[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

说明书

本发明公开了一种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。该装置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高纯氢存储罐的进气口连接；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；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，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。本发明装置反应可控性强，产品灵活多样，产品纯度和附加值高，零排放，无污染。

技术领域

本发明涉及一种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，属于煤层气高效清洁利用领域。

背景技术

煤层气(瓦斯)的主要成分为甲烷，通常用作燃料或发电，然而燃料用量有限、发电效率低，因此目前抽采出的煤层气大都排发至大气中，既浪费资源，又造成严重的温室效应和环境污染。

煤层气中的甲烷是一种优良的制氢原料，传统方法通常利用煤层气中的甲烷水蒸气重整、部分氧化或自热重整等制备氢气。然而，此发明受反应平衡限制，转化率较低，且尾气中通常含有大量的CO、CO₂等气体，仍需进一步处理，否则将造成新的环境问题。中国专利ZL 200510022208.4公开了一种煤层气制备氢气的方法，即使用了水蒸气重整的方法利用煤层气制备氢气，该发明仅适用于甲烷含量26％-70％的煤层气制氢，反应产物中存在CO、CO₂以及未反应完全的甲烷。中国专利ZL 201711339654.7公开了一种煤层气脱氧制氢装置及方法，先利用脱氧催化剂使煤层气脱氧，然后利用CO将高价态的金属氧化物还原，最后利用还原得到的金属或低价态金属氧化物和水蒸气将煤层气转化为氢气和CO₂。然而，该发明将产生的CO₂直接排入大气中，环境问题仍然存在。

煤层气裂解制氢则是将甲烷等含碳气源在高温下催化分解为氢气和碳材料，过程中不会排放CO和CO₂，是煤层气零排放利用的最佳选择。中国发明专利ZL 200810119203.7公开了一种低温催化裂解甲烷制备氢气与纳米碳的方法，在催化剂存在的条件下，使裂解时放热的烃类与甲烷(裂解吸热)进行同时催化裂解，生成氢气和纳米碳产品。然而，该发明以甲烷为原料且反应过程中必须加入裂解放热的烃类气体，成本较高；生成的氢气中仍含有甲烷成分，纯度低；催化剂无法重复利用，能耗较高。中国发明专利ZL 20171020576.0公开了一种熔融盐中催化裂解甲烷制备氢气的方法及实现该方法的装置，利用催化剂催化甲烷裂解生产富氢气体和固体碳，经气固分离器将得到氢气及固体碳。然而，该发明利用熔融盐进行气固分离，为防止熔融盐凝固，需要较高的能耗，并且为防止熔融盐冷凝堵塞管路，装置需特殊设计；生成的固体碳与熔融盐、催化剂等混合在一起，即使固液分离后，纯度仍较低。中国发明专利ZL 202010241533.4公开的一种天然气或煤层气催化裂解制氢的装置和方法，将煤层气催化裂解制备氢气和碳材料。但是，该发明采用熔融金属、熔融合金、金属氧化物、炭材料及稀土复合物的一种或几种作为催化剂，需先将催化剂加热至熔融或高温状态，能量消耗高；煤层气裂解反应发生在高气压条件(1～10bar)、中低气温(450～950℃)的条件下，反应效率低；在主反应装置外还需另加气固分离装置，装置整体结构复杂。

发明内容

为了克服以上不足，本发明旨在提供一种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。

本发明的技术原理为：等离子体反应装置主要由等离子体激发源、真空反应腔体、接料盘构成，其中等离子体激发源是热灯丝、微波电磁场、直流等离子体喷射电弧的一种。