CN118043133A - 使用旋转生成的热能制氢的方法和装置 - Google Patents

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CN118043133A CN202280065921.9A CN202280065921A CN118043133A CN 118043133 A CN118043133 A CN 118043133A CN 202280065921 A CN202280065921 A CN 202280065921A CN 118043133 A CN118043133 A CN 118043133A
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gas
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韦利·马蒂·普罗拉
T·欧尼
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Coolbrook Oy
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Abstract

提供了用于将热能输入至与制氢相关的一个或多个过程中的流体介质中的方法。该方法包括通过至少一个旋转装置(100)生成加热的流体介质，该至少一个旋转装置包括壳体、转子和定子，该壳体具有至少一个入口和至少一个出口，该转子包括布置在安装在转子轴上的转子毂的圆周上的至少一排转子叶片，该定子被配置为至少布置在至少一排转子叶片上游的固定翼片的组件。在该方法中，借助于当沿着旋转装置(100)内部形成的流动路径引导的流体介质流分别穿过所述旋转装置(100)的固定和旋转部件时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流。该方法还包括将所述至少一个旋转装置(100)集成到耗热过程设施(1000)中，该耗热过程设施(1000)被配置为制氢设施(1000)并且还被配置成在基本上等于或高于500摄氏度(℃)的温度下进行与制氢相关的一个或多个耗热过程，并且将一定量的输入能量传导至集成到耗热过程设施(1000)中的至少一个旋转装置(100)中，该输入能量包括电能。还提供了用于制氢的相关方法、布置和设施(1000)。

Description

使用旋转生成的热能制氢的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及用于将热能(热量)输入至流体中的系统和方法。具体地，本发明涉及与在高温和极高温下进行与制氢相关的耗热工业过程中优化能源效率并减少温室气体和颗粒排放的工具和过程。
背景技术
工业界和政府一直在努力寻找实现显著减少温室气体(GHG)排放的技术。为了限制全球变暖的目的，必须在许多关键工业部门(例如与能源载体生产相关的部门)采取脱碳措施。许多脱碳方案涉及使用氢作为原料和/或燃料。全球约90％的制氢利用甲烷，后者是天然气的主要组分。
蒸汽甲烷重整(SMR)显然是C1化学中最著名且最广泛使用的实例，并且它是从甲烷制氢的主要过程(参见式1a)。全球高达95％的氢气通过SMR产生。在蒸汽甲烷重整中，预处理的天然气或其他合适的原料气(例如页岩气、炼油厂尾气或沼气)首先用蒸汽进行预重整以将长链烃分解成甲烷和合成气，然后将其引导至主重整反应器中，在主重整反应器中甲烷被转化成氢气和一氧化碳。氢产量可以在水煤气变换(WGS)单元中进一步增加，其中部分一氧化碳与水反应产生氢气和二氧化碳(式1b)。
(1a)CH4(g)+H2O(g)→CO+3H2,ΔH＝206kJ/mol
(1b)
由于重整反应(式1a)是吸热反应，因此需要热源。在传统SMR产生设备中，热量由外部熔炉提供，其通常是燃烧燃料的。在不存在碳捕集装置的情况下，在回收氢气后，含有甲烷、CO2和CO的剩余流将被用作熔炉的燃料，并且所有CO2均被释放到大气中。另一方面，与作为非常稀的CO2源的烟道气排气流相比，碳捕集更有效且因此更常见于含有几乎纯CO2的SMR产品流(式1b)。因此，即使SMR过程采用碳捕集，源自熔炉中燃料燃烧的CO2仍被排放到大气中。因此，SMR过程是大气中二氧化碳最重要的来源之一。
SMR的替代方案是自热重整(ATR)过程(式2a)，产生以不同比例的氢气和一氧化碳混合物形式提供的合成气体。ATR和SMR之间的主要区别在于SMR不使用或不需要氧气。在反应2a中，通过烃进料流中甲烷的部分氧化产生热量。
(2a)CH4+1/2O2→CO+2H2,ΔH＝–36kJ/mol
如果甲烷和氧气可以直接转化成CO和H2而不发生副反应，那么平衡转化率将几乎为100％；然而，在这种情况下，反应需要极高温度。在大多数情况下，ATR过程通过一系列反应(式2a-2c)进行，这些反应除了产生一氧化碳和氢气外，还产生二氧化碳和水：
(2b)CH4+2O2＝CO2+2H2O(g)(ΔH＝-803kJ/mol)
(2c)CH4+O2＝CO2+2H2(ΔH＝-319kJ/mol)
通常通过甲烷在高温下的部分氧化来实现其最佳转化(式2a)。与SMR(式1a)相比，部分氧化的ATR反应是放热反应，且不需要外部热源。但是由于部分进料(甲烷/天然气)被用作燃料，所以反应产率较低。然而，没有废气，并且所有CO2均集中在产品流中用于碳捕集。
另一方面，特别地，如果使用可再生能源来提供热解过程所需的热量，则可以通过甲烷热解过程将甲烷(转而从天然气或沼气中获得)直接转化/分解成氢气来产生无CO2的氢气。甲烷热分解过程产生固体碳，其是唯一的副产物；因此，与SMR相比，无需分离和储存碳氧化物(CO、CO2)，而且过程的复杂性也较低。因此，通过甲烷热解产生的每分子H2的能量需求几乎是SMR产生的能量需求的一半。考虑到上述情况，甲烷热解过程在产生可持续氢方面具有巨大潜力。
甲烷裂解(热解)被认为是无CO2制氢的桥梁技术。在热解中，甲烷和/或更重的烃在无氧和高温下产生元素碳和CO2。在甲烷裂化过程中，未反应的甲烷与氢气分离，并再循环至热解反应器。尽管甲烷裂化的气体原料主要由CH4组成，但也可能存在其他烃，其通过C-H键的热裂解以与CH4相同的方式裂化。
甲烷热解的主要反应是吸热反应，并且理想情况下根据式3产生气态氢气和固态碳：
(3) CH4 (g) → C (s) + 2 H2 (g), ΔH ＝ 75 kJ mol
甲烷热解的过程构思通常可以分为三类：(i)热(非催化)分解；(ii)(热)催化分解，和(iii)等离子体分解。在不存在合适催化剂的情况下，分解反应在高于约700℃的温度下开始。然而，为了实现技术上相关的反应速率和甲烷转化率，这些温度必须相当更高：在催化过程中高于约800℃，在热过程中高于约1000℃，以及在等离子分解过程中高达约2000℃。用于甲烷热分解和(热)催化分解的常规气体反应器系统通常包括管式固定床、移动床和流化床反应器。
在所述传统系统中，根据催化剂的类型，通常在500-1100℃的温度下达到氢气和碳之间的热力学平衡，停留时间为10-300秒。在不存在催化剂的情况下，停留时间显著更长。总体上，在甲烷热解中，停留时间是影响产物分布和选择性的关键参数。停留时间和温度影响碳产物的性能及其进一步使用。
甲烷热解还可以用于产生苯和C2-烃。甲烷在高温下热分解可以产生乙烯、乙炔、苯和氢气作为主要产物，前提是反应能够在形成碳之前停止。事实上，甲烷可以通过热解或热偶联以高产率直接转化成乙炔。该反应是高吸热反应，并且需要高温供热。反应的主要产物通常是乙炔和氢气。使用短反应时间和低甲烷分压，优选地通过进料的氢稀释，可以避免过量碳形成。如所述，反应混合物的快速猝灭也非常重要。
因此，可以在使用或不使用催化剂的情况下进行蒸汽甲烷重整。非催化重整反应通过从甲烷热解开始的途径进行，但是由于存在蒸汽，中间产物迅速转化成CO和H2。因此，非催化重整在高于800℃的温度下进行，这与甲烷热解所需的温度相似，并且通常高于催化甲烷重整的温度(从约700℃开始)。
然而，用于在甲烷热解中实现高温的现有加热技术受到一些常见问题的阻碍。例如，在热分解和热催化分解中，该过程所需的热量通常由(燃料驱动的)外部加热器提供，如上所述。通过反应器壁的热能传递导致在热表面上迅速形成碳质沉积物，例如焦炭和烟尘，这导致操作困难并极大地损害热传递。涉及在反应器中加热气体的解决方案或在利用聚光太阳能(太阳能热解)的解决方案中，热解过程通常以不受控制的方式进行(在一些情况下，热解反应可能在(预)加热期间已经开始)，从而导致反应器部件结垢。
另一方面，通过上述过程的方式从天然气/甲烷制氢所需的高温通常体现出限制这些过程的电气化的主要原因之一。尽管被认为是减少GHG排放的合适解决方案，但由于当前技术和现有设施基础设施无法满足实现足够高温度的需求，工业过程的电气化仍然受到阻碍。
出于加热的目的，已提出许多旋转解决方案。因此，US11,098,725B2(Sanger等人)公开了水动力加热器泵设备，其可操作以选择性地生成加热流体流和/或加压流体流。所提到的水动力加热器泵被设计成并入机动车辆冷却系统中，以提供用于温热车辆的乘客室的热量并提供其他功能，例如车窗除冰和发动机冷却。公开的设备还可以提供用于冷却发动机的加压流体流。公开的技术基于摩擦；并且，由于待加热的流体是液体，因此所提出的设计不适合涉及气体空气动力学的极端湍流的条件。
US 7,614,367 B1(Frick)公开了通过将旋转动能转换成热量来无焰加热、浓缩或蒸发流体的系统和方法。配置用于流体加热时，该系统可以包括旋转动能发生器、旋转加热设备和主热交换器，它们全部处于闭环流体连通。旋转加热设备可以是水制动测功机。该文件公开了该系统在海上钻井或生产平台中用于加热水的用途。然而，所提出的系统不适合加热气态介质，也不适合在高温和极高温下使用(由于液体稳定性、蒸汽压等)。
此外，已知一些旋转涡轮机型设备用于实施烃(蒸汽)裂化过程并旨在最大化目标产物(例如乙烯和丙烯)的产率。
在这方面，考虑到解决与以高效且环境友好的方式升高流体物质的温度相关的挑战，仍然需要与高效加热系统的设计和制造相关的技术领域的更新，特别是适合在高温和极高温度下以工业规模制氢的那些。
发明内容
本发明的目的是解决或至少减轻由现有技术的局限性和缺点引起的至少一些问题。通过本文所述的用于生成加热的流体介质的方法、本文限定的旋转装置和相关用途的各种实施方案来实现一个或多个目的。
在一方面，提供了用于将热能输入至制氢设施中与制氢相关的一个或多个过程中的方法。
在实施方案中，该方法包括通过集成到制氢设施中的至少一个旋转装置生成加热的流体介质，所述至少一个旋转装置包括：壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口；转子，其包括布置在安装在转子轴上的转子毂的圆周上的至少一排转子叶片；以及多个固定翼片，其被布置成至少在至少一排转子叶片上游的组件，其中该方法还包括：将至少一个旋转装置集成到制氢设施中，该制氢设施被配置成在基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度下进行与制氢相关的一个或多个过程；将一定量的输入能量传导至集成到制氢设施中的至少一个旋转装置中，该输入能量包括电能，以及操作集成到制氢设施中的至少一个旋转装置，使得借助于当沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别穿过固定翼片和至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。
在实施方案中，该方法包括在所述制氢设施中，将至少一个旋转装置连接至被配置成从含烃气体(例如含烃进料气体)制氢的至少一个反应器或熔炉。在实施方案中，该至少一个反应器或熔炉被配置成进行热和/或催化过程以从含烃气体生成氢。在实施方案中，该制氢设施是甲烷热解设备或蒸汽甲烷重整(SMR)设备。在实施方案中，含烃气体是甲烷、天然气或其混合物。
在实施方案中，该方法包括通过至少一个旋转装置生成加热至基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度，或者加热至基本上等于或高于约1200℃的温度，或者加热至基本上等于或高于约1700℃的温度的流体介质。
在实施方案中，该方法包括调节通过旋转装置传播的流体介质流的速度和/或压力以产生生成加热的流体介质流的条件。
在实施方案中，在所述方法中，加热的流体介质由至少一个旋转装置生成，该旋转装置包括沿转子轴顺序布置的两排或更多排转子叶片。
