用于转化烃物质的体系和方法技术

本发明专利技术涉及一种转化煤和其他烃固态燃料原料的方法，所述方法包括使所述原料在第一段放热加氢热解反应区与富氢气流反应以产生甲烷。来自第一反应区的甲烷利用主要来自第一反应区的热在第二吸热反应区分解产生固态碳和富氢气体。在各反应区中促进所要反应程度的全部热仅由所述方法中的化学反应放出的热量提供。大部分气体自第二反应区再循环到第一反应区。回收氢气以产生电能以便降低二氧化碳排放。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】描述
技术介绍
本专利技术涉及一种用于使煤和其他固态烃物质主要转化为固态碳和气态氢的体系和方法。自所述方法回收的固态碳可用于多种产品中，包括结构材料、滤材和清洁燃料产品。氢主要用作清洁燃料以由燃料电池或专用燃气轮机/发电机组产生电。氢也可用作高价值化学加工原料或用于可移动发动机的便携式燃料。煤和甲烷水合物是最丰富的矿物能源，且是使世界能量生成从油和气转变为可不断再生的太阳能和核裂变/聚变能来源的最佳选择。甲烷水合物能量回收处于其初期且存在很大问题。煤燃烧和气化能量转化得到充分证明，但煤及其合成的烃产物的燃烧可对健康和环境有害。现在日益认识到烃燃料燃烧产生的二氧化碳对全球性气候改变的影响是能量产生和转化方面的关键因素。本专利技术的方法提出解决全球能源和气候改变的独特途径，包括1)通过强调煤中的氢格外有效地转化为电而极其显著地增加煤发电的利用率，因而实际上消除二氧化碳排放，和2)主要利用来自煤的碳作为结构产品(structural product)，选择储存所述碳为燃料，它比煤更清洁且它可在假如和在二氧化碳排放后果减小时使用。与本专利技术竞争的选择包括例如通过核反应器/发电(electric powergeneration)进行水电解以产生氢的方法，但是有净能量损失。其他方法通过直接燃烧将煤转化为气体或液体以便随后燃烧，其中来自所述方法的二氧化碳的分离(sequestering)成本高且在海洋或地下有危险性。这些方法的新进展强调在能量转化效率方面进行小规模改善以-->节约燃料，不过燃料节约可通过节能更好地解决。本专利技术的方法可在不释放二氧化碳的情况下且以较低成本产生能量。所述方法同时产生碳产品，它可作为优良结构砌块以比其他结构物品低的成本使用或可作为清洁燃料储存以便随后使用，所述清洁燃料实际上替代衍生它的煤。对于能量转化来说，使用更多煤增加的成本显著小于随后分离二氧化碳的成本。本专利技术的潜在缺点在于如果碳不转化为电，则为了产生相同量的电必须使用比释放二氧化碳的燃烧方法大两倍以上的量的煤和类似烃。这个缺点可通过利用较低成本、较低BTU、高硫或质次的煤来克服。使用氢直接产生电能或产热(仅有水作为副产物)的优势或方法是众所周知的。现在时兴应用固态碳作为商品建筑砌块。随着碳纳米管的发现，许多新颖和替代应用因本专利技术而变得更加方便。碳材料可广泛应用，例如用于运输工具、电子设备、电磁屏蔽、电导体散热片、电极、结构材料的添加物、过滤污染物、基础结构组件、包装和建筑材料。碳也是经济的再循环的优良候选物。常规碳产品包括活性碳、碳黑、木炭、石墨和碳纤维浸渍复合材料。重要的新面市的碳商品包括(1)沥青和水泥的填料；(2)炭和松散的碳作为“清洁”燃料在发电厂中供燃烧用；和(3)大尺寸结构碳。新兴市场(例如很高强度、高导电性、轻重量、高热导率、化学惰性碳纳米纤维和新型碳纤维复合材料的市场)受益于生产量增加和必然的成本降低。碳最终能替代大多数木材、钢、铝、钛和其他建筑制品作为主要建筑材料。关于本专利技术之前超过25年的研究结果的一些公开涉及煤加氢热解的描述和不同来源甲烷裂化的描述。这些思想先前在所述研究中并没有被结合。另外，最新技术(例如美国专利5,427,762；Grohse，Steinberg；1995年6月27日；美国专利5,767,165；Steinberg等，1998年6月16日；美国专利5,344,848；Steinberg等，1994年9月6日；美国专利6,911,057；Lyon；Richard K.；2005年6月28日和美国专利-->5,955,039；Dowdy；Thomas E.；1999年9月21日)解决了由煤产生氢的问题，但就反应物和产物、热源和热传递方法、反应器设计、反应速率和反应条件而言与本专利技术相去甚远。碳应用和降低大气中二氧化碳的基本思想好象不同或在现有技术中不存在。以上引用的专利的全部内容通过引用全文结合到本文中来。专利技术公开本专利技术提供一种使煤和其他烃固态燃料原料主要转化为固态碳和气态氢两种产物组分的方法。所述方法包括使所述原料在第一段放热加氢热解反应区与富氢气流反应的步骤，产生甲烷的主要目标通过使所述原料脱挥发分和使所述原料碳与氢反应实现。来自第一反应区的甲烷利用主要来自第一反应区的热在第二吸热反应区分解产生固态碳和富氢气体。仅由所述方法中的化学反应放出的热量提供在各反应区中促进所要反应程度的全部热。使来自第二反应区的大部分气体再循环以提供富氢气流到第一反应区。