本發(fā)明涉及一種用于熱解含氫化合物的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、為了實(shí)現(xiàn)氣候保護(hù)目標(biāo)，特別令人感興趣的技術(shù)方案是繼續(xù)實(shí)現(xiàn)在避免co2排放的同時(shí)使用化石資源。一種有前景的技術(shù)方案使得通過(guò)使用裂化/熱解反應(yīng)將含氫化合物轉(zhuǎn)化為至少純的固體碳和氫氣來(lái)使含氫化合物、特別是諸如天然氣或甲烷的烴脫碳成為可能。在甲烷的情況下，基本公式如下：

2、ch4→c+2h2

3、其中δh＝74.5千焦/摩爾

4、需要超過(guò)500℃的溫度以進(jìn)行該反應(yīng)，由此能量輸入能夠破壞強(qiáng)分子c-h鍵(437千焦/摩爾)。實(shí)驗(yàn)分析已經(jīng)表明，在溫度高達(dá)1100℃的熱力學(xué)平衡條件下可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)95％的反應(yīng)速率。

5、文獻(xiàn)wo?2019/154732a1公開(kāi)一種用于使用液態(tài)金屬反應(yīng)器熱解含氫化合物的方法及裝置。該已知的方法或該已知的裝置僅在有限的程度上適合于以工業(yè)規(guī)模連續(xù)加工含氫化合物。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)借助于甲烷熱解制造氫氣的反應(yīng)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種用于由含氫化合物、特別是由甲烷制造氫氣的更有利的裝置或方法。

2、該問(wèn)題通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的裝置來(lái)解決。從屬權(quán)利要求涉及該裝置的進(jìn)一步有利的實(shí)施方案。該問(wèn)題還通過(guò)具有權(quán)利要求13的特征的方法來(lái)解決。從屬權(quán)利要求涉及進(jìn)一步有利的方法步驟。

3、該問(wèn)題特別是通過(guò)一種用于通過(guò)熱分解包含烴的進(jìn)料氣體來(lái)制造氫氣和固體碳的裝置來(lái)解決，該裝置包括具有反應(yīng)室和布置在反應(yīng)室上方的收集室的熱解反應(yīng)器，反應(yīng)室含有液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)，并且包括通向反應(yīng)室的反應(yīng)器進(jìn)料管線(xiàn)，并且包括用于進(jìn)料氣體的進(jìn)料管，該進(jìn)料管以流體傳導(dǎo)方式連接到反應(yīng)器進(jìn)料管線(xiàn)，并且包括用于向反應(yīng)室供應(yīng)熱的加熱裝置，并且包括布置在收集室中用于從收集室排出物質(zhì)混合物的排出裝置，并且包括布置在熱解反應(yīng)器外部的分離裝置，排出裝置經(jīng)由排出管線(xiàn)連接到分離裝置，并且分離裝置被設(shè)計(jì)用于將物質(zhì)混合物分離為至少組分固體碳和氫氣，或固體碳和含有氫氣的氣體混合物，并且包括用于壓縮進(jìn)料到反應(yīng)器進(jìn)料管線(xiàn)的流體的壓縮機(jī)。

4、該問(wèn)題還特別通過(guò)一種用于將含氫化合物直接熱分解為固體碳和氫氣的方法來(lái)解決，該方法包括：壓縮包含烴的進(jìn)料氣體，隨后使壓縮的進(jìn)料氣體通過(guò)液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)，并在高溫傳熱介質(zhì)中將進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)化為物質(zhì)混合物，將物質(zhì)混合物收集在高溫?zé)彷d體上方的收集室中，該物質(zhì)混合物包含至少固體碳和含有氫氣的氣體混合物，將物質(zhì)混合物進(jìn)料到收集室下游的分離裝置，并在分離裝置中耗盡物質(zhì)混合物中的固體碳，以及將耗盡的物質(zhì)混合物和固體碳從分離裝置分別排出。

