一种变频微波催化甲烷裂解制氢的方法技术

本发明专利技术公开了一种变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，属于甲烷裂解制氢技术领域。该以甲烷为反应气，氮气为载气，气体自上而下通过填充有催化剂的石英管，催化剂为生物质基活性炭、稻壳炭、竹屑炭、Co3O4或Fe2O3中的任一种；微波频率为2450

【技术实现步骤摘要】
一种变频微波催化甲烷裂解制氢的方法


[0001]本专利技术属于甲烷裂解制氢
，具体涉及一种变频微波催化甲烷裂解制氢的方法。

技术介绍

[0002]氢能是理想的清洁环保的二次能源，可以作为热、电和交通工具燃料的能源供给实现利用途径的广泛性。其燃烧热值高，极大的提高了能源利用效率，且氢能所有的利用方式最终产物都是水，是典型的无碳能源。
[0003]甲烷直接裂解制氢是一种不生成含氧气体的清洁制氢工艺，产生的氢气纯度高，可用于质子膜燃料电池等。甲烷经高温直接分解为氢气和炭，在一定的工艺条件下可以同时得到氢气和碳纳米材料，具有广阔的应用前景。甲烷分子具有非常高的稳定性，不易与其他物质反应，难以直接裂解，高温下裂解速率也很低。引入催化剂可以有效地降低反应温度，提高反应速率，实现甲烷高效转化。
[0004]贵金属催化剂具有较好的催化活性，但是通常其价格昂贵，且活性位点会被积炭覆盖失活，利用蒸汽重整可以去除积碳，但该方法破坏催化剂结构的同时还会生成CO2，因此金属催化剂的稳定性较差，且重生利用难以实现。
[0005]碳基催化剂在反应过程中无杂质生成，积碳无需分离，且价格低廉、来源广泛，是具有广泛应用的催化剂之一，但同样面临高温积碳堵塞活性炭孔径而失活的问题。专利CN 111689467 B提供了一种活性炭催化剂在电加热条件下催化甲烷直接裂解制氢的方法，以活性炭为催化剂，在固定床反应器中进行气固相反应，反应温度900
‑
950℃。所述方法中甲烷最高转化率为65％左右，反应5min后急剧下降至45％左右，30min后转化率均低于20％。因此，目前甲烷裂解制氢的技术难题在于寻找一种甲烷转化率高、催化剂稳定性好的方法，同时实现催化剂的重生利用。
[0006]微波加热因加热速率快、传热均匀、具有热点效应和非热效应等增强反应效果的特点成为了甲烷裂解制氢的新型加热方式之一。然而，目前的微波发射频率一般为2450MHz，是水分子的本征频率，通过使微波和水分子“共振”实现快速加热。不同材料的本征频率不同，其吸波特性也有所差别，固定的微波频率难以实现多种催化材料的高速率加热和相对的极限高温。专利CN 110980639 B提供了一种镍基复合纳米结构催化剂在微波作用下催化甲烷直接裂解制氢的方法，以Ni/Mo2C/Y
‑
Al2O3为催化剂，在微波反应器中进行气固相反应，微波功率为300～900W。尽管通过调节不同催化剂参数和反应工况，可以实现一定程度的加热温度的提升和转化率的提高，但高功率下提升效果仍然不理想，另外催化剂的失活问题仍需解决。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种变频微波催化甲烷裂解直接制氢的方法，能提高反应速率，有效降低活化能从而提高甲烷转化率，
并使积碳催化剂重新使用，延长催化剂寿命。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0009]一种变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，以甲烷为反应气，以氮气为载气，气体自上而下通过填充有催化剂的石英管；催化剂为生物质基活性炭、稻壳炭、竹屑炭、Co3O4或Fe2O3中的任一种；微波频率为2450
‑
7100MHz，功率为125
‑
500W。
[0010]所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，催化剂为生物质基活性炭，微波频率为3400
‑
5700MHz，功率为300W
‑
475W；催化剂为稻壳炭，微波频率为4225MHz，功率为475W；催化剂为竹屑炭，微波频率为4410MHz，功率为475W；催化剂为Co3O4，微波频率为5570MHz，功率为475W；催化剂为Fe2O3，微波频率为4410MHz，功率为475W。
[0011]所述变频微波催化甲烷裂解直接制氢的方法，包括以下步骤：
[0012]第一步，在石英管中装填石英棉，将炭缓慢装入石英管内，装填石英棉固定；
[0013]第二步，将石英管接入反应系统，检查气密性，通入氮气吹扫反应系统并保持反应器为惰性气氛；
[0014]第三步，开启微波电源，将变频微波通过微波馈口输入微波谐振腔，炭吸收微波后开始升温，通过石英管轴截面的红外测温仪及热成像仪实时检测催化剂温度变化；
[0015]第四步：到达反应温度并保持稳定后，调节流量计控制甲烷和氮气按流量比3：2的比例通入反应器；
[0016]第五步：反应结束后，利用气体采样袋收集气态产物在气相色谱中离线分析。
