一种甲烷无碳排放制氢的反应装置

本发明涉及甲烷裂解制氢，具体为一种甲烷无碳排放制氢的反应装置。

背景技术：

1、目前制氢技术主要利用化石燃料（如煤、天然气）制取氢气。具体方法包括煤气化制氢、甲烷重整（蒸汽重整和自热重整）制氢、石脑油重整制氢、工业副产气制氢等。这些方法制取的氢气被称为“灰氢”，其制备过程存在环境污染和二氧化碳排放问题。新型制氢技术主要包括可再生能源制氢、热化学制氢、核能制氢和生物制氢等。其中，可再生能源制氢是利用太阳能、风能等可再生能源通过电解水或光合作用等方式制取氢气，这种方法生产的氢气被称为“绿氢”，具有零碳排放的优点但所需能耗高，成本高。故现下急需一种二氧化碳排放低、成本低的制氢方法。

2、甲烷裂解制氢技术是一种通过将甲烷气体在高温下分解为氢气和固体碳的过程。甲烷裂解制氢相对于传统的氢气生产方式具有许多优点。首先，它的产氢效率高达95%以上，远高于其他氢气生产方式。其次，甲烷裂解制氢能够避免二氧化碳等有害气体的排放，具有明显的环保优势，

3、例如公告号为cn112938895a的中国发明专利申请公开了一种利用液态金属裂解天然气制氢的系统，包括液态金属熔融罐、液态金属裂解反应器、分离器。本发明还公开了一种利用液态金属裂解天然气制氢的方法，包括：(1)将液态金属、天然气在催化剂的作用下裂解，分离出氢气、裂解气；(2)将裂解气进行间壁换热、除尘后降温，进行气固分离得到炭黑，将分离出炭黑后的裂解气冷凝，再次分离出氢气、烃类气体。本发明利用液态金属裂解天然气制氢的系统、方法不仅能制得氢气，还能制得优质的炭黑，降低了生产成本。

4、上述专利申请所提供的技术方案虽然可以实现无污染制氢，但在氢气制作过程中，裂解反应产生的固态碳会沉积在熔融技术催化剂的表面，形成固态碳沉积层，此固态碳沉积层会导致甲烷气体无法与熔融技术催化剂接触，导致催化效率降低，也即甲烷裂解的反应效率降低，氢气产量降低，而且，固态碳沉积层还有可能会直接导致熔融金属催化剂失活，催化剂不能保持长久有效的催化状态，更进一步的降低了甲烷气体的裂解率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，包括反应器、循环管和固态碳清除组件；