在实施方案中，在所述方法中，加热的流体介质由至少一个旋转装置生成，该旋转装置还包括布置在至少一排转子叶片下游的扩散器区域，该方法还包括操作集成到制氢设施中的至少一个旋转装置，使得借助于当沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径引导的流体介质流依次分别穿过固定导向翼片、至少一排转子叶片和扩散器区域时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。扩散器区域可以被配置成具有或不具有固定翼片。
在实施方案中，在所述方法中，通过调节传导至集成到制氢设施中的至少一个旋转装置中的输入能量的量来控制添加至通过旋转装置传播的流体介质流的热能的量。
在实施方案中，该方法还包括在至少一个旋转装置的下游布置另外的加热装置，并且将一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入通过所述另外的加热装置传播的流体介质流中，由此通过放热反应将一定量的热能添加至所述流体介质流中。在实施方案中，将一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入预热至预定温度的流体介质流中。在实施方案中，将一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入预热至基本上等于或高于约1700℃的温度的流体介质流中。在实施方案中，在旋转装置中实施将流体介质流预热至预定温度。
在实施方案中，该方法包括将至少两个旋转装置集成到制氢设施中，所述旋转装置并联或串联连接。在实施方案中，该方法包括通过至少两个顺序连接的旋转装置生成加热的流体介质，其中流体介质流在序列中的至少第一旋转装置中被预热至预定温度，并且其中通过将另外量的热能输入至通过第二旋转装置传播的预热流体介质流中，所述流体介质流在序列中的至少第二旋转装置中被进一步加热。在实施方案中，在所述方法中，在序列中的至少第一旋转装置中，流体介质流被预热至基本上等于或高于约1700℃的温度。在实施方案中，在所述方法中，借助于将反应性化合物或化合物的混合物引入所述流中，将另外量的热能添加至通过序列中的至少第二旋转装置传播的流体介质流中。
在实施方案中，该方法包括将反应性化合物或化合物的混合物引入与制氢相关的一个或多个过程中。
在实施方案中，在所述方法中，由至少一个旋转装置生成的加热的流体介质选自由进料气体、再循环气体、补充气体和过程流体组成的组。
在实施方案中，在所述方法中，进入旋转装置的流体介质基本上是气态介质。
在实施方案中，该方法包括在旋转装置中生成加热的流体介质。在实施方案中，在旋转装置中生成的加热的流体介质是含烃(进料)气体。在实施方案中，加热的流体介质包括甲烷、天然气或甲烷和天然气的混合物，或由它们组成。在实施方案中，加热的流体介质包含C2-C4烷烃(乙烷、丙烷、丁烷)中的任何一种或其混合物，和/或合适的长链烃中的任何一种。在实施方案中，在旋转装置中生成的加热的流体介质是除了含烃(进料)气体之外的气态介质，例如空气、蒸汽(H2O)、氮气(N2)或其任何组合中的任何一种。在实施方案中，在旋转装置中生成的加热的流体介质是从制氢设施中的制氢过程期间生成的废气回收的再循环气体。
在实施方案中，该方法还包括通过在旋转装置中生成的加热的流体介质与绕过旋转装置的流体介质流之间的热传递过程，在旋转装置外部生成加热的流体介质。在实施方案中，该方法包括通过在旋转装置中生成的除了含烃(进料)气体之外的加热的流体介质与作为含烃(进料)气体提供并绕过旋转装置的流体介质流之间的热传递过程，在旋转装置外部生成作为加热的含烃(进料)气体提供的加热的流体介质。
在实施方案中，该方法还包括增加通过旋转装置传播的流体介质流中的压力。
在实施方案中，在所述方法中，作为输入能量传导至集成在制氢设施中的至少一个旋转装置中的电能的量为约5％至100％。
在实施方案中，在所述方法中，作为输入能量传导至集成在制氢设施中的至少一个旋转装置中的电能的量可获得自可再生能源或不同能源的组合，任选地，可再生能源的组合。
在实施方案中，在所述方法中，借助于与至少一个非电能可操作的加热器设备一起集成到制氢设施中，利用至少一个旋转装置来平衡电能(例如，通过供应和/或产生获得，任选地可再生电能)的量的变化，例如供应过剩和短缺。
根据实施方案，用于将热能输入至与制氢相关的一个或多个过程中的方法，包括通过集成到制氢设施中的至少一个旋转装置生成加热的流体介质，提高能源效率或减少温室气体和颗粒排放，或两者兼而有之。
在另一方面，提供了制氢设施，根据本公开，所述制氢设施包括至少一个旋转装置和至少一个耗热单元，该至少一个旋转装置被配置成生成加热的流体介质，该至少一个耗热单元被配置为反应器或熔炉，该反应器或熔炉被配置成进行与制氢相关的一个或多个过程。
在实施方案中，制氢设施包括至少一个反应器或熔炉和至少一个旋转装置，该至少一个反应器或熔炉被配置成在基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度下从含烃气体制氢；该至少一个旋转装置被配置成生成加热的流体介质用于将热能输入至所述至少一个反应器或熔炉中，该至少一个旋转装置包括：壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口；转子，其包括布置在安装在转子轴上的转子毂的圆周上的至少一排转子叶片；以及多个固定翼片，其被布置成至少在至少一排转子叶片上游的组件，其中所述至少一个旋转装置被配置成接收一定量的输入能量，该输入能量包括电能，以及其中该至少一个旋转装置还被配置成进行操作，使得借助于当沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别穿过固定翼片和至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。
在一些配置中，在制氢设施内，至少一个旋转装置还被配置成将加热的流体介质供应至至少一个耗热单元中，该至少一个耗热单元被配置为以下中的任一种：加热器、燃烧器、烘箱、焚化炉、干燥器、锅炉、输送设备或其组合，并且至少一个旋转装置被连接至制氢设施内的这些耗热单元中的任一个或其任何组合。
在实施方案中，在所述制氢设施中，至少一个旋转装置包括沿转子轴顺序布置的两排或更多排转子叶片。在实施方案中，布置成在至少一排转子叶片上游的组件的固定翼片被配置为固定导向翼片。在实施方案中，至少一个旋转装置还包括布置在至少一排转子叶片下游的扩散器区域。扩散器区域可以被配置成具有或不具有固定扩散器翼片。在一些配置中，有翼片的扩散器可以被实施为布置成在至少一排转子叶片下游的组件的多个固定翼片。
在实施方案中，在所述制氢设施内提供的至少一个旋转装置还被配置成增加通过其中传播的流体流中的压力。
在一些配置中，在所述制氢设施内提供的至少一个旋转装置被配置成在入口与出口之间沿着根据以下任一项建立的流动路径实施流体流动：在基本上环形壳体内形成的基本上螺旋的轨迹；在基本上管状壳体内形成的基本上螺旋的轨迹、基本上径向轨迹以及沿卷绕成左右方向涡环的两个螺旋形式的流体介质流所建立的流动路径。
在实施方案中，制氢设施被配置成通过根据前述方面和相关实施方案的方法实施与制氢相关的一个或多个过程。在实施方案中，制氢设施被配置为甲烷热解设备或蒸汽甲烷重整(SMR)设备。
在另一方面，提供了组件，并且该组件包括根据一些前述方面的至少两个旋转装置，所述旋转装置并联或串联连接。
在另一方面，提供了布置，并且该布置包括根据一些前述方面的至少一个旋转装置，所述至少一个旋转装置被连接至至少一个反应器或熔炉。
在另一方面，提供了制氢设施，并且该制氢设施被配置成通过根据一些前述限定的方面和实施方案的方法实施制氢过程；并且其包括如本文限定的至少一个旋转装置。
在一些另外的方面，提供了根据一些前述方面和实施方案的方法和设施的用途，并且在独立权利要求40-44中限定对其进行限定。
在另一方面，根据独立权利要求45中所限定，提供了用于制氢的方法。该方法包括根据一些前述方面和相关实施方案中限定的方法，将热能输入至在制氢设施中与制氢相关的一个或多个过程中。
在一方面，提供了用于制氢的方法，该方法包括通过集成到制氢设施中的至少一个旋转装置生成加热的流体介质，该至少一个旋转装置包括：壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口；转子，其包括布置在安装在转子轴上的转子毂的圆周上的至少一排转子叶片；以及多个固定翼片，其被布置成至少在至少一排转子叶片上游的组件，其中借助于当沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别穿过固定翼片和至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流，该方法还包括：将一定量的输入能量传导至集成到制氢设施中的至少一个旋转装置中，该输入能量包括电能，将在至少一个旋转装置中生成的加热的流体介质流供应至制氢设施中，以及操作所述至少一旋转装置和所述制氢设施以在基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度下进行制氢。
根据本发明的每个具体实施方案，本发明的实用性由多种原因引起。
总体上，本发明的实施方案提供了电动旋转流体加热器，以生成高温流体，例如气体，其可以代替燃烧燃料的加热器进一步用于例如与制氢相关的各种耗热过程中。例如，制氢通常采用燃烧燃料的加热器将流体加热至将甲烷转化成氢气所需的温度。由此提出的本发明能够用(一个或多个)旋转装置代替传统的燃烧燃料的加热器。所提出的方法还能够将热能输入至耗热设施中，例如适合于适应与制氢相关的反应并在高温和极高温(例如通常高于500℃的温度)下操作的反应器和/或熔炉。这些反应器和/或熔炉对热能的需求很高，因此对耗热的需求也很高。本发明提供了用于将流体物质加热至约500℃至约2000℃的温度(即，制氢工业中使用的温度)的装置和方法。
在该方法中，用旋转装置代替燃烧加热器所带来的优点至少包括：
-支持电气化加热；
-消除或至少显著减少源自燃料的温室气体(例如NO、CO2、CO、NOX)、其他有害组分(例如HCl、H2S、SO2和重金属)、颗粒排放和烟尘排放；
-减小加热器的体积：与传统过程加热器或热交换器的体积相比，旋转装置的体积至少小一个数量级；
-降低投资成本；
-在使用易燃、危险液体/气体的情况下提高安全性；
-可以处理大量气体；
-无压降；
-还可以使用旋转(加热器)装置用于压缩气体(鼓风机功能)；
-直接加热气体时不依赖于温差。旋转装置中的温升可以为约10至1700℃或更高；
-任选地通过优化热交换器中的温差，可以使用旋转装置间接加热流体；
-可能至少部分回收热过程气体，从而改进并简化热回收并提高能源效率；
-可以通过添加反应性化学品进一步升高待加热气体的温度，通过放热反应进一步将气体温度提高至高达例如2000℃或更高。
在实施方案中，旋转装置可以用于代替传统的燃烧加热器或过程熔炉，用于在与制氢相关的过程应用中进行直接或间接加热。传统上，这种热量主要通过燃烧化石燃料产生，导致显著CO2排放。用木材或其他生物基材料代替化石燃料具有显著的资源限制和其他显著的环境影响，例如可持续土地利用。随着可再生电力发展(例如风能和太阳能的快速发展)的成本效益的提高，可以用可再生电力驱动的旋转装置代替化石燃料燃烧，这反过来又将显著减少温室气体排放。旋转装置使得流体电气化加热至高达1700℃或更高的温度。现有的电加热应用很难或不可能达到这样的温度。
因此，本发明能够减少温室气体(CO、CO2、NOx)和颗粒排放。通过使用旋转装置，还可能为制氢过程提供封闭或半封闭的加热回路，并且通过回收烟道气减少热损失来进一步提高这些过程的能源效率。相反，在传统加热器中，烟道气仅可以部分回收。
在蒸汽甲烷重整中，通过提供(电气化)旋转流体加热器装置代替传统熔炉，可以避免形成烟道气，从而避免形成稀CO2源(通常由燃料燃烧产生)。结合已经可用于从SMR反应捕集碳的现有技术(参见提供纯CO2源的式1b)，本文公开的方法能够实现无CO2排放的制氢。
将旋转装置集成到甲烷热解中解决或至少减轻了与由于长停留时间而在熔炉或其他类型的加热器的热加热表面上形成碳沉积物相关的问题。原料气体(即甲烷)在装置中的停留时间可以被最小化，使得碳形成的程度将显著降低。额外地或替代地，通过旋转装置传播的所述原料气体的温度可以通过在装置内布置转子单元来增加，使得反应的转化率提高并且碳沉积物不干扰机器的旋转部件。该旋转装置可以在具有或不具有催化剂的情况下与不同类型的热解反应器联用进行甲烷热解，以达到甲烷的充分转化。
