一种联产氢气和碳纳米管的反应系统的制作方法

1.本实用新型属于氢气和碳纳米管联产技术领域，具体涉及一种联产氢气和碳纳米管的反应系统。

背景技术：

2.氢元素在地球上主要以化合物的形式存在于水和化石燃料中，而氢能作为一种二次能源，需要通过制氢技术进行“提取”。根据氢能生产来源和生产过程中的排放情况，人们将氢能分别命名为灰氢、蓝氢、绿氢。灰氢为煤制氢，蓝氢为天然气制氢，绿氢为风电制氢。从制氢成本来看，灰氢的成本最低，绿氢的成本最高。煤制氢依赖化石能源，无法避免碳排放。蓝氢的成本居中，碳排放较少，其工艺原理是天然气在转化炉中将甲烷和水蒸汽转化为一氧化碳和氢气等，再在变换塔中将一氧化碳变换成二氧化碳和氢气，二氧化碳需要被捕集和封存，也增加了成本。另外，还需要脱盐水装置、重整装置等，设备更为复杂，投资较高。
3.蓝氢目前在世界氢气制取市场为第一位，在我国，天然气制氢行业产量快速增长，2020年蓝氢规模达到458.9万吨。天然气制氢的成本主要由天然气价格决定，而我国天然气资源总量有限，且含硫量较高，需要预处理，所以天然气原料价格更高。同时，我国又面临着巨大的氢气需求问题。

