用於產生合成氣體的過程和系統的製作方法

2023-04-29 19:27:26

用於產生合成氣體的過程和系統的製作方法
【專利摘要】描述一種用於使用碳氫化合物和水來產生合成氣體的過程和設備。在所述過程和所述裝置的進一步的實施例中，按CO與氫氣的任何所需比率和/或合成官能化和/或非官能化碳氫化合物來產生合成氣體。藉助於此方法，可在不產生顯著量的CO2的情況下將含有碳氫化合物的流體轉化為具有可變氫氣含量的合成氣體。此外，可獲得氫氣和各種形式的碳作為副產物。
【專利說明】用於產生合成氣體的過程和系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於從碳氫化合物和水產生合成氣體的過程和系統。
【背景技術】
[0002]世界經濟的重要組成部分是基於作為原材料或作為能量源的原油。因此，從原油生產用於個人和貨物運輸的奧託(Otto)和柴油燃料、用於船隻且作為電機具的燃料的重油以及用於家庭住宅的供熱的輕油。而且，可從原油直接或間接衍生出用於化學工業的許多原材料。目前，進行了重大的努力以用其它原材料或替代的過程來替代原油產物。在能源部門，使用天然氣和可再生能源(renewable energy)來代替發電機具的操作中的原油。針對交通應用來測試電發動機、天然氣發動機和氫燃料電池，但所述發動機不可在商業基礎上建立。
[0003]嘗試在工業規模上從天然氣或煤中生產油。舉例來說，用於將天然氣轉變為液體燃料的過程是已知的(所謂的氣體到液體(Gas-to-Liquid)或GtL過程)。然而，這些過程一般涉及顯著的CO2排放和高成本。另外，所述過程通常不能夠獨立於CO或CO2來提供氫氣。因此，這些嘗試通常歸因於經濟和生態原因而限於幾個孤立的應用。
[0004]合成氣體(或簡稱為合成氣(syngas))為一氧化碳與氫氣的氣體混合物,其還可含有二氧化碳。舉例來說，合成氣是通過將含碳燃料氣化為氣態產物(具有一定熱值(calorific value)的合成氣)而產生的。合成氣體具有大致50%的天然氣的能量密度。合成氣體可燃燒且因此用作燃料源。合成氣體還可在其它化學產物的產生中用作中間產物(intermediate product ) 0舉例來說,合成氣體可通過煤或廢料的氣化而產生。在合成氣體的產生過程中，碳可與水反應，或碳氫化合物可與氧反應。存在用於處理合成氣體以便產生工業氣體、肥料、化學製品和其它化學產物的商業上可用的技術。然而，用於產生和轉變合成氣體的大多數已知的技術(例如，水移反應(water-shift-react1n))具有以下問題:合成所需量的氫氣導致產生較大量的過剩的CO2，這些CO2最終作為對氣候有害的氣體被排放到大氣中。用於生產合成氣體的另一已知技術，根據方程式2CH4+02 — 2C0+4H2的甲烷的部分氧化能夠達到H2: CO的最大比為2.0。然而，缺點在於產生純氧使用的密集能量。
[0005]因此，將通過本發明解決的第一問題是在不產生顯著量的CO2的情況下將含有碳氫化合物的流體轉變為具有可變氫氣含量的合成氣體。

【發明內容】

[0006]所述問題通過根據權利要求1、14和15所述的方法並且通過根據權利要求19和28所述的設備來解決。其它實施例可從附屬權利要求得出。
[0007]具體來說，一種用於產生合成氣體的方法包括:藉助於引入至少部分由熱提供的能量而將含有碳氫化合物的流體分解為碳和氫氣，其中在分解步驟之後碳和氫氣具有至少200°C的溫度。接著在介於800與1700°C之間的溫度下使通過分解步驟而產生的碳的一部分與水接觸，其中在使通過分解步驟而產生的碳與水接觸之後所述碳相對於其在分解步驟之後的溫度冷卻不超過以。C為單位的50%。此處，水的至少部分與通過分裂過程而產生的碳一起轉變為合成氣體。此方法能夠在不產生顯著量的CO2的情況下將含有碳氫化合物的流體轉變為具有可變氫氣含量的合成氣體。在有利方式中，用於提供碳(通過碳氫化合物的分裂)所需的能量的至少部分以熱的形式被引入以用於轉變。另外，可產生氫氣和不同種類的碳作為副產物。
[0008]這在以下情況下尤其成立:分解步驟在高於1000°C的溫度下發生且碳與水在至少1000°C的溫度下、確切地說在介於1000°C與1200°C之間的溫度下接觸，這是因為在此情況下，不需要額外的熱或僅少量額外的熱需要提供用於所述轉變。優選地，用於所述轉變的達到800到1700°C (確切地說從1000°C到1200°C )的溫度所需的熱基本上完全由用於分裂含有碳氫化合物的流體的熱來提供。此處，「基本上完全」意味來源於分解步驟的所需熱的至少80%、具體來說至少90%。
[0009]在一個實施例中，使在分解步驟中獲得的碳和在分解步驟中獲得的氫氣這兩者均與水共同接觸。氫氣不會損害所述轉變而可充當額外的熱傳遞物質。在碳和氫氣具有1000C (優選轉變溫度)或1000°c以上的溫度的情況下，這是尤其有利的。在此情況下，在轉變之後的氣體並非純水煤氣(water gas)而是具有不同的混合比率的合成氣體。
[0010]或者，可在使從分解步驟獲得的碳與水接觸的步驟之前使所述碳與從分解步驟獲得氫氣分離。
[0011]為了增加方法的能量效率，從分解步驟獲得的碳的至少部分和/或氫氣的部分的熱的至少部分可用於在使水與碳接觸的步驟之前來加熱水、和/或可用於加熱使水與碳接觸的處理腔室。在此意義上，應注意，合成氣體在轉變後具有800到1700°C的溫度，且其熱的至少部分可用於在使水 與碳接觸的步驟之前預加熱水。還有可能的是，從分解步驟獲得的碳和/或氫氣的至少部分和/或在轉變之後的合成氣體的部分的熱的至少部分可用於產生電力，所述電力可用作用於引入用於含有碳氫化合物的流體的分解步驟的能量的能量載體。
[0012]優選地，用於分解碳氫化合物的能量主要經由等離子引入。這是用於引入能量尤其直接且因此有效的方法。優選地，分解步驟在克瓦納(Kvaerner)反應器中執行，所述反應器能夠持續分解碳氫化合物的流。
[0013]在用於產生合成氣體的方法中，可將額外的氫氣和/或一氧化碳和/或另外的合成氣體添加到合成氣體以便獲得所需的組成。在使碳和氫氣兩者與水接觸的情況下，將額外的一氧化碳添加到合成氣體以便降低co/h2比率是尤其有用的。在使基本上純碳與水接觸的步驟期間，添加額外的一氧化碳以便增加co/h2比率可為有用的。具體來說，可能混合根據上文提及的方法(一者有，另一者沒有碳與氫氣的先前分離)而分開產生的兩合成氣體的流以便獲得co/h2的所需混合比率。
[0014]優選地，額外的氫氣來源於通過引入至少部分由熱呈現的能量而將含有碳氫化合物的流體分解為碳和氫氣的步驟。因此，分解步驟可在一個步驟中提供碳水轉變所必需的碳以及必需的氫氣。在一個實施例中，氫氣的至少部分通過在1000°c以下的溫度下(具體來說在600°C以下)藉助於微波等離子來分解含有碳氫化合物的流體的步驟而產生。在需要額外的氫氣(超過通過生產用於碳水轉變所必需的碳而獲得的量)來獲得合成氣體的特定混合比率的情況下，優選從含有碳氫化合物的流體中在低溫下以具有能量效率的方式來生產所述氫氣。優選地，將合成氣體中CO與氫氣的比率調整到介於1:1與1: 3之間的值，具體來說調整到1: 2.1的值。
