CN107429175A - 用于制备合成气体的方法和设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于由烃(1)制备合成气体(3)的方法和设施。在此，在第一步骤中，在高温下借助等离子体将烃分解成氢气(6)和碳(5)。该产物与水蒸汽(8)和二氧化碳(9)混合，并且将碳(5)在800℃至1700℃的温度范围中几乎完全地转化成氢气和一氧化碳。为了使转化最大化而输送热量(10)。随后，对产物骤冷(13)。合成气体(3)能够部分地(3a)再循环并且应作为等离子体气体。在另外的步骤中，如费托合成中，使合成气体(3)继续反应并且随后分离成不同的馏分。

Description

用于制备合成气体的方法和设施
技术领域
本发明涉及用于借助于等离子由烃、二氧化碳和水制备合成气体的方法和设施。
背景技术
将合成气体理解为工业制备的气体混合物，所述气体混合物由主要组成部分一氧化碳和氢气构成。用于制备合成气体的广泛采用的方法在于：将包含碳或烃(KWS)的初始材料与水、二氧化碳或氧化剂反应，所述初始材料能够以固体、液体或气体的形式存在。对此所需的热量例如通过燃烧热量或通过等离子输送给工艺。
从US 2 566 936A中已知用于制备合成气体的非连续的方法。在第一方法步骤中，将预先加热的烃气体与处于反应器中的耐火材料接触，所述耐火材料加热到如下温度上，在所述温度下烃气体分解。以甲烷作为KWS的实例的反应式为：
CH4→C+2H2+74.9kJ/mol (1)
固态的碳沉积在耐火的材料上，氢气连同少量的未反应的甲烷一起被暂存。在第二方法步骤中，将沉积在耐火材料上的碳与气体混合物接触，所述气体混合物由水蒸汽、甲烷和由CO、H2、CO2与甲烷构成的再循环的废气构成。在温度相对高的情况下，首先进行蒸汽重整，其中甲烷与水蒸汽反应：
CH4+H2O→CO+3H2+206.2kJ/mol (2)
随后的反应在更低的温度下以与进入的气体所吸收的热量相同的程度运行，属于此的是多相的水气变换反应，也简称为异相WGS反应：
C+H2O→CO+H2+131.3kJ/mol (3)
此外，碳在所谓的布杜阿尔反应中与二氧化碳反应：
CO2→2CO+172.5kJ/mol (4)
从反应(2)至(4)中形成的合成气体的组分能够通过反应物成分的量份额设定到H2与CO的大约2:1的优选比例上。合成气体经由暂存器引导至合成反应器。在随后的方法步骤中，将耐火的材料在反应器中通过在第一方法在步骤中存储的氢气、来自合成反应器中的剩余气体、附加的甲烷和空气的燃烧反应再次置于初始温度。
从EP 0 219 163 A2中已知一种利用异相WGS反应的方法。该方法再次在结构上更简单的固定床反应器中执行，在那里在切换流入的气体的组分的情况下多次颠倒流动方向。替选地，借助滑动床反应器进行连续的反应，其中耐火的固体从反应器的下方引出并且在上方再次输送给反应器。
用于连续地制备合成气体的另一方法从DE 2413558A中已知，然而其中在此不将作为碳源添加的KWS分解，而是在等离子燃烧器作为热源作用的情况下直接地与二氧化碳和水蒸汽反应。合成气体用作为还原气体，所述还原气体优选设置用于冶金工艺并且用于用作为保护气体或渗碳气体。在此，还原气体在循环中运动。借助所述还原气体在形成二氧化碳和水的情况下还原氧化铁。随后，将烃输入到循环中，所述烃在等离子燃烧器中并且在随后的混合腔中与之前形成的二氧化碳和水再次反应成还原气体。与丙烯作为KWS实例的反应式为：
3CO2+C3H6→6CO+3H2 (5)
3H2O+C3H6→3CO+6H2 (6)
此外，从GB 2499604A中已知在用于制备合成气体的工艺中应用等离子燃烧器。该方法涉及用于地方性垃圾的等离子辅助的气化方法。再次，在第一步骤中，将原材料在气化器中热处理，并且在此产生合成气体。在第二步骤中，将在第一步骤中产生的合成气体在存在二氧化碳的情况下借助等离子处理。在此，在气化时形成的微粒成分和其他的杂质被消除。在第一或第二步骤中能够添加二氧化碳。结果产生净化的合成气体。气化和等离子处理能够在存在附加的二氧化碳、氧气和水蒸汽的情况下执行。添加二氧化碳用于作为惰性气体来控制反应条件，因为用二氧化碳交换了氧气/水蒸汽的一部分。目标是具有尽可能高的内能和最少杂质的合成气体。所述合成气体能够经受WGS反应，以便产生二氧化碳。将具有低于100℃温度的喷洒的水导入等离子处理单元中。由此，将在等离子单元中制备的合成气体冷却，更确切地说，由于水与碳的吸热反应而产生氢气和一氧化碳。包含在产物气体中的二氧化碳被捕获并且作为循环气体再次输送回工艺。
AT396366B示出用于利用等离子反应器产生合成气体的方法。其中，将包含碳和/或KWS以及氧化剂、二氧化碳和水的初始材料同时随在等离子发生器中加热的空气导入到还原室中，在所述还原室中分解KWS，其中，产物气体中的CO2和H2O的含量最大为5％。随后，通过石灰石或白云石填充物导入产物气体，在所述石灰石或白云石填充物中移除硫、分解剩余的KWS和实现与氧化剂反应。
从US 2009/0064581A1中公开了三区反应器中的用于地方性垃圾的等离子增强的气化系统。在此应用的气化方法通常是放热的热化学工艺，其中在高温下通过不完全的燃烧和还原将含碳的燃料、如煤或生物质转换成合成气体，所述合成气体主要由一氧化碳、氢气、甲烷和惰性气体构成。在US 2009/0064581A1中应用的等离子燃烧器设置在中间的区中和最后的第三区中，并且还能够借助水蒸汽或二氧化碳运行，其中水蒸汽或二氧化碳直接地与垃圾反应成合成气体。随后，合成气体在骤冷单元中冷却到大致800℃，此后在热回收单元中冷却到大约110℃，并且最后作为最终的第三级在气体洗涤器中最终冷却到大约50℃。所介绍的气化系统是已知的蒸汽重整的变体，其中含碳的能量载体在水蒸汽作用下反应成合成气体，如其反应式(2)中在开始已经描述。所使用的等离子燃烧器在所介绍的方法中仅用于将反应热量输送给气化的含碳的垃圾材料并同时输送氧气、富氧空气、蒸汽或二氧化碳。不进行将烃在等离子燃烧器中分解。
US 2014/0239232A1涉及一种类似的气化系统。所述气化系统在此为基于用于制备合成气体的多个等离子燃烧器的用于烃的热解单元。所需要的反应热量通过多个等离子燃烧器随二氧化碳、水蒸汽、氧气和/或再循环的合成气体作为等离子体气体输送。通过等离子燃烧器输入的流量通过调节系统来调节。在多个单独的输送部位处为热解单元输送热解气体混合物，所述热解气体混合物由气态的、液态的或固态的含碳物质构成，并且还能够包含二氧化碳、蒸汽或水。反应物的组分和流量同样被调节，以确保用于后续的合成气至液体工艺的最佳的合成气体组分。将合成气体输送给旋风分离单元、冷却单元和过滤单元。合成气体冷却的细节在此不做讨论。
从前述文献中得出：等离子燃烧器主要作为用于为吸热反应输入热量的手段应用在气化反应、热解中和合成气体净化中。在此，烃和/或含烃的原料被分解，所述原料在时间或空间的关联中直接地与所添加的水蒸汽、二氧化碳、氧气和/或再循环的合成气体反应成合成气体。
利用空间和/或时间分开的方法步骤制备合成气体例如从开始描述的文献US2566936A或EP 0219163A2中已知，其中首先将烃分解为碳和氢气作为中间产物。对此所需的热量通过燃烧工艺提供。
相反于此，在卡瓦纳方法中，将烃在等离子燃烧器中在大约1600℃下根据开始介绍的反应式(1)分解成纯碳和氢气。DE 69319621 T2示出该方法的可能实施例。相对于其他的方法，主要优点在于：代替二氧化碳形成纯碳，并且通过产物的高的内能和通过同样形成的热蒸汽的高温得到几乎100％的效率，其中的大约48％分摊到氢气上，大约40％分摊到碳上，并且10％分摊到热蒸汽上。其他的优点在于：除了主能源之外，仅需要冷却剂和电力。不形成要再处理的副产物或有害物质。所需要的电能能够通过产物的部分发电提供，包含在热蒸汽中的能量能够用于预热所使用的KWS。
从EP 0 616 559 A1中已知具有KWS的等离子增强的分解的另一反应器。可用于此的等离子燃烧器在EP 0 616 753 A1或EP 0 616 754 A1中描述。在此出现的电极消耗根据按照EP 0 635 043 A1的方法能够通过如下方式被降低：即将少量的甲烷与等离子体气体混合。
