CN214829020U - 一种天然气制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种天然气制氢系统,涉及氢气制备技术领域，包括裂解反应器和等离子电源，裂解反应器内安装有石墨块和电极，电极与等离子电源连接，且石墨块与电极之间产生等离子体，所述裂解反应器上还设有工质气进口和裂解气出口。本实用新型在保证获得氢气产率的同时获得优质的炭黑，使整个过程无污染、无二氧化碳排放、无危险。

Description

一种天然气制氢系统

技术领域

本实用新型涉及氢气制备技术领域，具体而言，涉及一种天然气制氢系统。

背景技术

目前，天然气制氢技术包括水蒸气重整、自热重整、部分氧化重整、天然气催化裂解制氢技术，其中最常用的是天然气水蒸气重整制氢工艺，但是天然气重整制氢会产生二氧化碳排放，与目前国家的碳减排技术是不相适宜的；而等离子裂解天然气制氢气虽因无碳排放将会作为一项主流技术，例如：申请号为CN201811337057.5中公开了可通过对甲烷等离子体裂解反应生产氢气和炭黑，解决了二氧化碳的排放问题，但甲烷在等离子体裂解反应过程中需向反应器中加入摩尔比为1:1的氢气和甲烷，不仅增加了进气设备的安全危险性，且甲烷裂解的温度为1200℃，使甲烷在裂解后，裂解气需先通过旋风除尘器再进入布袋除尘器，且布袋除尘器是否能承受高温还需商枕；例如：公开号为CN102108216A中公开了采用在尖端放电模式下的低温等离子裂解天然气制氢气和炭黑，但在尖端放电过程中会导致炭黑堆积在尖端中，使放电不能稳定进行，并且整个反应过程中要在真空中进行，导致整个工艺设备造价高昂。

目前，应对气候变化挑战，为未来经济实现高质量和可持续发展，因此开发无碳排放的制氢技术迫在眉睫。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种天然气制氢系统，在保证获得氢气产率的同时获得优质的炭黑，使整个过程无污染、无二氧化碳排放、无危险。

为实现本实用新型目的，采用的技术方案为：一种天然气制氢系统，包括裂解反应器和等离子电源，裂解反应器内安装有石墨块和电极，电极与等离子电源连接，且石墨块与电极之间产生等离子体，所述裂解反应器上还设有工质气进口和裂解气出口。

进一步的，所述电极为多个，多个电极沿裂解反应器的高度方向间隔排布，且石墨块竖直排布在多个电极的一侧。

进一步的，所述石墨块和电极上均具有冷却装置。

进一步的，所述冷却装置为水冷器。

进一步的，所述工质气进口位于裂解反应器底部，且工质气进口与石墨块与电极之间的空隙对应。

进一步的，所述裂解气出口位于裂解反应器上部。

进一步的，所述裂解反应器内温度为1200℃~1400℃。

进一步的，还包括气气换热器，气气换热器的换热进口与气源连接，气气换热器的换热出口与工质气进口连接，裂解气出口与气气换热器的冷却进口连接。

进一步的，所述气气换热器为多个，多个气气换热器并联设置。

进一步的，所述气气换热器内部具有旋风除尘结构，气气换热器外部具有夹套结构，且气气换热器的换热进口与气气换热器的换热出口与夹套结构内部连通；所述气气换热器底部还设有炭黑排放口，且裂解气出口和炭黑排放口与气气换热器内部连通。

进一步的，所述夹套结构内还设有多个扰流柱，多个扰流柱呈均匀间隔排布。

进一步的，还包括氢分离膜和氢气储罐，气气换热器的冷却出口与氢分离膜连接，且氢分离膜出口与氢气储罐连接。

进一步的，所述氢分离膜出口与工质气进口之间还连接有回收管路。

进一步的，所述气气换热器的冷却出口与氢分离膜之间还依次连接有气液换热器和过滤器。

进一步的，所述过滤器的出口端还安装有压缩机。

本实用新型的有益效果是,

通过石墨块与电极之间产生等离子体，使天然气进入到裂解反应器内后在高温等离子的作用下裂解成氢气和炭黑，整个过程中仅采用天然气作为等离子体的工质气体，且不需要向裂解反应器中加入催化剂，使甲烷的整个裂解过程无污染、无二氧化碳排放、无危险，使整个裂解过程中更加节省能源。

