通过等离子体热解由烃生产氢气制造技术

公开了用于由烃的等离子体热解生产氢气和碳粉末的方法，并且包括

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过等离子体热解由烃生产氢气
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于
2020
年
10
月
30
日提交的目前未决的美国临时申请第
63/107,555
号的优先权，其通过引用并入本文
。


[0003]本专利技术主题涉及用于使用热等离子体由甲烷和其他轻质烃生产氢气而不产生温室气体的方法
。

技术介绍

[0004]烃的燃烧，即用于加热
、
在工业过程中和用于运输的燃烧产生大量的温室气体
(GHG)
，即二氧化碳
。GHG
在大气中的累积导致全球变暖，这危及地球甚至于人类的生存
。
根据
2015
年的巴黎协定，
191
个国家承诺将全球变暖限制在
1.5℃
的温度
。
一些司法管辖区，即欧盟，承诺到
2050
年实现碳中和
。
[0005]氢气的燃烧，即用于加热
、
在工业过程中和用于运输的燃烧仅产生水蒸气作为燃烧产物而不是二氧化碳，从而限制全球变暖
。
出于该原因，许多工业过程正在寻求用氢气来替代化石燃料和反应物，例如煤
、
油和天然气
。
预期低碳氢的需求将从当前的
0.46Mt/
年的世界生产率
(2020
年
)
增长至
2030
年的
7.92Mt/
年的目标
[1]。
[0006]如今，
68
％的氢气通过称为蒸汽
‑
甲烷重整
(steam
‑
methane reforming
，
SMR)
的工艺生产，以及
27
％的氢气经由煤气化生产
[2]。
低碳氢仅占全球生产量的5％，并且主要通过水电解生产
[3]。
在
SMR
工艺中，甲烷与水蒸气反应以产生氢气和二氧化碳
(
温室气体
)。
蒸汽
‑
甲烷重整
(SMR)
中使用的基本化学反应为：
[0007]CH4+2H
z
O
＝
4H2+CO2[0008]因此，对于产生的每摩尔氢气，通过化学反应产生
0.25
摩尔二氧化碳
。
然而，由于氢气的分子量仅为
2g/mol
，而
CO2的分子量为
44g/mol
，因此产生的每
kg H2将产生
5.5kg CO2。
此外，
SMR
工艺在高温
(700℃
至
1000℃)
和高压
(3
巴至
25
巴
)
下进行
[4]，从而需要另外的天然气或油用于加热反应物
。
来自所产生的氢气的燃烧热与该工艺所需的热的比率为
68
％
[5]。
这表明每
kg H2另外的
GHG
排放为
6kg CO2。
因此，
SMR
工艺的总
GHG
成本为每
kg H211.5kg CO2。
[0009]因此，对使用清洁的可再生电
(
例如由水力
、
风力或太阳能源产生的电
)
来生产氢气的技术产生了浓厚的兴趣
。
用于生产清洁氢气的唯一商业上可获得的工艺是水电解
。
在该工艺中，使用电能将水转化为氢气和氧气
。
然而，水电解工艺存在数个缺点，包括高的能量使用和使用大量的不可持续的外来材料
[6]。
由于电解水的理论能量需求为
40kWh/kg H2，因此仅能量成本就很大
。
实际上，由于效率低下和所有工艺的非理想化，能量消耗为至少
48kWh/kg H2[7]。
[0010]此外，将甲烷
(
具有高的温室变暖潜能
(greenhouse warming potential
，
GWP)
的
GHG
，为
CO2的
30
倍
)
转化为无害的氢气将是有利的
。
这将限制甲烷的管理，并因此限制甲烷
泄漏和不完全燃烧的风险
。
大气中的甲烷在过去
100
年里翻了一番，在
2020
年达到
1900ppb
的空前最高浓度
[8]，促使全球变暖
。
[0011]因此，具有以合理的成本与高效的能量使用将甲烷
(
具有高
GWP
的
GHG)
转化为氢气并且可以容易扩大到工业规模的工艺将是有利的
。
能够分离甲烷中存在的碳使得其不以
CO2的形式逃逸到大气中也将是有用的
。
[0012]为此目的，可以使用甲烷热解以通过以下反应将甲烷转化为氢气和碳：
[0013]CH4+
热＝
C+2H2[0014]已经开发了数种这样的方法
。
然而，这些方法强调生产高品质的炭黑
[9、10
和
11]。