从DE 10 2012 010 542 A1中还已知用于制备合成气体的方法，其中类似于在EP0 219 163 A2中，首先将KWS热分解，并且将碳与随后添加的水蒸汽根据反应式(3)反应成合成气体。然而，主要的区别在于：KWS首先在等离子体中分解，并且其次将以精细碳黑颗粒形式存在于氢气流中的碳通过等离子体已经从一开始就具有如此高的温度，该温度使得不再需要另外的能量输送。相应地，反应器也不再包含耐火的载体材料来沉积碳，并且同样不再需要通过燃烧工艺来进一步引入热量。从前述工艺中已经已知主要的反应式。在第一方法步骤中分解KWS，例如
CH4→C+2H2+74.9kJ/mol (1)
在第二方法步骤中，所形成的碳与水在异相WGS反应中反应：
C+H2O→CO+H2+131.3kJ/mol (3)
此外，还存在一系列通常并行运行的副反应，所述副反应影响主反应，属于此的是均相的WGS反应：
CO+H2O→CO2+H2–41.2kJ/mol (7)
由于放热反应特性，更高的温度将反应平衡朝左侧移动。相反，在更低温度下CO2的形成是不利的。为了抑制根据公式(4)的放热反应进而优化合成气体中的一氧化碳的份额，优选在高温下在1000℃和1200℃之间范围中的温度下执行第二方法步骤。
在此形成的二氧化碳经由鲍多尔德反应与碳处于平衡：
C+CO2→2CO+172.5kJ/mol (4)
在根据式(4)的鲍多尔德平衡反应中，平衡在高温下朝右侧移动。从中得到对于本领域技术人员已知的平衡分布，例如根据1bar的下述表格
温度[℃] CO2[％] CO[％]
450 98 2
600 77 23
700 42 58
800 6 94
900 3 97
1000 1 99
鲍多尔德平衡表格
在工艺中，最终产物合成气体中的氢气与一氧化碳的比例能够在宽的范围内变化，而没有产生显著量的二氧化碳。对此，能够改变所添加的水量，或者氢气能够在第一方法步骤之后至少部分地被分离，并且输送给出自第二方法步骤的气体，使得设定氢气与一氧化碳的期望的比。包含在合成气体中的热量至少部分地用于预热所输送的水。
DE 10 2012 015 314 A1描述类似的工艺，其具有如下区别：主产物是一氧化碳并且代替水将二氧化碳输送给工艺。主要的反应式是相同的，然而，通过添加二氧化碳来代替水，化学平衡不同。在此也在分开的步骤中形成一氧化碳和氢气。同样地，包含在所形成的一氧化碳和/或氢气中的热能能够经由换热器用于预热CO2。
至今为止的方法的缺点是：合成气体中的氢气/一氧化碳(H2/CO)的比例的设定不能在没有添加附加氢气且没有不同地应用过量的一氧化碳或者没有以不连续的运行工作的情况下进行调节。此外，缺乏对于期望的H2/CO比例的最佳条件和用于制备液态KWS的温度控制的说明，在所述温度控制中同时最小化地产生干扰的副产物。
发明内容
本发明的目的是：更灵活地且更有效地并且在此同时尽可能无副产物地制备具有可设定的H2/CO比的合成气体。本发明的目的尤其是：分解烃，并且将在此形成的产物氢气和碳借助如下方法转换成合成气体，所述方法与从现有技术中已知的方法相比具有更高的效率和灵活性。此外，本发明的目的是：控制产物气体的温度，使得一方面确保最佳的反应控制，并且另一方面冷却剂获得最大的内能。本发明的另一目的是设定反应条件，使得产物气体中的H2与CO的比能够在窄的比例范围内设定，以便获得关于下游的费托(Fischer-Tropsch)合成的最佳组分。
根据本发明，所述目的借助根据权利要求1的方法和根据权利要求12的设施来实现。根据本发明的措施包括第一步骤与第二步骤的组合，在所述第一步骤中将烃分解成氢气和碳，在所述第二步骤中进行鲍多尔德反应和异相WGS反应与随后对从该步骤中的产物流进行骤冷。
在用于产生合成气体的方法中，首先在方法步骤a)中，借助等离子体将烃分解成氢气和碳。等离子体在一个或多个等离子发生器中产生，所述等离子发生器位于烃转换器(KWS转换器)中。在此，将等离子体电弧法-如以由Kvaerner公司(现Aker Solutions)研发的以名称Kavaerner carbon black&hydrogen process kcb&h已知的方法-用作为用于将烃分解成氢气和碳的方法。在此，借助于输送具有高的能量密度的极热气体(等离子体)分解烃。对此应用从现有技术中已知的等离子燃烧器或其匹配的实施方案。
在方法步骤b)中，将水蒸汽输送给气体流，并且与来自a)中的所获得的产物的至少一部分优选在800℃至1700℃的温度范围中反应，其中所述产物具有碳和氢气为主要组成部分。
在另一方法步骤c)中，将二氧化碳输送给气体流，并且与来自a)中的所获得的所述产物的至少一部分反应，其中所述产物具有碳和氢气为主要组成部分。在此，通过分解获得的碳的一部分与二氧化碳反应成一氧化碳，优选在800℃至1700℃的温度范围中反应。
在此，碳的转化在碳转换器(C-转换器)中进行。在此，所使用的KWS的类型没有特别的限制，然而优选应用天然气、甲烷、SNG(合成天然气)和/或重质燃料油。能够或者仅将所述材料中的一种或多个材料的混合物输送给C-转换器。
方法步骤b)和c)是吸热反应。要输送的所需要的热量主要在等离子燃烧器中产生。热量在此通常不足以使反应完成。因此需要在吸热反应进行一定程度之后附加地输送热量，以便确保碳的最大反应。该附加的热量优选足够高，使得反应混合物温度不低于800℃。
如果达到期望的转化率和氢气与一氧化碳的期望比例，那么根据本发明将出自方法步骤b)和c)中的反应或产物气体骤冷。如果不对反应气体进行骤冷，那么能量水平将保持如此之高，使得多个化学反应还处于平衡中，由此会造成不期望的反向反应，参见更上面的鲍多尔德平衡表格。
在骤冷之后，反应气体能够通过另外的换热器置于对于另外的方法步骤最佳的温度。必要时，还设有净化级。全部冷却装置和可能的净化级能够一件式地或多件式地构成。如果反应气体被引导给用于制备官能的或非官能的烃的费托反应器(FT-反应器)，那么产物气体必要时能够在进入到FT反应器中之前还被进行调节处理。
前述卡瓦纳方法与鲍多尔德反应的异相反应和碳气化的组合提供高质量的合成气体，所述合成气体除了一氧化碳和氢气之外仅具有少量的不期望的副产物进而实现简单的继续应用。
在多种工业工艺中和在具有燃烧工艺的发电厂中，出现大量的二氧化碳，二氧化碳被认为是破坏气候的物质。因此，通过将该气体用于制造烃，有助于气候保护。根据本发明的方法比其他的、即例如不可持续的方法、如CCS方法(碳捕捉＝carbon capture andstorage)相比更有效，其中二氧化碳仅以能量密集的方式从循环中取出，但是不真正地被消除。在该方面，该CCS设施的运行能够通过根据本发明的方法优化，使得所述CCS设施用作为在此描述的根据本发明的方法的暂存器。该处理方法在根据本发明的方法中甚至改进其关于原料二氧化碳的供应安全性。
因为根据本发明的方法是连续的方法，所以其能够相对容易地集成到现有的连续工艺中，并且在那里也极其有效地工作。
该方法对于所使用的KWS的类型是灵活的。其例如尤其适合于以下KWS源的使用，这些KWS源否则以未被使用的的方式被销毁，即例如在石油开采中的伴生气体。通过在等离子燃烧器中分解，总是形成相同的产物碳和氢气，其中仅改变量份额。
根据本发明的特征的作用能够通过下面的特征有意义地进行补偿和加强。
二氧化碳和水蒸汽的流原则上能够在相同的流动部段处添加。也可行的是：将反应器在添加部位的区域中划分成至少两个分开的流动通道。然而优选地，依次相继地添加二氧化碳和水蒸汽，使得首先执行方法步骤c)，并且添加二氧化碳。在二氧化碳大范围地与碳反应成一氧化碳之后，执行方法步骤b)，并且添加水蒸汽。该处理方法出于两个理由是优选的。首先，通过将水蒸汽添加给碳来气化烃的目的是提高氢含量。首先，水蒸汽妨碍方法步骤c)中的反应，因为水蒸汽与那里的反应的碳相竞争。因此，首先能够进行一次根据方法步骤c)的反应直至期望的转化程度，使得碳对于根据方法步骤b)的反应是充裕的。其次，在更高的温度下进行根据c)的反应，然后温度在反应进程中降低，这促进反应b)，因为所述反应b)在更低温度下进行。根据本发明的方法因此基本上与常规的气化方法不同，其中根据本发明的方法具有依次连续的步骤：KWS分解、CO2添加给CO制备，和H2O添加给CO和H2制备，在常规的气化方法中含HWS的初始材料以热学的方式部分地也在等离子影响下分解并且在同时参与有水蒸汽和二氧化碳的情况下反应成合成气体。
