CN215326928U - 一种烃类有机物脱碳工艺设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种烃类有机物脱碳工艺设备，包括裂解炉、碳素捕捉装置、热回收装置和变压吸附氢气纯化装置，裂解炉内设有电弧发生器，电弧发生器在直流电源作用下产生高温电弧将载体气电离，烃类有机物在高温电弧及还原气氛下裂解，生成氢气、小分子烃类气体及含碳的混合物；碳素捕捉装置：用于将混合物中的碳分离出，并进行收集；热回收装置：将高温的氢气和小分子烃类气体中的热量回收。本发明结构简单、设计巧妙，有效的提高了能源的回收利用，降低了能源的损耗，提高了氢气制备的纯度和对碳素的收集效果，同时扩大了对烃类物质裂解的范围，提高了氢气制备的安全性，便于大批量生产。

Description

一种烃类有机物脱碳工艺设备

技术领域

本实用新型涉及制氢技术领域，特别是一种烃类有机物脱碳工艺设备。

背景技术

氢能作为一种清洁、高效、可持续的能源，氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢能是“能源解决方案的尖刀”，在全球向低碳经济过渡中发挥着关键作用。传统的天然气蒸汽转化法或部分氧化法制氢技术，在制得氢气的同时，要伴随着大量的二氧化碳的排放。这不仅造成能源的浪费，更重要的是二氧化碳是“温室气体”，其对全球气候的负面影响，已引起了国际社会的普遍关注。因此碳氧化合物排放制氢技术是氢能源发展的关键技术。

目前利用水解法、生物法、太阳能法或其它一些可再生资源进行氢气的清洁生产方面的研究开发工作已取得许多重大进展，但由于技术或经济上的原因，很难实现大规模制氢。

公开号为CN1398780A公开了一种裂解烃类生产碳黑和氢气的方法和装置，通入氩气，向两级施加直流电，高频引弧将气体击穿，使气体持续放电，形成高温等离子体射流；通入原料烃，在无氧环境下将其与高温等离子体射流混合，原料烃即被电离、分解，转化成碳黑、氢气及其它微量烃类产物。但是上述方法和设备在使用过程中能源浪费严重，同时氢气回收纯度不高，因此是目前急需解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的是，克服现有技术的上述不足，而提供便于能源的节约和回收，提高氢气生产纯度，使用寿命高的烃类有机物脱碳工艺设备。

本实用新型的技术方案是：一种烃类有机物脱碳工艺设备，包括裂解炉、碳素捕捉装置、热回收装置和变压吸附氢气纯化装置，所述裂解炉内设有电弧发生器，电弧发生器在直流电源作用下产生高温电弧将载体气电离，烃类有机物在高温电弧及还原气氛下裂解，生成氢气、小分子烃类气体及含碳的混合物；

碳素捕捉装置：用于将混合物中的碳分离出，并进行收集；

热回收装置：将高温的氢气和小分子烃类气体中的热量回收；

变压吸附氢气纯化装置：用于将回收热量后的氢气和小分子烃类气体中的氢气分离提纯，制备出高纯氢气，分离出的小分子烃类气体循环返回到裂解炉中继续进行反应。

本发明的优点在于，通过高温电弧将烃类物质在还原气氛下裂解，生成氢气、小分子烃类气体及含碳的混合物，因此裂解后混合物的温度比较高，同时对其中的产物进行分离和收集，为降低能源的损耗和浪费，通过热回收装置将氢气和小分子烃类气体携带的高温进行热交换，提高对能源的收集，降低能源的浪费，同时提高氢气纯化的安全性，避免温度过高、气体压力过强而泄露接触氧气发生燃烧爆炸，有效的提高了能源的回收，同时提高了生产氢气的安全性。

进一步，所述电弧发生器上设有一对电极为正极和负极，在高压电的作用下正极和负极之间形成电弧产生5000℃以上的高温区，负极或者正极处提供载体气，载体气在高温区电离。

