一种天然气制氢系统

1.本发明涉及一种天然气制氢系统，属于制氢领域。


背景技术：

2.经济的快速增长需要化石能源的大量消耗，并导致大量的温室气体排放和全球变暖。大气中的二氧化碳2018年的浓度为410ppm，与250年前相比增加了近50％。全球变暖可能导致甲烷加速释放(其温室效应比二氧化碳强20倍以上)来自陆地和海洋生态系统中的许多天然水库，进一步形成恶性循环。除非采取有效行动，否则将逐渐出现更严重的环境和生态问题，如淡水枯竭、海洋酸化、海平面上升和物种灭绝。大力发展清洁能源和可再生能源，可以缓解当前社会发展对化石能源的高度依赖。作为宇宙中最丰富和最简单的元素，氢是绿色，清洁和多功能的能量或能量载体。通常，氢气可以直接作为燃料燃烧，产品只是水。氢气的热值高达39.4kwh kg-1
，其远高于常用的液态烃。此外，氢氧燃料电池可以直接将化学能转化为电能，打破卡诺循环效率的极限，在汽车动力和发电领域具有广阔的前景。因此，氢能具有来源广、燃烧热值高、能量密度高、易储存、易再生、零污染、零碳排放等优点。它被称为21世纪的“终极能源”，以控制地球的温度上升，解决能源危机。
3.天然气制氢是目前主要手段之一，通常手段为利用天然气、水在镍触媒颗粒的催化下经过外部锅炉的高温气体加热使得天然气与水反应生产一氧化碳与氢气，最后经分离装置得到氢气。此种方法所得产品的转化率较低，产生了较多的副产物，增加了分离的难度。因此需要开发一种可行的制氢系统，实现高转化率的氢气生产。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种天然气制氢系统，通过实时检测流出样的组分进行二次或者多次催化，提高产品的转化率，降低生产成本。
5.为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明公开的一种天然气制氢系统，包括进气模块、预处理模块、反应模块、检测模块、循环模块和提纯模块。
7.所述进气模块在开车前通过质量流量计以及总控平台实现不同气体原料的精确进样，同时在反应过程中根据反应进程调整进气种类及流量，从而达到增加反应转化率降低生产成本的目的。
8.所述预处理模块与进气模块相连，主要用于对原料的混合以及预加热处理。所述预处理模块搭载压力以及温度检测器，实时监控模块温度以及压力，确保生产安全。优选的预加热采用逆流换热交换器。
9.所述反应模块与预处理模块相连，所述反应模块主要采用流动床反应器实现在催化剂作用下的天然气制氢，该模块搭载压力以及温度检测器，可实时监控模块温度以及压力，确保生产安全。
10.所述检测模块与反应模块相连，所述检测模块包括气相色谱仪和进气管道的冷却
装置。
11.所述提纯模块与反应模块相连，所述提纯模块搭载冷却装置、气体液体分离装置和变压吸附装置，实现氢气的进一步提纯。
12.所述循环模块与反应模块相连，所述循环模块根据检测模块的检测结果调整进气模块从而实现天然气制氢的二次或者多次催化，提高产品的转化率，降低生产成本。
13.进一步的，所述催化剂为fe/al2o3、co/al2o3、ni/al2o3其中一种。优选的，催化剂为fe/al2o3。反应模块温度为800-1200℃。
14.本发明公开的一种天然气制氢系统的工作方法为：在反应模块装载催化剂，随后在整个系统中通入氮气保护气，将反应模块温度控制在800-1200℃，预加热模块温度80-120℃。在进样模块控制天然气与水蒸气流量之比为1：2-4进入反应体系，经预处理模块完成原料的预加热以及混合后进入反应模块，在流动床反应器中完成天然气催化制氢。气体流入检测模块实现对反应进程的监控，当检测模块检测结果达标后进入提纯模块完成产品的最终纯化；如果检测模块检测结果不达标，通过调节进气模块调整进样种类及配比进入循环模块进行下一次催化，直至检测结果达到要求，达标后进入提纯模块完成产品的最终纯化。
15.有益效果：
16.1、本发明公开的一种天然气制氢系统，通过检测模块实时监控反应进程并通过进气模块实现对反应气的二次或者多次催化，提高产品的转化率，降低生产成本。
17.2、本发明公开的一种天然气制氢系统，其流动式反应床有利于增大催化剂与反应物之间的接触面积，提高催化效率；同时该设备方便催化剂的活化及更新。
附图说明
18.图1为本发明一种新型集成式液化气制氢系统的示意图。
具体实施方式
19.需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
21.如图1所示，本实施例公开的一种新型集成式液化气制氢系统，包括进气模块100、预处理模块200、反应模块300、检测模块400、提纯模块500和循环模块600。
22.进气模块100，可在开车前可通过质量流量计实现不同气体原料的精确进样，同时可在反应过程中根据反应进程调整进气种类及流量，从而达到增加反应转化率降低生产成本的目的。
