甲烷分级重整两步制氢装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种甲烷分级重整两步制氢装置及方法，涉及氢能技术领域。该甲烷分级重整两步制氢装置，是一种联合甲烷分级重整与水汽变换的新型制氢装置，以两个反应器为主体，通过切换通入两反应器的气体，实现甲烷分级重整制氢两步反应的切换，两步反应所产生氢气在经过后处理后进行储存，在较低温度且等温条件下实现稳定高效的制氢工艺。实现稳定高效的制氢工艺。实现稳定高效的制氢工艺。

【技术实现步骤摘要】
甲烷分级重整两步制氢装置及方法


[0001]本专利技术涉及氢能
，尤其涉及一种甲烷分级重整两步制氢装置及方法。

技术介绍

[0002]社会的进步离不开能源的发展。相较于现阶段占我国能源结构主要地位的化石能源，氢能在其能流密度高、成分简单、燃烧产物清洁无污染上所具有的特点，使得氢能作为一种新型的能源备受关注。
[0003]然而在现存的氢气制备工艺中，氢气往往纯度较低。以技术发展较为完善的甲烷湿重整制氢、甲醇重整制氢为例，以上过程中所生产的氢气往往以合成气的形式出现，难以实现高纯度氢气的制取。因此，如何实现高效清洁的高纯氢气连续制备，成为了限制氢气更大规模应用的一大难题。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种甲烷分级重整两步制氢装置及方法。
[0005]本专利技术一方面提供了一种甲烷分级重整两步制氢装置，包括：甲烷气体输送单元，用于输送甲烷气体；催化再生气体输送单元，用于输送二氧化碳气体；甲烷催化制氢单元，用于将甲烷气体输送单元输送的甲烷气体在催化剂作用下发生裂解反应生成氢气，还用于将催化再生气体输送单元输送的二氧化碳气体与催化剂积碳发生反应，生成一氧化碳气体，消除积碳并实现催化剂的再生；催化剂再生尾气存储单元，用于存储甲烷催化制氢单元生成的一氧化碳气体；再生尾气制氢单元，包括氢气储罐，再生尾气制氢单元用于将甲烷催化制氢单元生成的氢气存储在氢气储罐中，还用于将通入的水蒸气和催化剂再生尾气存储单元存储的一氧化碳气体发生反应，生成的氢气经过气液分离和变压吸附处理后，也存储在氢气储罐中；惰性气体输送单元，用于利用惰性气体，分别对甲烷催化制氢单元中的反应器和再生尾气制氢单元中的反应器进行吹扫，去除两个反应器中剩余的气体。
[0006]根据本专利技术的实施例，甲烷气体输送单元包括甲烷储罐和甲烷气体泵，其中，甲烷储罐中存储的甲烷气体通过甲烷气体泵控制，进入甲烷催化制氢单元。
[0007]根据本专利技术的实施例，催化再生气体输送单元包括二氧化碳储罐和二氧化碳气体泵，其中，二氧化碳储罐中存储的二氧化碳气体通过二氧化碳气体泵控制，进入甲烷催化制氢单元。
[0008]根据本专利技术的实施例，甲烷催化制氢单元包括甲烷裂解反应器、第一冷却器和氢气储罐，其中，甲烷气体输送单元输送的甲烷气体在催化剂作用下，在甲烷裂解反应器中发生裂解反应，生成的氢气经由第一冷却器冷却后进入氢气储罐中进行存储。
[0009]根据本专利技术的实施例，催化剂再生尾气存储单元包括第一阀门、第二冷却器和再生尾气储罐，其中，调节第一阀门，使甲烷催化制氢单元中通入的二氧化碳气体与催化剂积碳发生反应，生成的一氧化碳气体经由第二冷却器冷却后储存在再生尾气储罐中。
[0010]根据本专利技术的实施例，再生尾气制氢单元还包括双向泵、第一调节泵、第二调节
