一种甲烷转化为高纯氢气与碳材料的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种将甲烷转化为高纯氢气与碳材料的方案，通过净化装置去除甲烷气体中的水和氧后，将其通入液态熔融金属转化装置，直接裂解得到碳材料1和氢气；再经过气相接力转化装置进一步裂解，得到碳材料2和氢气；将生成的混合气体通入挥发金属回收装置，冷却其中的金属催化剂蒸气，得到金属催化剂颗粒；然后将剩余混合气体通入变压吸附装置进行分离，得到氢气；再将剩余甲烷气体通入挥发金属回收装置，对其进行降温，并携带冷凝的金属催化剂颗粒返回液态熔融金属转化装置，循环使用

【技术实现步骤摘要】
一种甲烷转化为高纯氢气与碳材料的系统和方法


[0001]本专利技术涉及纳米加工与绿色氢能制备
，尤其涉及一种将甲烷转化为高纯氢气与碳材料的系统和方法
。

技术介绍

[0002]碳中和时代，需要大量的绿氢，来生产绿色化学品以及提供绿色能源
(
如用于质子膜燃料电池系统
)。
由电解水得到的绿氢，虽然清洁，但成本高昂，且基于每摩尔氢的能耗来说，在所有制氢过程中是最大的
。
甲烷是一种丰富的矿产资源，既可以来自油田伴生气，页岩气或可燃冰，或者来自于煤矿瓦斯气，以及生物质生化过程的代谢产物
(
如沼气
)。
甲烷是碳氢比最小的氢源，可以最大限度地得到氢气
。
[0003]传统的水蒸汽变换或部分氧化方法制备氢，都伴随着大量的二氧化碳排放
。
只有甲烷的直接裂解，才能够将碳元素直接固定为碳材料，具备获得高纯氢的基础
。
裂解甲烷的催化剂包括液态熔融金属或固态催化剂
。
但是都需要高温操作，才能获得热力学上对应的高转化率
。
这导致固态催化剂失活快
(
烧结或碳包覆
)
或液态熔融金属催化剂有所损失
。
这些弊端到目前为止，没有很好地解决
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术公开了一种将甲烷转化为高纯氢气与碳材料的方法，包括如下步骤：
[0005]S1、
将原料气体通入净化装置1，吸收其中的水与氧，获得洁净甲烷；
[0006]S2、
将洁净甲烷通入液态熔融金属转化装置2中，在金属催化剂的作用下裂解甲烷，获得含有氢气与碳材料1的混合物质1；
[0007]S3、
将混合物质1通入气相接力转化装置3，对其中的甲烷继续进行裂解，获得含有碳材料
1、
碳材料2和氢气的混合物质2；
[0008]S4、
将混合物质2中的气态成分通入挥发金属回收装置4中进行冷却，使其中的金属催化剂蒸气冷凝，形成金属催化剂颗粒和混合气体3；
[0009]S5、
将混合气体3通入变压吸附装置5，经变压吸附，分离出氢气，再将未反应完的甲烷通入挥发金属回收装置4进行间接换热，然后与金属催化剂颗粒混合后，传输至液态熔融金属转化装置2中循环使用
。
[0010]可选地，步骤
S1
中，所述净化装置内部装填微孔吸附剂；所述微孔吸附剂与所述原料气体的接触时间为3～
200
秒；所述洁净甲烷中的水与氧气的含量均在
1mg/m3以下
。
[0011]可选地，步骤
S2
中，所述金属催化剂为铜，镍，铝，锌，铋，锰，铅，锡中的一种或至少两种；所述金属催化剂的作用温度为
850
～
1200℃
；所述金属催化剂与所述洁净甲烷的接触时间为3～
30
秒
。
[0012]可选地，步骤
S2
中，所述碳材料1的成分为质量分数在
75
％～
99.9
％的石墨烯和
0.1
％～
25
％的碳纳米管
。
[0013]可选地，步骤
S3
中，所述气相接力转化装置的裂解温度为
800
～
900℃。
[0014]可选地，所述步骤
S3
中，还包括：所述碳材料1和所述碳材料2的总体积达到所述气相接力转化装置的体积的
1/2
～
3/4
时，进行卸料；
[0015]卸料后，所述气相接力转化装置中，所述碳材料1和所述碳材料2的总体积保持为所述气相接力转化装置体积的
1/3
～
1/2。
[0016]可选地，步骤
S4
中，所述金属催化剂颗粒的直径为1～
500nm。
[0017]可选地，步骤
S5
中，所述变压吸附装置5分离的氢气纯度
>99.999
％
。
[0018]为了解决上述问题，本专利技术还公开了一种将甲烷转化为高纯氢气与碳材料的系统，所述系统包括：净化装置1，用于吸收原料气体中的水与氧；
[0019]与净化装置1的气体出口
a7
连接的液态熔融金属转化装置2，用于在金属催化剂的作用下裂解甲烷，获得含有氢气与碳材料1的混合物质1；
[0020]与液态熔融金属转化装置2的气固出口
a9
