[发明专利]一种聚光吸热器-鼓泡式反应器耦合的甲烷裂解制氢装置及方法

说明书

本发明公开了一种聚光吸热器‑鼓泡式反应器耦合的甲烷裂解制氢装置及方法。装置由内到外设置四个区：聚光太阳能吸收区、鼓泡式反应区、过渡区以及放热区；聚光太阳能竖直向下进入聚光太阳能吸收区并转换为热能；鼓泡式反应区内放置锡，加热至1000摄氏度以上后可用于甲烷裂解反应，反应产生氢气和和碳纳米颗粒；氢气、甲烷组成的混合气体与碳纳米颗粒通过过渡区分离，具有余热的混合气体送入放热区进行热量回收后送出装置，碳纳米颗粒通过取碳口取出。本发明通过聚光太阳能直接加热技术、余热回收技术以及由内到外的按温度递减分区方式，保证了能量的高效利用；同时，由于高温液态锡不送出装置外，以及连续取碳技术保证了系统安全、稳定、连续运行。

技术领域

本发明属于甲烷裂解制氢及聚光太阳能热利用技术领域，涉及一种聚光吸热器-鼓泡式反应器耦合的甲烷裂解制氢装置及方法。

背景技术

氢能是一种被看好的重要环保能源，具有能源密度高，和对环境的影响小的特点。甲烷裂解制氢是一种重要的制氢手段，具有非常多的优点：(1)制氢过程的零碳排放，甲烷裂解制氢反应的化学方程式为：CH₄(g)→C(s)+H₂(g),ΔH_R,0＝74.85kJ/mol。可以看出，反应形成的碳是以固体存在的。(2)生产成本较低，这是因为甲烷裂解过程产生的固体碳颗粒直径在20-100nm范围内，是品质非常好的碳纳米原材料，从而有效降低了反应的成本。

但是，甲烷裂解制氢系统也存在着问题：(1)普通的甲烷裂解反应器中，碳颗粒会聚集在催化剂表面和管壁，从而导致催化剂失活和反应器通道堵塞，这影响了系统的可靠、连续运行，并影响了其工业化大规模推广；(2)甲烷裂解制氢需要大量的高温热能。反应所需的热能如果采用常规能源，则其过程存在大量二氧化碳的排放问题，从而大大降低了甲烷裂解制氢零碳排放的优势。

采用聚光太阳能加热的鼓泡式甲烷反应系统可以解决上述的甲烷裂解制氢存在的两个问题：(1)采用液态金属(如锡)作为载热流体用于加热甲烷，甲烷以气泡形式与高温载热流体直接接触，在没有催化剂的条件下进行甲烷裂解反应。同时，液态金属的密度比碳纳米颗粒高几个数量级，因此碳颗粒会漂浮在载热流体表面，实现了固态碳和气体的分离，并且碳颗粒而不会堵塞反应器通道。(2)采用聚光太阳能提供甲烷裂解制氢所需的高温热量，因为太阳能是可再生能源，没有碳排放问题。