泵、第二阀门、第三阀门、尾气催化制氢反应器、储水罐和水蒸汽发生器、气液分离装置和变压吸附装置，其中：在甲烷催化制氢单元中的催化剂积碳充分消除后，调节第一阀门，使甲烷催化制氢单元生成的氢气进入氢气储罐；同时调节双向泵与第二阀门，使再生尾气储罐中存储的一氧化碳气体通入尾气催化制氢反应器；调节第三阀门，使得储水罐中储存的水经过第一调节泵进入水蒸气发生器，所生成的水蒸气与一氧化碳气体一并在尾气催化制氢反应器中发生反应，生成的氢气依次经过气液分离装置和变压吸附装置处理后，储存在氢气储罐中；经过气液分离装置分离后的液体经由第二调节泵回流到储水罐中。
[0011]根据本专利技术的实施例，惰性气体输送单元包括惰性气体储罐、第三调节泵和第四阀门，其中：惰性气体储罐中存储的惰性气体通过第三调节泵控制，进入甲烷裂解反应器；第四阀门设置于气液分离装置与变压吸附装置之间；在甲烷裂解反应器发生裂解反应，以及尾气催化制氢反应器发生反应的过程前后，通过打开惰性气体储罐、第三调节泵与第四阀门，实现对两个反应器与冷却器内的吹扫，及时带走反应器中剩余的气体。
[0012]本专利技术另一方面提供了一种应用上述甲烷分级重整两步制氢装置的甲烷分级重整两步制氢方法，包括：步骤S1，向甲烷裂解反应器中装填用于裂解制氢的催化剂颗粒，向尾气催化制氢反应器中装填用于水汽变换制氢的催化剂颗粒；步骤S2，打开惰性气体储罐、第三调节泵、第一阀门、第二阀门和第四阀门，排尽裂解制氢和水汽变换制氢过程的空气；步骤S3，加热升温甲烷裂解反应器至裂解制氢对应的反应温度，加热升温尾气催化制氢反应器至水汽变换制氢对应的反应温度；步骤S4，关闭惰性气体输送单元，启用甲烷气体输送单元，打开甲烷储罐，使得甲烷气体在设定温度下发生裂解反应生成氢气；调节第一阀门，将生成的氢气经过冷却后储存于氢气储罐中；步骤S5，在步骤S4持续第一预定时段后，关闭甲烷气体输送单元，启用催化再生气体输送单元，打开二氧化碳储罐，使得二氧化碳气体进入甲烷裂解反应器，与催化剂积碳发生反应，实现催化剂的再生；调节第一阀门和第二阀门，使反应生成的一氧化碳气体经过冷却后进入再生尾气储罐中进行存储；步骤S6，在步骤S5持续第二预定时段后，关闭催化再生气体输送单元，重复步骤S2对两个反应器及管道进行吹扫，排尽反应器与管道内残余气体；调节第二阀门和双向泵，使储存于再生尾气储罐中的一氧化碳气体进入尾气催化制氢反应器；同时调节第三阀门和第一调节泵，将储水罐中的水通入水蒸气发生器中，生成的水蒸气进入尾气催化制氢反应器内，与一氧化碳气体发生水汽变换反应；同时重复步骤S4中在甲烷裂解反应器(3)的操作；步骤S7，将尾气催化制氢反应器中生成的氢气与二氧化碳混合气体流经气液分离装置，将未完全反应的水蒸气进行冷凝，通过第二调节泵和第三阀门的调节回流到储水罐中；剩余的混合气体通过变压吸附装置，分离其中的二氧化碳，所得到的高纯度氢气在氢气储罐中进行存储；步骤S8，重复上述步骤S4和步骤S6，实现系统的高效产燃料。
[0013]根据本专利技术的实施例，在步骤S2，惰性气体储罐中存储的惰性气体包括氮气、氦气和氖气中的至少一种。
[0014]根据本专利技术的实施例，在步骤S6，储水罐中的水包括去离子水或蒸馏水。
[0015]与现有技术相比，本专利技术提供的甲烷分级重整两步制氢装置及方法，至少具有以下有益效果：
[0016](1)本专利技术的一种新型甲烷分级重整两步制氢方法，最高反应温度在700
‑
800℃，甲烷裂解反应与催化剂积碳气化反应之间能实现等温切换，制氢温度较低，极大避免了反
应切换时的显热损失，降低了装置复杂度和耐高温性能要求。
[0017](2)本专利技术通过结合甲烷裂解反应与水汽变换反应两步制氢，进一步提高了氢气制备效率。甲烷裂解反应为气固反应，生成氢气与固体碳自动分离；水汽变换所制得的合成气配合变压吸附装置，也实现了高纯氢气的生产。
[0018](3)本专利技术中水汽变换产物经由变压吸附装置处理，实现了二氧化碳脱除。分离得到的二氧化碳重新输回二氧化碳储罐中，实现了二氧化碳的循环利用，极大提高了原料的利用率，也实现了氢气生产过程的节能减排。
