等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置和方法。该装置包括等离子体反应装置、氢气提纯装置、高纯氢存储罐；所述等离子体反应装置的出气口与氢气提纯装置的进气口连接；所述氢气提纯装置的高纯氢气出气口与高纯氢存储罐的进气口连接；氢气提纯装置的尾气出气口与等离子体反应装置的进气口连接；等离子体反应装置包括等离子体激发源、真空反应腔体、接料盘；所述真空反应腔体设置有进气口和出气口，接料盘放置于真空反应腔体底部；所述等离子体反应装置的等离子体激发源是热灯丝、直流等离子体喷射电弧、微波电磁场中的任意一个。本发明专利技术装置反应可控性强，产品灵活多样，产品纯度和附加值高，零排放，无污染。染。染。

【技术实现步骤摘要】
等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置和方法


[0001]本专利技术涉及一种等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置和方法，属于煤层气高效清洁利用领域。

技术介绍

[0002]煤层气(瓦斯)的主要成分为甲烷，通常用作燃料或发电，然而燃料用量有限、发电效率低，因此目前抽采出的煤层气大都排发至大气中，既浪费资源，又造成严重的温室效应和环境污染。
[0003]煤层气中的甲烷是一种优良的制氢原料，传统方法通常利用煤层气中的甲烷水蒸气重整、部分氧化或自热重整等制备氢气。然而，此专利技术受反应平衡限制，转化率较低，且尾气中通常含有大量的CO、CO2等气体，仍需进一步处理，否则将造成新的环境问题。中国专利 ZL 200510022208.4公开了一种煤层气制备氢气的方法，即使用了水蒸气重整的方法利用煤层气制备氢气，该专利技术仅适用于甲烷含量26%
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70%的煤层气制氢，反应产物中存在CO、CO2以及未反应完全的甲烷。中国专利 ZL 201711339654.7公开了一种煤层气脱氧制氢装置及方法，先利用脱氧催化剂使煤层气脱氧，然后利用CO将高价态的金属氧化物还原，最后利用还原得到的金属或低价态金属氧化物和水蒸气将煤层气转化为氢气和CO2。然而，该专利技术将产生的CO2直接排入大气中，环境问题仍然存在。
[0004]煤层气裂解制氢则是将甲烷等含碳气源在高温下催化分解为氢气和碳材料，过程中不会排放CO和CO2，是煤层气零排放利用的最佳选择。中国专利技术专利ZL 200810119203.7公开了一种低温催化裂解甲烷制备氢气与纳米碳的方法，在催化剂存在的条件下，使裂解时放热的烃类与甲烷（裂解吸热）进行同时催化裂解，生成氢气和纳米碳产品。然而，该专利技术以甲烷为原料且反应过程中必须加入裂解放热的烃类气体，成本较高；生成的氢气中仍含有甲烷成分，纯度低；催化剂无法重复利用，能耗较高。中国专利技术专利ZL 20171020576.0公开了一种熔融盐中催化裂解甲烷制备氢气的方法及实现该方法的装置，利用催化剂催化甲烷裂解生产富氢气体和固体碳，经气固分离器将得到氢气及固体碳。然而，该专利技术利用熔融盐进行气固分离，为防止熔融盐凝固，需要较高的能耗，并且为防止熔融盐冷凝堵塞管路，装置需特殊设计；生成的固体碳与熔融盐、催化剂等混合在一起，即使固液分离后，纯度仍较低。中国专利技术专利ZL 202010241533.4公开的一种天然气或煤层气催化裂解制氢的装置和方法，将煤层气催化裂解制备氢气和碳材料。但是，该专利技术采用熔融金属、熔融合金、金属氧化物、炭材料及稀土复合物的一种或几种作为催化剂，需先将催化剂加热至熔融或高温状态，能量消耗高；煤层气裂解反应发生在高气压条件(1~10 bar)、中低气温(450~950℃)的条件下，反应效率低；在主反应装置外还需另加气固分离装置，装置整体结构复杂。

