA净化分离单元；天然气预处理单元包括脱水塔、脱硫塔和预热器；液态金属裂解单元包括液态金属反应床、氢气燃烧器、石墨烯储罐、石墨烯气体分离器和汽水换热器；湍动床裂解单元包括电源、湍动床反应器、炭黑分离器和炭黑储罐；PSA净化分离单元包括PSA；脱水塔与脱硫塔依次相连，脱硫塔分别与预热器、湍动床反应器相连，预热器分别与液态金属反应床、炭黑分离器、PSA相连；氢气燃烧器安装在液态金属反应床上，氢气燃烧器与PSA的氢气出口相连，液态金属反应床与汽水换热器相连，液态金属反应床依次与石墨烯气体分离器、湍动床反应器相连，液态金属反应床、石墨烯气体分离器均与石墨烯储罐相连；电源与湍动床反应器相连，湍动床反应器依次与炭黑储罐、预热器相连，湍动床反应器、炭黑分离器均与炭黑储罐相连；PSA分别与预热器、湍动床反应器、氢气燃烧器相连。
进一步的，液态金属反应床包括内胆，内胆的内腔设有微气泡释放器装置，微气泡释放器装置的下方为稳流室，微气泡释放器装置的上方依次为液态金属反应室、石墨烯堆积室，内胆的侧壁安装有推动杆、石墨烯出口，推动杆的推动端位于石墨烯堆积室内，内胆的顶部设有氢气出口，底部设有天然气进口，内胆的外部设有保温隔热层，保温隔热层上开设有氢气燃烧器安装口，保温隔热层与内胆之间构成加热室，加热室内设有折流板。
进一步的，湍动床反应器包括壳体，壳体的内腔设有气体分布孔板，气体分布孔板的下方为均气稳流室，气体分布孔板的上方依次为炭黑室、纳米催化室，壳体的外圆周上设有加热线圈，加热线圈外设有隔热材料，壳体的外壁下方设有炭黑出口，壳体的底部设有气体进口，顶部设有气体出口。
进一步的，电源为电阻电源或者LC谐振电源。
一种绿氢制备工艺，具有绿氢制备系统，包括启动和正常运行两个步骤；启动即先采用电源加热湍动床反应器并达到天然气的催化裂解温度，使天然气在湍动床反应器内进行裂解成氢气和炭黑，经过炭黑分离器分离出炭黑的氢气经过PSA净化分离单元净化分离后产生的氢气在氢气燃烧器燃烧，燃烧产生的热能使液态金属中的金属熔化，并使液态金属的温度达到熔点，并稳定，温度没有变化才完成启动过程；启动过程完成后进入正常运行过程，天然气按流程走向，先在液态金属反应床中裂解生成氢气和石墨烯，未裂解的甲烷和氢气在分离石墨烯后进入湍动床反应器进行裂解。
本发明的有益效果：
1、采用液态金属反应床与湍动床反应器耦合裂解工艺，将液态金属反应床未裂解反应的甲烷在湍动床反应器中进行裂解反应，增加反应连续性，提高效率；
2、采用液态金属反应床与湍动床反应器耦合裂解工艺，热量梯级利用，增加了能量利用效率；
3、天然气裂解效率达到98％以上，并得到孪生产品石墨烯和炭黑，炭黑品质达到N660；
4、得到氢气，氢气的纯度达到99.9％以上；
5、天然气经过氢气换热后增加了进料气的热焓，降低了能耗；
6、采用液态金属反应床与湍动床反应器耦合裂解工艺，可以利用天然气随时随地制氢，解决了氢气储运瓶颈；
7、采用液态金属反应床与湍动床反应器耦合裂解工艺，无二氧化碳和有害气体产生，减少了向环境的碳排放；
8、采用液态金属反应床与湍动床反应器耦合裂解工艺，装置可以小型化、模块化，利用现有天然气管网制备氢气；
9、采用液态金属反应床与湍动床反应器耦合裂解工艺，解决采用单反应器(液态金属床或者湍动床)反应效率低下的难点，提高了氢气裂解效率，降低后续气体分离处理量，即降低制氢成本；
10、湍动床实现了无碳能源启动和运行，整个工艺过程绿色无碳。
附图说明
图1是本发明系统图；
图2是液态金属反应床结构示意图；
图3是湍动床反应器结构示意图；
图4是实施例一中液态金属反应床裂解天然气产生的石墨烯；
图5是实施例一中湍动床反应器产生的炭黑；
图6是实施例二中液态金属反应床裂解天然气产生的石墨烯；
