一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，主要应用于超高温聚光太阳能系统。在装置的主体部分(载热粒子放热罐)内，布置有若干个特制的鼓泡式甲烷直接裂解反应器单元；高温载热粒子从放热罐顶部向下流过反应器单元，并将热传递给反应器单元内的载热流体；甲烷气泡在载热流体中裂解产生氢气和碳纳米颗粒；纳米碳颗粒与反应气体在反应器单元内分离，然后通过引风机抽出；反应后的混合气体(氢气和未反应的甲烷气体)从反应器单元出来后，经过冷却送入下一级反应器单元内继续反应或送出装置进入氢气分离系统。本发明专利技术装置实现了载热流体无须送出装置外加热，保证了系统安全、稳定运行；而反应器单元的模块化设计便于装置的缩放设计。

A bubble type methane cracking reactor heated by high temperature particles

The invention discloses a bubble type methane cracking reaction device heated by high temperature particles, which is mainly applied to ultrahigh temperature concentrating solar energy system. In the main part of the device (the heat carrier heat release tank), a number of special bubbling methane direct cracking unit units are arranged; the heat carrying particles are flowing down the reactor unit from the top of the heat release tank, and heat transfer to the heat carrying fluid in the reactor unit; methane bubbles break up to produce hydrogen and carbon in the heat carrying fluid. Nanoscale particles are separated from the reaction gas in the reactor unit and then pumped out through a draft fan; after the reaction, the mixture of gas (hydrogen and unreacted methane gas) comes out from the reactor unit and goes through the cooling into the next stage reactor unit to continue to react or send out the device into the hydrogen separation system. The device realizes the heating of the heat carrying fluid outside the device and ensures the safe and stable operation of the system, and the modular design of the reactor unit is convenient for the design of the device.

【技术实现步骤摘要】
一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置
本专利技术属于甲烷制氢及聚光太阳能利用
，具体涉及一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置。
技术介绍
