JP2023546142A - コークスの電気加熱を伴う積層型流動床を用いたメタン熱分解法 - Google Patents

コークスの電気加熱を伴う積層型流動床を用いたメタン熱分解法 Download PDF

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Abstract

炭素酸化物の生成を低減または最小化しながら、熱分解によって、メタンおよび／または他の炭化水素を水素に転換するためのシステムおよび方法が提供される。熱分解環境の加熱は、第１ステージ内の電気加熱を用いて少なくとも部分的に実施され得、コークス粒子は、所望の熱分解温度にまで加熱される。電気ヒーターの表面におけるコークスの生成を低減、最小化、または排除するために、電気加熱は、水素リッチの環境で実施され得る。加熱されたコークス粒子は、次いで、天然ガス原料などのメタン含有原料と接触させるため、第２ステージに移送される。構成に応じて、メタンの熱分解は、第１ステージおよび第２ステージの両方で起こる可能性がある。いくつかの態様において、第１ステージにおける水素リッチの環境は、部分的に転換された流出物を第２ステージから第１ステージに通すことによって形成される。このような態様において、第２ステージからの部分的に転換された流出物は、６０体積％以上、７０体積％以上、または８０体積％以上、例えば最大９９体積％、場合によってはさらに高いＨ２含有量を有し得る。

Description

本発明は、ＣＯ２の生成を低減または最小化しながら、メタンを水素に転換するためのシステムおよび方法に関する。
炭化水素を消費してＣＯ２を発生させるプロセスは多種多様であるため、そのような技術を適用することは、炭素を回収または隔離する技術に関する課題の１つである。自動車のような小さな点源に炭素回収技術を適用することの困難性に加えて、さらに大きなＣＯ２源にも課題があり得る。例えば、製油所は単一のＣＯ２源と見なされるかもしれないが、現在の製油所の構成は、むしろ複数の小さな発生源に近いといえる。製油所内の様々な発生源から１つのＣＯ２隔離ユニットへとＣＯ２を流そうとする試みには困難が伴うため、炭素回収の規模の節約を達成することは困難であり得る。
複数の点源からＣＯ２を回収する試みの代替案として、まず中心部で炭化水素を水素に転換し、次いで水素を様々なシステムおよび／またはプロセスに分配して消費することが考えられる。製油所のセッティングでは、例えば、炭化水素（メタンなど）の水蒸気改質によってこれが達成され得る。これにより、単一のＣＯ２源ができる可能性がある一方で、大量のＣＯ２が発生するという根本的な課題は依然として残る。
水素を生成するために水蒸気改質を用いることの代替案は、メタンの熱分解（または、より一般的には炭化水素の熱分解）を用いることである。メタンは、熱分解中に水素と固体炭素とに転換されるため、水蒸気改質に伴う化学両論的なＣＯ２発生が回避される。
残念ながら、メタンの熱分解は、さらに様々な課題をもたらす。例えば、メタンの熱分解は、吸熱プロセスであることに加えて、水蒸気改質に必要な温度よりもはるかに高い温度を必要とする。このような温度を達成するために必要な熱を発生させることは、ＣＯ２の発生源となる可能性がある。また、加熱の必要性を軽減するためには、熱の回収および／または伝達を効率的に行うことも望ましい。他の難題は、望ましい反応速度をも維持しながら、反応器の反応ゾーン内の熱を管理することに関連し得る。
ＣＯ２の生成を低減または最小化しながら、メタン（または他の炭化水素）を水素に転換できるシステムおよび方法が必要とされている。好ましくは、システムおよび方法は、商業的に望ましい反応速度を維持しつつ、熱管理および熱回収を可能とすることができる。
米国特許第３，２８４，１６１号には、ガス状炭化水素流の触媒分解による水素の製造方法について記載されている。本方法は、２槽システムで実施される。第１槽では、ガス状炭化水素を高温で触媒に晒し、水素および炭素を生成し、炭素を触媒に堆積させる。生成物（および未反応の原料）から触媒を分離した後、触媒は再生器に送られ、そこで触媒上の炭素が燃焼される。燃焼中に発生した熱は、触媒の再循環によって、少なくとも部分的に、第１槽に戻される。触媒粒子をガス状原料と接触させる前に、触媒粒子は、反応ゾーンで発生した水素で剥離される。これは、反応ゾーンにおける炭素酸化物の発生を抑えるために有益であると説明されている。