[0015]在用於產生合成官能化和/或非官能化的碳氫化合物的方法中，在第一步驟中，如上所述地產生合成氣體，且使所述合成氣體與適合的催化劑接觸以便致使合成氣體轉變為合成官能化和/或非官能化的碳氫化合物，其中催化劑和/或合成氣體的溫度被設置或調節到預先界定的溫度範圍。以此方式，合成氣體可通過在使其與催化劑接觸之前或同時使CO與氫氣混合而產生。
[0016]在一個實施例中，合成氣體的轉變通過費託(Fischer-Tropsch)過程、具體來說SMDS過程而執行。或者，合成氣體的轉變可通過柏吉斯-皮爾(Bergius-Pier)過程、皮爾過程或皮爾過程與MtL過程的組合來執行。過程的選擇主要確定了合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的性質。
[0017]優選地，待分解的含有碳氫化合物的流體為天然氣、甲烷、溼氣、重油或其混合物。
[0018]用於產生合成氣體的設備包括用於將含有碳氫化合物的流體分解為碳和氫氣的碳氫化合物轉化器，其中碳氫化合物轉化器包括至少一個處理腔室以及用於將能量引入到處理腔室中的至少一個單元，所述至少一個處理腔室具有用於含有碳氫化合物的流體的至少一個入口和用於碳和/或氫氣的至少一個出口，所述能量至少部分由熱組成。此外，所述設備包括用於水和碳的轉變的C轉化器，C轉化器包括至少一個額外處理腔室，所述額外處理腔室具有用於水的至少一個入口、至少用於碳的至少一個入口和至少一個出口，其中至少用於碳的入口直接連接到碳氫化合物轉化器的至少一個出口。此處，術語「直接連接到」描述從碳氫化合物轉化器出來的碳在其前往C轉化器的路上且未利用額外熱來加熱碳的情況下並未冷卻超過其溫度的以。C為單位的50%，優選不超過20%。可在分解步驟的位置與碳氫化合物轉化器的至少一個出路之間提供將碳與氫氣分離的分離單元。此單元可形成碳氫化合物轉化器的部分，或可位於碳氫化合物轉化器外部作為單獨的單元。只要上述條件得以滿足，位於碳氫化合物轉化器的出路與C轉化器的入口之間的分離單元不會損害直接連接。
[0019]優選地，用於將能量引入到處理腔室中的至少一個單元是以得以至少局部地產生1000°C以上、具體來說1500°C以上的溫度的方式來構建的。在一個實施例中，用於將能量引入到處理腔室中的至少一個單元為等離子單元。確切地說，如果分解溫度應保持在1000°c以下，那麼用於將能量引入到處理腔室中的至少一個單元優選包括微波等離子單元。
[0020]對於設備的尤其簡單的實施例，C轉化器的處理腔室是由連接到水的供應管的碳氫化合物轉化器的出口管形成的。
[0021]在本發明的一個實施例中，用於分離通過分解而產生的碳和氫氣的分離單元設置在碳氫化合物轉化器的附近，且提供來自分離單元的分離出口用於經分離的材料，其中用於碳的出口連接到C轉化器。
[0022]優選地，碳氫化合物轉化器為克瓦納反應器，其可提供在長的操作周期中持續分裂含有碳氫化合物的流體的必需溫度。
[0023]為了使具有可變混合比率的合成氣體簡單且有效地產生，所述設備可包括用於將氫氣和/或碳和/或單獨合成氣體供應到C轉化器中或下遊混合腔室中的至少一個單獨供應管。[0024]在一個實施例中，用於產生合成氣體的設備包括用於將含有碳氫化合物的流體分解為碳和氫氣的至少一個額外碳氫化合物轉化器。所述至少一個額外碳氫化合物轉化器還包括具有用於含有碳氫化合物的流體的至少一個入口的至少一個處理腔室、用於將能量引入到處理腔室中的至少一個單元(其中能量至少部分由熱組成)、以及用於分離碳與氫氣(碳和氫氣通過分解而獲得)的分離單元，分離單元具有用於碳和氫氣的單獨出口，其中用於氫氣的出口連接到用於氫氣的單獨供應管。出於能量效率的原因，至少一個額外碳氫化合物轉化器優選為藉助於微波等離子在1000°c以下、具體來說600°C以下的溫度下來進行分解的類型。
[0025]用於將合成氣體轉變為合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的設備包括用於產生上述指定類型的合成氣體的設備和CO轉化器。CO轉化器包括配備有催化劑的處理腔室、用於使合成氣體與催化劑接觸的構件和用於將催化劑和/或合成氣體的溫度控制或調節到預定溫度的控制單元。以此方式，用於產生合成氣體的設備的部分可集成到CO轉化器中，例如用於CO和額外氫氣、碳和/或另一合成氣體的混合腔室。在一個實施例中，CO轉化器包括費託轉化器，確切地說SMDS轉化器。或者，CO轉化器可包括柏吉斯-皮爾轉化器、皮爾轉化器或皮爾轉化器與MtL轉化器的組合。還可能的是在設備中存在相同類型或不同類型的若干CO轉化器。
[0026]優選地，所述設備包括用於控制或調節CO轉化器內部的合成氣體的壓力的控制單元。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]在下文中，參考 特定實施例和附圖來更詳細地解釋本發明，其中
[0028]圖1為用於產生合成氣體的機具的不意表不圖。
[0029]圖2為用於產生合成氣體的替代機具的不意表不圖。
[0030]圖3為用於產生官能化和/或非官能化碳氫化合物的機具的示意表示圖。
[0031]圖4為根據另一實施例的用於產生官能化和/或非官能化碳氫化合物的另一機具的示意表示圖。
[0032]圖5為根據另一實施例的用於產生官能化和/或非官能化碳氫化合物的機具的示意表示圖。
[0033]圖6為根據另一實施例的用於產生官能化和/或非官能化碳氫化合物的機具的示意表示圖。
[0034]圖7為根據另一實施例的用於產生合成氣體的機具的不意表不圖。
[0035]圖8為根據另一實施例的用於產生官能化和/或非官能化碳氫化合物的機具的示意表示圖。
【具體實施方式】
[0036]應注意，在以下描述中的術語頂部、底部、右邊和左邊以及類似術語分別涉及附圖中示出的定向和布置，且僅意味所述實施例的描述。這些術語可示出優選布置，但並非限制性的。此外，在不同附圖中，相同參考標號用於描述相同或類似部分。
[0037]在以下說明書中，描述了處置「熱」材料或進行「熱」過程的過程和設備。在本描述的上下文中，表達「熱」應描述在200 V以上且優選300°C以上的溫度。
[0038]合成氣體為主要由一氧化碳和氫氣組成的任何氣體。由幾乎相等部分的一氧化碳和氫氣(1:1)組成的(合成)氣體被稱作水煤氣。如本文所使用，表達合成氣體包含水煤氣作為合成氣體的特殊混合物。
[0039]圖1示意性示出用於產生合成氣體的機具I。圖1還闡明根據本描述的用於產生合成氣體的基礎過程步驟。
