一种甲烷二氧化碳催化制氢装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种甲烷二氧化碳催化制氢装置及方法，属于化工技术领域。主要分为两步：1）甲烷、二氧化碳在合成气产生段重整生成合成气；2）水蒸汽与1）中合成气在水煤气转化及氢气分离段反应，再通过氢气膜分离组件分离出氢气。本发明专利技术原料来源广泛且价格低廉，对于节能减排有重要意义；且制备工艺简单，设备投资低，膜分离性能好，氢气产率高；适用于石油、化工及燃料电池领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种甲烷二氧化碳催化制氢装置及方法，具体涉及一种催化重整与膜分离制氢装置及其方法，属于化工

技术介绍
氢能作为一种二次能源，被广泛应用于冶金、航天、炼油、合成氨等工业中。而且氢能源作为一种真正意义上的清洁能源和可持续能源，对于环境保护、能源的可持续发展、降低污染等将产生重要的影响。目前，氢能源的制备主要分为两类，一种是天然气与水蒸气重整制氢，另一种是以水为原料，通过电解制氢。但是这两类方法需要消耗大量的能源，并且会放出大量温室气体。利用甲烷二氧化碳重整制氢，不仅能制备出满足需求的氢能，而且对于节能减排具有重要意义。专利CN102452642A提供了一种紧凑式天然气重整制氢反应器，该反应器提高了燃烧效率和传热效率，减少了吸热过程和放热过程的传热阻力。但是重整制氢反应器的内部空间相对较小，加工工艺复杂，加工难度大，并且燃烧加热过程产生大量含碳气体，没有很好的方法解决含碳气体排放问题。专利CN201545695U公开了一种天然气自热重整制氢流化床膜反应器，目的是解决现有技术不能满足天然气小规模分布式制氢要求。并且添加了膜反应区，能很好地分离得到高纯氢。但是由于热能是由天然气部分氧化重整提供的，所以会产生大量的CO2，并且反应器主体加工难度大。专利CN102464299A公开了一种流化床甲烷水蒸气重整制氢的方法，包括将低堆积密度的吸附催化剂在再生器中高温分解再生，再生吸附催化剂在反应器底部与外循环输送的高堆积密度的重整催化剂混合。其中实现了催化剂的再生，但是催化剂再生生成的CO2直接排入到大气中，并且工艺复杂，耗能比较多。专利CN101973522A公开了一种天然气自热重整制氢的装置，包括自热重整反应器、燃烧室外壁、燃烧器、内换热盘管、外换热盘管、燃烧尾气出口、法兰和混合阀；燃烧室外壁为空心圆管，空心圆管内设有自热重整反应器；外换热盘管包括天然气换热管及水换热管，都分别呈螺旋状从下到上缠绕在燃烧室外壁外部；内换热盘管从上到下呈螺旋状缠绕在反应器管上，原料进气管位于反应器管侧面底部，一端接入反应器管，另一端与内换热盘管通过耐高温接头连接。该装置能很好地满足小规模用氢，但是对于尾气中的CO2没有重新利用，排入空气中会对环境产生影响。专利CN101837955A公开了一种耦合催化重整与膜分离反应制氢方法及其装置，主体结构包括原料气入口、预分布室、气体分布板、钯膜组件、催化剂床层、采样口、流化床反应区床体、金属连接管、加热系统、氢气导管、扩大段、超纯氢气出口、真空泵、背压阀、液体转子流量计、水泵、尾气出口、换热器、气体转子流量计、气体泵和预热器等，该装置采用膜分离装置分离出氢气，但是膜反应区温度过高，对于膜的损害性比较大，并且工艺采用的是甲烷水蒸汽重整耗能多。综上可以看出，在现有工艺技术下，通过甲烷水蒸汽重整等方式制氢耗能多，并且产生的尾气难以处理。通过甲烷二氧化碳重整两步制氢不仅能实现资源的合理利用，制备出解决全球能源危机的清洁能源，而且可以处理大气中的温室气体。