米国特許第３，２８４，１６１号には、向流反応器におけるメタンの触媒分解のためのシステムおよび方法が記載されている。反応器は、反応器内に複数の接触ステージを供するための左右のプレート（side-to-side plates）を含むものとして記載されている。
米国特許第９，３５９，２００号には、メタンの熱分解のためのシステムおよび方法が記載されている。メタンは、流動床または移動床の環境のいずれかにおいて、十分な温度で炭素質粒子の向流に晒され、水素および炭素に熱分解される。また、このプロセスは、高炉環境で燃料として使用するのに適さないより小さなコークス粒子を、燃料として使用できる粒子に転換することにおいても有用であると記載されている。
「流動化法入門」と題する雑誌記事（Coccoら、２１～２９頁、CEP Magazine、２０１４年１１月号、American Institute of Chemical Engineers発行）には、流動床における粒子の最小流動化速度の計算方法についての詳細な例が提供されている。
いくつかの態様では、Ｈ２を生成するために炭化水素の熱分解を実施する方法が供される。本方法には、第１流動床ステージにおいて、第１流動床内の１つ以上の電気加熱要素を用いて、コークス粒子の第１流動床を１０００℃以上の温度にまで加熱することが含まれ得る。第１流動床におけるガス環境は、６０体積％以上のＨ２を含むことができる。さらに、本方法には、コークス粒子の少なくとも一部を、第１流動床から、コークス粒子を含む第２流動床ステージに流すことが含まれ得る。第２流動床ステージは、１０００℃以上の温度を有する第２流動床を含むことができる。本方法には、熱分解条件下で、第２流動床ステージにおいて、炭化水素含有原料とコークス粒子とを接触させ、Ｈ２を含む部分的に転換（または変換、convert）された流出物を生成することがさらに含まれ得る。さらに、本方法には、部分的に転換された流出物の少なくとも一部と、コークス粒子の第１流動床ステージとを接触させて、Ｈ２含有生成物を生成することが含まれ得る。
いくつかの態様では、炭化水素の熱分解を実施するためのシステムが供される。システムには、コークス粒子の第１流動床と、第１流動床内の１つ以上の電気加熱要素とを含む第１流動床ステージが含まれ得る。システムには、コークス粒子の第２流動床を含む第２流動床ステージがさらに含まれ得る。第２流動床ステージは、第１流動床ステージと流体連通および粒子輸送連通する（または粒子移送連通、in particle transport communication with）ことができる。システムには、第２流動床ステージにおける最初の上流流動床と、第１流動床ステージにおける最終の下流流動床との間を流体連通させる粒子リサイクルループがさらに含まれ得る。粒子リサイクルループには、空気圧輸送導管（または気流輸送導管、a pneumatic transport conduit）が含まれ得る。システムには、第２流動床ステージと流体連通する供給インレット（または供給口もしくは送入口、a feed inlet）がさらに含まれ得る。さらに、システムには、第１流動床ステージと流体連通する生成流出物アウトレット（または生成流出物出口もしくは生成物流出口、a product effluent outlet）が含まれ得る。
図１は、流動床の電気加熱を利用して炭化水素の熱分解を実施するための反応システムの一例を示すものである。 図２は、連続流動床（または逐次流動床、sequential fluidized beds）を用いて炭化水素の熱分解を実施するための反応システムの一例を示すものである。
本明細書の詳細な説明および特許請求の範囲内の全ての数値については、示された値が「約」または「およそ」で修飾されており、当業者によって予想される実験誤差および変動が考慮されている。
概要