5、根據(jù)本發(fā)明的裝置或方法使得可以以工業(yè)規(guī)模將烴氣體、優(yōu)選甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和碳。

6、出于本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“熱解”應(yīng)理解為烴，例如甲烷，在無(wú)氧氣氛中的熱分解。

7、在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，提供的是，熱解反應(yīng)器包括具有反應(yīng)室和布置在反應(yīng)室上方的收集室的液態(tài)金屬反應(yīng)器，其中反應(yīng)室被設(shè)計(jì)為接收液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)。液態(tài)金屬反應(yīng)器包括用于進(jìn)料氣體或反應(yīng)氣體的入口，反應(yīng)氣體優(yōu)選從下方被引入液態(tài)金屬反應(yīng)器中，液態(tài)金屬反應(yīng)器優(yōu)選具有沿著液態(tài)金屬反應(yīng)器的下部布置的多孔部分或一系列開(kāi)口，以將反應(yīng)氣體從下方供應(yīng)到液態(tài)金屬反應(yīng)器，分布在內(nèi)部橫截面區(qū)域上，優(yōu)選基本上均勻地分布，使得供應(yīng)的反應(yīng)氣體流過(guò)位于液態(tài)金屬反應(yīng)器中的液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)，并由此沿著朝向收集室的方向上升。

8、出于本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“高溫傳熱介質(zhì)”應(yīng)理解為具有高熱穩(wěn)定性的傳熱介質(zhì)。優(yōu)選地，高溫傳熱介質(zhì)是熔融金屬或熔融鹽。金屬熔體是優(yōu)選的。熔融金屬向反應(yīng)氣體的良好傳熱是特別有利的。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于熔融金屬與碳之間的密度差異，可能發(fā)生碳分離。熔融金屬優(yōu)選為金屬或金屬合金。合適的熔融金屬優(yōu)選選自鉛-錫焊料、無(wú)鉛焊料、錫和/或鎂。鉛-錫焊料具有低熔點(diǎn)，因此實(shí)現(xiàn)在約200℃的溫度下形成均勻的熔融金屬。例如，組成為63％錫和37％鉛且共晶點(diǎn)為183℃的滲流焊料是這種非常適合的鉛-錫焊料。

9、在本發(fā)明的上下文中，高溫傳熱介質(zhì)優(yōu)選不循環(huán)。特別優(yōu)選地，高溫傳熱介質(zhì)保持靜止；它特別優(yōu)選僅位于反應(yīng)室中。

10、進(jìn)一步優(yōu)選的是將催化添加劑用于高溫傳熱介質(zhì)，特別是熔融金屬，例如鉍、銅/鎳或銅/銀的添加劑。通過(guò)將催化添加劑用于熔融金屬，可以降低反應(yīng)溫度或提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。此外，用形成的碳顆粒富集熔融金屬也可以具有自催化作用。通過(guò)熔融金屬的另外的催化作用可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化率。

11、在用于在熱解反應(yīng)器中通過(guò)熱分解含氫化合物生成氫氣的方法中，使作為反應(yīng)氣體供應(yīng)的含氫化合物與液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)接觸，由此反應(yīng)氣體在液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)中的停留時(shí)間優(yōu)選是可調(diào)節(jié)的。

12、其中使反應(yīng)氣體與液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)接觸的熱解具有從熔融金屬向反應(yīng)氣體良好傳熱的優(yōu)點(diǎn)。液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)，例如熔體，是可移動(dòng)的并且實(shí)現(xiàn)通流，使得氣態(tài)含氫化合物，例如甲烷，以向上運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)通過(guò)熔體，并且通過(guò)該移動(dòng)確保表面的持續(xù)更新。在根據(jù)本發(fā)明的方法中控制供應(yīng)的反應(yīng)氣體的壓力和/或量的可能性實(shí)現(xiàn)以受控的方式控制或影響對(duì)流熱輸入。氣態(tài)含氫化合物在液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)中的停留時(shí)間可以經(jīng)由供應(yīng)的反應(yīng)氣體的壓力和/或供應(yīng)的反應(yīng)氣體的量和/或存在于收集室中的壓力來(lái)調(diào)節(jié)。增加停留時(shí)間具有顯著提高熱分解轉(zhuǎn)化率的優(yōu)點(diǎn)。