旋转装置可以用于直接加热过程气体、惰性气体、空气或任何其他气体，或用于间接加热过程流体(液体、蒸气、气体、蒸气/液体混合物等)。例如，旋转装置可以用于直接加热从制氢过程中生成的废气中回收的再循环气体。
在所述旋转装置中生成的加热的流体可以进一步用于加热气体、蒸气、液体和固体材料中的任何一种。因此，在旋转装置中生成的热气体可以用于加热固体材料，或者它们可以用于加热适合于催化和热过程中的任何一种的填充反应器中的进料。在此提供的方法还实现使用热气体作为热交换器中的加热介质，以便间接加热过程气体或液体。不排除另外的用途，例如在蒸发器中。
旋转装置可以至少部分地代替以下或其可以与以下组合(例如作为预热器)：多种类型的熔炉、加热器、窑炉、气化器，以及传统上用固体、液体或气态化石燃料或在一些情况下用生物基燃料燃烧或加热的反应器，包括用于制氢的反应器和熔炉。加热的气体可以是易燃的、反应性的或惰性的，并且可以再循环回到旋转装置。除了其加热功能外，旋转装置还可以充当鼓风机(加热器-鼓风机组合功能)，从而允许在各种应用中增加压力并再循环气体，例如在催化流化床反应器中。
在此提供的方法中，旋转装置可以用于在几乎完全不存在CO2排放的情况下，将含甲烷进料加热至所需的操作温度(当旋转装置使用可再生电力时，后者是可能的)。在旋转装置中的停留时间极短，这提高了选择性并减少了反应副产物的形成。短停留时间还可以最大限度地减少焦炭形成并延长计划除焦程序之间的操作时间。在根据本公开的方法中，用于实际制氢的反应器(例如甲烷蒸汽重整器)和加热器(旋转装置)是分开的，这实现另外的操作灵活性。根据实施方案，用于制氢的反应器或熔炉可以并联或串联连接至旋转装置，这还实现在同一生产过程中在用于除碳的热反应器和用于除焦和清洁的催化反应器之间切换。
另外，本解决方案能够改进间接加热时热交换器中的温差的优化。
本发明还提供了对电能的灵活使用，例如可从可再生资源获得电能。可再生能源的产生每天甚至每小时都在变化。本发明通过将在此公开的旋转装置与传统的燃料操作的(燃烧燃料的)加热器集成来平衡可再生电力产生，以向涉及制氢的各种过程提供热量。
与传统的化石燃烧熔炉相比，本发明还能够降低现场投资成本。
表述“若干”在此是指从一(1)开始的任何正整数，例如一、两或三个。表述“多个”在此是指从两(2)开始的任何正整数，例如至两、三或四。除非另外明确说明，否则术语“第一”和“第二”在此仅用于区分一个要素与另一个要素，而不指示任何特定顺序或重要性。
术语“气化”在此用于表示通过任何可能的方式将物质转化成气态形式。
通过考虑具体实施方式和附图，本发明的不同实施方案将变得显而易见。
附图说明
图1是以1000表示被配置成实施根据实施方案的方法的制氢设施的布局的框图。
图2A-2F是根据实施方案在制氢设施内布置旋转装置100的示例性布局。
图3是根据实施方案的用于通过甲烷热解过程制氢的设施和方法的示意图。
图4A-4C是根据实施方案的用于通过蒸汽甲烷重整过程制氢的设施和方法的示意图。
图5A和图5B是将旋转装置100集成到根据实施方案的设施和方法中的布局。
具体实施方式
本文参考附图公开了本发明的详细实施方案。
图1是以1000表示被配置成实施根据实施方案的方法的制氢设施的布局的框图。图2-4描述了根据实施方案的装置和方法。图1-4和相关实例用于说明性目的并且不旨在将本发明构思的适用性限制于本公开中明确提出的布局。在一些配置中，虚线所示的框图部分可以是任选的。
在实施方案中，耗热设施1000由工业设备、工厂或任何工业系统表示，其包括被设计成进行工业过程或一系列工业过程的设备，该工业过程旨在基本上从原材料(例如天然气、沼气和/或任何其他含烃原料)制氢和任选地合成气体(合成气)。在实施方案中，该设施可以还适于产生燃料和烃，例如乙烷、乙烯、乙炔、苯等。在本文中，术语“燃料”是指用作能量载体的产品，并且术语“化学品”是指不用作燃料的任何其他产品。被配置成进行与设施1000内至少制氢相关的耗热过程并且被称为耗热过程单元/实用设施的耗热过程和相关操作单元共同由附图标记101表示。设施1000可以包括被配置成进行相同或不同耗热过程的若干操作单元101。在实施方案中，操作单元101包括被配置成进行耗热过程的至少一个耗热设备或由其组成。在实施方案中，操作单元101被配置为反应器设备，其被配置成通过热和/或催化过程进行旨在从甲烷和/或原料(例如天然气或沼气)制氢的反应或一系列反应。
因此，耗热过程设施1000被配置成在基本上等于或高于500摄氏度(℃)的温度下进行一个或多个耗热工业过程101。在本公开中，耗热工业过程是涉及通过甲烷蒸汽重整或甲烷热解过程从烃原料制氢、碳和任选的合成气体的过程。在实施方案中，设施1000被配置成在500-1700℃的温度下进行耗热工业过程。在实施方案中，设施1000被配置成进行耗热工业过程，其在基本上约800-900℃或更高的温度下开始。在实施方案中，设施1000被配置成在基本上等于或高于1000℃的温度下进行耗热工业过程。在实施方案中，设施1000被配置成进行耗热工业过程，其在基本上约1100-1200℃或更高的温度下开始。在实施方案中，设施1000被配置成在基本上等于或高于1200℃的温度下进行耗热工业过程。在实施方案中，该设施被配置成在约1300-1700℃的温度下进行耗热工业过程。在实施方案中，该设施被配置成在基本上等于或高于1500℃的温度下进行耗热工业过程。在实施方案中，该设施被配置成在基本上等于或高于1700℃的温度下进行耗热工业过程。在一些实施方案中，该设施可以被配置成在高于1700℃的温度下，例如在2000℃或更高的温度下，例如在约1700℃至约2500℃的温度下进行工业过程。该设施可以被配置成在约1700℃、约1800℃、约1900℃、约2000℃、约2100℃、约2200℃、约2200℃、约2300℃、约2400℃、约2500℃以及落在上述温度点之间的任何温度值下进行工业过程。应当指出的是，不排除设施1000在低于500℃的温度下进行至少一部分工业过程。
制氢通常与高热能(热量)需求和消耗相关，并且在传统解决方案中，产生大量工业排放物进入大气，例如二氧化碳。本公开提供了用于将热能输入至具有高热能需求的制氢相关过程101中的方法和装置，由此可以明显提高所述过程中的能量效率和/或减少释放到大气中的空气污染物的量。布局1000(图1)示意性地概述了这些改进的设施和方法。
在实施方案中，该方法包括借助于旋转加热器单元100生成加热的流体介质，该旋转加热器单元100包括至少一个旋转装置(下文称为装置100)或由其组成。为了清楚起见，旋转加热器单元在本公开中用与旋转装置相同的附图标记100表示。旋转加热器单元优选地集成到过程设施1000中。在实施方案中，加热的流体介质由至少一个旋转装置产生；然而，可以串联或并联使用多个旋转装置。
旋转装置100可以作为独立装置提供或作为串联(成序列)或并联布置的若干装置提供。一个或多个装置可以被连接至共同的耗热单元101。连接可以是直接的或通过若干热交换器。
耗热单元101作为一个或多个反应器和/或熔炉提供，其适于实施旨在从含烃进料(例如含甲烷进料)制氢的反应，并且在有和/或没有催化剂的情况下操作以分别实施催化和/或热过程。反应器可以是例如固定床反应器、流化床反应器或任何其他合适类型的反应器设备。在一些配置中，在100中加热的流体(例如气体)的热能用于在单元101中进行吸热反应。在这种情况下，在100中加热的流体至少部分地构成101中的过程流体。在一些其他配置中，在100中加热的流体将其热能传递至在耗热单元/过程101中使用的过程流体，以间接向所述过程提供反应热。在间接加热的情况下，在100中加热的流体可以与在耗热单元/过程101中使用的过程流体相同或不同；然而，通常是不同的。在涉及所述间接加热的配置中，添加至旋转装置100中的流体中的热能通过使用所谓的“热交换器”型配置被传递至耗热单元/过程101，在本文中，该配置用任何现有的燃烧加热器、反应器或熔炉，或任何传统的热交换器设备表示，其中所有这些设备被视为耗热单元101。在其他配置中，在旋转装置100中加热的流体(例如气体)不一定将其热能传递至耗热单元101，而是将热量用于在相同或后续的旋转装置单元100内进行吸热反应。
在一些配置中，若干旋转装置100可以被连接至数个耗热单元101(例如用于制氢的反应器)。可以设想不同的配置，例如连接至n个单元101的n+x个旋转装置，其中n等于或大于零(0)并且x等于或大于一(1)。因此，在一些配置中，设施1000可以包括连接至共同的耗热单元101的一个、两个、三个或四个并联旋转装置100；不排除旋转装置的数量高于四(4)个。
在实施方案中，一定量的输入能量E1被传导至作为(旋转)加热器单元集成在耗热过程设施1000中的至少一个旋转装置100中。输入能量E1优选地包括电能。在实施方案中，作为输入能量传导至集成在耗热过程设施中的至少一个旋转装置中的电能的量为约5％至约100％，优选地，约50％至约100％。因此，作为输入能量传导至集成在耗热过程设施中的至少一个旋转装置中的电能的量可以占以下中的任一个：5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％和100％(的总能量输入)，或落在上述点之间的任何中间值。
电能可以由外部或内部来源供应。实际上，供应到装置中的输入电能E1可以用电功率进行定义，后者被定义为每单位时间的能量传递率(以瓦特为单位测量)。
如在图1的设施布局中所实施的，本发明的一些实施方案的详细信息按以下线路进行描述。构件使用以下名称。
流：1.进料；2.预热的进料或进料混合物；3.借助于旋转装置100加热的进料；4.例如，在被配置成通过(放热)化学反应升高/提高温度的另外的(加强)加热器单元中进一步加热的进料；5.离开耗热过程101的热流体介质；6.引导进行净化的流体介质；7.产品流和/或废气；8.反应性化合物或化合物的混合物，例如用于增加另外的加热器单元103中的流体/气体的温度的反应性化学品或支持燃料；9.在耗热过程101中由热流体介质加热(间接加热器应用)的过程流(固体、液体、气体、蒸气或其混合物)；10.送去进一步处理和/或储存的加热的过程流(固体、液体、气体、蒸气或其混合物)(间接加热器应用)；11.离开净化的再循环流；12.热回收的进料流；13.来自热回收的热流体流。工段(单元)：100.旋转加热器单元(旋转装置)；101.耗热操作(过程)单元；102.预热器单元；103.另外的加热装置(加强加热器)；104.热回收单元；105.净化单元。
旋转装置100被配置成接收进料流1，下文称为进料。总体上，进料1可以包括以下或由以下组成：任何合适的流体，例如液体或气体或其组合，以纯组分或组分混合物的形式提供。进料可以是原料液体或气体，例如甲烷、天然气、甲烷和天然气的混合物、页岩气、炼油厂尾气、液化石油气、石脑油或任何其他合适的含烃原料、过程气体/工作气体、补充气体(所谓的置换/增补气体)、再循环气体等。气态进料可以包括惰性气体(蒸汽、空气、氮气等)或反应性气体(例如氧气)、易燃气体(例如烃)或任何其他气体。进料的选择具有过程依赖性。因此，耗热过程101的性质，以及实际上所述耗热过程101所处的特定工业/工业领域暗示了对进料物质的选择的某些要求和/或限制。额外地或替代地，进料1可以包括以下中的任何一种：(水)蒸汽、氮气(N2)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)。
优选进料1基本上以气态形式进入装置100。进料的预热或将液体或基本上液体进料转化为气态形式，可以在任选的预热器单元102中进行，该单元配置为(预)加热器装置或装置组。在预热器单元102中，可以进一步加热(例如过热)最初以气态形式提供的进料流(例如一种或多种过程气体)。在预热器单元102中，如果进料1尚未以气体形式存在，则可将其气化，并任选地将其过热。
预热器单元102可以是被配置成向流体物质提供热量的任何常规设备/系统。在一些配置中，预热器单元102可以是燃烧加热器(即，使用热燃烧气体(烟道气)来升高流过布置在加热器内部的盘管的流体进料的温度的直接燃火热交换器)。额外地或替代地，预热器单元102可以被配置成利用由耗热设施中的其他单元提供的能量(例如通过从来自热回收的热流13提取热能)。因此，预热器单元102可以被配置成利用其他蒸汽流以及电和/或例如废热流(未示出)。