[0019](4)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种甲烷分级重整两步制氢装置，其特征在于，包括：甲烷气体输送单元，用于输送甲烷气体；催化再生气体输送单元，用于输送二氧化碳气体；甲烷催化制氢单元，用于将所述甲烷气体输送单元输送的甲烷气体在催化剂作用下发生裂解反应生成氢气，还用于将所述催化再生气体输送单元输送的二氧化碳气体与催化剂积碳发生反应，生成一氧化碳气体，消除积碳并实现催化剂的再生；催化剂再生尾气存储单元，用于存储所述甲烷催化制氢单元生成的一氧化碳气体；再生尾气制氢单元，包括氢气储罐(4)，所述再生尾气制氢单元用于将所述甲烷催化制氢单元生成的氢气存储在所述氢气储罐(4)中，还用于将通入的水蒸气和所述催化剂再生尾气存储单元存储的一氧化碳气体发生反应，生成的氢气经过气液分离和变压吸附处理后，也存储在所述氢气储罐(4)中；惰性气体输送单元，用于利用惰性气体，分别对所述甲烷催化制氢单元中的反应器和所述再生尾气制氢单元中的反应器进行吹扫，去除两个反应器中剩余的气体。2.根据权利要求1所述的甲烷分级重整两步制氢装置，其特征在于，所述甲烷气体输送单元包括甲烷储罐(1)和甲烷气体泵(11)，其中，所述甲烷储罐(1)中存储的甲烷气体通过所述甲烷气体泵(11)控制，进入所述甲烷催化制氢单元。3.根据权利要求1所述的甲烷分级重整两步制氢装置，其特征在于，所述催化再生气体输送单元包括二氧化碳储罐(2)和二氧化碳气体泵(12)，其中，所述二氧化碳储罐(2)中存储的二氧化碳气体通过所述二氧化碳气体泵(12)控制，进入所述甲烷催化制氢单元。4.根据权利要求1所述的甲烷分级重整两步制氢装置，其特征在于，所述甲烷催化制氢单元包括甲烷裂解反应器(3)、第一冷却器(23)和氢气储罐(4)，其中，所述甲烷气体输送单元输送的甲烷气体在催化剂作用下，在所述甲烷裂解反应器(3)中发生裂解反应，生成的氢气经由第一冷却器(23)冷却后进入所述氢气储罐(4)中进行存储。5.根据权利要求4所述的甲烷分级重整两步制氢装置，其特征在于，所述催化剂再生尾气存储单元包括第一阀门(18)、第二冷却器(14)和再生尾气储罐(5)，其中，调节所述第一阀门(18)，使所述甲烷催化制氢单元中通入的二氧化碳气体与催化剂积碳发生反应，生成的一氧化碳气体经由第二冷却器(14)冷却后储存在所述再生尾气储罐(5)中。6.根据权利要求5所述的甲烷分级重整两步制氢装置，其特征在于，所述再生尾气制氢单元还包括双向泵(15)、第一调节泵(16)、第二调节泵(17)、第二阀门(19)、第三阀门(20)、尾气催化制氢反应器(6)、储水罐(7)和水蒸汽发生器(8)、气液分离装置(9)和变压吸附装置(10)，其中：在所述甲烷催化制氢单元中的催化剂积碳充分消除后，调节所述第一阀门(18)，使所述甲烷催化制氢单元生成的氢气进入所述氢气储罐(4)；同时调节双向泵(15)与第二阀门(19)，使所述再生尾气储罐(5)中存储的一氧化碳气体通入所述尾气催化制氢反应器(6)；调节第三阀门(20)，使得所述储水罐(7)中储存的水经过第一调节泵(16)进入所述水蒸气发生器(8)，所生成的水蒸气与一氧化碳气体一并在所述尾气催化制氢反应器(6)中发生反应，生成的氢气依次经过所述气液分离装置(9)和所述变压吸附装置(10)处理后，储存在所述氢气储罐(4)中；经过所述气液分...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘启斌，焦钒，杨时颖，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：