【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及用于将热能(热量)输入至流体中的系统和方法。具体地，本专利技术涉及与在高温和极高温下进行与制氢相关的耗热工业过程中优化能源效率并减少温室气体和颗粒排放的工具和过程。
技术介绍
1、工业界和政府一直在努力寻找实现显著减少温室气体(ghg)排放的技术。为了限制全球变暖的目的，必须在许多关键工业部门(例如与能源载体生产相关的部门)采取脱碳措施。许多脱碳方案涉及使用氢作为原料和/或燃料。全球约90％的制氢利用甲烷，后者是天然气的主要组分。
2、蒸汽甲烷重整(smr)显然是c1化学中最著名且最广泛使用的实例，并且它是从甲烷制氢的主要过程(参见式1a)。全球高达95％的氢气通过smr产生。在蒸汽甲烷重整中，预处理的天然气或其他合适的原料气(例如页岩气、炼油厂尾气或沼气)首先用蒸汽进行预重整以将长链烃分解成甲烷和合成气，然后将其引导至主重整反应器中，在主重整反应器中甲烷被转化成氢气和一氧化碳。氢产量可以在水煤气变换(wgs)单元中进一步增加，其中部分一氧化碳与水反应产生氢气和二氧化碳(式1b)。
3、(1a)ch4(g)+h2o(g)→co+3h2,δh＝206kj/mol
4、(1b)
5、由于重整反应(式1a)是吸热反应，因此需要热源。在传统smr产生设备中，热量由外部熔炉提供，其通常是燃烧燃料的。在不存在碳捕集装置的情况下，在回收氢气后，含有甲烷、co2和co的剩余流将被用作熔炉的燃料，并且所有co2均被释放到大气中。另一方面，与作为非常稀的co2源的烟道气排气流相比，
6、smr的替代方案是自热重整(atr)过程(式2a)，产生以不同比例的氢气和一氧化碳混合物形式提供的合成气体。atr和smr之间的主要区别在于smr不使用或不需要氧气。在反应2a中，通过烃进料流中甲烷的部分氧化产生热量。
7、(2a)ch4+1/2o2→co+2h2,δh＝–36kj/mol
8、如果甲烷和氧气可以直接转化成co和h2而不发生副反应，那么平衡转化率将几乎为100％；然而，在这种情况下，反应需要极高温度。在大多数情况下，atr过程通过一系列反应(式2a-2c)进行，这些反应除了产生一氧化碳和氢气外，还产生二氧化碳和水：
9、(2b)ch4+2o2＝co2+2h2o(g)(δh＝-803kj/mol)
10、(2c)ch4+o2＝co2+2h2(δh＝-319kj/mol)
11、通常通过甲烷在高温下的部分氧化来实现其最佳转化(式2a)。与smr(式1a)相比，部分氧化的atr反应是放热反应，且不需要外部热源。但是由于部分进料(甲烷/天然气)被用作燃料，所以反应产率较低。然而，没有废气，并且所有co2均集中在产品流中用于碳捕集。
12、另一方面，特别地，如果使用可再生能源来提供热解过程所需的热量，则可以通过甲烷热解过程将甲烷(转而从天然气或沼气中获得)直接转化/分解成氢气来产生无co2的氢气。甲烷热分解过程产生固体碳，其是唯一的副产物；因此，与smr相比，无需分离和储存碳氧化物(co、co2)，而且过程的复杂性也较低。因此，通过甲烷热解产生的每分子h2的能量需求几乎是smr产生的能量需求的一半。考虑到上述情况，甲烷热解过程在产生可持续氢方面具有巨大潜力。
13、甲烷裂解(热解)被认为是无co2制氢的桥梁技术。在热解中，甲烷和/或更重的烃在无氧和高温下产生元素碳和co2。在甲烷裂化过程中，未反应的甲烷与氢气分离，并再循环至热解反应器。尽管甲烷裂化的气体原料主要由ch4组成，但也可能存在其他烃，其通过c-h键的热裂解以与ch4相同的方式裂化。
14、甲烷热解的主要反应是吸热反应，并且理想情况下根据式3产生气态氢气和固态碳：
15、(3) ch4 (g) → c (s) + 2 h2 (g), δh ＝ 75 kj mol
16、甲烷热解的过程构思通常可以分为三类：(i)热(非催化)分解；(ii)(热)催化分解，和(iii)等离子体分解。在不存在合适催化剂的情况下，分解反应在高于约700℃的温度下开始。然而，为了实现技术上相关的反应速率和甲烷转化率，这些温度必须相当更高：在催化过程中高于约800℃，在热过程中高于约1000℃，以及在等离子分解过程中高达约2000℃。用于甲烷热分解和(热)催化分解的常规气体反应器系统通常包括管式固定床、移动床和流化床反应器。
17、在所述传统系统中，根据催化剂的类型，通常在500-1100℃的温度下达到氢气和碳之间的热力学平衡，停留时间为10-300秒。在不存在催化剂的情况下，停留时间显著更长。总体上，在甲烷热解中，停留时间是影响产物分布和选择性的关键参数。停留时间和温度影响碳产物的性能及其进一步使用。
18、甲烷热解还可以用于产生苯和c2-烃。甲烷在高温下热分解可以产生乙烯、乙炔、苯和氢气作为主要产物，前提是反应能够在形成碳之前停止。事实上，甲烷可以通过热解或热偶联以高产率直接转化成乙炔。该反应是高吸热反应，并且需要高温供热。反应的主要产物通常是乙炔和氢气。使用短反应时间和低甲烷分压，优选地通过进料的氢稀释，可以避免过量碳形成。如所述，反应混合物的快速猝灭也非常重要。
19、因此，可以在使用或不使用催化剂的情况下进行蒸汽甲烷重整。非催化重整反应通过从甲烷热解开始的途径进行，但是由于存在蒸汽，中间产物迅速转化成co和h2。因此，非催化重整在高于800℃的温度下进行，这与甲烷热解所需的温度相似，并且通常高于催化甲烷重整的温度(从约700℃开始)。