[0040]用於產生合成氣體的機具I包括碳氫化合物轉化器3,碳氫化合物轉化器3包括碳氫化合物入口 4和第一碳出口 5、可選氫氣出口 6以及可選第二碳出口 7。用於產生合成氣體的機具I還包括C轉化器9，其具有水入口 10、碳出口 11 (還稱作C入口)和合成氣體出口 12 (合成氣體出路)。碳氫化合物轉化器3和C轉化器9經布置而使得,碳氫化合物轉化器3的碳出口 5經由直接連接8而連接到C轉化器9的碳入口 11，其中出口 5可直接界定C轉化器9的碳入口 11。以此方式，碳可從碳氫化合物轉化器3直接傳送到C轉化器9中。
[0041]碳氫化合物轉化器3為可將所引入的碳氫化合物轉變或分解為碳和氫氣的任何碳氫化合物轉化器。碳氫化合物轉化器3包括處理腔室，其具有用於含有碳氫化合物的流體的入口、用於將分解能量引入到流體中的至少一個單元和至少一個出口。分解能量至少部分由熱來提供，其例如通過等離子來提供。然而，分解能量還可通過其它方法來提供，且如果分解主要受熱的影響，那麼流體應被加熱到1000°C以上且確切地說到1500°C以上的溫度。
[0042]在所描述實施例中，使用克瓦納反應器，其藉助於等離子電弧來提供所需的熱。然而，其它反應器是已知的， 所述其它反應器以較低溫(確切地說1000°c以下)操作，且(例如)藉助於微波等離子而將除了熱之外的額外能量引入到碳氫化合物中。如下文進一步解釋，本發明考慮兩種類型的反應器(而且還有在沒有等離子的情況下操作的那些反應器)，具體來說還有兩種類型彼此組合的反應器。在1000°c以上的溫度下操作的碳氫化合物轉化器被稱作高溫反應器，而在1000°c以下的溫度下(確切地說在介於200°C與1000°C之間的溫度下)操作的那些轉化器被稱作低溫反應器。
[0043]在碳氫化合物轉化器內，藉助於熱和/或等離子而將碳氫化合物(CnHni)分解為氫氣和碳。這些碳氫化合物優選作為氣體而被引入到反應器中。在標準條件下為液體的碳氫化合物可能在引入到反應器中之前汽化，或其可作為微液滴被引入。這兩種形式在下文中都被稱為流體。
[0044]碳氫化合物的分解在可能的情況下應在沒有氧的情況下進行，以便抑制碳氧化物或水的形成。然而，可能與碳氫化合物一起引入的少量的氧不會對所述過程有害。
[0045]上文描述的克瓦納反應器在高溫下在等離子燃燒器中將含有碳氫化合物的流體分解為純碳(例如，活性碳、碳黑、石墨或工業菸灰)和氫氣，並且可能還有雜質。用作碳氫化合物轉化器3的起始材料的含有碳氫化合物的流體例如為甲烷、天然氣、沼氣、溼氣或重油。然而，合成官能化和/或非官能化碳氫化合物也可用作碳氫化合物轉化器3的起始材料。在初始分解步驟之後，元素通常呈現為混合物，確切地說呈懸浮微粒的形式。如下文描述，此混合物可以此形式被引入到另一過程中，或所述混合物可在未圖示的分離單元中被分離為其的個體元素。在此專利申請案的上下文中，此類分離單元被看作碳氫化合物轉化器3的部分，但可將分離單元可構建為單獨單元。如果不提供分離單元，那麼碳出口 5為碳氫化合物轉化器3的唯一的出口，且將碳與氫氣的混合物(懸浮微粒)直接引導到C轉化器9中。如果提供分離單元，那麼可使用碳出口 5來將至少部分與氫氣分離的碳引導到C轉化器9中。可藉助於可選出口 6和7來將經分離的氫氣和可能的額外的碳排出。
[0046]C轉化器9可為可從碳(C)和水(H2O)產生合成氣體(合成氣)的任何適合的C轉化器。在圖1的實施例中，在C轉化器9內，在碳上傳遞H2O,或將水蒸汽引入到碳和氫氣的流中且與所述流混合以便根據化學方程式C+H20 — CCHH2來轉變。在C轉化器9中，發生以下反應:
[0047]C+H20 — C0+H2 +131.38kJ/ 摩爾吸熱
[0048]CCHH2O — C02+H2 -41.19kJ/ 摩爾放熱
[0049]在鮑氏平衡(Boudouardequilibrium)中，發生以下反應:
[0050]2C+02 — 2C0 +172.58kJ/ 摩爾吸熱
[0051]由於所有三個反應處於相互平衡中，所以C轉化器9中的過程優選在從800到1700°C、優選從1000到1200°C的高溫下發生，這是因為第二反應將在較低溫下佔優勢，其中達到上述溫度所需的熱主要由從碳氫化合物轉化器3放出的材料提供，如下文更詳細描述。在這些條件下，C轉化器9中的水(H2O)為蒸汽，且水可能已經作為蒸汽而被引入。控制在操作期間的水的供應從而避免水的過剩，以便避免強冷卻。在C轉化器9中的過度冷卻的情況下，上述反應2也將佔優勢。
[0052]CO2轉化器9最 佳在從1000到1200°C的高溫下操作，以便抑制放熱的水移反應CCHH2O — C02+H2,且因此優化一氧化碳在合成氣體中的共享。C轉化器9中的反應是所屬領域的技術人員已知的且因此在此處不進一步詳細論述。
[0053]下文參看圖1更詳細描述用於產生合成氣體的機具I的操作。在下文中，假定碳氫化合物轉化器3為克瓦納類型的高溫反應器。含有碳氫化合物的流體(具體來說呈氣態形式)經由碳氫化合物入口 4而引入到碳氫化合物轉化器3中。如果碳氫化合物為例如甲烷(CH4)，那麼將從I摩爾甲烷產生I摩爾碳和2摩爾氫氣。根據以下反應方程式在碳氫化合物轉化器3的等離子炬(plasma torch)中在約1600°C下轉變碳氫化合物,其中所引入能量為在等離子中藉助於電能而產生的熱:
[0054]CnHm+ 能量—n C+m/2H2
[0055]通過適當的過程控制，克瓦納反應器能夠在持續操作中將幾乎100%的碳氫化合物轉變為其組分。
[0056]在下文中，假定碳和氫氣在碳氫化合物轉化器3中分離，且所述碳和氫氣將大部分分開排出。然而，還可能的是並未發生分離，且碳和氫氣作為混合物被排出且引入到C轉化器9中。氫氣不會損害C轉化器9中的轉變過程而可充當額外的熱傳遞物質。碳至少部分從碳出口 5直接引導到C轉化器9的碳入口 11中。術語從碳氫化合物轉化器3的出口
5「直接」引導到C轉化器9的碳入口 11應包含不經歷所引導材料的溫度的超過50% (優選不超過20%)的冷卻的所有此類變體。由於從碳氫化合物轉化器3排出的碳具有高溫(優選高於1000°C )，所以其中所含的熱可用於維持C轉化器9中的轉變過程所必需的溫度，所述轉化器在例如約1000°C的溫度下操作。
[0057]碳氫化合物轉化器3與C轉化器9之間的連接8經設計使得碳在其從碳氫化合物轉化器3到C轉化器9的路上並未冷卻太多(就溫度而言小於50%，優選地小於20% )。舉例來說，連接8可經特殊絕緣和/或主動加熱，其中系統優選不具備額外的熱，即沒有除引入到碳氫化合物轉化器3中的熱之外的熱。在碳氫化合物轉化器3中產生的氫氣由於碳氫化合物轉化器3中的操作溫度而還含有熱能。因此，用於加熱連接8的一個可能性是使用經由氫氣出口 6排出的氫氣的熱能來直接或間接地經由熱交換器單元來加熱碳氫化合物轉化器3與C轉化器9之間的連接8。
[0058]在C轉化器中，尤其是經由C轉化器9的水入口 10引入的呈蒸汽形式的水在熱碳上經引導和/或與熱碳混合。C轉化器最佳地在高溫下操作，這是因為其為吸熱反應，且競爭性的水移反應為放熱反應。所屬領域的技術人員已知反應取決於壓力和溫度，且將不會對其進行詳細描述。引入到C轉化器9中的水的量或碳的量可通過適當的構件來(開放循環)控制和/或(封閉循環)調節。