様々な態様においては、炭素酸化物の生成を低減または最小化しつつ、熱分解によってメタンおよび／または他の炭化水素を水素に転換するためのシステムおよび方法が供される。熱分解環境の加熱は、少なくとも部分的には、第１ステージ内の電気加熱を用いて、所望の熱分解温度にまでコークス粒子を加熱することによって実施され得る。電気ヒーターの表面におけるコークスの形成を低減、最小化、または排除するために、この電気加熱は、水素リッチな環境で実施され得る。次いで、加熱されたコークス粒子は、天然ガス原料などのメタン含有原料と接触させるため、第２ステージに移送され得る。構成によっては、第１ステージおよび第２ステージの両方でメタンの熱分解が起こる可能性がある。いくつかの態様において、第１ステージにおける水素リッチな環境は、部分的に転換された流出物を第２ステージから第１ステージに通すことによって形成される。このような態様において、第２ステージからの部分的に転換された流出物は、６０体積％以上、７０体積％以上、または８０体積％以上、例えば最大９９体積％のＨ２含有量、場合によってはさらに高いＨ２含有量を有し得る。さらに、または代替的に、そのような態様において、部分的に転換された流出物は、４０体積％以下、３０体積％以下、または２０体積％以下、例えば最低１．０体積％のメタン含有量、場合によってはさらに低いメタン含有量を有し得る。
メタン（または炭化水素）を水素と固体炭素に転換するため、メタンの熱分解（または、より一般的には炭化水素の熱分解）を用いることの難題の１つは、熱分解環境内の二次反応を低減または最小化することである。一例として、流動床の設定において、メタンの熱分解に必要な熱を供する方法の１つには、メタンの熱分解によって生成した水素を燃焼させ、炭素から形成されるコークス粒子を加熱することがある。これにより、熱分解環境へのＣＯ２の添加が回避されるようにみえる一方で、水素を燃焼させると水が発生する。加熱されたコークス粒子を有する環境に水が存在すると、ＣＯ２を生成する二次反応が引き起こされる。このように、メタンの熱分解環境において水素を燃焼させても、直接的にＣＯ２が生成されるわけではないが、水素を燃焼させると、ＣＯ２の生成をもたらす二次反応を促進する生成物が生じる。
メタンを水素と固体炭素とに転換するための別の留意点は、結果として得られる所望の水素生成物のほとんどまたは全てを熱分解環境の燃料として消費することなく、メタンの熱分解を実施するために必要な熱を供することである。メタンの熱分解の化学両論に基づくと、メタン由来の炭素が首尾よく固体炭素に転換されれば、ＣＯ２は生成しない。炭素回収の観点からは、炭素生成物は固体であり、いずれの有用な方法で使用または廃棄できるため、これは好ましい結果である。しかしながら、ＣＯ２の生成は非常に発熱性が高く、メタンの燃焼から通常予想される発熱量の半分以上に相当する。結果として、メタンの熱分解で発生する水素の発熱量は、メタン原料の初期発熱量の約４５％に相当する。熱損失を考慮すると、熱分解のための所望の反応温度を維持するためだけに、生成された水素の大部分が必要となる可能性があるため、熱分解環境を加熱するための燃料としてメタン熱分解からの水素を用いる試みには、困難が伴い得る。
反応環境に熱を供するための水素の燃焼に代わる方法の１つは、別の種類の燃料を燃焼させることである。これは効果的であるものの、他の燃料から生成するＣＯ２のため、さらなる難題が生じる。炭素含有燃料をその場で燃焼させると、反応環境においてＣＯ２が生成される。この場合、熱分解反応器からの流出物のさらなる下流処理が必要となり得る。これは、反応環境を加熱するために必要な燃焼によって、熱分解による水素生成のＣＯ２削減効果が失われないようにするためである。反応環境を間接的に加熱することで、いずれのＣＯ２回収装置も、熱分解の流出物とは別の処理工程（または処理列、もしくは処理トレインprocessing train）の一部に組み込むことができるものの、間接的な加熱に伴う効率の低下により、さらに大量のＣＯ２を生成するリスクがある。
