CN216879251U - 一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，包括：外管，所述外管内设有石英套，所述石英套上设有内管，所述内管可拆卸，所述外管上端设有密封装置，所述密封装置上设有进气口，所述外管下端设有保温层，所述保温层和外管之间设有加热器；所述石英套位于外管中段，所述内管上端固定在石英套上；所述密封装置包括上法兰接口，所述上法兰接口上端面设有进气口，所述进气口上设有进气管和出气口；所述进气管通入内管，所述进气管下端设有石英挡板；本实用新型利用熔融金属直接催化分解甲烷直接裂解制氢和高值碳，甲烷转化率高，氢气纯度高，其碳产物有多种结构，具有广泛的用途。
Description
技术领域
本实用新型涉及氢气制备及高值碳制备技术领域，具体涉及一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器。
背景技术
随着CO2排放带来的环境问题日益加剧，传统化石能源结构向清洁可再生能源的转型迫在眉睫。我国作为一个煤炭大国，当前能源消费结构仍以化石能源为主，而“双碳”目标的确立，使得用化石能源作为燃料的行业压力倍增。氢能作为一种清洁可再生能源，有着燃烧热值高、安全性较好、生产方式多样等优点，是极其理想的高能燃料，但氢气的制取和储运还存在一些问题。工业上广泛应用的甲烷水蒸气重整制氢会产生大量的二氧化碳，不利于环境保护和“双碳”目标达成；电解水制氢能耗过高，成本高。因此，研究低碳排放、低能耗、成本低的先进制氢技术是推进我国能源结构顺利转型的关键。
甲烷裂解制氢技术并非一种全新的技术，该技术的可行性通过实验证明，但因反应过程中固体催化剂积碳失活的问题，一直未能实现工业规模的连续运转。对此，国外提出了使用熔融金属催化剂替代传统固体催化剂来解决积碳失活的问题。这一基于熔融金属的创新技术，不但有着零碳排放、低能耗、低成本、较易于工业化的优点，其反应中生产的固体碳还更安全，更易分离、储存，生产的多种结构的碳还有额外的市场价值，进一步降低了生产成本。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提供一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器,利用熔融金属导热性好和流动性等优点，在温度1000℃时催化甲烷直接裂解，从而制备高纯氢气和高值碳，降低生产成本，减少碳排放。
本实用新型采用下述的技术方案：一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，包括：外管，所述外管内设有石英套，所述石英套上设有内管，所述内管可拆卸，所述外管上端设有密封装置，所述密封装置上设有进气口，所述外管下端设有保温层，所述保温层和外管之间设有加热器；内管通过石英套悬挂在外管内，石英套用于固定，防止反应时内管晃动，密封装置保证实验的密闭性，防止空气进入，保温层和加热器用于提供反应所需温度。
优选的，所述石英套位于外管中段，所述内管上端固定在石英套上；石英套固定好内管，内管和外管之间用于存储产生的含碳物质，防止堆积，影响实验的进行。
优选的，所述密封装置包括上法兰接口，所述上法兰接口上端面设有进气口，所述上法兰接口内部连接外管的端口，所述外管和上法兰接口之间设有密封胶圈，所述上法兰接口外设有下法兰接口，所述上法兰接口和下法兰接口通过螺栓连接；密封胶圈设置有两根，进行双重密封，提高密封性，下法兰接口材质为硅橡胶。
优选的，所述上法兰接口上端面还设有K型热电偶口，所述K型热电偶口内设有K型热电偶，所述K型热电偶下端延伸至外管内；K型热电偶用于检测外管内的温度。
优选的，所述进气口上设有进气管和出气口；进气管插入外管内，延伸至内管内，出气口连接碳收集装置和储氢装置。
优选的，所述进气管通入内管，所述进气管下端设有石英挡板，所述石英挡板与内管内壁之间留有间隙；石英挡板用于阻挡固体催化剂浮起。
优选的，所述内管、外管和进气管材料均为刚玉；使用刚玉的寿命长，耐温性好。
优选的，所述石英挡板和石英套均为多孔结构；便于分离气体。
优选的，所述保温层外设有不锈钢外壳；对保温层进行保护。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型通过熔融金属利用双管设计，内管中的碳装满后将会溢出至外管中，解决了催化剂积碳失活的问题，提高了甲烷的转化率和氢气纯度，同时避免碳装满后需要停止实验的缺点；石英挡板的设计防止了固体催化剂浮起，同时因为其具有多孔结构，也可使气体分散更均匀，在气泡上升过程中与熔融金属的接触更充分，反应更彻底；同时本装置的保温层还具有减震保护作用，防止装置破损。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。
图1为本实用新型结构示意图；
图中：
1-进气管、2-螺栓、3-K型热电偶、4-上法兰接口、5-密封胶圈、6-下法兰接口、7-外管、8-保温层、9-内管、10-石英套、11-石英挡板、12-外壳、13-加热器、14-密封装置、41-出气口、42-进气口、43-K型热电偶口。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
