一种利用废塑料的连续催化制氢系统及方法

1.本发明属于废弃物资源回收技术领域，具体涉及一种利用废塑料的连续催化制氢系统及方法。


背景技术：

2.塑料作为我们现如今生活不可或缺的材料之一，带来便利的同时也产生了诸多难以处理的问题，比如，回收，分类，转化再利用等。废塑料常用的转化方式为热解转化，即将塑料制品转化为一系列的有机物，实现废物再利用。但目前来说，传统的催化降解方式，整体的选择性和收率都相对较低，消耗大量能量的同时，却难以实现高效的利用。此外，传统的催化降解系统，其反应器内的催化剂使用一段时间后，即会被热解反应生成的积碳附着，发生失活，无法实现连续制氢。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中废塑料的催化制氢技术无法实现连续制氢的缺陷，提供了一种利用废塑料的连续催化制氢系统及方法，其通过设置至少2个催化制氢反应器，并使2个催化制氢反应器交替制氢和交替进行催化剂再生，从而实现了连续制氢工作。
4.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：技术方案一：一种废塑料连续催化制氢系统，包括多个催化制氢反应器，所述催化制氢反应器包括罐体、设置于所述罐体侧壁上的微波发生器，设置于所述罐体内的催化剂，设置于所述罐体底部的进气口，设置于所述罐体顶部的排气口和塑料投料口，以及设置于所述塑料投料口处的投料控制阀，所述进气口通过进气管道和三通连通有氮气进气管和二氧化碳进气管，多个所述催化制氢反应器的氮气进气管通过氮气多通流量阀连通有氮气供气管道，所述氮气供气管道的另一端设置有氮气源，多个所述催化制氢反应器的二氧化碳进气管通过二氧化碳多通流量阀连通有二氧化碳供气管道，所述二氧化碳供气管道的另一端设置有二氧化碳气源，所述排气口通过排气三通流量阀连通有氢气排气管和一氧化碳排气管。
5.进一步的，所述催化剂采用过渡族金属材料及其复合金属氧化物。
6.进一步的，所述罐体的下部还设置有气体布风板。
7.进一步的，多个催化制氢反应器的氢气排气管通过氢气管道连通有氢气收集罐，多个催化制氢反应器的一氧化碳排气管通过一氧化碳管道连通有一氧化碳收集罐。
8.更进一步的，所述氢气管道上设置有氢气传感器，所述一氧化碳管道上设置有一氧化碳传感器。
9.更进一步的，所述投料控制阀、氮气多通流量阀、二氧化碳多通流量阀和排气三通流量阀均采用电磁控制阀。
10.更进一步的，还包括控制系统和存储系统，所述控制系统分别与所述投料控制阀、
氮气多通流量阀、二氧化碳多通流量阀和排气三通流量阀通信连接，所述控制系统分别通过所述存储系统与所述一氧化碳传感器和所述氢气传感器通信连接。
11.进一步的，多个催化制氢反应器中，至少2个催化制氢反应器交替制氢、且交替进行催化剂再生，交替制氢、且交替进行催化剂再生的2个催化制氢反应器分别为第一催化制氢反应器和第二催化制氢反应器。
12.技术方案二：一种利用所述废塑料连续催化制氢系统进行连续制氢的方法，具体包括如下步骤：步骤一、当第一催化制氢反应器和第二催化制氢反应器均为第一次运行时，第一催化制氢反应器进入制氢模式进行首次制氢，第二催化制氢反应器空置；步骤二、第一催化制氢反应器内的催化制氢反应结束后，第一催化制氢反应器进入催化剂的再生模式进行催化剂的再生，同时，第二催化制氢反应器进入制氢模式进行首次制氢；步骤三、第一催化制氢反应器内的催化剂再生完毕后，第一催化制氢反应器进入制氢模式进行再次制氢，而同时，第二催化制氢反应器内的制氢反应结束，进入催化剂再生模式进行催化剂再生，2个催化制氢反应器如此交替运行，实现连续制氢；进一步的，制氢模式的操作方法为：当催化制氢反应器内完成催化剂的再生后，则进入制氢模式，在再次制氢模式下，首先，调节氮气多通流量阀，使氮气进气管打开为制氢模式下的催化制氢反应器提供氮气；通过氮气吹扫处于制氢模式下的催化制氢反应器，至其内无一氧化碳气体或空气残留，然后打开投料控制阀，将废塑料颗粒投入处于制氢模式下的催化制氢反应器内后关闭投料控制阀，调节氮气多通流量阀增大处于制氢模式下的催化制氢反应器内的氮气进气量，在气流的作用下，催化剂与废塑料颗粒均匀混合；之后，调节氮气多通流量阀降低处于制氢模式下的催化制氢反应器的氮气进气量，然后，调节排气三通流量阀，使氢气排气管开通，一氧化碳排气管关闭，此时，在微波反应器的加热作用下，废塑料在催化剂的催化下，发生热解反应生成积碳和氢气，积碳附着于催化剂表面使催化剂失活或活性下降，而氢气则通过氢气管道收集于氢气储罐内；催化剂的再生模式的操作方法为：当催化制氢反应器完成一次制氢后，进入催化剂再生模式，催化剂再生模式，首先调节氮气多通流量阀使氮气进气管打开，通过氮气吹扫处于催化剂再生模式下的催化制氢反应器，使其内的氢气无残留，然后调节氮气多通流量阀和二氧化碳多通流量阀，使氮气进气管关闭、二氧化碳进气管打开，此时，向处于催化剂再生模式下的催化制氢反应器中通入二氧化碳气体，并调节排气三通流量阀，关闭氢气排气管道、打开一氧化碳排气管道，此时，在处于催化剂再生模式的催化制氢反应器内，在微波发生器的加热作用下，二氧化碳与附着于催化剂表面的积碳发生反应生成一氧化碳，并经一氧化碳排气管排放至一氧化碳收集罐内收集。