在此：如果反应气体应该通过之前的吸热反应冷却至使得对于方法步骤b)不再存在最佳的反应条件，那么在水蒸汽添加之前会需要附加地加热反应气体。
在一个替选的实施方案中也可行的是：多次依次执行方法步骤c)和b)，必要时在适当部位处输送热量的情况下执行。
因为在等离子中产生的热量不足以执行后续的吸热反应，附加地将热量输送给反应气体。这能够以不同的类型进行。首先，能够相应地将相应添加量的二氧化碳和/或水预热。其他可能性是在反应器内部中通过换热器、电加热装置或借助燃烧器运行的加热装置进行热量输入。根据实施方案，通过对流或通过放射传递热量。在使用内置加热装置的情况下，加热装置优选在结构上设计成，使得避免通过包含在气体流中的碳黑颗粒产生沉积。无论如何，通过调节装置来遵守对于相应的反应所需的温度，进而确保碳转化率尽可能高。
热量输入的另一可行性在于将引入反应器中的烃的一部分进行共燃。对于该部分氧化需要输送纯氧气。输送包含氧气的空气是不适合的，因为包含在空气中的氮气在高的反应温度中能够反应成不期望的且有毒性的化合物，该化合物必须在下游的净化级中复杂地移除。纯氧气的量必须精确地配量，以便不过大提高温度。甲烷燃烧的反应产物是CO2和H2O。该材料已经是工艺的计划的反应物进而不具有负面影响。其仅必须在根据本发明配量这两种材料时进行考虑。
优选地，在步骤e)中，将来自步骤b)和c)的产物流骤冷到400℃或低于400℃的温度。
在上述的鲍多尔德平衡表格中，示出鲍多尔德反应与温度相关的化学平衡。当温度缓慢地改变时，设定该平衡。在该实例中，因此在大约400℃范围中的低温下，目标产物一氧化碳几乎完全地再次逆反应成二氧化碳。该逆反应能够通过将温度突然置于不再进行化学反应的水平上的方式被防止。处于高温度水平的混合物组分以该方式保持在极限温度之下。该快速冷却也称作为骤冷。在此出现的温度变化速度与相应的工艺相关。
自低于400℃的温度起才保证停止反应。此外，400℃的温度水平具有的优点是：借此能够产生能量高的高压蒸汽，以进一步应用在设施自身的蒸汽网中。优选地，产物气体的温度在第一冷却步骤中被骤冷到300℃至400℃的范围中的温度或略低于400℃的温度，并且尤其优选骤冷到350℃至400℃范围中的温度或略低于400℃的温度。在低于该温度的骤冷中，逐渐降低热蒸汽的内能，并且用于骤冷的换热器逐渐变大。
为了骤冷，能够应用多种方法。第一可能性在于借助液态水进行直接冷却，其中热量通过蒸发水的蒸发热量从反应气体中取出。这种骤冷能够通过简单结构来实现。所添加的水在该情况下必须随后通过冷凝器再次移除，因为其例如在下游的FT工艺中是不利的。另一可能性在于通过具有吸热的反应控制进行的散热来降低温度。对此，将相应的反应物与气体混合物混合。第三可能性在于具有尤其高的可传递热流的换热器，其中在此气体混合物在骤冷后的温度不低于露点温度。在此要考虑的结构认知对于本领域技术人员是已知的并且在此不进一步深入。
在根据本发明的方法中，将水蒸汽和二氧化碳添加给分解的KWS，水蒸汽和二氧化碳这两者与所产生的碳反应。在此，通过二氧化碳主要形成一氧化碳，并且通过水蒸汽形成一氧化碳和氢气。因此，该决定性的影响变量形成根据本发明的方法的基础，其中产物氢气和一氧化碳的比例通过水蒸汽与二氧化碳的添加比例来调节。然而，借助所描述的主要的反应式本身能够仅近似地确定所得出的反应平衡，因为附加地运行一系列的副反应，所述副反应还与压力和温度相关。为了精细配量水蒸汽和二氧化碳的质量流，因此优选应用调节系统，其中测量反应器的排出口处的气体组分，并且根据此调节各个质量流。在此，调节系统也考虑水蒸汽和二氧化碳的总和与输送的KWS的量的比。
通过有针对性地调节添加材料二氧化碳和水以及对工艺进行的优化的温度控制，该方法很大程度上与所使用的KWS类型无关，并且关于后续的合成反应实现产物气体的最佳的组分，尤其具有氢气与二氧化碳的规定比例。反应物几乎完全转化。不期望的副产物的形成被最小化，这简化相应的净化步骤和提高经济性。
在文献中通常说明用于制备液态的烃的合成气体中的氢气与一氧化碳的最佳比例为2:1。在该合成反应中，总是获得不同的长链烃的混合物，烃还能够具有官能团。在制备KWS时，短链化合物的形成是不期望的，因为该短链化合物对于所设的目的是不可用的或者与方法的原材料相同，其中KWS应优选用作为燃料。它们在单独的分离操作中必须与产物分离并且相应地进行应用。在此，最简单的应用可行性是回收到合成气体制备中。以令人惊讶的方式发现：当合成气体中的氢气与一氧化碳的比例设定为处于1.5:1至2.1:1、优选1.75:1至1.95:1并且尤其优选1.85:1至1.90:1的范围中时，很大程度地抑制不期望的短链KWS、例如甲烷或乙烷的形成。该反应表现的原因在于氢气的小的分子尺寸，由此得到大的扩散速度，并且在FT反应中氢气优先在催化剂表面上参与反应。由此，以微观来看，需要比由于化学计量所需的宏观观察更少的氢气。
优选将所产生的合成气体的一部分用作为等离子体气体。由于气体的高的能量密度，需要相对小的气体量。再循环的合成气体与例如作为KWS的甲烷的物质量比例处于5％至30％的范围中优选8％至15％的范围中。
在用于执行方法的设备-在下文也称作为反应器-开动时，过渡地应用氢气，氢气在压缩气体瓶中提供。应用惰性气体同样是可行的，然而由于成本高而不太优选。等离子体必须在进入到反应器中之前被净化出全部对于电极有害的组成部分，例如二氧化碳。
为了对反应器中的吸热工艺提供最佳的反应条件，反应物KWS、二氧化碳和水蒸汽在进入反应器中之前被预热，或者水蒸发成水蒸汽。原则上，将本方法的必须导出热量的全部流预热，例如出自后续的FT工艺的KWS流，合成气体反应器的骤冷区或用于等离子电极的冷却剂。
所产生的合成气体不仅能用于合成目的，而且也以已知的方式用于产生电能。该电能例如能够用于运行等离子燃烧器。对此，能够将合成气体的热能的一部分用于产生蒸汽，所述蒸汽用于运行蒸汽轮机，或者合成气体能够直接地燃烧，以运行燃气轮机。
优选在900℃至1500℃范围中的温度下执行在用于产生合成气体的方法中的KWS分解。
此外，在提高的压力下使用该方法，这在用于通过等离子进行KWS分解的反应器中至今为止是未知的。
在方法的一个优选的实施方案中，在一个或多个KWS转换器中执行权利要求1的步骤a)，其中运行压力处于1bar至200bar的范围中、优选处于1bar至50bar的范围中并且尤其优选处于10bar至25bar的范围之中。在考虑决定性的反应式(1)至(4)时确定：气态的反应参与物的摩尔份数大致翻倍。因此，高压原则上抵消相应的正向反应的运行。在卡瓦纳反应器中进行的烃的分解通常仅在几bar的压力下执行。现在，在根据本发明的方法中，优选在共同的压力室中执行这两个方法，使得也在提高的压力下执行KWS分解。该处理方法具有的优点是：将制备的合成气体不再必须被压缩，或者对于导入到下游的FT反应器中而言仅需要小功率的压缩机，在FT反应器中高压有利地作用于反应平衡。
在根据本发明的方法中制备的合成气体通过特别的方法控制针对在下游的FT工艺中的应用优化。方法的有利的应用在于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃。在此，将添加了至少一个官能团的烃理解为官能化的烃。
在下游的FT工艺中制备官能化的和/或非官能化的烃时，除了一个或多个目标产物之外通常形成副产物，副产物的净化由于小的量而是不值得的或者对于不经济的应用。该材料能够有利地作为反应物再循环至KWS转换器的入口或者用作为用于预热反应物的加热设备的燃料。
下游的FT工艺的类型没有特别的限制。在根据本发明的方法中制备的合成气体例如能够应用在SMDS方法、Bergius-Pier方法、Mtl方法或这些方法的组合中。
根据本发明的方法尤其适合于制备石蜡、柴油燃料、汽油燃料、煤油、甲醇、甲烷、液化气。
用于产生合成气体的根据本发明的方法优选在如下设施中执行，所述设施具有如下：
借助等离子运行的烃转换器，具有用于包括KWS的流体的至少一个入口以及用于碳和氢气的至少一个共同的出口；
碳转换器，具有用于碳和氢气的至少一个入口、用于二氧化碳的至少一个入口、用于水或水蒸汽的至少一个入口以及用于合成气体的至少一个出口，其中碳转换器的、用于碳和氢气的至少一个入口通过连接管路与烃转换器的、用于碳和氢气的出口连接。
