本发明专利技术提供一种紧凑式新型甲烷两步制氢装置及方法，涉及氢能技术领域。本发明专利技术联合了甲烷分级重整制氢反应与水汽变换制氢反应，设计了一种单反应器为主体的紧凑式新型甲烷两步制氢装置。该装置通过阀门切换通入气体，实现新型甲烷两步制氢过程中两组反应的切换，可以在较低温度且等温条件下稳定高效制氢。同时，该装置中的制氢过程主要涉及甲烷分级重整制氢与水汽变换制氢，两步制氢反应之间的结合实现了更加高效的高纯氢制备。同时，紧凑式的反应器设计相较于常规较为复杂的双反应器，在规模、改造空间、节能效果上均有所改进。节能效果上均有所改进。节能效果上均有所改进。
【技术实现步骤摘要】
紧凑式新型甲烷两步制氢装置及方法
[0001]本专利技术涉及氢能
，尤其涉及一种紧凑式新型甲烷两步制氢装置及方法。
技术介绍
[0002]在能源需求日益增高，环境问题日渐严重的当下，人类社会在发展进步的同时，愈发强调能源与环境的协调发展。氢能以其所具备的高能量密度与清洁的燃烧产物，有望成为替代化石能源的下一代燃料。而氢能的高效制备是目前国际范围内广泛关注的，由于化石能源在较长一段时间内将仍然在我国能源体系中占据主导地位，实现以天然气为代表的化石燃料制氢技术对大力发展清洁能源系统，进而逐步淘汰化石能源利用具有重大的现实意义。
[0003]然而，目前现存较为成熟的天然气制氢技术往往难以实现高纯度的氢气制备。在现存的多种甲烷转化制备燃料方法中，甲烷重整制取合成气技术发展较为成熟。常见的甲烷重整制氢反应包括甲烷蒸汽重整(SMR)、甲烷干重整(DMR)、甲烷干湿联合重整(SDMR)与甲烷部分氧化重整(POMR)等，但在上述的甲烷重整制氢技术中，产物多为一氧化碳与氢气混合气体，未能实现产品中氢气的分离提纯。同时，由于常规重整方法得到产品为合成气，无法实现C
‑
H比例的自由调节，从而无法实现下游众多化学品或液态烃的制备。
技术实现思路
[0004]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种紧凑式新型甲烷两步制氢装置及方法。
[0005]本专利技术一方面提供了一种紧凑式新型甲烷两步制氢装置，包括：反应气体供应单元，用于供应甲烷气体、二氧化碳气体、水蒸气和一氧化碳气体；制氢单元，包括制氢反应器，制氢反应器装填有催化剂颗粒；制氢单元包括：甲烷分级重整制氢子单元，包括：甲烷裂解反应：通入甲烷气体至制氢反应器，使甲烷气体在催化剂作用下发生裂解反应生成氢气；催化剂积碳气化：通入二氧化碳气体至制氢反应器，使二氧化碳气体与催化剂积碳发生反应生成一氧化碳气体，实现催化剂的再生；水汽变换制氢子单元，包括：通入水蒸气和一氧化碳气体至制氢反应器，使水蒸气和一氧化碳气体发生水汽变换反应生成氢气；吹扫气供应单元，用于利用惰性气体，对制氢单元中的制氢反应器与管道进行吹扫，去除制氢反应器中剩余的气体；气体后处理与存储单元，用于对制氢单元生成的气体进行后处理与储存。
[0006]根据本专利技术的实施例，反应气体供应单元包括：甲烷储罐，用于在甲烷裂解反应，通过阀门调节向制氢反应器供应甲烷气体；二氧化碳储罐，用于在催化剂积碳气化，通过阀门调节向制氢反应器供应二氧化碳气体；一氧化碳储罐、水蒸汽发生器和储水罐，其中，储水罐中储存的水进入水蒸汽发生器成为水蒸气，水蒸气与一氧化碳储罐储存的一氧化碳气体在管道中实现预混，后流入制氢反应器发生水汽变换反应。
[0007]根据本专利技术的实施例，吹扫气供应单元包括吹扫气储罐，吹扫气储罐储存的惰性气体通过阀门调节进入制氢反应器，以对制氢反应器与管道进行吹扫。