流動床環境で実施される熱分解の場合、流動床の電気加熱は、熱分解環境における二次反応を低減又は最小化しながら、メタンの熱分解に望ましい温度を達成および維持することに関連する難点の一部を軽減することができる。電気加熱は、流動床内に電気加熱要素（または電気加熱素子、電気加熱体もしくは電熱器、electric heating elements）を含むことにより、流動床環境内で実施され得る。流動床の性質により、加熱要素（または発熱素子もしくは加熱体、a heating element）と流動床との間の効率的な熱伝達が可能となる。１０００℃以上で作動する熱分解床へのコークス粒子の移送のため、少なくとも１つの流動床（Ｈ２リッチ環境下）を１０００℃以上の温度に加熱するために電気加熱が用いられ得る。一部の熱分解は１０００℃未満の温度で起こり得るものの、およそ１０００℃以上の温度で熱分解するための少なくとも１つの流動床がなければ、商業規模の水素の生産を達成するためには、反応器のサイズを過度に大きくする必要があることに留意されたい。
電気加熱は、熱分解反応環境内での更なる反応の実施を伴わないため、電気加熱によって引き起こされる二次反応の数は最小限に抑えられる。しかしながら、コークス粒子を含む流動床環境に電気加熱要素を入れると、コークス粒子から加熱要素にコークスが移行する可能性がある。このコークスの移行を抑制または排除するため、流動床環境における電気加熱は、相当量のＨ２の存在下、および／または低減されたもしくは最小限の量のメタンの存在下で実施され得る。これは、例えば、コークス粒子の第１流動床を水素リッチな環境で加熱し、加熱されたコークス粒子を第１流動床からコークス粒子の第２流動床に通すことで達成され得る。
更なるＣＯ２生成に関して、電気加熱に関連するＣＯ２生成は、発電のために用いられる電力源に応じて変化し得ることに留意されたい。遠隔地の発電施設において、炭化水素燃料の燃焼によって発電される電気は、送電線損失により、単位電力あたりのＣＯ２排出量が比較的多くなり得る。一方、再生可能エネルギーによる電力が利用できれば、単位電力あたりのＣＯ２排出量を比較的少なくすることができる。
いくつかの態様において、炭化水素の水素への転換は、複数の連続流動床を含む１つ以上の熱分解反応器または転換反応器において実施され得る。流動床は、流動床を形成するコークス粒子が、流動床における原料および／または生成物（例えば、メタン、部分的に返還された流出物、Ｈ２）の気相流に対して向流方向に移動するように配置される。このような態様において、コークス粒子の電気加熱は、１つ以上の流動床の第１群の少なくとも１つの床で起こり得る。次いで、コークス粒子は、新たな原料と接触させるため、１つ以上の流動床の第２群に移送され得る。複数の連続流動床を用いることにより、流動床の熱伝達および管理の利点が実現され得ると同時に、プラグフロー（plug flow）または移動床反応器に関連する反応速度の向上をも少なくとも部分的に達成できる。
４つ以上の流動床、または５つ以上の流動床を含むことは、プラグフロー移動床反応器の速度論的反応の利点の大部分を達成するのに十分であり得ることに留意されたい。熱分解／転換反応器は、流動床反応条件下において、実質的に酸素フリーの反応環境を含むことができる。熱分解環境は実質的に酸素を含まないため、炭素酸化物の直接的な生成を低減または最小限に抑えながら、メタンを水素と炭素とに熱分解することが可能であり得る。
熱分解を実施するために複数の流動床を用いる態様において、複数の流動は、反応速度（または反応率、reaction rate）に関する利点も供し得る。メタンの水素と炭素への転換は、平衡反応である。結果として、局所環境における水素の濃度が高くなると、メタンから水素と炭素への正味の転換速度（または転換率、conversion rate）が低下する。単一の流動床が熱分解に用いられる反応器では、流動床のよく混合された性質により、床の全体にわたって比較的均一な水素濃度がもたらされ得る。このため、単一の流動床で熱分解を実施する場合、水素の正味の転換が減じられる。