根据与制氢相关的耗热过程和设备，用于借助于旋转加热器单元(装置100)产生加热的流体介质的进料流1可以包括原始进料(新鲜进料)和/或再循环流。因此，进料1可以由新鲜进料、再循环(流体)流及其混合物中的任何一种组成。表示(预)加热的进料的流2可以包括除了进料1之外的所有再循环流，例如来自净化工段105和/或热回收工段104的再循环流。
在旋转加热器单元/旋转装置100中，温度升高至耗热过程101所需的水平或旋转装置所能实现的最大水平。如果旋转装置100实现的温度上升不足以用于耗热过程，和/或如果例如在流体在将其热量传递至耗热过程后需要再次升温，可以借助于在旋转加热器单元100(100A)的下游布置另外的加热器单元(100B、103)(也称为“加强”加热器)来实现进一步的温度上升；参见关于图2B的描述。每个另外的加热器单元包括根据以下描述实施的另外的加热装置或由其组成。
在与制氢相关的耗热过程中，耗热的主要来源是工作流体和/或相关设备的加热以及吸热反应(需要外部能量才能进行的反应)。在一些应用中，从耗热过程101回收热量是可行的。热回收工段如图1以附图标记104表示。回收的热量可以进一步用于加热进料流1和/或再循环流(单独的再循环流如图1以附图标记11表示)。
可以通过收集离开过程单元101的气体并将这些气体再循环至预热器单元102和/或旋转装置100来布置热回收。热回收设备104可以用至少一个热交换器设备(未示出)表示。可以利用基于任何适当技术的热交换器。如果热量在其他地方消耗或者如果由于安全或任何其他原因而无法回收热量，则热回收可以任选地用于加热进料气体。
在设施布局1000中，热回收单元104可以被布置在预热器102之前和/或之后。在后一种配置中，热回收单元104被布置成从制氢过程101流出的热流体介质(流5)回收热量，这些热量可以进一步被用于加热进料流1和再循环流11。另一方面，当热回收单元104被布置在预热器102之前时，进料1首先被引导至单元104(作为流12)，然后作为流13返回至预热器102。在这种情况下，单元104充当第一预热器。
在一些情况下，气体在被引导至热回收之前需要净化，例如除灰尘和细颗粒。净化可以通过例如布置在热回收工段104(未示出)之前的一系列过滤器来完成。额外地或替代地，离开过程单元101的气体可以被引导至净化单元105(绕过单元104)，并且在净化之后返回至热回收(未示出)。
除了有价值的产物之外，过程气体还可能含有非期望的杂质和副产品，这些杂质和副产品可能积聚和/或通过引起腐蚀和催化床中毒而损害加热器装置100、103和/或过程单元101。在净化单元105中进行从耗热过程101排出的流的净化和分离。单元105可以包括适于以机械方式除灰尘和固体颗粒的若干设备，例如过滤器、旋风分离器等。可以利用任何常规的净化/分离方法和设备。示例性净化/分离方法包括但不限于：深冷分离方法、膜处理、变压吸附(PSA)、蒸馏、吸收以及这些方法的任何组合。例如，单元105还可以包括被配置成通过压缩来增加气体压力的设备。通常，净化单元105的操作温度低于过程单元101；因此，在进入净化单元之前，产品气流被冷却(例如在热回收104中)。为了最小化101中反应器床的劣化程度，控制再循环气体11的组成也很重要。
净化单元105可以进一步适于净化废气，例如二氧化碳，用于进一步碳捕集。因此，从制氢设施中作为流7(图1)排出的废气还可以被引导至碳捕集(未示出)。用于净化废气的合适方法包括例如PSA、蒸馏、吸收等。
通过至少一个旋转装置100生成进行耗热过程101所需的加热的流体介质。
在实施方案中，在旋转装置100中生成加热的流体介质，其中一定量的热能被直接添加至通过所述装置传播的流体介质中。在这种情况下，在旋转装置中生成的加热的流体介质可以是例如过程气体，例如含烃气体(例如含甲烷的进料气体、天然气或其混合物)(见图1，流1-4，特别是流2)，而离开耗热单元101的热流体介质5可以表示含产品的流，例如含氢流。在直接加热时，流1-5与工作流体或过程流体相关。
在旋转装置中生成的加热的流体介质可以还被用作载体以将热能传递至耗热单元/过程101，其被配置成实施或介导含烃进料(例如含甲烷进料)向氢气的转化。例如，惰性气体(例如空气、氮气或蒸汽(H2O))可以在旋转装置100中被加热，并且进一步被用于将旋转装置生成的热量传送至适于进行制氢过程101的反应器或熔炉。在这方面，加热的介质(例如过程101所利用的流体流)的生成可以在旋转装置外部通过在旋转装置中生成的加热的流体介质与绕过旋转装置的过程101所利用的合适介质之间的热传递过程来进行。在与制氢相关的一个或多个过程中，在旋转装置外部生成加热的含烃(进料)气体(例如甲烷)通过在旋转装置中生成的除了含烃(进料)气体之外的加热的流体介质(例如蒸汽、空气、氮气等)与绕过旋转装置的含烃(进料)气体流之间的热传递过程来实施。因此，图1显示了绕过旋转装置100的流9(过程流)，并且在本文中表示含烃进料/过程流，而经由旋转加热器100到达过程单元101的流1-4表示被引导至过程单元101用于加热“冷”过程流9的流体介质(例如蒸汽或其他惰性加热介质)。当待加热的过程流体(例如甲烷或天然气)处于高压或真空下时，优选在间接加热应用中使用惰性热气体作为加热介质。流10分别表示“热”过程流。在单元101是甲烷转化单元的情况下，流10表示含产物(氢气)的流，而流5则表示离开单元/过程101的惰性流体介质流(与1-4相同)。因此，在间接加热时，流9和10与工作流体或过程流体相关，而流1-5表示热传递介质。因此，在间接加热时，单元101充当“热交换器”型设备，其能够在流经其中的两种流体之间传递热能，而在所述流体之间没有任何直接接触。
采用装置100用于直接加热过程流体的蒸汽甲烷重整的示例性过程如图4A和图4B所示，并且用于间接加热过程流体的蒸汽甲烷重整的示例性过程如图4C所示。
根据实施方案的被配置用于生成待供应至制氢设施中的加热的流体介质的旋转装置100包括转子，其包括：在安装在转子轴上的转子毂或转子盘的圆周上被布置成至少一排的多个转子叶片；以及壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口，该转子被封闭在壳体内。在装置100中，借助于当沿着壳体内在入口与出口之间形成的流动路径引导的流体介质流在旋转装置的壳体内在入口与出口之间传播时穿过至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。
旋转装置100的实施通常可以遵循美国专利第7,232,937号(Bushuev)、第9,494,038号(Bushuev)和第9,234,140号(等人)对旋转反应器装置的公开，以及美国专利第10,744,480号(Xu&Rosic)对径向反应器装置的公开，上述专利的全部内容通过引用并入本文。也可以使用可配置为采用实施方案所述方法的任何其他实施方式。
在以上引用的专利文献中，旋转涡轮机型装置被设计为用于加工烃，特别地用于蒸汽裂化的反应器。这些应用的一般要求是：气体的快速加热、高温、短停留时间和塞流(表示无轴向混合的流动模型)。这些要求导致以下设计：其中涡轮机型反应器具有容纳在相对小体积内的多个加热台。
本公开基于以下观察：旋转装置(包括但不限于上述那些)可以电气化并用作加热器，以生成进一步供应到耗热过程101(例如与制氢相关的一个或多个过程)中的加热的流体介质。通过将旋转装置加热器单元集成到一个或多个耗热过程中，可以显著减少温室气体和颗粒排放。例如，旋转装置可以代替以下描述的蒸汽甲烷重整过程中的燃料燃烧加热器。温度范围可以从约1000℃(通常可通过上述反应器设备实现)扩展至高达至少约1700℃并且进一步高达2500℃。由于不存在空气动力学障碍，能够实现这些高温的旋转装置的构造是可能的。
因此，集成到根据实施方案的制氢设施中并且被配置成生成用于根据实施方案的方法的加热的流体介质的旋转装置100包括沿着水平(纵向)轴线定位的转子轴以及安装在转子轴上的至少一个转子单元。转子单元包括多个转子(工作)叶片，其布置在转子毂或转子盘的圆周上并一起形成转子叶片级联。因此，旋转装置100包括多个转子(工作)叶片，其在安装在转子轴上的转子毂或转子盘的圆周上布置成至少一排，并形成基本上环形的转子叶片组件或转子叶片级联。
在实施方案中，该装置还包括多个固定翼片，其被布置成至少设置在至少一排转子叶片上游的组件。在该配置中，操作旋转装置使得借助于当沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别穿过固定翼片和至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。
在一些实施方案中，多个固定翼片可以被布置成固定翼片级联(定子)，该固定翼片级联作为至少一排转子叶片上游的基本上环形的组件提供。布置成设置在至少一排转子叶片上游的组件的固定翼片可以作为固定导向翼片，例如(入口)导向翼片(IGV)提供，并且根据其轮廓、尺寸和围绕中心轴的设置进行配置，从而引导流体沿预定方向流入转子，以便控制并且在某些情况下最大化转子特定的输入功能力。
旋转装置可以配置有两个或更多个在转子轴上/沿着转子轴顺序布置的基本上环形的转子叶片排(转子叶片级联)。在这种情况下，固定导向翼片可以安装在第一排转子叶片的上游、按顺序每排转子叶片的上游，或顺序布置后面中的任何选定排转子叶片的上游。
在实施方案中，旋转装置100还包括布置在至少一排转子叶片(转子叶片级联)下游的扩散器区域。在该配置中，操作旋转装置使得借助于当沿着壳体内在入口与出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别依次穿过固定导向翼片、至少一排转子叶片和扩散器区域时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。扩散器区域可以被配置有或没有固定扩散器翼片。在一些配置中，在所述扩散器区域中，有翼片的扩散器或无翼片的扩散器被布置在至少一个转子叶片级联的下游。在一些配置中，扩散器可以作为被布置成扩散器翼片级联的多个固定(定子)翼片实施，作为转子下游的基本上环形的组件提供。
转子、固定导向翼片和扩散器区域被封闭在壳体中形成的内部通道(导管)内。
在一些配置中，例如Xu和Rosic的US10,744,480中所描述的，可以不提供扩散器(设备)，并且扩散器区域可以用位于转子下游的导管的基本上无翼片部分(所谓的无翼片空间)来表示，并且其几何形状和/或尺寸参数被配置成扩散来自转子的高速流体流动。
对于上述旋转装置100的所有配置而言，提供导管的无翼片部分都是常见的。根据配置，无翼片部分(无翼片空间)被布置在转子叶片的下游(参见Xu和Rosic的US10,744,480)或扩散器翼片级联的下游(参见Bushuev的U.S.9,494,038和等人的U.S.9,234,140)。例如，在/>等人描述的一些配置中，旋转叶片排和固定叶片排在壳体内的内部通道中的布置使得在设置在转子叶片下游的固定扩散器翼片的出口与设置在后续转子叶片级联单元的转子叶片上游的固定导向翼片的入口之间形成无翼片部分。
术语“上游”和“下游”在本文是指是指在整个装置的流体流动流方向(从入口到出口)上相对于预定部件或组件(在本文，转子)的结构部件或组件的空间和/或功能设置。
总体而言，带有工作叶片级联的转子可以位于设置成基本上环形的组件(称为级联)的固定(定子)翼片排之间，固定翼片排在工作叶片排的一侧或两侧。可以设想这样的配置，该配置包括两个或更多个在转子轴上/沿着转子轴串联(成序列)设置的转子叶片排/转子叶片级联，排与排之间有或没有固定翼片。在转子叶片排之间没有固定翼片的情况下，流体介质通过导管传播的速度会在后续的每一排中增加。在这种情况下，可以将多个固定翼片设置成位于按所述顺序第一转子叶片级联上游的组件(作为固定导向翼片)和最后转子叶片级联下游的组件(作为固定扩散器翼片)。
封闭在壳体内的转子叶片排(转子叶片级联)和所述转子叶片下游的部分导管(任选地提供有固定扩散器翼片组件(扩散器区域))可以视为配置为促成完整的能量转换循环的最小过程阶段(在下文简称阶段)。因此，当流体介质流离开转子叶片并在导管中向后一排转子叶片传播，或沿着在基本上环形的壳体内形成的基本上螺旋形的轨迹进入同一排转子叶片时，通过至少一排旋转叶片添加到所述流体介质流中的动能的量足以将流体介质的温度升高到预定值。导管(围绕转子圆周)优选被成型为使得流体流在导管中传播时，流体流减速并将动能耗散为流体介质的内能，并将一定量的热能添加到流体介质流中。
在能量转换循环期间，设置在至少一排转子叶片上游的固定导向翼片排预备进入旋转叶片排(叶片级联)时所需的流动条件。
