[发明专利]甲烷重整反应系统

说明书

本公开提供了一种甲烷重整反应系统，包括：反应腔室、氢气分离腔室和二氧化碳分离腔室。反应腔室，用于甲烷与水蒸气发生甲烷重整反应；氢气分离腔室与反应腔室之间设置透氢膜，氢气分离腔室上设置第一出口，用于分离反应腔室中产生的氢气；二氧化碳分离腔室与反应腔室之间设置透二氧化碳膜，二氧化碳分离腔室上设置第二出口，用于分离反应腔室中产生的二氧化碳；其中，氢气分离腔室中氢气的化学势小于反应腔室中甲烷重整反应化学平衡状态下氢气的化学势；二氧化碳分离腔室中二氧化碳的化学势小于反应腔室中甲烷重整反应化学平衡状态下二氧化碳的化学势。

技术领域

本公开属于新能源技术领域，具体涉及一种甲烷重整反应系统。

背景技术

随着传统能源消耗量的加剧以及随之而来的环境污染愈发严重，可再生能源日益引起世界各国和研究机构的重视。氢气是一种能量密度很高的能源，而且可以通过分解地球上储量极其丰富的水制取，又可以依靠化石能源中储量较多的天然气重整制取，因此氢气作为清洁能源日益成为研究的热点。相比于传统的电解水制氢以及化工原料催化制氢，通过产物分离的甲烷重整化学反应系统制氢可以利用核能、工业废热或新能源如太阳能为能量来源，减少电能和化石能源的使用，同时获得二氧化碳纯净产物，对于实现能源的可持续发展具有重要意义。

利用中温下甲烷重整反应吉布斯自由能降低、透氢膜材料仅传导氢离子的特点，已经发展了多种利用膜材料甲烷重整制取氢气的方法。然而，目前采用的多是在中高温下利用透氢膜将甲烷重整后的氢气分离出体系，从而回收氢气的方法。但是，这种方法中，将导致透氢膜管内二氧化碳浓度过高，会抑制甲烷重整反应的进一步进行，从而降低了甲烷的转化率。这些因素共同作用，导致现有技术甲烷重整制取氢气的装置的甲烷重整产量有限，产氢效率较低，系统的热能至化学能的转换效率很低。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种甲烷重整反应系统，以期至少部分地解决技术问题。

本公开的一个方面提供了一种甲烷重整反应系统，包括：反应腔室、氢气分离腔室和二氧化碳分离腔室。反应腔室，用于甲烷与水蒸气发生甲烷重整反应；氢气分离腔室与反应腔室之间设置透氢膜，氢气分离腔室上设置第一出口，用于分离反应腔室中产生的氢气；二氧化碳分离腔室与反应腔室之间设置透二氧化碳膜，二氧化碳分离腔室上设置第二出口，用于分离反应腔室中产生的二氧化碳；其中，氢气分离腔室中氢气的化学势小于反应腔室中甲烷重整反应化学平衡状态下氢气的化学势；二氧化碳分离腔室中二氧化碳的化学势小于反应腔室中甲烷重整反应化学平衡状态下二氧化碳的化学势。

根据本公开实施例，第一出口与第二出口的出口朝向不同。

根据本公开实施例，第一出口连接第一真空泵；第二出口连接第二真空泵。

根据本公开实施例，第一出口连接外部供热装置，用于将氢气分离腔室中的氢气燃烧，为外部供热装置提供热量。

根据本公开实施例，氢气分离腔室、二氧化碳分离腔室均连接惰性气体输入装置。

根据本公开实施例，透氢膜靠近氢气分离腔室一侧设置第一电位，透氢膜靠近反应腔室一侧设置第二电位；透二氧化碳膜靠近二氧化碳分离腔室一侧设置第三电位；透二氧化碳膜靠近反应腔室一侧设置第四电位；其中，第一电位小于第二电位；第三电位小于第四电位。

根据本公开实施例，第二电位与第一电位的差ΔV1的取值范围为：0V＜ΔV1≤500V；第四电位与第三电位的差ΔV2的取值范围为：0V＜ΔV2≤500V。

根据本公开实施例，氢气分离腔室内设置吸附氢气的物质，二氧化碳分离腔室内设置吸附二氧化碳的物质。

根据本公开实施例，吸附氢气的物质包括以下至少之一：活性炭、石墨纳米纤维、碳纳米管；吸附二氧化碳的物质包括以下至少之一：水滑石、氢氧化锂吸附剂。