熱分解条件下で作動する複数の流動床を用いることにより、水素の濃度を床内で変動させることができる。例えば、メタン原料が流動床を通って上方に流れると、メタンは、熱分解条件下で作動している第１床に到達する。この第１床において、水素の含有量は比較的低くなる。これにより、第１床におけるメタンから水素と炭素への迅速な転換が可能となり得る。ガス流が上方に進むと、ガス流は、熱分解条件下で作動している第２流動床に到達する。第２床へのガス状原料には既にいくらかの水素が存在するため、第２流動床における水素の濃度が高くなり、反応速度は低下する。しかしながら、熱分解条件下で作動する第１流動床で達成された反応速度の増加に基づいて、転換速度の正味の増加を達成することができる。特定の理論に拘束されるものではないが、Ｈ２と炭素（固体）とを組み合わせてメタンを生成するには、２つの水素分子が必要であり、このような反応は、標準的な速度論モデルの下ではＨ２濃度の二次反応になることに留意されたい。この二次依存性のため、メタン生成の反応速度は、Ｈ２濃度の２乗に応じて変動すると考えられている。結果として、複数の流動床で熱分解反応を実施すると、単に同じような総面積を有する単一の床に相当する反応速度となるわけではない。むしろ、低濃度の流動床で達成される反応速度の増加は、より高い濃度の流動床における反応速度の減少よりも大きくなり得る。これにより、複数の流動床は、同じサイズの単一の流動床によって達成されるよりも高いメタン転換の正味の転換速度を提供することができる。
複数の連続流動床を用いることで、移動床、または連続流動床と同様のサイズの単一の流動床のいずれかを採用する構成と比較して、メタンの熱分解において利点を有することができる。同様のサイズの単一の流動床に関しては、流動床は、よく混合された環境であることに留意されたい。したがって、流動床におけるガスは正味の流動方向を有するものの、流動床内のガスの濃度は、床の全体にわたって比較的一定である。このため、流動床は優れた熱移動能力を有することが可能となり、流動床の全体にわたって比較的均一な温度を有する。しかしながら、平衡反応では、床の全体が、床内の反応物および生成物の平均濃度で作動することも意味する。したがって、少なくとも１つの生成物について、生成物濃度依存性が２次（またはそれ以上）である平衡反応では、単一の流動床を用いると、同様の総体積を有する複数の連続流動床を用いる場合と比較して、正味の転換速度が著しく低下し得る。
メタン熱分解のための向流プラグフロー型構成は、単一の流動床構成と比較して、増加したメタンの正味の転換速度を達成するための代替オプションである。移動床構成によれば、メタンが最初に熱分解条件に晒される移動床の部分における水素の濃度が低いため、メタンの熱分解の正味の転換速度の向上を達成できる。しかしながら、移動床の全体にわたって温度制御を維持することは困難である。特に、移動床またはプラグフロー環境では、横方向（移動床の流動方向に直交する方向）の熱の伝達が不十分である。これは、電気加熱に基づく外部加熱方法では、移動床の内部における熱分解反応に熱を供することが非常に困難であることを意味する。これは、移動床環境の内部にある加熱管を用いることで克服できる可能性があるものの、移動床の全体にわたって比較的均一な加熱を供するために十分な数の加熱管を用いると、流動パターンに大きな乱れまたは乱流が発生し得る。このような乱流は、流動床の特性を変更し、流動床により近似した挙動を示すようにするため、流動床を用いる目的が損なわれる。別の代替案として、移動床粒子を第２反応環境に移動させて、燃焼によって粒子を直接加熱するなどの直接加熱方法を用いることが想到される。粒子の加熱によって移動床に熱を伝達することで、移動床の横方向の熱伝達の難点を克服することができる。しかしながら、このような燃焼による粒子の加熱は、通常、炭化水素の燃焼を必要とする。その結果、大量のＣＯ２が生成され、メタンの熱分解を実施する利点が低減または最小化される。
単一の流動床または向流移動床を用いるシステムとは対照的に、種々の態様において、炭化水素の熱分解を実施するため、複数の連続流動床を用いることができる。複数の連続流動床を用いることで、流動床の熱伝達の利点を達成することができるため、移動床反応器によってもたらされる増加と同様の正味の転換速度の増加を達成しながら、外部加熱方法を用いることができる。
