[发明专利]一种甲烷裂解与制备碱土金属碳化物的耦合工艺方法及系统

说明书

本发明公开了一种甲烷裂解与制备碱土金属碳化物的耦合工艺方法及系统。所述耦合工艺方法包括碱土金属碳化物合成过程和甲烷裂解过程；所述碱土金属碳化物合成过程是将碱土金属基化合物与碳源放入高温反应炉进行高温反应，所述甲烷裂解过程是将甲烷通入所述高温反应炉中进行裂解反应；甲烷裂解反应和碱土金属碳化物合成反应在所述高温反应炉中同时进行。所述碱土金属基化合物与碳源进行反应的同时还作为催化剂催化甲烷裂解反应，甲烷裂解生成的炭可作为碳源与碱土金属基化合物反应生成碱土金属碳化物。

技术领域

本发明属于化工技术领域，具体涉及一种甲烷裂解与制备碱土金属碳化物的耦合工艺方法及系统。

背景技术

氢能作为一种高效、清洁的二次能源，被认为是最有前途的替代能源和清洁燃料。目前工业上制氢的工艺主要有甲烷二氧化碳重整、甲烷水蒸汽重整、甲烷部分氧化、甲烷催化裂解以及煤/生物质气化制氢、太阳能光电水电解制氢等。太阳能光电解系统具有巨大的潜力，但是光电解对光电极材料的要求非常高，煤/生物质气化广泛用于产氢，但是在产生氢气的同时也会产生其他杂质气体，需要额外的气体分离工艺来纯化，提高了成本。

甲烷具有最高氢碳比，而且来源丰富，被认为是制氢的重要原料。目前甲烷制氢方法主要有甲烷水蒸气重整制氢、甲烷二氧化碳重整、甲烷部分氧化制氢、甲烷催化裂解制氢等。甲烷水蒸汽重整制氢(SRM)技术最为成熟，但该制氢系统受天然气品质影响较高，存在能耗高、设备庞大复杂、投资和操作费用高等缺点。甲烷二氧化碳重整技术在催化剂的条件下可实现甲烷和二氧化碳的利用，减少二氧化碳的排放，但该技术存在积碳问题严重，催化剂易失活，且该反应受逆水气变换影响较大等问题。甲烷部分氧化制氢技术中甲烷转化率高，流程简单，但甲烷部分氧化制氢反应工艺中仍存在很多问题，如反应所用纯氧来源、催化剂稳定性、操作安全性等，且若想得到高纯度的氢气，还需要一系列的后处理措施。

甲烷可以直接裂解为氢气和碳。该化学反应简单，选择性高，但由于甲烷分子反应活性低，需要在较高温度下进行反应。为了加快反应速度，通常需要在催化剂作用下进行。目前用于甲烷催化裂解制氢的催化剂主要为负载型的金属催化剂，但甲烷催化裂解制氢过程中产生的碳沉积在催化剂上，不仅使催化剂失活，影响其稳定性，还容易造成反应器堵塞，同时也导致催化剂难以回收利用。中国专利201811269854.4公开了一种甲烷低温催化裂解制氢催化剂，催化剂由过渡金属、贵金属、碱土金属和稀土金属组成的活性组分与粒径20～80纳米的多孔结构复合载体组成，该发明中的催化剂操作温度低，但甲烷转化率不高。如何解决甲烷催化裂解制氢工艺中副产的碳沉积问题，从而提高催化剂的寿命是甲烷直接裂解制氢工业化的关键。

发明内容

本发明的目的是，提供一种甲烷裂解与制备碱土金属碳化物的耦合工艺方法及系统，解决现有技术中甲烷催化裂解制氢中催化剂的积碳失活问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种甲烷裂解与制备碱土金属碳化物的耦合工艺方法，该方法包括碱土金属碳化物合成过程和甲烷裂解过程；所述碱土金属碳化物合成过程是将碱土金属基化合物与碳源放入高温反应炉进行高温反应，所述甲烷裂解过程是将甲烷通入所述高温反应炉中进行裂解反应；甲烷裂解反应和碱土金属碳化物合成反应在所述高温反应炉中同时进行。所述碱土金属基化合物与碳源进行反应的同时还作为催化剂催化甲烷裂解反应，甲烷裂解生成的炭可作为碳源与碱土金属基化合物反应生成碱土金属碳化物。所述碱土金属碳化物合成过程可为连续式，也可为间歇式。

作为优选实施方案，所述方法还包括碱土金属碳化物发气过程，是指将生成的碱土金属碳化物降温冷却后与水反应生成乙炔。

作为优选实施方案，所述方法还包括气相产物净化分离过程，是指将气相产物H₂、CO混合气分离纯化得到H₂和CO产品。

作为优选实施方案，所述碳源选自焦炭、煤、兰炭、生物炭、沥青碳、石墨中的一种或者多种；所述碱土金属基化合物选自氧化钙、碳酸钙、氢氧化钙、氧化钡、碳酸钡、氢氧化钡。