13、在優(yōu)選的實(shí)施方案中，借助于壓縮機(jī)和/或借助于可控閥來(lái)調(diào)節(jié)壓力和/或流速。還可以證明有利的是，向熱解反應(yīng)器供應(yīng)諸如氮?dú)饣驓鍤獾亩栊詺怏w以控制反應(yīng)。

14、反應(yīng)氣體在高溫傳熱介質(zhì)中的流速可以?xún)?yōu)選經(jīng)由進(jìn)料到反應(yīng)室中的反應(yīng)氣體的壓力與收集室中的壓力之間的壓力差來(lái)設(shè)定。還可以調(diào)節(jié)反應(yīng)室的高度或液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)的填充水平，或者以這樣的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即實(shí)現(xiàn)反應(yīng)氣體在熔體中的期望流速。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，氣態(tài)含氫化合物在液態(tài)高溫傳熱介質(zhì)中的停留時(shí)間為0.01秒至1000秒，優(yōu)選0.1秒至100秒，優(yōu)選0.2秒至10秒。

15、在優(yōu)選的實(shí)施方案中，含氫化合物的分解發(fā)生在500℃至1500℃、優(yōu)選900℃至1400℃、優(yōu)選1000℃至1200℃的溫度下。例如，如果熔體具有催化活性，則可以在約500℃的溫度下分解氣體。

16、所需的反應(yīng)熱方便地通過(guò)燃燒一小部分制造的氫氣或另一種燃料來(lái)提供。還可以提供反應(yīng)室的電加熱。

17、優(yōu)選的含氫化合物選自甲烷、乙烷、高級(jí)烴、硫化氫、氨和/或其混合物。出于本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“高級(jí)烴”應(yīng)理解為從丙烷開(kāi)始的烴，特別是烷烴及其混合物。合適的烴混合物是例如粗沼氣或粗天然氣混合物。液態(tài)烴，諸如油，也可以直接使用。液態(tài)烴可以在現(xiàn)行反應(yīng)溫度下快速蒸發(fā)。優(yōu)選的含氫化合物是在環(huán)境溫度下為氣態(tài)的含氫化合物，特別選自甲烷、乙烷、硫化氫、氨和/或其混合物。甲烷是特別優(yōu)選的含氫氣體。

18、根據(jù)本發(fā)明的裝置實(shí)現(xiàn)通過(guò)將諸如甲烷的烴轉(zhuǎn)化為氫氣和碳而不制造對(duì)環(huán)境有害的二氧化碳的熱解。在該方法中分離的碳沉積在高溫傳熱介質(zhì)、例如熔融金屬上方，因此最初作為包含至少氫氣和碳的物質(zhì)混合物的一部分位于收集室中。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，將包含碳的物質(zhì)混合物從收集室中去除并進(jìn)料到熱解反應(yīng)器下游的外部分離裝置，在該外部分離裝置中將物質(zhì)混合物至少分離為碳和殘余氣體。分離裝置優(yōu)選包括脫氣容器，該脫氣容器被設(shè)計(jì)為壓力容器。有利地，將另外的輸送氣體供應(yīng)到收集室，該輸送氣體特別具有支持碳從收集室排出的任務(wù)。優(yōu)選地，控制輸送氣體的壓力和/或量和/或流速和/或作用點(diǎn)，以便以這樣的方式作用于收集室內(nèi)部的碳，即可以將優(yōu)選連續(xù)地形成在表面上的碳可靠地從收集室中去除并優(yōu)選輸送到下游的分離裝置。可以證明有利的是，提供另外的、優(yōu)選可控的壓縮機(jī)和/或可控閥，以便控制供應(yīng)到收集室的輸送氣體的壓力和/或量。