さらに、または代替的には、複数の連続流動床を含む１つ以上の熱分解反応器または転換反応器内の粒子流を管理するためのシステムおよび方法が供される。１つまたは複数の流動床を管理する際の難題の１つは、粒子が流動床から引き抜かれた後の粒子流の管理であり得る。例えば、流動床反応器の底部から上部（または頂部、top）に粒子をリサイクルするためには、粒子を移動させるための何らかのシステムが必要である。商業規模の反応器では、１時間あたりに数千トンの粒子を移動させる可能性があるため、機械駆動の輸送機構（スクリューコンベアの使用など）を使用しようとすると、様々な問題が生じ得る。そのような問題には、粒子の凝集、結合、および／または望ましくない粒子の微粉を形成する粒子の摩耗が含まれ得る。様々な態様では、連続流動床の最終床から初期床に戻って粒子を循環させるために空気圧輸送を用いることによって、粒子輸送の難題を低減または最小化することができる。空気輸送に用いられるガスは、熱分解反応器によって生成される水素含有生成物ガスに相当し得る。空気圧輸送導管の頂部にて、気固分離器を用いて、固体粒子から水素含有生成物ガスを回収することができる。機械的な難題を低減または最小化することに加えて、空気圧輸送のための生成物ガスの使用は、別の種類の空気圧ガスによる所望の生成物の希釈を回避することもできる。
反応器を出た後、水素含有生成物ガスの水素は、任意の有用な方法によって、生成物ガス中のいずれの残存メタンからも分離され得る。好適な方法の例としては、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）および膜分離が含まれる。水素含有生成物ガスから回収されるメタンは、例えば、原料の一部として使用するためにリサイクルされ得、および／または別の使用のために転用され得る。
いくつかの態様では、複数の流動床は、垂直スタックとして編成され得る。そのような態様において、ある床から別の床へのコークス粒子の移送は、選択された流動床条件と併せて重力補助流を用いることによって管理され得る。
定義
本論において、「上流」および「下流」という用語は、１つまたは複数の反応器内のガスの流れに関して定義される。したがって、熱分解条件下で作動する流動床の「上流」にある流動床は、ガス流が主として未反応メタン（および／または他の炭化水素）に相当する流動床に相当する。熱電解条件下で作動する流動床の「下流」にある流動床は、ガス流が相当量の水素を含む流動床に相当する。したがって、第１群の流動床は、熱分解条件下で作動する流動床（すなわち、第２群の流動床）の上流にあり、第３群の流動床は、熱分解条件下で作動する流動床の下流にある。コークス粒子は向流方向に移動するため、コークス粒子は、熱分解条件下で作動する流動床の「下流」にある熱伝達床で加熱されることに留意されたい。同様に、コークス粒子は、熱分解条件下で作動する流動床の「上流」にある熱伝達床で冷却される。
本論において、「隣接」という用語は、流動床の相対的な位置を説明するために用いられ得る。例えば、熱分解条件下で作動する流動床の「上流に隣接する」床である流動床は、熱分解条件に晒される前にメタン原料が晒される最後の熱交換流動床に相当する。外部加熱される流動床の「下流に隣接する」流動床は、外部加熱される流動床を出た後に生成物ガス流が晒される最初の流動床に相当する。
本論において、「連続」流動床とは、各流動床が隣接するいずれの流動床と流体連通および固体粒子輸送連通の双方にある複数の流動床を指す。流体連通とは、システム内の要素間のガスおよび／または液体の通過を指す。粒子は、流体中に巻き込まれ得るため、一部の固体も流体連通を介して移送される可能性があることに留意されたい。粒子輸送連通とは、システム内の要素間の固体の移送を指し、第１流動床から隣接する流動床への粒子の通過を指す。連続流動床の最初の床および最後の床は、１つの隣接する床のみを有し、連続流動床における残りの流動床は、隣接する上流流動床および隣接する下流流動床の双方を有することに留意されたい。
