CN112938895A - 一种利用液态金属裂解天然气制氢的***、方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用液态金属裂解天然气制氢的***，包括液态金属熔融罐、液态金属裂解反应器、分离器。本发明还公开了一种利用液态金属裂解天然气制氢的方法，包括：(1)将液态金属、天然气在催化剂的作用下裂解，分离出氢气、裂解气；(2)将裂解气进行间壁换热、除尘后降温，进行气固分离得到炭黑，将分离出炭黑后的裂解气冷凝，再次分离出氢气、烃类气体。本发明利用液态金属裂解天然气制氢的***、方法不仅能制得氢气，还能制得优质的炭黑，降低了生产成本。

Description

一种利用液态金属裂解天然气制氢的***、方法
技术领域
本发明涉及氢气制备技术领域，具体涉及一种利用液态金属裂解天然气制氢的***、方法。
背景技术
随着全球变暖的加剧，碳排放逐年增加将会影响到人类的生存环境，为了人类长期的生存环境，必须控制碳排放，因此氢能被认为是最理想的新能源，它具有燃烧性能好、无毒、利用率高、运输方便等特点，是取代传统能源的一个很有发展前景的清洁能源。目前国内的主要能源结构主要是以煤、石油、天然气组成，而96％的氢也是以煤、石油和天然气等化石资源制取的，其中采用天然气制氢是最合理和经济的。
在天然气制氢技术中，主要有热等离子体热裂解、太阳能热裂解、天然气催化裂解，但目前技术相对不成熟，产率、安全性低。其中工业上采用的热等离子热裂解制氢技术主要是采用非转移弧等离子炬，以天然气作为工质气体，其主要缺点为电弧寿命短，不能长时间工作；太阳能热裂解制氢主要是利用太阳能高温分解水制氢，反应操作温度在2000℃左右，分解后的高温气体产物存在接触***的危险；而天然气催化裂解技术有部分氧化法和蒸汽转化法，其中，部分氧化法需要使用纯氧作为氧化剂，成本极高，目前已较少使用，蒸汽转化法包括氨的合成，二氧化碳排放量大，转化后得到的合成气中还含有CO杂质，会毒化合成氨催化剂，需要在进入合成反应器前去除，增加了生产成本，且氨的合成是可逆的，单程转化率较低，氢气产率不高，只能达到80％左右。
可见，天然气制氢也并未能在众多制氢工艺中脱颖而出，若能开发出一种氢气产率高、经济环保的天然气制氢的***和方法，将能够极大的满足人们对新能源的使用需求，提升氢源的市场竞争力，从而推广发展。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种利用液态金属裂解天然气制氢的***，不仅能够获得高产率的氢气，还能得到优质的炭黑。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
提供了一种利用液态金属裂解天然气制氢的***，包括液态金属熔融罐、液态金属裂解反应器、分离器；
所述液态金属裂解反应器内设置有承载液态金属的均布结构，且液态金属裂解反应器上设置有天然气进口和裂解气出口，裂解气出口与分离器连接，分离器上设有炭黑排出口；
所述液态金属熔融罐上设置有与液态金属裂解反应器连接的溢流口。
所述液态金属熔融罐与液态金属裂解反应器之间连接有电磁泵。
进一步地，所述液态金属熔融罐的外部设置有电磁加热器；
所述电磁加热器的加热方式包括中频电磁加热、高频电磁加热；
进一步地，所述中频电磁加热的频率为400HZ～10KHZ；
所述高频电磁加热的频率为10KHz～40KHZ。
所述液态金属裂解反应器的温度为700～1400℃。
进一步地，所述均布结构上具有方格和/或圆孔。
方格的尺寸为20～100mm×20～100mm；圆孔的直径为10～120mm；
所述均布结构的材质为高温陶瓷。
进一步地，所述分离器包括多个并联设置的旋风冷却器；
所述分离器上设置有水冷夹套；所述水冷夹套内均布有多个扰流柱；
所述分离器内的温度为150～400℃。
进一步地，所述分离器出口还依次连接布袋除尘器和冷凝器，且布袋除尘器和冷凝器上均设有炭黑排出口，
