中闪净零制氢炉的制作方法

1.本发明创造属于节能减排设备领域，尤其是涉及一种中闪净零制氢炉。


背景技术：

2.ch4的温室效应是等物质的量的co2的28
‑
36倍。地壳浅层特别是北极冻土层是天然甲烷储藏库，地壳运功和全球变暖都会导致甲烷释放，甲烷释放又会加速全球变暖。制止甲烷向大气中排放的最好办法就是以大规模生产的方式把甲烷用掉，而又不向大气中排放二氧化碳。
3.天然气的主要成分是甲烷，在工业上一个重要的应用是制氢。目前工业上主流的以天然气或煤炭为原料大规模制取氢气的工艺，都存在着氢气生产成本高、二氧化碳排放量大的问题，其中，现有的天然气制氢工艺通常采用固体催化剂，还存在催化剂失活及效率不高的问题，影响产能的进一步扩大。氢气生产的高成本，高排放抑制了氢能在冶金、电动汽车等领域的大规模商用，无法满足碳中和经济的最终要求，即实现二氧化碳的净零排放。
4.因此，开发一种可用于以天然气为原料，实现低成本、零碳排放的制氢工艺的设备就成为一个亟待解决的问题


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明创造旨在提出一种以天然气为原料，可实现低成本、零碳排放制氢的中闪净零制氢炉，以解决上述问题。
6.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
7.一种中闪净零制氢炉，包括熔池及设于所述熔池顶部并与所述熔池连通的烟道，所述熔池的侧壁或底部设有天然气喷枪、氢氧烧嘴、炭黑抽出口、加料口及排渣口；所述天然气喷枪和所述排渣口位于的所述炭黑抽出口的下方，所述加料口位于远离所述排渣口的一端。
8.熔池内腔从下至上分布有熔体层和炭黑层。熔体的成分主要由氧化物构成，如cao、feo、mno、mgo、al2o3、sio2、p2o5、fe2o3等，除氧化物外，熔渣还可能含有少量其他类型的化合物甚至金属，如氟化物(caf2)、氯化物(nacl、kcl)、硫酸盐等，熔体可能还包含ni、co、ru、rh、ir、pt、pd等过渡族金属或贵金属的单质或者合金，它们对甲烷的裂解有催化作用。为了降低生产成本，熔体可以直接采用冶金渣，例如采用高炉炼铁或红土镍矿冶炼后的废渣添加适当的催化剂组成。喷入熔体内的甲烷裂解生成的炭黑，在浮出熔体后，形成一层炭黑层。
9.天然气喷枪用于向熔体层内喷入天然气，为制氢过程提供原料。氢氧烧嘴用于向熔体层内喷入氢气和氧气并使二者燃烧，为熔池补充热量，使熔池内的熔体维持熔融状态。炭黑抽出口用于抽出炭黑层的炭黑。加料口用于向熔体内加入物料，物料熔融后是甲烷裂解的催化剂和热传递的媒介。排渣口用于排出活性降低的催化剂和熔体。
10.进一步的，所述氢氧烧嘴为浸入式烧嘴；所述氢氧烧嘴为单枪双通道结构，双通道
中的一个通道为氧气进入通道，另一个通道为氢气进入通道，或者所述氢氧烧嘴由氢气喷枪和氧气喷枪组合而成。
11.进一步的，所述炭黑抽出口处安装有炭黑抽取泵。
12.炭黑抽取泵深入熔池内的抽取管及其核心部件可以用碳化硅纤维的复核材料制成，以保证其在高温环境下的使用寿命。
13.进一步的，所述氢氧烧嘴的喷头位于所述天然气喷枪的喷头的下方，且所述氢氧烧嘴的喷头与所述天然气喷枪的喷头在竖直方向上的距离大于0.2m。需要说明的是：氢氧烧嘴和天然气喷枪都有若干个，在竖直方向上，其中最高的氢氧烧嘴的喷头的位置须低于最低的天然气喷枪喷头位置0.2m以上。
14.进一步的，所述烟道的内部或外壁上设有相互独立的冷介质流道一和冷介质流道二，所述冷介质流道一的出口端与所述氢氧烧嘴的氢气入口连接，所述冷介质流道二的出口端与所述氢氧烧嘴的氧气入口连接。
15.进一步的，所述烟道的内部或外壁上还设有与所述冷介质流道一和冷介质流道二相互独立的冷介质流道三，所述冷介质流道三位于所述冷介质流道一和冷介质流道二的上方，所述冷介质流道三的出口端与所述天然气喷枪入口连接。
16.本发明创造所述的中闪净零制氢炉用于制氢时的工艺流程及原理：
17.熔池内的熔体温度约为1000
‑
1500℃，通过天然气喷枪向熔体内喷入天然气，天然气进入高温的熔体环境后，快速升温，天然气中的烷烃(主要是ch4)在催化剂及高温的作用下，迅速裂解为炭黑和氢气，固态小颗粒的炭黑上浮至熔体表面，形成炭黑层。而氢气则上浮进入烟道，最终经烟道排出炉外，进入后续处理流程。