20、然而，用于在甲烷热解中实现高温的现有加热技术受到一些常见问题的阻碍。例如，在热分解和热催化分解中，该过程所需的热量通常由(燃料驱动的)外部加热器提供，如上所述。通过反应器壁的热能传递导致在热表面上迅速形成碳质沉积物，例如焦炭和烟尘，这导致操作困难并极大地损害热传递。涉及在反应器中加热气体的解决方案或在利用聚光太阳能(太阳能热解)的解决方案中，热解过程通常以不受控制的方式进行(在一些情况下，热解反应可能在(预)加热期间已经开始)，从而导致反应器部件结垢。
21、另一方面，通过上述过程的方式从天然气/甲烷制氢所需的高温通常体现出限制这些过程的电气化的主要原因之一。尽管被认为是减少ghg排放的合适解决方案，但由于当前技术和现有设施基础设施无法满足实现足够高温度的需求，工业过程的电气化仍然受到阻碍。
22、出于加热的目的，已提出许多旋转解决方案。因此，us11,098,725b2(sanger等人)公开了水动力加热器泵设备，其可操作以选择性地生成加热流体流和/或加压流体流。所提到的水动力加热器泵被设计成并入机动车辆冷却系统中，以提供用于温热车辆的乘客室的热量并提供其他功本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于将热能输入至制氢设施中与制氢相关的一个或多个过程中的方法，所述方法包括通过集成到所述制氢设施中的至少一个旋转装置生成加热的流体介质，所述至少一个旋转装置包括：
2.根据权利要求1所述的方法，包括在所述制氢设施中，将所述至少一个旋转装置连接至被配置成由含烃气体制氢的至少一个反应器或熔炉。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述至少一个反应器或熔炉被配置成进行热和/或催化过程以从所述含烃气体生成氢。
4.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述制氢设施是甲烷热解设备或蒸汽甲烷重整(SMR)设备。
5.根据任何前述权利要求所述的方法，包括通过至少一个旋转装置生成加热至基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度，优选地，加热至基本上等于或高于约1200℃的温度，还优选地，加热至基本上等于或高于约1700℃的温度的流体介质。
6.根据任何前述权利要求所述的方法，包括调节通过所述旋转装置传播的流体介质流的速度和/或压力以产生生成所述加热的流体介质流的条件。
7.根据任何前述权利要求所述的方法，其中
8.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述加热的流体介质由至少一个旋转装置生成，所述旋转装置还包括布置在所述至少一排转子叶片下游的扩散器区域，所述方法包括操作集成到所述制氢设施中的所述至少一个旋转装置，使得借助于当沿着在所述壳体内在所述入口与所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别依次穿过所述固定翼片、所述转子叶片和所述扩散器区域时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。
9.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，在所述旋转装置中，所述扩散器区域被配置成具有或不具有固定扩散器翼片。
10.根据任何前述权利要求所述的方法，其中通过调节传导至集成到所述制氢设施中的至少一个旋转装置中的输入能量的量来控制添加至通过所述旋转装置传播的流体介质流的热能的量。
11.根据任何前述权利要求所述的方法，还包括在所述至少一个旋转装置的下游布置另外的加热装置，并且将一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入通过所述另外的加热装置传播的流体介质流中，由此通过放热反应将一定量的热能添加至所述流体介质流中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入预热至预定温度的流体介质流中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入预热至基本上等于或高于约1700℃的温度的流体介质流中。
14.根据前述权利要求11-13中任一项所述的方法，其中在所述旋转装置中实施将所述流体介质流预热至所述预定温度。
15.根据任何前述权利要求所述的方法，包括通过集成到所述制氢设施中的至少两个旋转装置生成所述加热的流体介质，其中所述至少两个旋转装置并联或串联连接。
16.根据权利要求15所述的方法，包括通过至少两个顺序连接的旋转装置生成所述加热的流体介质，其中所述流体介质流在序列中的至少第一旋转装置中被预热至预定温度，并且其中通过将另外量的热能输入至通过第二旋转装置传播的预热的流体介质流中，所述流体介质流在序列中的至少第二旋转装置中被进一步加热。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在序列中的至少第一旋转装置中，所述流体介质流被预热至基本上等于或高于约1700℃的温度。
18.根据权利要求16或17中任一项所述的方法，其中借助于将所述反应性化合物或化合物的混合物引入通过所述序列中的至少第二旋转装置传播的流体介质流中，将所述另外量的热能添加至所述流中。
19.根据任何前述权利要求所述的方法，包括将所述反应性化合物或化合物的混合物引入与制氢相关的一个或多个过程中。
20.根据任何前述权利要求所述的方法，其中由所述至少一个旋转装置生成的所述加热的流体介质选自由进料气体、再循环气体、补充气体和过程流体组成的组。
21.根据任何前述权利要求所述的方法，其中进入所述旋转装置的所述流体介质基本上是气态介质。