在一些配置中，过程阶段由固定导向翼片组件(转子叶片的上游)、转子叶片排和设置在所述转子叶片下游的扩散器区域建立，扩散器区域作为导管的基本上无翼片部分提供，并任选地供应有扩散器翼片。在能量转换循环过程中，通过流体介质流分别以受控方式通过固定导向翼片、至少一排转子叶片以及扩散器区域连续传播，转子轴的机械能转化为动能，并进一步转化为流体的内能，随后流体温度上升。当流体介质流离开转子叶片并在导管内穿过扩散器区域时，通过旋转转子叶片添加到所述流体介质流的动能的量足以将流体介质的温度提高到预定值，此时流体介质流减速并将动能耗散为流体介质的内能，并将一定量的热能添加到流体介质流中。在转子叶片排中，流动加速，轴和旋转叶片的机械能传递到流体流。在每个转子叶片排的至少一部分中，流动可以达到超音速流动状态。在扩散器区域，来自转子的高速流体流动在熵显著增加的情况下扩散，据此，流动将动能耗散为流体物质的内能，从而将热能提供到流体中。如果扩散器上游的流动是超音速的，则流体流的动能会通过多重冲击系统、粘性混合和耗散转化为流体的内能。流体内能的增加导致流体温度上升。能量转换功能可以由例如位于转子叶片下游的导管的无翼片部分(参见Xu和Rosic的U.S.10,744,480)和/或由扩散器翼片组件(参见等人的U.S.9,234,140)进行。
旋转装置100可以被配置为多阶段或单阶段解决方案。可以设想多阶段配置，其包括若干转子单元(例如，在转子轴上/沿着转子轴顺序布置的1-5个转子叶片排)，与共同的扩散器区域(无翼片或有翼片)交替设置。
将旋转装置100集成到与制氢相关的高温过程中避免或至少极大减少由于长停留时间而在熔炉或其他类型的加热器的热加热表面上形成碳沉积物。原料气体(例如甲烷)在旋转装置中的停留时间可以被最小化，使得碳形成的程度将显著降低。额外地或替代地，原料气体通过旋转装置传播的温度可以升高至反应以足够高的转化率进行并且基本上不存在碳沉积物的水平。这可以通过在所述装置的内部在扩散器区域之前提供单个转子单元或串联布置的若干转子单元来实现。
在等人的U.S.9,234,140中概述的示例性配置中，旋转装置100可以基本上以环形环面的形状实施，其中导管在子午平面中的横截面形成环形轮廓。该装置包括设置在固定导向翼片(喷嘴翼片)与固定扩散翼片之间的转子单元。这些阶段由成排的固定喷嘴翼片、转子叶片和扩散翼片形成，流体流以连续的方式沿着按照基本上螺旋形的轨迹建立的流动路径通过阶段传播。在该配置中，流体流在装置内部在入口与出口之间传播时多次循环通过旋转的转子叶片级联。Bushuev的U.S.9,494,038中描述了类似的环形配置。
在等人的U.S.9,234,140中概述的另一示例性配置中，旋转装置100可以被配置为基本上管状的轴向型涡轮机。在这种配置中，该装置包括延伸的(细长的)转子毂，多个转子叶片沿着该转子毂顺序布置成多排。转子被封闭在壳体内，壳体的内表面设置有固定(定子)翼片和扩散器翼片，布置成使得定子、转子和扩散器级联的叶片/翼片沿转子毂在纵向方向(沿转子轴的长度，从入口至出口)上交替。沿着转子在纵向方向上的特定位置的转子叶片级联分别与一对相邻的固定导向(喷嘴)翼片和扩散器翼片形成阶段。
在所述配置中，后续阶段之间具有无叶片/无翼片的空间。
在Xu和Rosic的US10,744,480中概述的又一示例性配置中，旋转装置100可以被配置为通常遵循离心压缩机或离心泵的设计的径向涡轮机。术语“离心”意味着设备内的流体流动是径向的；因此，在本公开中，该装置可被称为“径流装置”。该装置包括安装在细长轴上的若干转子单元，其中每个转子单元之前具有固定导向翼片。以能够进行能量转换的方式成形的导管的无翼片部分(例如，U形弯曲或S形弯曲)位于转子单元之后。另外，配置可以包括设置在转子下游的单独的扩散器设备(有翼片的或无翼片的)。
在上述所有配置中，在本文公开的方法中，旋转装置100以类似的方式进行。在操作中，传导至集成到耗热过程设施中的至少一个旋转装置中的一定量的输入能量被转换成转子的机械能。根据以上描述，调节旋转装置中的条件，以便产生流速条件，在该流速条件下，当所述流体介质流离开至少一排转子叶片并穿过导管和/或穿过扩散器区域进入后续的转子叶片排或同一转子叶片排时，通过旋转转子的叶片添加至流体介质流的动能的量足以将流体介质的温度升高至预定值。转子叶片排之前可以有固定导向翼片。因此，可调节条件包括至少调节在旋转装置的壳体内在入口与出口之间传播的流体介质的流动。调节流动可以包括调节与装置操作相关的参数，例如温度、质量流率、压力等。额外地或替代地，可以通过改变形成在壳体内的导管的形状来调节流动条件。
在一些示例性配置中，旋转装置可以被配置成沿着根据以下任一项建立的流动路径在其入口与出口之间实施流体流动：在基本上环形的壳体内形成的基本上螺旋形的轨迹，如专利文献Bushuev的U.S.9,494,038和等人的U.S.9,234,140中任一个所讨论；在基本上管状的壳体内形成的基本上螺旋形的轨迹，如专利文献/>等人的U.S.9,234,140所讨论；基本上径向的轨迹，如专利文献Xu和Rosic的10,744,480所讨论；以及沿着流体介质流以卷成左右方向涡环的两个螺旋的形式建立的流动路径，如专利文献Bushuev的U.S.7,232,937所讨论。旋转装置的空气动力学设计可以不同。
旋转装置利用驱动发动机。在优选的实施方案中，该装置利用电能作为输入能量，因此其是电动机驱动的。出于本公开的目的，可以利用任何适当类型的电动机(即，能够将能量从电源传递至机械负载的设备)。本文并未描述布置在电机驱动轴与转子轴之间的合适联轴器以及各种器件，例如功率转换器、控制器等。另外，该装置可以由例如燃气轮机或蒸汽轮机或任何其他适当的驱动设备直接驱动。在涉及若干旋转装置100并联连接至共同的耗热单元101的布局中，所述装置中的一个或多个可以利用不同类型的驱动发动机，例如，电动机驱动的装置可以与由蒸汽涡轮机、燃气轮机和/或燃气发动机驱动的装置组合。
电力(定义为每单位时间的能量传递速率)可以通过将电流供应至用于驱动装置的旋转轴的电动机而供应至旋转装置中。可以通过一个或多个外部来源(如与旋转加热器单元/装置100和/或耗热过程设施1000相关)实施向旋转装置供应电力。额外地或替代地，电能可以在设施1000内部产生。
一个或多个外部来源包括为可持续能源生产提供的各种配套设施。因此，可以由利用至少一种可再生能源的发电系统或利用不同可再生能源的发电系统的组合来供应电力。可再生能源的外部来源可以作为太阳能、风能和/或水能提供。因此，电力可以从以下单元中的至少一个接收到该过程中：光伏发电系统、风力发电系统和水力发电系统。在一些示例性实例中，可以提供核电站作为外部来源。核电站通常被认为是无排放的。术语“核电站”应被解释为使用传统核能，以及额外地或替代地聚变能。
电力可以由利用涡轮机作为动能源驱动发电机的发电设备来供应。在一些情况下，例如，驱动至少一个装置100的电力可以由至少一个燃气涡轮机(GT)提供，该燃气涡轮机(GT)作为独立的设备提供，或提供在热电联产设施和/或联合循环发电设施内。因此，例如，电力可由至少一种下述单元提供：联合循环发电设施，例如联合循环燃气轮机发电设备(CCGT)，和/或热电联产设施，配置为通过热电联产(CHP)将发电与热量回收和利用联合。在一些实例中，CHP设备可以是在所述过程中增加可再生能源比例的生物质燃烧设备。额外地或替代地，电力供应也可以由任选地作为发电机动力设备一部分提供的火花点火式发动机(例如燃气发动机)和/或压缩发动机(例如柴油发动机)来实现。此外，任何传统的发电设备(其配置为由煤、石油、天然气、汽油等化石原材料产生电能，并且通常使用蒸汽涡轮机来促成)都可以用来生成作为旋转装置100的输入能量的电能。此外，氢气也可用作例如利用燃料电池重新转化为电力的可再生能源。
可以设想体现为外部来源和内部来源的上述电力来源的任何组合。从替代(外部)来源输入低排放电力提高耗热过程设施的能源效率。
将包括电力的输入能量传导至旋转装置的驱动发动机中还可以伴随从动力涡轮机向其传导机械轴功率，例如，任选地利用在设施1000中其他处或所述设施外部生成的热能。轴功率定义为从一个旋转元件传递到另一个旋转元件的机械功率，并计算为轴的扭矩和转速之和。机械功率又被定义为每单位时间的功或能量(以瓦特为单位)。
在实践中，例如，可以分配电动机和动力涡轮的轴功率，使得其中任何一个都可以提供全部或部分轴功率。
图2A-2D显示了表示设施1000内的一个或多个旋转加热器单元的旋转装置100相对于预热器单元102、温度加强工段103和热回收单元104的示例性布局。构件使用以下索引：100、100A、100B——旋转加热器单元(旋转装置)；101——耗热单元/过程；102——预热器单元；103——另外的加热装置(加强加热器)。
图2A示意性地示出了旋转装置100的基本实施方式，该旋转装置100被配置成将热量输入至被引导通过其中的流体介质流(进料流1)中。离开装置100的加热的流分别用附图标记2表示。在基本实施方式中，旋转装置100的转子系统根据空气动力学配置成使得一定体积的流体在沿着在装置100的壳体中在入口与出口之间形成的流动路径传播时(所谓的“一次通过”实施方式)被加热至预定温度。装置100能够实现约10℃至约120℃的温度上升(ΔT)，在一些配置中，可在一个阶段内实现高达约500℃的温度上升。因此，在多阶段实施方式的情况下，流体可以在“一次通过”实施方式中被加热至1000℃(在10阶段装置中每阶段100℃温度上升)。由于流体介质穿过装置阶段所花费的停留时间是毫秒级，例如约0.01-1.0毫秒，因此在基本配置中已经可以实现快速且有效的加热。可以根据需要优化温度上升。
图2B展示了涉及所谓加强加热的基本构思。加强加热是例如除了独立加热器装置100能力之外加热过程气体等流体介质的任选方法。
温度加强可以视为热加强、化学加强或两者兼而有之。在也称为"热加强"的第一种配置(a)中，额外的旋转加热器装置(在图2B、2C和2D中称为100B)设置在"主"旋转加热器装置(在图2B、2C和2D中称为100A)的下游。在本公开中，装置100A、100B通常视为旋转加热器单元100。因此，加热流体介质的生成可以通过提供至少两个顺序连接的旋转装置100A、100B来实现，其中流体介质流(参考进料流1)在序列中至少第一旋转装置(100A)(此处称为主加热器)中加热到预定温度，并且其中，通过将额外量的热能输入到在第一旋转装置100A中"预热"并通过第二旋转装置100B传播的流体介质流(参考流3)中，所述流体介质流(参考流2)在序列中至少第二旋转装置(100B)中进一步加热。因此，装置100B称为加强加热器。装置100A和100B可以是相同的，也可以在尺寸或内部设计方面有所不同。两个或更多个加强装置(例如100B)的序列可以设置在主加热器100A之后。加强装置可以并联或串联设置，也可以以允许优化其旋转速度和空气动力学的任意组合设置。
在第二种(额外或替代的)配置(也称为"化学加强")中，以103表示的额外的加热装置(图1、2B)适于将反应性成分5(例如，易燃燃料)接收到通过其中传播的流体介质流中以便在将所述流体介质流引向制氢的耗热过程101前，通过放热反应提供热量。在这种配置中，可以通过将一种或多种反应性化学品5引入(例如通过注入)到引导通过额外的加热器单元/加热装置103的流体介质流中，实现温度加强。值得注意的是，图2B中的流5与图1所示的流8相对应。
基于反应性化学品的加强加热器单元103可以位于热加强加热器单元100、100B(图2B)之后或直接位于主加热器100、100A(图1)之后。反应性化学品(反应物)5可以包括燃烧气体，例如氢气、烃、氨气、氧气、空气、其他气体和/或任何其他适当的反应性化合物，任选地包括催化剂。在单元103中，借助于放热反应，可以将流体流加热到不涉及化学介导加热的单一旋转装置通常无法实现的水平(参考流4)。例如，可以将燃料气体(例如氢气)引入含氧过程气体(例如空气)中。在升高的温度下，氢气和氧气发生放热反应，产生水分子(氢气燃烧)。
可以通过燃烧器将燃料气以及空气(或富氧)一起注入加强加热器单元103中，以提高气体的温度。如果加热的气体含有易燃气体，并且可能消耗这些气体进行加热，则只能添加空气/或氧气。过程气体可能含有H2、NH3、CO、燃料气(甲烷、丙烷等)，这些气体可以燃烧生成热量。如果可行，还可以注入其他反应性气体来生成热量。
