本发明专利技术公开了一种近零CO2排放的氢与固体碳联产装置，涉及熔融液相介质催化气体裂解制氢和碳材料技术领域，解决现有制氢技术高碳排放、高能耗、催化剂易失活以及碳产品分离难等问题，包括甲烷裂解反应器，甲烷裂解反应器的内部设置有甲烷裂解反应区，甲烷裂解反应器与所述甲烷裂解反应区之间设置有碳产品储存过渡区，空气反应器连接有循环功能机构；采用新型供能方式，为甲烷裂解提供所需能量，实现了供能过程零CO2排放。本发明专利技术利用熔融液相介质良好的导热性、流动性以及催化能力，有效的解决了传催化剂失活等问题。通过设置甲烷裂解反应区和碳产品储存过渡区，实现了固体碳颗粒自动连续化分离，保障了整个装置持续、稳定、安全的运行。的运行。的运行。
【技术实现步骤摘要】
一种近零CO2排放的氢与固体碳联产装置
[0001]本专利技术涉及石油天然气化工生产
，更具体的是涉及熔融液相介质催化气体裂解制氢和碳材料
技术介绍
[0002]减少温室气体排放以缓解气候变化已在世界范围内达成广泛共识，并于2015年12月联合国气候变化大会上正式通过《巴黎协议》，旨在敦促并加强各国在气候变化这一挑战下的应对能力，将全球平均气温升幅控制在2℃以内，并朝着1.5℃努力。氢能因其清洁、低碳以及可持续性等特性受到广泛关注，预计2050年氢能利用可以贡献全球CO2减排量的20％。
[0003]当前，氢气生产工艺主要有：化石燃料制氢、电解制氢、化学热解、生物转化等。尽管电解制氢具有操作简单、氢气纯度较高等优点，然而高电力消耗是阻碍电解制氢工业化应用的最主要障碍。另一方面，由于可再生能源制氢技术受制于成本、效率以及资源分布，使得化石燃料制氢在未来很长的一段时间里仍占据着主导地位，而传统制氢工艺面临着高能耗、高碳排放等问题。因此，寻觅一种兼顾高效、低碳排放的制氢工艺对加快氢能规模化利用以及完善上下游产业链的发展具有重要意义。
[0004]甲烷热裂解法(裂解反应：)被视为潜在的、低成本的生产方法，因其理论上生成氢气能耗比传统甲烷蒸汽重整工艺以及电解水制氢工艺更低。另一方面，由于缺乏氧气参与，产物中碳产品仅以固体碳形式存在，不会直接产生CO2排放，具有显著的环境效益。然而，甲烷热裂解技术也自身的缺陷，例如生成的固体碳粉末会覆盖在催化剂活性表面上以及粘附在反应器管壁，造成催化剂失活和反应器管道堵塞，进而影响裂解反应的正常进行，限制了其工业化放大。再者，尽管裂解反应不直接产生CO2排放，但维持裂解反应需要供应大量的热能，将间接导致温室气体排放，使得减排效果大大折扣。此外，碳产品的自动连续分离也存在一定的问题，需要停止反应来收集生成的碳产品，设备的频繁启停，直接影响其使用寿命以及产品连续稳定的输出。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于：为了解决上述现有制氢技术高碳排放、高能耗、催化剂易失活以及碳产品分离难等问题，本专利技术提供一种近零CO2排放的氢与固体碳联产装置。
[0006]本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：一种近零CO2排放的氢与固体碳联产装置，包括甲烷裂解反应器，所述甲烷裂解反应器的内部设置有甲烷裂解反应区，所述甲烷裂解反应器与所述甲烷裂解反应区之间设置有碳产品储存过渡区，所述甲烷裂解反应区的顶部位于所述甲烷裂解反应器内的中间上部，所述甲烷裂解反应区的中部设置有空气反应器，所述空气反应器的顶部与所述甲烷裂解反应器的顶部相平，所述甲烷裂解反应区内设置有延伸至所述甲烷裂解反应器外侧的输气管，所述甲烷裂解反应器的顶部依次连接有过滤器和气体分离器，所述空气反应器连接有循环功能机构。
[0007]本申请的技术方案中，空气反应器镶嵌于甲烷裂解反应区内，主要为甲烷裂解反应过程提供能量，甲烷裂解反应器的内部设置有甲烷裂解反应区，甲烷裂解反应器与甲烷裂解反应区之间设置有碳产品储存过渡区，甲烷裂解反应区的顶部位于甲烷裂解反应器内的中间上部，原料气(甲烷和/或C
x
H
y
)经输气管进入到甲烷裂解反应区底端，甲烷裂解反应区内装有一定量的熔融液相介质，生成的固体碳颗粒(可以是石墨烯、碳纳米管、炭黑、碳球等，取决于使用的液相催化介质和反应温度)与熔融液相介质存在显著的密度差，使其漂浮在液相介质表面，当甲烷裂解反应区生成的固体碳颗粒累积到一定高度时，自动从反应区溢出流入到碳产品储存过渡区，甲烷裂解反应器的底部外周设置有取碳孔，在真空泵的作用下，固体碳颗粒从取碳孔中抽出；从甲烷裂解反应器出来的气体经过滤器过滤，在过滤器的作用下，将夹带在气体组分中的碳颗粒分离出来，并对分离得到的固体碳颗粒进行回收，气体组分则继续进入到气体分离器，用以获取高纯度氢气，而分离出来的未反应气可以循环回甲烷裂解反应器作为原料，或是循环回燃料反应器作为供给燃料；整个裂解过程实现了碳产品自动连续分离，通过与新型供能方式结合，使得整个裂解反应以及供能过程实现了近零CO2排放。