【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，属于燃烧化工与材料。
技术介绍
1、氢是一种重要的原料，长期以来一直用于合成氨和炼油。氢气作为一种能源载体，对满足全球部分能源需求和减少二氧化碳(co2)排放具有积极意义。燃料电池发电的应用取得了突破性进展，这也推动了氢的利用。甲烷具有氢碳比高、储量丰富、易于处理等特点，是一种前景广阔的制氢源。目前，常用的甲烷制氢/合成气技术包括甲烷蒸汽转化(srm)、甲烷干燥转化(drm)、甲烷部分氧化(pom)和甲烷分解；其中，srm是工业化程度最高的制氢方法。然而，srm工艺复杂，包括甲烷脱硫、重整、水气变换和变压吸附等多个步骤。srm不可避免地会产生co2，而捕获和封存co2不仅需要大量能源，而且成本高昂。
2、目前，基于smr、dmr和pom为基础的制氢技术，在反应过程中均产生cox,有悖于绿色发展原则。甲烷催化裂解(cmd)制氢具有方法简便、产物易分离且无碳氧化物产生等优点。产生的高纯氢无需进一步纯化可直接用于质子交换膜燃料电池，缩减了制氢成本，而固体产物炭材料可用于燃料电池或作为先进功能材料。甲烷催化裂解已成为获得高纯氢和高附加值炭材料的一种有吸引力的替代途径，具有广阔的应用前景。
3、动力学研究表明，甲烷分子在活性位点上发生化学吸附后，c-h键相继断裂。一般认为，甲基脱氢是整个过程的控制速率步骤。cmd是一个中等吸热反应，甲烷的直接热裂解需要1200℃以上温度才能完全分解为氢和炭材料。因此，甲烷裂解反应需要使用催化剂来改善甲烷裂解过程动力学，降低反应温
技术实现思路
1、针对现有甲烷分解制氢技术存在的甲烷转化率较低、催化剂易烧结、催化剂与积碳分离困难的问题，本专利技术提出了一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，旨在提高甲烷分解转化率，改善生产氢气的纯度，并且实现催化剂和积碳的高效分离，将积碳转化为高浓度的co贮存起来，有利于催化剂再生循环使用。
2、一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，包括以下步骤：
3、步骤1)：ch4在甲烷分解反应器中的甲烷裂解；
4、在模块甲烷分解反应器中，将过渡金属-载体催化剂在含有ch4的载气下进行甲烷裂解，生成h2，以及碳-过渡金属载体混合物；催化甲烷裂解反应的温度为650℃～850℃，压力为0.03125bar～1bar。
5、所述的过渡金属-载体催化剂，过渡金属为ni、fe、co、mg、ru或cu。载体采用al2o3、mgo、sio2、sba-15或13x。优选的为ni-al2o3催化剂，ni质量含量为5％～40％。
6、ch4的温度和压力为环境温度和压力，即20℃和1atm，ch4流量大于0，小于或等于40kmol/h；
7、催化甲烷裂解反应生成的高热h2多余的热量用于ch4的预热。
8、步骤2)：催化剂在碳分离反应器中脱碳；
9、将碳-过渡金属载体混合物在气化剂下进行脱碳，得到过渡金属-载体，以及co脱碳气；气化剂为o2、co2或h2o。催化剂脱碳反应的温度为750℃～950℃。
10、将出口的高温co，经过换热器给进口co2预热，实现热量多次利用；
11、将脱碳的过渡金属-载体循环至步骤1)中，经过循环往复上述步骤，实现甲烷规模化连续裂解制氢。
12、本专利技术催化剂优选的为ni-al2o3催化剂，ni质量含量为5％～40％。具体的方法优选为：
13、步骤1)：ch4在甲烷分解反应器中的甲烷裂解
14、在模块甲烷分解反应器中，将ni-al2o3催化剂在含有ch4的载气、650℃～850℃的温度下、0bar～1bar压力下进行甲烷裂解，生成h2，以及碳-镍铝混合物；
15、将生成的高热h2用于ch4的预热，实现热量多次利用；
16、所述的ni-al2o3催化剂ni含量为5％～40％，ch4的温度和压力为环境温度和压力(20℃和1atm)，ch4流量为0～40kmol/h；
17、步骤2)：催化剂在碳分离反应器中脱碳
18、将碳镍铝混合物在0％～100vol％co2(气化剂)、750℃～950℃温度下进行脱碳，得到ni-al2o3，以及co脱碳气；
19、将脱碳的ni-al2o3循环至步骤1)中。