有利地，该设施还具有调节装置，调节装置分析从C-转换器流出的气体混合物的组分，并且根据该组分调节在C-转换器中引导的、二氧化碳流和水流的流量和在此调节二氧化碳与水的量比，使得从C-转换器流出的气体混合物的组分具有处于1.75:1至1.95:1的范围中的、氢气与一氧化碳的成分比例。以该方式确保从C-转换器中流出的气体具有期望的组分。
用于产生合成气体的设施优选具有KWS转换器，KWS转换器具有构成为卡瓦纳反应器的等离子燃烧器。
在一个优选的实施方式中，设施部件、即烃转换器、C-转换器和骤冷装置中的至少两个组装成整体的设备壳体。因此，得到用于烃、等离子体气体、二氧化碳、水蒸汽的至少一个入口和用于合成气体的至少一个出口。用于烃和等离子体的入口能够替选地共同地构成。
优选，将用于制备合成的官能化的和/或非官能化的烃的合成气体转换器(CO转换器)连接到用于产生合成气体的根据本发明的设施上。合成气体转换器能够具有构成为SMDS转换器的FT反应器、Bergius-Pier转换器、Mtl转换器或这些转换器中的至少两种的组合。
为了保证合成气体纯净，可能需要另外的净化步骤，净化步骤与原料的特性相关。净化步骤还能够在原料进入反应器中之前执行，或者在产物气体从反应器中离开之后执行。
反应气体混合物原则上能够从上向下或从下向上引导经过反应器。然而优选的是从上向下的流引导，因为通过重力辅助排出可能的堆积物。
用于执行根据本发明的方法的反应器在一个优选的实施方案中具有柱形外罩，外罩的端部由拱起的底部封闭。反应器的内径和其长度根据压力、温度和停留时间来确定，根据相对于二氧化碳和水蒸汽的添加部位的位置或轴向位置，反应器中的轴向的流动速度为0.05m/s至1.3m/s的范围中。
为了避免沉积，优选避免装入物或将其降低到最小程度。也属于用于避免沉积的措施的是：将等离子体引导到反应器的上部部分中。在此，等离子燃烧器优选构成为，使得产生环形的等离子束，在该等离子束的中央中引导KWS流。由此，实现KWS与等离子体的强制接触，并且为几乎完全分解建立最佳条件。在所产生的等离子体中，产生2000℃至20000℃的范围中的峰值温度，峰值温度在与KWS流混合之后根据混合物比例下降到800℃至1700℃范围中的混合温度。
在进一步过程中要添加的反应物二氧化碳和水蒸汽经由设置在反应器之外的环形管道均匀地在环周上分布。通过连接管路，将反应物分布到多个在环周上均匀分布的喷嘴上并且通过喷嘴分布到反应器的内部空间中，进而与主流混合。混合附加地还能够通过静态的混合器来改进。环形的分配管路也能够构成为直接地焊接到反应器外罩上的、例如半圆形的管路。在一个优选的实施方式中，引导到反应器内部中的分配器喷嘴能够相对于主流动方向倾斜，并且能够切向地移位以产生冲击流。
通过吸热反应，在反应器的流动过程中温度下降。等离子的温度不足以使得输入的热量对于执行全部前述反应是充分的。因此需要为反应器在反应器中的适当的轴向部位处附加地输送热量。对此，优选应用由石墨构成的电加热装置。该材料是耐热的，并且是抗腐蚀的。此外，能够调节这种加热装置的功率，由此能够最佳地设定工艺。
全部气体、反应物还有产物包含氢气。相应地，与其处于接触的全部部分由经受住氢气的材料构成。相关的部分能够由经受住氢气的材料的实心材料构成，或者镀有所述经受住氢气的材料。由于高的温度，反应器在其内侧包覆耐火材料。包覆部的厚度取决于局部存在的温度。优选地，包覆厚度处于300至800mm的范围中。由此，能够将反应器外罩的温度限制于150℃至400℃的范围内中的温度、并且优选在180℃至250℃的范围中的相对低的温度。因为在运行中在反应器内部中存在800℃至1700℃范围中的温度，所以在反应器的不同的部位处出现不同的热膨胀。这通过例如耐火的包覆部由可移动的层构成的方式，以相应结构上的措施来考虑。耐火的材料的类型没有特别限制，然而优选应用石墨，因为该材料直至大约2500℃是耐热的并且是抗腐蚀的。
尤其在反应器开动时，能够在设备部件中出现内应力，所述内应力能够引起断裂。因此，在反应器运行之前，以充分小的加热速度受控地事先加热所述反应器。在此，加热速度基本上取决于反应器的尺寸和材料特性。在一个优选的实施方案中，反应器在其外侧具有多个加热通道，通过所述加热通道引导热载体以进行加热。当在该反应器处应执行维修或维护工作时，相同的加热通道也能够用于受控地停止反应器。在该情况下，相应的调温的热载体用作为冷却剂。优选地，根据运行情况，将水蒸汽或水用作为热载体。为了避免热量损失，反应器根据本领域技术人员已知的标准进行热绝缘。
附图说明
根据附图中示出的实施例更详细阐述本发明。在此示出
图1示出根据本发明的方法的一个实施例的流程图；
图2示出图1中的流程图，其具有用于产生烃-中间馏分与合成气体作为中间产物的另外的方法步骤；
图3示出贯穿根据本发明的设施与各个设施部件在整体的设备壳体中的布置方式的一个实施方式的纵截面图；
图4示出图3的设施的沿着线IV-IV的横截面图；和
图5示出用于制备烃的根据本发明的设施的一个实施方式的工艺流图。
具体实施方式
详细地，图1示出用于以多个依次相随的方法步骤产生合成气体的根据本发明的方法的一个实施例。在此，首先将烃(KWS)1输送给烃转换器(KWS转换器)2。
同时，将在工艺中制备的合成气体3的一部分3a再循环到KWS转换器2中。借助于电能4，从再循环的合成气体3a中产生在此未示出的等离子体，借助等离子体将引入的KWS 1分解成碳5和氢气6。这两个分解产物碳5和氢气6在单独的管路中输送给碳转换器(C转换器)7。
将水蒸汽8和二氧化碳9输送给C转换器7，其中能够交换顺序；二者也可以同时地输送。
在图1中示出的实施例中，首先将水蒸汽8输送给C转换器7。水蒸汽与通过KWS转换器2中的KWS分解获得的产物5、6的至少一部分混合，所述产物具有主要组成部分碳5和氢气6。在此，将通过分解获得的碳5的一部分与水蒸汽8反应成一氧化碳和氢气，优选在800℃至1700℃的温度范围中反应。为该子工艺添加热量10，使得反应气体混合物的温度不低于800℃。此外，将二氧化碳9输送给C转换器7。二氧化碳与KWS转换器2中的KWS分解中获得的产物5、6的至少一部分混合，所述产物具有主要组成部分碳5和氢气6。在此，将通过分解获得的碳5的一部分与二氧化碳9反应成一氧化碳，优选在800℃至1700℃的温度范围中反应。也为该子工艺添加热量10，使得反应气体混合物的温度不低于800℃。
随后，从C转换器7的产物流11中将热量12在骤冷装置13中导出，直至达到低于400℃的温度。在此，选择的冷却速度足够高到可靠地抑制化学反应。以该方式，获得从C转换器7中流出的产物气体、即合成气体3的产物组分。从自骤冷装置13中流出的合成气体3中抽出子流3a并且作为等离子体气体再循环到KWS转换器2的进入口中。
图2示出图1中示出的方法的扩展。将KWS 1添加到KWS转换器2直至所产生的合成气体3从骤冷装置13中离开的方法的第一部分，除了在KWS转换器2和C转换器7之间取出碳5之外，与图1中描述的方法相同。取出的碳5a提供给单独的工业应用。碳5的提取扩大从KWS转换器2输送给C转换器7的氢气6的相对份额。
从骤冷装置13中流出的合成气体3被输送供给CO转换器14。CO转换器优选构成为费托转换器。在费托转换器中，由来自前述的方法步骤中的合成气体3的至少一部分产生合成的官能化的和/或非官能化的烃。在此进行的吸热反应中产生的热量15被从CO转换器14中导出。热量能够使用在其他的设施部分中，例如使用在用于产生合成气体3以对产物流水蒸汽8、二氧化碳9或用作为等离子体的再循环的合成气体3a进行预热。CO转换器14的产物气体16主要包含多个不同的KWS和水17。水17在该实例中还在CO转换器14本身中沉积和导出。如此获得的混合物在精炼设备18中在将热量20输送到KWS的具有不同的平均沸点的不同的馏分中的情况下被分离。在此，尤其令关注的是所导出的中间馏分19，中间馏分的组分和量份额与CO转换器14中的工艺控制和所输送的合成气体3的组分相关。与中间馏分19分离的KWS能够-在此未示出-作为反应物再次循环到合成气体制备装置的KWS转换器2中。由此节约原料，并且解决垃圾处理的问题。