22.根据任何前述权利要求所述的方法，包括在所述旋转装置中生成所述加热的流体介质。
23.根据权利要求22所述的方法，其中在所述旋转装置中生成的所述加热的流体介质是含烃气体。
24.根据权利要求23所述的方法，其中在所述旋转装置中加热的所述含烃气体包括甲烷...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于将热能输入至制氢设施中与制氢相关的一个或多个过程中的方法，所述方法包括通过集成到所述制氢设施中的至少一个旋转装置生成加热的流体介质，所述至少一个旋转装置包括：
2.根据权利要求1所述的方法，包括在所述制氢设施中，将所述至少一个旋转装置连接至被配置成由含烃气体制氢的至少一个反应器或熔炉。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述至少一个反应器或熔炉被配置成进行热和/或催化过程以从所述含烃气体生成氢。
4.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述制氢设施是甲烷热解设备或蒸汽甲烷重整(smr)设备。
5.根据任何前述权利要求所述的方法，包括通过至少一个旋转装置生成加热至基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度，优选地，加热至基本上等于或高于约1200℃的温度，还优选地，加热至基本上等于或高于约1700℃的温度的流体介质。
6.根据任何前述权利要求所述的方法，包括调节通过所述旋转装置传播的流体介质流的速度和/或压力以产生生成所述加热的流体介质流的条件。
7.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述加热的流体介质由至少一个旋转装置生成，所述旋转装置包括沿着所述转子轴顺序布置的两排或更多排转子叶片。
8.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述加热的流体介质由至少一个旋转装置生成，所述旋转装置还包括布置在所述至少一排转子叶片下游的扩散器区域，所述方法包括操作集成到所述制氢设施中的所述至少一个旋转装置，使得借助于当沿着在所述壳体内在所述入口与所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别依次穿过所述固定翼片、所述转子叶片和所述扩散器区域时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。
9.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，在所述旋转装置中，所述扩散器区域被配置成具有或不具有固定扩散器翼片。
10.根据任何前述权利要求所述的方法，其中通过调节传导至集成到所述制氢设施中的至少一个旋转装置中的输入能量的量来控制添加至通过所述旋转装置传播的流体介质流的热能的量。
11.根据任何前述权利要求所述的方法，还包括在所述至少一个旋转装置的下游布置另外的加热装置，并且将一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入通过所述另外的加热装置传播的流体介质流中，由此通过放热反应将一定量的热能添加至所述流体介质流中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入预热至预定温度的流体介质流中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入预热至基本上等于或高于约1700℃的温度的流体介质流中。
14.根据前述权利要求11-13中任一项所述的方法，其中在所述旋转装置中实施将所述流体介质流预热至所述预定温度。
15.根据任何前述权利要求所述的方法，包括通过集成到所述制氢设施中的至少两个旋转装置生成所述加热的流体介质，其中所述至少两个旋转装置并联或串联连接。
16.根据权利要求15所述的方法，包括通过至少两个顺序连接的旋转装置生成所述加热的流体介质，其中所述流体介质流在序列中的至少第一旋转装置中被预热至预定温度，并且其中通过将另外量的热能输入至通过第二旋转装置传播的预热的流体介质流中，所述流体介质流在序列中的至少第二旋转装置中被进一步加热。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在序列中的至少第一旋转装置中，所述流体介质流被预热至基本上等于或高于约1700℃的温度。
18.根据权利要求16或17中任一项所述的方法，其中借助于将所述反应性化合物或化合物的混合物引入通过所述序列中的至少第二旋转装置传播的流体介质流中，将所述另外量的热能添加至所述流中。
19.根据任何前述权利要求所述的方法，包括将所述反应性化合物或化合物的混合物引入与制氢相关的一个或多个过程中。
20.根据任何前述权利要求所述的方法，其中由所述至少一个旋转装置生成的所述加热的流体介质选自由进料气体、再循环气体、补充气体和过程流体组成的组。
21.根据任何前述权利要求所述的方法，其中进入所述旋转装置的所述流体介质基本上是气态介质。
22.根据任何前述权利要求所述的方法，包括在所述旋转装置中生成所述加热的流体介质。
23.根据权利要求22所述的方法，其中在所...
【专利技术属性】
技术研发人员：韦利·马蒂·普罗拉，T·欧尼，
申请(专利权)人：酷布鲁克公司，
类型：发明
国别省市：
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