用于由碳氢化合物生产氢气和热解碳的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种由碳氢化合物生产氢气和热解碳的方法，其中，碳氢化合物在反应器中在1000℃或更高的温度下转化为氢气和碳，并且其中，反应器包括在碳氢化合物的流动方向上彼此间隔开的两个电极，其中，在电极之间的反应器的区域中，在整个反应器横截面上供应惰性气体组分，并且反应器在电极之间的区域中含有碳颗粒。通过在整个反应器横截面上引入惰性气体组分，防止了在反应器内壁的该区域中碳的沉积，因此有效地抑制了在反应器内壁上形成导电桥。本发明专利技术同样涉及配置一种用于执行指定方法的相应设备。相应设备。相应设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于由碳氢化合物生产氢气和热解碳的方法和装置


[0001]本专利技术涉及将碳氢化合物并且特别是甲烷热解分解为氢气和热解碳的领域，并且特别涉及一种用于相应转化的新方法，其中，反应器包括在碳氢化合物的流动方向上彼此间隔开的两个电极，并且其中，在反应器的电极之间的区域中，在整个反应器横截面上供应惰性气体组分。本专利技术还涉及一种用于执行相应方法的设备。

技术介绍

[0002]在近中期的未来，氢气生产将继续基于化石燃料，主要是天然气(NG)。另一方面，传统的氢气生产方法是人为排放到大气中的CO2的主要来源之一。
[0003]氢气原则上能够通过氧化和非氧化转化方法由碳氢化合物燃料获得。氧化转化包括碳氢化合物与氧化剂(比如水、氧或水和氧的组合)的反应(蒸汽重组、部分氧化和自热重整方法)。这些方法包括形成氢气和一氧化碳的混合物(合成气)作为第一步，通过气体调节(水煤气变换反应)和优选氧化反应和CO2去除阶段从该混合物中分离氢气。来自这些方法的总CO2排放量高达产生的每立方米氢气0.5
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0.6m3。
[0004]非氧化方法包括碳氢化合物热分解(或离解、热解、裂化)成氢气和碳。几十年来，天然气的热分解已用作生产炭黑的手段，其中氢气代表在该方法中另外获得的有价值的产物。在这些方法中，碳氢化合物蒸气在约1400℃的温度下通过预热接触分解成氢和炭黑颗粒。该方法例如是使用两个串联反应器的半连续(循环)方法执行的。US 2,926,073描述了一种用于通过连续热分解方法由碳氢化合物生产炭黑和氢气的改进设备。挪威的Kvaerner公司开发了一种在高温下产生氢气和炭黑的甲烷分解方法(CB&H方法，公开于第12届世界氢能会议，布宜诺斯艾利斯697，1998年)。该方法中使用的等离子体化学方法的优点是热效率高(>90％)和氢气纯度(按体积计98％)。然而，高能量消耗是一个缺点。斯坦伯格等人在国际期刊氢能(24，771，1999)提出了一种由熔融金属浴组成的甲烷分解反应器。在该反应器中，甲烷气泡在高温(900℃或更高)下通过熔融锡或铜浴。该系统的优点是向甲烷气体流的有效热传递和由于密度差而容易从液态金属表面分离碳。
[0005]Spilrain等人在国际氢能杂志(24，613，1999)上开发了一种用于氢气和碳生产的高温蓄热式燃气加热器。在该方法中，天然气的热分解是在载气(N2或H2)存在下进行的，载气在再生气体加热器的基体中预热到1627℃至1727℃的温度。
[0006]这些上述方法的问题是甲烷裂化所需的温度非常高。因此，已经有许多尝试通过使用催化剂来降低甲烷热分解所需的温度。特别地，过渡金属已被证明作为甲烷分解反应的催化剂非常有活性。然而，一个问题是由于催化剂表面上的碳沉积而导致的催化剂失活。
[0007]在大多数情况下，该问题通过用空气燃烧表面碳沉积物以再生原始催化活性来解决。然而，这具有的缺点是所有的碳都转化为CO2并且获得氢作为唯一可用的反应产物。例如，Callahan在第26届能源研讨会(雷德班克，MJ 181，1974)中描述了配置为将甲烷和其他碳氢化合物催化转化为氢气用于燃料电池应用的催化反应器(燃料调节器)。将气态燃料流引入两个反应器床中的一者中，在该反应器床中，在870
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980℃的温度下将碳氢化合物分解
为氢气，并且在镍催化剂上沉积碳。同时，将空气引入第二反应器中，在第二反应器中通过燃烧沉积在催化剂表面上的碳来再生催化剂。燃料和空气的流动反向以进行另一次分解/再生循环。所述方法不需要任何水煤气变换或气体分离阶段，这是显著的优点。然而，由于该方法的循环性质，氢气会受到碳氧化物污染。该方法还具有在该方法中不形成碳副产物的缺点。
[0008]US 3,284,161描述了通过气态碳氢化合物流的催化分解连续生产氢气的方法。在催化流化床反应器中，在815℃至1093℃的温度范围内进行甲烷分解。在该方法中使用镍、铁和钴催化剂(优选Ni/Al2O3)。被碳污染的催化剂连续地从反应器中移除并且引入再生区域，在再生区域燃烧掉碳。然后将再生的催化剂循环到反应器中。