进一步，所述电弧发生器设置两个或两个以上。优选地，电弧发生器设置2-5个，便于提高对烃类物质的裂解效率；更优地，电弧发生器设置2、3或4个，具体的可以根据产能的需要和设备的要求进行选择。

进一步，所述碳素捕捉装置内设有旋风式气流通道和静电捕捉器，静电捕捉器安装在旋风式气流通道内。

进一步，所述静电捕捉器包括若干捕捉板拼装而成，呈蜂窝状结构或者格栅结构。

进一步，所述热回收装置包括壳体和若干波纹管，壳体内设有波纹管，波纹管的外围设有冷却液。

本实用新型具有如下特点：本发明结构简单、设计巧妙，有效的提高了能源的回收利用，降低了能源的损耗，提高了氢气制备的纯度和对碳素的收集效果，同时扩大了对烃类物质裂解的范围，提高了氢气制备的安全性，便于大批量生产。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型的详细结构作进一步描述。

附图说明

图1-为本实用新型工艺设备连接示意图；

图2-为裂解炉结构示意图；

图3-为本实用新型工艺流程图；

1-裂解炉，2-碳素捕捉装置，3-热回收装置，4-变压吸附氢气纯化装置，5-压力输送器，6-出料口，7-正极，8-负极，9-循环料口，10-进料口，11-电弧发生器。

具体实施方式

实施例一

如附图所示，一种烃类有机物脱碳工艺设备，包括裂解炉1、碳素捕捉装置2、热回收装置3和变压吸附氢气纯化装置4，裂解炉1内设有电弧发生器11，电弧发生器11在直流电源作用下产生高温电弧将载体气电离，烃类有机物在高温电弧及还原气氛下裂解，生成氢气、小分子烃类气体及含碳的混合物；

碳素捕捉装置2：用于将混合物中的碳分离出，并进行收集；

热回收装置3：将高温的氢气和小分子烃类气体中的热量回收；

变压吸附氢气纯化装置4：用于将回收热量后的氢气和小分子烃类气体中的氢气分离提纯，制备出高纯氢气，分离出的小分子烃类气体循环返回到裂解炉1中继续进行反应。

裂解炉1上设有进料口10、出料口6和循环料口9，电弧发生器11通过密封法兰安装在裂解炉1内，并与外部的接通电源，电弧发生器11内通入载体气，裂解炉1的出料口6通过管道与碳素捕捉装置2连接，碳素捕捉装置2用于捕捉烃类物质裂解后的碳素，并对碳素进行收集，碳素捕捉装置2的出口通过管道连接热回收装置3，热回收装置3的出口通过管道连接变压吸附氢气纯化装置4，通过收集器对纯化后的氢气进行收集，剩余气体通过压力输送器5将其输送至裂解炉1中循环使用。

本发明通过高温电弧将烃类物质在还原气氛下裂解，生成氢气、小分子烃类气体及含碳的混合物，因此裂解后混合物的温度比较高，同时对其中的产物进行分离和收集，为降低能源的损耗和浪费，通过热回收装置3将氢气和小分子烃类气体携带的高温进行热交换，提高对能源的收集，降低能源的浪费，同时提高氢气纯化的安全性，避免温度过高、气体压力过强而泄露接触氧气发生燃烧爆炸，有效的提高了能源的回收，同时提高了生产氢气的安全性。

优选地，电弧发生器11上设有一对电极为正极7和负极8，在高压电的作用下正极7和负极8之间形成电弧产生5000℃以上的高温区，负极8或者正极7处提供载体气，载体气在高温区电离。在另一个实施例中，电弧发生器11设置两个或两个以上。优选地，电弧发生器11设置2-5个，便于提高对烃类物质的裂解效率；更优地，电弧发生器11设置2、3或4个，具体的可以根据产能的需要和设备的要求进行选择。

在实施例中，碳素捕捉装置2内设有旋风式气流通道和静电捕捉器，静电捕捉器安装在旋风式气流通道内。优选地，静电捕捉器包括若干捕捉板拼装而成，呈蜂窝状结构或者格栅结构。