适应于化学加强的另外的加热器103可以配置为发生放热反应的一根管子或腔室，和/或它可以包括至少一个旋转装置100，该旋转装置100设置为接收反应性化合物，以提供放热反应来产生额外的热能。因此，加强工段103可以包括至少一个旋转装置100。可以任选地将反应性化学品直接注入耗热过程101(未示出)中。额外地或替代地，也可以在相应修改的单个装置100、103中实施反应性化学品介导的加强。
在涉及加强加热的布置中，在第一旋转装置(100A)中预热至预定温度的流体介质流的温度可以在后续的加热器单元(100B、103)中进一步升高至最大限度。例如，在主加热器(100A)中预热至约1700℃的流体介质流的温度可以在后续的加热器单元(100B、103)中进一步升高至高达2500℃或更高。
上述构思可以单独或组合使用，使得反应性化学品5可以被引入并联或串联(成序列)连接的装置100中的任何一个中。提供加强加热器是任选的。
在额外或替代的配置中，预热和另外的加热可以在同一装置100(未示出)中实施。这可以通过多阶段配置来实现，其包括若干转子单元(例如，在转子轴上/沿转子轴顺序布置的1-5个转子叶片排)，与共同的扩散器区域(无翼片或有翼片)交替设置。
额外地或替代地，例如，加强加热可以用于这样的情况，即在旋转装置100中加热的流体将其热量传递到耗热过程101后，其温度需要再次提高。图2E显示了包括与耗热单元101交替的若干旋转加热器装置100(100A、100B和/或任选的103)的示例性配置。这种配置可以用于例如一系列连续的催化吸热反应器，其中温度在反应器中递降并且需要在反应器之间再次升高(见图5A的描述)。
将至少两个旋转装置(例如100A、100B，以及任选的103(在103作为旋转装置100实施的情况下))并联或串联后，可以建立旋转装置组件(例如，参见图2B-2D)。作为“主”加热器100A或“加强”加热器100B、103实施的旋转装置100之间的连接可以是机械性和/或功能性的。功能性连接(例如，就可实现的热输入而言)可以在至少两个独立的、物理上集成或非集成的独立装置单元之间关联后建立。在后一种情况下，至少两个旋转装置之间的关联可以经由许多辅助设备(未示出)来建立。在一些配置中，组件包括至少两个装置，例如，所述至少两个装置连接成互为镜像，据此所述至少两个装置至少在功能上经由其中心(转子)轴连接。这种镜像配置可以还定义为具有至少两个以机械方式串联(成序列)连接的旋转装置100，而功能连接可以视为并联(成阵列)。在一些情况下，上述“镜像”设置可以进一步修改为包括至少两个入口和共同的排气(排放)模块，该模块基本上放置于该设置的中心。
可以将旋转装置(100A、100B、103，参考图2B)组装在同一(转子)轴上。每个旋转装置都可以任选地提供有单独的驱动器(电机)，从而实现装置的独立优化。当使用两个或更多个独立的旋转装置时，可以根据运行温度和压力优化构建成本(材料等)。
额外地或替代地，组件中的至少一个旋转装置被设计成可以增加流体流的压力。因此，组件中的至少一个旋转装置可以具有加热器和鼓风机的组合功能。
额外地或替代地，可以将含有反应性气体或惰性气体的流送入旋转装置100(未示出)或送入所述装置下游的任何设备(例如，送入耗热过程工段101)。因此，如果耗热过程单元101被配置为耗热单元，例如反应器，则反应性气体也可以被直接注入耗热过程单元101。在若干应用中，辅助燃料可以直接注入过程单元101，以生成热量和/或参与反应。
图2C展示了在间接过程加热时使用旋转加热器装置100A，任选地使用100B。旋转装置100(100A、100B)可以用于间接加热耗热单元101中的流体，其中热量在两种非混合流体之间传递，就像在热交换器型配置中一样。因此，气体或液体等流体可以在可行的热交换器设置101中相对于旋转装置100中加热的流体而被蒸发(气化)或过热。为适应耗热过程而配置的耗热装置101可以用任何(现有的)燃烧加热器、反应器或熔炉或任何常规的热交换器设备来代表。可以根据最佳热传递的需要选择所述“热交换器”配置(101)的类型。可以选择加热气体(参见流1-3)，以最适合加热和安全(例如：蒸汽、N2、空气)。在旋转装置100A、100B中加热的气体可以接近大气压，或可以提高压力以改善热传递。在装置100中加热的热传递介质3(参见离开100B的流3)被引向耗热过程101，在那里，热量从流3传递到“冷”过程流6，从而产生“热”过程流7。流4分别表示(惰性)热传递介质流出物。在单元101是甲烷至氢转化单元的情况下，分别地，流6将指定为含甲烷进料流并且流7将指定为含氢产品流。
因此，图2C的过程流6和7分别对应于图1的流9和10(间接加热配置)；而图2C的热传递介质流3和4分别对应于流3(任选的4)和5(间接加热配置)。
图2F示出了用旋转装置100间接加热过程流体的另一示例性配置布局。耗热单元101被设置为用作热交换器，其被设计为通过从旋转装置100供应的加热介质(热传递介质)流将过程流流入物加热至预定温度。图2F的配置可以应用于在制氢设施内的热交换器101中加热气态介质，例如氢气(气体)和/或含氢气流。可以应用相同的布局来升高流过热交换器设备的任何其他过程流的温度。
尽管可以在旋转装置100中通过简单地使用蒸汽作为加热流体(未示出)来实现气态介质(例如氢气)的加热，但是在氢流的压力升高至例如高于10bar的情况下或者当氢流的温度变得极高，例如高达高于1000℃时，应用图2F所示的间接加热构思是有益的。将旋转装置设计成在高压和/或高温下操作增加其材料需求并且可以使其技术方案复杂化，这再次增加了装置的总成本。然而，设计用于惰性气体(例如空气、氮气、二氧化碳或蒸汽)的低压加热的装置并使用加热的气体来加热过程单元101中的氢气或其他过程流(在热交换器配置中)可以导致加热系统的总体成本较低。
在图2F中，旋转装置100用于在低压下(例如，在低于10bar的压力下)加热非工作流体(例如惰性流体)，例如空气、(水)蒸汽、二氧化碳或氮气(N2)。这种非工作流体还被称为“热传递介质”。分别地，进入装置100的流入物流4(热传递介质，冷)的温度为约200-1100℃；并且离开100的流出物流3(热传递介质，热)的温度为约800-1200℃。相应地，进入耗热单元101的“冷”过程流体6(例如，氢气)的温度为约20-500℃，而离开101的“热”过程流体流出物7的温度为约700-1000℃。为了实现从热传递流体到过程蒸汽的热传递，从旋转装置100排出的加热流体的温度必须高于加热的过程流体(例如氢气)的目标温度。
从旋转装置100排出的“热”流体3被引导至耗热单元101中，其在图2F的布局中作为热交换器提供，该热交换器实现将热能从热传递介质(在100中加热的惰性流体)通过热传递表面传递至过程流体，例如氢气流，从而加热氢气流。随着热传递介质将热量传递给过程流，它就会冷却。冷却的热传递介质4可以被重新引入旋转加热器装置100中以提高系统的热效率。
选择热交换器101的材料以承受高温氢气气氛和/或高压；然而，对于像热交换器这样的固定设备，这仍然是比旋转装置100更具成本效益的选择。
使用旋转装置100实现优化热交换器配置(在此由耗热单元101表示)的温差，由此可以最小化单元101(被配置为热交换器、反应器、熔炉、加热器等)的大小以及由于表面温度过高而在其表面上可能发生的不良反应(结垢、结焦)。高表面温度可能导致过程加热器过度结垢。例如，间接加热可以用于代替与制氢相关的各种应用中的过程加热器。
图2D示出了旋转加热器装置100A，以及预热器102和从耗热过程(未示出)回收的再循环过程流体(流4)。预热器可以是电动、燃烧、内燃机、燃气轮机等，也可以是热交换器，用于从过程中的任何高温流中回收多余的热量。提供预热器102是任选的。该构思可以还包括装置100A下游的任选的加强加热器100B。流1’表示送入预热器102的(进料)流体。所述流体进一步通过旋转装置传播100A、100B，其中进料被加热并以流3送入耗热过程。
旋转装置100A、100B中的任何一个可以配备有流体再循环布置(见流4，图2D)。可以设想流体再循环布置和旋转装置的任何组合。通过由至少一个旋转装置使流体介质流回流，使得再循环成为可能。
在一些配置中，旋转装置100可以利用从常规燃烧加热器排出的具有低氧含量的烟道气。在这种情况下，从燃烧加热器排出的热烟道气与再循环气体(流4，图2D)混合以用于在旋转加热器100、100A中进行加热。在所述情况下使用的烟道气中的氧含量优选低于可燃极限以提供安全加热。
根据该方面的方法完全或部分适用于与制氢相关的各种耗热过程101，如将在本文下文基于若干非限制性实例所阐明的。
参考图3，其示意性地示出了将旋转装置100集成到通过甲烷热解直接转化甲烷的过程中，由此产生氢气和碳。该过程可以扩展到产生有价值的烃，例如燃料和/或化学品。除了附图标记9和10之外，构件的名称与图1中的相同。
在该过程中，进料1和/或再循环气流11(从净化单元105返回)在热回收104中经历(预)加热，随后在预热器102中经历(预)加热。替代地，流1、11首先在预热器102中加热，然后在热回收器104中加热。在通过热解直接转化甲烷的过程中，原料(例如天然气或沼气)通常被净化至该过程所需的程度(未示出)。如果进料是纯甲烷，则不需要净化(脱硫等)。
为了生产氢气和碳，甲烷在充当加热设备的至少一个旋转装置100中被加热(见流2，图3)至预定温度，该预定温度被调节至在下游甲烷转化过程101中可以实现相关转化率的水平。对于热转化过程，所述温度水平高于1000℃，优选为约1300℃至约1700℃。在催化过程中，温度取决于所选的催化剂：建议的温度值之一为约800℃，但是，一些催化剂已经在约500℃及更高的温度下操作。装置100中的预期停留时间较短，例如约1-20毫秒。短停留时间对于避免在加热器中(即在装置100中)形成焦炭是重要的。任选的另外的加热设备103可以布置在旋转装置100之后，通过将反应性化学品8注入设备103中或上游(见流3)来介导加热。额外地或替代地，可以利用如上文所述组装的在旋转配置中的若干旋转装置100A、100B，任选的103来实施温度加强。
加热至预定温度的甲烷(流4)继续进入耗热过程/单元101，其可以用串联或并联布置的几种不同类型的反应器设备(在本实施例中为101A和101B)来表示。反应器101A、101B中的任何一个或两者被配置成实施甲烷向氢的热转化/降解(甲烷热解)。在本实施例中，第一反应器100A是热反应器。反应器100A可以是例如旋风分离器类型，以允许通过速度和重力分离碳。可以利用其他反应器类型。在反应器101A中，流温度可能下降至约700-900℃的水平，从而分解反应的速率降低。后续反应器单元(例如101B)可以包括供应有适合于甲烷高温热解的催化剂的反应器和供应有适合于甲烷低温热解的不同类型的催化剂的反应器，以便最大化反应器中甲烷的转化率。
将在旋转装置中加热的流体(在此，甲烷气体)的温度和所述流体在装置中花费的停留时间调节至低于发生耗热过程(在此，热解)的阈值，以避免在流体作为流4进入耗热单元101(在此，被配置为用于甲烷热解的反应器)之前引发耗热过程。总体上，典型的多阶段配置的装置100被设计成以分阶段方式升高穿过其中的流体的温度。因此，可以调节通过装置100传播的流体流的流动，使得在装置的最后工作阶段达到阈值温度(在该温度下，在耗热单元101中发生耗热过程，例如在当前情况下的甲烷热解)——在流体穿过所述最后工作阶段的转子之后。如此，从旋转装置100排出的甲烷气体流出物(流4)的温度近似为甲烷热解的温度。该温度可以再次根据下游设备101中催化剂的存在/不存在而变化。所述布置还避免在旋转装置100内形成碳质沉积物。
流9表示从热反应器101A中去除的焦炭。催化反应器101B可能需要机械除焦的催化剂；因此，从反应器100B排出的流10除了含有松散的碳之外，还可以含有用于机械除焦的催化剂。
根据催化剂类型，从反应器单元101B排出的流5的温度可以为约500℃或更高。将包括氢气的产品流5引导至热回收单元104，其中热产品气体在净化单元105之前被冷却。净化单元可以例如由通过变压吸附(PSA)的氢分离单元组成，并且它可以还包括用于净化氢和用于再循环甲烷的另外的器件。因此，流7表示从净化单元105排出的产品气体(氢气)，并且流11表示再循环气体(例如甲烷，在一些情况下氢气)，其可以(再)用于加热旋转加热器100中的流体/气体(作为流13)。再循环气体11还可以在涉及直接加热作为过程流体的甲烷的过程中(再)用作反应物。因此，重要的是调节再循环气流11的组成(例如其中氢气和较重烃的量)以实现有利的转化率和选择性。
