[发明专利]用于产生一种或多种产物的方法和反应器

说明书

将诸如天然气的原料气体引入混合腔室。例如，在引入原料气体的同时，将可燃气体引入燃烧腔室中。在此之后，点燃可燃气体，以便使可燃气体经由燃烧腔室与混合腔室之间的一个或多个流体流动路径流入混合腔室，并且与原料气体混合。可燃气体与原料气体的混合产生一种或多种产物。

技术领域

本公开涉及一种用于例如通过裂解原料气体(诸如，天然气)来产生一种或多种产物的方法和相关反应器。

背景技术

天然气(CH₄)的化学裂解是指天然气分离成其碳(C)和氢气(H₂)的组成组分。氢气生成的常规方法(诸如，蒸汽甲烷重整(SMR))导致大量的稀释CO₂排放，这可能需要昂贵的重整后净化以隔离。其结果是，因此，SMR每产生一吨H₂产生大约8至10吨CO₂。将CO₂净化添加至SMR烟气流通常成本高昂，除非二氧化碳排放的处罚增加到临界点。

存在其他热分解以产生氢气和固体碳的方法，诸如，热和液体金属热解和等离子体热解。这些工艺通常为了最大限度地为相关的碳市场产生固体碳而定制，并且广泛用于这些工业中。

天然气的热裂解通常是恒定压力、稳定流动的过程，由此天然气被加热直到其达到开始形成氢气和碳所需的温度。此时，将温度保持一定时间以完成平衡反应。假设恒定压力为1ATM，随着温度的升高，甲烷转化所需的时间减少(如图1所示-从甲烷和乙烷的均相热分解的动力学模型，从甲烷和乙烷均相热分解动力学模型中获得的图纸，MaryanYounessi-Sinaki，Edgar A，Matida，Feridun Hammullahpur，Carleton University，Department of Mechanical and Aerospace Engineering，1125 Colonel By Drive，Ottawa，ON K1S 5B6，Canada，其全部内容通过引用合并于此)。

在这种稳定流动反应器中，形成的碳倾向于在反应器的表面堆积，最终变得如此厚以致于损害反应器性能。机械刮除工艺或通过将空气引入反应器而将碳从表面烧掉是清洁反应器的两种常用手段。难以实施机械刮除并且可能不能去除硬碳沉积物。用空气将碳燃烧掉产生大量的CO₂排放，这是不期望的。因此，非常期望首先不在表面上形成碳，并且将所产生的碳送至下游工艺。

此外，需要较短的反应时间来减小反应器的尺寸，但这需要非常昂贵的高温和外来材料。为了尝试并且克服这一点，将具有降低反应温度效果的催化剂加入反应器中。然而，碳堆积现在也发生在催化剂的表面，随着时间的推移，催化剂会失活并且需要再活化过程或被替换。这两种选择都是昂贵的并且增加了工艺的复杂性。

液体介质反应器(诸如，液体金属反应器)涉及一种热工艺，由此使天然气鼓泡通过高温液体(诸如，液体金属或盐)的塔。由于这是一种恒压稳流工艺，因此应用与上述相同的温度随时间变化的反应速率。这种工艺的好处在于，由于产生的氢气气泡从反应器塔的顶部出来，并且碳漂浮在液体介质的表面上，因此理论上可以将其撇去，从而简化了氢气和碳的分离。在一些实施例中，已经确定提供催化效果并且降低反应温度的液态金属合金。然而，在所有情况下，在反应器顶部的碳堆积仍然是一个问题，并且熔融介质的使用增加了反应器的复杂性、材料挑战和成本。

对于大多数热工艺而言，通常通过燃烧一些过量的天然气与空气来提供加热反应器和维持过程所需的能量。这种烟道气体将CO₂释放到大气中并且有助于全球变暖。在一些情况下，过量的碳堆积和/或氢气也可以用于提供反应热。

等离子体反应器使天然气在恒定压力下穿过由电力产生的高温等离子体。等离子体可以通过使用例如电极或微波来产生。在这些反应器中，碳堆积仍然是个问题，但是比热反应器更少，因为高温等离子体被限制在非常小的区域。不同于热反应器，等离子体反应器仅依靠电力作为能量输入。与热系统相比，输入能量的电力成本比天然气的电力成本高得多，并且因此氢气和甲烷的所得生产成本高得多。