CN112723307A - 一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统 - Google Patents
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Abstract
一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，包括反应机构、过滤器、气体分离器、处理机构；反应机构包括安装在一起的罐体、混合罐、输气管、电磁泵A、加热器A、加热丝、分配器、液态锡、导流槽、下对流管、上对流管和回流槽，罐体的排气管和过滤器进气端连接，过滤器的排气端和气体分离器的进气端连接，气体分离器的排气端和混合罐连接，气体分离器的排气管和氢气罐的进气管连接，处理机构包括安装在一起的过度腔室、收集腔室、储存腔室、电磁泵B、阀门、电机、搅拌叶片、加热器B、下回流管、上回流管，液态锡位于罐体内。本发明利用液态金属高导热性和流动性等特性，在高温裂解甲烷，实现连续自动化生产，达到了良好节能目的，能制备出高纯氢气。
Description
技术领域
本发明涉及氢气制备设备技术领域，特别是一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统。
背景技术
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。但现有技术中，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具有明显的突破。
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，还无一种有效利用甲烷制备氢气的设备，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。
发明内容
为了克服现有技术中制氢存在成本高的弊端，本发明提供了在相关设备及机构共同作用下，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，实现连续自动化生产，达到了良好的节能目的，能制备出高纯氢气的一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，其特征在于包括反应机构、过滤器、气体分离器、处理机构；所述反应机构包括罐体、混合罐、输气管、电磁泵A、加热器A、加热丝、分配器、液态锡、导流槽、下对流管、上对流管和回流槽，混合罐的左部、右部及上部各有一根连接管，混合罐左部连接管和甲烷罐排气阀门连接，输气管下端和混合罐上部连接管连接；所述输气管的上端安装在罐体内下部，分配器安装在输气管上端；所述加热器A环形分布安装在罐体的外侧，下对流管左部安装在罐体右下端，下对流管右部和电磁泵A的进液端连接，电磁泵A的出液端和上对流管一端连接，上对流管另一端安装在罐体右上部，加热丝环绕在上对流管中部外侧；所述导流槽及回流槽由上至下右部分别安装在罐体左上部，罐体的上端安装有排气管，排气管的另一端和过滤器的进气端连接，过滤器的排气端和气体分离器的进气端连接，气体分离器的排气端和混合罐右部连接管连接，气体分离器的排气管和氢气罐的进气管连接；所述处理机构包括过度腔室、收集腔室、储存腔室、电磁泵B、阀门、电机、搅拌叶片、加热器B、下回流管、上回流管，收集腔室安装在过度腔室左端，收集腔室、过度腔室之间的隔板中部有开口，电机安装在过度腔室上端中部，搅拌叶片安装在电机的转轴下端且位于收集腔室、过度腔室内上端开口之间，阀门一端安装在收集腔室下端，阀门另一端安装在储存腔室上端，储存腔室下端有排出口；所述下回流管一端安装在过度腔室下端，下回流管另一端和电磁泵B进液端连接，上回流管一端和电磁泵B的出液端连接，上回流管另一端和回流槽左下端连接；所述加热器B环绕在过度腔室外侧端，液态锡位于罐体内。
进一步地，所述导流槽、回流槽左端高度低、右端高度高。
进一步地，所述导流槽左端和过度腔室内相通，回流槽左端是封闭式结构。
进一步地，所述搅拌叶片上下端和隔板中部开口上下端之间间隔有距离。
进一步地，所述分配器是锥形空心结构，分配器内部和输气管内相通，上表面间隔距离具有若干开孔。
进一步地，所述加热器A采用分段加热方式，上部加热温度1200℃，中部加热温度800℃，底部加热温度350℃。
进一步地，所述导流槽内两侧分别安装有翅型叶片。
本发明有益效果是：本发明利用液态金属（锡）高温裂解甲烷制氢，纯度高、裂解率高，可制备高纯氢气（纯度＞99.9%，裂解率＞99.9%）,且无二氧化碳气体产生，同时其副产物炭黑具有纯度高、良好的热导性等优异特点，具有较广泛的用途。本发明采用分配器结构，同时结合液态金属电磁泵A驱动液态锡，可实现液态锡与反应气体对流流动，增大反应界面，提高了反应效率。采用导流槽结构形成湍流更好的实现炭黑与液态锡的分离，同时回流槽与导流槽组合成换热结构，达到了良好的节能目的。通过搅拌将炭黑自动排出，更好的收集炭黑，同时实现了连续自动化生产。基于上述，本发明具有好的应用前景。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明分配器侧视结构示意图。