通过采用气气换热器，使裂解后产生的氢气和炭黑能与进入的待裂解天然气进行交换，不仅使待裂解天然气被加热，且使裂解后产生的氢气和炭黑实现初步降温，节约了待裂解天然气加热所需的能耗和裂解后产生的氢气、炭黑降温所需的能耗，使整个过程更加节能。

附图说明

图1是本实用新型提供的天然气制氢系统的系统图。

附图中标记及相应的零部件名称：

2、裂解反应器， 3、冷却装置，4、工质气进口，5、气气换热器组，6、气液换热器，7、过滤器，8、压缩机，9、氢分离膜，10、气储罐，11、等离子电源，12、裂解气出口，13、回收管路；

21、电极，22、石墨块；

31、循环水箱，32、空冷器，33、循环水管，34、循环泵；

51、旋风除尘结构，52、夹套结构，53、炭黑排放口。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

如图1所示，本实用新型提供的一种天然气制氢系统，包括裂解反应器2，裂解反应器2上设有工质气进口4和裂解气出口12，工质气进口4主要用于使待裂解的天然气送入到裂解反应器2内，而裂解气出口12主要是用于将天然气裂解后的氢气和炭黑送出裂解反应器2；所述裂解反应器2内安装有石墨块22和电极21，石墨块22和电极21相对排布在裂解反应器2内部，使石墨块22与电极21之间产生高温等离子体；天然气制氢系统还包括为电极21提供电源的等离子电源11，且等离子电源11自身具有开关功能。

当需要对天然气进行裂解时，等离子电源11向电极21供电，电极21与石墨块22之间产生等离子体，将待裂解的天然气通过工质气进口4送入到裂解反应器2内，天然气在通过电极21与石墨块22之间时，天然气（主要是甲烷）在受到电弧作用下电离成活性氢、碳等活性粒子，而这些活性粒子具有自催化作用，使进入到裂解反应器2内的天然气加速裂解,使天然气裂解成氢气和炭黑，然后将氢气与炭黑的混合气送出到裂解反应器2。本实用新型在对天然气裂解过程中只需要天然气作为工质气体，而不需要其他气体作为工质气体参与，避免了电离其它工质气体而损失能量，降低了整个工艺过程的能耗。

在一些实施例中，所述裂解反应器2为立式反应器，且电极21为多个，多个电极21沿裂解反应器2的高度方向等距间隔排布，而石墨块22竖直排布在多个电极21的一侧，使每个电极21与石墨块22之间均可产生独立的等离子体，通过多个电极21的配合，使整个裂解反应器2内均产生有等离子体，而不是裂解反应器2的某一个部位产生等离子体，增加了天然气与等离子体之间的传质传热反应，提高了天然气的裂解率和氢气的产率。

在一些实施例中，所述石墨块22和电极21上均具有冷却装置3，冷却装置3分别对石墨块22和电极21进行冷却，延长电极的使用寿命。

在一些实施例中，所述冷却装置3为水冷器，水冷器包括循环水箱31、空冷器32和循环水管33，空冷器32安装在循环水箱31上，循环水箱31内具有去离子水，循环水管33两端均与循环水箱31连通，且循环水管33中部布设在石墨块22和电极21上，使电极21和石墨块22在需要冷却时先采用循环水箱31中的去离子水通过循环水管33与电极21、石墨块22进行换热，而换热后的去离子水回流至循环水箱31内，并使空冷器32采用外界的空气对循环水箱31内换热后的去离子水进行换热，最后再通过循环水管33上的循环泵34使去离子水快速的流过电极21和石墨块22进行再次换热，使去离子水循环使用，避免造成去离子水的浪费。

在一些实施例中，所述电极21采用石墨电极，避免天然气在裂解过程中给氢气和炭黑带入其他杂质。

在一些实施例中，所述工质气进口4位于裂解反应器2底部，且工质气进口4与石墨块22与电极21之间的空隙对应，使通过工质气进口4进入的天然气直接进入到电极21与石墨块22之间，使天然气可全部受到等离子体的作用，使天然气的裂解效果更好，裂解更加彻底。

在一些实施例中，由于裂解反应器2中的温度较高，且氢气较轻，天然气裂解后产生的氢气与炭黑位于裂解反应器2的上部，通过将裂解气出口12设置在裂解反应器2上部，方便使裂解产生的氢气和炭黑能尽可能的送出，避免送出的氢气和炭黑中存在未完全裂解的天然气，使制得的氢气中含有杂质。