冷凝器的排气端还设有变压吸附器，
液态金属裂解反应器与变压吸附器之间还连接有回收管路。
进一步地，所述布袋除尘器的温度为180～230℃；
所述冷凝器的温度≤50℃。
本发明还提供了一种利用液态金属裂解天然气制氢的方法，采用上述的***制备；
所述方法包括如下内容：
(1)将液态金属、天然气、催化剂混合后在液态金属裂解反应器中裂解，分离出氢气、裂解气；
(2)将裂解气在旋风冷却器组中进行间壁换热后降温，再进入布袋除尘器中分离出炭黑；
(3)将分离出炭黑后的裂解气在冷凝器中冷凝后，进入变压吸附器，分离出氢气。
进一步地，本发明方法还包括将步骤(3)中分离出氢气的裂解气再次裂解。
进一步地，所述液态金属选自Sn、In、Ga中的一种或几种；
所述催化剂选自Ni、Pt、Bi、Pd、Fe和/或其对应金属的合金中的一种或几种。
发明人发现，只有当液态金属选自Sn、In、Ga中的一种或几种时，才能保证才有性价比和安全性。
进一步地，所述裂解的温度为700～1400℃，优选为750～1200℃，更优选为 800～1100℃；
所述降温至温度为150～400℃，优选为200～250℃；
所述布袋除尘器中分离炭黑的温度为180～230℃；
所述冷凝的温度≤100℃，进一步为冷凝的温度≤50℃。
本发明中，裂解气进入布袋除尘器的温度低于进入旋风冷却器组的温度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明***简单，设备成本低，提高了制氢效率。
(2)本发明方法制备得到的氢气产率在90％以上，炭黑收率高，且无二氧化碳和有害气体产生，制氢气成本低于20元/kg，经济环保。
附图说明
图1是本发明利用液态金属裂解天然气制氢的***的示意图。
其中，1：电磁加热器，2：液态金属熔融罐，3：电磁泵，4：液态金属裂解反应器，5：分离器，6：布袋除尘器，7：冷凝器，8：变压吸附器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明提供的一种利用液态金属裂解天然气制氢的***，如图1所示，
提供了一种利用液态金属裂解天然气制氢的***，包括液态金属熔融罐2、液态金属裂解反应器4、分离器5；所述液态金属裂解反应器4内设置有承载液态金属的均布结构，所述均布结构由方格和/或圆孔组成；所述均布结构中方格的尺寸为20～100mm×20～100mm；圆孔的直径为10～120mm；所述均布结构的材质为高温陶瓷。液态金属裂解反应器4上设置有天然气进口和裂解气出口，天然气从液态金属裂解反应器4底部的均布进入液态金属裂解反应器4内；进一步地，裂解气出口与分离器5连接，分离器5上设有炭黑排出口；所述液态金属熔融罐2上还设置有与液态金属裂解反应器4连接的溢流口，液态金属通过溢流口进入到液态金属熔融罐2中进行加热，维持天然气裂解制氢所需的温度，为 800～1100℃。
在一些实施例中，所述液态金属熔融罐2与液态金属裂解反应器4之间连接有电磁泵3，液态熔融罐2中的液态金属在电磁泵3的作用下泵入到液态金属裂解反应器4。
在一些实施例中，所述分离器5包括多个旋风冷却器；所述旋风冷却器并联设置；裂解气切向均匀的进入分离器5的内部，在气流产生的离心力作用下将大部分炭黑分离出来。
进一步地，所述旋风冷却器设置有水冷夹套；所述水冷夹套设置有水流通道，冷却水通过旋风冷却器外部的水冷夹套对裂解气进行冷却；所述水冷夹套中均布有多个扰流柱，水与裂解气进行间壁换热，增强换热作用。
在一些实施例中，所述液态金属熔融罐外部设置有电磁加热器1，所述电磁加热器1的加热方式包括中频电磁加热、高频电磁加热；所述中频电磁加热的频率为400HZ～10KHZ；所述高频电磁加热的频率为10KHz～40KHZ，通过电磁加热器1将液态金属熔融罐2内的金属融化成液态金属。