图3实例地示出如下实施方案，其中KWS转换器2、C转换器7和骤冷装置13以从上向下的顺序设置在共同的设备或反应器30中。
KWS转换器2具有锥形的外罩31、(上部的)柱形外罩32、电极支架33和上部的护罩34，护罩跨过电极支架33。锥形的外罩32向上渐缩。在锥形的外罩下部的宽端，锥形的外罩与下部的柱形外罩35的上端部连接，该上端部向下延伸并且首先形成C转换器7的外罩35a并且随后形成骤冷装置13的外罩35b。下部的护罩36形成共同的反应器30的下部的封闭部，下部的护罩与下部的柱形外罩35的下端部连接。
共同的反应器30的锥形的外罩31和柱形外罩32、35以及下部的护罩36为了保护防止高温度影响而借助内部的耐火包覆部37保护。对于耐火包覆部37采用常用的材料，例如基于石材或基于陶瓷的材料。然而，至少部分地将石墨用作为尤其优选的材料。
KWS转换器2的锥形的外罩31在其上部的渐缩的端部处与KWS转换器2的柱形外罩32的下端部连接。将电极支架33固定在外罩的上端部处。
等离子发生器38固定在电极支架33上，等离子发生器由多个输入管路39、40馈送。等离子发生器38具有内部的和外部的环形电极41、42，环形电极以彼此电绝缘的同心设置的方式固定在电极支架33上并且竖直地延伸直至大约KWS转换器2的柱形外罩32的下端部。电极支架33优选构成为平面的板。这简化连接在其上的部件的安装。等离子体43经由等离子体气体输入管路39通过上部的护罩34并通过分配器44均匀地分布在内部的环形电极41和外部的环形电极42之间的环形空间45中。在环形电极41、42的下端部处，等离子体引起放电，由此构成等离子电弧46，在等离子电弧中从所输送的等离子体气体43中产生等离子。通常的等离子体气体是惰性气体或氢气。然而这些气体相当昂贵进而通常仅用于开动反应器30。对于静态运行，优选将在反应器30中产生的合成气体3的小部分3a作为等离子体气体43再循环到KWS转换器2的进入口中。
要分解的KWS 1经由中央的管路40输送到等离子发生器38的内部的环形电极41的内部空间47中。该中央的管路40以已知的方式构成，并且例如能够以在此未示出的方式轴向地移动，以便获得℃至1700℃的范围中。
在外部的环形电极42和耐火包覆部37之间存在安全间距，由此形成外部的环形空间49。为了使等离子体气体43到该外部的环形空间49的导致可能的碳堆积的回流最小化，能够借助保护气体50冲洗环形空间。能够将惰性气体或者还有氢气用作为保护气体50。然而如图3中示出，优选地从引入KWS转换器2中引入的等离子体43中取出小部分，并且通过一个或多个保护气体管路51引入到外部的环形空间49中。
KWS转换器2以锥形的外罩31或过渡部分过渡到C转换器7中。通过横截面扩宽延迟流动速度和相应地提高停留时间。
在吸热的分解反应中，其中KWS 1大范围地分解成碳5和氢气6，温度降低到值T2。现在，通过多个在C转换器7的环周之上分布的分配器喷嘴52在碳转换器(C转换器)7的入口附件输送预热的二氧化碳9。对此，将二氧化碳气体9首先引入到环形分配器53中，环形分配器以环面的类型围绕C转换器7引导。多个分配器管路54从环形分配器中穿过下部的柱形外罩35分支到指向C转换器内部的分配器喷嘴52。分配器喷嘴52能够直接地指向C转换器轴线或反应器轴线55。然而在一个优选的实施方式中，分配器喷嘴(与更下面提及的、用于水或水蒸汽的分配器喷嘴56类似)相对于反应器轴线55以角度α倾斜，其中倾斜角度处于0°至35°的范围中并且优选处于0°至20°的范围中。在另一优选的实施方式中，如图4中示出的分配器喷嘴52还相对于设备轴线55偏心地以0°至30°的范围中并且优选以0°至15°的范围中的角度β设置。分配器喷嘴52、56、65仅最小程度地伸入到反应器的内部中，以便最小化沉积、流动影响和/或磨损。伸入到反应器内部中的长度为0至50mm。优选，分配器喷嘴与内壁齐平。
从分配器喷嘴52中流出的气体9具有比沿着反应器轴线55流动的主气体流57显著更高的速度。主流57的速度处于0.05至1.3m/s的范围中，优选处于0.1至0.7m/s的范围中。分配器喷嘴流的速度处于0.8至10m/s的范围中。通过分配器喷嘴流的速度与主气体流57的速度相比显著更高，能够弃用附加的混合装置。在环周之上分布的分配器喷嘴52的数量取决于C转换器7的内径。在此，分配器喷嘴52沿环周方向的彼此间距位于30至200mm的范围中。间距也能够取决于排出的气体9的扫略角。分配器喷嘴52也能够-在此未示出-设置在两个轴向间隔开的平面中，其中分配器喷嘴52沿主流动方向彼此错开地设置。设有分配器喷嘴52的平面的轴向间距优选处于20至200mm的范围中。根据所添加的二氧化碳8的温度和量，反应气体48现在具有温度T3。
为了对于后续的吸热的鲍多尔德反应实现最佳条件，通过电加热装置48为反应气体48输送热量10。加热体59优选由石墨构成。热量10首先通过热辐射输送、并且随后通过对流输送。在该反应步骤之后，反应气体具有温度T4。在该部位处，反应气体48基本上包含一氧化碳、氢气、未反应的碳以及少量的未反应的二氧化碳和可能还少量的甲烷。
在第二添加站中，将水蒸汽8作为饱和蒸汽添加给反应气体48或者优选作为过热的水蒸汽通过分配器喷嘴56添加给主气体流57。添加设备借助环形管路60、分配器管路61和分配器喷嘴56与之前描述的用于添加二氧化碳9的添加设备类似地构成。在将主气体流57与水蒸汽8混合之后，反应气体混合物具有温度T5。
为了对后续的吸热的异相WGS反应提供最佳的反应条件，通过另一电加热装置58为反应气体混合物输送热量，该另一电加热装置与添加二氧化碳9之后的前述加热装置类似地构成。在该反应步骤之后，反应气体具有温度T6。在该部位处，反应气体基本上包含一氧化碳和氢气。
在反应结束之后，对反应气体混合物48骤冷。这或者通过直接冷却装置62借助喷入液态水63或者替选地或以与骤冷换热器64组合地进行。为了执行直接冷却，骤冷装置13具有喷入设备65、66、67，喷入设备类似于用于C转换器7的水8的添加设备56、60、61构成。多个分配器管路67从围绕骤冷装置13引导的环形管路66穿过下部的柱形外罩35分支到分配器喷嘴65，该分配器喷嘴朝骤冷装置13的内部定向。
骤冷换热器64在所示的实施例中设置在直接冷却装置62的下游。
在骤冷之后，反应气体混合物48具有小于或等于400℃的温度，其中不再进行另外的反应。现在，合成气体3、48主要包含一氧化碳和氢气。下部的护罩36在其顶部区域中具有排出接管68，合成气体3、48和可能还有水从排出接管中排出。
合成气体3、48被输送给已知的CO转换器14、尤其用于制备官能化的和/或非官能化的烃的费托转换器，费托转换器在此未进一步示出。
反应器30还配设加热或冷却通道69，以受控地加热或冷却反应器30。在此应用的热载体优选是液态的或气态的水，然而也能够应用其他适当的热载体，例如热油。
在反应器30的出口处存在分析设备70，借助分析设备分析反应气体48、即合成气体3的气体组分。分析结果转发给调节器71，调节器通过用于二氧化碳9的调节阀72和用于水蒸汽8的调节阀73调节C转换器7中的二氧化碳9和水蒸汽8的添加量的比例。在此，也考虑二氧化碳9和水蒸汽8的组合与所输送的KWS 1的比例。
反应器30的全部细节针对以下内压设计，该内压处于2至50bar的范围中并且尤其处于10至25bar的范围中。因为通过反应器30引导含氢气的气体，至少全部与其接触的部分由经受住氢气的材料构成。优选地，应用经受住氢气的优质钢。优质钢能够镀到基础材料上，或者反应器壁31、32、34、35、36还有电极支架33完全地由该材料构成。为了清楚起见，未示出反应器30的其他的配设特征，其他的配设特征属于常见的其他结构，例如支座、热绝缘装置、电势平衡装置、用于维护和测量设备的接管、用于热载体的接口、用于检查的平台或电子装备。
图4示出贯穿图3中示出的反应器30的横截面图。在此示出用于水蒸汽8的分配器喷嘴56或喷入喷嘴的偏心的布置。喷入喷嘴56相对于径向的、即伸展经过反应器轴线55的直线以角度β错开地设置。此外，示出包围反应器的环形分配器60以及从其中分支的分配器管路61。
