【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由含有C1至C4烷烃的气体生产氢和固体碳的设备和工艺
[0001]本专利技术涉及一种设备、工艺，以及设备在使用至少一个用于通过电弧产生热等离子体的反应器通过热等离子体由含有C1至C4烷烃的气体生产氢和固体碳的工艺中的用途。
技术介绍
[0002]对生产清洁和可储存能源的需求不断增加，这些能源在生产和消费时具有减少的CO2足迹。然而，只有在与生产相关的成本足够低的情况下，此类能源才能最终进入市场。这尤其适用于交通、热力生产、化学工业、钢铁工业和炼油工业等部门的能源。
[0003]一段时间以来，人们一直在研究氢气的使用，无论是用于直接燃烧、燃料电池中使用，还是用于生产合成燃料，例如甲醇、二甲醚、合成天然气、合成汽油、合成柴油或合成煤油，例如使用二氧化碳(CO2)作为碳源。通常，氢气是通过气化或重整反应由煤、液态或气态烃生产的。这些转化通常在高温下进行，并且伴随着大量CO2排放，来自反应以及驱动这些反应所需的热量的产生。
[0004]对于低或降低CO2强度的氢气生产，已经研究了几种路线并且目前正在开发中。例如，一种...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于通过热等离子体由含有C1至C4烷烃的气体生产氢和固体碳的设备，其特征在于，所述设备包括：至少一个用于通过电弧产生热等离子体的反应器，所述反应器包括i)等离子体部分，其包括
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用于产生电弧的阳极和阴极，电弧在所述等离子体部分内延伸，以及
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至少一个第一进料管线，用于将含有C1至C4烷烃的等离子体气体引入所述反应器的等离子体部分，
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其中所述阳极具有沿等离子体气体主流流动方向的中空通道，所述中空通道具有内表面；等离子体气体的主流流动方向上的出口，所述出口形成沿主流流动方向的阳极的开放端；以及至少一个入口，用于接收经由至少一个第一进料管线被引入反应器的等离子体部分的含有C1至C4烷烃的等离子体气体，其中所述入口形成阳极面向与主流流动方向相反的方向的开放端，并且其中所述阳极被配置成使得等离子体气体经由面向与主流流动方向相反的方向的阳极的开放端以及沿主流流动方向的阳极的开放端流经中空通道，其中所述等离子体气体在其通过阳极时接触阳极的中空通道的内表面，并且
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其中所述阳极和所述阴极被布置成使得由它们产生的电弧在所述等离子体部分中形成以在所述等离子体部分中由通过所述至少一个第一进料管线引入至所述等离子体部分的含有C1至C4烷烃的等离子体气体形成等离子体态的等离子体气体，并且其中接触阳极的电弧的足点位于阳极的中空通道的内表面上，以及ii)第二反应器部分，位于主流流动方向上紧接着反应器的等离子体部分的下游，所述第二反应器部分包括：
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第一子部分和第二子部分，其中所述第二子部分位于主流流动方向上紧接着第一子部分的下游，和
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出口装置，用于从反应器中取出组分，其中所述出口装置位于主流流动方向上第二反应器部分的末端，其中
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第一子部分包括至少一个第二进料管线，用于将含有C1至C4烷烃的气体引入第二反应器部分，其中
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所述至少一个第二进料管线被布置成使得将经由至少一个第二进料管线被引入反应器的含有C1至C4烷烃的气体在主流流动方向上电弧足点的下游的位置引入至等离子体态的等离子体气体，以使在第二反应器部分的第一子部分中至少一个第二进料管线下游，由离开等离子体部分的等离子体态的等离子体气体与至少一个第二进料管线的含有C1至C4烷烃的气体形成混合物，并且
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其中沿主流流动方向所述至少一个第二进料管线的位置限定了第二反应器部分及其第一子部分的开始，并且