在一些实施例中，所述裂解反应器2内温度为1200℃~1400℃，天然气在裂解反应器2中的具体裂解温度可根据实际情况进行调整。

在一些实施例中，天然气制氢系统还包括气气换热器5，气气换热器5的换热进口与气源连接，气气换热器5的换热出口与工质气进口4连接，裂解气出口12与气气换热器5的冷却进口连接，使待裂解的天然气进入到气气换热器5内与裂解后产生的氢气、炭黑可同时通过气气换热器5内进行热交换，使待裂解的天然气温度升高至150~350℃，实现对待裂解天然气的预热，而氢气与炭黑的混合物则降低至600~800℃，使裂解后产生的氢气与炭黑进行初步降温。

在一些实施例中，所述气气换热器5为多个，多个气气换热器5并联设置，使多个气气换热器5可共同作业，使待裂解的天然气与裂解后产生的氢气、炭黑的热交换率更高，且即使其中一个气气换热器5需进行维护，其余的气气换热器5可可保持对待裂解的天然气与裂解后产生的氢气、炭黑的热交换，保证系统的正常运行。

在一些实施例中，所述气气换热器5内部具有旋风除尘结构51，旋风除尘结构51能对天然气裂解后产生的氢气和炭黑在旋风除尘结构51中进行离心分离，而气气换热器5外部具有夹套结构52，且气气换热器5的换热进口与气气换热器5的换热出口与夹套结构52内部连通，使待裂解的天然气在夹套结构52流动，并使天然气在流动的同时与气气换热器5内部的高温氢气和炭黑进行热交换，且天然气在热交换后送入到裂解反应器2中；所述气气换热器5底部还设有炭黑排放口53，裂解气出口12和炭黑排放口53与气气换热器5内部连通，使裂解后产生的氢气和炭黑在送入到气气换热器5内后通过旋风除尘结构51进行离心分离，且离心分离后的炭黑在重力的作用下从炭黑排放口53排出，实现对炭黑的分离。

在一些实施例中，所述夹套结构52内还设有多个扰流柱，扰流柱的轴线方向与夹套结构52的厚度方向一致，每个扰流柱可设置成圆柱形或棱柱形，且多个扰流柱呈均匀间隔排布，使待裂解的天然气在进入到夹套结构52内后通过扰流柱的扰流，使待裂解的天然气均匀的分布在夹套结构52内，提高待裂解的天然气与氢气、炭黑的热交换效率，使氢气与炭黑的热能得到充分的利用。

在一些实施例中，天然气制氢系统还包括氢分离膜9和氢气储罐10，气气换热器5的冷却出口与氢分离膜9连接，氢分离膜9出口与氢气储罐10连接，使通过气气分离器降温并分离后的氢气送入到氢分离膜9内，通过氢分离膜9对氢气进行再次分离，而通过氢分离膜9分离后的氢气最终送入到氢气储罐10中进行储存。

在一些实施例中，由于通过氢分离膜9分离后可能会分离出一些未完全裂解的天然气，则还可在氢分离膜9与工质气进口4之间连接回收管路13，使未完成裂解的天然气可从新送入到裂解反应器2中再次进行裂解。

在一些实施例中，所述气气换热器5的冷却出口与氢分离膜9之间还依次连接有气液换热器6和过滤器7，气液换热器6对通过气气换热器5初次降温和分离后的氢气进行再次降温，并在氢气再次降温后送入到过滤器7中进行再次过滤，完全过滤到氢气中的炭黑，并在完全过滤后直接送入到氢分离膜9中对氢气进行再次分离。由于氢气在通过气液换热器6降温和过滤器7进行过滤时，氢气中仍含有少量的炭黑，因此，气液换热器6与过滤器7底部可设置排放炭黑的排炭口，并使该排炭口与炭黑排放口53并联，方便对炭黑集中收集。

在一些实施例中，所述过滤器7的出口端还安装有压缩机8，压缩机8主要对过滤后的氢气进行加压，使进入到氢分离膜9中的氢气为高压氢气，提高氢气进入氢分离膜9中的分离效率。