图3是本发明分配器俯视结构示意图。
图4是本发明导流槽俯视结构示意图。
图5是本发明导流槽侧视结构示意图。
图6是本发明电机的转轴结构示意图。
图7是本发明搅拌叶片结构示意图。
具体实施方式
图1、2、3、4、5、6、7所示，一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，包括反应机构、过滤器1、气体分离器2、处理机构；所述反应机构包括罐体3、混合罐4、输气管5、电磁泵A6、加热器A13、加热丝7、分配器8、液态锡9、导流槽10、下对流管11和回流槽12、上对流管14，混合罐4的左部、右部及上部各有一根连接管，混合罐4左部连接管和甲烷罐排气阀门29通过管道接头连接，输气管5下端和混合罐4上部连接管通过管道接头连接；所述输气管5的上部安装在罐体3内下部，分配器8安装在输气管5上端并位于罐体3内下部；所述加热器A13环形分布安装在罐体3的外侧，下对流管11左部安装在罐体3右下端并和罐体3内相通，下对流管11右部和电磁泵A6的进液端经管道连接，电磁泵A6的出液端和上对流管14一端经管道连接，上对流管14另一端安装在罐体3右上部并和罐体3内相通，加热丝7环形分布环绕在上对流管14中部外侧；所述导流槽10及回流槽12由上至下右部分别安装在罐体3左上部且和罐体3内左端相通，罐体3的上端安装有一根和罐体3内相通的排气管15，排气管15的另一端和过滤器1的进气端经管道连接，过滤器1的排气端和气体分离器2的进气端经管道连接，气体分离器2的排气端和混合罐4右部连接管通过管道接头连接在一起，气体分离器2的排气管和氢气罐的进气管经管道连接；所述处理机构包括过度腔室16、收集腔室17、储存腔室18、电磁泵B19、阀门20、电机21、搅拌叶片22、加热器B23、下回流管24、上回流管25，收集腔室17安装在过度腔室16左端，收集腔室17、过度腔室16之间的隔板中部有开口26，电机安装在过度腔室16上端中部，搅拌叶片22安装在电机21的转轴下端且位于过度腔室16、收集腔室17内上端开口之间，阀门20一端安装在收集腔室下端中部，阀门20另一端安装在储存腔室18上端，储存腔室18下端有个开口作为排出口27；所述下回流管24一端安装在过度腔室16下端中部并和过度腔室16内相通，下回流管24另一端和电磁泵B19进液端经管道连接，上回流管25一端和电磁泵B19的出液端经管道连接，上回流管25另一端和回流槽12左下端连接并和回流槽12内相通；所述加热器B23环绕分布安装在过度腔室16外侧端，液态锡9位于罐体3内。
图1、2、3、4、5、6、7所示，导流槽10、回流槽12左端高度低、右端高度高。导流槽10左端和过度腔室16内相通，回流槽12左端是封闭式结构。搅拌叶片22上下端和隔板中部开口26上下端之间间隔有距离。分配器8是锥形空心结构，分配器8内部和输气管5内相通，上表面间隔一定距离具有若干开孔。加热器A13采用分段加热方式，上部加热温度1200℃，中部加热温度800℃，底部加热温度350℃。导流槽10内两侧分别安装有翅型叶片101。反应气体甲烷通过甲烷罐排气阀门29进入混合罐4内，并沿输气管5进入分配器8内，再由分配器8导入罐体3内，在罐体3中与高温液态锡9充分接触，并裂解成氢气和碳黑。氢气、未反应完全的甲烷及其携带的部分炭黑粉体，通过排气管15依次进入过滤器1、气体分离器2内，过滤器1、气体分离器2可将炭黑粉体、甲烷分离，从而获得高纯度氢气。罐体3内裂解的炭黑102漂浮于液态锡9表面，并随液态锡9沿导流槽10流入到过渡腔室16，炭黑102在液态锡9表面堆积后，被叶片22推扫至收集腔室17，然后经收集腔室17进入储存腔室18，利于集中收集。
图1、2、3、4、5、6、7所示，罐体3外部安装有加热器A13，加热器A13外部设有保温材料，可防止热量流失，罐体3内部填充金属锡9，在加热器A13的作用下将金属锡加热至1200℃，形成熔融态液态金属锡，加热器A采用分段加热方式，上部加热温度1200℃，中部加热温度800℃，底部加热温度350℃，这样既保证了甲烷的裂解条件，又避免在过高温度下工作，降低了对液态金属电磁泵A6的选型要求。反应气甲烷来自外部储气罐，反应气体甲烷通过甲烷罐排气阀门29进入罐体3内，与来自分离器2的甲烷气体一起沿输气管5进入分配器8内，分配器8上设有均匀分布的气孔81，可使甲烷气体进入罐体3中，并在上升过程中扩散，与液态锡9充分接触，增大了反应界面，裂解成氢气和碳黑。罐体3侧面连接液态金属电磁泵A6（型号：R240L350），液态金属电磁泵A6的入口端与下对流管11连接，液态金属电磁泵A6的出口端与上对流管14连接，可使罐体3中的液态锡9循环流动，上对流管14外部设有加热丝7，可将管路中液态锡9加热至1200℃，并流入罐体3中，实现反应气体甲烷与液态锡9对流流动，提高裂解效率。氢气、未反应完全的甲烷及其携带的部分炭黑粉体，通过排气管15依次进入过滤1、分离器2，可将炭黑粉体、甲烷分离，从而获得高纯度氢气。分离出的炭黑粉体可直接收集，分离出的甲烷气体沿连接管进入混合罐4，通过输气管5进入分配器2，再由分配器2导入罐体3内进一步反应，提高了甲烷的利用率。