图7是实施例二中湍动床反应器产生的炭黑。
其中：1-脱水塔，2-脱硫塔，3-氢气燃烧器，4-液态金属反应床，5-石墨烯储罐，6-石墨烯气体分离器，7-电源，8-湍动床反应器，9-炭黑储罐，10-炭黑分离器，11-PSA，12-预热器，13-汽水换热器，401-天然气进口，402-稳流室，403-微气泡释放器装置，404-液态金属反应室，405-石墨烯堆积室，406-推动杆，407-氢气出口，408-石墨烯出口，409-保温隔热层，410-折流板，412-氢气燃烧器安装口，411-加热室，801-气体进口，802-均气稳流室，803-气体分布孔板，804-炭黑室，805-纳米催化室，806-气体出口，807-加热线圈，808-隔热材料，809-炭黑出口，810-壳体。
具体实施方式
下面结合附图1-7对本发明的具体实施方式作进一步说明。
一种绿氢制备系统，包括天然气预处理单元、液态金属裂解单元、湍动床裂解单元、PSA净化分离单元；天然气预处理单元包括脱水塔1、脱硫塔2和预热器12；液态金属裂解单元包括液态金属反应床4、氢气燃烧器3、石墨烯储罐5、石墨烯气体分离器6和汽水换热器13；湍动床裂解单元包括电源7、湍动床反应器8、炭黑分离器10和炭黑储罐9；PSA净化分离单元包括PSA11，PSA11包括罐体和相应的阀组组成，吸附罐/解吸罐成对出现，成对的数量根据用户使用氢气的纯度决定；脱水塔1与脱硫塔2依次相连，脱硫塔2分别与预热器12、湍动床反应器8相连，预热器12分别与液态金属反应床4、炭黑分离器10、PSA11相连；氢气燃烧器3安装在液态金属反应床4上，氢气燃烧器3与PSA11的氢气出口相连，液态金属反应床4与汽水换热器13相连，液态金属反应床4依次与石墨烯气体分离器6、湍动床反应器8相连，液态金属反应床4、石墨烯气体分离器6均与石墨烯储罐5相连；电源7为电阻电源或者LC谐振电源；电源7与湍动床反应器8相连，湍动床反应器8依次与炭黑储罐9、预热器12相连，湍动床反应器8、炭黑分离器10均与炭黑储罐9相连；PSA11分别与预热器12、湍动床反应器8、氢气燃烧器3相连。
液态金属反应床4包括内胆，内胆的内腔设有微气泡释放器装置403，微气泡释放器装置403的下方为稳流室402，微气泡释放器装置403的上方依次为液态金属反应室404、石墨烯堆积室405，内胆的侧壁安装有推动杆406、石墨烯出口408，推动杆406的推动端位于石墨烯堆积室405内，内胆的顶部设有氢气出口407，底部设有天然气进口401，内胆的外部设有保温隔热层409，保温隔热层409上开设有氢气燃烧器安装口412，保温隔热层409与内胆之间构成加热室411，加热室411内设有折流板410。氢气燃烧器3安装在氢气燃烧器安装口412上，加热室411与汽水换热器13相连。
湍动床反应器8包括壳体810，壳体810的内腔设有气体分布孔板803，气体分布孔板803的下方为均气稳流室802，气体分布孔板803的上方依次为炭黑室804、纳米催化室805，壳体810的外圆周上设有加热线圈807，加热线圈807外设有隔热材料808，壳体810的外壁下方设有炭黑出口809，壳体810的底部设有气体进口801，顶部设有气体出口806。
一种绿氢制备工艺，具有绿氢制备系统，包括启动和正常运行两个步骤；启动即先采用电源7加热湍动床反应器8并达到天然气的催化裂解温度，使天然气在湍动床反应器8内进行裂解成氢气和炭黑，经过炭黑分离器10分离出炭黑的氢气经过PSA净化分离单元净化分离后产生的氢气在氢气燃烧器3燃烧，燃烧产生的热能使液态金属中的金属熔化，并使液态金属的温度达到1300℃，并稳定20分钟，温度没有变化才完成启动过程，湍动床启动和运行可采用风电、光伏、水电和核电等绿电；启动过程完成后进入正常运行过程，天然气按流程走向，先在液态金属反应床4中裂解生成氢气和石墨烯，未裂解的甲烷和氢气在分离石墨烯后进入湍动床反应器8进行裂解。