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其中，从最上游位置——在此处，阳极的中空通道的内表面面向电弧——开始并向下达到反应器的等离子体部分的末端，等离子体部分的体积为0.0001m3至0.4m3，优选0.001m3至0.2m3，并定义为参考体积，并且
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其中第二反应器部分的第一子部分的体积为参考体积的10至200倍，优选地为参考体积的20至100倍，并且
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其中整个第二反应器部分的体积为参考体积的20至2000倍，优选地为参考体积的40
至1000倍，并且
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其中所述反应器包括在第二反应器部分的第一子部分中和/或等离子体部分中，在主流流动方向上阳极的中空通道的内表面上电弧足点的下游向下至等离子体部分的末端的范围内至少一处上的横向于主流流动方向的流动横截面，所述横向于主流流动方向的流动横截面比阳极的中空通道内表面上的电弧足点范围内横向于主流流动方向的阳极的平均流动横截面大至少5倍，优选至少10倍。2.根据权利要求1所述的用于生产氢和固体碳的设备，其中，所述设备还包括：至少一个用于富集所述反应器中形成的固体组分、优选炭黑的装置，其中所述至少一种用于富集固体组分、优选炭黑的装置将气态组分与混合物的固体组分、优选炭黑分开以富集混合物的固体组分、优选炭黑，其中至少一个用于富集固体组分、优选炭黑的装置
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与反应器的出口装置流体连通，并且
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具有至少一个用于流的出口，所述流包含与进入至少一个用于富集固体组分、优选炭黑的装置的混合物相比浓度富集的固体组分、优选炭黑，并且
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具有至少一个用于流的出口，所述流包含混合物的气态组分以及与进入至少一个用于富集固体组分、优选炭黑的装置的混合物相比浓度降低的固体组分、优选炭黑。3.根据权利要求2所述的用于生产氢和固体碳的设备，其中，所述装置还包括：至少一个用于从流中富集氢的装置，所述流包含混合物的气态组分和与进入至少一个用于富集固体组分、优选炭黑的装置的混合物相比浓度降低的固体组分、优选炭黑，其中至少一个富氢装置
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与至少一个用于富集混合物的固体组分、优选炭黑的装置的用于流的出口流体连通，其中所述流包含混合物的气态组分和浓度降低的固体组分、优选炭黑，并且
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具有至少一个流的出口，所述流包含与进入所述至少一个用于富集氢的装置的包含混合物的气态组分和降低浓度的固体组分、优选炭黑的流相比富集浓度的氢，并且
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具有至少一个流的出口，所述流包含与进入至少一个用于富集氢的装置的包含混合物的气态组分和降低浓度的固体组分、优选炭黑的流相比浓度降低的氢。4.根据前述权利要求中任一项所述的用于生产氢和固体碳的设备，其中，
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在阳极的中空通道内表面上的电弧的足点与主流流动方向上最上游的点——在此处，横向于主流流动方向的流动横截面比在阳极的中空通道的内表面上电弧的足点范围内横向于主流流动方向的阳极的平均流动横截面大至少5倍，优选至少10倍——之间存在至少一个横向于主流流动方向的流动横截面的突然膨胀，所述突然膨胀具有相对于主流轴线进入主流流动方向的至少20
°
、优选至少45
°
、更优选至少75
°
的张角；和/或
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在从阳极的中空通道内表面的电弧足点向下至主流流动方向上的最上游点——在所述最上游的点处，横向于主流流动方向的流动横截面比在阳极的中空通道内表面上的电弧足点范围内横向于主流流动方向的阳极的平均流动横截面大至少5倍，优选至少10倍——的范围内，横向于主流流动方向的流动横截面在任何点处为阳极的中空通道的内表面上的电弧足点处的横向于主流流动方向的平均流动横截面的至少60％，优选至少80％，更优选至少90％。5.根据前述权利要求中任一项所述的用于生产氢和固体碳的设备，其中
