具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器的制作方法

1.本实用新型涉及氢气制备技术领域，特别是一种具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器。


背景技术：

2.由于全球能源需求急剧增加，化石燃料等不可再生能源面临枯竭的危险，化石燃料对环境的影响也不容忽视，所以，开发和利用新能源成为越来越迫切的要求。在众多新能源燃料中，氢气作为能源燃料，它被认为是理想的清洁，高能燃料，越来越受到人们的关注。但由于氢气的制取成本高，在生活和生产中大量使用氢能源还存在一定困难。因此研究和开发更为先进的制氢新工艺技术是解决廉价氢源的重要保证，新工艺技术应在降低生产装置投资和减少生产成本方面应有明显的突破。
3.利用甲烷制氢，具有成本低，规模效应显著等优点，且生产纯度高，生产效率高。但现有技术中，还无一种可有效利用甲烷制备氢气的装置，其应用还仅限于实验室，因此，研究和开发更为先进的甲烷制氢新工艺技术及设备是解决廉价氢源的重要保证。本技术人为了克服上述问题，提交了专利号“202110543757.5”、专利名称“一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器”的专利申请，如图1所示，其制备氢气中，反应气体甲烷通过进气管21进入石英管底部缓冲区5，并经支撑板4气孔41（开孔）进入扩散器3下，再由扩散器3若干微孔31导入反应区13，在反应区13（石英管2内部）中与高温液态锡14充分接触，并裂解成氢气和碳黑，（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量后，使得甲烷分子c-h键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳）。氢气通过排气管91进入后端氢气罐，经氢气罐相关处理系统分离后，可获得高纯度氢气；反应区裂解的碳黑漂浮于液态金属14表面，经一定时间后可打开上连接座9对其进行收集；该实用新型利用液态金属（锡或锡化合物）高温裂解甲烷制氢，纯度高、裂解率高，可制备高纯氢气，同时其副产物碳黑具有纯度高、良好的热导性等优异特点，具有较广泛的用途。通过上述，该实用新型能有效制备出氢气，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。
4.虽然一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器实现了有效利用甲烷制备氢气，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。但是应用中由于是甲烷直接裂解成氢气和碳，会有较大量的碳产生于石英管内上端，过多的量的碳产生不但会造成清理的频率增加，降低了工作效率，且也会造成反应区内氢气裂解效率的降低。还有就是，由于进入石英管内的空气并未得到清出，裂解反应中会产生相对更多量的二氧化碳，进而产生的碳量将会更大，对氢气的有效制备带来影响。综上，现有的一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器还存在改进的余地。提供一种能减少二氧化碳量及碳量的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器显得尤为必要。


技术实现要素：

5.为了克服现有态金属高温裂解甲烷制氢反应器因结构所限，存在的如背景所述弊端，本实用新型提供了在相关机构共同作用下，通过甲烷气体经催化剂低温催化作用下脱
氢，使甲烷气体得到初步处理，预裂解成氢气和cxhx中间产物，实现了渐进式裂解甲烷制氢，cxhx进入制氢反应器内中裂解成氢气，所需能量更低、裂解速度更快，进一步提高了裂解效率，且将进入反应器内的空气抽成真空，减少了二氧化碳以及碳的产生，由此提高了氢气制备效率的具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器。