18.甲烷在熔体中拥有非常好的裂解环境，发生如下化学反应：
19.ch4→
c+2h220.甲烷裂解形成的炭黑层覆盖在熔体上部，是一种优质的隔热保护层，相当于给熔体盖上了一层厚被子，大大地减少了熔体的散热。炭黑层优选的厚度是20
‑
90cm，当炭黑层厚度过大时，可以通过炭黑抽取泵把炭黑抽出炉外，在隔氧状态下冷却得到炭黑。
21.甲烷裂解会吸收大量的热量，炉壁也会向外界辐射热量，为了向熔池内补充热量，需要通过氢氧烧嘴喷入氢气和氧气，使其充分燃烧后放热。熔体的温度由喷入的氢气及氧气的物质的量来控制，为使氧气彻底燃烧殆尽，须控制使氢氧烧嘴喷入的氢气稍过量。另外，氢氧烧嘴喷入的位置要低于天然气喷枪喷入熔体的位置，两者在竖直方向的距离要大于0.2m。以防止甲烷裂解产生的固碳与氧气有任何接触的可能性，避免有co及co2的产生。
22.根据制氢生产的需要，催化剂可动态的更换，即可以在生产过程中更换催化剂。当催化剂活性降低时，可通过排渣口排出熔体，同时或随后通过在加料口安装的加料设备向熔体内加入催化剂成分。
23.相对于现有技术，本发明创造所述的中闪净零制氢炉具有以下优势：
24.(1)本发明创造所述的中闪净零制氢炉结构设计合理，以天然气为原料，配合合理的制氢工艺，可实现低成本、零碳排放的氢气生产目标。
25.(2)本发明创造所述的中闪净零制氢炉的熔池内的液态熔体为反应提供了一个高温环境，天然气喷入熔体后，拥有非常好的裂解环境，可迅速升温并发生裂解反应；甲烷进入熔体后，与熔融状的催化剂充分接触，相对于传统甲烷催化的气固接触(采用固体催化
剂)，比表面积大了几个数量级，不但提高了催化效率和转化率，还使单位空间的处理量有了较大的提升，从而使单位氢气的生产成本和投资大大降低。
26.(3)本发明创造所述的中闪净零制氢炉的熔池内的炭黑层可避免熔池热量大量损耗，同时可充分回收烟气余热，降低了系统综合能耗，减小了生产成本。
27.(4)本发明创造所述的中闪净零制氢炉的排渣口及加料口的设计可实现催化剂的动态可替换，催化剂活性降低时，可通过排渣口排出熔体，同时或随后通过加料口向熔体内加入催化剂成分。
28.(5)本发明创造所述的中闪净零制氢炉可通过控制氢氧烧嘴喷入熔体的氢氧比例，使喷入的氧气燃烧殆尽，同时控制氢氧烧嘴喷入的位置低于天然气喷枪喷入的位置，防止甲烷裂解产生的固碳与氧气有任何接触的可能性，避免co及co2的产生，实现氢气生产的净零排放。
附图说明
29.构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
30.图1为本发明创造实施例1所述的中闪净零制氢炉的结构示意图；
31.图2为本发明创造实施例1所述的中闪净零制氢炉制氢的工艺流程示意图；
32.图3为本发明创造实施例2所述的中闪净零制氢炉的结构示意图；
33.图4为本发明创造实施例3所述的中闪净零制氢炉的结构示意图。
34.附图标记说明：
[0035]1‑
中闪净零制氢炉；2
‑
熔池；3
‑
烟道；4
‑
炭黑抽出口；5
‑
天然气喷枪；6
‑
排渣口；7
‑
加料口；8
‑
氢氧烧嘴；9
‑
炭黑抽取泵；10
‑
氧气进入通道；11
‑
氢气进入通道；12
‑
氧储存装置；13
‑
高温换热器；14
‑
除尘装置；15
‑
脱水装置；16
‑
风机；17
‑
氢气柜；18
‑
第一冷介质流道；19
‑
第二冷介质流道；20
‑
熔体层；21
‑
炭黑层；22
‑
冷介质流道一；23
‑
冷介质流道二；24
‑
冷介质流道三。
具体实施方式
[0036]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0038]
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件
内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
[0039]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
[0040]
实施例1
[0041]
如图1所示，中闪净零制氢炉1包括熔池2及设于熔池2顶部并与熔池2连通的烟道3，熔池2的侧壁由上到下分别设置有炭黑抽出口4、天然气喷枪5、排渣口6，与排渣口6相对的侧壁上设有加料口7，熔池2的底部设有氢氧烧嘴8；