[0008]根据本专利技术的实施例，制氢反应器由不同的反应单元交替构成，在不同的制氢步
骤中，甲烷分级重整制氢子单元和水汽变换制氢子单元交替开启，进行氢气制备。
[0009]根据本专利技术的实施例，气体后处理与存储单元包括气液分离装置、变压吸附装置、第一冷却器、第二冷却器和氢气储罐，其中：甲烷分级重整制氢子单元生成的氢气与一氧化碳经过第一冷却器和第二冷却器冷却后，分别储存在氢气储罐和一氧化碳储罐中；水汽变换制氢子单元生成的氢气与二氧化碳混合气体，先经过气液分离装置，将水蒸气冷凝为水并进行分离，回流至储水罐中；剩余的混合气体经由变压吸附装置处理，分离其中的二氧化碳，所得到的高纯度氢气储存在氢气储罐中。
[0010]本专利技术另一方面提供了一种应用上述紧凑式新型甲烷两步制氢装置的紧凑式新型甲烷两步制氢方法，包括：步骤S1，分别向甲烷分级重整制氢子单元和水汽变换制氢子单元中的制氢反应器装填催化剂颗粒；步骤S2，打开吹扫气储罐，调节装置内部各阀门与泵，利用吹扫气排尽制氢单元内部的空气；步骤S3，加热升温制氢反应器至甲烷裂解对应的反应温度；步骤S4，关闭吹扫气储罐，打开甲烷储罐，调节管路阀门与泵，使甲烷气体通入制氢反应器，在反应温度下发生裂解反应生成氢气；调节第一冷却器，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，关闭甲烷储罐，打开二氧化碳储罐，调节管路阀门与泵，使二氧化碳气体进入制氢反应器与催化剂积碳发生反应，实现催化剂的再生；调节第二冷却器，使反应生成的一氧化碳气体经过冷却后进入一氧化碳储罐中进行存储；步骤S6，在步骤S5持续第二预定时段后，调整制氢反应器温度至水汽变换温度；关闭二氧化碳储罐，打开一氧化碳储罐，启动水蒸气发生器，开启储水罐将水通入其中；调整阀门以切换制氢反应器内的气体流道，使一氧化碳储罐中的一氧化碳与经过水蒸气发生器后生产的水蒸气在水汽变换制氢子单元中充分混合，发生水汽变换反应；步骤S7，启用气液分离装置与变压吸附装置，对水汽变换反应生成的氢气与二氧化碳的混合气体进行后处理与储存。
[0011]根据本专利技术的实施例，吹扫气储罐储存的惰性气体采用氮气、氦气或氖气。
[0012]根据本专利技术的实施例，储水罐中储存的水包括去离子水或蒸馏水。
[0013]根据本专利技术的实施例，步骤S7具体包括：调节阀门与泵，使气液分离装置中冷凝的水回流至储水罐中，变压吸附后的二氧化碳重新储存至二氧化碳储罐中，提纯后的氢气经过第一冷却器后储存于氢气储罐中。
[0014]根据本专利技术的实施例，甲烷裂解对应的反应温度和水汽变换温度各自为700
‑
800℃。
[0015]与现有技术相比，本专利技术提供的紧凑式新型甲烷两步制氢装置及方法，至少具有以下有益效果：
[0016]1.本专利技术中甲烷分级重整制氢过程中所包含的甲烷裂解与催化剂再生的最高反应温度在700
‑
800℃，二者之间能实现等温切换，避免了反应切换时的显热损失，降低了系统复杂度和耐高温性能要求。
[0017]2.本专利技术中反应器采用甲烷分级重整制氢子单元和水汽变换制氢子单元的交替组合构型，实现整体装置设计紧凑化的同时，也便于反应器的改造和扩容。制氢装置结构简单，便于生产加工。同时通过切换反应器内气体流道实现反应过程的切换，进一步简化了制氢流程的操作。
[0018]3.本专利技术中反应器采用甲烷分级重整制氢子单元和水汽变换制氢子单元的交替