[0009]US 5,650,132描述了一种通过与碳基材料的细颗粒接触而由甲烷和其他碳氢化合物生产氢气的方法，该碳基材料通过碳电极之间的电弧放电来生产并且具有至少1m2/g的外表面积。碳基材料还包括炭黑，其由不同有机化合物的热分解或燃料、碳纳米管、活性炭、富勒烯C60或C70和细碎金刚石的燃烧获得。甲烷转化的最佳条件包括：通过惰性气体稀释甲烷(优选甲烷浓度为按体积计0.8％至5％)，温度范围为400℃至1200℃，并且停留时间为约50秒。将起始材料中的甲烷浓度从按体积计1.8％增加到8％(在950℃下)导致甲烷转化率从64.6％大幅降低到仅9.7％。还提到，碳催化剂的催化活性在碳氢化合物热解期间逐渐降低。建议向热解区供应氧化气体，如H2O或CO2，以提高催化剂的使用寿命。然而，这将具有氢气被碳氧化物污染的缺点，因此需要额外的清洁步骤。也有人建议燃烧废催化剂，但由于在该方法中使用的碳材料的高成本，这将是非常不利的。
[0010]US 2007/111051描述了一种在不存在空气和水的情况下通过在碳基催化剂上对碳氢化合物燃料进行热催化分解来无CO2生产氢气和碳的方法。在这种情况下使用的催化剂例如是
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B”活性炭，其表面积为1500m2/g，总孔体积为1.8ml/g，并且颗粒尺寸为15μm。在本方法中，碳氢化合物原料的实际分解在约850℃至1000℃的温度范围内进行。
[0011]如从前述已经显而易见的，在用于将甲烷气体热解分解为碳和氢的常规反应器中，所得到的碳尤其表现出显著的问题。为了解决这个问题，在D.W.Agar教授的指导下，生物和化学工程系、化学工艺工程主席TU Dortmund的项目(可在dechema.de/dechema_media/2942_Schlussbericht
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4820.pdf获得)提出了一种方法，即甲烷在加热到约1110℃的温度的反应器空间中从上到下通过。这种反应模式允许形成的炭黑颗粒在过程中向下下落，并且与其他气体成分(比如氢气和未转化的残余甲烷气体)一起在那里排出。为了防止碳沉积在反应器容器的边缘上，实际的反应器空间由圆柱形多孔陶瓷基质形成，通过该基质将惰性气体(例如氮气(N2)气体形式)引入反应器空间中。
[0012]作为弗劳恩霍夫陶瓷技术研究所开发的方法的一部分，反应器完全被加热介质包围，以提供方法模式所需的能量。然而，这种构造难以实施，特别是在较大反应器的情况下，并且需要大量的能量。通过安装在反应器空间自身中的电阻元件更容易实现反应器空间的加热。这可以通过在反应器中设置一个或多个电极对来实现反应气体的电阻加热，例如通过在电极之间设置导电材料如碳颗粒来实现。然而，这种反应器配置具有的问题是，反应区中的反应器内壁的温度高于甲烷/低级碳氢化合物的热解温度。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种由碳氢化合物生产氢气和热解碳的方法，其中，所述碳氢化合物在反应器中在1000℃或更高的温度下转化为氢气和碳，并且其中，所述反应器包括在所述碳氢化合物的流动方向上彼此间隔开的两个电极，其特征在于，在所述电极之间的所述反应器的区域中，在整个反应器横截面上供应惰性气体组分，并且所述反应器在所述电极之间的区域中含有碳颗粒。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳颗粒逆着所述碳氢化合物的流动方向通过所述反应器。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳氢化合物是甲烷。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述惰性气体组分是氮气或氢气。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应区竖直地布置在反应器空间中，并且所述碳氢化合物从下到上通过所述反应区，并且所述碳颗粒从上到下通过所述反应区。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所供应的惰性气体组分的温度低于1000℃，优选低于900℃，并且特别优选在200℃至800℃的范围内。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将在所述方法的环境中生成的产物气体的一部分作为惰性气体组分供应到所述反应器。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述惰性气体相对于所述碳氢化合物的流动方向以30
°
至60
°
、优选约45
°
的角度引入所述反应器中。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应区中的温度维持在1000℃至1800℃的范围内，优选在1200℃至1500℃的范围内。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述碳氢化合物以0.001m/s至10m/s范围内的流速馈送到所述反应器中。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述惰性气体组分以0.001m/s至100m/s范围内...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼古拉，
申请(专利权)人：蒂森克虏伯股份公司，
类型：发明
国别省市：