除了氢气之外，图3示意性描述的过程还能够产生其他有价值的化学品，包括但不限于乙烷、乙烯、乙炔和苯。所述化合物的产生可以通过例如在高温下，优选在高于1500℃的温度下热解从天然气或沼气获得的甲烷来实现，由此需要非常短的停留时间以最小化碳产生。如上所述，可以使用任何其他合适的含烃原料。热解和/或催化热解在一个或多个反应器101A、101B中进行，同时加热至所需温度可以在旋转装置100中进行(在103中任选地加强加热)。
为了避免损失对有价值的烃的选择性和碳的形成，需要在反应器101A之后立即猝灭以停止反应。可以仅使用一个反应器101A，以最小化其中的停留时间并优化选择性。在热解时，在反应器101A之后可以立即布置猝灭单元以停止反应，从而避免损失对有价值的烃的选择性和碳形成。图3中未示出猝灭单元；然而，这种猝灭单元是热回收104的常规部分并且通常其由高压蒸汽发生器组成或涉及冷却介质的直接注入。在使用催化剂的情况下，反应器101(101A、101B)中的温度可以较低并且可以不需要猝灭。在产生烃的过程中通常需要提供猝灭单元；然而，在制氢中它可以被省略。
值得注意的是，图3中描述的两个过程(制氢和制其他烃/化学品)均支持气体(例如甲烷和一部分氢气)的再循环。在制氢时，再循环气体通常是甲烷，而在适合于制烃的方法中，再循环气体是氢气和甲烷的混合物。
空气或纯氧(8)可以任选地注入离开旋转加热器装置100的流3中，以提高热解反应器101(101A)之前的甲烷气体的温度。在一些情况下，氢气产物的一部分可以在单独的腔室(未示出)中与氧气一起燃烧，并且由此形成的热蒸汽可以与进入反应器101(101A)的流混合。替代地，可以仅将氧气8注入引导至反应器101的热甲烷气体中。后一个过程将产生(水)蒸汽和碳氧化物(CO和CO2)。然而，这可能给净化工段105带来另外的负担以从产物气体6中去除CO/CO2。在所述的涉及在100与101之间注入空气/氧气的程序中，离开旋转装置100的流3可以直接传播至制氢101；因此，提供加强加热器103可以是任选的。
图4A-4C示意性地示出了将旋转装置100集成到经由蒸汽甲烷重整(SMR)过程的制氢过程中。相同的过程可以用于生产合成气。
在传统的蒸汽甲烷重整中，甲烷与蒸汽一起通过位于由燃烧加热器外部加热的重整管中的催化剂床。本公开教导了旋转装置可以代替催化和非催化SMR过程中的燃料燃烧加热器。
本公开描述了将旋转装置100集成到蒸汽甲烷重整过程中的至少两种不同的方式。
在实施方案中，旋转装置用作(直接)加热器，其将通过该装置传播的甲烷-蒸汽混合物或天然气-蒸汽混合物的温度升高至发生重整反应所需的水平。在催化重整反应在约800-900℃下发生的情况下，旋转装置100需要将甲烷-蒸汽混合物加热至高于约1000℃的温度，因为随着反应的进行，吸热重整反应降低了催化床中混合物的温度。非催化重整反应在约1100℃下发生，在这种情况下，旋转装置100需要将甲烷-蒸汽混合物加热至高于约1300℃的温度。
因此，图4A示出了旋转装置作为蒸汽甲烷重整中的直接加热器的应用。图4A的设施布局适用于催化和非催化SMR中的任何一种。
可以利用例如图2A、2B所示的布置。附图标记101表示耗热单元/实用设施，在该实施方案中，其被配置为被配置成进行甲烷的蒸汽重整以产生氢气和碳氧化物的反应器。在一些情况下，反应器101被配置为催化重整反应器。
直接加热涉及使任选预热的含有进料的过程流体(例如甲烷与蒸汽或天然气与蒸汽的混合物)通过旋转装置传播100，其中所述混合物被加热至预定温度。预热器102未示出。预热且脱硫的进料(例如天然气(NG))在至少一个装置100中经历加热，并且其进一步被引导至由SMR反应器表示的过程单元101中。在一些配置中，装置100可以充当预重整器，其被配置成用蒸汽预重整天然气(见“高压蒸汽”流，图4A)，由此长链烃被分解成甲烷和合成气。可以在此阶段从过程中收回合成气(未显示)。替代地，预重整器可以布置在单元101内。
SMR反应器(单元101)可以是适合于实施重整反应的任何常规反应器。该反应器可以被设计用于催化或非催化蒸汽甲烷重整过程。示例性SMR反应器可以是填充床反应器。甲烷和蒸汽的混合物在装置100中被加热至高达约1000℃(该温度可以根据催化剂的存在/不存在而变化)并且被进一步引导至SMR反应器101中，其中发生重整反应(根据式1a)。因此，旋转装置100代替通常围绕重整管(101)的燃料燃烧加热器。高温水煤气变换(WGS)单元/反应器可以被布置在主SMR反应器的下游，以增加氢产量(式1b)。将从SMR反应器101或从水煤气变换反应器排出的产品流进行热回收104和净化105。热回收可以涉及水的冷却和冷凝并且包括冷却器/水冷凝器设备。净化可以通过变压吸附(PSA)或任何其他合适的方法来实现。可以将净化的氢气从单元105送去利用/储存(参见“氢产品”流)和再循环(参见“氢再循环”流)。未转化的甲烷也可以从单元105送至再循环(参见“甲烷再循环”流)。
在一些情况下，为了使重整反应完成和/或达到期望的反应程度，使用另外的“旋转装置100-SMR反应器101”序列可能是有益的(参见图4A上的虚线框)。此类序列中的SMR反应器可以是催化剂床反应器101。同样对于非催化重整，100和101的几个序列可能是有益的，以优化反应进行至完成所需的停留时间。例如但不限于，一(1)至十(10)个这种序列可以依次布置在设施1000内。
考虑到两个主要反应SMR(式1a)和WGS(式1b)，假定反应器101运行至平衡条件的模拟给出了所需序列数量的估计。模拟考虑的压力为20bar，并且蒸汽与甲烷的比例为3:1。系统进料温度为370℃，在此温度下进行脱硫(见图4A)。
对于涉及100-101布置序列的催化重整，在旋转装置100中将进料加热至1000℃(反应器入口温度)导致在反应器101的出口处(其中温度将降至约650℃)的甲烷转化率为约37％。使用三个(i-iii)连续序列100-101(图5A)，其中每个反应器101的入口被加热至1000℃，导致甲烷转化率为78％，这在测试压力水平下是更常规的。
图5A示意性地示出了旋转装置100与催化气相反应器101的交替序列(i-iii)。旋转装置100用作气态进料和其他反应物的直接加热器。因此，气态进料被加热至最大允许温度(通常由催化剂耐温性和不期望的副反应的速率设定)并送入根据图5A的第一催化反应器101中。因此，反应物在进入反应器101之前被加热。在101中，使反应发生，随后绝热温度降低，之后在下一个旋转装置100中将待送入下一个反应器101的流出物重新加热，以免不能实现期望的转化率。
对于涉及100-101布置序列的非催化重整，反应器入口温度为1300℃时可以产生59％的最大的甲烷转化率，此时温度将降至约745℃。添加第二序列可以将转化率提高至95％。通过使用连续的旋转装置-反应器(100-101)序列以及通过在下一个加热阶段之前调节反应所允许的温度和/或停留时间，可以优化该过程。虽然加热所需的总功率由吸热反应的反应热和反应程度/转化率决定，但可以调节序列数量和温度水平以优化过程产量和成本。
在一些情况下，两个过程(在100中的加热和在101中的反应)的组合可以在单个单元中实现，其中加热和反应在同一设备中进行。这种布置在非催化SMR中特别有益(图4B)。
图4B更详细地显示了专门为非催化SMR设计的示例性设施布局。在非催化SMR设施中，旋转加热器100和SMR反应器101可以在单件设备中组合。在包括组合加热器(进料预处理器)和反应器功能的至少一个旋转装置100的配置中，可以省略提供预热器102。组合解决方案100-101利用较低的压力，这提高了反应产率。此外，图4B的布局实现将脱硫步骤转移至重整器101的下游，因为不存在催化剂中毒。进料中硫的存在可以进一步减少焦化。
在另一个实施方案中，例如，旋转装置100是被配置成加热任何合适的气体(热传递介质)的间接加热器，此后在100中加热的所述热气体被送入制氢过程/单元191中，例如进入重整熔炉中。旋转装置100中产生的热气体进入熔炉的内部空间并将重整器管加热至必要的反应温度。以这种方式，装置100可以代替熔炉中的燃料燃烧外部燃烧器。从某种意义上，这种布置是有益的，因为可以利用大部分现有基础设施。
图4C示出了旋转装置作为蒸汽甲烷重整中的间接加热器的应用。旋转装置代替重整器熔炉101中的燃烧加热器。图4C的布局可以利用例如图2C、2D和/或2F所示的布置。
图4A、4B(直接加热)和图4C(间接加热)所示布局的主要区别在于在图4A和4B的布局中，旋转装置用于(直接)加热含有进料的过程流体(例如甲烷-蒸汽混合物)，加热的流体由此被引导至蒸汽重整器101中，然而在图4C的布局中，旋转装置100被配置成加热除了进料/过程流体之外的流体介质(为了清楚起见，其可以被称为热传递介质)。根据图4C可以观察到任何合适的气体(例如补充气体、空气、氮气或蒸汽)可以用作待在装置100中加热的热传递介质。热传递介质还被引导至耗热单元101，例如重整炉，以从外部加热重整炉管。重整反应所需的含甲烷进料和任选的蒸汽从别处供应到重整器101中(从而绕过旋转装置100)。因此，在重整器101中进行吸热重整反应所需的热量通过在旋转装置100中生成的加热的流体介质(空气、氮气、蒸汽等)与绕过旋转装置100的过程流(甲烷、蒸汽)之间的热传递过程供应至重整器101中。
例如，如图2D所示，可以在间接加热布置中实施热传递介质的再循环。由于所述热传递介质与过程流体(甲烷、蒸汽)之间的热传递而在单元101中(在此，在重整炉中)冷却的热传递介质可以被送至用于再加热(如图2D所示的流9)。通过这种方式，可以最小化热损失。因此，氢气产品和未反应的甲烷还可以被再循环(图4C未示出甲烷的再循环)。
图5B是显示用旋转装置100改造现有重整炉101的简化布局，其中装置100代替燃烧加热。图5B示意性地示出了包括至少一个反应器或熔炉101以及至少一个旋转装置100的布置，该至少一个反应器或熔炉101被配置成在基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度下进行与制氢相关的一个或多个过程；该至少一个旋转装置100被配置成生成加热的流体介质用于将热能输入至所述至少一个反应器或熔炉中。
在图5B的布局中，至少一个旋转装置100用于代替熔炉/反应器101外部的燃料燃烧辐射加热器燃烧器。旋转装置100用作间接加热器来加热惰性气体，例如蒸汽、空气或氮气，其被进一步送至熔炉101的耐火空间中，类似于燃烧加热器中的燃料。来自旋转装置的热气体将为熔炉内的催化反应器管提供加热。由装置100加热的惰性气体在此充当通过熔炉101内部的管/盘管传播的过程流体的加热介质/热传递介质。过程流体可以是气体(例如甲烷气体)、液体或气液混合物。
在图5B的配置中，从熔炉排出的烟道气(例如N2、CO2、H2O、NOx、SOx、颗粒物质)可以进一步用作旋转装置的输入流以进行再加热(见烟道气再循环线，图5B)。
此处旋转装置100的另外优点是其用作鼓风机，为流体循环提供必要的压力增加。因此，这种布局消除了对单独鼓风机的需要(典型的传统燃烧熔炉)。
使用旋转装置作为再循环加热器可以实现烟道气的最佳热回收，并确保热损失最小化。在该实施方案中，还避免了有害的环境排放，例如二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和颗粒排放。
在旋转装置100中循环惰性气体(例如蒸汽或氮气)是有利的，特别是在待加热流体处于高压和/或其易燃的情况下。这将为熔炉内提供惰性气氛，以提高过程安全性。
总体上，图5A和图5B提供了将旋转装置100与适合于吸热反应的催化反应器集成的概述。为高温吸热催化反应提供热量的燃烧加热器和熔炉占制氢工业所有排放的绝大多数，例如通过(催化)甲烷蒸汽重整产生的排放。旋转装置100可以用于通过加热催化反应器101的进料并将热进料引入具有上升温度分布的催化床来为此类催化反应提供热能。为了维持反应速率并使反应完成，旋转装置可以充当所述催化床之间的再加热器(见图2E、5A)。
图5A和5B示出了将旋转装置100集成到将反应热供应至吸热固体催化反应过程的最常见路径中，如下所示：1)将含有催化剂的管暴露于外部加热，以通过反应器管将热量连续引入催化剂床和沿催化剂床的长度的反应物(图5B，间接加热)；以及2)在反应物进入反应器之前将其加热至高温，使反应发生并随后绝热温度降低，然后对用于下一个反应器的反应物进行重新加热以防无法达到期望的转化率(图5A，直接加热)。图5B的构思适用于改造现有的熔炉。对于新的“绿化”设备，可以应用在旋转装置中直接加热气体(图5A)。图5A的布局可以集成到催化汽油重整过程中(通常在炼油厂的半再生催化重整单元中进行)。如上所述，可以通过代替燃烧加热器来直接应用旋转装置100。
