CN104254588A - 使用射频或微波能量的重化石烃转化和改质 - Google Patents

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戴维·M·希恩
杰弗里·W·格里芬
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Abstract

可以使用微波(MW)和/或射频(RF)能量增强重化石烃(HFH)向多种增值的化学品和/或燃料的转化。反应物、过程参数、和反应器设计的变化可显著影响作为产物产生的化学品和燃料的相对分布。在一个实例中，用于HFH的瞬时微波转化的系统包括：将微波或RF能量聚集到具有大于0.9atm压力的反应区中的源，通过所述反应区的具有HFH和工艺气体的连续进料，至少在所述反应区中接触HFH的HFH-至-液体催化剂，和所述反应区内的电介质放电。所述HFH和所述催化剂具有小于30秒的在所述反应区中的停留时间。在一些情况下，等离子体可以在所述反应区之中或附近形成。

Description

使用射频或微波能量的重化石烃转化和改质
优先权
本发明要求2012年2月21日提交的标题为使用射频或微波能量的重化石烃转化和改质的美国专利号13/401,216的优先权。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在由DARPA/CMO在协议HR0011-10-0088下发布的ARPA订单号Z075/00，计划代码9620下在政府支持下完成的。美国政府在本发明中具有某些权利。
背景
可以将用于煤和其他重化石烃(HFH)的传统的液化方法分为两种一般类别。第一种是间接液化，其中首先将煤气化为合成气，然后所述合成气用于化学品和燃料生产。第二种方法是直接液化，其中将煤化学品和燃料从煤中提取/精炼或者煤经历一系列热化学反应。大多数这些煤液化的传统方法具有相当大的能量需求和环境影响。与间接技术相比，用于直接煤液化的常规技术通常将导致较低的CO2排放，但典型地将需要相对更高的温度和更高压力的氢以获得有效的产品产量和质量。在高温和高压运行导致高的能量需求、水消耗和基本投资。因此，需要用于将HFH转化为增值的化学品和燃料的替代方法，以降低基本投资、运行成本和HFH液化的环境影响并且为了使得设备如煤-至-液体(CTL)设备可用。
概述
本文件描述了利用微波(MW)和/或射频(RF)能量以将HFH转化为多种增值的化学品和/或燃料的系统。例如，已观察到由煤在惰性气氛中的瞬时转化直接产生乙炔、烯烃、石脑油、萘、苯、甲苯、二甲苯(BTX)、聚芳塑料、链烷烃和燃料前体。添加氢和/或甲烷可以进一步增加直接燃料生产和源自HFH的液体的加氢，即使是在大气压和在适中的温度下运行时。在本发明范围内反应物、过程参数和反应器设计的变化，可显著影响作为产物产生的化学品和燃料的相对分布。
一个实施方案是用于使用微波和/或射频能量的HFH的连续瞬时转化的系统。所述系统包括：发射被聚集在具有大于0.9atm的压力的反应区中和/或通过所述反应区的微波或RF能量的源，流动通过所述反应区的包含HFH和工艺气体的连续进料，至少在所述反应区中接触HFH的HFH-至-液体(HFHTL)催化剂，和在所述反应区中的电介质放电。HFH和催化剂之间的接触可以包括：气体中携带的分开的粒子(或液体)之间的物理接触，在工艺气体内的包含极为接近的HFH和催化剂的混合物的粒子，和/或具有直接充满在HFH粒子上和/或HFH的孔隙内的催化活性物种的HFH。例如，可以使用水性溶剂或有机溶剂将可以包括各种金属/金属氧化物盐、有机金属物种、或纳米金属/金属氧化物粒子的催化剂或催化剂前体充满HFH中。HFH和催化剂具有小于5分钟的在反应区中停留时间。优选地，所述停留时间小于30秒，并且可以为大约数十微秒，在一些情况下，等离子体可以在反应区之中或附近形成。
另一个实施方案包括用于HFH的连续瞬时转化的方法。所述方法包括使包含HFH和工艺气体的连续进料流动通过反应区的步骤。反应区中的压力大于0.9atm。将HFH和HFHTL催化剂至少在所述反应区中接触。所述方法还包括在反应区聚集微波或RF能量并在所述反应区产生电介质放电。HFH和催化剂具有小于30秒的在反应区中的停留时间。