本論において、「炭化水素含有原料」は、７５体積％以上、９０体積％以上、９５体積％以上、または９８体積％以上のＣ１～Ｃ４アルカンを含む原料、例えばＣ１～Ｃ４アルカンに相当する実質的に全ての原料として定義される。適当な原料の例としては、メタンおよび天然ガスが挙げられる。いくつかの態様において、炭化水素含有原料には、１０体積％以下、５．０体積％以下、または２．０体積％以下のＮ２を含み得、例えば実質的にＮ２を含まない（０．１体積％未満）ものであり得る。いくつかの態様において、インプット原料（または投入原料、input feed）のＨ２含有量は、１０体積％以下、または１．０体積％以下であることができ、例えば、実質的にＨ２を含まない（０．１体積％未満）ものであり得る。
コークス粒子の流動床の電気加熱と温度管理
様々な態様において、炭化水素の熱分解（メタンの熱分解など）は、コークス粒子の少なくとも２つの流動床を用いることによって実施され得る。電気加熱要素は、Ｈ２リッチの環境で作動する第１流動床（第１流動床ステージ内）に配置され得る。
インプットメタン原料の６０％以上のメタン転換を達成するため、メタンリッチの環境を有する熱分解反応器の少なくとも１つの流動床では、１０００℃以上の熱分解温度が用いられ得る。例えば、熱分解のための少なくとも１つの流動床における温度は、１０００℃～１４００℃、１０００℃～１２００℃、１０００℃～１６００℃、１１００℃～１４００℃、１１００℃～１６００℃、１２００℃～１４００℃、または１２００℃～１６００℃であり得る。メタンリッチの環境を有する熱分解床にこのような温度を供することは、電気加熱要素を含む（そしてＨ２リッチの環境を有する）少なくとも１つの流動床もまたそのような温度を有することを意味する。
流動床内のコークス粒子に熱を供するため、電気加熱要素のアレイが流動床内に含まれ得る。電気加熱要素のアレイは、いずれの有用な幾何学的形状または配置をも有することができる。流動床が十分な高さを有する態様では、発熱要素のアレイは、任意に、発熱要素が流動床の高さ、幅、および長さ内にて空間的に分布するように、三次元アレイに相当することができる。加熱要素の配置の対称性（または対称性の欠如）は、いずれの有用なタイプの配置にも相当し得る。可能な配置のタイプには、半径方向の対称性を有する配置、軸に沿った加熱要素の列を含む配置、１つ以上の軸に沿った加熱要素の複数の列、異なる列の加熱要素が実質的に平行である加熱要素のスタックされた列（または積層された列、stacked rows）、または異なる列の加熱要素が実質的に平行でない加熱要素のスタックされた列が含まれ得る。
いくつかの態様において、単一の流動床は、電気加熱要素を含み得る。他の態様において、複数の流動床には、少なくとも１つの電気加熱要素が含まれ得る。１つ以上の流動床が加熱要素を含む態様では、異なる流動床は、異なる温度に加熱され得る。流動床内に電気加熱要素を含む１つ以上の流動床は、流動床の第１ステージに相当する。加熱要素を含まない更なる流動床も、第１ステージに含まれ得ることに留意されたい。いくつかの態様において、第１ステージの流動床と第２ステージの流動床との間の流動床の分割は、電気加熱要素およびＨ２リッチの環境を含む流動床が、電気加熱要素を含まない上流の床に隣接する位置に対応し得る。連続する複数の流動床内の複数の位置でこの基準が満たされる場合、第１ステージと第２ステージとの間の分割は、電気加熱要素およびＨ２リッチの環境を含む流動床が電気加熱要素を含まない上流の床と隣接する、最も上流側の位置に相当する。
炭化水素の熱分解（メタンの熱分解など）を実施するための流動床の温度が高いため、電気加熱要素は、高温耐性を有する一方で、コークス粒子の流動床内で構造的完全性を維持するのに十分な耐摩耗性をも有する材料から形成され得る。炭化ケイ素は、電気発熱要素を形成するのに適した材料の一例である。炭化ケイ素の加熱要素の例としては、スウェーデン、ハルスタハンマルのSandvik Materials Technology社からKanthal（登録商標）というブランド名で販売されているものがある。加熱要素を形成するために用いられ得る材料の他の例としては、限定されないものの、Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ合金；モリブデン；タングステン；炭化ケイ素；およびこれらの組合せが挙げられる。適当な耐火材料は、１０００℃以上の温度で作動する流動床を含む反応器の構築にも利用できることに留意されたい。