技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是蓝氢制取时天然气原料需求量大且成本较高，以及如何利用其它化学反应产生的氢气的问题。
5.本实用新型提供一种联产氢气和碳纳米管的反应系统，包括依次连接的预热装置、碳纳米管反应器、尾气处理单元和氢气分离装置，所述碳纳米管反应器的出气口连接尾气处理单元，所述尾气处理单元包括彼此连接的尾气过滤装置和冷却装置，用于将碳纳米管反应器产生的尾气进行过滤和冷却；
6.所述尾气处理单元的出气口连接氢气分离装置的进气口，氢气分离装置还设有氢气出口和回收气出口，回收气出口通过管道连接预热装置的进气口，用于将氢气分离装置分离得到的含碳气体进行回收，并再次输入预热装置，用作碳纳米管反应器的原料。
7.可选的，所述预热装置包括预热腔及预热腔外部的第一热源，预热腔的进气口通过管道并联所述回收气出口和原料气进气管，原料气进气管用于输送新鲜的含碳气体，作为碳纳米管反应器的原料气。
8.进一步可选的，所述第一热源为第一燃烧器，第一燃烧器的进气端连接所述回收气出口和/或碳纳米管反应器的出气口。
9.可选的，所述碳纳米管反应器选自流化床、移动床、回转窑、立式搅拌设备、卧式搅拌设备中的一种；
10.所述碳纳米管反应器的一侧或一端设有原料气口和催化剂进口，用于输入原料含碳气体，原料气口连接所述预热腔的出气口；碳纳米管反应器的另一侧或另一端设有出气
口和出料口，用于输出尾气和碳纳米管产品；
11.所述碳纳米管反应器的外侧四周设有加热装置。
12.进一步可选的，所述加热装置包括第二热源，第二热源为第二燃烧器，第二燃烧器的进气端连接所述回收气出口和/或碳纳米管反应器的出气口。
13.可选的，所述尾气处理单元包括依次连接的尾气过滤装置和冷却装置，碳纳米管反应器的出气口连接尾气过滤装置的进口，尾气过滤装置的出口连接冷却装置的进口，冷却装置的出口即为尾气处理单元的出气口，连接氢气分离装置的进气口，使得碳纳米管反应器排出的尾气先过滤后冷却，再输入氢气分离装置。
14.进一步可选的，所述尾气过滤装置和冷却装置之间设置换热器，换热器的第一通道的两端分别连接尾气过滤装置的出口和冷却装置的进口，第二通道的两端分别连接氢气分离装置的回收气出口和预热装置的进气口。
15.进一步可选的，所述回收气出口与换热器第二通道的进口之间的管道上并联一个原料气进气管，原料气进气管内输送新鲜的含碳气体，可以作为碳纳米管反应器的原料气。
16.可选的，所述尾气处理单元包括依次连接的冷却装置和尾气过滤装置，碳纳米管反应器的出气口连接冷却装置的进口，冷却装置的出口连接尾气过滤装置的进口，尾气过滤装置的出口连接氢气分离装置的进气口，使得碳纳米管反应器排出的尾气先冷却后过滤，再输入氢气分离装置。
17.本实用新型所述联产氢气和碳纳米管的反应系统，具有以下有益效果：
18.(1)将含碳气体中的氢转化为氢气，碳转化为碳纳米管，大大减少蓝氢制氢过程中产生的温室气体co2，更环保，同时碳纳米管为高附加值的产品，增加收益；对碳纳米管反应器的尾气的利用，也减少了碳纳米管反应器的尾气处理成本；
19.(2)所述尾气过滤装置，能让含有大量粉尘的尾气在进入氢气分离装置之前，进行除尘，确保整个系统长时间稳定工作；
20.(3)所述冷却装置对尾气进行冷却，使得尾气的温度更适合氢气分离装置的分离处理，提高分离效率；
21.(4)所述氢气分离装置分离得到氢气和含碳气体，并将含碳气体进行回收，作为原料返回碳纳米管反应器，充分利用尾气，降低碳纳米管的生产成本。
附图说明
22.图1为一种联产氢气和碳纳米管的反应系统的结构示意图(一)；
23.图2为一种联产氢气和碳纳米管的反应系统的结构示意图(二)；
24.图3为另一种联产氢气和碳纳米管的反应系统的结构示意图。
25.附图中，1-预热装置，2-碳纳米管反应器，3-尾气过滤装置，4-冷却装置，5-换热器，6-氢气分离装置，7-氢气出口，8-回收气出口，9-原料气进气管，10-预热腔，11-第一热源，12-原料气口，13-催化剂进口，14-出料口，15-加热装置。
具体实施方式
26.本实施例提供一种联产氢气和碳纳米管的反应系统，如图1-图3所示，包括依次连接的预热装置1、碳纳米管反应器2、尾气处理单元和氢气分离装置6，所述碳纳米管反应器2
的出气口连接尾气处理单元，所述尾气处理单元包括彼此连接的尾气过滤装置3和冷却装置4，用于将碳纳米管反应器2产生的尾气进行过滤和冷却；