当在本文使用时，连续指的是其中反应物以流动物流的形式连续通过反应区进料并作为产物和/或废物连续排出的系统和方法。
适合的工艺气体的实例包括，但不限于，氮、二氧化碳、甲烷、天然气、循环气、一氧化碳、氩、氦、水蒸气、氧、以及它们的组合。优选地，所述工艺气体包括含氢气体。当在本文使用时，热解指的是在无O2参与的情况下HFH材料的热化学分解。在工艺气体包括水蒸气和/或O2的情况下，可能发生一些燃烧。然而，O相对C的比例小于一并且热解仍然是占优势的反应，并且该过程在本文广泛地被称为“热解”或“转化”。通常，总工艺气体中的HFH浓度对于反应器运行应该是足够的，同时气体进料可以尽可能低以保证稳定运行。在一个特别的实施方案中，总气流中的HFH浓度大于或等于0.1重量％且小于100重量％。当所述工艺气体包括含氢的反应性气体时，优选所述浓度大于3克HFH/克反应性气体。在一些实施方案中，所述浓度可以大于6克HFH/克反应性气体。
所述反应区可以存在于具有多种布局的反应器中，所述反应器包括但不限于流化床反应器、携带流(entrained flow)反应器、自由下落反应器(freefall reactor)或移动床反应器。反应区中的压力，优选地，小于7大气压。反应物在反应区中的停留时间，优选大于或等于5毫秒并且低于30秒。可以将源布置为以从平行于到垂直于反应区中的流动方向的任何角度发射微波或RF能量。此外，能量可以通过部分限定所述反应区的反应器壁。备选地，可以通过在反应区处或反应区内的适当放置源或适当放置天线或波导，将能量从直接从反应区发射或发射至反应区。直接向反应区的发射提高了效率并且排除了通过反应器壁传输的需要。
在不同实施方案中，催化剂包括加氢促进剂、放电促进剂和/或氢形成促进剂。催化剂还可以是稀释材料。催化剂的实例可以包括，但不限于含有铁、镍、钴、钼、碳、铜、氧化铝、二氧化硅、氧和组合的材料。其他催化剂可以包括铁和/或炭。在一些实施方案中，可以将催化剂和HFH混合。在一些实施方案中，工艺气体中催化剂的浓度可以在0重量％至30重量％之间或在0.5重量％至10重量％之间。
当在本文使用时，HFH可以指沥青，任何等级的煤(即，烟煤、次烟煤、褐煤、等等)，油砂(即，含沥青的矿石)，油页岩，石油渣油，沥青质和前沥青质，和任何其他含干酪根的材料。HFH还可以指生物质、塑料、城市废物、淤渣或其他富碳材料。
在前的摘要的目的是通常使美国专利商标局和公众，尤其是对专利或法律术语或措辞不熟悉的本领域科学家、工程师和从业者能够从粗略的审阅快速确定本申请的技术公开的性质和本质。摘要既不意在限定由权利要求衡量的本申请的发明，其也不意在以任何方式限制本发明的范围。
本文中描述了本发明各种优势和新特征并且从以下详细描述将对本领域技术人员变得进一步显而易见。在之前和以下的描述中，已显示和描述包括优选的实施方案在内的各种实施方案。本文中包括的是为了进行本发明所考虑的最佳方式的描述。如将被认识到的，本发明能够在不偏离的本发明的情况下在各种方面更改。因此，在本文以下陈述的实施方案的附图和描述将被认为实质上是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
以下参照以下附图描述本发明的实施方案。
图1是使用微波能量的用于煤转化的静态半分批系统的图。
图2是显示微波转化后来自两种样品(MWPy011和MWPy012)的产品的气相色谱-质谱法(GCMS)的色谱图。
图3是说明氮和氢吹扫气对戊烷可溶的部分的组成的影响的GCMS色谱图。
图4是根据本发明的一个实施方案用于HFH的连续瞬时转化的系统的图。
图5是描述根据本发明实施方案的HFH的连续转化的过程的图。
详细描述
以下描述包括本发明一个实施方案的优选的最佳方式。从本发明的该描述，将清楚本发明不限于这些举例说明的实施方案，而本发明还包括多种对其的更改和实施。因此，本描述应该被看作为说明性的而不是限制性的。当本发明允许不同改进和替代的构造时，应该理解不存在将本发明限制于公开的特定形式的意图，而与此相反，本发明将包括落在如在权利要求中限定的本发明的精神和范围内的所有更改、替代构造和相当物。