[0059]C+H20 — C0+H2 ； ΔΗ = +131.38kJ/ 摩爾
[0060]而且在此處，鮑氏平衡是限制因素。這是為何在1000°C以上的溫度下且在不存在過剩的水的情況下，混合物幾乎完全由一氧化碳和氫氣組合。因為C轉化器9優選在>1000°C的溫度下操作，有利地是預加熱引入到C轉化器9的水入口 10中的水。舉例來說，水的預加熱可通過使用熱氫氣中所含的熱能來直接或間接地經由熱交換單元來預加熱水來實現。優選地，碳中所含的熱足以將水加熱到所需的溫度。僅在碳氫化合物轉化器3中所產生的熱不足以達到約1000°C的所需轉變溫度的情況下，可提供用於加熱C轉化器9或其中所含的元件的可選的額外加熱單元。此類單元還可以作為水或碳的供應線附近的預加熱單元來提供。此類單元還可僅針對機具的啟動階段來提供，以便使C轉化器9或機具的含有介質的部分達到起始溫度，使得系統可更快地達到所需的溫度狀態。專門經由碳氫化合物轉化器3中所產生的熱來加熱所有含有介質的部分可能在一開始會耗費較長的時間。
[0061]熱的合成氣體(CCHH2)在> 1000°C的溫度下排出C轉化器9(取決於C轉化器9的操作溫度)。從C轉化器9排出的合成氣體也含有熱能，所述熱能可(例如)用於直接或間接地經由熱交換單元(圖1中未示出)來預加熱引入到水入口 10中的水。在適當的操作參數下，即介於1000與1200°C之間的溫度(以及碳氫化合物轉化器3中氫氣與碳的分離)，產生合成氣體，其中CO和H2具有1:1的比率，其被稱為水煤氣。在碳氫化合物轉化器3中的氫氣與碳沒有分離且沒有C轉化器9中的相應的適當操作參數(即，介於1000°C與1200°C之間的溫度)的情況下，將生產具有近似1: 3的C0/H2比率的合成氣體。
[0062]如上文所提及，碳氫化合物轉化器3可包括用於排出碳的第二碳出口 7。碳氫化合物轉化器3中所產生的碳可在相應的分離之後(或作為C-H2混合物)經由第一碳出口 5和第二碳出口 7按不同的比例排出。第二碳出口 7用於排出在C轉化器9中未使用的所產生的碳的一部分以產生合成氣體。未使用的碳的量取決於應從C轉化器9排出的合成氣體的所需的組成。經由第二碳出口 7排出的碳可作為活性碳、石墨、碳黑或另一變形(例如碳圓錐體或碳盤)而排出。取決於所排出碳的形式和質量，所排出碳可用作化學工業或電子工業的原材料。可能的應用例如為製造半導體、生產輪胎、油墨、調色劑或類似產品。由碳氫化合物轉化器3產生的碳為可經非常良好地處理的高純度的原材料。
[0063]藉助於上 文所述的用於產生合成氣體的方法，可能在沒有或至少沒有顯著的外部能量供應的情況下通過溫的或熱的水而在C轉化器9中將來自碳氫化合物轉化器3的熱碳轉變為合成氣體。優選地，達到轉變溫度所需的熱的至少80% (具體來說至少90%)應來源於碳氫化合物轉化器3。
[0064]圖2示出用於產生合成氣體的機具20，其包括上述用於產生合成氣體的機具I的元件以及混合腔室21，混合腔室21包括用於引入合成氣體的合成氣體入口 22和用於引入氫氣的H2入口 23以及用於排出合成氣體的合成氣體出口 24。合成氣體入口 22連接到C轉化器9的合成氣體出口 12。混合腔室21的H2入口 23連接到碳氫化合物轉化器3的H2出口 6。如所屬領域的技術人員顯而易見的，本實施例經由碳出口 5將C-H2混合物引入到C轉化器9中而自動產生具有約為1: 3的CO-H2的混合比率的合成氣體。在此類情況下，混合腔室21可不存在，或混合腔室21可用於生產不同的混合比率，或可將CO引入到混合腔室中以便降低合成氣體的H2含量。
[0065]混合腔室21可為用於混合氣體的任何合適的設備，且在簡單情況下，混合腔室21可呈具有合適的入口和出口的管的形式。藉助於混合腔室21且具體來說藉助於控制/調節(開放循環/封閉循環)經由混合單元21的H2入口 23和/或經由連接到CO源(未圖示)和/或連接到第二合成氣體源的入口(未圖示)引入氫氣的(額外)量，可能會影響在合成氣體出口 24處的合成氣體的混合物而可使得適於後續過程的組成實現。具體來說，第二合成氣體源可為與第一 C轉化器並行操作的第二 C轉化器9。兩個C轉化器9可用來自共同共享的碳氫化合物轉化器3或來自單獨轉化器單元的碳和/或氫氣來供給。具體來說，第一轉化器可被供應實質上純碳(在與氫氣分離之後)，且第二轉化器可被供應碳與氫氣的混合物。此處，第一 C轉化器將生產具有約1:1的CO: H2的混合比率的實質上水煤氣，且第二 C轉化器將生產具有約1: 3的CO: H2的混合比率的合成氣體。組合這兩種合成氣體將產生約1: 2的CO: H2的混合比率，其中過剩的氫氣(來自在引入到第一 C轉化器中之前的分離步驟)將仍可用於進一步增大混合比率。
[0066]對於許多過程，例如費託合成，氫氣與CO的比率應為較高的。藉助於混合腔室21，可在合成氣體出口 24處獲得氫氣與CO的任何所需比率，例如對應於水煤氣的1:1的比率。考慮到僅將部分的合成氣體和/或部分的氫氣供應到混合腔室21，而合成氣體和氫氣的未引入到混合腔室中的那些部分各自作為純氣體而從該過程排出。因此，例如以下情況是可能的:a)僅排出合成氣體，b)僅排出氫氣，c)排出CO與氫氣的合成氣體混合物，或d)排出水煤氣的流、氫氣的流和合成氣體混合物(CO與氫氣之間的任何比率)的流，或在一氧化碳與氫氣之間分別具有不同比率的若干合成氣體。
[0067]此外，圖2中的用於產生合成氣體的機具20包括C熱交換單元25、合成氣體熱交換單元26和H2熱交換單元27。C熱交換器單元25和碳氫化合物轉化器3與C轉化器9之間的連接8熱導接觸，且適於(在必要時)從所述連接提取達到C轉化器9中的轉變溫度所不需要的過剩的熱或在必要時從機具的其它區域引入熱。
[0068]合成氣體熱交換器單元26和C轉化器9與混合腔室21之間的連接熱導接觸，且適於從所述連接提取過剩的熱且因此提取熱合成氣體中所含的過剩的熱。所提取的熱可用於(例如)預加熱引入到C轉化器9中的水。對於此熱傳遞，如此項技術中已知的所謂的逆流熱交換器將為尤其合適的。
[0069] H2熱交換器單元27和碳氫化合物轉化器3與混合腔室21之間的連接熱導接觸，且適於從所述連接提取過剩的熱且因此從其中所含的熱氫氣提取過剩的熱。在熱交換器單元25、26或27中的一者處提取的熱可用於加熱機具的其它區域，且具體來說用於保存C轉化器的溫暖或用於預加熱引入到C轉化器中的水。一部分的熱可以(例如)通過蒸汽發電機和蒸汽渦輪機或通過另一合適設備而轉化為電力。
[0070]機具20的用於產生合成氣體的操作相對於碳氫化合物轉化器3和C轉化器9的操作而類似於根據圖1的機具I的上述操作。在用於產生合成氣體的機具20中，取決於合成氣體的所需的組成，所需混合比率的氫氣與CO在混合腔室中設置且經由混合腔室21的合成氣體出口 24轉移。優選地,但非必要地,通過碳氫化合物轉化器3來提供氫氣,如上文所述。可考慮其它氫氣源，確切地說第二碳氫化合物轉化器3，確切地說低溫碳氫化合物轉化器。如果未使用合成氣體的全部可用量和/或H2的全部可用量，那麼可分開處理在混合腔室中氣體(例如，合成氣體和/或H2)未被混合的那些部分。