回收氢气以产生电能，使得所述产生电能的方法产生的二氧化碳排放物少于用氧燃烧相同原料排放的二氧化碳。本专利技术的最佳实施方式本专利技术的方法包括在富氢环境中在高温高压下热解固态烃物质和以单独组分回收固态烃物质中的大部分碳和氢。所述方法包括两个基本反应区：1)通过在富氢气氛中高温高压加氢热解转化固态烃物质，其中使所述固态烃物质脱挥发分和使挥发性产物和剩余碳与高浓度氢气反应以产生具有显著浓度甲烷的气体，和2)分解第二高温热解反应中产生的甲烷以产生固态碳和具有高浓度氢的气体。对于分解甲烷(甲烷裂化)生成多种碳产品，可使用多种工艺条件。使加入反应工艺的氢与碳在第一反应中反应且在第二反应中再生。将在引入所述过程中的固态原料中的氢自所述过程除去，同时-->将大部分再生氢自第二反应连续再循环回第一反应，从而提供用于控制固态燃料和最后产品混合物中的碳的所要反应程度的独特的反应混合物。来自第一反应的未反应的固态副产物(例如碳焦(carbon char)基本上不含污染物(例如硫)，因此可将它们用于蒸汽/发电燃烧锅炉中或用作活性过滤基质。在实际上消除CO2产生的情况下，氢可以大于50％的能量转化效率转化为电。本专利技术所述方法的实施方案图在图1表示为组合方法8。所述方法的替代变体如后图所示。物质传递步骤用实线标明，而虚线指的是热传递且点线表示所述方法中的氢再循环途程。优选的原料为固态烃物质10，包括煤，例如无烟煤、烟煤、次烟煤、焦炭、褐煤等。所述原料还可包含生物质或其他烃含量高的固态废物，该原料已被粉碎到适当尺寸并干燥至适合的湿含量。这些原料的氢含量通常为约1％到约7重量％。碳含量通常为约40％到约80重量％。通过选择或混合用于原料的特定烃物质，可调整碳和氢的输出。烃原料10进入准备步骤12，其中将原料10预热且干燥。干燥可通过本领域已知的方法实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使煤和其他烃固态燃料原料主要转化为固态碳和气态氢两种产物组分的方法，所述方法包括以下步骤：　　　　使所述原料在第一段放热加氢热解反应区与富氢气流反应，产生甲烷的主要目标通过使所述原料脱挥发分和使原料碳与氢反应实现；　　　　来自第一反应区的甲烷利用主要来自第一反应区的热在第二吸热反应区分解产生固态碳和富氢气体；　　　　仅由所述方法中的化学反应放出的热量提供在各反应区中促进所要反应程度的全部热；　　　　使来自第二反应区的大部分气体再循环以提供富氢气流到第一反应区；和　　　　回收氢气以产生电能，使得所述产生电能的方法产生的二氧化碳排放物少于用氧燃烧相同原料排放的二氧化碳。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-4-29 60/676,1851.一种使煤和其他烃固态燃料原料主要转化为固态碳和气态氢
两种产物组分的方法，所述方法包括以下步骤：
使所述原料在第一段放热加氢热解反应区与富氢气流反应，产
生甲烷的主要目标通过使所述原料脱挥发分和使原料碳与氢反应实
现；
来自第一反应区的甲烷利用主要来自第一反应区的热在第二吸
热反应区分解产生固态碳和富氢气体；
仅由所述方法中的化学反应放出的热量提供在各反应区中促进
所要反应程度的全部热；
使来自第二反应区的大部分气体再循环以提供富氢气流到第一
反应区；和
回收氢气以产生电能，使得所述产生电能的方法产生的二氧化
碳排放物少于用氧燃烧相同原料排放的二氧化碳。
2.权利要求1的转化烃原料的方法，其中将精细分散的固态燃
料注入第一反应区且两个反应都在载流床或流化床反应区中发生，
其中移动通过所述反应区的气流携带或悬浮精细的固态颗粒，但其
中在第二反应区中的固态颗粒可具有足够密度使得相对于气态流逆
流沉降。
3.权利要求1的转化烃原料的方法，其中所述两个反应区部分
重叠且热通过使一个反应区嵌套在另一反应区内而从第一反应区传
递到第二反应区，所述两个反应区通过热传导且辐射的壁隔开。
4.权利要求1的转化烃原料的方法，其中第一反应区和第二反
应区的温度在500℃和1200℃之间且压力在2和80大气压之间。
5.权利要求1的转化烃原料的方法，其中所述固态燃料的碳转
化和甲烷分解为碳和氢的程度可通过改变富氢气体再循环体积和两
个反应区的压力、温度、反应物停留时间和视情况加入的催化剂控
制在转化率最高达约99％的范围。
6.权利要求1的转化烃原料的方法，其中连续移除的碳产品作
为清洁燃料产品回收，至少80％的除去和/或回收的原料硫、氮和灰
分用作固态非燃料产品。
7.权利要求1的转化烃原料的方法，其中甲烷和一氧化碳可以
比氢少的体积回收以转化为热和/或电能。
8.权利要求1的转化烃原料的方法，其中使如可自第一反应区
产生的一氧化碳与气态水部分反应以产生二氧化碳和氢。
9.权利要求1的转化烃原料的方法，其中自...

【专利技术属性】
技术研发人员：S盖菲，JG克莱兰，
申请(专利权)人：海塞特有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]