产物的急骤加热和/或急冷能够阻止典型地与常规HFH转化相关的逆反应，同时仅选择性加热HFH可以减少过程和热无效。本发明实施方案应用选择性急骤加热HFH和/或HFHTL催化剂，同时将主体介质保持在低于热解条件的温度，从而通过较冷的主体介质有效地将挥发的产物或油急冷。可以通过HFH和/或催化剂粒子之间或之内建立的不均衡电荷产生的电介质放电、通过将HFH和/或催化剂引入等离子体中、或者通过作为引入微波和/或RF照射的结果的快速加热，来完成选择性急骤加热。
本文描述的实施方案包括，在其中水分的加热不是加热或RF或微波能量的吸收的主要模式的频率，吸收射频(RF)或微波能量。更确切地说，可以通过半导体材料实现加热和RF或微波能量的吸收，所述半导体材料可以包括充满HFH之中或HFH本身的混合HFHTL催化剂，直到由于HFH粒子、催化剂、和/或反应器组件上建立的非均匀电荷导致在HFH、催化剂粒子和/或反应器组件(例如，反应器壁、波导组件或反应器中设置的导体或半导体材料)之内和/或之间发生电介质崩塌(dielectric collapse)。在一些情况下，所述电介质崩塌可以导致等离子体放电。各个放电中，放电的紧邻区域内的温度可接近甚至超过1500℃，但是典型地被周围环境在几微秒内急冷。不管放电之中和附近的温度，对在反应器和/或反应区中的主体温度仅有最小的改变。作为放电的结果，在火花放电源粒子和紧邻的环境(大约0.1cm)处发生有机结构的急剧分裂和重排。随后任何产物和挥发物从HFH释放到保持较冷的环境介质中。在粒子的紧邻区域中局部产生的或在反应区中预先形成的等离子体产生反应性离子物种(例如H、C、CHx、Ar、O、或N离子)，所述反应性离子物种可以容易地直接与HFH、与释放的产物和挥发物、或与其他可以用作催化引发剂的反应性离子相互作用，用于分解、加氢、脱氢、和其他将HFH和/或反应性气体转化为不同物种的反应。
通过避免过度加热主体介质，可以减少逆向反应和分解反应，其可以通过“极快”转化和/或转化来改善液体收率。利用RF或微波诱导的转化，热能(例如，来自燃烧源的)被最小化或消除，并且将液化所需的能量聚集和/或对准反应区内，而不是如同具有较高热无效的常规热瞬时热解器(thermal flash pyrolyzer)，跨过整个反应器和它的内容物，。
下表和图显示和描述多种方面和实施方案，并且是使用高挥发烟煤Pitt#8为代表性HFH获得的。除非另有说明，使用未干燥或去矿化的按来样的煤。将煤的尺寸降低到60目(＜0.25mm)。为了避免堵塞问题，对于大多数本文中描述的实施例，将煤的粒径范围收窄到100-200目(74-149微米)。用作代表性HFH的匹兹堡煤层煤的工业和元素分析分别显示于表1和表2中。
表1 Pitt#8煤(DECS-23)的工业分析
表2 Pitt#8煤(DECS-23)的元素分析
首先参照图1，该图描述了静态煤反应器102，所述静态煤反应器102具有静态煤床、来自气体源101的连续流、在线气体分析装置105如气相色谱仪、和一个以上产物收集容器104。示出了，所述反应器102在用作辐射源的微波炉103内，然而在实践中可以将所述反应器整合于或连接于其他类型的微波或RF能量源。尽管本文中描述的实施方案包括连续反应器，但所述静态反应器用于描述和表示不同方面和原理。通过移除转盘和通过炉空腔的顶部和底部钻2”孔来改造微波炉103，以允许穿过所述空腔插入石英反应管。为了避免微波泄露出微波炉，将两个铝制法兰栓于微波炉的顶部和底部。每个法兰具有4.8”长的1.05”O.D.管开口。这允许在没有作为将反应管穿过炉空腔的结果的电磁场发射的情况下，安全操作微波炉。反应器中的压力大于或等于约1atm。在大气压到35psig(2.4atm)或3.4atm(绝对压力)的测试台最大操作压力下，维持稳定表现。甚至超过此的压力是适合的。