技术实现思路

[0005]为了克服以上不足，本专利技术旨在提供一种等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置和方法。
[0006]本专利技术的技术原理为：等离子体反应装置主要由等离子体激发源、真空反应腔体、接料盘构成，其中等离子体激发源是热灯丝、微波电磁场、直流等离子体喷射电弧的一种。
[0007]在以热灯丝为等离子体激发源时，等离子体反应装置的结构为：真空反应腔体内部悬空设置1
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10层热灯丝，热灯丝连接在设于真空反应腔体外部的一个或多个直流或交流电源上，靠近真快腔体底部放置接料盘；反应时，热灯丝发热产生热辐射，将进气口通入的煤层气激发，离解成由原子H和含碳活性基团 (
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CH3、
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C2H2、
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CH等)组成的等离子体。
[0008]采用微波电磁场为等离子体激发源时，等离子体反应装置的结构为：微波传输耦合机构的一侧连接微波源，另一侧连接真空反应腔体；微波传输耦合机构与真空反应腔体之间设置微波介质窗口，在保证微波能量传输进入真空反应腔体的同时维持其真空度；靠近底部位置设有形状接近于真空反应腔体底部的接料盘；反应过程中，微波源生成的微波能量经微波传输耦合机构和微波介质窗口传输进入真空反应腔体，并在其中耦合聚焦形成高能电磁场；从进气口通入的煤层气被高能电磁场激发，离解成由原子H和含碳活性基团 (
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CH3、
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C2H2、
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CH等)组成的等离子体。
[0009]采用直流等离子体喷射电弧为等离子体激发源时，等离子体反应装置结构为：真空反应腔体的顶部安装有等离子体炬，靠近底部位置设有形状接近于真空反应腔体底部的接料盘；所述的等离子体炬由阴极、阳极、屏蔽罩和喷嘴组成，即最内部为阴极，其外侧套有阳极，阴极和阳极分别连接到直流/脉冲可调高压电源的负极和正极；阴极和阳极之间以及阳极的外侧均套有绝缘陶瓷制造的屏蔽罩；阳极的底部嵌有圆环状或漏斗状的喷嘴；反应时，从进气口通入的煤层气被电弧激发，离解成由原子H和含碳活性基团 (
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CH3、
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C2H2、
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CH等)组成的等离子体，并在气流的作用下形成等离子体弧喷射进入真空反应腔体。等离子体中的原子H和含碳活性基团 (
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CH3、
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C2H2、
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CH等)在一定温度条件下发生夺氢反应生成H2和碳微粒，并在重力作用下碳微粒下沉至接料盘上，完成气固分离；反应后的气体从出气口输出，并在氢气提纯装置中提纯出高纯的H2，而沉积至接料盘上的碳微粒在催化活性组分的催化作用下生长成为纳米碳材料。
[0010]本专利技术中，发生的主要反应如下：本专利技术中，发生的主要反应如下：本专利技术中，发生的主要反应如下：本专利技术中，发生的主要反应如下：本专利技术中，发生的主要反应如下：本专利技术中，发生的主要反应如下：。
[0011]本专利技术提供了一种等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，主要包括等离子体反应装置、氢气提纯装置、高纯氢存储罐；所述等离子体反应装置的出气口与所述氢气提纯装置的进气口连接；所述氢气提纯装置的高纯氢气出气口与所述高纯氢存储罐的进气口连接；所述氢气提纯装置的尾气出气口与等离子体反应装置的进气口连接；所述的等离子体反应装置包括等离子体激发源、真空反应腔体、接料盘；所述真空反应腔体设置有进气口和出气口；所述接料盘放置于真空反应腔体底部；
进一步地，所述等离子体反应装置的等离子体激发源可以是热灯丝、直流等离子体喷射电弧、微波电磁场中的任意一个；进一步地，所述以热灯丝为等离子体激发源时，等离子体反应装置结构为：真空反应腔体两侧分别设置有进气口和出气口，内部悬空设置1
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10层热灯丝，在热灯丝的正下方靠近真空反应腔体底部位置设有形状接近于真空反应腔体底部的接料盘；所有的热灯丝连接在设于真空腔体外部的一个或多个直流或交流电源上；所述的热灯丝由钨、钽或钼中的任意一种金属或多种金属组成的合金制成，形状可以是丝状、板状、网状、柱状或弹簧状中的任意一种，多层排布时可以是各层顺向也可以是交叉排布。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：包括等离子体反应装置、氢气提纯装置、高纯氢存储罐；所述等离子体反应装置的出气口与所述氢气提纯装置的进气口连接；所述氢气提纯装置的高纯氢气出气口与所述高纯氢存储罐的进气口连接；所述氢气提纯装置的尾气出气口与等离子体反应装置的进气口连接；所述的等离子体反应装置包括等离子体激发源、真空反应腔体、接料盘；所述真空反应腔体设置有进气口和出气口；所述接料盘放置于真空反应腔体底部；所述等离子体反应系统的等离子体激发源是热灯丝、直流等离子体喷射电弧、微波电磁场中的任意一个。2.根据权利要求1所述的等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：所述以热灯丝为等离子体激发源时，等离子体反应装置结构为：真空反应腔体两侧分别设置有进气口和出气口，内部悬空设置1
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10层热灯丝，在热灯丝的正下方靠近真空反应腔体底部位置设有形状接近于真空反应腔体底部的接料盘；所有的热灯丝连接在设于真空腔体外部的一个或多个直流或交流电源上。3.根据权利要求2所述的等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：所述的热灯丝由钨、钽或钼中的任意一种金属或多种金属组成的合金制成，形状是丝状、板状、网状、柱状或弹簧状中的任意一种，多层排布时为各层顺向或交叉排布。4.根据权利要求1所述的等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：以微波电磁场为等离子体激发源，等离子体反应装置结构为：微波传输耦合机构的一侧连接微波源，另一侧连接真空反应腔体；微波传输耦合机构与真空反应腔体之间设置微波介质窗口；真空反应腔体的侧面设置进气口，底部设置出气口，靠近底部位置设有形状接近于真空反应腔体底部的接料盘。5.根据权利要求1所述的等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：以直流等离子体喷射电弧为等离子体激发源时，等离子体反应装置结构为：真空反应腔体的顶部安装有等离子体炬，底部设有出气口，进气口设置在等离子体炬的上部，靠近底部位置设有形状接近于真空反应腔体底部的接料盘；所述的等离子体炬由阴极、阳极、屏蔽罩和喷嘴组成。6.根据权利要求5所述的等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：所述阴极为钨、钽、钼或石墨中的任意一种制造的针尖、棒、圆或圆筒，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黑鸿君，于盛旺，高洁，刘克昌，李永强，王帅，王永胜，周兵，余沣洲，冷雄燕，
申请(专利权)人：华阳新材料科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：