27.所述尾气处理单元的出气口连接氢气分离装置6的进气口，氢气分离装置6还设有氢气出口7和回收气出口8，回收气出口8通过管道连接预热装置1的进气口，用于将氢气分离装置6分离得到的含碳气体进行回收，并再次输入预热装置1，用作碳纳米管反应器2的原料。
28.可选的，所述预热装置1包括预热腔10及预热腔10外部的第一热源11，预热腔10的进气口通过管道并联所述回收气出口8和原料气进气管9，原料气进气管9用于输送新鲜的含碳气体，作为碳纳米管反应器2的原料气，氢气分离装置6得到的回收含碳气体与新鲜的含碳气体一同输入预热装置1进行预热。
29.进一步可选的，所述第一热源11为第一燃烧器，第一燃烧器的进气端连接所述回收气出口8和/或碳纳米管反应器2的出气口，从氢气分离装回收的含碳气体和/或碳纳米管反应器2的高温尾气作为第一燃烧器的可燃性气体原料，点火后燃烧产热，用于加热预热腔10内的气体。
30.可选的，所述碳纳米管反应器2选自流化床、移动床、回转窑、立式搅拌设备、卧式搅拌设备中的一种；
31.所述碳纳米管反应器2的一侧或一端设有原料气口12和催化剂进口13，用于输入原料含碳气体，原料气口12连接所述预热腔10的出气口；碳纳米管反应器2的另一侧或另一端设有出气口和出料口14，用于输出尾气和碳纳米管产品；
32.所述碳纳米管反应器2的外侧四周设有加热装置15，用于为碳纳米管反应器2内的化学气相沉积反应提供热量。
33.进一步可选的，所述加热装置15包括第二热源，第二热源为第二燃烧器，第二燃烧器的进气端连接所述回收气出口8和/或碳纳米管反应器2的出气口，从氢气分离装回收的含碳气体和/或碳纳米管反应器2的高温尾气作为第二燃烧器的可燃性气体原料，点火后燃烧产热。
34.进一步可选的，所述碳纳米管产品选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种。
35.可选的，所述尾气处理单元包括依次连接的尾气过滤装置3和冷却装置4，碳纳米管反应器2的出气口连接尾气过滤装置3的进口，尾气过滤装置3的出口连接冷却装置4的进口，冷却装置4的出口即为尾气处理单元的出气口，连接氢气分离装置6的进气口，使得碳纳米管反应器2排出的尾气先过滤后冷却，再输入氢气分离装置6。
36.进一步可选的，所述尾气过滤装置3和冷却装置4之间设置换热器5，换热器5的第一通道的两端分别连接尾气过滤装置3的出口和冷却装置4的进口，第二通道的两端分别连接氢气分离装置6的回收气出口8和预热装置1的进气口。从氢气分离装置6回收的含碳气体温度较低，碳纳米管反应器2内为高温反应，产生的尾气温度较高，两种气体在换热器5内进行热交换，充分利用系统热量，为回收的含碳气体加热，节约能耗。
37.进一步可选的，所述回收气出口8与换热器5第二通道的进口之间的管道上并联一个原料气进气管9，原料气进气管9用于输送新鲜的含碳气体，可以作为碳纳米管反应器2的原料气。将氢气分离装置6回收的含碳气体和新鲜的含碳气体混合后输入换热器5进行换
热，利用热能，再一同输入预热装置1。
38.可选的，所述尾气处理单元包括依次连接的冷却装置4和尾气过滤装置3，碳纳米管反应器2的出气口连接冷却装置4的进口，冷却装置4的出口连接尾气过滤装置3的进口，尾气过滤装置3的出口连接氢气分离装置6的进气口，使得碳纳米管反应器2排出的尾气先冷却后过滤，再输入氢气分离装置6。
39.所述第一燃烧器和第二燃烧器为本领域常规的气体燃烧装置。所述换热器5为列管式换热器或板式换热器。所述尾气过滤装置3选自袋式除尘器、旋风除尘器、重力除尘器、静电除尘器其中之一。所述氢气分离装置6选自变压吸附装置、膜分离设备其中之一。所述冷却装置4为常规的空冷或水冷装置。
40.可选的，所述含碳气体选自天然气、沼气、乙烯、丙烯、液化石油气、煤层气、垃圾填埋气中的一种或几种。所述含碳气体也可以是乙醇、丙酮、苯、甲苯、轻质石脑油汽化后的蒸汽。
41.所述的联产氢气和碳纳米管的反应系统，新鲜的含碳气体和回收的含碳气体进入预热装置1被预热，然后进入碳纳米管反应器2，在催化剂和高温作用下进行化学气相沉积反应，产生碳纳米管粉体和尾气。蓝氢制氢普遍采用中压反应，压力在1.2mpag以上，而碳纳米管反应器2的制氢反应为常压，能耗减少、安全性提高。该尾气经过尾气过滤装置3和冷却装置4的处理，冷却至不高于40℃。由于变压吸附制氢的吸附过程中，温度越高吸附剂的吸附能力越弱，所以要控制进入变压吸附装置的尾气温度不高于40℃。尾气冷却后进入氢气分离装置6，分离得到氢气和回收的含碳气体，其中回收的含碳气体被再次引入预热装置1，再进入碳纳米管反应器2循环使用。

