CN1193927C - 以钠冷快堆为热源催化热解甲烷制氢储氢装置 - Google Patents

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Abstract

以钠冷快堆为热源催化热解甲烷制氢储氢装置，主要包括钠冷快堆，钠泵，热交换器，反应炉，反应排管，催化剂容器，自动抓取装置，碳纳米管储氢容器，高压气瓶，膜分离器，甲烷容器等。钠冷快堆内的液态钠冷却剂在钠泵的作用下进入热交换器，并将热量传递给甲烷，吸收液态钠热量后的甲烷进入反应排管内，在碳纳米管负载镍金属催化剂的作用下催化热解生成氢气和碳纳米管。本发明利用清洁能源为热源，成本低，环境污染小；采用高效催化剂，提高了甲烷的转化率以及制氢的效率；生成的产物碳纳米管，是一种非常优秀的储氢材料，具有很好的经济效益和社会效益。

Description

以钠冷快堆为热源催化热解甲烷制氢储氢装置
技术领域：
本发明涉及的是一种制氢储氢装置，特别是一种以钠冷快堆为热源催化热解甲烷制氢储氢装置。属于核能和制氢储氢技术领域。
背景技术：
随着能源的日益紧缺，氢能已经受到人们广泛的关注，据预测氢气将成为未来人类的主要能源。
现在制氢的主要方法有电解水法、碳以及碳氢化合物制合成气法。电解水法的成本太高，制合成气法以其成本低和技术成熟成为当前大规模制氢的常用的方法。碳氢化合物制合成气的方法主要采用碳氢化合物的水蒸气重整Steamreforming of methane(SMR)，其缺点是生成CO，CO2，H2的混合物，分离技术要求以及分离成本高，产生温室效应气体CO2。
现在储氢的主要方法有压缩气体，液氢，金属氢化物，低压吸附等。压缩气体的缺点是压力高，使用和运输有危险，钢瓶的体积和重量大，运费较高；液氢的缺点是储氢过程储氢能耗大，使用不方便；金属氢化物的缺点是储氢量小，金属氢化物易破裂；低压吸附的缺点是运输和保存需低温。目前没有优秀的储氢技术。
已有技术中，Manuela，Serban在Preprints of Symposia-AmericanChemical Society，Division of Fuel Chemistry(2002)，47(2)，746-747.)一文中提出了一种生产氢气的方法，在实验室反应器中热解甲烷，反应由液态金属铅加热至600℃供热，温度范围在600-900℃时甲烷选择性地转化为碳和氢气，驰放气中未测出其他气体。该方法采用热解甲烷制氢，优点是没有传统过程中的水汽转换和脱碳过程，使流程得到简化，而且无CO2温室气体排放。但是由于热解需要的温度较高，必须600℃以上，而且反应温度必须提高到900℃以上才能获得较高的甲烷转化率，如采用普通化石能源或电能等常规能源则成本太高，若采用核能，现有的反应堆堆型的冷却剂温度又达不到需要得高温，无法实现大规模制造氢气。
发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提出一种以钠冷快堆为热源，采用碳纳米管负载镍金属作为高效催化剂热解甲烷生产氢气和储存氢气。采用这种催化剂可以降低反应温度，使反应温度低于500℃，从而可以直接采用较为成熟的钠冷快堆为热源，实现大规模制造氢气。
本发明包括钠冷快堆，钠泵，热交换器，反应炉，反应排管，催化剂容器，自动抓取装置，碳纳米管储氢容器，高压气瓶，膜分离器，甲烷容器。
催化剂容器盛放碳纳米管负载镍金属催化剂，碳纳米管储氢容器盛放碳纳米管，甲烷容器盛放甲烷气体。若干只反应排管并联后置于反应炉内，反应排管内放入碳纳米管负载镍金属催化剂。自动抓取装置可从催化剂容器、反应排管、碳纳米管储氢容器内取、放催化剂和产物碳。
钠冷快堆内的液态钠冷却剂在钠泵的作用下从钠冷快堆进入热交换器管程，并将热量传递给热交换器壳程内的甲烷，吸收液态钠热量后的甲烷进入反应排管内，在碳纳米管负载镍金属催化剂的作用下，甲烷催化热解生成氢气和碳，产物碳为沿着碳纳米管负载镍金属催化剂生长的碳纳米管。
本发明利用清洁能源钠冷快堆为热源，提供甲烷热解所需的热量进行制氢，成本低，对环境的污染很小；采用碳纳米管负载镍金属催化剂，可提高了甲烷的转化率以及制氢的效率；生成的产物碳纳米管，是一种非常优秀的储氢材料，提供了很好的储氢方法，具有很好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是以钠冷快堆为热源催化热解甲烷制氢储氢装置结构示意图。图中1是钠冷快堆，2是钠泵，3是热交换器4是反应炉，5是反应排管，6是催化剂容器，7是自动抓取装置，8是碳纳米管储氢容器9是高压气瓶，10是膜分离器，11是甲烷容器
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述，如图1所示，本发明主要包括钠冷快堆1，钠泵2，热交换器3，反应炉4，反应排管5，催化剂容器6，自动抓取装置7，碳纳米管储氢容器8，高压气瓶9，膜分离器10，甲烷容器11
催化剂容器6盛放碳纳米管负载镍金属催化剂，碳纳米管储氢容器8盛放碳纳米管，甲烷容器11盛放甲烷气体。若干只反应排管5并联后置于反应炉4内，反应排管5内放入碳纳米管负载镍金属催化剂。自动抓取装置可伸入催化剂容器6、反应排管5、碳纳米管储氢容器8内取、放催化剂和产物碳。
钠冷快堆1冷却剂出口与热交换器3管程进口相连接，热交换器3管程出口与钠泵2进口相连接，钠泵2出口与钠冷快堆1冷却剂进口相连接，甲烷容器11出口与热交换器3壳程进口相连接；热交换器3壳程出口与反应炉4内的反应排管5进口相连接，反应排管5出口与膜分离器10进口相连接，膜分离器10甲烷出口与热交换器3壳程进口相连接，膜分离器10氢气出口与高压气瓶9进口相连接，高压气瓶9出口与碳纳米管储氢容器8进口相连接。
钠冷快堆1内的液态钠冷却剂在钠泵2的作用下从钠冷快堆1进入热交换器3管程，并将热量传递给热交换器3壳程的甲烷，再通过钠泵2返回钠冷快堆1循环。
由甲烷容器11和膜分离器10甲烷出口出来的甲烷气体进入热交换器3壳程，吸收热交换器3管程的液态钠热量后进入反应排管5内，在碳纳米管负载镍金属催化剂作用下发生反应，部分甲烷裂解成为氢气和碳，产物碳为沿着碳纳米管负载镍金属催化剂生长的碳纳米管。未经反应的甲烷与氢气的混合气体经过膜分离器10，甲烷和氢气分离，甲烷循环利用，重新进入热交换器3壳程进口，氢气送入高压气瓶9储存，利用时将高压气瓶9储存的氢气送入碳纳米管储氢容器8，利用碳纳米管可方便地储存运输。反应排管5内的碳纳米管生长累积后由自动抓取装置7定时取出，再放入碳纳米管储氢容器8内，用来储存氢气。同时自动抓取装置7将催化剂容器6内的催化剂放入反应排管5内，补充催化剂维持催化热解反应。

