一种等离子体辅助CO2和甲烷常压制甲醇的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种等离子体辅助CO2和甲烷常压制甲醇的系统和方法，将甲烷和CO2分别通入暖等离子体反应器各自形成等离子体射流反应区，甲烷裂解产生炭黑和氢气，通过旋风分离器分离后炭黑经螺旋给料器通入CO2等离子体进行CO2+C

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体辅助CO2和甲烷常压制甲醇的系统和方法


[0001]本专利技术涉及温室气体和甲烷高效利用及甲醇合成
，尤其涉及一种等离子体辅助CO2和甲烷常压制甲醇的系统和方法。

技术介绍

[0002]近年来，温室效应引起的全球变暖对地球生态造成了严重破坏。CO2作为最主要的温室气体之一，成为国际社会的关注焦点。根据国际能源署近期发布的报告，2021年全球能源燃烧和工业过程产生的二氧化碳排放量同比增长6％达到363亿吨。甲烷是一种储量丰富的洁净能源气体，同时也是第二大温室气体，贡献量达15％。因此，利用CO2和甲烷重整制取高值化产品受到众多国内外学者的关注。
[0003]诺贝尔化学奖获得者George A.Olah提出“甲醇经济”的概念,即以液态甲醇来代替目前广泛使用的化石燃料用作能源储存材料，同时回收利用工业废气或大气中的CO2制取甲醇。当前，超过80％的甲醇是以天然气作为原料，基于中间产物合成气的费托合成来制取(CO+2H2→
CH3OH)。其中甲烷
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二氧化碳干重整工艺(DMR)以甲烷和二氧化碳这两种来源广泛的温室气体为原料生产合成气(CH4+CO2→
2CO+2H2)，是一种实现温室气体资源化利用、从源头上降低碳排放的清洁转化路线，对环境保护具有重要意义。
[0004]然而上述CO2和甲烷直接制取甲醇反应存在极高难度，需要输入能量激发不活泼分子并调控复杂反应历程，且受到催化剂积碳失活和高成本的限制，目前仍缺乏可行的高效技术路线，因而国内学者针对此方向开展了深入研究。
[0005]冉东等人设计了一种结合蒸汽转化(SMR)和二氧化碳重整(DMR)串并联的工艺方法来制取具有合适氢碳比的合成气，孙灵等人提出了一种基于链式循环二氧化碳重整的甲烷制甲醇过程，并从的角度进行了定量分析，然而上述传统热催化体系甲烷干重整反应需要在高温下(>700℃)进行，高温过程往往会引起积碳以及活性物种烧结的问题。
[0006]北京大学徐东升教授团队专利技术了一种同时具有光
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热和光
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电效应的高活性和抗积碳的甲烷干重整光催化剂——Rh/CexWO3，并证明了其在甲烷干重整反应中的优异活性，为光催化体系的设计提供了指导，然而由于光催化产量普遍较低，其应用将受到一定限制。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种以CO2和CH4为原料，利用等离子体常压下的高反应活性，通过梯级反应制取合成气，并利用Ni
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Ga催化剂在甲醇合成反应中的常压催化活性来制取甲醇的技术路线。解决了在传统热催化制取甲醇体系中存在的投入成本高、设备体积大、需要高温高压、催化剂易失活等问题，避免了在光电催化体系中，产量普遍较低的问题，因此具有广泛应用前景。
[0008]提供一种等离子体辅助CO2和甲烷常压制甲醇的系统和方法。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0010]根据本说明书的第一方面，提供了一种等离子体辅助CO2和甲烷常压制甲醇的系
统，该系统包括：甲烷裂解模块、逆向Boudouard反应模块和费托反应合成模块；
[0011]甲烷反应模块包括：第一高压电源、CH4等离子体反应器、第一旋风分离器、储炭仓、送料阀、螺旋给料器和第一在线红外分析仪；
[0012]所述第一高压电源与CH4等离子体反应器连接，第一旋风分离器固相输出口通过管路连通储炭仓，用于储存上述反应得到的炭黑，管路上设置送料阀；气相输出口连通排气管道，并在排气管道上引出采样管采集气体进入第一在线红外分析仪；所述螺旋给料器向下倾斜，前端连接储炭仓给料管道，后端连接CO2等离子体反应器给料口；
[0013]逆向Boudouard反应模块包括：第二高压电源、CO2等离子体反应器、第二旋风分离器、回料阀和第二在线红外分析仪；
[0014]第二高压电源与CO2等离子体反应器连接，所述第二旋风分离器固相输出口通过管路连通CO2等离子体反应器中石英罩的回料口，使未完全反应的炭黑重新参与反应，管路上设置回料阀，气相输出口连通排气管道，并在排气管道上引出采样管采集气体进入第二在线红外分析仪；
[0015]费托反应合成模块包括：逆止阀、第一缓冲容器、第二缓冲容器、流量计、离心泵、压力表、催化床、第三在线红外分析仪、真空干燥箱、冷阱、真空泵；
[0016]所述第一缓冲容器前端与第一旋风分离器排气管道相连，第二缓冲容器前端与第二旋风分离器排气管道相连，后端与催化床相连；第一缓冲容器和第二缓冲容器前后各安装一个逆止阀，以防止高温气体回流，第一缓冲容器和第二缓冲容器其后管道还设置离心泵，用于输送CO及控制CO供给量；