在图5中示出用于利用根据本发明的措施制备液态的烃的总设施80的工艺流图。总设施80包括KWS转换器2和C转换器7，C转换器具有用于来自KWS转换器2的产物气体5、6的入口、用于二氧化碳9的入口、用于水蒸汽8的入口和用于制备的合成气体3的出口。在C转换器7的下游的区域中存在多件式的骤冷装置13，该骤冷装置的各个热载体循环对不同的设施部件供应热量。在从C转换器7的骤冷装置13排出之后，合成气体3在经过冷却器81之后首先引入到净化级82中。净化的合成气体3的主部分随后经由高压压缩机83引导经过前述的冷却器81，在那里冷却器冷却从C转换器7中流出的合成气体3，并且在此加热。合成气体3随后输送给CO转换器14，CO转换器在此构成为FT反应器。来自净化级82中的合成气体3的小的子流3a借助另一压缩机84经由加热器85为了用作为等离子体而再循环回KWS转换器2中。
各个设施部件或方法阶段的参数在下面以实例详细阐述。将1.0kmol/s的、对应于16kg/s的作为KWS 1的甲烷的摩尔流输送给在20bar压力下运行的KWS转换器2。等离子燃烧器或发生器获得1.07kg/s的循环的合成气体3a的质量流。这两个质量流在进入KWS转换器2之前单独地预热到450℃的进入口温度T11和T12。为了分解甲烷，相应地，在转化率为大约97％的情况下，按照反应式(1)需要72.5MW的反应能量4。为了在KWS转换器2排出之前将反应气体混合物86加热到1600℃的温度T13，在考虑热量损失的情况下需要另外的119.5MW，使得KWS转换器的总能量需求为192MW。这对应于关于反应气体混合物中整个C份额为4.6kWh/kgC的比能量需要。
在反应器的第二部分中、即C转换器7中，转化碳5。对此，首先将17.7kg/s的二氧化碳(CO2)9和12.7kg/s的水蒸汽(H2O)8输送给工艺。在此源自电厂的二氧化碳9在压缩到20bar的工艺压力之后具有414℃的温度T14。水蒸汽8实现过热到400℃的温度T15上，并且随后进一步在下游喷入到C转换器7中。将来自KWS转换器2的产物气体5、6与由二氧化碳9和水蒸汽8构成的这两个反应物流混合得到1122℃的混合温度T16。
鲍多尔德反应和异相WGS反应是吸热的。假设碳的完全转化，得到140.6MW的所需要的反应热量。该反应热量部分地通过反应气体混合物的热输出提供。为了确保最大的碳转化率，允许下降到1000℃的最小的温度T17。122℃的温度差对应于15.8MW的明显热量。将“明显热量”理解为热量变化，其中不发生相变。对于完全的碳转化所需要的、为124.8MW的剩余的反应热量通过电动石墨加热器58、59输送给工艺。在碳转化结束之后，通过多个处于C转换器7中的骤冷级13a、13b以对流的方式将47.5kg/s的产物气体质量流冷却直至215℃的温度T19，其中两个骤冷级13a、13b之间的温度部段87位于301℃的温度T18。直至该温度级87的冷却速度高到使得大范围地抑制在1000℃下存在的反应气体混合物的逆反应。
该产物或合成气体3在冷却器81中冷却到136℃的温度T20，并且随后输送给净化级82。从中排出的、具有38.2kg/s质量流的净化的合成气体3具有如下组分
CO 32.0 体积％
CO2 1.8 体积％
H2 64.0 体积％
H2O 1.5 体积％
CH4 0.7 体积％
在净化级82之后，合成气体3在20bar压力下具有大约20℃的温度T21。在净化级82中，分离水88。其他的含能份额89在另一设施部件中在能量方面被继续利用。将1.07kg/s的子流3a如开始描述的那样从合成气体3中再循环至KWS转换器2的等离子发生器38。合成气体3的主部分的压力借助高压压缩机83从20bar提高到40bar。在此，将温度T22提高到96℃。在用于从C转换器7中排出的反应气体混合物或合成气体3的前述的冷却器81中，反应气体混合物或合成气体用作为冷却剂，其中其温度T23提高到190℃。
对于在后续的费托(FT)反应器14中的特定的工艺，需要2:1的H2与CO的比例。在该费托合成中，在大致200℃的温度T24释放158kJ/mol的反应热量90。该热量又能够引入到工艺中，或者应用在用于产生电能的废热管理中。涉及前述内容的质量流得到172.3MW的热量。为了实现在费托工艺中在此为90％的相应转化，将多个设施串联。随后，将所产生的KWS91在精炼设备18中分离为燃料或液化气等。在此，产生中间馏分19，其具有大约50％的煤油、25％的石脑油和25％的柴油。从中得到可用的质量流
煤油:6.7kg/s
柴油:3.3kg/s
石脑油3.3kg/s
丙烷等0.7kg/s
此外，从费托反应器中还导出所形成的水92。如已经结合图2阐述，在精炼设备18中与中间馏分19分离的KWS 93能够部分地作为反应物再次循环到KWS转换器2中。
在该特定的设施中，在精炼设备18中生产的丙烷94a还有在FT反应器14中产生的少量丙烷94b输送给燃烧器95。在燃烧器中，丙烷与大气氧气96燃烧。燃烧热量在加热器85中输出给合成气体3的子流3a，子流用作为KWS转换器2中的等离子体，并且在那里以450℃的温度进入。在燃烧器中形成的废气经由废气管路97导出。
在能量方面观察，使用800.2MW的甲烷、总共277.7MW的电力以及26.0MW的电力用于气体净化，并且获得305.7MW的煤油、149.7MW柴油、150.0MW的石脑油和147.9MW的丙烷。考虑成本效益比并考虑电厂中为了将甲烷的化学能转换成电能的60％的转换率，那么得到58.4％的关于化学能的效率。
下面，总结本发明的全部方面：
1.一种用于产生合成气体的方法，所述方法具有如下步骤：
a)借助等离子体将烃1分解成氢气6和碳5，
b)来自a)中的所获得的产物的至少一部分与水蒸汽8混合，其中所述产物具有碳5和氢气6为主要组成部分，其中通过该分解获得的碳5的一部分与水蒸汽8转化成一氧化碳和氢气，优选在800℃至1700℃的温度范围中转化，
c)将二氧化碳9与来自a)中的所获得的产物混合，所述产物具有碳5和氢气6为主要组成部分，其中通过该分解获得的碳5的一部分与二氧化碳9转化成一氧化碳，优选在800℃至1700℃的温度范围中转化，
d)将热量10输送给根据b)和c)的每个步骤，以便确保碳5的最大转化，并且
e)将来自步骤b)和c)的产物流骤冷13，优选骤冷到低于400℃的温度上。
2.根据实施方式1的用于产生合成气体的方法，其中水蒸汽8b)和二氧化碳9c)的输送能够共同地还有分开地或分级地进行。
3.根据实施方式1或2的用于产生合成气体的方法，其中热量10d)的输送能够通过电加热装置但是也通过烃的共燃进行。
4.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中能够通过喷入水63、通过利用吸热的反应控制进行的散热或通过换热器64中的热传递进行根据步骤e)的骤冷13，其中只要借助换热器64进行骤冷13，在骤冷13之后的温度就不低于露点温度。
5.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中通过水蒸汽8与二氧化碳9的添加比能够控制产物氢气与一氧化碳的比例。
6.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中将所产生的合成气体3的再次输送给工艺的部分3a、氢气或惰性气体用作为等离子体43。
7.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中通过来自a)中的产物流的明显热量能够进行二氧化碳9和/或水8的预热/蒸发。
8.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中通过(碳转化之后的)合成气体3的明显热量能够进行碳5和/或水8的预热/蒸发。
9.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中通过(碳转化之后的)合成气体3的明显热量能够进行等离子体气体43的预热。
10.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中合成气体3的明显热量的一部分用于产生电能4。
11.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中在卡瓦纳反应器中或在改型的卡瓦纳反应器中实施步骤a)。
