[發(fā)明專利]甲烷重整系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610112216.6
• 申請(qǐng)日: 2016-02-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105776133B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郝勇;王宏圣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所
• 主分類號(hào): C01B3/26
• 分類號(hào): C01B3/26
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司11021
• 代理人: 曹玲柱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新能源(可再生能源)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種甲烷重整系統(tǒng)。

背景技術(shù)

氫氣是一種能量密度很高的清潔能源，如何高效低成本地制取氫氣是目前各國(guó)研究的熱點(diǎn)。目前傳統(tǒng)的工業(yè)制氫方式主要通過(guò)甲烷和水蒸氣重整，反應(yīng)溫度在700℃以上，不僅對(duì)設(shè)備的耐溫性能要求較高，且甲烷重整反應(yīng)需要吸收大量熱量，這些能量主要來(lái)自于化石能源燃燒，能量消耗較大，甲烷重整系統(tǒng)的能量利用效率較低。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明提供了一種甲烷重整系統(tǒng)，以降低甲烷重整制取氫氣成本，提高甲烷轉(zhuǎn)化率。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明甲烷重整系統(tǒng)包括：氫氣分離裝置，其內(nèi)側(cè)腔室分為第一類區(qū)域和第二類區(qū)域，其中，第一類區(qū)域的氫分壓小于甲烷和水蒸氣重整反應(yīng)時(shí)第二類區(qū)域的氫分壓；二氧化碳分離裝置，其內(nèi)側(cè)腔室分為第三類區(qū)域和第四類區(qū)域，其中，第三類區(qū)域的二氧化碳分壓要小于甲烷和水蒸氣重整反應(yīng)時(shí)第四類區(qū)域的二氧化碳分壓，并且，第四類區(qū)域的進(jìn)口連接至第二類區(qū)域的出口，第四類區(qū)域的出口連接至第二類區(qū)域的進(jìn)口。其中，甲烷和水蒸氣進(jìn)入氫氣分離裝置的第二類區(qū)域，發(fā)生甲烷重整反應(yīng)，生成的氫氣進(jìn)入第一類區(qū)域，重整反應(yīng)平衡向正向移動(dòng)，未反應(yīng)氣體繼續(xù)反應(yīng)；而后，第二類區(qū)域內(nèi)反應(yīng)后的氣體進(jìn)入二氧化碳分離裝置的第四類區(qū)域，分離氫氣后剩余的二氧化碳進(jìn)入第三類區(qū)域；而后，第四類區(qū)域內(nèi)的剩余氣體重新進(jìn)入氫氣分離裝置的第二類區(qū)域進(jìn)行甲烷重整反應(yīng)。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明甲烷重整系統(tǒng)具有以下有益效果：

(1)甲烷和水蒸氣管路依次流經(jīng)氫氣分離裝置和二氧化碳分離裝置并形成循環(huán)，甲烷濕重整產(chǎn)物氫氣和二氧化碳被交替分離，促使甲烷重整反應(yīng)平衡向正向移動(dòng)，使甲烷轉(zhuǎn)化率相比于單次反應(yīng)轉(zhuǎn)化率大幅度提升；

(2)在氫氣分離裝置和二氧化碳分離裝置間增加換熱器，回收因?yàn)闅錃夥蛛x裝置和二氧化碳分離裝置的操作溫度不同所導(dǎo)致的熱量損耗，使系統(tǒng)能量利用率提升；

(3)氫氣分離裝置和二氧化碳分離裝置可以采用膜材料分離，膜材料分離裝置中采用套管形式，腔體外壁5內(nèi)可以放置多根膜材料管道，有利于增大膜材料比表面積，提高空間利用率；

(4)系統(tǒng)可以和太陽(yáng)能或核能等新能源以及工業(yè)廢熱等廢棄能源相結(jié)合，清潔環(huán)保。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例甲烷重整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示甲烷重整系統(tǒng)中膜材料分離裝置示意圖；

圖3為圖1所示甲烷重整系統(tǒng)在400℃下前4個(gè)循環(huán)甲烷在氫氣分離裝置和二氧化碳分離裝置中的剩余比例；

圖4為圖1所示甲烷重整系統(tǒng)在400℃下前4個(gè)循環(huán)水蒸氣在氫氣分離裝置和二氧化碳分離裝置中的剩余比例。

【本發(fā)明主要元件符合說(shuō)明】

1-氫氣分離裝置；2-換熱器；

3-二氧化碳分離裝置；4-太陽(yáng)能聚光裝置；

5-腔體外壁；6-膜材料管道；

7-反應(yīng)氣體入口；8-產(chǎn)物分離區(qū)域。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明利用催化劑催化甲烷重整，并交替分離產(chǎn)物，通過(guò)未反應(yīng)氣循環(huán)的方式可使反應(yīng)溫度顯著降低至400℃以下，若不計(jì)甲烷泄漏，甲烷轉(zhuǎn)化率可達(dá)100％。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

一、第一實(shí)施例

在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種甲烷重整系統(tǒng)。圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例甲烷重整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)施例一種甲烷重整系統(tǒng)包括：氫氣分離裝置1；換熱器2；二氧化碳分離裝置3；以及太陽(yáng)能聚光裝置4。其中，氫氣分離裝置1和二氧化碳分離裝置3均采用膜材料分離裝置。

請(qǐng)參照?qǐng)D1，氫氣分離裝置1的內(nèi)側(cè)腔室由透氫膜分隔為兩類區(qū)域-透氫膜分離側(cè)的第一類區(qū)域和透氫膜原料氣供給側(cè)的第二類區(qū)域。其中，第一類區(qū)域的氫分壓要小于甲烷和水蒸氣重整反應(yīng)時(shí)第二類區(qū)域的氫分壓。

請(qǐng)參照?qǐng)D1，二氧化碳分離裝置3的內(nèi)側(cè)腔室由透二氧化碳膜分隔為兩類區(qū)域-透二氧化碳膜分離側(cè)的第三類區(qū)域和透二氧化碳膜原料氣供給側(cè)的第四類區(qū)域。其中，第三類區(qū)域的二氧化碳分壓小于甲烷和水蒸氣重整時(shí)透第四類區(qū)域的二氧化碳分壓。

圖2為圖1所示甲烷重整系統(tǒng)中膜材料分離裝置示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2，膜材料分離裝置中采用套管形式。在腔體外壁5內(nèi)放置多根膜材料管道。該膜材料管道由相應(yīng)的膜材料制備，例如：