[0042]
炭黑抽出口4处安装有炭黑抽取泵9；氢氧烧嘴8为浸入式烧嘴，单枪双通道结构，双通道中的一个通道为氧气进入通道10，另一个通道为氢气进入通道11。
[0043]
如图2所示，采用中闪净零制氢炉1制氢时的制氢系统包括氧储存装置12，通过管道依次连通的中闪净零制氢炉1的烟道出口、高温换热器13的热介质流道、除尘装置14、脱水装置15、风机16和氢气柜17；氢气柜17的出口端与高温换热器13的第一冷介质流道18入口端连通，第一冷介质流道18出口端与氢氧烧嘴8的氢气进入通道11连通；氧储存装置12的出口端与高温换热器13的第二冷介质流道19入口端连通，第二冷介质流道19出口端与氢氧烧嘴8的氧气进入通道10连通。
[0044]
制氢系统的工艺流程如下：
[0045]
天然气从天然气喷枪5喷入中闪净零制氢炉1的熔体层20中，在高温熔体环境及催化剂的作用下，甲烷快速裂解为氢气和炭黑，炭黑上浮至熔体表面，形成炭黑层21，氢气上浮后进入烟道3。炭黑通过炭黑抽取泵9抽出炉外，在氮气的保护下降至常温，得到优质的炭黑产品。氢氧烧嘴8不断地为熔池2提供热量，维持熔体的高温熔融状态。
[0046]
中闪净零制氢炉1的烟气出炉后，进入高温换热器13，经换热降温后，进入除尘装置14除尘，再经脱水装置15脱除其中的气态和液态水，最后经风机16引入氢气柜17存储。如有必要，可以通过氢气柜17连续向系统外部输出氢气。
[0047]
氢气柜17存储的氢气引出一部分进入高温换热器13，在换热升温后送入氢氧烧嘴8作为燃料。通过制氧设备制取的氧气存储于氧储存装置12中，氧储存装置12输送出部分氧气进入高温换热器13，在换热升温后送入氢氧烧嘴8作为助燃剂。
[0048]
实施例2
[0049]
如图3所示，在实施例1的基础上，与实施例1所述的中闪净零制氢炉1不同的是烟道3的内部或外壁上设有相互独立的冷介质流道一22和冷介质流道二23，冷介质流道一22的出口端与氢氧烧嘴8的氢气入口连接，冷介质流道二23的出口端与氢氧烧嘴8的氧气入口连接，即将烟道3作为换热装置，以制取的高温氢气为热媒，加热预备进入熔池2的氢气和氧气，可提高燃烧效率并回收烟气余热。
[0050]
制氢过程如下：
[0051]
氢气和氧气经过中闪净零制氢炉1的烟道3内的热介质预热后，喷入熔池2的中下部，充分燃烧并放出热量，为熔池2保温；同时，向熔体的中上部喷入天然气。天然气在进入熔体后，其中的烷烃迅速裂解为氢气和炭黑。生成的高温氢气进入烟道3，与预备喷入熔体的h2和o2换热降温后，排出炉外；而生成的炭黑上浮至熔体上部，形成炭黑层，当累积到一定厚度时，通过炭黑抽取泵9抽出中闪净零制氢炉1，并在氮气的保护下冷却至常温，得到高品质的炭黑。
[0052]
实施例3
[0053]
如图3所示，在实施例2的基础上，与实施例2所述的中闪净零制氢炉1不同的是烟道3的内部或外壁上还设有与冷介质流道一22和冷介质流道二23相互独立的冷介质流道三24，冷介质流道三24位于冷介质流道一22和冷介质流道二23的上方，冷介质流道三24的出口端与天然气喷枪5入口连接，即将烟道3作为换热装置，以制取的高温氢气为热媒，加热预备进入熔池2的氢气、氧气和天然气。
[0054]
需要说明的是：冷介质流道三24须设置在冷介质流道一22和冷介质流道二23的上方，使中闪净零制氢炉的高温尾气在先与氢气及氧气换热降温后，再与天然气换热，同时，选择合适的材料制作换热管道，使天然气换热后的温度小于600k，防止其裂解后积碳堵塞管道。
[0055]
制氢过程如下：
[0056]
氢气和氧气经过中闪净零制氢炉1的烟道3内的热介质预热后，喷入熔池2的中下部，充分燃烧并放出热量，为熔池2保温；同时，向熔体的中上部喷入预热后的天然气。天然气在进入熔体后，其中的烷烃迅速裂解为氢气和炭黑。生成的高温氢气进入烟道3，与预备喷入熔体的氢气、氧气及天然气换热后，排出炉外；而生成的炭黑上浮至熔体上部，形成炭黑层，当累积到一定厚度时，通过炭黑抽取泵9抽出中闪净零制氢炉1，并在氮气的保护下冷却至常温，得到高品质的炭黑。
[0057]
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。