从管道或者CNG或者LNG车来的天然气进入天然气预处理单元，天然气进入脱水塔1和脱硫塔2分别脱去其中的水分和硫化氢，脱硫塔2采用干法脱硫。净化后的天然气进入预热器12进行预热，预热器12可采用板式换热器、U型管换热器，天然气与湍动床裂解单元后分离的氢气进行间壁换热，湍动床裂解单元后的氢气500-700℃，天然气在预热器12与之换热后温度达到150-300℃，提高了天然气的进气热焓。天然气经过预处理后进入液态金属裂解单元，液态金属反应床4为天然气裂解制石墨烯和氢气的主要反应容器，液态金属反应床4是一个夹套反应器，保温隔热层409、折流板410、氢气燃烧器安装口412和加热空间组成液态金属反应床4的外壳即加热室411。天然气进口401、稳流室402、微气泡释放器装置403、液态金属反应室404、石墨烯堆积室405、推动杆406、氢气出口407、石墨烯出口408作为液态金属反应床4的内胆。加热室411的热量采用从PSA净化分离单元分离后的氢气作为燃料，氢气在氢气燃烧器3燃烧后产生的高温气体作为液态金属反应床4的内胆加热源，氢气燃烧器3安装在氢气燃烧器安装口412，加热室411中设置折流板410为提高高温气体，即超高温水蒸气的湍动度，有利于提高传热效率，加热室411温度控制在1300-1400℃之间，且加热室411中设置多个热电偶温度检测器，来监测加热室411中温度的均匀性；加热空间的外壳设置有含锆高铝硅酸盐隔热装置，使加热室411的外壳温度低于50℃，对操作人员进行高温防烫保护。加热室411的高温气体将内胆中的液态金属反应室404中的金属熔化至熔融状态，液态金属采用铜或者铜铋合金；天然气进入通过天然气进口401进入稳流室402，天然气稳流均气后通过微气泡释放装置403进入到液态金属里进行裂解反应；天然气通过微气泡释放装置403在液态金属的张力下释放成纳米气泡，气泡直径在20-50Um,纳米气泡在液态金属高温及催化，气泡的浮力、液态金属的粘滞力的作用下，并以铜原子为基底开始生长石墨烯，由于天然气裂解产生氢气，氢气和石墨烯竞争吸附位，由于氢气在铜原子中的吸附位大于石墨烯，因此石墨烯就从铜表面分离，并在氢气的作用下上浮至液态金属铜的表面进入到石墨堆积室405。内胆可以采用耐高温的铁镍合金、石英、石墨、陶瓷等材料，液态金属只采用铜或者铜铋合金，液态金属在内胆中加热的温度为1100-1200℃，液态金属内胆容器中的压力控制在1-6Mpa之间，液态金属反应室404的高度控制在400-1500mm之间，天然气在内胆中停留时间为1-20s；稳流室402设置在内胆的下部，稳流室402的体积占内胆的5％-8％，稳流室402主要功能是使天然气压力稳定，无波动，并具有推流效应；微气泡释放装置403的材质采用与内胆相同材质，微气泡释放装置403孔径的大小为20um-50um，天然气均压后经过微气泡释放装置403在液态金属中产生均匀一致并且尽量多的气泡，气泡的直径控制在20-50um之间，增大与液态金属的接触面积，提高天然气的裂解效率并提高石墨烯的品质，天然气在液态金属的高温催化作用下裂解成石墨烯和氢气，由于石墨烯成层状并且其密度比液态金属轻，在氢气气泡浮力作用带动下上浮至液态金属的上层，当上层的石墨烯积聚到300-500mm高度时，石墨烯堆积室405上采用推动杆406的结构，推动杆406将石墨烯推至排放口并在液态金属反应室404中氢气的压力作用下排至石墨烯储罐5；加热室411的高度设置在推动杆406下200mm处；从液态金属反应床4内胆排出的夹带石墨烯的氢气从氢气出口407进入石墨烯气体分离器6，气固两相流通过切向进入石墨烯气体分离器6在自旋转产生的切向力作用下将气体挟带的石墨烯从氢气中分离出来，分离的石墨烯进入石墨烯储罐5并进行对外销售。