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、本发明通过设置至少2个催化制氢反应器，并使2个催化制氢反应器交替制氢和交替进行催化剂再生，当其中一个催化制氢反应器处于制氢状态时，另一个进行催化剂的
再生为下一次制氢做准备，不仅实现了连续制氢工作，使得氢气可以连续不断的被收集，提高了制氢效率；还减少催化剂的转移所带来的损失，减少输送传运，密封等设备带来的昂贵投资。
14.2、本发明催化制氢反应器采用微波发生器进行制氢过程中物料的加热，实现低温高效制氢，降低能耗，提高产出，其相较于传统的加热方式而言，可以选择性的加热催化剂，降低了能源消耗的同时，还能够提高催化剂表面的局域温度；此外，本发明采用的微波加热方式，其产物以表面积碳和氢气为主，相较于传统加热方式而言，极大的减少了难以利用的油类物质的产出，实现了对催化的产物的选择性调节，提升氢气的转化率，提高了氢气收率及纯度，实现了塑料的再利用。
15.3、本发明通过氮气多通流量阀的开度，实现氮气流量的调节，并通过增大氮气流量，通过氮气气流的搅动，实现废塑料与催化剂的混合，以及气体产物的排出。
附图说明
16.图1为本发明一个实施例的结构示意图；图2为本发明另一个实施例的结构示意图；图3为本发明另一个实施例的结构示意图。
17.在图中：1、罐体、2、微波发生器，3、进气口，4、排气口，5、塑料投料口，6、投料控制阀，7、进气管道，8、三通，9、氮气进气管，10、二氧化碳进气管，11、氮气多通流量阀，12、氮气供气管道，13、氮气源，14、二氧化碳多通流量阀，15、二氧化碳供气管道，16、二氧化碳气源，17、排气三通流量阀，18、氢气排气管，19、一氧化碳排气管，20、气体布风板，21、过氢气管道，22、氢气收集罐，23、一氧化碳管道，24、一氧化碳收集罐，25、氢气传感器，26、一氧化碳传感器，27、控制系统，28、存储系统，29、第一催化制氢反应器，30、第二催化制氢反应器。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖 直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第 一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术 语在本发明中的具体含义。
21.以下结合附图对本发明进行进一步详细的叙述。
22.如图1所示的本发明一种废塑料连续催化制氢系统的一个实施例，包括多个催化
制氢反应器，所述催化制氢反应器包括罐体1、设置于所述罐体1侧壁上的微波发生器2，设置于所述罐体1内的催化剂，设置于所述罐体1底部的进气口3，设置于所述罐体1顶部的排气口4和塑料投料口5，以及设置于所述塑料投料口5处的投料控制阀6，所述进气口3通过进气管道7和三通8连通有氮气进气管9和二氧化碳进气管10，多个所述催化制氢反应器的氮气进气管9通过氮气多通流量阀11连通有氮气供气管道12，所述氮气供气管道12的另一端设置有氮气源13，多个所述催化制氢反应器的二氧化碳进气管10通过二氧化碳多通流量阀14连通有二氧化碳供气管道15，所述二氧化碳供气管道15的另一端设置有二氧化碳气源16，所述排气口4通过排气三通流量阀17连通有氢气排气管18和一氧化碳排气管19。
23.多个催化制氢反应器中，至少2个催化制氢反应器交替制氢、且交替进行催化剂再生，交替制氢、且交替进行催化剂再生的2个催化制氢反应器分别为第一催化制氢反应器29和第二催化制氢反应器30。本发明通过设置多个催化制氢反应器，并使2个催化制氢反应器交替制氢和交替进行催化剂再生，当其中一个催化制氢反应器处于制氢状态时，另一个进行催化剂的再生为下一次制氢做准备，从而实现了连续制氢工作，使得氢气可以连续不断的被收集，提高了制氢效率。
24.作为本发明一种废塑料连续催化制氢系统的一个实施例，所述催化剂采用过渡族金属材料及其复合金属氧化物等，比如fe2o3、fealo
x