组合构型，能实现能量的充分利用。甲烷分级重整制氢过程为吸热过程，温度较高；水汽变换过程为放热过程，温度较低。通过甲烷分级重整制氢子单元和水汽变换制氢子单元的交替组合，水汽变换所释放的能量能用于分担部分甲烷分级重整过程所需热量，而甲烷分级重整制氢子单元的较高温度也能有效减小水汽变换过程所需提供的能量，从装置供能上实现节能。
[0019]4.本专利技术通过结合甲烷分级重整制氢与水汽变换制氢反应，提高了高纯氢气的制备效率。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。
[0020]5本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种紧凑式新型甲烷两步制氢装置，其特征在于，包括：反应气体供应单元，用于供应甲烷气体、二氧化碳气体、水蒸气和一氧化碳气体；制氢单元，包括制氢反应器(4)，所述制氢反应器(4)装填有催化剂颗粒；所述制氢单元包括：甲烷分级重整制氢子单元，包括：甲烷裂解反应：通入甲烷气体至所述制氢反应器(4)，使所述甲烷气体在催化剂作用下发生裂解反应生成氢气；催化剂积碳气化：通入二氧化碳气体至所述制氢反应器(4)，使所述二氧化碳气体与催化剂积碳发生反应生成一氧化碳气体，实现催化剂的再生；水汽变换制氢子单元，包括：通入水蒸气和一氧化碳气体至所述制氢反应器(4)，使所述水蒸气和一氧化碳气体发生水汽变换反应生成氢气；吹扫气供应单元，用于利用惰性气体，对所述制氢单元中的制氢反应器(4)与管道进行吹扫，去除所述制氢反应器(4)中剩余的气体；气体后处理与存储单元，用于对所述制氢单元生成的气体进行后处理与储存。2.根据权利要求1所述的紧凑式新型甲烷两步制氢装置，其特征在于，所述反应气体供应单元包括：甲烷储罐(1)，用于在所述甲烷裂解反应，通过阀门调节向所述制氢反应器(4)供应甲烷气体；二氧化碳储罐(2)，用于在所述催化剂积碳气化，通过阀门调节向所述制氢反应器(4)供应二氧化碳气体；一氧化碳储罐(9)、水蒸汽发生器(10)和储水罐(11)，其中，所述储水罐(11)中储存的水进入所述水蒸汽发生器(10)成为水蒸气，所述水蒸气与所述一氧化碳储罐(9)储存的一氧化碳气体在管道中实现预混，后流入所述制氢反应器(4)发生所述水汽变换反应。3.根据权利要求1所述的紧凑式新型甲烷两步制氢装置，其特征在于，所述吹扫气供应单元包括吹扫气储罐(3)，所述吹扫气储罐(3)储存的惰性气体通过阀门调节进入所述制氢反应器(4)，以对所述制氢反应器(4)与管道进行吹扫。4.根据权利要求1所述的紧凑式新型甲烷两步制氢装置，其特征在于，所述制氢反应器(4)由不同的反应单元交替构成，在不同的制氢步骤中，所述甲烷分级重整制氢子单元和水汽变换制氢子单元交替开启，进行氢气制备。5.根据权利要求2所述的紧凑式新型甲烷两步制氢装置，其特征在于，所述气体后处理与存储单元包括气液分离装置(5)、变压吸附装置(6)、第一冷却器(7)、第二冷却器(12)和氢气储罐(8)，其中：所述甲烷分级重整制氢子单元生成的氢气与一氧化碳经过所述第一冷却器(7)和第二冷却器(12)冷却后，分别储存在所述氢气储罐(8)和所述一氧化碳储罐(9)中；所述水汽变换制氢子单元生成的氢气与二氧化碳混合气体，先经过所述气液分离装置(5)，将水蒸气冷凝为水并进行分离...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘启斌，杨时颖，焦钒，
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：
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