将1-2克煤(＜60目，按来样)插入10.5mm ID(12.5mm OD)石英反应管内的两个石英棉塞之间。将三条长～40mm的镍铬合金金属线紧密缠结在一起以形成长～25mm的单“绳”，并在该金属线绳的顶部和底部具有三根“辐条”。典型地，在金属线周围加载煤之前，将金属线元件插入反应管，并用作微波“天线”″以引导微波能量至煤床并帮助引燃遍及所述煤床的电介质放电。随后将反应管置于更大的0.75”OD(0.625”ID)石英外管中并将反应管的顶部和底部用垫圈密封在更大的外管内(在炉空腔外)。这使得快速的反应器转向和通过内管的称重和加载更精确计算质量平衡成为可能。
使用质流控制器将气体以200sccm(总)的流速引入外石英管。围绕反应管设置的密封迫使气体通过静态煤床。用于实验的微波时间在30秒至10分钟之间变化。在一系列冷阱中收集产物，第一个是冷却到～0℃的，并且第二个阱用干冰和丙醇冷却到-78℃的温度。随后将气体通过在线气相GC并收集在气体样品袋中，用于在微波转化过程中形成和消耗的气体的进一步分析和定量。
按来样的Pitt#8(DECS-23)煤在分批反应器中的基线四氢呋喃(THF)萃取显示于表3中。进行THF萃取以评估在无微波或热处理下可萃取的产物的量，用于在应用各种转化能量的可溶产物方面的改善的直接比较。用THF对Pitt#8萃取得到13至16重量％之间的THF可溶的焦油，很少到没有戊烷可溶的油的收率。
表3 从Pitt#8(按来样)的基线THF可萃取物收率
在提高的惰性和氢气体压力下进行350℃时Pitt#8煤的基线热产量，并且结果示于表4中。选择350℃为转化温度，以确定实验试验中加热气旋内炭-蒸气分离过程中是否会发生任何热解或脱挥发反应。如在表4中显示的，350℃转化温度的效果对煤的净转化几乎没有影响并且THF可溶的焦油收率类似于来自Pitt#8的基线THF可萃取收率。氮或氢的气体顶空(gas headspace)效果也几乎不显示影响。
表4.Pitt#8煤在350℃在450psi N2和下的基线热转化收率
用多种煤-至-液体(CTL)催化剂，在穿过现货供应的家用微波炉放置的石英管中，在流动的氮气下，在静态煤床内进行初始煤转化实验。如表5中显示的，无催化剂时，在5分钟的微波暴露时间，观察到很少到没有的煤转化。在煤中掺入2-10重量％的CTL催化剂(水铁矿和磁铁矿)和铁屑(40刚也显示很少到没有的对煤转化的影响，并且床温度从不超过200℃。这表明向煤床和/或CTL催化剂的MW能量转移差，而且金属薄片对于促进MW加热或等离子体放电是无效的。仅在实验MWPy009的情况下观察到稍微显著的煤转化。这也是唯一一次观察到电介质放电的运行，表明在电介质放电或等离子体不存在的情况下，煤将不经历任何显著的转化。
表5.初始MW转化实验的产物收率
表6.概述各个催化剂的表现和某些特征的合适催化剂的不完全列表。
表6包含多种催化剂的性能和特性的总结，包括展现电介质放电、氢形成和/或稀释特性的那些。如本文其他地方描述的，电介质放电的起始是根据本发明实施方案的适合的催化剂的关键功能。除了在表6中显示的那些之外，对于铜线、磁铁矿、和铁屑，观察到在氩和空气流中的快速加热和电介质放电的引燃。
对于具有Fe屑的煤，即使在实验MWPy008中未观察到可察觉的煤转化或电介质放电，在单独的实验中从铁屑也观察到电介质放电。此不一致的可能的原因是差的能量吸收。猜测煤加热或电介质放电的缺失与反应器的MW炉空腔内的电磁能场的分布有关。因此，在一些实施方案中，可以将不锈钢线围绕煤床插入以增强在煤床处和围绕煤床的能量转化。插入金属线后，在线间观察到成功的等离子体点燃并且等离子体-诱导的煤转化是成功的，如对于表5中的实验MWPy009所示的。
此外，重新评估表6中测试的催化材料在与无定形碳物理混合时催化电介质放电和/或等离子体形成的潜在能力。在所有当材料以其中存在其中所有粒子是相接触的连续固体床的方式填装时的情况下，未观察到电介质放电或等离子体。然而，当材料稍微分散时，观察到急剧的放电，表明促进电介质放电或等离子体的任何材料的使用可以用于连续流过程，以使能够在大于0.9atm的压力产生等离子体和电介质放电，从而使煤和其他HFH的等离子体和电介质放电转化在高真空等离子体应用的传统外壳外的压力下发生。
