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专利号: 2017108631299
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢系统,其特征在于,包括聚光镜(1)、吸热器(2)、鼓泡式反应器(3)、内置载热流体的低温储热罐(14)、氢气分离器(17)、储气罐(13)、甲烷补充装置;吸热器(2)的输入口和输出口分别连接低温储热罐(14)的输出口和鼓泡式反应器(3)的载热流体输入口;鼓泡式反应器(3)的混合气体排出口和甲烷输入口分别连接氢气分离器(17)的输入口、甲烷补充装置;氢气分离器(17)的氢气输出口连接储气罐(13);聚光镜(1)将太阳能收集并聚集到吸热器(2)上;低温储热罐(14)中的载热流体输入吸热器(2),经吸热器(2)加热后输入鼓泡式反应器(3);甲烷补充装置向鼓泡式反应器(3)中输入甲烷;在鼓泡式反应器(3)内,载热流体和甲烷发生热量交换,完成甲烷裂解反应,反应产生的混合气体输入氢气分离器(17),混合气体中的氢气经氢气分离器(17)分离后输入储气罐(13)。

2.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢系统,其特征在于,所述鼓泡式反应器(3)的顶部设有载热流体通道(31)和混合气体排出口(23),底部设有甲烷输入口(26)和载热流体输出口(28);所述载热流体通道(31)的顶部为载热流体输入口,底部为喷嘴(30);所述鼓泡式反应器(3)由内层(25)和外层(24)构成,内层(25)为甲烷裂解反应发生区域,内层(25)与外层(24)之间为暂存碳纳米颗粒的区域,外层(24)与外界环境隔绝,内层(25)与外层(24)之间仅在顶部相通用于碳纳米颗粒从内层(25)向外层(24)溢出,外层(24)侧面下方开有取碳孔(29),内层(25)底部有孔径为毫米级的甲烷出气孔(27)。

3.根据权利要求2所述的一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢系统,其特征在于,所述内层(25)比外层(24)低0.5米,喷嘴(30)高出载热流体液位0.5米,内层(25)高出载热流体液位1.0米。

4.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢系统,其特征在于,所述系统还包括过热器(6)、蒸发器(19)以及预热器(12);所述鼓泡式反应器(3)的载热流体输出口依次连接过热器(6)、蒸发器(19)、预热器(12)、低温储热罐(14);

鼓泡式反应器(3)的载热流体输出口出来的载热流体依次经过过热器(6)、蒸发器(19)以及预热器(12)后送回低温储热罐(14)。

5.根据权利要求4所述的一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢系统,其特征在于,所述系统还包括汽轮机(7)、发电机(8)、冷却塔(10);所述过热器(6)的蒸汽出口连接汽轮机(7),并驱动汽轮机(7)做功,汽轮机(7)连接发电机(8),通过发电机(8)发电;汽轮机(7)的乏汽输出口连接冷却塔(10)的入口,冷却塔(10)的出口依次连接预热器(12)、蒸发器(19)、过热器(6)。

6.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢系统,其特征在于,所述氢气分离器(17)的甲烷输出口连通鼓泡式反应器(3)的甲烷输入口,将分离后的甲烷输入鼓泡式反应器(3)。

7.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢系统及方法,其特征在于,吸热器(2)的输出口与鼓泡式反应器(3)的载热流体输入口之间连接有高温储热罐(20);载热流体经过吸热器(2)加热后,先送到高温储热罐(20)储存,再送入鼓泡式反应器(3)中。

8.根据权利要求7所述的一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢系统及方法,其特征在于,所述载热流体为高低温双载热流体,所述双载热流体的高温载热流体满足上限使用温度高于1000℃和熔点低于600℃的要求,低温载热流体满足上限使用高于500℃,熔点低于300℃的要求;所述系统还包括载热流体换热器(21)、低温载热流体循环泵(22);所述鼓泡式反应器(3)的载热流体输出口依次连接载热流体换热器(21)和高温储热罐(20),载热流体换热器(21)的低温载热流体输出口依次连接过热器(6)、蒸发器(19)、预热器(12)、低温载热流体循环泵(22)、低温储热罐(14);从鼓泡式反应器(3)输出的高温载热流体在载热流体换热器(21)内与低温载热流体发生热量传递。

9.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢系统及方法,其特征在于,鼓泡式反应器(3)的混合气体排出口和氢气分离器(17)的输入口之间连接有除尘器(4)、混合气体冷却器(18)、增压气泵(5);吸热器(2)的输入口和低温储热罐(14)的输出口之间设有高温载热流体循环泵(15);氢气分离器(17)的输出口和储气罐(13)之间设有氢气冷却器(16)。

10.一种聚光太阳能驱动的高温鼓泡式甲烷直接裂解制高纯氢方法,其特征在于,包括如下步骤:

a.聚光镜(1)将太阳能收集并聚集到吸热器(2)上,载热流体由低温储热罐(14)经过高温载热流体循环泵(15)输送到吸热器(2)内,经过吸热器(2)加热的高温载热流体送入鼓泡式反应器(3)内;

b.在鼓泡式反应器(3)内,高温载热流体从顶部进入,甲烷以气泡形式从底部进入,两者直接接触并发生热量交换,之后载热流体从鼓泡式反应器(3)底部排出,甲烷裂解反应生产的氢气和未反应的甲烷混合气体从鼓泡式反应器(3)顶部排出;

c.排出的混合气体先经过除尘器(4)去除混合气体中可能携带的碳纳米颗粒,之后经过混合气体冷却器(18)冷却回收热量后,并经过增压气泵(5)增压后送入氢气分离器(17);

d.氢气分离器(17)将氢气与未反应的甲烷气体进行分离,分离后的高纯氢气经过氢气冷却器(16)进一步冷却回收热量后送入储气罐(13),分离后的甲烷和新补充甲烷气体混合后送入鼓泡式反应器(3);

e.从鼓泡式反应器(3)底部出来的载热流体,仍然具有较高温度,依次经过过热器(6)、蒸发器(19)以及预热器(12)后送回低温储热罐(14),过热器(6)出来的高温高压过热蒸汽送入汽轮机(7),并驱动汽轮机(7)做功,然后通过发电机(8)发电,发出的电提供整个系统的用电,包括驱动高温载热流体循环泵(15)、低温载热流体循环泵(22)和增压气泵(5),同时多余的电量可输送到电网(9)。