[0071]圖3示出用於產生合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的機具30，其包括用於產生水煤氣的機具10(如圖1中所示)和CO轉化器31。未詳細解釋所述機具的對應於機具I的那些部分以便避免重複。CO轉化器31位於C轉化器9的下遊，且包括用於引入合成氣體的合成氣體入口 32、用於引入氫氣的H2入口 33和用於排出合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的碳氫化合物出口 34。CO轉化器31的合成氣體入口 32通過合成氣體連接35而連接到C轉化器9的合成氣體出口 12。CO轉化器31的H2入口 33通過H2連接36而連接到碳氫化合物轉化器3的H2出口 6。
[0072]應注意，CO轉化器31的H2入口 33和H2連接36為可選元件。取決於從C轉化器9排出的合成氣體的組成且取決於將在CO轉化器31中產生的合成官能化和/或非官能化碳氫化合物，合成氣體在所述合成氣體從C轉化器9的合成氣體出口 12排出時已經具有用於由CO轉化器31進一步處理的正確組成。在此情況下，沒有必要經由H2連接36來引入氫氣。任選地，H2連接36還可用於引入另一材料，例如用於減少合成氣體的H2含量的CO或用於醛的合成的烯烴( 醛化作用)。
[0073]用於產生碳氫化合物的機具30可選地還包括(圖2)結合機具20描述的熱交換器單元25、26、27，其為C熱交換器25、合成氣體熱交換器26和H2熱交換器27，所有熱交換器單元均以上述方式操作(參見圖2的描述)。
[0074]CO轉化器31可為用於產生合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的任何CO轉化器。在圖3中所示的實施例中，CO轉化器優選為具有合適的催化劑和用於溫度和/或壓力的控制單元的費託轉化器、柏吉斯-皮爾轉化器或皮爾轉化器。
[0075]在一個實施例中，CO轉化器31包括費託轉化器。費託轉化器催化地將合成氣體轉變為碳氫化合物和水。費託反應器和費託過程的若干實施例是所屬領域的技術人員已知的，且不將詳細解釋。主要反應方程式如下:
[0076]η CO+ (2n+l) H2 — CnH2n+2+n H2O 對於烷烴
[0077]n C0+2n H2 — CnH2n+n H2O對於烯烴
[0078]n C0+2n H2 ^ CnH2n+1OH+(η-1) H2O 對於醇類
[0079]費託過程可高溫過程或低溫過程一樣進行，其中過程溫度通常在200到400°C的範圍中。費託過程的已知變體尤其是洪切斯特(Hochlast)合成、辛託(Synthol)合成和切耳(Shell)的SMDS過程(SMDS =切耳中間餾分合成(Shell Middle DistillateSynthesis))。費託轉化器通常生產溼氣(丙烷、丁烷)、汽油、煤油、軟石蠟、硬石蠟、甲醇、甲烷、柴油燃料的碳氫化合物或若干這些物質的混合物。所屬領域的技術人員已知費託合成是放熱的。來自費託過程的反應的熱可(例如)藉助於熱交換器單元(附圖中未示出)來用於預加熱水。舉例來說，考慮用於待引入到C轉化器9中的水的兩步驟預加熱過程，其中第一預加熱步驟通過CO轉化器31的過剩的熱來實現(在費託轉化器的實施例中)，且隨後水的進一步加熱的步驟藉助於來自熱交換器單元25、26、27中的一個或多個的熱來實現。
[0080]在替代實施例中，CO轉化器31包括柏吉斯-皮爾轉化器或皮爾轉化器與MtL轉化器(MtL =甲醇到液體(Methanol-to-Liquid))的組合。
[0081]在柏吉斯-皮爾轉化器中，進行所屬領域的技術人員眾所周知的柏吉斯-皮爾過程，其中通過在放熱化學反應中碳與氫氣的氫化作用而產生碳氫化合物。來自柏吉斯-皮爾過程的產物的範圍取決於反應條件和反應過程的控制。主要獲得液體產物，其可用作燃料，例如重油和中油。柏吉斯-皮爾過程的已知變體例如為肯受(Konsol)過程和氫-煤(H-Coal)過程。
[0082]在皮爾轉化器與MtL轉化器的上述組合中，首先根據皮爾過程將合成氣體轉變為甲醇。MtL轉化器為將甲醇轉變為汽油的轉化器。普遍過程為埃克森美孚公司(ExxonMobil)(相應地為埃索公司(Esso))的MtL過程。MtL轉化器的起始材料通常為(例如)來自皮爾轉化器的甲醇。MtL轉化器所產生的排出產物通常為汽油，其適於奧託發動機的操作。
[0083]總之:不管上文所解釋的操作原理如何，可以說CO轉化器31從CO和H2產生合成官能化和/或非官能化碳氫化合物作為其輸出或最終產物。藉助於熱交換器單元，在CO轉化器31中的放熱轉變期間所產生的過程熱可用於加熱機具的不同區或產生電力以便增加所描述的機具的效率。
[0084]至於碳氫化合物的混合物(其不可在分離和分類之後作為最終產物而進一步直接處理或有盈利地售賣)是作為CO轉化器31的排出產物而獲得的，這些碳氫化合物(例如甲烷和短鏈烷烴)可再循環到上述過程中。為此目的，機具30包括再循環連接39，其可引導合成產生的碳氫化合物的一部分返回到碳氫化合物轉化器3的碳氫化合物入口 4。取決於再循環、合成產生的碳氫化合物的組成，在將不適合的碳氫化合物弓丨入到碳氫化合物入口 4中之前進行不適合的碳氫化合物的處理或分離步驟。
[0085]圖4示出用於產生官能化和/或非官能化碳氫化合物的機具40的另一實施例。機具40包括用於產生合成氣體的上述機具20以及如上文參考圖3中的實施例描述的CO轉化器31。混合腔室21的合成氣體出口 24連接到CO轉化器31的合成氣體入口 32。混合腔室21以在合成氣體出口 24處提供適於使用中的CO轉化器31所需要的合成氣體的方式來進行設置。機具40的其它元件與上述內容相同，且個體元件的操作基本上按上述方式來進行。
[0086]認為取決於機具的大小，可並行操作多個碳氫化合物轉化器以便提供所需的轉變容量。如上文所提及，可將碳氫化合物轉化器構建為高溫碳氫化合物轉化器和/或低溫碳氫化合物轉化器。高溫碳氫化合物轉化器在100°c以上的溫度下操作,且低溫碳氫化合物轉化器在介於200與1000°C之間的溫度下操作，其中可提供例如微波單元的額外能量源以用於將能量直接輸入到碳氫化合物中以便實現將碳氫化合物分解為碳和氫氣。
[0087]作為用於具有多個並行操作的碳氫化合物轉化器的機具的實例，圖5示出用於產生合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的機具30的另一實施例。至於描述相同或類似的元件時，圖5使用與先前實施例中相同的參考標號。在圖5中所示的實施例中，示出高溫碳氫化合物轉化器3a與低溫碳氫化合物轉化器3b的組合來代替單個碳氫化合物轉化器3。
