[发明专利]一种碳烃燃料等离子体催化链式制氢的方法

权利要求书

1.一种碳烃燃料等离子体催化链式制氢装置，其特征在于，包括滑动弧等离子体催化反应器（1）和链式制氢反应器（2），滑动弧等离子体催化反应器（1）的出口（1-4）与链式制氢反应器（2）的入口（2-4）相连，链式制氢反应器（2）的出口（2-5）与冷凝器（3）的入口（3-1）相连。

2.根据权利要求1所述的碳烃燃料等离子体催化链式制氢装置，其特征在于：所述滑动弧等离子体催化反应器（1）包括滑动弧等离子体重整模块（1-1）和热催化重整模块（1-2）；滑动弧等离子体重整模块（1-1）与滑动弧等离子体催化反应器（1）的气体入口（1-3）连通，链式制氢反应器（2）包括Ni/Fe载氧体催化还原模块（2-1）、制氢（2-2）模块和氧化模块（2-3）。

3.一种碳烃燃料等离子体催化链式制氢方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1：滑动弧等离子体催化：在滑动弧等离子体催化反应器（1）中进行，滑动弧等离子体催化过程包括滑动弧等离子体重整和热催化重整两个阶段；

S2：链式制氢：链式制氢过程在链式制氢反应器（2）中进行，采用Ni/Fe载氧体作为链式制氢过程氧载体；链式制氢过程包括Ni/Fe载氧体催化还原、制氢和氧化三个阶段；

在催化还原阶段，Ni/Fe载氧体金属氧化物与链式制氢反应器（2）的入口（2-4）进入的CO、H₂和小分子碳氢化合物（b）反应，生成气体产物CO₂和水蒸气（c），Ni/Fe载氧体被还原至单质Ni和Fe/FeO，CO₂和水蒸气（c）通过冷凝器（3）冷凝水蒸汽，并获得纯净的CO₂（h）；制氢阶段，链式制氢反应器（2）的入口（2-4）通入水蒸汽（d），Fe/FeO与水蒸汽（d）反应生成Fe₃O₄，气体产物包括H₂和水蒸气（e），H₂和水蒸气（e）通过冷凝器（3）冷凝水蒸汽，并获得纯净的H₂（i）；氧化阶段，链式制氢反应器（2）的入口（2-4）通入空气（f），Fe₃O₄和Ni被空气（f）中的氧化充分氧化，实现载氧体再生；

完成碳烃燃料等离子体催化链式制氢。

4.根据权利要求3所述碳烃燃料等离子体催化链式制氢方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：碳烃燃料与氧化性气体（a）从滑动弧等离子体催化反应器（1）气体入口（1-3）进入；在滑动弧等离子体重整阶段（1-1），碳烃燃料和水蒸气被放电等离子体加热，碳烃燃料和水蒸气转化为小分子碳氢化合物；未反应的碳烃燃料和氧化性气体进入热催化重整阶段，发生热催化重整反应，由于热催化重整为强吸热反应，碳烃燃料和水蒸气完全转化至CO、H₂和小分子碳氢化合物（b）。

5.根据权利要求4所述的碳烃燃料等离子体催化链式制氢方法，其特征在于：所述步骤S1中，滑动弧等离子体催化反应器（1）气体入口氧化性气体包含水蒸气、O₂和CO₂。

6.根据权利要求4所述的碳烃燃料等离子体催化链式制氢方法，其特征在于：所述步骤S1中，滑动弧等离子体催化反应器（1）热催化重整（1-2）采用的催化剂活性组分为金属Ni、Pt和Cu；催化剂载体为Al₂O₃、MgAl₂O₃、ZrO₂和TiO₂。

7.根据权利要求4所述的碳烃燃料等离子体催化链式制氢方法，其特征在于：滑动弧等离子体催化反应器（1）为间隙操作，仅在链式制氢反应器（2）催化还原阶段时开启，滑动弧等离子体催化反应器（1）为链式制氢反应器（2）催化还原阶段提供还原性气体CO、H₂和小分子碳氢化合物（b）。

8.根据权利要求4所述的碳烃燃料等离子体催化链式制氢方法，其特征在于：所述步骤S1：碳烃燃料和水蒸气被放电等离子体加热至800～1000℃，碳烃燃料转化率为40～50%；CO、H₂和小分子碳氢化合物（b）的气体温度降低至600～700℃。