能源是人类赖以生存和发展的重要支撑因素，保证能源的来源是世界各国的重大基本战略之一。同时，常规能源(例如石油和煤)使用过程中对环境造成的不利影响也不容忽视。因此，能源的可持续化、清洁化及低碳化是未来的必然发展趋势。氢能是一种被看好的重要环保能源，具有能源密度高，且对环境的影响小(因为其燃烧产物为水)的特点。但是目前96％的氢来源于化石燃料，其生产过程包括天然气重整和煤气化等化学反应过程。这些化学反应过程往往伴随着碳排放问题，因为反应产生了二氧化碳难以捕捉。另外，制氢过程需要消耗大量的能源，而常规能源的使用过程往往也伴随着严重的碳排放问题。聚光太阳能驱动的鼓泡式反应器内甲烷直接裂解反应技术是一种非常具有吸引力的可持续发展的替代制氢技术，该系统具有非常多的优点：(1)零碳排放，甲烷裂解反应化学方程式为：CH4(g)→C(s)+H2(g),ΔHR,0＝74.85kJ/mol。从该化学反应式可以看出，其裂解形成的碳是以固体存在的；而反应所需要的热量由太阳能提供，能量消耗过程也不存在碳排放问题。(2)成本低，裂解形成的固体碳颗粒直径在20-100nm范围内，可以用于制作碳纳米原材料，多重收益使得系统成本有效降低。(3)能源利用效率高，在考虑了碳捕获和储存后，甲烷裂解的能源利用效率可以达到55％，而甲烷重整和煤气化的能源利用效率仅分别为54％和43％。(4)反应过程可以长期稳定运行，高温鼓泡式反应器采用液态金属或熔盐作为载热流体用于加热甲烷，甲烷以气泡形式与高温载热流体直接接触。当温度达到1000℃左右时，在没有催化剂的条件下，甲烷裂解反应也可以发生，因此不需要催化剂。同时，高温介质的密度比碳纳米颗粒高数倍，因此碳颗粒会漂浮在载热流体表面，而不会堵塞反应器通道。但是，聚光太阳能驱动的鼓泡式反应器内甲烷直接裂解反应技术面临的最大挑战是如何安全生产。该系统存在的不安全因素包括：(1)存在爆炸的可能性，甲烷是可燃气体，在遇到空气的情况下有可能发生爆炸，特别是直接甲烷裂解反应的运行温度超过了1000摄氏度；(2)聚光太阳能光热转化设备的热应力问题，与所有的可再生能源一样，太阳能最大的缺点就是不稳定和不连续性，一天24小时中，太阳能的有效利用时间只有8-10个小时左右，且天气变化对于其稳定性也有非常大的影响。在如此极端条件下，聚光太阳能过程的光热转换设备(吸热器)经受的热应力是不能忽略的。如果采用将鼓泡式反应器内的载热流体通入吸热器进行加热方式，吸热器需采用管式吸热器，这种吸热器在热应力的作用下极容易出现管道破裂，高温载热流体外泄的事故。(3)载热流体堵塞问题，高温载热流体的熔点温度一般较高，以锡为例，其熔点为231.93℃。由于高于环境温度，所以容易导致载热流体在管道内的堵塞事故，从而导致系统无法正常运行，甚至发生危险。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，能够解决上述三大技术问题。技术方案：为实现上述目的本专利技术采用如下技术方案：一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，包括载热粒子放热罐，所述载热粒子放热罐上部设有载热粒子入口，下部设有载热粒子出口，内部设有若干个鼓泡式反应器单元；所述鼓泡式反应器单元包括气体出口、气体入口、甲烷裂解反应区域，所述甲烷裂解反应区域内填充有载热流体；载热粒子从载热粒子入口进入载热粒子放热罐，从鼓泡式反应器单元之间流过，从载热粒子出口流出；所述气体入口连通甲烷供应装置，甲烷进入甲烷裂解反应区域与载热流体混合，发生裂解反应，生成碳颗粒和氢气，氢气从气体出口排出。进一步的，所述鼓泡式反应器单元包括外层和开口向上的内层，所述外层上部设有填料口和气体出口，下部设有气体入口，所述内层顶部与外层之间存在间隙，内层的侧壁和底部与外层之间填充有载热流体，所述载热流体的填充高度低于内层顶部的高度。进一步的，所述载热粒子入口与鼓泡式反应器单元之间设有分流板，所述分流板上均匀设有若干个供载热粒子通过的分流孔。进一步的，所述气体出口通过管道依次连通载热粒子放热罐外部的除尘器、冷却器。冷却器出口布置有冷却器出口阀门。进一步的，所述气体入口通过管道连通载热粒子放热罐外部的压缩机。气体入口与压缩机之间布置有压缩机出口阀门。进一步的，所述内层的下部设有碳出口，所述碳出口通过管道依次连通载热粒子放热罐外部的储碳罐、引风机。碳出口与储碳罐之间布置有储碳罐入口阀门。进一步的，所述气体出口连通的管道上布置有压力表。进一步的，所述鼓泡式反应器单元内气体入口处设有喷嘴矩阵，所述喷嘴矩阵的喷嘴朝上。本专利技术提出的装置适用于以固体粒子作为载热介质的聚光太阳能加热系统。载热粒子在吸热器内垂直下降，下降过程中吸收由聚光器反射到吸热器内的聚光太阳能，并被加热到1000摄氏度以上；加热后的载热粒子进入到本专利技术提供的装置内。