在一些实施例中，所述旋风冷却器设置有裂解气出口，裂解气进入具有换热结构的旋风冷却器中，与冷却水进行间壁换热后在自身气体旋转离心力的作用下分离出炭黑；所述旋风冷却器的裂解气出口与布袋除尘器6连接，经旋风冷却器降温至200～250℃后的裂解气进入布袋除尘器6进行气固分离，分离温度为 180～230℃；所述布袋除尘器6设置有裂解气出口，裂解气经过旋风冷却器和布袋除尘器后收集95％以上的炭黑；所述布袋除尘器的裂解气出口与冷凝器7连接，冷凝器7的温度≤50℃；所述冷凝器7设置有裂解气出口、冷却水入口；所述冷凝器7的裂解气出口与变压吸附器8连接，经冷凝器7降温后的裂解气进入变压吸附器8可分离出氢气。
在一些实施例中，所述液态金属裂解反应器4还设置有炭黑排放口，根据液态金属的液位升高将炭黑排出裂解反应器，从而方便收集炭黑。
在一些实施例中，所述液态金属裂解反应器4与变压吸附器8之间还连接有回收管路，使未完成裂解的天然气可再次进入裂解反应器4中进行裂解。
在一些实施例中，分离器5、冷凝器7设置有水汽回收装置，冷却水与裂解气换热后产生热水或者蒸汽外输进行利用，可以做生产、生活用热水或者蒸汽。
实施例2氢气的制备
(1)采用外部电磁加热器1的电磁感应加热的方法将液态金属熔融罐2内的金属Sn50kg进行加热并液化，形成液态金属Sn。
(2)液态金属熔融罐2内的液态金属Sn在电磁泵3的作用下通过溢流口泵入到液态金属熔融罐2中，天然气从液态金属裂解反应器4的底部均布进入，在催化剂25％Ni-75％Bi13.5kg的作用下与液态金属Sn进行传热传质反应将天然气裂解为氢气和含炭黑的裂解气，裂解温度为1100℃，其中，含炭黑的裂解气根据液态金属Sn的液位进行收集。
(3)将含有少量炭黑的裂解气输入到具有换热结构的旋风子冷却器中，含炭黑的裂解气与冷却水进行间壁换热后，在自身气体旋转离心力的作用下分离出炭黑，冷却水与裂解气换热后产生的热水或者蒸汽可以外输进行利用，可做生产、生活用热水或者蒸汽。
(4)将分离出炭黑的裂解气降温至230℃后进入布袋除尘器6进行气固分离，裂解气经过旋风子冷却器和布袋除尘器6后收集95％以上的炭黑，并将裂解气的温度降低至200～250℃。
(5)降温除尘后的裂解气进入冷凝器7继续降温，将温度降至50℃以下，冷凝器7中也富集到了少量的炭黑；经冷凝器7降温后的裂解气进入变压吸附 (PSA)器8内分离出氢气、烃类物质。得到氢气的产率为96.2％；炭黑的收率为70％，制氢成本为22.3元/kg。为了进一步提高裂解率，可以将分离出的烃类物质返回至液态金属裂解反应器4进行再次裂解提高天然气的裂解率。
实施例3氢气的制备
(1)采用外部的电磁加热器1的电磁感应加热的方法将液态金属熔融罐2 内的金属Sn50Kg进行加热并液化，形成液态金属Sn。
(2)液态金属熔融罐2内的液态金属Sn在电磁泵3的作用下通过溢流口泵入到液态金属熔融罐2中，天然气从液态金属裂解反应器4的底部均布进入，在催化剂Fe10kg的作用下与液态金属Sn进行传热传质反应将天然气裂解为氢气和含炭黑的裂解气，裂解温度为800℃，其中，含炭黑的裂解气根据液态金属Sn 的液位进行收集。
(3)将含有少量炭黑的裂解气输入到具有换热结构的旋风子冷却器中，含炭黑的裂解气与冷却水进行间壁换热后，在自身气体旋转离心力的作用下分离出炭黑，冷却水与裂解气换热后产生的热水或者蒸汽可以外输进行利用，可做生产、生活用热水或者蒸汽。
(4)将分离出炭黑的裂解气降温至230℃后进入布袋除尘器6进行气固分离，裂解气经过旋风子冷却器和布袋除尘器6后收集95％以上的炭黑，并将裂解气的温度降低至200～250℃。
(5)降温除尘后的裂解气进入冷凝器7继续降温，将温度降至50℃以下，冷凝器7中也富集到了少量的炭黑；经冷凝器7降温后的裂解气进入变压吸附 (PSA)器8内分离出氢气、烃类物质得到氢气的产率为90％；炭黑的收率为 67％，制氢成本为20元/kg。为了进一步提高裂解率，可以将分离出的烃类物质返回至液态金属裂解反应器4进行再次裂解提高天然气的裂解率。
本发明技术与现有技术制氢成本比较如下表：
制氢技术 制氢效率 炭黑产率 CO<sub>2</sub>排放 制氢成本(元/kg)