并且氢气与固体碳产品联产，相较于传统制氢和制碳单产工艺，系统能量利用效率得到大幅提升，减少单位输出能对应的碳排放量的同时，还减少了燃料供给消耗所带来的间接温室气体排放。再者，产出的碳产品可以销售获利，进而有利于降低氢气生产成本。利用熔融液相介质作为传热介质和催化剂促使甲烷在液态介质中直接裂解，由于液相介质独特的性质以及具有均相催化能力，其活性组分不再拘泥于某一特定区域而是处于自由移动状态，有效的避免了传统催化裂解碳沉积，催化剂失活等现象。同时，由于熔融液相介质和碳产品的密度差，使的碳产品漂浮在液相介质表面，当累积到一定高度时自动溢出到过渡区，实现碳产品自动分离和富集，保障了反应的持续稳定进行。
[0008]通过采用新型供能方式，为甲烷裂解提供所需能量，实现了供能过程零CO2排放。同时甲烷裂解反应本身也不会产生任何CO
x
，因而实现了整个工艺近零CO2排放。本专利技术利用熔融液相介质良好的导热性、流动性以及催化能力，有效的解决了传统甲烷直接热裂解或催化裂解高能耗、低转化率以及催化剂失活等问题，避免了蒸汽甲烷重整制氢工艺高碳排放、低附加值。通过设置甲烷裂解反应区和碳产品储存过渡区，实现了固体碳颗粒自动连续化分离，保障了整个装置持续、稳定、安全的运行。解决了上述现有制氢技术高碳排放、高能耗、催化剂易失活以及碳产品分离难等问题。
[0009]进一步的，所述循环功能机构包括依次连接的旋风分离器，返料阀A，燃料反应器和返料阀B，所述空气反应器与所述旋风分离器连通，所述返料阀B与所述空气反应器连通，所述燃料反应器的中上部设置有第二顶部出口，所述燃料反应器的下部设置有气体燃料入口，所述旋风分离器的顶部设置有第一顶部出口。空气反应器，旋风分离器，返料阀A，燃料反应器，返料阀B和空气反应器构成回路，氧载体颗粒a在这些设备中循环以实现晶格氧传递和再生；空气反应器中的还原态氧载体颗粒氧化释放的能量供给甲烷裂解反应区，以维持裂解反应所需的能量，具体的，反应释放的能量供给催化介质，使其保持熔融液相状态，以促使甲烷在其液相介质中裂解。
[0010]燃料反应器：
[0011]燃料+MeO(s)
→
CO2(g)+H2O(g)+Me(s)ΔH＜0；
[0012]空气反应器：
[0013]Me(s)+Air(g)
→
MeO(s)+N2(g)ΔH＜0。
[0014]进一步的，所述返料阀A的底部设置有第一水蒸汽入口，所述返料阀B的底部设置有第二水蒸汽入口。从第一水蒸汽入口输入水蒸气目的是将返料阀A内的氧载体颗粒a吹起来，方便流入燃料反应器内，从第二水蒸汽入口输入水蒸气目的是将返料阀B内的还原态氧载体颗粒吹起来，方便流入空气反应器内。
[0015]进一步的，所述空气反应器为圆柱体结构，所述空气反应器的底部设置有空气入口，所述空气反应器内下部设置有布风板。空气a通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种近零CO2排放的氢与固体碳联产装置，其特征在于，包括甲烷裂解反应器(2)，所述甲烷裂解反应器(2)的内部设置有甲烷裂解反应区(1)，所述甲烷裂解反应器(2)与所述甲烷裂解反应区(1)之间设置有碳产品储存过渡区(17)，所述甲烷裂解反应区(1)的顶部位于所述甲烷裂解反应器(2)内的中间上部，所述甲烷裂解反应区(1)的中部设置有空气反应器(3)，所述空气反应器(3)的顶部与所述甲烷裂解反应器(2)的顶部相平，所述甲烷裂解反应区(1)内设置有延伸至所述甲烷裂解反应器(2)外侧的输气管(5)，所述甲烷裂解反应器(2)的顶部依次连接有过滤器(16)和气体分离器(19)，所述空气反应器(3)连接有循环功能机构。2.根据权利要求1所述的一种近零CO2排放的氢与固体碳联产装置，其特征在于，所述循环功能机构包括依次连接的旋风分离器(7)，返料阀A(24)，燃料反应器(8)和返料阀B(27)，所述空气反应器(3)与所述旋风分离器(7)连通，所述返料阀B(27)与所述空气反应器(3)连通，所述燃料反应器(8)的中上部设置有第二顶部出口(9)，所述燃料反应器(8)的下部设置有气体燃料入口(10)，所述旋风分离器(7)的顶部设置有第一顶部出口(6)。3.根据权利要求2所述的一种近零CO2排放的氢与固体碳联产装置，其特征在于，所述返料阀A(24)的底部设置有第一水蒸汽入口(25)，所述返料阀B(27)的底部设置有第二水蒸汽入口(26)。4.根据权利要求1所述的一种近零CO2排放的氢与固体碳联产装置，其特征在于，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：何阳东，常宏岗，李雅欣，王丹，陈昌介，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。