[发明专利]等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置和方法

权利要求书

1.一种等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：包括等离子体反应装置、氢气提纯装置、高纯氢存储罐；所述等离子体反应装置的出气口与所述氢气提纯装置的进气口连接；所述氢气提纯装置的高纯氢气出气口与所述高纯氢存储罐的进气口连接；所述氢气提纯装置的尾气出气口与等离子体反应装置的进气口连接；所述的等离子体反应装置包括等离子体激发源、真空反应腔体、接料盘；所述真空反应腔体设置有进气口和出气口；所述接料盘放置于真空反应腔体底部；所述等离子体反应装置的等离子体激发源是热灯丝、直流等离子体喷射电弧、微波电磁场中的任意一个；所述接料盘置于真空反应腔体的底部，材质为含有Fe、Co、Ni、Cu、Mo、V、Zn、Cr、Mn的任意一种或几种催化组分的金属或合金；

脱硫后的煤层气在等离子体反应装置中被激励成等离子体，并反应生成氢气和碳微粒；反应后的气体经提纯得到高纯氢气，提纯后的尾气循环进入等离子体反应装置中直至其中的甲烷完全分解；而碳微粒在重力作用下沉积至接料盘上，并在催化活性组分的作用下生成纳米碳材料；

采用上述装置进行等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的方法，包括以下步骤：

(1)等离子体分解煤层气反应

脱硫的煤层气以10mL/min-30L/min的气体流速进入等离子体反应装置的真空反应腔体中，在等离子体激发源的作用下激励分解成等离子体，并在400～1500℃条件下反应生成氢气和碳微粒；反应后的气体经等离子体反应装置的出气口输出，而生成的碳微粒在重力的作用下沉积至接料盘上，在接料盘催化活性组分的作用下形成纳米碳材料；

(2)氢气提纯

步骤(1)中反应后的气体经氢气提纯装置的进气口进入，并提纯得到纯度为99-99.99999％的高纯氢气，经氢气提纯装置的出气口以及高纯氢存储罐的进气口，进入高纯氢存储罐中；提纯后的尾气经连接在氢气提纯装置的尾气出气口与等离子体反应装置的进气口的循环气体管路进入等离子体反应装置中进一步将未反应的甲烷裂解催化直至完全反应；

(3)纳米碳材料的收集

反应完成后，打开等离子体反应装置取出接料盘，将其中的纳米碳材料收集；

所述等离子体反应装置的真空反应腔体内的真空度为1000～30000Pa；所述煤层气中甲烷的占比为30％～99.99％；所述的纳米碳材料为活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨烯或洋葱碳中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：以热灯丝为等离子体激发源时，等离子体反应装置结构为：真空反应腔体两侧分别设置有进气口和出气口，内部悬空设置1-10层热灯丝，在热灯丝的正下方靠近真空反应腔体底部位置设有形状接近于真空反应腔体底部的接料盘；所有的热灯丝连接在设于真空腔体外部的一个或多个直流或交流电源上。

3.根据权利要求2所述的等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：所述的热灯丝由钨、钽或钼中的任意一种金属或多种金属组成的合金制成，形状是丝状、板状、网状、柱状或弹簧状中的任意一种，多层排布时为各层顺向或交叉排布。

4.根据权利要求1所述的等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：以微波电磁场为等离子体激发源，等离子体反应装置结构为：微波传输耦合机构的一侧连接微波源，另一侧连接真空反应腔体；微波传输耦合机构与真空反应腔体之间设置微波介质窗口；真空反应腔体的侧面设置进气口，底部设置出气口，靠近底部位置设有形状接近于真空反应腔体底部的接料盘。

5.根据权利要求1所述的等离子体分解煤层气反应制氢和纳米碳材料的装置，其特征在于：以直流等离子体喷射电弧为等离子体激发源时，等离子体反应装置结构为：真空反应腔体的顶部安装有等离子体炬，底部设有出气口，进气口设置在等离子体炬的上部，靠近底部位置设有形状接近于真空反应腔体底部的接料盘；所述的等离子体炬由阴极、阳极、屏蔽罩和喷嘴组成。