[0017]所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，反应时间为100min，反应结束后得到积碳后的催化剂，以积碳后的催化剂为新一轮反应的催化剂，新一轮反应中以甲烷为反应气，以氮气为载气，气体自上而下通过填充有催化剂的石英管，反应时间为100min，反应结束后重复上述操作。
[0018]所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，催化剂为生物基活性炭，微波频率为5700MHz；对5700MHz条件下反应100min后的催化剂，改变微波频率为3600MHz；对3600MHz条件下反应100min后的催化剂，改变微波频率为4400MHz；对4400MHz条件下反应100min后的催化剂，改变微波频率为5525MHz。
[0019]所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，催化剂为稻壳炭，微波频率为4225MHz，对4225MHz条件下反应100min后的催化剂，改变微波频率为5700MHz。
[0020]所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，催化剂为竹屑炭，微波频率为4410MHz，对4410MHz条件下反应100min后的催化剂，改变微波频率为5525MHz。
[0021]所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，催化剂为Co3O4，微波频率为5570MHz，对5570MHz条件下反应100min后的催化剂，改变微波频率为4400MHz。
[0022]所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，催化剂为Fe2O3，微波频率为4410MHz，对4410MHz条件下反应100min后的催化剂，改变微波频率为5600MHz。
[0023]所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，生物基活性炭为含有质量分数为10％的木质素的酚醛树脂炭。
[0024]相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0025]1、本专利技术基于变频微波发射频率与催化剂本征频率共振的特性，改变微波频率以匹配多种催化剂的最佳吸收频率，通过共振升高温度并产生热点效应从而有效提高甲烷转
化率。与工业常用微波频率2450MHz相比，本专利技术基于生物质基活性炭的最佳吸收频率5700MHz，功率为475W时，甲烷转化率提高了129％，氢气选择性为100％；与电加热相比，温度为800℃，转化率高出77.3％，活化能降低50％。
[0026]2、对于积碳失活的催化剂，改变微波频率使其重新吸波达到循环使用的目的，解决了催化剂失活的问题。
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，其特征在于，以甲烷为反应气，以氮气为载气，气体自上而下通过填充有催化剂的石英管；催化剂为生物质基活性炭、稻壳炭、竹屑炭、Co3O4或Fe2O3中的任一种；微波频率为2450
‑
7100MHz，功率为125
‑
500W。2.根据权利要求1所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，其特征在于，催化剂为生物质基活性炭，微波频率为3400
‑
5700MHz，功率为300
‑
475W；催化剂为稻壳炭，微波频率为4225MHz，功率为475W；催化剂为竹屑炭，微波频率为4410MHz，功率为475W；催化剂为Co3O4，微波频率为5570MHz，功率为475W；催化剂为Fe2O3，微波频率为4410MHz，功率为475W。3.权利要求1所述变频微波催化甲烷裂解直接制氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，在石英管中装填石英棉，将活性炭缓慢装入石英管内，装填石英棉固定；第二步，将石英管接入反应系统，检查气密性，通入氮气吹扫反应系统并保持反应器为惰性气氛；第三步，开启微波电源，将变频微波通过微波馈口输入微波谐振腔，活性炭吸收不同频率微波后开始升温，通过石英管轴截面的红外测温仪及热成像仪实时检测催化剂温度变化；第四步：到达反应温度并保持稳定后，调节流量计控制甲烷和氮气按流量比3∶2的比例通入反应器；第五步：反应结束后，利用气体采样袋收集气态产物在气相色谱中离线分析。4.根据权利要求1所述变频微波催化甲烷裂解制氢的方法，其特征在于，反应时间为100min，反应结束后得到积碳后的催化剂，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋剑春，王佳，任菊荣，王傲，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：