[发明专利]干法甲烷催化分解制氢同时分离二氧化碳的系统及方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种干法甲烷催化分解制氢同时分离二氧化碳的方法，涉及化石能源利用领域。

背景技术

氢能是一种理想能源，与化石燃料相比，氢气燃烧对环境没有污染。由于在自然界中没有可以直接开采的单质氢气，故氢能主要来自于烃类化合物的重整或分解。近年来，乔治·米歇尔创造水力压裂的工艺将页岩气开采成本大大降低，使天然气（主要为甲烷）储量翻了一番还要多，甲烷在烃类化合物中具有最高的氧碳比，因此利用甲烷高效生产氢能具有很好的应用前景。

常规的制氢工艺有甲烷水蒸气重整法，甲烷部分氧化法，甲烷自热重整法及甲烷催化分解法。其中，天然气蒸汽转化的研究工作是目前工业上应用最广泛的方法，技术也最为成熟。该方法包括原料预热和预处理、重整、高低温变换、CO的除去和甲烷化，其工艺比较复杂，设备投资和能耗均较高。其中，甲烷水蒸汽重整和CO的去除反应中都需要大量的水蒸气参与。对于一些干旱少雨，常年缺水的天然气开采地，这种方法的应用受到很大限制。

甲烷制氢过程中，催化剂积碳失活是一种普遍存在的问题，目前去除积碳的方法主要有氧气氧化法、水蒸气气化法。在目前的工业应用中，许多研究者倾向于水蒸气气化法，但这一方法不适于在水资源少的地区使用。相关研究发现，催化剂上的积碳与二氧化碳有特殊的反应性，这使得以二氧化碳为气化介质消除积碳具备了应用价值。

为简化制氢工艺，并适于缺水地区使用，本申请从甲烷分解产物不同组分（气相与固相）的理化特性出发，提出了甲烷制氢与减排二氧化碳一体化方法。

发明内容

发明目的：本发明旨在解决针对甲烷催化分解过程中，催化剂易积碳而丧失催化性能，带来工艺的稳定性与连续性降低问题、针对催化剂再生过程中，水源、热源的供应问题以及对消除积碳后产生的二氧化碳分离的问题，提出了一种干法甲烷催化分解制氢同时分离二氧化碳的系统及方法，以高价态氧化物对催化剂的积碳进行消除并提供甲烷分解的热量，同时捕集二氧化碳的方法，即一种干法甲烷催化分解制氢同时分离二氧化碳的方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种干法甲烷催化分解制氢同时分离二氧化碳的系统，该系统包括：甲烷分解系统，用于制备及提纯氢气；

催化剂再生系统，用于接收从甲烷分解系统出来的失活催化剂，及未转化完全的甲烷混合气，使之与氧化物反应，消除积碳并提供甲烷分解系统所需要的热量；

气固分离系统，用于接收从催化剂再生系统与甲烷分解系统中出来的固体颗粒与输送气体，分离并输送到相应反应器。

气体循环系统，用于接收气固分离系统中出来的二氧化碳气体，并将其中一部分二氧化碳气体收集，另一部分二氧化碳及分解气输送到还原反应器。

优选的，甲烷分解制氢系统包括催化分解装置、冷凝器、气固分离器一、氢气分离室、氢气分离滤膜；

催化分解装置出口与冷凝器相连，冷凝器出口与气固分离器相连，气固分离器一出口与氢气过滤室相连，催化分解装置出口与搅拌混合器相连，催化分解装置入口与旋风分离器相连，氢气分离滤膜在氢气分离室中；

催化剂再生系统包括隔板、还原反应器，氧化反应器，阀门，压缩机一；

隔板在还原反应器中，还原反应器上出口与旋风分离器相连，还原反应器下出口与氧化反应器相连，还原反应器上入口与搅拌混合器相连，还原反应器下入口与氢气过滤室相连，还原反应器下入口与压缩机二及气液分离器相连，氧化反应器上出口与气固分离器相连，氧化反应器下入口与阀门相连，氧化反应器下入口与压缩机一相连；

气固分离系统包括气固分离器二、搅拌混合器、旋风分离器、凝汽器、除尘器；

气固分离器二的固相出口与搅拌混合器相连，搅拌混合器的入口与气固分离器二和催化分解装置相连，旋风分离器的气相出口与冷凝器相连，旋风分离器的固相出口与催化分解装置相连，凝汽器与除尘器相连，除尘器与压缩机二及压缩机三相连；

气体循环系统包括压缩机二、压缩机三、气液分离器；

压缩机二与压缩机三入口与除尘器相连，压缩机二的出口与还原反应器相连，压缩机三的出口与气液分离器相连，气液分离器的出口与还原反应器相连。

优选的，催化剂再生系统采用镍基氧化物NiO/Al₂O₃或钴基氧化物CoO/Al₂O₃作为氧载体，载体为活性氧化铝，活性成分为NiO或CoO，其粒径范围在300～500μm。

优选的，催化剂再生系统采用压力在0.1～1.2MPa，以加强反应气与气化介质的反应性。