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种甲烷二氧化碳催化制氢装置及方法，是一种催化重整与膜分离反应制氢方法及其装置，通过甲烷二氧化碳重整制氢不仅能实现资源的合理利用，制备出解决全球能源危机的清洁能源，而且可以处理大气中的温室气体。该工艺和装置能很好地满足小规模工业用氢或者大规模氢产品消耗。本专利技术提供了一种甲烷二氧化碳催化制氢装置，主要包括两部分，上部的水煤气转化与氢气膜分离段和下部的合成气产生段，合成气产生段的底部和水煤气转化与氢气膜分离段的顶部均设有法兰密封板，合成气产生段和水煤气转化与氢气膜分离段通过气体单向阀分隔开，单向阀固定在合成气产生段顶部；合成气段下部设置有甲烷、二氧化碳气体入口，甲烷、二氧化碳入口与第一气体混合室连接，第一气体混合室上端设有第一气体分布板，第一气体分布板上端为重整反应催化剂床层，催化剂床层为圆柱状结构，催化剂床层外侧设有燃烧加热室，燃烧加热室为环形结构，燃烧加热室的上端设有甲烷、空气入口，下端设有第一尾气排放口；单向阀与反应器内壁上的支撑筋板连接，单向阀上端为第二气体混合室，第二气体混合室与水蒸气入口相通，第二气体混合室上端设有第二气体分布板，第二气体分布板上方即为第二催化剂床层，第二催化剂床层内设有折流板和膜组件，折流板与反应器内壁上的支撑筋板连接，膜组件包括合金膜和氢气通道，膜组件固定在折流板下方，折流板侧面与反应器内壁接触处设有氢气导管，氢气导管沿反应器内壁向上通往氢气出口，氢气出口端部设有真空泵，水煤气转化与氢气膜分离段顶部侧面设有第二尾气排放口。所述甲烷、二氧化碳入口端部设有搅拌装置，如风扇、搅拌器等。设置搅拌装置有利于气体的充分混合。所述第一尾气排放口与换热器连接，换热器另一端接水泵，换热器出口通往甲烷二氧化碳重整制氢装置的水煤气转化与氢气膜分离段。所述第一气体分布板和第二气体分布板是由不锈钢丝网经层层叠加压制、烧结而成，并使分布板上的孔呈锥形，气体分布板与反应器内壁上的支撑筋板连接，作为重整反应催化剂的支撑体和气体分布装置。本专利技术提供了一种甲烷二氧化碳催化制氢方法，采用上述装置，包括以下步骤：（1）原料气甲烷、二氧化碳从气体入口进入气体混合室，经气体分布板混合后进入下部合成气产生段的催化剂床层，与催化剂接触，反应生成合成气a；气体燃烧室内的甲烷、氧气通过燃烧为上述重整反应提供热量，燃烧生成的尾气从第一尾气排放口通往换热器为水煤气转化与氢气分离段提供水蒸汽；（2）步骤（1）中的合成气a经合成气产生段顶部的气体单向阀向上流出，进入第二气体混合室，与从水煤气转化及氢气膜分离段底部水蒸气入口进入的水蒸气在第二气体分布器中混合，进入上部水煤气转化反应装置的催化剂床层中，与催化剂接触，生成混合气b；（3）混合气b与氢气膜分离组件接触，氢气从氢气导管排出，尾气中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳流出反应器，经过冷凝、分离，再次进入反应器循环反应。进一步地，所述步骤（1）中，甲烷和二氧化碳经过搅拌装置的预混合，再进入第一气体混合器中充分混合，然后进入合成气产生段进行反应，反应温度为700-1000度，催化剂由镍、钴、锆、铝氧化物的混合物组成；甲烷与二氧化碳进气体积比为1:1.25~1.45。进一步地，所述步骤（2）中水蒸汽进气量为甲烷进气量的2~2.3倍；水煤气转化反应温度为200-300度，催化剂由铈、锆、铜、铁氧化物的混合物组成。进一步地，所述步骤（3）中混合气b与氢气膜分离组件接触，由于真空泵作用产生的负压，氢气进入膜分离组件中，经氢气导管导出；尾气经反应器顶部流入冷凝、分离装置，水进入蒸汽发生器， CO进入上部反应器，CO2进入下部反应器或收集得到高纯产品气。