12.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中借助于等离子体在高温烃转换器中优选在超过1000℃下实施步骤a)。
13.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中在多个烃转换器中能够同时进行步骤a)，其中将其一部分能够制定为工作温度超过1000℃的高温转换器，并且将另一部分能够制定为工作温度低于1000℃的低温转换器。
14.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中能够在一个或多个碳转换器7中执行步骤a)，所述碳转换器能够以1bar和200bar之间的运行压力运行。
15.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中在步骤a)中的烃1由天然气、甲烷、液化气和/或重油以及常规的或非常规的天然气构成。
16.根据前述实施方式中之一的用于产生合成气体的方法，其中将步骤a)中的所产生的碳5的作为活性炭、石墨、碳黑或者作为其他的改性物、例如碳锥或碳盘的部分从方法中取出。
17.用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的方法，所述方法具有如下步骤：
g)由合成气体3的至少一部分产生合成的官能化的和/或非官能化的烃，所述合成气体3已经在根据实施方式1至16之一的方法的步骤c)中产生。
18.根据实施方式17的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的方法，其中进一步利用氢气6的至少一部分在步骤g)中产生烃，所述氢气6的至少一部分已经在根据实施方式1至13之一的方法的步骤a)中产生。
19.根据实施方式17或18的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的方法，其中在步骤g)中产生的合成的烃的一部分用作为步骤a)中的所输送的烃。
20.根据实施方式17至19之一的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的方法，其中产生烃的步骤g)借助于费托方法、尤其借助于SMDS方法进行。
21.根据实施方式17至19之一的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的方法，其中产生官能化的和/或非官能化的烃的步骤g)借助于Bergius-Pier方法、Pier方法或Pier方法与Mtl方法的组合进行。
22.根据实施方式17至21之一的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的方法，其中在步骤g)中产生的官能化的和/或非官能化的烃具有如下材料：石蜡、柴油燃料、汽油燃料、煤油、甲醇、甲烷、液化气。
23.用于产生合成气体的设施，所述设施具有：借助等离子体运行的烃转换器2，具有用于包括烃的流体的至少一个入口以及用于碳的至少一个出口和用于氢气的至少一个出口。
24.用于产生合成气体的设施，所述设施具有：
借助等离子体运行的烃转换器2，具有用于包括烃1的流体的至少一个入口以及用于碳5和氢气6的至少一个共同的出口；
C-转换器(＝碳转换器)7，具有用于水8的至少一个入口、用于碳5的至少一个入口和用于二氧化碳9的至少一个入口以及具有用于合成气体3的至少一个出口，其中通过C连接将用于C转换器7的碳5的至少一个入口与用于烃转换器2的碳5的出口连接。
在一个替选的实施方式中，将前述反应单元组装成设备30。因此，得到用于烃1的、等离子体气体43、二氧化碳9、水蒸汽8的至少一个入口、用于合成气体3的至少一个出口。用于烃1和等离子体43的入口能够替选共同地构成。
25.根据实施方式23和24之一的用于产生合成气体的设施，其中烃转换器2具有借助等离子燃烧器38运行的转换器，尤其卡瓦纳反应器或改型的卡瓦纳反应器。
26.根据实施方式23至25之一的用于产生合成气体的设施，其中存在至少一个出口，所述出口用于提取所产生的碳5的在C转换器7中不用于产生合成气体3的部分5a，以例如用作为活性炭、石墨、炭黑或其他的改性物、例如碳锥或碳盘。
27.用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的设施，所述设施具有：根据实施方式23至26之一的设施；和CO转换器14，具有用于合成气体3的至少一个入口以及具有用于合成的官能化的和/或非官能化的烃91的至少一个出口，其中将用于CO转换器14的合成气体3的至少一个入口与用于C转换器7的合成气体3的出口连接。
28.根据实施方式27的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的设施，其中CO转换器14具有用于氢气6的至少一个入口，所述入口与用于烃转换器2的氢气6的出口。
29.根据实施方式27或28的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的设施，其中CO转换器14具有费托转换器，尤其SMDS转换器。
30.根据实施方式27或28的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的设施，其中CO转换器14具有Bergius-Pier转换器、Pier转换器或Pier转换器与Mtl转换器的组合。
31.根据实施方式27或28的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的设施，其中所述设施具有多个CO转换器14，其中各个CO转换器14具有费托转换器、尤其SMDS转换器或者Bergius-Pier转换器、Pier转换器或Pier转换器与Mtl转换器的组合。
32.根据实施方式27至31之一的用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的设施，其中将用于CO转换器14的合成的官能化的和/或非官能化的烃91的至少一个出口与烃转换器2的烃1的入口连接。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于产生合成气体的方法，所述方法具有如下步骤：
a）借助等离子体将烃（1）分解成碳（5）和氢气（6），
b）来自a）的所获得的产物的至少一部分与水蒸汽（8）和二氧化碳（9）混合，其中所述产物具有为主要组成部分的所述碳（5）和所述氢气（6），其中通过该分解获得的所述碳（5）的一部分与所述水蒸汽（8）在吸热反应中转化成一氧化碳和氢气，优选在800℃至1700℃的温度范围中转化，
并且将通过该分解获得的所述碳（5）的一部分与二氧化碳（9）在另一吸热反应中转化成一氧化碳，优选在800℃至1700℃的温度范围中转化，并且其中
将热量输送给所述吸热反应，以便确保所述碳（5）的最大转化，并且
c）将来自所述步骤b）的产物流骤冷（13）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在与所述水蒸汽（8）混合之前进行与二氧化碳（9）的混合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述步骤b）中通过电加热和/或通过烃的共燃进行所述热量（10）的输送。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述步骤c）中将产物流骤冷到400℃的温度或低于400℃的温度上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过喷入水（63）、通过利用吸热的反应控制进行的散热或通过换热器（64）中的热传递进行根据所述步骤c）的所述骤冷（13），其中在最后一种情况下，气体混合物在所述骤冷（13）之后的温度不低于露点温度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过所述水蒸汽（8）与所述二氧化碳（9）的添加比调节产物氢气与一氧化碳的比例。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，将氢气与一氧化碳的比例设定在1.75:1至1.95:1的范围中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述步骤b）中，温度处于900℃至1500℃的范围中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述步骤a）在具有1bar至50bar的运行压力的一个或多个烃转换器（2）中执行。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，权利要求1具有另一步骤d）：