[0088]高溫碳氫化合物轉化器3a包括碳氫化合物入口 4a、用於排出碳的第一出口 5a和用於排出氫氣的第二出口 6a。此外，可提供用於碳和氫氣的混合物(確切地說懸浮微粒)的單個出口 5a。第一出口 5a通過連接8而連接到C轉化器9的C入口 11。高溫碳氫化合物轉化器3a的可選第二出口 6a連接到CO轉化器31的H2入口 33。高溫碳氫化合物轉化器3a可任選地包括用於碳的另一出口(圖5中未不出)。
[0089]低溫碳氫化合物轉化器3b包括處理腔室,其具有碳氫化合物入口 4b、用於排出碳的第一出口 5b、用於排出氫氣的第二出口 6b和用於排出碳的可選第三出口 7b。優選地,低溫碳氫化合物轉化器3b包括用於在分解之後分離氫氣與碳且用於將氫氣和碳引導到其相應出口的分離單元。第一出口 5b可選地經由連接8而連接到C轉化器9的C入口 11，但還可連接到碳收集單元。低溫碳氫化合物轉化器3b的第二出口 6b連接到CO轉化器31的H2入口 33。可選第三出口 7b連接到碳收集單元，可從所述碳收集單元提取所收集的碳，例如作為碳黑、活性碳或以另一形式。
[0090]如上所述，如果經由H2連接36a、36b的氫氣的引入並非必要的，那麼CO轉化器31的H2入口 33和H2連接36a、36b為可選元件。
[0091 ]弓丨入到碳氫化合物入口 4a中的碳氫化合物和弓丨入到碳氫化合物入口 4b中的碳氫化合物可為相同的碳氫化合物或可為不同的碳氫化合物。可將來自第一碳氫化合物源的碳氫化合物引入到碳氫化合物入口 4a中，例如來自天然氣源的天然氣。然而，可(例如)經由先前提及的可選再循環 連接39將例如合成產生的官能化和/或非官能化碳氫化合物引入到低溫碳氫化合物轉化器3b的碳氫化合物入口 4b中。因為利用若干並行操作的碳氫化合物轉化器3、3a、3b，所以機具30可較容易按比例繪製、可較容易受控制，且可生產不同種類的碳。
[0092]此外，對於C轉化器9中的轉變過程，例如高溫碳氫化合物轉化器3a可優選地在高於1000°C的溫度下被有利地用來產生「熱」碳。具體來說，高溫碳氫化合物轉化器3a可在沒有分離單元的情況下操作，這是因為可將通過分解而獲得的C-H2混合物直接引入到C轉化器中。在此情況下，C轉化器9生產在出口處具有C-H2混合比率為例如約1:1的合成氣體。
[0093]然而，主要使用低溫碳氫化合物轉化器3b以便提供額外的氫氣以用於產生合成氣體或C-H2混合物，所述C-H2混合物在CO轉化器31中具有大於1: 3的C-H2混合比率。由於從低溫碳氫化合物轉化器3b到後續過程的熱傳遞是不必要的，所以低溫碳氫化合物轉化器3b可有利地在低於1000°C的溫度下且優選在最低可能溫度下操作。
[0094]因此，在碳氫化合物轉化器3a、3b中生產的一部分的碳(優選地來自高溫碳氫化合物轉化器3a的部分)可在機具30的操作期間被引入到C轉化器9中，而另一部分(優選地來自低溫碳氫化合物轉化器3b的部分)可從過程中轉移作為用於生產其它產物的原材料。此類產物例如為碳黑或工業菸灰、活性碳、特殊種類的碳(例如作為黑色粉末固體物質而獲得的碳盤和碳圓錐體等)。此碳為重要的技術產物，其可用作(例如)橡膠工業中的填充物、作為用於印刷顏色、油墨、油漆的顏料菸灰，或作為用於生產電組件(例如，鋅碳電池)和用於生產陰極或陽極的起始材料。任何過剩的氫氣可經轉移用於化學工業或可用於產生電力(通過燃燒或藉助於燃料電池)，其中低溫碳氫化合物轉化器3b優選以其僅提供必要的額外氫氣的方式來操作。
[0095]圖6示出用於產生合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的上述機具40的替代實施例，針對所述機具還提供多個並行操作的高溫和/或低溫碳氫化合物轉化器。圖6中所示出的用於產生碳氫化合物的機具40與圖5中所示出的機具30不同，不同之處在於混合腔室21位於CO轉化器31的上遊。混合腔室21混合特定適於CO轉化器31的合成氣體，且將所述合成氣體遞送到CO轉化器31。圖6中所描繪的元件在上文已描述且根據上述原理而工作。因此，未給出詳細描述以便避免重複。
[0096]圖7和圖8示出機具20和30的實施例，其包括C熱交換器單元25、合成氣體熱交換器單元26和H2熱交換器單元27，其中每一熱交換器單元連接到發動機/發電機裝置45。發動機/發電機裝置45適於從來自機具的不同區的過剩的熱中至少部分地產生電力，其中所述電力可供給到主電網中或可用於操作機具20，尤其是碳氫化合物轉化器。此外，發動機/發電機裝置45可連接到熱交換器單元(圖8中未示出)，所述熱交換器單元對由在CO轉化器31內部發生的放熱轉變過程所產生的熱進行耗散。因此，在一方面，CO轉化器可以受控且受調節的方式得到冷卻，這對於過程的操作是有利的，且在另一方面可產生電力。發動機/發電機裝置45可為適於將熱能轉變為電力的任何裝置，例如蒸汽渦輪機與發電機或活塞發動機與發電機的組合。
[0097]在操作期間，發動機/發電機裝置45將機具的過剩的熱轉變為電力，即碳水轉變不必要的熱。
[0098]發動機/發電機裝置45和熱交換器單元25、26和27為可在上述所有機具使用的可選元件。歸因於相應碳 氫化合物轉化器3、3a、3b中的操作溫度，從相應第二碳出口 7、7a、7b轉移的碳也含有顯著量的熱能。取決於所轉移碳的所需溫度，大量的此熱能可藉助於熱交換器單元(附圖中未示出)耗散，且熱可在本文所述的過程中重新使用，和/或可使用發動機/發電機裝置45而轉變為電力。
[0099]在用於產生合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的機具30和40中，來自碳氫化合物轉化器3、3a、3b的氫氣的冷卻和/或來自C轉化器9的合成氣體的冷卻僅在碳氫化合物的溫度和氫氣的溫度未降到CO轉化器31的操作溫度以下的情況下執行。取決於所選擇的過程，CO轉化器31的操作溫度通常介於200與400°C之間。
[0100]在上述所有機具中，碳氫化合物轉化器3可為在超過1000°C的溫度下操作的高溫反應器(例如，高溫克瓦納反應器)或在介於200°C與1000°C之間的溫度下操作的低溫反應器(例如，低溫克瓦納反應器)。當前測試的低溫反應器在介於400與900°C之間的溫度下操作。在介於200與900°C之間的溫度下操作的低溫反應器的情況下，認為所引入碳在碳氫化合物轉化器3與C轉化器9之間的連接8中預加熱，這是因為C轉化器9在介於800與1700°C之間、優選在介於1000到1200°C之間的溫度下操作。此外，從圖7和圖8明顯可見，可在上述所有機具1、20、30和40中使用高溫和/或低溫轉化器之間的組合。