23.预处理模块200与进气模块100相连，该模块在混合反应釜中实现对原料的混合，同时采用逆流换热交换器进行预加热处理。搭载的压力以及温度检测器，可实时监控模块温度以及压力，确保生产安全。
24.反应模块300与预处理模块200相连，该模块主要采用流动床反应器实现在催化剂
作用下的天然气制氢，该模块搭载压力以及温度检测器，可实时监控模块温度以及压力，确保生产安全。
25.检测模块400与反应模块300相连，该模块包括气相色谱仪以及进气管道的冷却装置，从而实现对反应模块300流出气体的成分洁厕，监控反应进程。
26.提纯模块500与反应模块300相连，该模块搭载冷却装置、气体液体分离装置以及变压吸附装置，气体液体分离装置可分离未反应完全的水蒸气，变压吸附装置可实现氢气的进一步提纯。
27.循环模块600与反应模块300相连，该模块可根据检测模块的检测结果调整进气模块从而实现天然气制氢的二次或者多次催化，提高产品的转化率，降低生产成本。
28.ch4+h2o
→
co+3h229.co+h2o
→
co2+h230.如图1所示，本系统在制氢时，在反应模块300装载催化fe/al2o3，随后在整个系统中通入氮气保护气，将反应模块300温度控制在900℃，预加热模块200温度100℃。在进样模块100控制天然气与水蒸气流量之比为1：3进入反应体系，经预处理模块200完成原料的预加热以及混合后进入反应模块300，在流动床反应器中完成天然气催化制氢。气体流入检测模块400实现对反应进程的监控，当检测模块400检测结果达标后进入提纯模块500完成产品的最终纯化；如果检测模块400检测结果不达标，可通过调节进气模块100调整进样种类及配比进入循环模块600进行下一次催化，直至检测结果达到要求，达标后进入提纯模块500完成产品的最终纯化。
31.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种天然气制氢系统，其特征在于：包括进气模块、预处理模块、反应模块、检测模块、循环模块和提纯模块；所述进气模块在开车前通过质量流量计以及总控平台实现不同气体原料的精确进样，同时在反应过程中根据反应进程调整进气种类及流量，从而达到增加反应转化率降低生产成本的目的；所述预处理模块与进气模块相连，主要用于对原料的混合以及预加热处理；所述预处理模块搭载压力以及温度检测器，实时监控模块温度以及压力，确保生产安全；所述反应模块与预处理模块相连，所述反应模块主要采用流动床反应器实现在催化剂作用下的天然气制氢，该模块搭载压力以及温度检测器，实时监控模块温度以及压力，确保生产安全；所述检测模块与反应模块相连，所述检测模块包括气相色谱仪和进气管道的冷却装置；所述提纯模块与反应模块相连，该模块搭载冷却装置、气体液体分离装置和变压吸附装置，实现氢气的进一步提纯；所述循环模块与反应模块相连，所述循环模块根据检测模块的检测结果调整进气模块从而实现天然气制氢的二次或者多次催化。2.如权利要求1所述的一种天然气制氢系统，其特征在于：催化剂为fe/al2o3；反应模块温度为800-1200℃。3.如权利要求1所述的一种天然气制氢系统，其特征在于：预加热采用逆流换热交换器。4.如权利要求1、2或3所述的一种天然气制氢系统，其特征在于：在反应模块装载催化剂，随后在整个系统中通入氮气保护气，将反应模块温度控制在800-1200℃，预加热模块温度80-120℃；在进样模块控制天然气与水蒸气流量之比为1：2-4进入反应体系，经预处理模块完成原料的预加热以及混合后进入反应模块，在流动床反应器中完成天然气催化制氢；气体流入检测模块实现对反应进程的监控，当检测模块检测结果达标后进入提纯模块完成产品的最终纯化；如果检测模块检测结果不达标，通过调节进气模块调整进样种类及配比进入循环模块进行下一次催化，直至检测结果达到要求，达标后进入提纯模块完成产品的最终纯化。

技术总结
本发明公开的一种天然气制氢系统，属于制氢领域。本发明包括进气模块、预处理模块、反应模块、检测模块、循环模块和提纯模块。进气模块在开车前通过质量流量计以及总控平台实现不同气体原料的精确进样，同时在反应过程中根据反应进程调整进气种类及流量。预处理模块用于对原料的混合以及预加热处理。反应模块主要采用流动床反应器实现在催化剂作用下的天然气制氢。所述检测模块包括气相色谱仪以及进气管道的冷却装置。提纯模块搭载冷却装置、气体液体分离装置和变压吸附装置，实现氢气的进一步提纯。所述循环模块根据检测模块的检测结果调整进气模块从而实现天然气制氢的二次或者多次催化，提高产品的转化率，降低生产成本。降低生产成本。降低生产成本。


技术研发人员：刘吉平 郁闯
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/9