、mnox等，其中x为整数。本发明采用过渡族金属材料作为催化剂，当配合微波发生器2进行物料的加热，其相较于传统的加热方式而言，可以选择性的加热催化剂，降低了能源消耗的同时，还能够提高催化剂表面的局域温度；此外，本发明采用的微波加热方式，其产物中主要为积碳和氢气，相较于传统加热方式而言，极大的减少了难以利用的油类物质的产出，实现了对催化的产物的选择性调节，提升氢气的转化率，提高了氢气收率及纯度，实现了塑料的再利用。
25.作为本发明一种废塑料连续催化制氢系统的一个实施例，所述罐体1的下部还设置有气体布风板20。
26.作为本发明一种废塑料连续催化制氢系统的一个实施例，如图3所示，多个催化制氢反应器的氢气排气管18通过氢气管道21连通有氢气收集罐22，多个催化制氢反应器的一氧化碳排气管19通过一氧化碳管道23连通有一氧化碳收集罐24。
27.作为本发明一种废塑料连续催化制氢系统的一个实施例，所述氢气管道上设置有氢气传感器25，所述一氧化碳管道23上设置有一氧化碳传感器26。本发明氢气传感器25的设置便于检测氢气管道中氢气的浓度，一氧化碳传感器26的设置便于检测一氧化碳管道23中一氧化碳的浓度。
28.进一步的，所述投料控制阀6、氮气多通流量阀11、二氧化碳多通流量阀14和排气三通流量阀17均采用电磁控制阀。
29.进一步的，如图2所示，还包括控制系统27和存储系统28，所述控制系统27分别与所述投料控制阀6、氮气多通流量阀11、二氧化碳多通流量阀14和排气三通流量阀17通信连接，所述控制系统27分别通过所述存储系统28与所述一氧化碳传感器26和所述氢气传感器25通信连接。本发明控制系统27的设置便于通过控制系统27接收一氧化碳传感器26和氢气传感器25检测的气体浓度，并根据气体的浓度判断反应进行的程度，从而给氮气多通流量阀11、二氧化碳多通流量阀14和排气三通流量阀17下达指令，控制相应阀门的关闭、开启以及流量调节。
30.进一步的，所述控制系统27采用plc控制系统27，所述存储系统28采用数据存储服务器，用于将一氧化碳传感器26和氢气传感器25测得的数据进行存储保存。
31.为了更好的理解本发明，本发明还公开了一种利用所述废塑料连续催化制氢系统进行连续制氢的方法，具体包括如下步骤：步骤一、当第一催化制氢反应器29和第二催化制氢反应器30均为第一次运行时，第一催化制氢反应器29进入制氢模式进行首次制氢，第二催化制氢反应器30空置；步骤二、第一催化制氢反应器29内的催化制氢反应结束后，第一催化制氢反应器29进入催化剂的再生模式进行催化剂的再生，同时，第二催化制氢反应器30进入制氢模式进行首次制氢；步骤三、第一催化制氢反应器29内的催化剂再生完毕后，第一催化制氢反应器29进入制氢模式进行再次制氢，而同时，第二催化制氢反应器30内的制氢反应结束，进入催化剂再生模式进行催化剂再生，2个催化制氢反应器如此交替运行，实现连续制氢；作为一种利用废塑料连续催化制氢系统进行连续制氢的方法的一个实施例，所述制氢模式的操作方法为：当催化制氢反应器内完成催化剂的再生后，则进入制氢模式，在再次制氢模式下，首先，调节氮气多通流量阀11，使氮气进气管9打开为制氢模式下的催化制氢反应器提供氮气；通过氮气吹扫处于制氢模式下的催化制氢反应器，至其内无一氧化碳气体或空气残留，然后打开投料控制阀6，将废塑料颗粒投入处于制氢模式下的催化制氢反应器内后关闭投料控制阀6，调节氮气多通流量阀11增大处于制氢模式下的催化制氢反应器内的氮气进气量，在气流的作用下，催化剂与废塑料颗粒均匀混合；之后，调节氮气多通流量阀11降低处于制氢模式下的催化制氢反应器的氮气进气量，然后，调节排气三通流量阀17，使氢气排气管18开通，一氧化碳排气管19关闭，此时，在微波反应器的加热作用下，废塑料在催化剂的催化下，发生热解反应生成积碳和氢气，积碳附着于催化剂表面使催化剂失活或活性下降，而氢气则通过氢气管道21收集于氢气储罐内；所述催化剂的再生模式的操作方法为：当催化制氢反应器完成一次制氢后，进入催化剂再生模式，催化剂再生模式，首先调节氮气多通流量阀11使氮气进气管9打开，通过氮气吹扫处于催化剂再生模式下的催化制氢反应器，使其内的氢气无残留，然后调节氮气多通流量阀11和二氧化碳多通流量阀14，使氮气进气管9关闭、二氧化碳进气管10打开，此时，向处于催化剂再生模式下的催化制氢反应器中通入二氧化碳气体，并调节排气三通流量阀17，关闭氢气排气管18道、打开一氧化碳排气管19道，此时，在处于催化剂再生模式的催化制氢反应器内，在微波发生器2的加热作用下，二氧化碳与附着于催化剂表面的积碳发生反应生成一氧化碳，并经一氧化碳排气管19排放至一氧化碳收集罐24内收集。
32.以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。