罐体3内裂解的炭黑（102）漂浮于液态锡9表面，并随液态锡9沿导流槽10流入到过渡腔室16，炭黑在液态锡9表面堆积后，叶片22（叶片22安装在距液态锡9表面30mm的位置。）经电机21带动，通过过渡腔室16和收集腔室17之间的开口26将炭黑推扫至收集腔室17中。炭黑经收集腔室17进入储存腔室18，利于集中收集，并通过排出口27真空吸出。排料时阀门20关闭，避免气流流动对罐体3内造成波动。排料完成后阀门20开启，保证炭黑顺利进入储存腔室18。导流槽10内部设置有翅片101，翅片101可使液态锡9在导流槽10内形成湍流，使得炭黑尽可能的析出，并漂浮于液态锡9表面，有利于后期炭黑的收集。过渡腔室16安装有加热器B23，维持过渡腔室16内液态金属锡的温度，让其一直处于350℃左右，使其具有良好的流动性。加热器B23外部设有保温材料，可防止热量流失。过渡腔室16底部连接有液态金属电磁泵B19，可将过渡腔室16中的液态锡9通过回流槽12驱动至罐体3中，实现循环使用。回流槽12与导流槽10可实现对流换热，即能降低罐体3流入过渡腔室16中的液态锡9温度，让过渡腔室16工作于低温状态下，极大地降低了对材料和结构的要求；又能使从渡腔室16流入应罐体3中的液态锡9温度升高，达到良好的节能目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明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发明。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，本发明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发明内。
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。
Claims (7)
1.一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，其特征在于包括反应机构、过滤器、气体分离器、处理机构；所述反应机构包括罐体、混合罐、输气管、电磁泵A、加热器A、加热丝、分配器、液态锡、导流槽、下对流管、上对流管和回流槽，混合罐的左部、右部及上部各有一根连接管，混合罐左部连接管和甲烷罐排气阀门连接，输气管下端和混合罐上部连接管连接；所述输气管的上端安装在罐体内下部，分配器安装在输气管上端；所述加热器A环形分布安装在罐体的外侧，下对流管左部安装在罐体右下端，下对流管右部和电磁泵A的进液端连接，电磁泵A的出液端和上对流管一端连接，上对流管另一端安装在罐体右上部，加热丝环绕在上对流管中部外侧；所述导流槽及回流槽由上至下右部分别安装在罐体左上部，罐体的上端安装有排气管，排气管的另一端和过滤器的进气端连接，过滤器的排气端和气体分离器的进气端连接，气体分离器的排气端和混合罐右部连接管连接，气体分离器的排气管和氢气罐的进气管连接；所述处理机构包括过度腔室、收集腔室、储存腔室、电磁泵B、阀门、电机、搅拌叶片、加热器B、下回流管、上回流管，收集腔室安装在过度腔室左端，收集腔室、过度腔室之间的隔板中部有开口，电机安装在过度腔室上端中部，搅拌叶片安装在电机的转轴下端且位于收集腔室、过度腔室内上端开口之间，阀门一端安装在收集腔室下端，阀门另一端安装在储存腔室上端，储存腔室下端有排出口；所述下回流管一端安装在过度腔室下端，下回流管另一端和电磁泵B进液端连接，上回流管一端和电磁泵B的出液端连接，上回流管另一端和回流槽左下端连接；所述加热器B环绕在过度腔室外侧端，液态锡位于罐体内。
2.根据权利要求1所述的一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，其特征在于，导流槽、回流槽左端高度低、右端高度高。
3.根据权利要求1所述的一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，其特征在于，导流槽左端和过度腔室内相通，回流槽左端是封闭式结构。
4.根据权利要求1所述的一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，其特征在于，搅拌叶片上下端和隔板中部开口上下端之间间隔有距离。
5.根据权利要求1所述的一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，其特征在于，分配器是锥形空心结构，分配器内部和输气管内相通，上表面间隔距离具有若干开孔。
6.根据权利要求1所述的一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，其特征在于，加热器A采用分段加热方式，上部加热温度1200℃，中部加热温度800℃，底部加热温度350℃。
7.根据权利要求1所述的一种液态金属高温裂解甲烷制氢系统，其特征在于，导流槽内两侧分别安装有翅型叶片。
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