d）从所述合成气体（3）的至少一部分中产生合成的官能化的和/或非官能化的烃（91、19），所述合成气体在根据权利要求1的方法的步骤c）中形成。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述官能化的和/或非官能化的烃（91、19）具有下述材料中的一种或多种：石蜡、柴油燃料、汽油燃料、煤油、甲醇、甲烷、液化气。
12.一种用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的设施，所述设施具有：
借助等离子体运行的烃转换器（2），所述烃转换器具有用于包括烃（1）的流体的至少一个入口以及用于碳（5）和氢气（6）的至少一个共同的出口；
C-转换器（碳转换器）（7），所述C-转换器具有用于碳（5）和氢气（6）的至少一个入口、用于水（8）的至少一个入口和用于二氧化碳（9）的至少一个入口以及具有用于合成气体（3）的至少一个出口，
其中所述C-转换器（7）的、用于碳（5）和氢气（6）的所述至少一个入口通过连接管路与所述烃转换器（2）的、用于碳（5）和氢气（6）的出口连接，
用于在步骤b）中输送热量的加热装置，和
用于对来自步骤b）中的产物流进行骤冷的骤冷装置（13）。
13.根据权利要求12所述的设施，还具有调节装置（71），所述调节装置分析从所述C-转换器（7）流出的气体混合物（3、48）的组分，并且根据该组分调节在所述C-转换器（7）中引导的、由二氧化碳（9）和水（8）构成的流的流量，并且在此调节二氧化碳（9）与水（8）的份量比，使得从所述C-转换器（7）流出的气体混合物（3、48）的组分具有氢气与一氧化碳的成分比例，所述成分比例处于1.75:1至1.95:1的范围中。
14.根据权利要求12或13所述的设施，其中，所述设施部件、即烃转换器（2）、C-转换器（7）和骤冷装置（13）中的至少两个设置在整体的设备壳体（30）中。
15.一种用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的设施，所述设施具有根据权利要求12至14中任一项所述的设施，该设施还具有至少一个CO-转换器（14），其中，所述CO-转换器具有费托转换器，所述费托转换器选自如下结构类型：SMDS转换器、Bergius-Pier转换器、Pier转换器、Mtl转换器或它们的组合。

Claims (15)

1.一种用于产生合成气体的方法，所述方法具有如下步骤：
a）借助等离子体将烃（1）分解成碳（5）和氢气（6），
b）来自a）的所获得的产物的至少一部分与水蒸汽（8）混合，其中所述产物具有为主要组成部分的所述碳（5）和所述氢气（6），其中通过该分解获得的所述碳（5）的一部分与所述水蒸汽（8）转化成一氧化碳和氢气，优选在800℃至1700℃的温度范围中转化，
c）将二氧化碳（9）与来自a）的所获得的产物混合，所述产物具有为主要组成部分的所述碳（5）和所述氢气（6），其中通过该分解获得的所述碳（5）的一部分与二氧化碳（9）转化成一氧化碳，优选在800℃至1700℃的温度范围中转化，
d）将热量（10）输送给根据b）和c）的每个步骤，以便确保所述碳（5）的最大转化，并且
e）将来自所述步骤b）和c）的产物流骤冷（13）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤1b）之前进行步骤1c）。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过电加热和/或通过烃的共燃进行所述热量（10）的输送。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述步骤e）中将产物流骤冷到低于400℃的温度上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过喷入水（63）、通过利用吸热的反应控制进行的散热或通过换热器（64）中的热传递进行根据所述步骤e）的所述骤冷（13），其中在最后一种情况下，气体混合物在所述骤冷（13）之后的温度不低于露点温度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过所述水蒸汽（8）与所述二氧化碳（9）的添加比调节产物氢气与一氧化碳的比例。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，将氢气与一氧化碳的比例设定在1.75:1至1.95:1的范围中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述步骤b）和c）中，温度处于900℃至1500℃的范围中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述步骤a）在具有1bar至50bar的运行压力的一个或多个烃转换器（2）中执行。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，权利要求1具有另一步骤f）：
f）从所述合成气体（3）的至少一部分中产生合成的官能化的和/或非官能化的烃（91、19），所述合成气体在根据权利要求1的方法的步骤e）中形成。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述官能化的和/或非官能化的烃（91、19）具有下述材料中的一种或多种：石蜡、柴油燃料、汽油燃料、煤油、甲醇、甲烷、液化气。
12.一种用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的设施，所述设施具有：
借助等离子体运行的烃转换器（2），所述烃转换器具有用于包括烃（1）的流体的至少一个入口以及用于碳（5）和氢气（6）的至少一个共同的出口；
C-转换器（碳转换器）（7），所述C-转换器具有用于碳（5）和氢气（6）的至少一个入口、用于水（8）的至少一个入口和用于二氧化碳（9）的至少一个入口以及具有用于合成气体（3）的至少一个出口，
其中所述C-转换器（7）的、用于碳（5）和氢气（6）的所述至少一个入口通过连接管路与所述烃转换器（2）的、用于碳（5）和氢气（6）的出口连接。
13.根据权利要求12所述的设施，还具有调节装置（71），所述调节装置分析从所述C-转换器（7）流出的气体混合物（3、48）的组分，并且根据该组分调节在所述C-转换器（7）中引导的、由二氧化碳（9）和水（8）构成的流的流量，并且在此调节二氧化碳（9）与水（8）的份量比，使得从所述C-转换器（7）流出的气体混合物（3、48）的组分具有氢气与一氧化碳的成分比例，所述成分比例处于1.75:1至1.95:1的范围中。
14.根据权利要求12或13所述的设施，其中，所述设施部件、即烃转换器（2）、C-转换器（7）和骤冷装置（13）中的至少两个设置在整体的设备壳体（30）中。
15.一种用于产生合成的官能化的和/或非官能化的烃的设施，所述设施具有根据权利要求12至14中任一项所述的设施，该设施还具有至少一个CO-转换器（14），其中，所述CO-转换器具有费托转换器，所述费托转换器选自如下结构类型：SMDS转换器、Bergius-Pier转换器、Pier转换器、Mtl转换器或它们的组合。
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