一种等离子体裂解甲烷制氢系统及工艺的制作方法

本发明涉及制氢，具体涉及一种等离子体裂解甲烷制氢系统及工艺。

背景技术：

1、氢气是一种高效、清洁的可再生能源，其具有能量密度大、燃烧热值和燃烧率高、燃烧产物清洁、储存和运输成本低廉等优点，广泛用于化工合成、高纯度金属制备、金属切割、航空和汽车燃料以及燃料电池领域。氢气在狭义的自然界中不存在，因此需要人工制取。

2、目前，人工制取氢气的方法主要有：水煤气法、电解法、蒸气转化法、烃裂解法等。其中，水煤气法是以水和煤为原料反应生成氢气、一氧化碳和二氧化碳，氢元素全部来源于水；电解法是以水原料反应生成氢气和氧气，氢元素全部来源于水；蒸气转化法主要是以水和甲烷为原料反应生成氢气、一氧化碳和二氧化碳，氢元素来源于甲烷和水；烃裂解法主要是以甲烷为原料反应生成氢气和碳单质，氢元素全部来源于烃(主要是甲烷)。

3、现阶段工业氢气主要来源天然气(甲烷)制氢。传统的甲烷制氢技术产物为氢气与二氧化碳和一氧化碳的混合物，往往用于化工合成，但得到纯氢气还需进一步分离提纯。为了解决副产物需要分离的问题，高级可持续发展研究所(iass)和卡尔斯鲁厄理工学院(kit)的研究人员开发出仅用甲烷做反应原料制取氢气，不会产生二氧化碳，这一过程称为“甲烷裂解”，在高温(≥750℃)条件下，甲烷分子裂解成为氢和碳，无其他有害排放物。目前，甲烷裂解的概念已出现了几十年，但在实现大规模工业化的道路上，转化率低、催化剂失活、设备碳堵塞等一直是研究人员致力于解决的难题。甲烷等离子体法制备氢气是通过高能等离子体打断c-h化学键直接裂解烃类原料来获得产物，可有效避免传统催化裂解催化剂方法中因碳沉积失活的问题，具备随关随停的特性，减少了加热到系统反应所需温度的时间耗损。与催化裂解过程不同，等离子体法的活性物质是高能电子和活性粒子。等离子体是由于气体不断地从外部吸收能量电离成正、负离子而形成的，其基本组成是电子和重粒子，重粒子包括正、负离子和中性粒子。按照粒子温度及整体能量状态可分为高温等离子体和低温等离子体。甲烷等离子裂解法通常在低温等离子体中进行，其主要由电弧放电产生103～105℃的热等离子体。现有的等离子体裂解甲烷制氢工艺系统存在耦合效率低、能耗高、产物纯度不足等问题，难以满足日益增长的市场需求。

4、因此，开发一种高效、节能、高纯度的等离子体裂解甲烷制氢工艺系统成为当前的研究重点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种等离子体裂解甲烷制氢系统及工艺，该制氢系统结构简单合理，能耗较低，能够在保持高效率的同时，降低运行成本。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种等离子体裂解甲烷制氢系统，包括等离子体炬系统、高温裂解系统、尾气处理系统和控制系统；

4、所述等离子体炬系统包括等离子体电源和等离子体炬；所述等离子体电源通过导线与等离子体炬连接，用于为等离子体炬提供高压直流电源；所述等离子体炬通过高压直流电进行电弧放电，对电离气体进行电离；

5、所述高温裂解系统包括裂解室、冷却室和过滤室；所述裂解室与等离子体炬和反应供气系统相连，利用电离气体使甲烷裂解；所述冷却室和过滤室依次设置在裂解室后端，分别用于对裂解产生的含氢混合气体进行冷却、过滤；

6、所述尾气处理系统用于对含氢混合气体进行提纯处理；

7、所述控制系统用于控制其他系统进行相应动作。

8、本发明利用等离子体裂解甲烷制氢，可以快速高效裂解甲烷制氢和炭黑；等离子体裂解法制备氢气和副产物碳材料是通过高能等离子体打断c-h化学键直接裂解烃类原料来获得产物，可有效避免传统催化裂解法催化剂因碳沉积而失活的问题，具备随关随停的特性，减少了加热到系统反应所需温度的时间耗损，能够降低能耗和成本，产率高，氢气纯度高。与催化裂解过程不同，等离子体裂解法的活性物质是高能电子和活性粒子。