在氮流中来自Pitt#8煤的转化产物产率为10.1重量％(按来样)气体，36.6重量％(按来样)THF可溶的产物，和53.3重量％(按来样)炭。从MWPy009实验回收的气体的组成示于表7中。总的回收的焦油/油萃取物(47.9重量％)包含～33重量％(按来样)戊烷可溶的油产物，其会被认为是可以被升级到JP-8燃料的物质。
表7.从MWPy009的转化回收的气体的组成的概述
气体 摩尔(％) 气体 摩尔(％)
N2 73.9 乙烷 0.97
O2 1.0 乙烯 1.3
H2 11.5 CO 2.8
CH4 7.8 CO2 0.63
表8显示当将不锈钢线插入静态煤床时静态煤反应器中的MW-诱导的转化的产物和可重复性。对于各个实验，氮吹扫气连续通过煤床。对于MWPy011和MWPy012的气体组成显示于表9中。在MW-诱导的转化过程中，显著量的氢气直接从煤产生，并且大多数含碳物种是甲烷、乙烷和乙烯，伴有一些由于氧从煤中释放导致的CO和CO2形成。
表8.利用插入静态煤床的不锈钢线在氮流中的MW-诱导的煤转化的产物分布和可重复性
表9.由Pitt#8的MW-诱导转化所得的气体组成。
对于MWPy011和MWPy012，通过GCMS分析戊烷可溶的部分的组成并示于图2中。在戊烷和THF移除之前(参见图2中“未浓缩的”)，由于被戊烷和THF饱和，大多数产物信号较弱，然而观察到包括苯和甲苯在内的主要化合物。从该部分中移除溶剂允许更详细的分析。大多数产物是与PCX物种一起的二-和三环芳烃，其非常类似于来自Pitt#8煤的热转化的产物分布。这表明在微波-诱导的转化中，煤经历与热-诱导的转化相似方式的转化。
为了改善MW-诱导的转化的产物的氢含量，使用氢和/或甲烷气体作为氢源。表10.氮和氢吹扫气在静态MW过程中对产物收率的效果显示了10％氮中的90％氢气体作为吹扫气在Pitt#8煤的无催化剂的静态微波-转化过程中的效果。向系统中引入氢减少了总体液体和气体产物收率并导致在6分钟内堵塞反应器管。此外，降低了质量平衡，这通过之后的实验显示为在溶剂移除过程中较轻烃和BTX组分的损失的结果。尽管收率降低，但存在所收集的戊烷可溶的液体产物(如在图3中所示的)的酚类、混合甲酚类和混合二甲酚类(PCX)含量的降低，这与作为未收集的或在收率计算中未计算在内的BTX和较轻烃收率的结果的降低的质量平衡一致。
表10.氮和氢吹扫气在静态MW转化过程中产物收率的效果
表11.N2、H2和CH4吹扫气在MW过程中对产物收率的效果显示了在静态Pitt#8煤床的微波-诱导转化过程中作为所用的吹扫气的功能形成的产物。对于所有测试，微波加热时间为5分钟，使用200sccm的总气体流速，和2g的煤。在与之前(MWPy-011和MWPy-012)类似的条件下，对于实验MWPy038，使用改进的微波炉系统(即，较低功率微波源和加入水假负载(dummy load))的结果降低了总体产物收率。
表11.N2、H2和CH4吹扫气在MW转化过程中对产物收率的效果
参照图4，描述了连续反应器，通过所述连续反应器，将包含HFH(例如，煤)404和工艺气体的连续进料穿过被射频或微波能量辐射的区域406连续进料。所述反应器包括进料管401，通过所述进料管401，反应性气体携带的煤进入反应区406，所述反应区406在外管405内，另外的工艺气体402流过所述外管405。RF或微波源407辐射包括反应区406的区域。在一些情况下，等离子体408在反应区中或附近形成。示例性的外管可以包括石英管。示例性的进料管可以包括氧化铝管。可以将气流分配器盘403置于反应区的上游。在一个应用的过程中，可以将微波或RF能量垂直(如图4中所示)引入反应区。备选地，可以将微波或RF能量并流或逆流(即，平行)共同引入HFH和一种或多种工艺气体流中。这也使得反应器和过程反应器材料能够由宽范围的材料构造，所述宽范围材料包括但不限于钢、陶瓷和其他工程材料。