[0017]所述催化剂床底部与第一、二缓冲容器的管道相连，气体反应产物通过催化剂床上方出口管道依次进入真空干燥箱和冷阱，以对产物进一步提纯收集，出口管道上引出采样管采集少量产物气体进入第三在线红外分析仪，以指导离心泵的运行功率，多余废气则通过与真空干燥箱和冷阱相连的真空泵排出。
[0018]进一步地，所述CH4等离子体反应器为倒置，且位于整个反应系统其他部件的上部，且CH4进气口的位置对应CH4等离子体反应器内电极高度的下1/4～1/5处，CO2进气口的位置对应CO2等离子体反应器内电极高度的上1/4～1/5处
[0019]进一步地，所述第一在线红外分析仪通过电路与第一高压电源连接，所述第二在线红外分析仪通过电路连接与第二高压电源和螺旋给料器连接；所述第三在线红外分析仪通过电路连接与离心泵连接；
[0020]第一在线红外分析仪的结果用于反馈指导第一高压电源的电压，当来流气流中CH4浓度较高时，提高高压电源的电压，以获得较纯净的H2；
[0021]所述第二在线红外分析仪的结果用于反馈调节第二高压电源的电压和螺旋给料器的给料速率；
[0022]所述第三在线红外分析仪的结果用于反馈调节第一、二离心泵的运行参数，进而控制CO和H2以1：2的最佳供给量参与反应。
[0023]进一步地，第一缓冲容器和第二缓冲容器连接到催化床的管路上均安装有压力表和流量计；压力表用于测量两条管路上CO和H2的压力，流量计用于监测两条管路上CO和H2流量。
[0024]进一步地，所述CH4等离子体反应器、CO2等离子体反应器和催化床均安装有热电
偶；用于温度监测。
[0025]进一步地，所述第一缓冲容器和第二缓冲容器均采用保温材料，以保证后续合成甲醇的反应温度。
[0026]进一步地，所述催化剂床采用Ni
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Ga催化剂，以实现常压催化合成甲醇，并设置压力表测量反应温度和压力。
[0027]进一步地，所述Ni
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Ga催化剂通过初湿浸渍法将镍和硝酸镓混合水溶液滴在二氧化硅上来制备。
[0028]进一步地，冷阱选用水作为冷却介质，冷却水温度应小于50℃。
[0029]根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离子体辅助CO2和甲烷常压制甲醇的系统，其特征在于，该系统包括：甲烷反应模块、逆向Boudouard反应模块和费托反应合成模块；甲烷反应模块包括：第一高压电源、CH4等离子体反应器、第一旋风分离器、储炭仓、送料阀、螺旋给料器和第一在线红外分析仪；所述第一高压电源与CH4等离子体反应器连接，第一旋风分离器固相输出口通过管路连通储炭仓，用于储存上述反应得到的炭黑，管路上设置送料阀；气相输出口连通排气管道，并在排气管道上引出采样管采集气体进入第一在线红外分析仪；所述螺旋给料器向下倾斜，前端连接储炭仓给料管道，后端连接CO2等离子体反应器给料口；逆向Boudouard反应模块包括：第二高压电源、CO2等离子体反应器、第二旋风分离器、回料阀和第二在线红外分析仪；第二高压电源与CO2等离子体反应器连接，所述第二旋风分离器固相输出口通过管路连通CO2等离子体反应器中石英罩的回料口，使未完全反应的炭黑重新参与反应，管路上设置回料阀，气相输出口连通排气管道，并在排气管道上引出采样管采集气体进入第二在线红外分析仪；费托反应合成模块包括：逆止阀、第一缓冲容器、第二缓冲容器、流量计、离心泵、压力表、催化床、第三在线红外分析仪、真空干燥箱、冷阱、真空泵；所述第一缓冲容器前端与第一旋风分离器排气管道相连，第二缓冲容器前端与第二旋风分离器排气管道相连，后端与催化床相连；第一缓冲容器和第二缓冲容器前后各安装一个逆止阀，以防止高温气体回流，第一缓冲容器和第二缓冲容器其后管道还设置离心泵，用于输送CO及控制CO供给量；所述催化剂床底部与第一、二缓冲容器的管道相连，气体反应产物通过催化剂床上方出口管道依次进入真空干燥箱和冷阱，以对产物进一步提纯收集，出口管道上引出采样管采集少量产物气体进入第三在线红外分析仪，以指导离心泵的运行功率，多余废气则通过与真空干燥箱和冷阱相连的真空泵排出。2.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助CO2和甲烷常压制甲醇的系统，其特征在于，所述CH4等离子体反应器为倒置，且位于整个反应系统其他部件的上部，且CH4进气口的位置对应CH4等离子体反应器内电极高度的下1/4～1/5处，CO2进气口的位置对应CO2等离子体反应器内电极高度的上1/4～1/5处。3.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助CO2和甲烷常压制甲醇的系统，其特征在于，所述第一在线红外分析仪通过电路与第一高压电源连接，所述第二在线红外分析仪通过电路连接与第二高压电源和螺旋给料器连接；所述第三在线红外分析仪通过电路连接与离心泵连接；第一在线红外分析仪的结果用于反馈指导第一高压电源的电压，当来流气流中CH4浓度较高时，提高高压电源的电压，以获得较纯净的H2；所述第二在线红外分析仪的结果用于反馈调节第二高压电源的电压和螺旋给料器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩，高李泊廷，吴昂键，林晓青，王恺艺，隆颜徽，李晓东，黄群星，严建华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：