本领域技术人员应清楚，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以各种方式实施和组合。因此，本发明及其实施方案不限于上文描述的实例，相反，它们通常可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (47)

1.一种用于将热能输入至制氢设施中与制氢相关的一个或多个过程中的方法，所述方法包括通过集成到所述制氢设施中的至少一个旋转装置生成加热的流体介质，所述至少一个旋转装置包括：
壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口，
转子，其包括布置在安装在转子轴上的转子毂的圆周上的至少一排转子叶片，以及
多个固定翼片，其被布置成至少在所述至少一排转子叶片上游的组件，
所述方法还包括：
-将所述至少一个旋转装置集成到所述制氢设施中，所述制氢设施被配置成在基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度下进行与制氢相关的一个或多个过程，
-将一定量的输入能量传导至集成到所述制氢设施中的至少一个旋转装置中，所述输入能量包括电能，以及
-操作集成到所述制氢设施中的至少一个旋转装置，使得借助于当沿着在所述壳体内在所述入口与所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别穿过所述固定翼片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。
2.根据权利要求1所述的方法，包括在所述制氢设施中，将所述至少一个旋转装置连接至被配置成由含烃气体制氢的至少一个反应器或熔炉。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述至少一个反应器或熔炉被配置成进行热和/或催化过程以从所述含烃气体生成氢。
4.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述制氢设施是甲烷热解设备或蒸汽甲烷重整(SMR)设备。
5.根据任何前述权利要求所述的方法，包括通过至少一个旋转装置生成加热至基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度，优选地，加热至基本上等于或高于约1200℃的温度，还优选地，加热至基本上等于或高于约1700℃的温度的流体介质。
6.根据任何前述权利要求所述的方法，包括调节通过所述旋转装置传播的流体介质流的速度和/或压力以产生生成所述加热的流体介质流的条件。
7.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述加热的流体介质由至少一个旋转装置生成，所述旋转装置包括沿着所述转子轴顺序布置的两排或更多排转子叶片。
8.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述加热的流体介质由至少一个旋转装置生成，所述旋转装置还包括布置在所述至少一排转子叶片下游的扩散器区域，所述方法包括操作集成到所述制氢设施中的所述至少一个旋转装置，使得借助于当沿着在所述壳体内在所述入口与所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别依次穿过所述固定翼片、所述转子叶片和所述扩散器区域时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。
9.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，在所述旋转装置中，所述扩散器区域被配置成具有或不具有固定扩散器翼片。
10.根据任何前述权利要求所述的方法，其中通过调节传导至集成到所述制氢设施中的至少一个旋转装置中的输入能量的量来控制添加至通过所述旋转装置传播的流体介质流的热能的量。
11.根据任何前述权利要求所述的方法，还包括在所述至少一个旋转装置的下游布置另外的加热装置，并且将一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入通过所述另外的加热装置传播的流体介质流中，由此通过放热反应将一定量的热能添加至所述流体介质流中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入预热至预定温度的流体介质流中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述一种反应性化合物或多种反应性化合物的混合物引入预热至基本上等于或高于约1700℃的温度的流体介质流中。
14.根据前述权利要求11-13中任一项所述的方法，其中在所述旋转装置中实施将所述流体介质流预热至所述预定温度。
15.根据任何前述权利要求所述的方法，包括通过集成到所述制氢设施中的至少两个旋转装置生成所述加热的流体介质，其中所述至少两个旋转装置并联或串联连接。
16.根据权利要求15所述的方法，包括通过至少两个顺序连接的旋转装置生成所述加热的流体介质，其中所述流体介质流在序列中的至少第一旋转装置中被预热至预定温度，并且其中通过将另外量的热能输入至通过第二旋转装置传播的预热的流体介质流中，所述流体介质流在序列中的至少第二旋转装置中被进一步加热。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在序列中的至少第一旋转装置中，所述流体介质流被预热至基本上等于或高于约1700℃的温度。
18.根据权利要求16或17中任一项所述的方法，其中借助于将所述反应性化合物或化合物的混合物引入通过所述序列中的至少第二旋转装置传播的流体介质流中，将所述另外量的热能添加至所述流中。
19.根据任何前述权利要求所述的方法，包括将所述反应性化合物或化合物的混合物引入与制氢相关的一个或多个过程中。
20.根据任何前述权利要求所述的方法，其中由所述至少一个旋转装置生成的所述加热的流体介质选自由进料气体、再循环气体、补充气体和过程流体组成的组。
21.根据任何前述权利要求所述的方法，其中进入所述旋转装置的所述流体介质基本上是气态介质。
22.根据任何前述权利要求所述的方法，包括在所述旋转装置中生成所述加热的流体介质。
23.根据权利要求22所述的方法，其中在所述旋转装置中生成的所述加热的流体介质是含烃气体。
24.根据权利要求23所述的方法，其中在所述旋转装置中加热的所述含烃气体包括甲烷、天然气或其混合物，或由它们组成。
25.根据权利要求22所述的方法，其中在所述旋转装置中生成的所述加热的流体介质包括除了所述含烃气体之外的气态介质，如空气、蒸汽(H2O)、氮气(N2)或其任何组合，或由它们组成。
26.根据权利要求22所述的方法，其中在所述旋转装置中生成的所述加热的流体介质包括从在制氢焚烧设施中进行制氢过程期间生成的废气回收的再循环气体，或由其组成。
27.根据任何前述权利要求所述的方法，还包括通过在所述旋转装置中生成的所述加热的流体介质与绕过所述旋转装置的流体介质流之间的热传递过程，在所述旋转装置外部生成所述加热的流体介质。
28.根据权利要求27所述的方法，包括通过在所述旋转装置中生成的除了含烃气体之外的加热的流体介质与作为所述含烃气体提供并绕过所述旋转装置的流体介质流之间的热传递过程，在所述旋转装置外部生成作为所述含烃气体提供的加热的流体介质。
29.根据任何前述权利要求所述的方法，还包括增加通过所述旋转装置传播的流体介质流中的压力。
30.根据任何前述权利要求所述的方法，其中作为所述输入能量传导至集成在所述制氢设施中的至少一个旋转装置中的电能的量为约5％至100％。
31.根据任何前述权利要求所述的方法，其中作为所述输入能量传导至集成在所述制氢设施中的至少一个旋转装置中的电能的量可获得自可再生能源或不同能源的组合，任选地，可再生能源的组合。
32.根据任何前述权利要求所述的方法，其中借助于与至少一个非电能可操作的加热器设备一起集成到所述制氢设施中，利用所述至少一个旋转装置来平衡电能的量的变化，例如供应过剩和短缺，所述电能任选地为可再生电能。
33.一种制氢设施，其包括至少一个反应器或熔炉和至少一个旋转装置，所述至少一个反应器或熔炉被配置成在基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度下从含烃气体制氢，所述至少一个旋转装置被配置成生成加热的流体介质，以将热能输入至所述至少一个反应器或熔炉中，所述至少一个旋转装置包括：
壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口，
转子，其包括布置在安装在转子轴上的转子毂的圆周上的至少一排转子叶片，以及
多个固定翼片，其被布置成至少在所述至少一排转子叶片上游的组件，
其中所述至少一个旋转装置被配置成接收一定量的输入能量，所述输入能量包括电能，以及
其中所述至少一个旋转装置还被配置成进行操作，使得借助于当沿着在所述壳体内在所述入口与所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别穿过所述固定翼片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流。
34.根据权利要求33所述的制氢设施，其中所述至少一个旋转装置包括沿所述转子轴顺序布置的两排或更多排转子叶片。
35.根据权利要求33所述的制氢设施，其中所述至少一个旋转装置还包括布置在所述至少一排转子叶片下游的扩散器区域。
36.根据权利要求33所述的制氢设施，其中所述旋转装置包括被配置成具有或不具有固定扩散器翼片的扩散器区域。
37.根据权利要求33所述的制氢设施，其中所述至少一个旋转装置还被配置成增加通过其中传播的流体流中的压力。
38.根据前述权利要求33-37中任一项所述的制氢设施，其中至少两个旋转装置被布置成组件并且并联或串联连接。
39.根据前述权利要求33-38中任一项所述的制氢设施，其被配置为甲烷热解设备或蒸汽甲烷重整(SMR)设备。
40.一种制氢设施，其被配置成通过权利要求1-32中任一项所限定的方法实施与制氢相关的一个或多个过程。
41.根据权利要求33-38中任一项所述的制氢设施用于实施与制氢和/或合成气体相关的过程中的用途，任选地，所述过程通过蒸汽-甲烷重整过程进行。
42.根据权利要求33-38中任一项所述的制氢设施用于实施与将甲烷转化成氢、燃料和/或化学品相关的过程中的用途。
43.根据权利要求1-32中任一项所述的方法在被配置用于与制氢和/或合成气体相关的过程的耗热设施中和/或与制氢和/或合成气体相关的过程中的用途，任选地，所述过程通过蒸汽-甲烷重整过程进行。
44.根据权利要求1-32中任一项所述的方法在被配置用于与将甲烷转化成氢、燃料和/或化学品相关的过程的耗热设施中和/或与将甲烷转化成氢、燃料和/或化学品相关的过程中的用途。
45.根据权利要求1-32中任一项所述的方法用于提高制氢设施的能量效率和/或用于减少所述制氢设施中的温室气体和颗粒排放的用途。
46.一种用于制氢的方法，包括根据权利要求1-32中任一项限定的方法，将热能输入至在制氢设施中与制氢相关的一个或多个过程中。
47.一种用于制氢的方法，所述方法包括通过集成到制氢设施中的至少一个旋转装置生成加热的流体介质，所述至少一个旋转装置包括：
壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口，
转子，其包括布置在安装在转子轴上的转子毂的圆周上的至少一排转子叶片，以及
多个固定翼片，其被布置成至少在所述至少一排转子叶片上游的组件，其中
借助于当沿着在所述壳体内在所述入口与所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流分别穿过所述固定翼片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予所述流体介质流，由此生成加热的流体介质流，所述方法还包括：
-将一定量的输入能量传导至集成到所述制氢设施中的至少一个旋转装置中，所述输入能量包括电能，
-将由所述至少一个旋转装置生成的加热的流体介质流供应至所述制氢设施中，以及
-操作所述至少一个旋转装置和所述制氢设施以在基本上等于或高于约500摄氏度(℃)的温度下进行制氢。
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