装置内安装有若干个特制的鼓泡式反应器单元，高温载热粒子由专利技术装置顶部进入，经过粒子分流板分流后，由鼓泡式反应器单元之间的间隙中向下流动；流动过程中将热量传递给鼓泡式反应器单元，之后低温载热粒子从专利技术装置底部流出，并被再次送入吸热器进行加热，如此形成循环。每个鼓泡式反应器单元均由内、外两层构成，内层与外层之间仅在顶部相通，内层高度低于外层，内外层之间为甲烷裂解反应发生区域，内层为暂存碳纳米颗粒的区域；外层顶部设有填料口，填料口用于系统运行前往内外层之间区域填装载热流体，载热流体填充高度低于内层高度，防止高温载热流体进入内层；填装好载热流体后，该填料口关闭。在鼓泡式反应器单元底部设有气体入口，气体入口与压缩机通过管道相连，气体入口与内外层之间的甲烷裂解反应区域相通；正常运行过程中，待反应气体(纯甲烷或未反应甲烷与氢气混合气体)经压缩机增压后，由气体入口进入反应器单元内外层底部，经喷嘴产生毫米级气泡群；在浮升力作用下，气泡在载热流体内向上运动，在向上运动的过程中吸收高温载热流体的热量而发生甲烷裂解反应，一部分甲烷裂解为氢气和固态碳纳米颗粒；当气泡达到反应器顶部时发生破裂，气泡内反应产生的碳颗粒在重力的作用下与氢气和未反应的甲烷气体发生分离；分离后的碳纳米颗粒在重力作用下落到高温载热流体的表面，由于载热流体的密度比碳纳米颗粒大，所以在表面张力的作用下，绝大部分碳纳米颗粒会停留在载热流体表面，而不会进入载热流体内部；随着反应的进行，碳纳米颗粒的量逐渐增加，最终从内外层顶部的间隙进入内层暂存。反应生产的氢气和未反应的甲烷混合气体从鼓泡式反应器顶部设置的气体出口流出。在鼓泡式反应器出口布置有除尘器，用于捕捉混合气体可能携带的碳纳米颗粒。由于从鼓泡式反应器出来的混合气体温度仍较高，为了防止混合气体中的甲烷气体继续反应，产生的碳颗粒堵塞管道，所以在除尘器后还设置有冷却器，将混合气体温度降低到甲烷裂解反应温度(800摄氏度)以下。冷却后的混合气体中的甲烷浓度仍较高，则可以接着送入下一级鼓泡式反应器单元内继续反应；如果甲烷浓度不高，则冷却后的混合气体送出专利技术装置，进入气体分离装置，从而将混合气体中的甲烷和氢气进行分离。同时，为了保证系统的连续、安全及稳定运行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，包括载热粒子放热罐(14)，所述载热粒子放热罐(14)上部设有载热粒子入口(1)，下部设有载热粒子出口(12)，内部设有若干个鼓泡式反应器单元(7)；所述鼓泡式反应器单元(7)包括气体出口(16)、气体入口(18)、甲烷裂解反应区域，所述甲烷裂解反应区域内填充有载热流体；载热粒子从载热粒子入口(1)进入载热粒子放热罐(14)，从鼓泡式反应器单元(7)之间流过，从载热粒子出口(12)流出；所述气体入口(18)连通甲烷供应装置，甲烷进入甲烷裂解反应区域与载热流体混合，发生裂解反应，生成碳颗粒和氢气，氢气从气体出口(16)排出。

【技术特征摘要】
1.一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，包括载热粒子放热罐(14)，所述载热粒子放热罐(14)上部设有载热粒子入口(1)，下部设有载热粒子出口(12)，内部设有若干个鼓泡式反应器单元(7)；所述鼓泡式反应器单元(7)包括气体出口(16)、气体入口(18)、甲烷裂解反应区域，所述甲烷裂解反应区域内填充有载热流体；载热粒子从载热粒子入口(1)进入载热粒子放热罐(14)，从鼓泡式反应器单元(7)之间流过，从载热粒子出口(12)流出；所述气体入口(18)连通甲烷供应装置，甲烷进入甲烷裂解反应区域与载热流体混合，发生裂解反应，生成碳颗粒和氢气，氢气从气体出口(16)排出。2.根据权利要求1所述的一种高温粒子加热的鼓泡式甲烷裂解反应装置，其特征在于，所述鼓泡式反应器单元(7)包括外层(22)和开口向上的内层(20)，所述外层(22)上部设有填料口(21)和气体出口(16)，下部设有气体入口(18)，所述内层(20)顶部与外层(22)之间存在间隙，内层(20)的侧壁和底部与外层(22)之间填充有载热流体，所述载热流体的填充高度低于内层(20)顶部的高度。3.根据权利要求1所述的一种高温粒子加热的鼓泡式...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑章靖，徐阳，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32