CN112689610A - 通过处理含co2和一种或多种烃的气体流来生产合成气体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过处理含CO2和一种或多种烃的气体流来生产合成气体的方法。根据本发明，该方法包括以下步骤：a)提供气体流，其中含有体积在10％到50％之间的CO2和体积在10％到50％之间的一种或多种烃，b)利用非转移弧等离子炬生成等离子射流，c)将所述气体流与所述等离子射流在所述等离子炬的下游混合，d)使所述混合物在细长反应器中传播，以确保所述气体流转化为合成气体。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳(CO2)减排的一般领域，特别是热电站和诸如钢铁冶金工业或水泥厂等工业设施排放的气体流中的二氧化碳。
本发明更具体地在于一种通过处理含CO2和一种或多种烃的气体流来生产合成气体的方法。
背景技术
减少二氧化碳，主要是温室气体，已成为人类社会中应对气候变暖所面临的主要挑战之一。
但是，在全球能源需求的持续增长，特别是在人口增长和居民平均生活水平提高的推动下，我们现在已经无法摆脱矿物燃料。
已经采用或正在研究各种解决方案，例如改善工艺的能源效率，或者甚至最近提出了在土壤中捕获和储存CO2。
一种新方法在于，不再将二氧化碳视为必须加以管理的废物，而是将其视为可以利用的原料，即经过转换或转化来生成可利用的产物。
因此，已经进行了多项研究，旨在将二氧化碳转换为用于化学工业的其他化学物质，特别是转化为甲醇、乙醇或丙醇等。
利用二氧化碳合成乙醇是通过实施例如实施费-托法等生物催化方法来实现的。
存在基于过渡金属(钌等)的催化剂的条件下，利用二氧化碳使甲烷发生重整反应也得到了广泛研究。
但是，现有技术中的这些方法不适合处理载有工业设施排放的二氧化碳的气体流。
实际上，这些气体流含有大量杂质和灰尘，例如焦油和酸性化合物，特别是高炉产生的气体流。
这些方法也无法处理大量的气体。
但是，这些工业设施，特别是炼油厂、水泥厂和钢铁冶金工厂向大气排放的气体正是二氧化碳的主要来源。
因此，迫切需要新的方法来转换工业场所排放的气体流中所含的二氧化碳，该方法能够克服上述现有技术的缺陷。
发明内容
发明目的
本发明旨在提出一种通过处理含CO2和一种或多种烃的气体流来生产合成气体的方法，以克服现有技术中的缺陷，该方法设计和操作方法简单，可靠、经济，能够减小二氧化碳量。
本发明的另一个目的在于一种能够允许存在较大质量和体积波动的气体流的方法。
发明概述
为此，本发明涉及一种通过处理含CO2和一种或多种烃的气体流来生产合成气体的方法。
根据本发明，这种方法包括以下步骤：
a)提供气体流，其中含有体积在10％到50％之间的CO2和体积在10％到50％之间的一种或多种烃，
b)利用非转移弧等离子炬生成等离子射流，
c)将所述气体流与所述等离子射流在所述等离子炬的下游混合，
d)使所述混合物在细长反应器中传播，以确保所述气体流转化为合成气体。
当CO2和一种或多种烃的体积不等于气体流总体积的100％时，气体流的其余成分可能包含各种物质，例如氮气、水蒸气、氢气或一氧化碳。
“位于……下游”表示在等离子射流的传播方向上，位于……之后。
根据这种合成气体生产方法的一种具体实施方式，在步骤a)中提供的气体流主要含有CO2和一种或多种烃。
“主要含CO2和一种或多种烃的气体流”这种表述是指由二氧化碳和一种或多种烃构成的组合物的浓气体流，也就是说，含有体积在30％以上的二氧化碳和一种或多种烃构成的组合物，或者甚至体积在50％以上的这种组合物。气体流的其余成分可能包含各种物质，例如氮气、水蒸气、氢气或一氧化碳。
根据这种合成气体生产方法的另一种实施方式，在步骤a)中，将所述待处理气体流分离成第一气体流和第二气体流，然后在步骤b)中，至少采用所述第二气体流作为等离子气体，利用非转移弧等离子炬生成等离子射流，然后在步骤c)中，将所述第一气体流与所述等离子射流在所述等离子炬的下游混合，在步骤d)中，使所述混合物在细长反应器中传播，以确保所述第一气体流和所述等离子射流转化为合成气体。
