一种绿氢制备系统及工艺技术方案

本发明专利技术公开了一种绿氢制备系统及工艺，包括天然气预处理单元、液态金属裂解单元、湍动床裂解单元、PSA净化分离单元；天然气预处理单元包括脱水塔、脱硫塔和预热器；液态金属裂解单元包括液态金属反应床、氢气燃烧器、石墨烯储罐、石墨烯气体分离器和汽水换热器；湍动床裂解单元包括电源、湍动床反应器、炭黑分离器和炭黑储罐；PSA净化分离单元包括PSA。本发明专利技术将液态金属反应床未裂解反应的甲烷在湍动床反应器中进行裂解反应，增加反应连续性，提高效率；热量梯级利用，增加了能量利用效率；天然气裂解效率达到98％以上，并得到孪生产品石墨烯和炭黑；得到氢气，氢气的纯度达到99.9％以上；天然气经过氢气换热后增加了进料气的热焓，降低了能耗。降低了能耗。降低了能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种绿氢制备系统及工艺


[0001]本专利技术涉及绿氢制备
，尤其涉及一种绿氢制备系统及工艺。

技术介绍

[0002]氢能是一种绿色能源，是未来无污染的永久清洁能源。氢能来源广泛、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统石化能源清洁高效利用，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择。氢能生产和应用受到全球的广泛关注，成为应对气候变化、建设脱碳社会的重要产业方向。氢能产业已成为我国能源战略布局的重要部分。根据氢能制取可分为灰氢、蓝氢和绿氢，在氢气制备过程中有二氧化碳产生即为灰氢；在灰氢制备工艺中采取了碳捕捉和碳储存，但还是少量的碳排放即为蓝氢；在氢气制备中无二氧化碳排放即为绿氢，绿氢中使用的能源可以是太阳能、光能和风能产生的电力。
[0003]目前，国内氢能生产、利用已经较为广泛，主要通过化石能源制氢和工业副产物制氢获得，制得的氢气主要应用于工业原料和生产供热中。在当前中国氢气供给结构中，化石能源制氢占比70％左右，工业副产品制氢占比30％左右，电解水制氢及其它生物制氢占比低。化石能源制氢目前主流工艺中最大的问题是制氢过程产生二氧化碳；工业副产物是指焦炉煤气、氯碱尾气等工业副产物提纯制氢，只能作为氢能利用的补充，无法作为氢能利用的大规模来源；水电解制氢无二氧化碳排放，但是对水质要求较高，最主要的是耗能高，是目前所有制氢工艺中耗能最高的，并且目前还处于试验和开发阶段，尚未形成工业化应用。
[0004]目前，国内外对氢能制取进行了积极探索，但在产业化应用还存在许多不足。
[0005]CN112938895A公布采用熔融液态金属Sn、In、Ga和Pt、Bi、Pd、Fe及其合金作为催化剂，这种虽提高效率，但是固相产物只能是炭黑；采用电磁泵进行液态金属流动时，液态金属中含有炭黑，由于炭黑的导电性低会对电磁泵造成污染进而发生故障，影响装置的运行稳定性,造成产业化应用瓶颈；天然气裂解产生的炭黑会覆着在金属催化剂原子上，使催化剂失效，降低裂解效率。
[0006]CN214880202U公布的天然气制氢系统主要先将液态金属在金属熔融罐中熔融然后再经过电磁泵将金属熔融液泵入到液态金属反应床中，其天然气裂解后的炭黑会与熔融金属混合在一起，由于炭黑导电性低，炭黑与熔融金属经流电磁泵中导致流动性不好，进而导致电磁泵故障，影响整个系统的连续稳定运行，使工程化应用遇到障碍。
[0007]CN114852964A公布采用液态金属裂解天然气制氢工艺中，采用电磁加热来熔化金属，加热线圈中的电压高达数千伏，对安全操作危害大，并且采用多孔管来释放天然气，会在液态金属中造成短流，即天然气只有少部分与液态金属接触反应，还有大部分天然气未参与反应直接排出；并且液态金属在裂解天然气过程中，裂解的炭黑会包裹住碳原子，直至产生的氢气吹脱炭黑，反应才能继续开始，因此，在液态金属裂解天然气制氢是一个间断过程而非连续化过程，制氢能耗大，工业化应用效率受到制约。
[0008]WO2021232158A1公布了一种无二氧化碳排放的烃制氢：泵送熔融介质以使其流过反应器；在反应器处或反应器上游将烃混合到熔融介质中，使得混合的烃和熔融介质被运
送通过反应器上游管道中发生裂解反应，烃在熔融介质中裂解会产生碳黑，导致烃与熔融介质还未到达反应器就堵塞(即碳堵)，导致系统停止；在公开文件中，烃与熔融介质在反应器中处于湍流状态，熔融介质的粘度要远高于水，烃与熔融介质处于湍流状态，则会造成大量的烃类未反应而直接排除反应器。
[0009]AT502478B1公布了含烃原料重整产氢与炭黑的方案，在方案中变压吸附分离的未裂解烃类气体与蒸汽在重整中产生一氧化碳，一氧化碳燃烧产生二氧化碳，因此此方法不适合我国的碳排政策。
[0010]CN102964884B公布的尾气联产热裂解法炭黑制备工艺会产生二氧化碳排放，不符合当前及其未来我国的碳排放政策。
[0011]CN104086341A公布的气体裂解装置及其应用，采用储能粉末作为清碳沉积，采用传统裂解器作为天然气的裂解器，其反应效率低下，储能粉末损失严重。