图5为描述根据本发明实施方案的HFH的连续转化的方法的示意图。将包括HFH和工艺气体的连续进料和HFHTL催化剂流动501至大于0.9atm的压力的反应区504。HFH可以在连续进料的0.1重量％至100重量％之间。在一些实施方案中，HFH可以在连续进料的0.5重量％至95重量％之间，在连续进料的4重量％至93重量％之间，或在连续进料的8重量％至93重量％之间。通常，工艺气体中的HFH浓度应该尽可能高以保证最大效率和产物产生。与此同时，工艺气体的浓度应该足够高以增加最终产物的氢碳比并且保证稳定的反应器性能。
至少在反应区中，HFH和HFHTL催化剂是接触的505。微波或RF能量从源发射502到反应区中。至少在反应区中发生电介质放电506以促进HFH的转化。产物和废物流出反应区的503。HFH和HFHTL催化剂具有小于30秒的在反应区中的停留时间。
表12概述了来自在如由图4描述的连续流反应器中的和/或根据图5中描述的方法的在各种条件下的Pitt#8煤的微波转化的产物收率。无催化剂加入，在氮和氢两者(25％氢于氮中)流携带下，油收率为～20重量％(daf)。在相同的条件和煤进料速率下，Fe-粉CTL催化剂的加入显著加强油收率至接近42重量％(daf)。如表13中显示的，油产物分布中包括的是轻烃形成的大量增加，所述轻烃主要是苯和其他单芳香和环链烷烃化合物。在一些实施方案中，微波功率可以在0.1至100MW-hr/吨HFH的范围内。相对较低微波功率可以帮助降低形成的等离子体的强度并且增加煤粒子间电介质放电的相对程度。通过增加电介质放电和降低等离子体强度，油收率相对BTX收率增加，后者降低得更急剧。尽管净油收率降低，馏出物燃料沸程内非BTX化合物的收率仍然一致(～28-30重量％)，暗示可以通过调节等离子体能量强度的相对程度，来增加或减少BTX收率，所述调节导致更大量的等离子体离子直接与煤(和挥发产物)反应形成乙炔，其随后经历寡聚化和其它多聚化反应。因此，在一些实施方案中，至少一部分残留的炭进一步与反应性等离子体如氢反应，以生产乙炔和可以其他用于增加馏出物燃料生产化学品，和/或通过从炭生产增值的化学品(比如乙炔、BTX、苯乙烯、乙苯、芳香族化合物、烯烃和LPG)来帮助抵消生产成本。
在等离子体转化过程中，反应性等离子体离子可直接与煤或HFH反应以形成乙炔，其随后聚合以生产苯、苯乙烯和其他聚合产物。增加的BTX化合物可以是等离子体-诱导的氢化芳族化合物开环反应导致的结果，所述氢化芳族化合物在萘和其他聚芳物种的催化氢化随后侧链断裂的过程中形成。可以控制等离子体的强度和反应性等离子体离子的浓度以最大化馏出物的收率和/或最小化乙炔形成和离析油(evolved oil)的过度裂化。
表12 来自Pitt煤的连续微波转化的产物收率
表13 低于JP-8沸程的Pitt煤向烃的转化
在一些实施方案中，可以将甲烷和HFH如煤共热解。甲烷转化可以导致反应器壁的广泛的碳覆盖。在一个特定情况下，可以在微波区内预先形成氩等离子体以减少不利的碳积聚。使供给甲烷和煤的内进料管降低到接近波导的位置，从而阻止微波区内的甲烷或煤转化。在眼下的构造中，将煤和甲烷引入预先形成的Ar等离子体并且仅在反应器的较低部分观察到甲烷/煤/Ar等离子体。如在表14来自微波等离子体中甲烷和煤的共转化的产物收率显示的，在微波波导内的碳积聚减少的同时，观察到的油收率较低。不向进料中加入氢时，油收率仅为14.8重量％(总焦油26.6重量％)。加入小量的氢增加油收率至22.3重量％，但总焦油收率保持为低，为24.5重量％。因此，在一些实施方案中，可以引入氢以帮助沥青质向可溶油的转化，而不影响煤向油的分解，而且还促进从甲烷和煤形成乙炔和气态烃。在相同条件下(1atm压力，无预加热，在Ar工艺气体中18％CH4/1.5％H2，和～5g/hr的煤进料速率)，加入加氢处理催化剂(CoMo/Al2O3)可以分别将油和焦油收率提高至29.7和38重量％。在这些测试中，煤本身不产生快速电介质放电，这可能是由于在进入预先形成的等离子体之前，几乎不暴露到不暴露于微波照射。
表14 来自在微波等离子体中的甲烷和煤共转化的产物收率
为了增强煤粒子间的电介质放电，可以进一步改进反应器，以通过增加外Ar套管气流以避免反应器壁上的碳覆盖和/或通过使用改进的具有导致沿反应器壁的更高气体速度的结构的流分配器盘，增加煤对微波能量的暴露。这使得内进料管能够被提升到主反应区之上，从而增加携带的煤对微波照射的暴露时间。替代的设计可以考虑为目前实施方案的部分，其可以包括引入煤、HFH、气体和微波/RF能量的替代方法。