[0101]在上述所有機具1、20、30和40中，在碳氫化合物轉化器3、3a、3b中產生的碳的部分可作為碳黑、作為活性碳或作為另一原材料而轉移，只要所述碳在機具1、20、30、40的C轉化器9中並未轉化即可。應進一步注意，在上述所有機具中，可提供多個C轉化器，其中在添加水時，這些C轉化器中的每一者可將碳的一部分轉變為合成氣體。此外，可任選地在上述所有機具30和40中對通過將不期望的碳氫化合物供給到碳氫化合物轉化器3的碳氫化合物入口 4、4a、4b中而在CO轉化器31中所生產的不期望的合成官能化和/或非官能化碳氫化合物進行再循環。
[0102]在機具1、20、30、40中且在用於產生合成氣體和/或合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的方法中，可生產出過剩的氫氣。可剩下過剩的氫氣和(例如)具有低H2含量的合成氣體，且取決於在CO轉化器31中產生的合成碳氫化合物，將氫氣引入到混合腔室21或CO轉化器31中可為不必要的。在這些情況下，可直接藉助於燃燒或藉助於燃料電池而將過剩的或過量的氫氣轉變為電力。因此，所述方法可在實質上無外部電力輸入的情況下操作。這尤其有利於在遠端位置(該處無法取得強大的普通電網(general grid))操作的機具。應進一步注意到，在碳氫化合物轉化器3中生產的氫氣的一部分可直接從過程中提取且作為商品出售。
[0103]在所有機具中，在轉化器3、9、31與混合腔室21之間的碳流、合成氣體流和氫氣流以及外部CO分別可藉助於閥、擋板、滑板等來控制。確切地說，認為可由閥來控制合成氣體和氫氣對應CO到CO轉化器31中的流入量。接著，在CO轉化器31中直接發生所需比率的合成氣體和氫氣對應CO的混合。
[0104]在上述所有機具中，CO轉化器31可由多個CO轉化器(圖中未示出)組成，其中在碳氫化合物轉化器3、3a、3b中的所產生且分離的氫氣以及在CO轉化器9中所產生的合成氣體的總量可在所述多個CO轉化器當中任意劃分。各CO轉化器具有上述設計和操作模式中的一者。CO轉化器可具有相同的設計或不同的設計或操作模式。在具有不同CO轉化器的實施例中，各CO轉化器可各自與不同構成的合成氣體操作且生產出不同的最終產物。
[0105]為了說明其它方法，幾個實例如下:
[0106]實例1[0107]如果在碳氫化合物轉化器中分解1份甲烷，那麼將獲得一份碳和兩份氫氣。碳與一份水在C轉化器中反應，且形成一份一氧化碳和一份氫氣。在添加1.1份氫氣後，合成氣體可在CO轉化器中與石蠟反應。其後，仍有足夠的氫氣可用於在另一步驟中將石蠟裂化為柴油、奧託燃料或煤油。
[0108]實例2
[0109]如果在碳氫化合物轉化器中分解1份丙烷(丁烷)，那麼將獲得3 (4)份碳和4 (5)份氫氣。碳與3 (4)份水在C轉化器中反應，且形成3 (4)份一氧化碳和3 (4)份氫氣。在添加33(4.4)份氫氣後，合成氣體可在CO轉化器中與石蠟反應。在兩種情況下，剩餘氫氣的量僅足夠在另一步驟中將石蠟裂化為柴油、奧託燃料或煤油。
[0110]實例3
[0111] 如果在碳氫化合物轉化器中分解1份重油(例如，C2tlH42),那麼將獲得20份碳和21份氫氣。碳與20份水在C轉化器中反應,且形成20份一氧化碳和20份氫氣。在添加21份氫氣後，合成氣體可在不同的CO轉化器中與20份甲醇反應。
[0112]在本文所述的方法中，由於在碳氫化合物轉化器3中通過分解碳氫化合物而產生的氫氣與也在分解步驟中形成的碳分離，所以在形成具有低氫氣含量的所述合成氣體之後，可以任何所需比率將分離的氫氣添加到具有低氫氣含量的合成氣體中。因此，可實現介於1.0與3.0之間的氫氣與CO的比率範圍。在藉助過剩的碳的部分氧化的情況下，可獲得 3.0的比率。
[0113]本發明已關於優選實施例來相當詳細地進行解釋，其中所描述實施例的個體特徵可在兼容的情況下彼此自由組合。而且，所描述實施例的個體特徵可被省略，只要這些特徵並非絕對必要的即可。在不偏離本發明的範圍的情況下，許多修改和偏差對於所屬領域的技術人員而言將是顯而易見的。在用於產生合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的機具的尤其簡單的實施例中，C轉化器可設計(例如)為簡單的管(例如，作為不具有分離單元的高溫碳氫化合物轉化器的出口管)，其中水入口通向所述管。水入口應與所述管接合而使得兩介質流得到良好地混合。所述管應絕緣且可在(例如)入口區連接到加熱單元以便將所述管加熱到操作溫度(尤其在操作的開始)。至於在下遊處，所述管可連接到熱交換器，所述熱交換器適於提取過剩的熱並使用此熱用於加熱所述機具的其它部件和/或用於產生電力。另外，所述管可包括用於氫氣的入口管(例如在熱交換器單元的下遊)，使得同一管不僅充當C轉化器而且還充當用於產生具有特定混合比率的合成氣體的混合腔室。用於氫氣的入 口管可來源於(例如)低溫碳氫化合物轉化器(具有分離單元)的用於氫氣的出口。在此情況下，可排出具有預定混合比率的合成氣體的所述管的輸出端可在CO轉化器中終止。
【權利要求】
1.一種用於產生合成氣體的方法，其包括以下步驟: 藉助於引入能量而將含有碳氫化合物的流體分解為碳和氫氣，所述能量至少部分由熱來提供，其中所述碳和所述氫氣在所述分解步驟之後具有至少200°c的溫度； 在介於800與1700°C之間的溫度下使水與通過所述分解步驟而產生的所述碳的至少部分接觸，其中在使所述碳與水接觸之後，通過所述分解步驟而獲得的所述碳已相對於其在所述分解步驟之後的溫度冷卻不超過以1:為單位的50% ； 將水和通過所述分解步驟而獲得的所述碳的至少部分轉變為合成氣體； 其中使通過所述分解步驟而獲得的所述碳和通過所述分解步驟而獲得的所述氫氣以碳氫懸浮微粒的形式與水接觸，和/或； 其中在使通過所述分解步驟而獲得的所述碳與水接觸的所述步驟之前所述碳與通過所述分解步驟而獲得的所述氫氣分離，且其中將所述經分離的氫氣的至少部分添加到通過所述轉變而產生的所述合成氣體。
2.根據權利要求1所述的用於產生合成氣體的方法，其中所述分解步驟在1000°C以上的溫度下發生，且其中在至少1000°C下、確切地說在介於1000°C與1200°C之間的溫度下使所述碳與水接觸。
3.根據權利要求1或2所述的用於產生合成氣體的方法，其中用於達到用於所述轉變的介於800與1700°C之間的所述溫度所需的熱基本上完全來源於提供用於分解所述含有碳氫化合物的流體的熱。
4.根據前述權利要求中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的方法，其中使通過所述分解步驟而獲得的所述碳和通過所述分解步驟而獲得的所述氫氣共同與水接觸。
5.根據權利要求1至3中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的方法，其中在使通過所述分解步驟而獲得的所述碳與水接觸的所述步驟之前使所述碳與通過所述分解步驟而獲得的所述氫氣分離。