由于天然气在液态金属裂解时，石墨烯占据铜原子表面产生的氢气还无能力将石墨烯与铜原子分离时，此时的天然气只有热效应裂解产生氢气，裂解效率不高，有一部分天然气在液态金属反应床4内还未裂解就直接随氢气进入湍动床反应器8，此时间段的裂解效率低于50％。当产生的氢气占据铜原子的吸附位时，石墨烯就从铜原子上进行分离，此时天然气在液态铜的张力作用下产生微气泡并在铜原子上进行催化裂解，天然气的裂解效率是最高的，即能达到100％的裂解，换句话说，液态金属裂解天然气是一个间断裂解效率为90％的反应过程，即在连续反应工艺一个周期中(设定反应为20s，其中有1/4时间为裂解效率是低于90％)还有未达到裂解效率的时间段。液态金属加热室采用PSA11分离出来的氢气作为燃料，氢气燃烧产生作为热源，燃烧产生的水蒸气作为汽水换热器13生活用水的交换热源，自来水在汽水换热器13中换热后成为高温热水，供生活和工业使用，水蒸气换热后发生相变冷凝成液态水，液态水作为生活和工业热源使用。
为提高整个工艺段的裂解效率并且反应后气体温度梯级利用，分离后的氢气、天然气的混合气进入湍动床裂解单元。湍动床裂解单元中的湍动床反应器8是最主要的反应设备，湍动床反应器8主要采用电阻加热方式，也可以采用LC谐振加热。湍动床壳体810采用奥氏体不锈钢材质。加热线圈807采用钼加热电阻丝或者LC谐振加热的铜线圈。未裂解的甲烷和氢气一起进入均气稳流室802，均气稳流室802容积占湍动床容积的1/6-1/5；甲烷和氢气经均气稳流后通过气体分布孔板803，气体分布孔板803采用不锈钢材质，孔径为100-500um，开孔面积为均气稳流室802气体进口801面积的30-50倍，炭黑室804占湍动床容积的1/6-1/5，炭黑室上面设置为纳米催化室805，纳米催化室805是采用以镍、铜和三氧化二铝(即Ni：Cu：Al＝15:3:2)的纳米共沉渍在HZSM-5的载体上，形成竖直孔道的催化分子筛，湍动床的温度控制在500-700℃，将未裂解的天然气进行完全裂解，天然气在湍动床中停留时间为5-20s；天然气裂解为氢气和炭黑，裂解的炭黑堆积到一定高度在炭黑室804中间断排出，排至炭黑储罐9。从湍动床裂解后的带炭黑的氢气进入到炭黑分离器10，分离后的炭黑进入炭黑储罐9并进行对外销售；分离后的氢气进入天然气预处理单元的预热器12，将氢气的热量间壁传给天然气，提高天然气裂解的进气温度和热焓，预热器12采用U型管式换热器或者板式换热器或者其它类型的换热器，氢气走壳程，天然气走管程，氢气经过汽水换热器13换热后温度降至200-350℃后进入PSA11进行吸附、均压、解吸的交替变化过程，在吸附阶段产生的气体(主要有甲烷、乙烷、乙烯等)进入湍动床裂解单元进行继续裂解制氢；解吸分离后的氢气对外进行加压销售。
本装置运行时之前，采用氮气将整个系统(将PSA净化分离单元隔开)进行吹扫10min后，使系统中的氧浓度＜3％，先开启湍动床裂解单元中的电源7，电源功率采用20-200KW(根据制取氢气的量而定)，将湍动床反应器8纳米催化室805中的温度加热至500-700℃后，将天然气经过脱水塔1脱水、脱硫塔2脱硫后，关闭去预热器12的支路，并打开去湍动床反应器8的支路，天然气进入湍动床反应器8的均气稳流室802，避免天然气压力产生过大的波动，经过均气稳流后进入气体分布孔板803，气体分布孔250Um,使气体的雷洛数为3000，气体缓慢的进入纳米催化室805，此时需要加大电源7的功率，保证纳米催化室805的温度维持在500-700℃，上下偏差为50℃。