20、本专利技术首次报道在真空度条件下，将ch4进行催化裂解，进一步基于处理过程中的活性ni含量、温度、压力的协同控制，实现甲烷的高转化率，裂解反应不产生氢气以外的气体，有助于得到高纯氢气，生成的高热氢气可用于原料ch4的预热，实现能量多次利用，不仅如此，本专利技术还有助于促进积碳与催化剂的高效分离，并且使用气化剂co2进行分离时，可将积碳转化为高浓度的co进行贮存，并实现催化剂再生。本专利技术技术方案，具有更优的甲烷转化率和更高的氢气产率，碳分离过程还能生成更具价值的高浓度co，具有更优的工业实用价值。
21、本专利技术技术方案，ni-al2o3催化剂在含有ch4的载气下进行甲烷裂解反应，并基于甲烷裂解反应过程的温度、压力及ch4流量的协同控制，实现甲烷裂解制高品质氢气，并将反应后积碳的催化剂在100vol％co2气化剂气氛、750℃～950℃温度下进行脱碳，实现催化剂多次循环制氢。
22、本专利技术步骤1)中，基于甲烷裂解的机制，实现高品质制氢，其反应机制为：
23、ch4→2h2+c。
24、本专利技术中，所述的气化剂还可以采用水蒸气、o2中的至少一种进行替代。
25、本专利技术中，步骤1)中，在固定床反应器中进行；
26、优选地，载气中，甲烷的流率为5～20kmol/h；进一步优选为10～15kmol/h。
27、作为优选，步骤1)中，甲烷裂解反应的温度为700℃～800℃。
28、作为优选，步骤1)中，所述的反应压力为0.03125bar～0.5bar。
29、作为优选，步骤1)中，所述的ni含量为10％～20％。
30、本专利技术中，步骤2)中，在含有co2气化剂的气氛下进行；
31、优选地，气化剂中，co2的浓度为60vol％～100vol％。
32、本专利技术中，步骤2)中，催化剂脱碳再生温度为750℃～950℃。优选地，再生温度为800℃～900℃.
33、所述步骤2)中再生反应器采用太阳能供能或工业余热供热。
34、本专利技术中，所述步骤2)中在固定床或移动床反应器中进行。
35、本专利技术具有的有益效果：
36、1、本专利技术首次报道，ni-al2o3催化甲烷在真空度下进行催化裂解反应，相较于现有的甲烷和载氧体的催化裂解工艺，有助于提高甲烷转本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，步骤1)中，所述的过渡金属-载体催化剂，过渡金属为Ni、Fe、Co、Mg、Ru或Cu。
3.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，所述过渡金属-载体催化剂，载体采用Al2O3、MgO、SiO2、SBA-15或13X。
4.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，所述的过渡金属-载体催化剂，为Ni-Al2O3催化剂，Ni质量含量为5％～40％。
5.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，步骤1)中，催化甲烷裂解反应的温度为650℃～850℃，压力为0.03125bar～1bar。
6.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，步骤1)中，催化甲烷裂解反应生成的高热H2多余的热量用于CH4的预热。
7.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷
8.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，步骤2)中，催化剂脱碳反应的温度为750℃～950℃。
...【技术特征摘要】
1.一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，步骤1)中，所述的过渡金属-载体催化剂，过渡金属为ni、fe、co、mg、ru或cu。
3.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，所述过渡金属-载体催化剂，载体采用al2o3、mgo、sio2、sba-15或13x。
4.根据权利要求1所述的一种真空度诱导甲烷裂解制高品质氢气方法，其特征在于，所述的过渡金属-载体催化剂，为ni-al2o3催化剂，ni质量含量为5％～40％。
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