6.根據前述權利要求中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的方法，其中使用通過所述分解步驟而獲得的所述碳的至少部分和/或通過所述分解步驟而獲得的所述氫氣的部分的熱的至少部分用於在使水與碳接觸之前來加熱水、和/或用於加熱在其中使水與所述碳接觸的處理腔室。
7.根據前述權利要求中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的方法，其中所述合成氣體在轉變之後具有800到1700°C的溫度，且其中使用其熱的至少部分來預加熱水和/或用於所述過程的其它介質。
8.根據前述權利要求中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的方法，其中使用通過所述分解步驟而獲得的所述碳的至少部分和/或通過所述分解步驟而獲得的所述氫氣的部分和/或所述合成氣體的部分的熱的至少部分以產生電力，其中所述電力尤其可提供為用於引入用於分解所述含有碳氫化合物的流體的能量的能量載體。
9.根據前述權利要求中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的方法，其中主要藉助於等離子來引入用於分解所述含有碳氫化合物的流體的所述能量。
10.根據前述權利要求中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的方法，其中所述分解步驟是在克瓦納反應器中執行的。
11.一種用於產生合成氣體的方法，其中將額外的氫氣和/或一氧化碳添加到通過轉變而產生的合成氣體。
12.根據權利要求11所述的用於產生合成氣體的方法，其中所述額外的氫氣是通過由引入至少部分由熱所提供的能量而將含有碳氫化合物的流體分解為碳和氫氣而產生的。
13.根據權利要求12所述的用於產生合成氣體的方法，其中所述額外的氫氣的至少部分是藉助於微波等離子通過在低於100(TC、確切地說低於600°C下的溫度下來分解所述含有碳氫化合物的流體而產生的。
14.根據權利要求11至13中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的方法，其中所述合成氣體的CO與氫氣的比率具有1:1到1: 3的值，確切地說約1: 2.1的值。
15.一種用於產生合成官能化和/或非官能化的碳氫化合物的方法，其中首先根據權利要求I至14中任一權利要求所述的方法來產生合成氣體，且其中使所述合成氣體與適合的催化劑接觸以便致使所述合成氣體轉變為所述合成官能化和/或非官能化的碳氫化合物，其中將所述催化劑和/或所述合成氣體的溫度開放循環控制或封閉循環調節到預定的溫度範圍。
16.根據權利要求15所述的用於產生合成官能化和/或非官能化的碳氫化合物的方法，其中藉助於費託過程、確切地說SMDS過程來進行所述合成氣體的所述轉變。
17.根據權利要求15所述的用於產生合成官能化和/或非官能化的碳氫化合物的方法，其中藉助於柏吉斯-皮爾過程、皮爾過程或皮爾過程與MtL過程的組合來進行所述合成氣體的所述轉變。
18.根據前述權利 要求中任一權利要求所述的方法，其中待分解的所述含有碳氫化合物的流體為天然氣、甲烷、溼氣、重油或其混合物。
19.一種用於產生合成氣體的設備，其包括: 碳氫化合物轉化器，其用於將含有碳氫化合物的流體分解為碳和氫氣，其中所述碳氫化合物轉化器包括至少一處理腔室和用於將能量引入到所述處理腔室中的至少一單元，所述處理腔室具有用於含有碳氫化合物的流體的至少一入口和用於碳和/或氫氣的至少一出口，所述能量至少部分由熱組成； C轉化器，其用於水和碳的轉變，所述C轉化器包括至少一其它處理腔室，所述其它處理腔室具有用於水的至少一入口、至少用於碳的至少一入口和至少一出口，其中至少用於碳的所述入口直接連接到所述碳氫化合物轉化器的所述至少一出口。
20.根據權利要求19所述的用於產生合成氣體的設備，其中用於將能量引入到所述處理腔室中的所述至少一單元以其得以至少局部地產生1000°c以上的溫度的方式來進行設計。
21.根據權利要求19或20所述的用於產生合成氣體的設備，其中用於將能量引入到所述處理腔室中的所述至少一單元包括等離子單元，確切地說是微波等離子單元。
22.根據權利要求19至21中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的設備，其中所述C轉化器的所述其它處理腔室由所述碳氫化合物轉化器的出口管形成，其中所述出口管連接到用於水的所述入口。
23.根據權利要求19至22中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的設備，其還包括分離單元，所述分離單元用於將通過分解而獲得的所述碳與通過分解而獲得的所述氫氣分離且具有用於來自所述分離單元的所述經分離材料的單獨出口，其中用於碳的所述出口連接到所述C轉化器。
24.根據權利要求19至23中任一權利要求所述的用於產生合成氣體的設備，其中所述碳氫化合物轉化器包括克瓦納反應器。
25.一種用於產生合成氣體的設備還包括至少一單獨入口管，其用於將氫氣或一氧化碳引導到C轉化器中或位於下遊的混合腔室中。
26.根據權利要求25所述的用於產生合成氣體的設備，其具有用於將含有碳氫化合物的流體分解為碳和氫氣的至少一額外碳氫化合物轉化器，所述額外碳氫化合物轉化器包括: 至少一處理腔室，其具有用於所述含有碳氫化合物的流體的至少一入口 ； 至少一單元，其用於將能量引入到所述處理腔室中，所述能量至少部分由熱組成； 分離單元，其用於分離通過分解而獲得的所述碳與通過分解而獲得的所述氫氣，其中分離單元具有用於碳和氫氣的單獨出口，其中用於氫氣的所述出口連接到用於氫氣的單獨入口。
27.根據權 利要求26所述的用於產生合成氣體的設備，其中所述至少一額外碳氫化合物轉化器為藉助於微波等離子在低於1000°c、確切地說低於600°C下的溫度下進行分解的類型。
28.一種用於將合成氣體轉變為合成官能化和/或非官能化碳氫化合物的設備，包括: 根據權利25至27中任一權利要求所述的設備；以及 CO轉化器，其具有包括其中具有催化劑的處理腔室、和用於使所述合成氣體與所述催化劑接觸的構件，以及用於將所述催化劑和/或所述合成氣體的溫度開放循環控制或封閉循環調節到預定溫度的控制單元。
29.根據權利要求28所述的設備，其中所述CO轉化器包括費託轉化器，確切地說SMDS轉化器。
30.根據權利要求28所述的設備，其中所述CO轉化器包括柏吉斯皮爾轉化器、皮爾轉化器或皮爾轉化器與MtL轉化器的組合。
31.根據權利要求28至30中任一權利要求所述的設備，其還包括用於開放循環控制或封閉循環調節所述CO轉化器中的所述合成氣體的壓力的控制單元。
【文檔編號】C10J3/00GK104039689SQ201280063147
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年12月20日 優先權日:2011年12月20日
【發明者】歐拉芙·庫爾 申請人:Ccp技術有限公司