在实施例中，热回收装置3包括壳体和若干波纹管，壳体内设有波纹管，波纹管的外围设有冷却液，使用过程中波纹管内的气体与外面的冷却液进行热量交换，从而达到降温的效果。在实施例中，变压吸附氢气纯化装置4为现有技术，在此不再详细说明。

本发明结构简单、设计巧妙，有效的提高了能源的回收利用，降低了能源的损耗，提高了氢气制备的纯度和对碳素的收集效果，同时扩大了对烃类物质裂解的范围，提高了氢气制备的安全性，便于大批量生产。

本发明原理：采用高能电弧可以直接将各类固体、液体、气体烃类有机物直接脱碳，通过碳素捕捉装置2及变压吸附氢气纯化后最终制备出氢气及碳。整个过程无碳氧化物产生，使氢气真正成为绿色环保能源，同时副产物超细碳素粉末在航空、航天、核能、医疗、印刷、电极、等行业具有较大的经济价值。烃类有机物作为原料首先进行预处理，预处理方式根据物料状态分别采用如下工艺：

固体烃类：采用分选及破碎方式进行预处理，将固体破碎后的颗粒粒径控制在5mm以下，以机械推进方式送入裂解炉1中；

液体烃类：采用过滤方式去除杂质，采用喷雾方式喷入裂解炉1中；

气体烃类：经过干燥后加压进入裂解炉1中。

裂解炉1采用电弧发生器11作为热源，电弧发生器11是通过一对电极，正极7和负极8在高压电的作用下将载体气击穿电离，在正极7和负极8之间建立电弧，采用直流电源维持高温电弧，电弧区温度达到5000℃以上。负极8或者正极7处提供载体气，载体气可以是H₂、烃类气体。单个电弧发生器11的载体气流量200L/min-2000L/min，为增大裂解炉1内热量及处理能力，可以布置二个及以上电弧发生器11作为热源。

裂解炉1内整体温度控制在800-1200℃以上，大分子烃类有机物在高温电弧的作用下迅速分解为小分子烃类物质、H₂、碳，反应式①。而小分子烃类物质直接在高温电弧作用下迅速分解为H₂、碳反应式②。分解反应如下。

①

②

裂解炉1内反应产物是气体C_mH_n、H₂及固体微粒碳，碳粒径在10um以下。进入碳素捕捉装置2。碳素捕捉装置2内部旋风式气流通道实现气固分离后再采用静电进行捕捉，最终将碳从气体中分离出来，分离效率在99%以上。

高温气体C_mH_n、H₂随后进入热回收装置3，将热量回收的同时降低气体C_mH_n、H₂的温度降低到80℃以下。

降温后的气体C_mH_n、H₂进入变压吸附氢气纯化装置4，实现C_mH_n和H₂的分离，提纯H2。分离出来的C_mH_n循环进入裂解炉1中继续进行反应。单次循环产氢比例在85%-98%。

实施例二

以氢气作为载体气，在直流电源作用下的电弧发生器11产生高温电弧，温度为5100℃，高温电弧位于裂解炉1内，裂解炉1内布置一个电弧发生器11。单个发生器载体气流量1000L/min，将烃类气体甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔等单种或者多种有机物干燥后加压进入裂解炉1内，裂解炉1内平均温度控制在1000℃，在高温电弧及还原气氛的作用下直接分解为氢气、C_mH_n和碳。裂解产物进入碳素捕捉装置2，分离效率在99.9%，碳素粒径5um以下。气体C_mH_n和H₂随后进入热回收装置3温度降低到70℃。降温后的气体C_mH_n、H₂进入变压吸附氢气纯化装置4，实现C_mH_n和H₂的分离，提纯H₂。分离出来的C_mH_n循环进入裂解炉1中继续进行反应，单次循环产氢比例在98%。