天然气水蒸气重整 83％ 无 有 6.74～13.49
电解水制氢 45％～55％ 无 无 33.7～50
液态金属裂解天然气制氢 90％～99％ 70％～90％ 无 19～25
现有的天然气水蒸气重整制氢技术虽然制氢成本低，但其产生的CO2排放量较大，处理碳排放的成本已经远远高于本申请的制氢成本，因此，相对来说，本申请的制氢效率、制氢成本都优于现有技术。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种利用液态金属裂解天然气制氢的***，其特征在于，包括液态金属熔融罐、液态金属裂解反应器、分离器；
所述液态金属裂解反应器内设置有承载液态金属的均布结构，且液态金属裂解反应器上设置有天然气进口和裂解气出口，裂解气出口与分离器连接，分离器上设有炭黑排出口；
所述液态金属熔融罐上还设置有与液态金属裂解反应器连接的溢流口；
所述液态金属熔融罐与液态金属裂解反应器之间连接有电磁泵。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述液态金属熔融罐的外部设置有电磁加热器；
所述电磁加热器的加热方式包括中频电磁加热、高频电磁加热；
进一步地，所述中频电磁加热的频率为400HZ～10KHZ；
所述高频电磁加热的频率为10KHz～40KHZ；
所述液态金属裂解反应器的温度为700～1400℃。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述均布结构上具有方格和/或圆孔；
方格的尺寸为20～100mm×20～100mm；圆孔的直径为10～120mm；
所述均布结构的材质为高温陶瓷。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述分离器包括多个并联设置的旋风冷却器；
所述分离器上设置有水冷夹套；所述水冷夹套内均布有多个扰流柱；
所述分离器内的温度为150～400℃。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述分离器出口还依次连接布袋除尘器和冷凝器，且布袋除尘器和冷凝器上均设有炭黑排出口，
冷凝器的排气端还设有变压吸附器，
液态金属裂解反应器与变压吸附器之间还连接有回收管路。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述布袋除尘器的温度为180～230℃；
所述冷凝器的温度≤50℃。
7.一种利用液态金属裂解天然气制氢的方法，其特征在于，采用权利要求1～6任一项所述的***制备；
所述方法包括如下内容：
(1)将液态金属、天然气、催化剂混合后在液态金属裂解反应器中裂解，分离出氢气、裂解气；
(2)将裂解气在旋风冷却器组中进行间壁换热后降温，再进入布袋除尘器中分离出炭黑；
(3)将分离出炭黑后的裂解气在冷凝器中冷凝后，进入变压吸附器，分离出氢气。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括将步骤(3)中分离出氢气的裂解气再次裂解。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述液态金属选自Sn、In、Ga中的一种或几种；
所述催化剂选自Ni、Pt、Bi、Pd、Fe和/或其对应金属的合金中的一种或几种。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述裂解的温度为700～1400℃，优选为750～1200℃，更优选为800～1100℃；
所述降温至温度为150～400℃，优选为200～250℃；
所述布袋除尘器中分离炭黑的温度为180～230℃；
所述冷凝的温度≤100℃，进一步为冷凝的温度≤50℃。
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