[發明專利]一種磁旋轉非平衡滑移弧重整天然氣制氫系統

在審

• 申請號: 202011277883.2
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112209343A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 劉群禮
• 申請（專利權）人: 北京佳銳鴻科技發展有限責任公司
• 主分類號: C01B3/34
• 分類號: C01B3/34
• 代理公司: 北京巨弘知識產權代理事務所(普通合伙) 11673
• 代理人: 王輝

本發明提供一種磁旋轉非平衡滑移弧重整天然氣制氫系統，包括依次相連的甲烷供給裝置、混合裝置、磁旋轉滑移電弧制氫設備、第一集氣箱、氣體出口和與混合裝置相連的水蒸氣制備裝置、設置在氣體出口用于分離氫氣和二氧化碳的分離裝置。本發明是為了解決制氫的成本和安全問題，采用磁旋轉非平衡滑移弧重整天然氣制氫，無需在制氫過程中使用催化劑，而是利用等離子體中的自由電子的活化作用和高活性自由基來催進反應的有效進行，因此避免了催化劑失活和替換的技術及成本難題；采用超聲霧化制取水蒸氣的技術手段，大幅度降低制取水蒸氣的能源消耗；在旋轉滑移弧放電腔上形成氣體流道的微流道，進一步提高反應效率。

技術領域

本發明涉及無機化學技術領域，具體涉及一種磁旋轉非平衡滑移弧重整天然氣制氫系統。

背景技術

氫氣是一種重要的資源，在石油化工領域，氫能是人類終極的潔凈能源,氫氣與氧氣燃燒產生的排放產物是水(2H₂+O₂＝2H₂O)，對環境不產生任何污染，同時氫氣的燃燒值非常巨大，每千克氫氣通過燃燒釋放的熱能為1.42*105KJ，是每千克汽油燃燒釋放熱能的3倍以上，特別是以氫為燃料的燃料電池技術的突飛猛進,使得純電動汽車與燃料電池技術的有機結合，在零排放的前提下請動力驅動的機車成為可能。

人類對氫氣資源的需求也將愈發廣泛，但自然界的氫氣資源非常稀少。人們在很早時期就發現利用金屬在酸溶液中能夠產生氫氣，但氫氣作為能源的利用成本非常高。2019年初，河南南陽市與某國內著名汽車制造企業聯合發布的“加水即可驅動汽車行駛”的概念，實際上就是利用將鋁粉與水混合，生成三氧化二鋁(也就是大家熟知的明礬，沉淀物)和氫氣。其化學反應式為:2A1+3H₂O→Al₂0₃+3H₂。專家稍微估算其實用成本約為：驅動汽車行駛以50km/小時的速度行駛1千米需要花費約19元人民幣。電解水也同樣可以制氫，并且是非常古老制氫技術，方法簡單，技術成熟，制氫裝備的投資非常低。但其制氫的能耗卻非常大，約為每標方氫氣需要耗能約為5kWh(也就是5度電)。

目前工業界傳統的制氫方式采用烴類重整制氫技術，通過甲烷、丙烷、石腦油重整制氫。工業界約有80％～85％制氫采用甲烷水蒸氣催化重整制氫。其技術成熟度較高，制氫效率較高，并在工業上廣泛采用。但其制氫裝備的投資非常巨大，需要在3MPa壓力下，反應溫度約為800-1200℃，構用鎳金屬粉末催化劑，在工業生產的條件下，天然氣(主要成分為甲烷)中含有少量的硫化氫和雜質氣體，導致催化劑失活，且硫化氫在反應產生物中溶于水形成酸性溶液、對管道產生腐蝕，并在高壓的作用下使得局部腐蝕出現不可逆轉的災難，這種傳統制氫的氫氣成本約為每標方氫氣1.7元入民幣(電費約為0.33元/每度,如果采用1元/每度的電價,則需5元)。利用傳統甲烷重整制氫技術生產的氫氣，應用到氫動力汽車又面臨氫氣的存儲和運輸的難題。在標準大氣壓下，氫氣的質量密度非常低，只有0.09g/L，在常溫下(20℃)150個大氣壓條件下，200立方米的容積也只能承載1.7T的氫氣。運輸成本變得非常高,嚴重制約氫能源的利用。

除此之外高壓氫氣的運輸過程的偶然泄漏都可能導致難以預防的重大災難。如果能夠找到一種投資較小、在加氫站附近即可低成本制氫的技術，就解決氫資源長途運輸的成本和技術難題。電弧等離子體對甲烷(天然氣)重整制氫技術在上世紀九十年代出現后，為低成本小規模就近制氫帶來巨大的希望。等離子體技術具有能量密度高、反應效率高、結構非常簡單、設備投資成本低、便于操作、且啟停迅速、流程簡單，因此在中小型制氫站具有獨特的優勢。并且可以通過多機并聯運行的方式，形成大規模制氫的能力。

發明內容

本發明是為了解決制氫的成本和安全問題，采用磁旋轉非平衡滑移弧重整天然氣制氫，無需在制氫過程中使用催化劑，而是利用等離子體中的自由電子的活化作用和高活性自由基來催進反應的有效進行，因此避免了催化劑失活和替換的技術及成本難題；采用超聲霧化制取水蒸氣的技術手段，大幅度降低制取水蒸氣的能源消耗；在旋轉滑移弧放電腔上形成氣體流道的微流道，進一步提高反應效率。