如图1所示，一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，包括：外管7，所述刚玉外管7内设有石英套10，石英套10位于刚玉外管7中段，所述刚玉内管9上端固定在石英套10上，刚玉内管9材料为高纯度氧化铝微晶纤维，所述刚玉外管7下端设有保温层8，所述保温层8和刚玉外管7之间设有加热器13，保温层8外设有不锈钢外壳12；
所述刚玉外管7上端设有密封装置14，所述密封装置14包括上法兰接口4，所述上法兰接口4上端面设有进气口42和K型热电偶口43，所述上法兰接口4内部连接刚玉外管7的端口，所述刚玉外管7和上法兰接口4之间设有两根密封胶圈5，所述上法兰接口4外设有下法兰接口6，下法兰接口6材料为硅橡胶，上法兰接口4和下法兰接口6通过螺栓2连接，所述K型热电偶口43内设有K型热电偶3，所述K型热电偶3下端延伸至刚玉外管7内；
所述进气口42上设有刚玉进气管1和出气口41，刚玉进气管1通入刚玉内管9，所述刚玉进气管1下端设有石英挡板11，石英挡板11与刚玉内管9内壁之间留有间隙，石英挡板11和石英套10均为多孔的烧结石英，便于氢气的排出和反应的不断进行。
使用前，取出刚玉外管7，然后取下上法兰接口4，将刚玉内管9及刚玉刚玉进气管1取出。在刚玉内管9加入金属，然后按如图1将其装回，在保证气密性的前提下，即可进入制氢工作。
制备氢气和碳时，反应气体甲烷通过刚玉进气管1进入熔融金属中，与底部的固体催化剂反应后，通过石英挡板11得到扩散，继续在液态金属中反应，充分裂解为氢气和碳产品；氢气通过出气口41进入后端储氢装置，经过分离后可获得高纯度氢气；反应产生的碳漂浮于熔融金属的表面，装满后进入刚玉外管7，可以反应较长时间后打开装置对碳进行收集。
本实用新型利用熔融金属高温裂解甲烷制氢，转化率高、纯度高，可以制备高纯氢气，同时产生的碳产物结构多样，具有广泛的用途；本实用新型采用的石英挡板11可以压住液态金属中的固体催化剂，防止其浮起；也可使甲烷气体充分扩散，获得更高的转换率，能有效制备氢气和高值碳。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，其特征在于，包括：外管(7)，所述外管(7)内设有石英套(10)，所述石英套(10)上设有内管(9)，所述内管(9)可拆卸，所述外管(7)上端设有密封装置(14)，所述密封装置(14)上设有进气口(42)，所述外管(7)下端设有保温层(8)，所述保温层(8)和外管(7)之间设有加热器(13)。
2.根据权利要求1所述的一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，其特征在于，所述石英套(10)位于外管(7)中段，所述内管(9)上端固定在石英套(10)上。
3.根据权利要求2所述的一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，其特征在于，所述密封装置(14)包括上法兰接口(4)，所述上法兰接口(4)上端面连接进气口(42)，所述上法兰接口(4)内部设有外管(7)的端口，所述外管(7)和上法兰接口(4)之间设有密封胶圈(5)，所述上法兰接口(4)外设有下法兰接口(6)，所述上法兰接口(4)和下法兰接口(6)通过螺栓(2)连接。
4.根据权利要求3所述的一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，其特征在于，所述上法兰接口(4)上端面还设有K型热电偶口(43)，所述K型热电偶口(43)内设有K型热电偶(3)，所述K型热电偶(3)下端延伸至外管(7)内。
5.根据权利要求1所述的一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，其特征在于，所述进气口(42)上设有进气管(1)和出气口(41)。
6.根据权利要求5所述的一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，其特征在于，所述进气管(1)通入内管(9)，所述进气管(1)下端设有石英挡板(11)，所述石英挡板(11)与内管(9)内壁之间留有间隙。
7.根据权利要求6所述的一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，其特征在于，所述内管(9)、外管(7)和进气管(1)材料均为刚玉。
8.根据权利要求6所述的一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，其特征在于，所述石英挡板(11)和石英套(10)均为多孔结构。
9.根据权利要求1所述的一种熔融金属分解甲烷直接制氢和高值碳的高温反应器，其特征在于，所述保温层(8)外设有不锈钢外壳(12)。
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