[发明专利]一种聚光吸热器-鼓泡式反应器耦合的甲烷裂解制氢装置及方法

权利要求书

1.一种聚光吸热器-鼓泡式反应器耦合的甲烷裂解制氢装置，其特征在于，包括自内向外依次设置的聚光太阳能吸收区（1）、鼓泡式反应区（2）；所述聚光太阳能吸收区（1）为顶部开口的柱形空腔，聚光太阳能竖直向下从顶部开口（5）进入空腔，其侧壁（6）内壁面涂有用以吸收太阳能的涂层，且侧壁（6）采用高导热材料，便于所吸收热量通过侧壁（6）传递给鼓泡式反应区（2）；所述鼓泡式反应区（2）内填充金属锡，其底部设有用于甲烷气泡输入的喷嘴（8），其外壁上部设有供气体和碳纳米颗粒溢出的环形孔洞（17）；

所述鼓泡式反应区（2）的外围设有过渡区（3），鼓泡式反应区（2）通过环形孔洞（17）与过渡区（3）连通；所述过渡区（3）的底部设有取碳口（12），其外壁底部设有供气体流出的环形缺口（11），过渡区（3）的内壁面（18）和外壁面（19）均采用低导热材料，便于维持装置沿径向的温度梯度；

所述过渡区（3）的外围设有放热区（4），过渡区（3）通过环形缺口（11）与放热区（4）连通；放热区（4）的外壁设有换热装置，放热区（4）的顶部设有气体出口（16）；

所述换热装置包括自上而下设置于放热区（4）的外壁面（13）外侧的螺旋换热管（14），螺旋换热管（14）的顶部通低温加压水，水向下流动过程中吸收外壁面（13）输出的热量并转换为水蒸气，从螺旋换热管（14）的底部流出。

2.根据权利要求1所述的一种聚光吸热器-鼓泡式反应器耦合的甲烷裂解制氢装置，其特征在于，所述气体出口（16）连接用于分离氢气和甲烷的气体分离装置。

3.根据权利要求1所述的一种聚光吸热器-鼓泡式反应器耦合的甲烷裂解制氢装置，其特征在于，所述取碳口（12）呈周向阵列布置，每个取碳口（12）的出口处均设置有阀门（15），阀门（15）连接真空泵，在非取碳时处于关闭状态，当需要取碳时，阀门（15）接真空泵并将过渡区（3）底部滞留的碳纳米颗粒抽出。

4.基于权利要求1所述甲烷裂解制氢装置的甲烷裂解制氢方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：太阳能经吸收区（1）侧壁（6）吸收太阳能转换为热量；热量经过侧壁（6）导入鼓泡式反应区（2）并将鼓泡式反应区（2）内的金属锡加热到1000摄氏度以上的液态状；

步骤2：甲烷气体从鼓泡式反应区（2）的底部的喷嘴（8）进入，以气泡形式在鼓泡式反应区（2）中上升，上升过程中吸热并裂解为固态碳纳米颗粒和氢气；

步骤3：从环形孔洞（17）出来的氢气以及未反应的甲烷气体组成的混合气体携带碳纳米颗粒从环形孔洞（17）溢出。

5.根据权利要求4所述的甲烷裂解制氢方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤4：混合气体进入鼓泡式反应区（2）外围的过渡区（3），从过渡区（3）外壁底部的环形缺口（11）进入过渡区（3）外围的放热区（4）；

步骤5：在放热区（4）中，混合气体将热量通过其外壁面（13）传递给外壁面（13）外侧布置的换热装置，然后从放热区（4）顶部的气体出口（16）流出装置，进入气体分离装置，分离出氢气和甲烷；

步骤6：固体碳纳米颗粒在鼓泡式反应区（2）上部聚集，然后从环形孔洞（17）进入过渡区（3），聚集在过渡区（3）底部，从过渡区（3）底部的取碳口（12）取出。