6.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器，包括保护管、石英管、扩散器、支撑板、电加热器、保温层、连接座a、连接座b、密封圈、催化剂、真空泵、螺旋管、真空阀a、真空阀b、真空阀c、控制电路板、流量计、截止阀；其特征在于所述石英管安装在保护管内；所述电加热有多只，多只电加热器安装在保护管的外上侧；所述螺旋管安装在保护管下端外侧，保温层安装在保护管及电加热器、螺旋管的外侧端；所述连接座a、连接座b、密封圈各有相同的两套，两套密封圈外侧安装在两套连接座b的内圈内，两套连接座b分别安装在石英管外上端及外下端；所述两套连接座a分别和两套连接座b安装在一起,两套连接座a的中部分别有气管；所述石英管下端的气管一侧端和螺旋管一端连接，气管下端和真空阀a、真空阀b的一端并联连接，真空阀a2另一端安装有真空表，真空阀b另一端和真空泵进气端连接，下端的气管侧端安装有热电偶和进气压力传感器，螺旋管另一端和流量计、截止阀串联连接；所述石英管的内下端安装有筛网、石英棉，催化剂安装在下石英棉上，催化剂的安装有上石英棉、支撑板、扩散器，且扩散器安装在支撑板中部上端；所述石英管上端连接座a的气管和真空阀c一端连接；所述石英管下部的连接座a的侧端安装有安全电磁阀、安全泄压阀、出气压力传感器；所述保护管下端外侧安装在机架上。
8.进一步地，所述石英管的上端高度高于保护管及保温层的高度。
9.进一步地，所述支撑板的表面分布有若干开孔，扩散器的表面具有若干微孔，扩散器的孔隙为150-300目，优选为200目。
10.进一步地，所述多只电加热器的内侧端与保护管的外侧端有间隙，两套连接座a的气管分别和石英管上端及下端内互通。
11.进一步地，所述筛网材质采用80目，丝径0.1mm，316l不锈钢，采用多层叠加方式放置在底部，重叠高度5mm；石英棉纤丝直径3-5μm，上下填充厚度均为6mm。
12.进一步地，所述催化剂采用ni、fe、pt和pd中的一种，或几种的混合，优选fe。
13.进一步地，所述保温层是玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐中的一种或多种组合。
14.本实用新型有益效果是：本实用新型在相关机构共同作用下，通过甲烷气体在催化剂作用下、进行低温催化脱氢，使甲烷气体得到初步处理，预裂解成氢气和cxhx中间产物，实现了渐进式裂解甲烷制氢，cxhx进入制氢反应器内中裂解成氢气，所需能量更低、裂解速度更快，进一步提高了裂解效率。本新型通过真空泵等将进入反应器内的空气抽成真空，减少了二氧化碳的产生，相应的也减少碳量，由此提高了氢气制备效率。基于上述，本新型具有好的应用前景。
附图说明
15.图1是现有一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器的整体结构示意图。
16.图2是本实用新型结构示意图。
具体实施方式
17.图1、2所示，具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器，包括保护管22（保护石英管）、石英管28（作为反应区）、扩散器12、环形支撑板29、电加热器21、保温层14（保温棉）、连接座a30、连接座b31、密封圈32、催化剂23、真空泵20、螺旋管15（螺旋管15采用外径6mm，壁厚1mm的316l材质不锈钢管，螺旋管15内径与保护管22尺寸一致，螺旋管15节距为9mm，圈数为9圈）、真空阀a24、真空阀b6、真空阀c26、控制电路板（图中未画出）、流量计3、截止阀2；保护管22、石英管28是柱形中空结构且上端均为开放式结构；所述石英管28外侧紧套安装在保护管22内；所述电加热21有六只，六只电加热器21（两侧安装，一边3根， u形加热棒）间隔一定距离垂直安装在保护管22的外侧上端及中部；所述螺旋管15环绕固定安装在保护管22下端外侧（内侧贴合保护管22外侧），保温层14（起到保温作用）环形分布安装在保护管22及电加热器6、螺旋管15的外侧端；所述连接座a30、连接座b31、密封圈各32有相同的两套，两套连接座a30及连接座b31均为环形中空内外两层结构，两套密封圈32外侧紧套在两套连接座b31的内圈内，两套