有利地，供给等离子炬的所述等离子气体仅由第二气体流组成。可替代地，该等离子气体可以包含所述第二气体流和至少一种其他气体流，所述其他气体流可以调节等离子气体的构成，例如空气或其他工艺气体流。
优选地，向所述等离子炬供应所述等离子气体以生成所述等离子射流时，所述等离子气体的温度高于所述第二气体流中所含的焦油等重质烃的露点。因此，并且优选地，所述等离子气体的温度在20℃到150℃之间。
这样的温度可以避免烃类冷凝现象，该现象可能导致等离子炬阻塞。
根据这种合成气体生产方法的另一种实施方式，由于所述等离子炬具有主轴，所述射流的传播轴大体与所述等离子炬的主轴共线，所述等离子炬安装在导入室上，因此在所述导入室的至少一个入口处接收所述气体流或所述第一气体流，其中所述入口位于所述等离子炬的下游，并且导入所述气体流或所述第一气体流，使其至少与一部分所述等离子射流相遇，以确保将其与所述等离子射流混合。
根据这种合成气体生产方法的另一种实施方式，所述细长反应器设置在所述导入室的下游，同时与所述导入室连通，所述反应器的纵轴大体与所述等离子射流的传播轴共线。
根据这种合成气体生产方法的另一种实施方式，所述待处理气体流是在高于环境温度的温度下供应的。
换句话说，由于待处理气体流可能来自石油、钢铁冶金或化学工艺，因此它是一种温度通常低于150℃的热气体。利用这种热气体流的一部分作为等离子气体，以便利用非转移弧等离子炬生成等离子射流，从而可以有利地可以保留其所含热量。因此这种实施方式可以减小处理气体流所需设备的体积，并因此确保其紧凑性。
根据这种合成气体生产方法的另一种实施方式，在步骤a)中，所述气体流是在高于环境压力的压力下提供的，供给所述非转移弧等离子炬的等离子气体达到供气压力Pralim，从而可以在至少等于所述反应器工作压力的压力下生成等离子射流。
换句话说，在过压下操作所述反应器，在高于或等于所述反应器中的正常压力下，生成所述等离子射流。
根据这种合成气体生产方法的另一种实施方式，所述待处理气流含有体积在10％到50％之间的CO2和体积在10％到50％之间的甲烷(CH4)，优选主要含CO2和甲烷(CH4)。
根据这种合成气体生产方法的另一种实施方式，沿不同于所述传播轴的方向导入所述气体流或所述第一气体流，以便在所述气体流或第一气体流与等离子射流之间形成湍流混合区。
根据这种合成气体生产方法的另一种实施方式，由于所述气体流或所述第一气体流被导入到与所述反应器连通的导入室中，因此向所述导入室或所述反应器中导入至少一种流体以调节步骤c)中所得混合物的组成，例如导入水蒸气。
例如，如果反应器中存在水蒸气，则碳(C)可以与水(H2O)反应生成一氧化碳和游离氢(H2)。
优选地，所述至少一种流体是通过所述反应器或所述导入室的至少一个入口导入的。
本发明还涉及一种如上所述的生产方法所得的合成气体的处理方法。根据本发明，来自反应器的合成气体含有一氧化碳(CO)和氢的混合物，对这种混合物进行转化以形成氢气(H2)并对后者进行储存。
本发明还涉及一种如上所述的生产方法所得的合成气体的处理方法。根据本发明，来自反应器的合成气体含有一氧化碳(CO)和氢的混合物，对这种混合物进行转化以形成甲醇。
通过这种处理，可以去除一个CO2分子并生成两个CH3OH。
有利地，在该转化之前，按照特定摩尔比2：1或2.05：1形成一氧化碳(CO)和氢的混合物，然后对该混合物进行转化以形成单一的甲醇。
本发明还涉及一种如上所述的生产方法所得的合成气体的处理方法。根据本发明，来自反应器的合成气体含有一氧化碳(CO)和氢的混合物，对这种混合物进行转化以形成氨。
本发明还涉及一种通过处理含CO2和一种或多种烃的气体流来生产合成气体的方法。
根据本发明，这种方法包括以下步骤：
a)提供气体流，其中主要含有CO2和一种或多种烃，
b)利用非转移弧等离子炬生成等离子射流，
c)将所述气体流与所述等离子射流在所述等离子炬的下游混合，
d)使所述混合物在细长反应器中传播，以确保所述气体流转化为合成气体。
“主要含CO2和一种或多种烃的气体流”这种表述是指由二氧化碳和一种或多种烃构成的组合物的浓气体流，也就是说，含有体积在30％以上的二氧化碳和一种或多种烃构成的组合物，或者甚至体积在50％以上的这种组合物。气体流的其余成分可能包含各种物质，例如氮气、水蒸气、氢气或一氧化碳。