Claims (1)

1、一种以钠冷快堆为热源催化热解甲烷制氢储氢装置，其特征在于以钠冷快堆为热源，采用碳纳米管负载镍金属为催化剂热解甲烷生产氢气和储存氢气，包括：钠冷快堆(1)，钠泵(2)，热交换器(3)，反应炉(4)，反应排管(5)，催化剂容器(6)，自动抓取装置(7)，碳纳米管储氢容器(8)，高压气瓶(9)，膜分离器(10)，甲烷容器(11)，钠冷快堆(1)冷却剂出口与热交换器(3)管程进口相连接，热交换器(3)管程出口与钠泵(2)进口相连接，钠泵(2)出口与钠冷快堆(1)冷却剂进口相连接；甲烷容器(11)出口与热交换器(3)壳程进口相连接，热交换器(3)壳程出口与反应炉(4)内的反应排管(5)进口相连接；反应排管(5)出口与膜分离器(10)进口相连接；膜分离器(10)甲烷出口与热交换器(3)壳程进口相连接，膜分离器(10)氢气出口与高压气瓶(9)进口相连接，高压气瓶(9)出口与碳纳米管储氢容器(8)进口相连接；自动抓取装置可伸入催化剂容器(6)、反应排管(5)、碳纳米管储氢容器(8)内取、放催化剂和产物碳。
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