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反应器包括构件，优选两个不同的构件，以将阳极或阳极的一部分与反应器的其余部分可拆卸地连接，其中优选地，所述两个不同的构件其中之一位于主流流动方向上阳极的中空通道内表面上的电弧足点的上游，并且所述两个不同的构件中的另一个位于主流流动方向上阳极的中空通道内表面上的电弧足点的下游，其中优选地将阳极或阳极的一部分与反应器的其余部分可拆卸地连接的所述构件位于主流流动方向上至少一个第二进料管线的上游，更优选地位于主流流动方向上阳极的中空通道内表面上电弧足点下游的用于拆卸的构件位于主流流动方向上最上游点——在所述最上游点，横向于主流流动方向的流动横截面比阳极的中空通道内表面上电弧的足点范围内的横向于主流流动方向的阳极的平均流动横截面大至少5倍，优选至少10倍——的上游，甚至更优选地位于横向于主流流动方向的流动横截面的突然膨胀的上游；和/或
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对应的阳极和阴极在主流流动方向上不存在至少部分重叠；和/或
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阳极和/或阴极为冷却电极，其中冷却优选为液体冷却，更优选为水冷却。6.根据前述权利要求中任一项所述的用于生产氢和固体碳的设备，其中
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阳极和阴极同轴，所述阴极具有主轴沿主流流动方向延伸的中空通道，其中所述中空通道具有两个相对的端部，其中面向与主流流动方向相反的方向的所述端部是封闭的，并且其中面向等离子体气体主流流动方向的端部是开放的并位于上游且与面向与主流流动方向相反的方向的阳极的开放端部同轴，其中阳极和阴极布置成使得电弧的足点分别接触阴极的中空通道的内表面和阳极的中空通道的内表面，其中优选地阳极和阴极布置成使得在主流流动方向上面向主流流动方向的阴极端部和面向与主流流动方向相反的方向的阳极端部之间存在间隙，其中所述间隙的长度优选为阳极的中空通道内表面上的电弧足点范围内的阳极的中空通道平均内径的至少0.3倍，更优选至少0.5倍，其中优选地，至少一个第一进料管线布置成使得将等离子体气体经由阳极与阴极之间的间隙引入反应器的等离子体部分。7.根据前述权利要求中任一项所述的用于生产氢和固体碳的设备，其中
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所述至少一个反应器被配置成使得所述至少一个第二进料管线将含有C1至C4烷烃的气体横向于主流流动方向地引入到等离子体态的等离子体气体中；和/或
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所述至少一个反应器具有至少一个用于将含有C1至C4烷烃的气体引入第二反应器部分的第三进料管线，至少一个用于引入含有C1至C4烷烃的气体的第三进料管线布置在主流流动方向上用于将含有C1至C4烷烃的气体引入至第二反应器部分的所述至少一个第二进料管线的下游，优选地所述至少一个第三进料管线的位置限定了第二反应器部分的第二子部分的开始；和/或
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所述第二反应器部分包括至少一个用于引起混合物的湍流和/或返混的装置，优选地，所述至少一个装置位于主流流动方向上至少一个第二进料管线的下游，其中优选地至少一个用于引起混合物湍流和/或返混的装置选自被动格栅、静态混合器、反应器的弯曲部以及它们的组合，其中优选地，反应器的弯曲部引起混合物的流动方向相对于主流流动方向变化至少80
°
，优选至少135
°
。8.根据前述权利要求中任一项所述的用于生产氢和固体碳的设备，其中，
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由离开等离子体部分的等离子体态的等离子体气体和所述至少一个第二进料管线的含有C1至C4烷烃的气体所得的混合物的至少5％的原子在第二反应器部分中的停留时间