技术实现思路

[0012]本专利技术为解决上述问题，提供一种绿氢制备系统及工艺。
[0013]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种绿氢制备系统，包括天然气预处理单元、液态金属裂解单元、湍动床裂解单元、PSA净化分离单元；天然气预处理单元包括脱水塔、脱硫塔和预热器；液态金属裂解单元包括液态金属反应床、氢气燃烧器、石墨烯储罐、石墨烯气体分离器和汽水换热器；湍动床裂解单元包括电源、湍动床反应器、炭黑分离器和炭黑储罐；PSA净化分离单元包括PSA；脱水塔与脱硫塔依次相连，脱硫塔分别与预热器、湍动床反应器相连，预热器分别与液态金属反应床、炭黑分离器、PSA相连；氢气燃烧器安装在液态金属反应床上，氢气燃烧器与PSA的氢气出口相连，液态金属反应床与汽水换热器相连，液态金属反应床依次与石墨烯气体分离器、湍动床反应器相连，液态金属反应床、石墨烯气体分离器均与石墨烯储罐相连；电源与湍动床反应器相连，湍动床反应器依次与炭黑储罐、预热器相连，湍动床反应器、炭黑分离器均与炭黑储罐相连；PSA分别与预热器、湍动床反应器、氢气燃烧器相连。
[0014]进一步的，液态金属反应床包括内胆，内胆的内腔设有微气泡释放器装置，微气泡释放器装置的下方为稳流室，微气泡释放器装置的上方依次为液态金属反应室、石墨烯堆积室，内胆的侧壁安装有推动杆、石墨烯出口，推动杆的推动端位于石墨烯堆积室内，内胆的顶部设有氢气出口，底部设有天然气进口，内胆的外部设有保温隔热层，保温隔热层上开设有氢气燃烧器安装口，保温隔热层与内胆之间构成加热室，加热室内设有折流板。
[0015]进一步的，湍动床反应器包括壳体，壳体的内腔设有气体分布孔板，气体分布孔板的下方为均气稳流室，气体分布孔板的上方依次为炭黑室、纳米催化室，壳体的外圆周上设有加热线圈，加热线圈外设有隔热材料，壳体的外壁下方设有炭黑出口，壳体的底部设有气体进口，顶部设有气体出口。
[0016]进一步的，电源为电阻电源或者LC谐振电源。
[0017]一种绿氢制备工艺，具有绿氢制备系统，包括启动和正常运行两个步骤；启动即先采用电源加热湍动床反应器并达到天然气的催化裂解温度，使天然气在湍动床反应器内进行裂解成氢气和炭黑，经过炭黑分离器分离出炭黑的氢气经过PSA净化分离单元净化分离后产生的氢气在氢气燃烧器燃烧，燃烧产生的热能使液态金属中的金属熔化，并使液态金
属的温度达到熔点，并稳定，温度没有变化才完成启动过程；启动过程完成后进入正常运行过程，天然气按流程走向，先在液态金属反应床中裂解生成氢气和石墨烯，未裂解的甲烷和氢气在分离石墨烯后进入湍动床反应器进行裂解。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]1、采用液态金属反应床与湍动床反应器耦合裂解工艺，将液态金属反应床未裂解反应的甲烷在湍动床反应器中进行裂解反应，增加反应连续性，提高效率；
[0020]2、采用液态金属本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绿氢制备系统，其特征在于，包括天然气预处理单元、液态金属裂解单元、湍动床裂解单元、PSA净化分离单元；天然气预处理单元包括脱水塔(1)、脱硫塔(2)和预热器(12)；液态金属裂解单元包括液态金属反应床(4)、氢气燃烧器(3)、石墨烯储罐(5)、石墨烯气体分离器(6)和汽水换热器(13)；湍动床裂解单元包括电源(7)、湍动床反应器(8)、炭黑分离器(10)和炭黑储罐(9)；PSA净化分离单元包括PSA(11)；脱水塔(1)与脱硫塔(2)依次相连，脱硫塔(2)分别与预热器(12)、湍动床反应器(8)相连，预热器(12)分别与液态金属反应床(4)、炭黑分离器(10)、PSA(11)相连；氢气燃烧器(3)安装在液态金属反应床(4)上，氢气燃烧器(3)与PSA(11)的氢气出口相连，液态金属反应床(4)与汽水换热器(13)相连，液态金属反应床(4)依次与石墨烯气体分离器(6)、湍动床反应器(8)相连，液态金属反应床(4)、石墨烯气体分离器(6)均与石墨烯储罐(5)相连；电源(7)与湍动床反应器(8)相连，湍动床反应器(8)依次与炭黑储罐(9)、预热器(12)相连，湍动床反应器(8)、炭黑分离器(10)均与炭黑储罐(9)相连；PSA(11)分别与预热器(12)、湍动床反应器(8)、氢气燃烧器(3)相连。2.根据权利要求1所述的绿氢制备系统，其特征在于，所述的液态金属反应床(4)包括内胆，内胆的内腔设有微气泡释放器装置(403)，微气泡释放器装置(403)的下方为稳流室(402)，微气泡释放器装置(403)的上方依次为液态金属反应室(404)、石墨烯堆积室(405)，内胆的侧壁安装有推动杆(406)、石墨烯出口(408)，推动杆(406)的推动端位于石墨烯堆积...

【专利技术属性】
技术研发人员：张平，
申请(专利权)人：氢一科技成都有限公司，
类型：发明
国别省市：