在一些实施方案中，煤进料速率大于5g/hr。例如，将煤进料速率从～5g/hr增加到30g/hr极大改善了煤粒子间的电介质放电，可能是由于煤粒子的增加的靠近和非均匀的充电使粒子间能够电晕放电。作为由更高的煤进料速率导致的结果，还可以将气流从4L/min增加到12L/min以避免煤膨胀导致的反应器堵塞，其进一步改善煤粒子间的电介质放电。增加的流速导致微波区中的停留时间从126减少至75msec。将煤进料速率从5增加到30g/hr，显著增加了煤粒子间电介质放电的观察结果(运行表15来自在微波等离子体中甲烷、氢和煤的共转化的产物收率中的MWPy-215)。尽管停留时间减少，煤粒子间的电介质放电的此增加导致油收率显著增加至35重量％(daf)。这表明，运行参数比如煤(或HFH)粒子接近度、浓度、对微波/RF照射的暴露时间、反应器构造、工艺气体中的煤进料重量％、相对等离子体位置和能量密度、和净停留时间，都可以被调整和控制以改善反应器性能、改变产物分布、增加产物收率和降低运行成本。与静态床测试不同，携带或流化煤床可以通过在工艺气体内分散煤、催化剂或稀释介质以允许非均匀电荷积聚，来显著增强收率和性能，而当粒子直接接触时，在粒子间产生非均匀电荷积聚的能力受限，因此降低携带的粒子间的电介质放电程度。
表15 来自在微波等离子体中甲烷、氢和煤的共转化的产物收率
在一些实施方案中，将氢和煤共进料。为了直接比较将甲烷共进料相对将氢共进料的效果，进行实验MWPy-219并且结果显示于表15来自在微波等离子体中甲烷、氢和煤的共转化的产物收率中。通过在转化过程中将氢而不是甲烷共进料显著增加油收率至58.5重量％(daf)并且总体液体收率为62重量％(daf)。此增加直接与增加对于等离子体转化过程中充分的甲烷转化所需的等离子体能量密度的需求相关。在没有共进料煤的测试过程中，观察到每通过一次高达75％的甲烷转化，并且当共进料煤时，观察到的甲烷转化为～4-11％。这是由于对甲烷而言需要暴露于具有相对更高能量密度的等离子体中，其可以有效和容易地在等离子体焰炬中产生。如果将煤在等离子体焰炬反应器(或类似地，热等离子体)中热解，煤转化的主要产物为乙炔和乙炔聚合物，并且转化受到等离子体内离子向煤表面的传质的限制。进行的测试表明，在此种运行下油收率达到～20-25％(daf)并且产物的选择性为～80-85％的BTX，仅具有向馏出物燃料沸程化合物的最小转化。然而，通过相对增加电介质放电的强度和发生，油收率可以得到改善，但较低能量等离子体不足以进行高甲烷转化。优选地，将天然气转化单位分开，并且将氢而不是甲烷与煤共进料。在此种情况下，展示出58.5重量％的油收率。由于煤的最佳甲烷转化和高油收率所需的运行“模式”的差异，优选的实施方案将两个过程分开，并且使用RF或阻挡放电反应器用于甲烷转化并且继续以使用微波能量用于氢(和其他来自甲烷转化的产物气体)中携带的煤的转化。
可以使用备选的催化材料以帮助降低与共进料甲烷和煤相关的能量需求，同时改善总体甲烷转化。在表16中说明在反应区中包括还原的镍催化剂的实例，其中将催化剂(商业的镍基催化剂Sud-Chemie)加入煤进料混合物中。此该特别的实例中，当将氢与煤共进料时，总液体收率为46.16重量％，表明当与没有Ni催化剂的情况相比时，Ni也帮助增加氢转移反应，从而增加油收率。当将甲烷与氢和煤共进料(具有Ni催化剂)时，液体收率进一步增加至62重量％并且34％的甲烷被转化为其他产物，包括如由负的氢转化数(表明相比进入反应器，更多氢离开反应器)表示的氢。这证明了一种方法，其中可以通过能够帮助促进加氢、甲烷分解和氢形成的催化材料的变化，降低对于甲烷分解所需的能量。
表16 当将催化剂加入煤进料混合物用于微波转化时的结果概述
尽管已经显示和描述了很多本发明的实施方案，在不偏离本发明的情况下，在其更宽的方面可以进行很多改变和改进，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所附的权利要求意在覆盖所有此种改变和改进，如它们落在本发明的实质和范围内一样。