连接座b31分别经两套密封圈32内侧紧套密封安装在石英管28外上端及外下端；所述连接座a30和下连接座b31外侧端均具有多个固定孔，两套连接座a30分别和石英管上下端的连接座b31由上至下安装在一起并经多只螺杆螺母固定在一起,两套连接座a31的中部分别垂直焊接有一只气管7（气管7外侧和连接座a30内环内侧之间密封），石英管28上端的连接座a的气管7垂直位于上端一套连接座b31的上端，石英管下端的连接座a的气管7垂直位于下端一套连接座b31的下端；所述石英管下端的气管7左端有一个进气接口管8，进气接口管8一端和螺旋管15的左下端经管道接头连接，气管7下端和真空阀a24、真空阀b6的一端经管道接头并联连接，真空阀a24另一端安装有一只真空表25，真空阀b6另一端和真空泵20进气端经管道连接，气管7的左上端及右上端各安装有一只热电偶9和进气压力传感器10，螺旋管15右上端和流量计3一端经管道连接，流量计3另一端和截止阀2一端经管道连接，截止阀2另一端和甲烷气罐1下端的排气管经管道接头密封连接；所述石英管28的内下端安装有圆形筛网17，筛网17上端安装有下石英棉16，催化剂23安装在石英管28内下部且位于下石英棉16上端，催化剂23的上端由下至上依次安装有上石英棉16、支撑板29、扩散器12，且扩散器12安装在支撑板29中部上端；所述石英管28上端连接座a的气管7和真空阀c26一端经管道接头连接，真空阀c26另一端和氢气储罐4进气管经管道密封连接；所述石英管28上部的连接座a30的上端左右侧各有一只和其内部相通的分管，左端分管和一只安全电磁阀33、安全泄压阀34经管道接头并连接在一起，右端分管和一只出气压力传感器27的进气管经管道接头连接；所述两套连接座a30及连接座b31的左侧端分别焊接有一根和连接座a、连接b内外两层互通的进水管36，进水管36和生产区域的冷水管经管道连接，连接座30a及连接座b31的右侧端分别焊接有一根和连接座a30、连接座b31内外两层互通的出水管35，出水管35和生产区域的废水管经管道连接（废水管排出的水进入废水池或冷却后再使用）；所述保护管22下端外侧安装在机架上；所述控制电路板的多路信号输入端和进气压力传感器10、出气压力传感器27、流量计3的信号输出端连接，控制电路板的多路电源输出端真空阀c26、真空泵20、截止阀2、安全电磁阀33的电源输入端分别经导线连接。
18.图1、2所述，石英管28的上端高度高于保护管22及保温层14的高度；支撑板29的表面分布有若干开孔，扩散器12的表面具有若干微孔，扩散器12的孔隙为150-300目，优选为
200目。六只电加热器21的内侧端紧贴保护管22的外侧端，两套连接座a30的气管7分别和石英管28上端及下端内互通。石英管28底部和支撑板29下端之间作为缓冲区。筛网17材质采用80目，丝径0.1mm，316l不锈钢，采用五层叠加方式放置在底部，重叠高度5mm；石英棉16（保温隔热作用）纤丝直径3-5μm，上下填充厚度均为6mm；催化剂23采用ni（镍）、fe（铁）、pt（铂）和pd（钯金）中的一种，或几种的混合（本实施例优选fe（铁）。保温层是玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐中的一种或多种组合。
19.图1、2中，本新型催化剂背景技术作用如下：甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量后，使得c-h键断裂，进而转化为氢气分子和微量固体碳。在催化剂作用下，该反应在较低温度下就可以进行。本新型中，催化剂23放置于石英管内下部，通过催化剂进行低温催化将甲烷脱氢，使甲烷气体得到初步处理，预裂解成氢气和cxhx中间产物（并不是将甲烷直接裂解成氢气和碳，只有微量碳生成，因此不会造成催化剂中毒失效）实现了渐进式裂解甲烷制氢，cxhx进入石英管内后裂解成氢气和微量碳，所需能量更低、裂解速度更快，进一步提高了裂解效率。
20.图1、2本新型中，本新型在制氢启动工作之前，首先通过控制电路板启动真空泵（20）工作，再手动缓慢开启真空球阀b6，对石英管28内进行抽真空，抽真空可将反应器（石英管28内）内的空气排出，然后手动开启真空球阀a24，待真空表25测量数值≤9