连接的气相接力转化装置3，用于对液态熔融金属转化装置2排出的混合物质1中的甲烷进行裂解，获得含有碳材料
1、
碳材料2和氢气的混合物质2；
[0021]与气相接力转化装置3的气体出口
b12
连接的挥发金属回收装置4，用于冷却气相接力转化装置3中排出的混合物质2中的气态成分，使其中的金属催化剂蒸气冷凝，形成金属催化剂颗粒和混合气体3；
[0022]与挥发金属回收装置4的气体出口
c14
连接的变压吸附装置5，用于分离挥发金属回收装置4中排出的混合气体3中的氢气和未反应完的甲烷；
[0023]所述变压吸附装置5的顶部设置换热气体出口
18
，所述换热气体出口
18
通过管道和所述挥发金属回收装置4的换热气体进口
15
相连，将未反应完的甲烷返回所述挥发金属回收装置4进行间接换热，并与金属催化剂颗粒混合；
[0024]所述挥发金属回收装置4的底部设置气固出口
b16
，所述气固出口
b16
通过管道和所述液态熔融金属转化装置4的气体进口
b8
相连，将未反应完的甲烷与与金属催化剂颗粒传输至液态熔融金属转化装置2中循环使用
。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0026]本申请通过设置精密的净化装置，可以避免水与氧对于熔融金属活性的干扰，并减少后续气体分离的复杂程度，成本降低了
10
～
20
％；通过设置液态熔融金属转化装置和气相接力转化装置，连续裂解甲烷气体，有效提升了甲烷气体的转化率，并且气相接力转化装置设置的温度低于液态熔融金属转化装置，有利于金属催化剂蒸气凝结成活性更高的单分子催化剂或金属对催化剂，相比普通的负载型催化剂以及熔融金属装置中的金属催化剂组分，活性可提高
30
～
50
％，总体成本下降
30
～
50
％
。
[0027]本申请还通过设置变压吸附装置分离甲烷气体和氢气，并将甲烷气体通入挥发金属回收装置用于金属催化剂蒸气的冷凝，实现了对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种将甲烷转化为高纯氢气与碳材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、
将原料气体通入净化装置1，吸收其中的水与氧，获得洁净甲烷；
S2、
将洁净甲烷通入液态熔融金属转化装置2中，在金属催化剂的作用下裂解甲烷，获得含有氢气与碳材料1的混合物质1；
S3、
将混合物质1通入气相接力转化装置3，对其中的甲烷继续进行裂解，获得含有碳材料
1、
碳材料2和氢气的混合物质2；
S4、
将混合物质2中的气态成分通入挥发金属回收装置4中进行冷却，使其中的金属催化剂蒸气冷凝，形成金属催化剂颗粒和混合气体3；
S5、
将混合气体3通入变压吸附装置5，经变压吸附，分离出氢气，再将未反应完的甲烷通入挥发金属回收装置4进行间接换热，然后与金属催化剂颗粒混合后，传输至液态熔融金属转化装置2中循环使用
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S1
中，所述净化装置内部装填微孔吸附剂；所述微孔吸附剂与所述原料气体的接触时间为3～
200
秒；所述洁净甲烷中的水与氧气的含量均在
1mg/m3以下
。3.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S2
中，所述金属催化剂为铜，镍，铝，锌，铋，锰，铅，锡中的一种或至少两种；所述金属催化剂的作用温度为
850
～
1200℃
；所述金属催化剂与所述洁净甲烷的接触时间为3～
30
秒
。4.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S2
中，所述碳材料1的成分为质量分数在
75
％～
99.9
％的石墨烯和
0.1
％～
25
％的碳纳米管
。5.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S3
中，所述碳材料2的成分为质量分数在
75
％～
99.9
％的碳纳米管和
0.1
％～
25
％的纳米碳颗粒或纳米碳纤维
。6.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S3
中，所述气相接力转化装置的裂解温度为
...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔超婕，骞伟中，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：