本专利技术提供一种甲烷二氧化碳催化制氢装置及方法，与现有技术相比具有以下优点：（1）将甲烷、二氧化碳重整反应与水煤气转化反应结合在一个反应装置中用来制取氢气并通过膜分离制备出高纯氢气。（2）原料采用温室气体甲烷和二氧化碳，对环境保护有重要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种甲烷二氧化碳催化制氢装置，其特征在于：包括上部的水煤气转化与氢气膜分离段和下部的合成气产生段，合成气产生段的底部和水煤气转化与氢气膜分离段的顶部均设有法兰密封板，合成气产生段和水煤气转化与氢气膜分离段通过气体单向阀分隔开，单向阀固定在合成气产生段顶部；合成气段下部设置有甲烷、二氧化碳气体入口，甲烷、二氧化碳入口与第一气体混合室连接，第一气体混合室上端设有第一气体分布板，第一气体分布板上端为重整反应催化剂床层，催化剂床层为圆柱状结构，催化剂床层外侧设有燃烧加热室，燃烧加热室为环形结构，燃烧加热室的上端设有甲烷、空气入口，下端设有第一尾气排放口；单向阀与反应器内壁上的支撑筋板连接，单向阀上端为第二气体混合室，第二气体混合室与水蒸气入口相通，第二气体混合室上端设有第二气体分布板，第二气体分布板上方即为第二催化剂床层，第二催化剂床层内设有折流板和膜组件，折流板与反应器内壁上的支撑筋板连接，膜组件包括合金膜和氢气通道，膜组件固定在折流板下方，折流板侧面与反应器内壁接触处设有氢气导管，氢气导管沿反应器内壁向上通往氢气出口，氢气出口端部设有真空泵，水煤气转化与氢气膜分离段顶部侧面设有第二尾气排放口。...

【技术特征摘要】
1. 一种甲烷二氧化碳催化制氢装置，其特征在于：包括上部的水煤气转化与氢气膜分离段和下部的合成气产生段，合成气产生段的底部和水煤气转化与氢气膜分离段的顶部均设有法兰密封板，合成气产生段和水煤气转化与氢气膜分离段通过气体单向阀分隔开，单向阀固定在合成气产生段顶部；合成气段下部设置有甲烷、二氧化碳气体入口，甲烷、二氧化碳入口与第一气体混合室连接，第一气体混合室上端设有第一气体分布板，第一气体分布板上端为重整反应催化剂床层，催化剂床层为圆柱状结构，催化剂床层外侧设有燃烧加热室，燃烧加热室为环形结构，燃烧加热室的上端设有甲烷、空气入口，下端设有第一尾气排放口；单向阀与反应器内壁上的支撑筋板连接，单向阀上端为第二气体混合室，第二气体混合室与水蒸气入口相通，第二气体混合室上端设有第二气体分布板，第二气体分布板上方即为第二催化剂床层，第二催化剂床层内设有折流板和膜组件，折流板与反应器内壁上的支撑筋板连接，膜组件包括合金膜和氢气通道，膜组件固定在折流板下方，折流板侧面与反应器内壁接触处设有氢气导管，氢气导管沿反应器内壁向上通往氢气出口，氢气出口端部设有真空泵，水煤气转化与氢气膜分离段顶部侧面设有第二尾气排放口。
2.根据权利要求1所述的甲烷二氧化碳催化制氢装置，其特征在于：所述甲烷、二氧化碳入口端部设有搅拌装置。
3.根据权利要求1所述的甲烷二氧化碳催化制氢装置，其特征在于：所述第一尾气排放口与换热器连接，换热器另一端接水泵，换热器出口通往甲烷二氧化碳重整制氢装置的水煤气转化段。
4.根据权利要求1所述的甲烷二氧化碳催化制氢装置，其特征在于：所述第一气体分布板和第二气体分布板是由不锈钢丝网经层层叠加压制、烧结而成，并使分布板上的孔呈锥形，气体分布板与反应器内壁上的支撑筋板连接，作为重整反应催化剂的支撑体和气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国杰，屈江文，徐英，苏爱廷，贾勇，郝兰霞，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14