9、并且，本发明的制氢系统结构简单合理。

10、进一步地，等离子体电源采用igbt直流电源，所述igbt直流电源的额定功率为21kw，电源输出电流为100-300a，电压为0-70v，空载大于200v。

11、igbt直流电源为全中频逆变直流电源，能够满足等离子体负载快速大范围变化的负阻特性，稳流、稳压精度高、纹波小，效率高。等离子体电源可设置近控和远控选择，可远程计算机控制。

12、该系统产生高温高压的等离子体，用于裂解甲烷，等离子体气体温度达到800℃以上，完全满足甲烷裂解产氢条件温度(750℃以上)，采用的等离子体炬电源功率远小于常规等离子体炬电源功率，进一步降低了能耗。

13、进一步地，反应供气系统包括第一气体储存罐和第二气体储存罐，所述第一气体储存罐和第二气体储存罐内分别存储有电离气体和甲烷，所述第一气体储存罐通过第一进气管道与等离子体炬连接，第一进气管道上设置有第一阀门，所述第二气体储存罐通过第二进气管道与裂解室连接，第二进气管道上设置有第二阀门。

14、进一步地，冷却室设置有夹套，所述夹套与冷水机形成循环回路。

15、进一步地，过滤室配合设置有反吹装置；通过反吹装置将过滤室内滤网上的炭黑反吹至过滤室底部。

16、进一步地，还包括炭黑收集器，所述炭黑收集器用于收集裂解室、冷却室和过滤室沉积的炭黑。

17、进一步地，尾气处理系统包括氢纯化器、氢气检测装置和氢气收集器，所述氢纯化器、氢气检测装置和氢气收集器通过管道连接依次设置在过滤室后端；所述氢气检测装置和氢气收集器之间设置有第一机械泵。

18、进一步地，氢纯化器的后端通过管道连接有尾气检测装置，所述尾气检测装置用于检测杂质气体中的甲烷含量，所述尾气检测装置上设置有第一排放口和第二排放口，所述第二排放口通过排气管道与反应供气系统或裂解室连接，使含甲烷的杂质气体重回裂解室进行二次裂解，所述排气管道上设置有第二机械泵。

19、进一步地，各管道在各腔室前后放置温度监测和压力监测装置，通过控制系统实时监测各系统运行情况。

20、进一步地，电离气体包括n2或ar。

21、基于上述等离子体裂解甲烷制氢系统的制氢工艺，包括以下步骤：

22、s1、通过控制系统调节等离子体炬的功率调至10-20kw；

23、s2、通过控制系统控制使反应供气系统中的电离气体通入等离子体炬中进行电离，电离气体的流速为80-120l/min；并点燃等离子体炬进行高温预热；

24、s3、通过控制系统实时采集裂解室内的温度，当裂解室内的温度达到750℃时，通过控制系统控制使反应供气系统中的甲烷进入裂解室中开始裂解制氢，甲烷的流速控制在100-500l/min；

25、s4、裂解室制备的含氢混合气体通过冷却室进行冷却降温，温度降至200℃后，将含氢混合气体通入过滤室进行固气分离；

26、s5、固气分离后的含氢混合气体进入尾气处理系统进行提纯处理，并对提纯产生的杂质气体进行甲烷检测，当杂质气体中的甲烷含量≥0.1％，将杂质气体返回裂解室中进行二次裂解。

27、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

28、1、本发明的等离子体裂解甲烷制氢系统能够实现甲烷的高效裂解和氢气和炭黑的高效生成。避免传统甲烷催化裂解催化剂失活等问题。同时，该系统结构简单合理，能耗较低，升温速度快，能够在保持高效率的同时，降低运行成本。

29、2、本发明设计尾气循环裂解方式，实现甲烷充分裂解，零排放。

30、3、本发明配有多个温度和压力以及流量监测装置，确保在高效产氢的同时，系统运行安全稳定。