实施例三

以氢气和甲烷作为载体气，在直流电源作用下的电弧发生器11产生高温电弧，温度为5400℃，高温电弧位于裂解炉1内，裂解炉1内设置二个电弧发生器11。单个发生器载体气流量800L/min，将烃类液体如戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、十一烷、十二烷、十三烷、戊烯、己烯、庚烯、辛烯、壬烯、戊炔、己炔、庚炔、辛炔、壬炔、苯、甲苯、乙苯等单种或者多种有机物过滤加压喷入裂解炉1内，裂解炉1内平均温度控制在1100℃，在高温电弧及还原气氛的作用下直接分解为氢气、C_mH_n和碳。裂解产物进入碳素捕捉装置2，分离效率在99.9%，碳素粒径6um以下。气体C_mH_n和H₂随后进入热回收装置3温度降低到75℃。降温后的气体C_mH_n、H₂进入变压吸附氢气纯化装置4，实现C_mH_n和H₂的分离，提纯H₂。分离出来的C_mH_n循环进入裂解炉1中继续进行反应，单次循环产氢比例在95%。

实施例四

以甲烷作为载体气，在直流电源作用下的电弧发生器11产生高温电弧，温度为5450℃，高温电弧位于裂解炉1内，裂解炉1内设置呈圆周分布的三个电弧发生器11，电弧发生器11之间的夹角为120°。单个发生器载体气流量800L/min，将烃类液体如十九烷、二十烷、三十烷、四十烷、二十烯、三十烯、六甲基苯、联苯等单种或者多种有机物破碎至0.5mm粒径以下，推入裂解炉1内，裂解炉1内平均温度控制在1000℃，在高温电弧及还原气氛的作用下直接分解为氢气、C_mH_n和碳。裂解产物进入碳素捕捉装置2，分离效率在99.5%，碳素粒径10um以下。气体C_mH_n和H₂随后进入热回收装置3温度降低到65℃。降温后的气体C_mH_n、H₂进入变压吸附氢气纯化装置4，实现C_mH_n和H₂的分离，提纯H₂。分离出来的C_mH_n循环进入裂解炉1中继续进行反应，单次循环产氢比例在87%。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种烃类有机物脱碳工艺设备，包括裂解炉、碳素捕捉装置、热回收装置和变压吸附氢气纯化装置，其特征在于：所述裂解炉内设有电弧发生器，电弧发生器在直流电源作用下产生高温电弧将载体气电离，烃类有机物在高温电弧及还原气氛下裂解，生成氢气、小分子烃类气体及含碳的混合物；

碳素捕捉装置：用于将混合物中的碳分离出，并进行收集；

热回收装置：将高温的氢气和小分子烃类气体中的热量回收；

变压吸附氢气纯化装置：用于将回收热量后的氢气和小分子烃类气体中的氢气分离提纯，制备出高纯氢气，分离出的小分子烃类气体循环返回到裂解炉中继续进行反应。

2.根据权利要求1所述的烃类有机物脱碳工艺设备，其特征在于：所述电弧发生器上设有一对电极为正极和负极，在高压电的作用下正极和负极之间形成电弧产生5000℃以上的高温区，负极或者正极处提供载体气，载体气在高温区电离。

3.根据权利要求2所述的烃类有机物脱碳工艺设备，其特征在于：所述电弧发生器设置两个或两个以上。

4.根据权利要求1所述的烃类有机物脱碳工艺设备，其特征在于：所述碳素捕捉装置内设有旋风式气流通道和静电捕捉器，静电捕捉器安装在旋风式气流通道内。

5.根据权利要求4所述的烃类有机物脱碳工艺设备，其特征在于：所述静电捕捉器包括若干捕捉板拼装而成，呈蜂窝状结构或者格栅结构。

6.根据权利要求1-5任一项所述的烃类有机物脱碳工艺设备，其特征在于：所述热回收装置包括壳体和若干波纹管，壳体内设有波纹管，波纹管的外围设有冷却液。

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