技术特征：

1.一种联产氢气和碳纳米管的反应系统，其特征在于，包括依次连接的预热装置、碳纳米管反应器、尾气处理单元和氢气分离装置，所述碳纳米管反应器的出气口连接尾气处理单元，所述尾气处理单元包括彼此连接的尾气过滤装置和冷却装置，用于将碳纳米管反应器产生的尾气进行过滤和冷却；所述尾气处理单元的出气口连接氢气分离装置的进气口，氢气分离装置还设有氢气出口和回收气出口，回收气出口通过管道连接预热装置的进气口，用于将氢气分离装置分离得到的含碳气体进行回收，并再次输入预热装置，用作碳纳米管反应器的原料。2.根据权利要求1所述的联产氢气和碳纳米管的反应系统，其特征在于，所述预热装置包括预热腔及预热腔外部的第一热源，预热腔的进气口通过管道并联所述回收气出口和原料气进气管，原料气进气管用于输送新鲜的含碳气体，作为碳纳米管反应器的原料气。3.根据权利要求2所述的联产氢气和碳纳米管的反应系统，其特征在于，所述第一热源为第一燃烧器，第一燃烧器的进气端连接所述回收气出口和/或碳纳米管反应器的出气口。4.根据权利要求2所述的联产氢气和碳纳米管的反应系统，其特征在于，所述碳纳米管反应器选自流化床、移动床、回转窑、立式搅拌设备、卧式搅拌设备中的一种；所述碳纳米管反应器的一侧或一端设有原料气口和催化剂进口，用于输入原料含碳气体，原料气口连接所述预热腔的出气口；碳纳米管反应器的另一侧或另一端设有出气口和出料口，用于输出尾气和碳纳米管产品；所述碳纳米管反应器的外侧四周设有加热装置。5.根据权利要求4所述的联产氢气和碳纳米管的反应系统，其特征在于，所述加热装置包括第二热源，第二热源为第二燃烧器，第二燃烧器的进气端连接所述回收气出口和/或碳纳米管反应器的出气口。6.根据权利要求1所述的联产氢气和碳纳米管的反应系统，其特征在于，所述尾气处理单元包括依次连接的尾气过滤装置和冷却装置，碳纳米管反应器的出气口连接尾气过滤装置的进口，尾气过滤装置的出口连接冷却装置的进口，冷却装置的出口连接氢气分离装置的进气口，使得碳纳米管反应器排出的尾气先过滤后冷却，再输入氢气分离装置。7.根据权利要求6所述的联产氢气和碳纳米管的反应系统，其特征在于，所述尾气过滤装置和冷却装置之间设置换热器，换热器的第一通道的两端分别连接尾气过滤装置的出口和冷却装置的进口，第二通道的两端分别连接氢气分离装置的回收气出口和预热装置的进气口。8.根据权利要求7所述的联产氢气和碳纳米管的反应系统，其特征在于，所述回收气出口与换热器第二通道的进口之间的管道上并联原料气进气管，原料气进气管内输送新鲜的含碳气体，作为碳纳米管反应器的原料气。9.根据权利要求1所述的联产氢气和碳纳米管的反应系统，其特征在于，所述尾气处理单元包括依次连接的冷却装置和尾气过滤装置，碳纳米管反应器的出气口连接冷却装置的进口，冷却装置的出口连接尾气过滤装置的进口，尾气过滤装置的出口连接氢气分离装置的进气口，使得碳纳米管反应器排出的尾气先冷却后过滤，再输入氢气分离装置。

技术总结

本实用新型涉及一种联产氢气和碳纳米管的反应系统，包括依次连接的预热装置、碳纳米管反应器、尾气处理单元和氢气分离装置，所述碳纳米管反应器的出气口连接尾气处理单元，所述尾气处理单元包括彼此连接的尾气过滤装置和冷却装置，用于将碳纳米管反应器产生的尾气进行过滤和冷却；所述尾气处理单元的出气口连接氢气分离装置的进气口，氢气分离装置还设有氢气出口和回收气出口，回收气出口通过管道连接预热装置的进气口，用于将氢气分离装置分离得到的含碳气体进行回收，并再次输入预热装置，用作碳纳米管反应器的原料。用作碳纳米管反应器的原料。用作碳纳米管反应器的原料。