×
10-1
pa之后，真空泵20继续运行维持30分钟，之后手动关闭真空球阀a24，再手动关闭真空球阀b6，最后关闭真空泵20。石英管28内系统抽真空后，后续可避免甲烷裂解生成的碳与空气中的氧气反应生成二氧化碳，进而进一步减少了二氧化碳的产生。本新型在制氢启动工作之前，经控制电路板设定输入相应的质量流量计3设定值和石英管内进气压力传感器10的进气和出气压力传感器27的出气范围值。制氢启动工作后，控制电路板控制截止阀2和质量流量计3启动，并按设定流量向石英管内通入甲烷气体，甲烷气体依次经螺旋管15、催化剂23和扩散器12进入液态金属区域13（石英管内首先放入的是固体锡,锡放置完毕后，安装石英管上部的连接座a30、连接座b31和其它附件，然后开始抽真空，真空达到设定值后，开始通入甲烷气体，让系统处于正压，并维持缓冲区{支撑板下端}的压力1.5倍于高温液态锡13在扩散器12上表面的压力，避免真空负压吸入反应液体。反应器经电加热器21启动加热{并加热至1100℃}，到达700℃时，甲烷就开始裂解），并在液态金属中裂解成氢气和炭黑，当出气压力传感器27（正压值，有一定的正压，才开始排气，避免后端管路出现负压倒吸现象）监测值达到设定参数后，控制电路板控制真空球阀c26开启，氢气沿出气管路进入后端氢气储罐4内。本新型通过热电偶9测量其气体温度，并通过调节螺旋管15与加热器21的相对间隔位置，保证气体温度控制在250℃-600℃之间（本实施例优选450℃，合适温度加热利于催化剂的分解）。进气压力传感器10监测缓冲区11（也就是催化剂下端和石英管内下端之间）的压力，控制电路板采集进气压力传器10的压力输入信号，与设定压力值作比较，控制截止阀2的开启和关闭，从而控制气体的通入，以维持缓冲区11压力在设定范围内工作，保证缓冲区11的压力2倍于高温液态锡13在扩散器12上表面的压力。本新型中，安全电磁阀33在出气端压力过高，出气压力传感器探测到后，控制电路板会控制安全电磁阀33阀芯得电打开进行泄压，防止产生事故，安全阀34自身在压力过高时也能打开泄压，防止了安全电磁阀损坏造成无法泄压，进一步起到了安全双保险效果。
21.图1、2所示，本新型其他方式和现有甲烷制备氢气一致。制备氢气中（本实用新型
使用前打开上端连接座a30，然后在石英管26内加入五分之三量的金属锡13，然后安装好上端连接座a30，就可进入制备氢气工作）。本实用新型采用液态金属高温裂解甲烷制氢方法（电加热管21加热融化锡13），利用液态金属高导热性和流动性等特性，在温度1200℃时裂解甲烷，制备出高纯氢气。反应气体甲烷通过下端打开的截止阀2、流量计3进入螺旋管15内，利用电加热器21得电发热辐射的热量和保护管22传热的热量对螺旋管15（增加加热路径，螺旋结构易于安装，且能与保护管紧密贴合，利于传热）内部气体进行加热利于催化剂的分解，然后从螺旋管15下端进入石英管28内下部，再经过石英棉16、催化剂23、支撑板29中部气孔（开孔）进入扩散器12下，再由扩散器12若干微孔导入反应区（石英管上部及中部内），在反应区（石英管28内部）中与高温液态锡13充分接触，并裂解成氢气和碳黑，（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量后，使得甲烷分子c-h键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳）。氢气通过上端气管7进入后端氢气储罐4，经氢气储罐4相关处理系统分离后，可获得高纯度氢气；反应区裂解的微量碳黑漂浮于液态金属13表面，经很长一段时间后可打开上部连接座a30对其进行收集。应用中，冷水从两套连接座a、连接座b进水管36流入、出水管35流出，对两套连接座a30、连接座b31进行冷却，进而对密封圈32进行冷却，保证了密封圈32和石英管28之间的密封效果。