天然气就在催化剂的作用下进行裂解产生氢气和炭黑，炭黑堆积到一定高度时排至炭黑储存罐9中，天然气在湍动床反应器8中的停留时间为5-20s；湍动床反应器8产生的氢气和炭黑经过炭黑分离器10分离，分离后的炭黑进入炭黑储存罐9中，分离的氢气及其它杂质气体进入预热器12的壳程，氢气和杂质气体经过预热器12的壳程后进入PSA11，氢气及其杂质气体经过PSA11吸附罐中分子筛的吸附、均压、反吹、解吸过程中分离出氢气及其杂质气体，杂质气体返回至湍动床反应器8中进行继续裂解；产生的氢气进入液态金属反应床4的加热室411上的氢气燃烧器3，当氢气不满足氢气燃烧器3所需的气量时，外输氢气支管关闭，氢气燃烧器3将氢气燃烧产生的热量用来熔化液态金属反应床4内胆中的金属，直至液态金属内胆中的铜完全熔化，并维持熔融铜的温度在1100-1200℃，上下偏差50℃时并维持此温度30min，此时启动阶段完成，启动阶段完成后进入正常运行阶段开始生产。
实施例一
天然气的进料温度为20℃，压力为2MPa；经脱水、脱硫、换热后温度为250℃。
液态金属反应床4的微气泡释放器装置403(材质为碳化硅)孔径为35Um,液态金属采用铜，液态金属铜的温度为1200℃，压力为1.4Mpa,天然气在液态金属反应床4中停留时间为2s；LC谐振电源的频率采用10KHz；湍动床的温度为600℃，压力为1.3MPa，孔板孔径为150Um,未反应的甲烷和氢气在湍动床中的停留时间为15s。氢气经过PSA11净化分离后的氢气组分组成见表1，石墨烯的品质见图4，炭黑品质见图5。
表1：氢气组分
| 成分 | H2 | CH4 | C2H6 | C2H4 | C3H6 |
| 含量(％) | 99.96 | 0.0007 | 0.0009 | 0.0016 | 0.0008 |
实施例二
天然气的进料温度为20℃，压力为1.8MPa；经脱水、脱硫、换热后温度为250℃。
液态金属反应床4的微气泡释放器装置403(材质为碳化硅)孔径为35Um,液态金属采用铜铋合金，铜铋合金之比为0.65:0.35，液态金属铜的温度为1350℃，压力为1.2Mpa,天然气在液态金属反应床4中停留时间为1.5s；LC谐振电源的频率采用15KHz；湍动床的温度为650℃，压力为1.0MPa，孔板孔径为260Um,未反应的甲烷和氢气在湍动床中的停留时间为12s。氢气经过PSA11净化分离后的氢气组分组成见表2，石墨烯的品质见图6，炭黑品质见图7。
表2：氢气组分
| 成分 | H2 | CH4 | C2H6 | C2H4 | C3H6 |
| 含量(％) | 99.98 | 0.0005 | 0.001 | 0.0098 | 0.0007 |
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种绿氢制备系统，其特征在于，包括天然气预处理单元、液态金属裂解单元、湍动床裂解单元、PSA净化分离单元；
天然气预处理单元包括脱水塔(1)、脱硫塔(2)和预热器(12)；液态金属裂解单元包括液态金属反应床(4)、氢气燃烧器(3)、石墨烯储罐(5)、石墨烯气体分离器(6)和汽水换热器(13)；湍动床裂解单元包括电源(7)、湍动床反应器(8)、炭黑分离器(10)和炭黑储罐(9)；PSA净化分离单元包括PSA(11)；