这些方法中的大多数是分批的并且旨在生产具有从一个批次到另一批次变化的特定特性的炭黑
。
这些方法需要比甲烷热解所需的温度高得多的反应器温度以确保满足炭黑特性，例如比表面积和疏水性
。
因此，如果热源不是电，则这些方法的热效率低，并因此温室气体排放较高
。
[0015]一些方法确实强调在低温下产生氢气，但这些方法意味着使用昂贵的催化剂，例如铂涂覆的氧化铝
[12]。
这些方法不使用等离子体提供的能量强度
。
[0016]一些方法使用等离子体来分解甲烷，但这些方法受到在反应器表面上碳的沉积导致工艺停止的困扰
。
此外，这些方法受到使用惰性气体
(
氩气或氦气
)
作为等离子体形成气体的要求的困扰
。
惰性气体稀释氢气产品，必须将惰性气体分离，因此增加运行成本
。
[0017]本专利技术主题的背景的回顾表明，通过烃的热解生产氢气的可用方法存在多个缺点，其中最重要的是高能量成本
。
[0018]因此，将期望提供用于用能量有效且可靠的等离子体工艺生产氢气的新方法
。
期望具有能量高效并且尤其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种用于由烃的等离子体热解生产氢气和碳粉末的方法，包括提供
DC
非转移电弧等离子体炬
、
热壁反应器例如衬有耐火材料或石墨的热壁反应器
、
和旋风分离器
。2.
根据权利要求1所述的方法，其中所述反应器内部的湍流适于通过将氢气
、
烃气体或碳粉末或其混合物再循环至所述反应器来防止烟灰在反应器表面上的累积
。3.
根据权利要求1所述的方法，其中所述反应器的热壁由基本上光滑的材料例如石墨制成以例如防止碳材料在所述热壁上的堆积
。4.
根据权利要求1所述的方法，其中与等离子体羽流的长时间接触适于提供向氢气和碳粉末的通常完全转化
。5.
根据权利要求1所述的方法，其中离开等离子体羽流的碳粉末在所述反应器中凝固成类石墨粉末
。6.
根据权利要求1所述的方法，其中所述旋风分离器适于回收较重碳颗粒并使氢气
、
未转化的烃和较轻碳颗粒的一部分再循环至所述反应器以提高氢气的总产率
。7.
根据权利要求1所述的方法，其中离开所述旋风分离器的氢气和细碳含有足够的热能以使用废热回收交换器被高效地回收
。8.
根据权利要求1所述的方法，其中所述热壁反应器包括两个不同的反应区，即高温区和低温区
。9.
根据权利要求1所述的方法，其中所述烃为纯烃例如甲烷
、
或者烃和杂质的混合物例如天然气
。10.
根据权利要求1所述的方法，其中所述烃为来自木材热解的副产物
。11.
根据权利要求1所述的方法，用于电池应用中作为电极材料例如以增强锂离子电池的性能和稳定性
。12.
根据权利要求1所述的方法，其中在所述等离子体炬的末端处注入待热解的所述烃
。13.
一种用于生产氢气和类石墨粉末的方法，所述方法与其他可用方法相比能耗少得多
。14.
一种用于生产具有低碳足迹的氢气的方法
。15.
一种用于通过等离子体热解生产氢气的方法，其中烃为纯烃例如甲烷，或者来自烃和杂质的混合物例如天然气
。16.
一种用于通过等离子体热解生产氢气的方法，其中烃为来自木材热解的副产物
。17.
一种通过使用等离子体热解由烃生产基于碳的粉末的方法，所述基于碳的粉末用于电池应用中作为电极材料例如以增强锂离子电池的性能和稳定性
。18.
一种用于由烃生产氢气的设备，包括等离子体炬和热解反应器，其中所述反应器适于使等离子体羽流与烃反应物紧密且通常连续地接触
。19.
根据权利要求
18
所述的设备，其中所述等离子体炬位于所述热解反应器的顶部
。20.
根据权利要求
18
至
19
中任一项所述的设备，其中经由所述等离子体炬向所述热解反应器提供烃
。21.
根据权利要求
20
所述的设备，其中还经由分配环向所述热解反应器提供所述烃
。22.
根据权利要求
20
至
21
中任一项所述的设备，其中还经由至少一个再循环流向所述热解反应器提供所述烃
。
23.
根据权利要求
18
至
22
中任一项所述的设备，其中所述等离子体炬包括
DC
非转移电弧等离子体炬
。24.
根据权利要求
18
至
23
中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗朗索瓦，
申请(专利权)人：加拿大派罗杰尼斯有限公司，
类型：发明
国别省市：