22.图1、2所示，本实用新型催化剂放置于进气缓冲区，有效利用了设备现有结构空间；有效利用了加热器辐射热量和保护管传热的热量对螺旋管内部气体加热，并在缓冲区填充催化剂，对甲烷气体进行预裂解，提了高系统集成度，减少设备占用空间，有利于设备小型化和自动化发展。可在制氢反应器抽启动之前对系统进行抽真空，可避免甲烷裂解生成的碳与氧气反应生成二氧化碳。提了高系统集成度，减少设备占用空间，有利于设备小型化和自动化发展。本新型应用中，除了采用金属锡14外，还可采用铟、铋及铋合金、锡、镓、铅、银、17%铜-锡、17%铂-锡、17%铂-铋、62%铂-铋、17%镍-铟、17%镍-锡、17%镍-锡、73%镍-铟、17%镍-镓、17%镍-铅、17%镍-铋、27%镍-金、27%镍-铋、材料的一种或多种，优选铋合金材料。
23.以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。
24.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器，包括保护管、石英管、扩散器、支撑板、电加热器、保温层、连接座a、连接座b、密封圈、催化剂、真空泵、螺旋管、真空阀a、真空阀b、真空阀c、控制电路板、流量计、截止阀；其特征在于所述石英管安装在保护管内；所述电加热器有多只，多只电加热器安装在保护管的外上侧；所述螺旋管安装在保护管下端外侧，保温层安装在保护管及电加热器、螺旋管的外侧端；所述连接座a、连接座b、密封圈各有相同的两套，两套密封圈外侧安装在两套连接座b的内圈内，两套连接座b分别安装在石英管外上端及外下端；所述两套连接座a分别和两套连接座b安装在一起,两套连接座a的中部分别有气管；所述石英管下端的气管一侧端和螺旋管一端连接，气管下端和真空阀a、真空阀b的一端并联连接，真空阀a另一端安装有真空表，真空阀b另一端和真空泵进气端连接，下端的气管侧端安装有热电偶和进气压力传感器，螺旋管另一端和流量计、截止阀串联连接；所述石英管的内下端安装有筛网、石英棉，催化剂安装在下石英棉上，催化剂的安装有上石英棉、支撑板、扩散器，且扩散器安装在支撑板中部上端；所述石英管上端连接座a的气管和真空阀c一端连接；所述石英管下部的连接座a的侧端安装有安全电磁阀、安全泄压阀、出气压力传感器；所述保护管下端外侧安装在机架上。2.根据权利要求1所述的具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器，其特征在于，石英管的上端高度高于保护管及保温层的高度。3.根据权利要求1所述的具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器，其特征在于，支撑板的表面分布有若干开孔，扩散器的表面具有若干微孔，扩散器的孔隙为150-300目。4.根据权利要求1所述的具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器，其特征在于，多只电加热器的内侧端与保护管的外侧端有间隙，两套连接座a的气管分别和石英管上端及下端内互通。5.根据权利要求1所述的具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器，其特征在于，筛网材质采用80目，丝径0.1mm，316l不锈钢，采用多层叠加方式放置在底部，重叠高度5mm；石英棉纤丝直径3-5μm，上下填充厚度均为6mm。

技术总结
具有催化功能的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器，包括安装在一起的保护管、石英管、扩散器、支撑板、电加热器、保温层、连接座A、连接座B、密封圈、催化剂、真空泵、螺旋管、真空阀A、真空阀B、真空阀C、控制电路板、流量计、截止阀、真空泵、热电偶、进气压力传感器、筛网、石英棉、安全电磁阀、安全泄压阀、出气压力传感器。本新型在相关机构共同作用下，通过甲烷气体在催化剂作用下、进行低温催化脱氢，使甲烷气体得到初步处理，所需能量更低、裂解速度更快，进一步提高了裂解效率。本新型通过真空泵等将进入反应器内的空气抽成真空，减少了二氧化碳的产生，相应的也减少碳量，由此提高了氢气制备效率。本新型具有好的应用前景。本新型具有好的应用前景。本新型具有好的应用前景。


技术研发人员：芶富均 叶宗标 陈波 陈建军
受保护的技术使用者：芶富均
技术研发日：2021.09.06
技术公布日：2022/3/8