3、所述反应器的内部设置有反应腔，所述反应腔的内底部形成有用于放置催化剂的催化剂室；

4、所述循环管的两端分别与所述反应器的进气口和出气口连通；

5、沿着所述反应器的进气口到出气口方向，在所述循环管上依次设置有气体分离器、甲烷进气管和气体输送泵；

6、所述甲烷进气管上设置有弹簧式单向阀，所述弹簧式单向阀的导通方向为允许所述甲烷进气管供应的甲烷气体进入到所述循环管中；

7、所述气体分离器用于将所述反应器的出气口排出的混合气体中的氢气和甲烷气体分离，所述气体分离器分离出的氢气通过氢气排出管排出；

8、所述气体输送泵用于将所述甲烷进气管供应的甲烷气体以及气体分离器分离出的甲烷气体输送到所述反应腔中；

9、所述固态碳清除组件包括线性膨胀器、伸缩部件、除碳部件和行程开关；

10、所述线性膨胀器设置在所述气体分离器和所述甲烷进气管之间，所述线性膨胀器的内部设置有容积可变的膨胀腔，所述膨胀腔与所述循环管连通；

11、所述伸缩部件水平设置；

12、所述除碳部件固定于所述伸缩部件的伸缩杆自由端，所述除碳部件的底面与催化剂的顶面平齐；

13、所述行程开关设置于所述线性膨胀器的膨胀路径上，当所述线性膨胀器膨胀至挤压并打开行程开关时，所述伸缩部件完成一次伸缩动作。

14、优选的，所述伸缩部件为电缸或油缸或气缸。

15、优选的，所述除碳部件进一步包括耐高温板。

16、优选的，所述伸缩部件设置于所述反应器的外部，所述除碳部件设置于所述反应器的内部，所述伸缩部件的伸缩杆与所述反应器的侧壁滑动密封连接。

17、优选的，所述线性膨胀器进一步包括密封壳和活塞；

18、所述密封壳的一端密封；

19、所述活塞滑动密封连接于所述密封壳的内部；

20、所述膨胀腔形成在所述活塞与所述密封壳的一端之间。

21、优选的，所述行程开关安装在所述密封壳的内表面上，且所述行程开关设置在所述活塞相对于所述膨胀腔的另一侧。

22、优选的，所述循环管上还设置有换热器；

23、所述换热器设置于所述气体输送泵和所述反应器的进气口之间；

24、所述换热器用于利用所述反应器出气口排出的气体对通过所述反应器进气口的甲烷气体进行预热。

25、优选的，所述循环管包括第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道和第六管道；

26、所述第一管道的一端与所述反应器的出气口连通，另一端与所述换热器的热媒进口连通；

27、所述第二管道的一端与所述换热器的热媒出口连通，另一端与所述气体分离器的进口连通；

28、所述第三管道的一端与所述气体分离器的甲烷排出口连通；另一端与所述膨胀腔的进口连通；

29、所述第四管道的一端与所述膨胀腔的出口连通，另一端与所述气体输送泵的进口连通；

30、所述第五管道的一端与所述气体输送泵的出口连通，另一端与所述换热器的冷媒进口连通；

31、所述第六管道的一端与所述换热器的冷媒出口连通；另一端与所述反应器的进气口连通；

32、所述甲烷进气管与所述第四管道连通。

33、优选的，所述反应器相对于所述伸缩部件的另一侧安装有碳收集桶。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

35、本发明通过设置的固态碳清除组件以及气体分离器，利用线性膨胀器对气体分离器排出的为裂解的甲烷气体的容量进行测量，一旦线性膨胀器膨胀至挤压并打开行程开关时，伸缩部件就会完成一次伸缩动作，从而带动除碳部件在催化剂的上表面刮扫两次，从而刮扫除去催化剂表面沉积的固态碳，恢复催化剂对甲烷气体的催化效果，如此，可以保持催化剂对裂解反应的长时间有效催化，提高甲烷的裂解率，且这一技术手段无需复杂的控制逻辑就可以完成，可以适配甲烷裂解过程中的高温环境，且在高温环境下的稳定性高。通过设置的换热器，一方面可以对甲烷气体进行预热，使甲烷气体在进入反应腔后可以快速的达到裂解温度，进一步提高甲烷的裂解率，同时，换热器还具有滤波的作用，使得第五管道内部的具有脉冲波动的甲烷气体经过换热器后可以恢复稳定的流动，继而使进入到反应腔内部的甲烷气体保持匀速稳定状态，也有利于提高甲烷的裂解率。

技术特征：

1.一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，其特征在于，包括反应器、循环管和固态碳清除组件；

2.根据权利要求1所述的一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，其特征在于，所述伸缩部件为电缸或油缸或气缸。

3.根据权利要求1所述的一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，其特征在于，所述除碳部件进一步包括耐高温板。

4.根据权利要求1所述的一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，其特征在于，所述伸缩部件设置于所述反应器的外部，所述除碳部件设置于所述反应器的内部，所述伸缩部件的伸缩杆与所述反应器的侧壁滑动密封连接。

5.根据权利要求1所述的一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，其特征在于，所述线性膨胀器进一步包括密封壳和活塞；

6.根据权利要求5所述的一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，其特征在于，所述行程开关安装在所述密封壳的内表面上，且所述行程开关设置在所述活塞相对于所述膨胀腔的另一侧。

7.根据权利要求1所述的一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，其特征在于，所述循环管上还设置有换热器；

8.根据权利要求7所述的一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，其特征在于，所述循环管包括第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道和第六管道；

9.根据权利要求1所述的一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，其特征在于，所述反应器相对于所述伸缩部件的另一侧安装有碳收集桶。

技术总结
本发明涉及甲烷裂解制氢技术领域，尤其为一种甲烷无碳排放制氢的反应装置，包括反应器、循环管和固态碳清除组件；所述反应器的内部设置有反应腔，所述反应腔的内底部形成有用于放置催化剂的催化剂室；所述循环管的两端分别与所述反应器的进气口和出气口连通；沿着所述反应器的进气口到出气口方向，在所述循环管上依次设置有气体分离器、甲烷进气管和气体输送泵；所述甲烷进气管上设置有弹簧式单向阀，所述弹簧式单向阀的导通方向为允许所述甲烷进气管供应的甲烷气体进入到所述循环管中；所述气体分离器用于将所述反应器的出气口排出的混合气体中的氢气和甲烷气体分离。本发明可以解决催化剂被固态碳覆盖的问题，提高甲烷气体的裂解率。

技术研发人员：蒲怡,杨可新,杜镱安,赵媛,黄泓婧,刘佳怡,黄立新,何婧怡,王语,蒋文静
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22