根据这种合成气体生产方法的另一种具体实施方式，在步骤a)中，将所述待处理气体流分离成第一气体流和第二气体流，然后在步骤b)中，至少采用所述第二气体流作为等离子气体，利用非转移弧等离子炬生成等离子射流，然后在步骤c)中，将所述第一气体流与所述等离子射流在所述等离子炬的下游混合，在步骤d)中，使所述混合物在细长反应器中传播，以确保所述第一气体流和所述等离子射流转化为合成气体。
根据这种合成气体生产方法的另一种具体实施方式，供应等离子射流的所述等离子气体仅由第二气体流构成。
根据这种合成气体生产方法的另一种具体实施方式，向所述等离子炬供应所述等离子气体以生成所述等离子射流时，所述等离子气体的温度高于所述第二气体流中所含的焦油等重质烃的露点。
附图说明
下面将结合附图，通过非限制性的示例性说明来阐述本发明的其它特征、目的及具体特征，其中：
-图1示出了一种气体流处理装置，用于生产根据本发明的一种具体实施方式的合成气体，其中所述气体流含有CO2和一种或多种烃构成的组合物；
-图2示出了根据本发明的一种实施方式，利用含CO2和甲烷(CH4)的气体流生产氢的各步骤。
具体实施方式
首先要说明的是，这些附图并不是按比例绘制的。
图1示出了一种工业化气体流处理装置，用于生产根据本发明的一种具体实施方式的含较少CO2的合成气体，其中所述气体流含有CO2和一种或多种烃构成的组合物。
形成在线系统的这种处理装置，包括连接反应器2的待处理气体流导入室1。
导入室1和反应器2各自的内部空间是由器壁限定的，这些器壁的内侧涂覆有高强度的耐高温材料，例如基于铬/刚玉的材料。这些耐高温材料尤其可以减少热损失。
在此，由金属材料制成的导入室1和反应器2通过高压流体的外部回路进行冷却，所述流体是例如软化水。然而，该装置被设计成不具有冷点，所述冷点可能对于待处理气体流中所含的颗粒构成冷凝区域。
该导入室1包含非转移弧等离子炬3。该等离子炬3用于生成传播轴5大体与等离子炬3的主轴共线的等离子射流4。
使用这种等离子炬3，不仅可以获得具有极高温度的等离子射流4，该温度取决于所用等离子炬的功率，通常在2000至5000℃之间，而且还确保了导入室1内部空间与等离子炬3之间完全独立。
在此，待处理的工业气体流被预先分离成第一气体流6和第二气体流7，至少采用第二气体流7作为等离子气体，利用所述等离子炬3生成等离子射流4。
该导入室1还包括位于等离子炬3下游的入口8，用于在等离子射流4附近导入第一气体流6。该入口8被设计成确保沿不同于等离子射流4传播轴5的方向导入所述第一气体流6，以便在该等离子射流与该第一气体流6之间形成湍流混合区。该湍流混合区可以确保等离子射流4与第一气体流6之间的充分混合。在此，第一气体流6垂直于等离子射流4的传播轴5。
等离子射流4的传播轴5被定向成将第一气体流/等离子体射流的混合物引向反应器2，在反应器中第一和第二气体流将发生反应，使其转化为合成气体。
喷射器(未示出)设置在导入室1和/或反应器2上，以导入一种或多种流体，以便完成第一待处理气体流与等离子射流混合时生成的物质的处理。这些喷射器可以是例如气体喷嘴，用于喷射例如水蒸气。
反应器2呈大致为圆柱形的细长形状，并且在其下游部分包括合成气体出口9。反应器2的圆柱形几何形状被设计成有利地限制第一气体流/等离子射流混合物在反应器2器壁处的速度，该速度取决于等离子射流离开等离子炬3时的速度(通常为400m/s)。
该反应器2的纵轴大体与等离子射流4的传播轴5共线，以限制该等离子射流4与反应器2器壁接触。
该反应器2构成工业气体流的热或热化学转换区域，以将其转化为合成气体。确定该反应器2或炉子的长度，以优化待合成或待处理材料的停留时间，完成热化学反应所需的停留时间。
图2示出了通过实施本发明的方法形成氢气的主要步骤。
含二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的待处理气体流10被导入上述处理装置11中，主要生成2CO和2H2。通过后处理操作12可以分离一氧化碳和氢气。
因此除去CO2并且生成2H2并储存13。
Claims (15)
1.一种通过处理含CO2和一种或多种烃的气体流来生产合成气体的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