在绝对数值上偏离由离开等离子体部分的等离子体态的等离子体气体和所述至少一个第二进料管线的含有C1至C4烷烃的气体所得的混合物的所有原子在第二反应器部分的平均停留时间至少5％，其中优选地，由离开等离子体部分的等离子体态的等离子体气体和所述至少一个第二进料管线的含有C1至C4烷烃的气体所得的混合物的至少10％的原子在第二反应器部分中的停留时间在绝对数值上偏离由离开等离子体部分的等离子体态的等离子体气体和所述至少一个第二进料管线的含有C1至C4烷烃的气体所得的混合物的所有原子在第二反应器部分的平均停留时间至少10％，更优选至少15％，甚至更优选至少20％。9.通过热等离子体由含有C1至C4烷烃的气体生产氢和固体碳的工艺，其特征在于，所述工艺包括：a)从提供含有C1至C4烷烃的气体的装置中提取出含有C1至C4烷烃的等离子体气体；b)将从用于提取出含有C1至C4烷烃的等离子体气体的装置中提取出的含有C1至C4烷烃的等离子体气体引入至少一个第一反应器，其中所述反应器为通过电弧产生热等离子体的反应器，所述反应器包括：i)等离子体部分，其包括：
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用于产生电弧的阳极和阴极，电弧在所述等离子体部分内延伸，以及
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至少一个第一进料管线，用于将含有C1至C4烷烃的等离子体气体引入反应器的等离子体部分，
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其中所述阳极具有沿等离子体气体主流流动方向的中空通道，所述中空通道具有内表面、沿等离子体气体主流流动方向的出口——其形成沿主流流动方向的阳极的开放端、以及至少一个入口以接收经由至少一个第一进料管线被引入反应器的等离子体部分的含有C1至C4烷烃的等离子体气体，其中所述入口形成面向与主流流动方向相反的方向的阳极的开放端，并且其中阳极被配置成使得等离子体气体经由面向与主流流动方向相反的方向的阳极的开放端以及沿主流流动方向的阳极的开放端流过中空通道，其中等离子体气体在其通过阳极时接触阳极的中空通道的内表面，并且
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其中所述阳极和所述阴极被布置成使得由它们产生的电弧在所述等离子体部分中形成以在所述等离子体部分中由通过所述至少一个第一进料管线被引入所述等离子体部分的含有C1至C4烷烃的等离子体气体形成等离子体态的等离子体气体，并且其中接触阳极的电弧的足点位于阳极的中空通道的内表面上，以及ii)第二反应器部分，位于主流流动方向上紧挨着反应器的等离子体部分的下游，所述第二反应器部分包括
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第一子部分和第二子部分，其中所述第二子部分位于主流流动方向上紧接着第一子部分的下游，和
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出口装置，用于从反应器中提取出组分，其中所述出口装置位于主流流动方向上第二反应器部分的末端，并且
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所述第一子部分包括至少一个第二进料管线，用于将含有C1至C4烷烃的气体引入第二反应器部分，其中沿主流流动方向上至少一个第二进料管线的位置限定了第二反应器部分及其第一子部分的开始，
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并且其中，经由至少一个用于将含有C1至C4烷烃的等离子体气体引入反应器的等离子体部分的第一进料管线，将含有C1至C4烷烃的等离子体气体引入反应器；
c)使用阳极和阴极产生电弧，所述电弧在反应器的等离子体部分内延伸；d)在反应器中的等离子体部分中，通过电弧由经由至少一个用于将含有C1至C4烷烃的等离子体气体引入等离子体部分的第一进料管线被引入等离子体部分的含有C1至C4烷烃的等离子体气体形成等离子体态的等离子体气体；e)经由至少一个用于将含有C1至C4烷烃的气体引入第二反应器部分的第二进料管线，将含有C1至C4烷烃的气体引入第二反应器部分的第一子部分，其中
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所述引入以这样的方式进行，所述方式使得将经由至少一个第二进料管线被引入到第二反应器部分的含有C1至C4烷烃的气体在主流流动方向上由阳极和阴极产生的电弧的足点的下游引入等离子体态的等离子体气体，以使在第二反应器部分的第一子部分中至少一个第二进料管线下游，由离...
【专利技术属性】
技术研发人员：乔治，
申请(专利权)人：尤尼佩尔电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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