当需要通过天然气制氢时，先将天然气送入到气气换热器5中的夹套结构52中，通过夹套结构52中的扰流柱，使进入到夹套结构52中的天然气均匀分布在夹套结构52中，最后再通过气气换热器5上的换热出气口和裂解反应器2上的工质气进口4送入裂解反应器2中，等离子电源11为多个电极21供电，多个电极21与石墨块22之间产生等离子体，等离子体对天然气进行裂解，天然气在裂解后产生氢气和炭黑，而产生的氢气和炭黑通过裂解反应器2出口与气气换热器5上的冷却进口送入到气气换热器5中的旋风除尘结构51内，旋风除尘结构51对氢气和炭黑进行离心分离，且在离心分离过程中，氢气和炭黑与夹套结构52中的天然气进行热交换，使夹套中的天然气进行预热，进行离心分离的氢气和炭黑进行初步降温，而离心分离出的炭黑则直接通过炭黑排放口53排出，离心后的氢气送入到气液换热器6中进行再次降温，降温后的氢气送入到过滤器7中进行再次过滤，最终过滤后的氢气通过压缩机8加压后送入到氢分离膜9中进行再次分离，分离后产生的氢气则直接送入到氢气储罐10中进行储存。

当氢气在通过气液换热器6降温和过滤器7过滤过程中仍具有分离出少量的碳粉，此时，碳粉则可直接通过气液换热器6和过滤器7上的碳排放口排出；而氢气在通过氢分离膜9分离过程中分离出的未完全分解的天然气则可回收至裂解反应器2中进行再次裂解反应。

由于裂解反应器2中的温度较高，因此，天然气在裂解过程中需采用水冷器对电极21和石墨块22进行降温，避免电极21和石墨块22因温度过高而受到破坏。

当天然气进入裂解反应器2后在1200℃下发生裂解反应时，裂解产生的氢气和炭黑在降温、分离后，氢气的获得率为90%，炭黑的获得率为85%。

当天然气进入裂解反应器2后在1300℃下发生裂解反应时，裂解产生的氢气和炭黑在降温、分离后，氢气的获得率为94.2%，炭黑的获得率为90.1%。

当天然气进入裂解反应器2后在1350℃下发生裂解反应时，裂解产生的氢气和炭黑在降温、分离后，氢气的获得率为97.1%，炭黑的获得率为93.6%。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种天然气制氢系统，其特征在于，包括裂解反应器(2)和等离子电源(11)，裂解反应器(2)内安装有石墨块（22）和电极（21），电极（21）与等离子电源(11)连接，且石墨块（22）与电极（21）之间产生等离子体，所述裂解反应器(2)上还设有工质气进口(4)和裂解气出口(12)。

2.根据权利要求1所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述电极（21）为多个，多个电极（21）沿裂解反应器(2)的高度方向间隔排布，且石墨块（22）竖直排布在多个电极（21）的一侧。

3.根据权利要求1所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述石墨块（22）和电极（21）上均具有冷却装置(3)。

4.根据权利要求3所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述冷却装置(3)为水冷器。

5.根据权利要求1所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述工质气进口(4)位于裂解反应器(2)底部，且工质气进口(4)与石墨块（22）与电极（21）之间的空隙对应。

6.根据权利要求1所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述裂解气出口(12)位于裂解反应器(2)上部。

7.根据权利要求1所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述裂解反应器(2)内温度为1200℃~1400℃。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的天然气制氢系统，其特征在于，还包括气气换热器（5），气气换热器（5）的换热进口与气源连接，气气换热器（5）的换热出口与工质气进口(4)连接，裂解气出口(12)与气气换热器（5）的冷却进口连接。

9.根据权利要求8所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述气气换热器（5）为多个，多个气气换热器（5）并联设置。

10.根据权利要求8所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述气气换热器（5）内部具有旋风除尘结构(51)，气气换热器（5）外部具有夹套结构(52)，且气气换热器（5）的换热进口与气气换热器（5）的换热出口与夹套结构(52)内部连通；所述气气换热器（5）底部还设有炭黑排放口(53)，且裂解气出口(12)和炭黑排放口(53)与气气换热器（5）内部连通。

11.根据权利要求10所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述夹套结构(52)内还设有多个扰流柱，多个扰流柱呈均匀间隔排布。

12.根据权利要求8所述的天然气制氢系统，其特征在于，还包括氢分离膜(9)和氢气储罐(10)，气气换热器（5）的冷却出口与氢分离膜(9)连接，且氢分离膜(9)出口与氢气储罐(10)连接。

13.根据权利要求12所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述氢分离膜(9)出口与工质气进口(4)之间还连接有回收管路(13)。

14.根据权利要求12所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述气气换热器的冷却出口与氢分离膜(9)之间还依次连接有气液换热器(6)和过滤器(7)。

15.根据权利要求14所述的天然气制氢系统，其特征在于，所述过滤器(7)的出口端还安装有压缩机(8)。

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