a)提供气体流，其中含有体积在10％到50％之间的CO2和体积在10％到50％之间的一种或多种烃，
b)利用非转移弧等离子炬生成等离子射流，
c)将所述气体流与所述等离子射流在所述等离子炬的下游混合，
d)使所述混合物在细长反应器中传播，以确保所述气体流转化为合成气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，将所述待处理气体流分离成第一气体流和第二气体流，然后在步骤b)中，至少采用所述第二气体流作为等离子气体，利用非转移弧等离子炬生成等离子射流，然后在步骤c)中，将所述第一气体流与所述等离子射流在所述等离子炬的下游混合，在步骤d)中，使所述混合物在细长反应器中传播，以确保所述第一气体流和所述等离子射流转化为合成气体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，供给等离子炬的所述等离子气体仅由第二气体流组成。
4.根据权利要2或3所述的方法，其特征在于，向所述等离子炬供应所述等离子气体以生成所述等离子射流时，所述等离子气体的温度高于所述第二气体流中所含的焦油等重质烃的露点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述等离子气体的温度在20℃到150℃之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述气体流是在高于环境压力的压力下提供的，供给所述非转移弧等离子炬的等离子气体达到供气压力Pralim，从而可以在至少等于所述反应器工作压力的压力下生成等离子射流。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，由于所述等离子炬具有主轴，所述射流的传播轴大体与所述等离子炬的主轴共线，所述等离子炬安装在导入室上，因此在所述导入室的至少一个入口处接收所述气体流或所述第一气体流，其中所述入口位于所述等离子炬的下游，并且导入所述气体流或所述第一气体流，使其至少与一部分所述等离子射流相遇，以确保将其与所述等离子射流混合。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，在高于环境温度的温度下供应所述待处理气体流。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述待处理气流主要含CO2和甲烷(CH4)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，沿不同于所述传播轴的方向导入所述气体流或所述第一气体流，以便在等离子射流与所述气体流或第一气体流之间形成湍流混合区。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，由于所述气体流或所述第一气体流被导入到与所述反应器连通的导入室中，因此向所述导入室或所述反应器中导入至少一种流体以调节步骤c)中所得混合物的组成，例如导入水蒸气。
12.一种根据权利要求1至11中任一项所述的生产方法得到的合成气体的处理方法，其特征在于，来自反应器的所述合成气体含有一氧化碳(CO)和氢的混合物，对所述混合物进行转化以形成氢气(H2)并对后者进行储存。
13.一种根据权利要求1至11中任一项所述的生产方法得到的合成气体的处理方法，其特征在于，来自反应器的所述合成气体含有一氧化碳(CO)和氢的混合物，对所述混合物进行转化以形成甲醇。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述转化之前，按照特定摩尔比2：1或2.05：1形成一氧化碳(CO)和氢的混合物，然后对所述混合物进行转化以形成单一的甲醇。
15.一种根据权利要求1至11中任一项所述的生产方法得到的合成气体的处理方法，其特征在于，来自反应器的所述合成气体含有一氧化碳(CO)和氢的混合物，对所述混合物进行转化以形成氨。
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