Claims (30)

1.一种用于重化石烃(HFH)的连续瞬时转化的方法，所述方法包括：
使包含HFH和工艺气体的连续进料流动通过具有大于0.9atm的压力的反应区；
使所述HFH和HFH-至-液体催化剂至少在所述反应区中接触；
使用微波或RF能量源将微波或RF能量聚集在所述反应区中；和
在所述反应区内产生电介质放电；
其中所述HFH和所述催化剂具有小于30秒的在所述反应区中的停留时间。
2.权利要求1所述的方法，其中所述工艺气体包括含氢气体。
3.权利要求1所述的方法，其中所述催化剂包括铁。
4.权利要求1所述的方法，其中所述催化剂包括炭。
5.权利要求1所述的方法，其中所述催化剂包括电介质放电的促进剂。
6.权利要求1所述的方法，其中将所述HFH和所述催化剂混合。
7.权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述反应区之中或附近产生等离子体。
8.权利要求1所述的方法，其中所述反应区中的压力不超过7atm。
9.权利要求1所述的方法，其中所述停留时间大于或等于5毫秒。
10.权利要求1所述的方法，其中所述聚集包括在平行于通过所述反应区的所述连续进料的方向上从源发射微波或RF能量至所述反应区中。
11.一种用于重化石烃(HFH)的连续瞬时转化的系统，所述系统包括：
反应区，其具有大于0.9atm的压力；
发射微波或RF能量的源，所述微波或RF能量被聚集在所述反应区中；
连续进料的源，所述连续进料包含HFH和工艺气体，所述连续进料通过所述反应区；
HFH-至-液体催化剂，其至少在所述反应区接触所述HFH；和
在所述反应区内的电介质放电；
其中，所述HFH和所述催化剂具有小于30秒的在所述反应区中的停留时间。
12.权利要求11所述的系统，其中所述工艺气体包括含氢气体。
13.权利要求11所述的系统，其中所述工艺气体选自由以下各项组成的组：氮、二氧化碳、甲烷、天然气、循环气、一氧化碳、氩、水、氧、以及它们的组合。
14.权利要求11所述的系统，其中所述工艺气体中的HFH浓度在0.1重量％至100重量％之间。
15.权利要求11所述的系统，其中所述系统包括流化床反应器、携带流反应器、自由下落反应器或移动床反应器。
16.权利要求11所述的系统，其中所述催化剂包括铁。
17.权利要求11所述的系统，其中所述催化剂包括炭。
18.权利要求11所述的系统，其中所述催化剂选自由以下各项组成的组：镍、钴、钼、碳、铜、氧化铝、二氧化硅、氧、以及它们的组合。
19.权利要求11所述的系统，其中所述催化剂包括加氢的促进剂。
20.权利要求11所述的系统，其中所述催化剂包括放电的促进剂。
21.权利要求11所述的系统，其中所述催化剂包括氢形成的促进剂。
22.权利要求11所述的系统，其中所述催化剂是稀释材料。
23.权利要求11所述的系统，其中将所述催化剂和所述HFH混合。
24.权利要求11所述的系统，所述系统还包括在所述反应区之中或附近的等离子体。
25.权利要求11所述的系统，其中所述反应区中的压力不超过7大气压。
26.权利要求11所述的系统，其中所述停留时间大于或等于5毫秒。
27.权利要求11所述的系统，其中所述催化剂具有相对于HFH在0.5至10重量％之间的浓度。
28.权利要求11所述的系统，所述系统还包括稀释材料和浓度在0至30重量％之间的所述连续进料。
29.权利要求11所述的系统，其中在平行于所述通过所述反应区的连续进料的方向上发射所述微波或RF能量。
30.一种用于重化石烃(HFH)的连续瞬时转化的系统，所述系统包括；
反应区，其具有大于0.9atm压力；
能量源，其被设置为发射被聚集在所述反应区中的微波或射频能量；和
一个以上的源，其被设置为将HFH-至-液体催化剂和包含HFH和工艺气体的连续进料通至所述反应区；
其中，所述HFH和所述催化剂具有小于30秒的在反应区中的停留时间并且当运转系统时在所述反应区产生电介质放电。
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