脱水塔(1)与脱硫塔(2)依次相连，脱硫塔(2)分别与预热器(12)、湍动床反应器(8)相连，预热器(12)分别与液态金属反应床(4)、炭黑分离器(10)、PSA(11)相连；氢气燃烧器(3)安装在液态金属反应床(4)上，氢气燃烧器(3)与PSA(11)的氢气出口相连，液态金属反应床(4)与汽水换热器(13)相连，液态金属反应床(4)依次与石墨烯气体分离器(6)、湍动床反应器(8)相连，液态金属反应床(4)、石墨烯气体分离器(6)均与石墨烯储罐(5)相连；电源(7)与湍动床反应器(8)相连，湍动床反应器(8)依次与炭黑储罐(9)、预热器(12)相连，湍动床反应器(8)、炭黑分离器(10)均与炭黑储罐(9)相连；PSA(11)分别与预热器(12)、湍动床反应器(8)、氢气燃烧器(3)相连；
液态金属反应床(4)包括内胆，内胆的内腔设有微气泡释放器装置(403)，微气泡释放器装置(403)的下方为稳流室(402)，微气泡释放器装置(403)的上方依次为液态金属反应室(404)、石墨烯堆积室(405)，内胆的侧壁安装有推动杆(406)、石墨烯出口(408)，推动杆(406)的推动端位于石墨烯堆积室(405)内，内胆的顶部设有氢气出口(407)，底部设有天然气进口(401)，内胆的外部设有保温隔热层(409)，保温隔热层(409)上开设有氢气燃烧器安装口(412)，保温隔热层(409)与内胆之间构成加热室(411)，加热室(411)内设有折流板(410)；
湍动床反应器(8)包括壳体(810)，壳体(810)的内腔设有气体分布孔板(803)，气体分布孔板(803)的下方为均气稳流室(802)，气体分布孔板(803)的上方依次为炭黑室(804)、纳米催化室(805)，壳体(810)的外圆周上设有加热线圈(807)，加热线圈(807)外设有隔热材料(808)，壳体(810)的外壁下方设有炭黑出口(809)，壳体(810)的底部设有气体进口(801)，顶部设有气体出口(806)。
2.根据权利要求1所述的绿氢制备系统，其特征在于，所述的电源(7)为电阻电源或者LC谐振电源。
3.一种绿氢制备工艺，其特征在于，具有权利要求1-2任一项所述的绿氢制备系统，包括启动和正常运行两个步骤；启动即先采用电源(7)加热湍动床反应器(8)并达到天然气的催化裂解温度，使天然气在湍动床反应器(8)内进行裂解成氢气和炭黑，经过炭黑分离器(10)分离出炭黑的氢气经过PSA净化分离单元净化分离后产生的氢气在氢气燃烧器(3)燃烧，燃烧产生的热能使液态金属中的金属熔化，并使液态金属的温度达到熔点，并稳定，温度没有变化才完成启动过程；启动过程完成后进入正常运行过程，天然气按流程走向，先在液态金属反应床(4)中裂解生成氢气和石墨烯，未裂解的甲烷和氢气在分离石墨烯后进入湍动床反应器(8)进行裂解。
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| KR20100132275A (ko) * | 2009-06-09 | 2010-12-17 | 성균관대학교산학협력단 | 석유화학 부생가스의 촉매 분해에 의한 고순도 수소 제조 장치 및 공정 |
| CN108328573A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-07-27 | 中国矿业大学 | 一种甲烷催化裂解自热生产高纯氢气的装置及方法 |
| CN113880046A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-01-04 | 芶富均 | 具有气体置换及高效甲烷裂解载体的制氢反应器装置 |
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2023
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