コークス粒子の流動床の電気加熱を実施するために用いられるＨ２リッチの環境については、電気加熱に用いられる少なくとも１つの流動床に、部分的に転換された流出物を通すことによって、このような環境が供され得る。例えば、熱分解のための流動床（または複数の床）は、部分的に転換された流出物の６０体積％以上、７０体積％以上、または８０体積％以上、例えば最大９９体積％がＨ２に相当するように、十分なメタンを転換し得る。部分的に転換された流出物は、例えば４０体積％以下、３０体積％以下、または２０体積％以下、例えば最低１．０体積％のいくらかのメタンを依然として含み得る。したがって、電気ヒーターを含む流動床（または複数の流動床）において、いくらかの更なるメタンの転換が起こり得る。熱分解の流出物から分離される水素は、電気加熱のためのＨ２リッチな環境を供するために用いられ得ることに留意されたい。しかしながら、熱分解の流出物から分離される水素を使用しようとすると、大幅な追加の加熱および冷却が必要となり得る。特に、ＣＨ４からのＨ２の分離の典型的なプロセスは、熱分解に用いられる温度よりも遥かに低い温度で実施される。したがって、熱分解の流出物から分離されたＨ２の使用には、分離後のＨ２を再加熱する必要がある。
Ｈ２リッチの環境において、少なくとも１つの流動床におけるコークス粒子を加熱するために電気加熱要素を用いることに加えて、炭化水素の熱分解のための所望の温度を達成するため、他の種類の熱管理が用いられ得る。例えば、反応システム内のガスの正味の流れがコークス粒子の正味の流れに対して反対方向にあるように、流動床は、典型的には向流式に配置される。「上流」および「下流」がガス流に基づいて規定されるという定義に基づいて、電気加熱要素を含む少なくとも１つの流動床は、典型的には、メタンリッチの環境で熱分解が実施される１つ以上の床より下流に配置される。いくつかの態様において、電気加熱要素を含む少なくとも１つの流動床に入る前に、コークス粒子の補足的加熱を供するために用いられ得る１つ以上の上流の流動床が存在し得る。１つ以上の上流の床における補足的な加熱は、床を通過するガスとの熱交換によって実施され得る。
別の種類の温度管理は、熱分解後に生じるコークス粒子の冷却の量を制限することに基づくことができる。いくつかの態様では、７００℃以上、８００℃以上、９００℃以上、または１０００℃以上、例えば最大１４００℃、または最大１６００℃の温度を有するコークス粒子の初期流動床（すなわち、最も上流側の床）にメタン原料を導入することができる。コークス粒子が初期流動床から出る際、コークス粒子は、反応システムの最終床（すなわち、最も下流側の床）にリサイクルされ得る。コークス粒子の初期流動床の温度を７００℃以上とすることにより、コークス粒子の温度は、反応システム内において高温に維持される。これにより、電気加熱を用いるコークス粒子の温度上昇に必要なエネルギーのインプット量が減じられる。さらに、または代替的に、コークス粒子の初期流動床から反応システムの最終床にリサイクルされるコークス粒子が７００℃以上、８００℃以上、または９００℃以上、例えば最大１４００℃の温度であるように、コークス粒子の初期流動床の温度を十分に高くすることができる。
熱分解のために１つの流動床のみが用いられる態様では、１０００℃以上の温度にある熱分解のための単一の流動床にメタン原料を通すことができる。熱分解の流動床から引き抜かれたコークス粒子は、次いで、電気ヒーターを含む流動床の頂部にリサイクルされる。これも、熱分解の流動床の温度と同様の温度に維持される。
複数の連続流動床が熱分解環境に用いられる場合、および／または更なる連続流動床が電気加熱要素を含む少なくとも１つの床に隣接する場合、更なる流動により、コークス粒子とガス流との間の熱交換が可能となり得る。例えば、１０００℃以上の温度である流動床より上流にあるいずれの流動床も、高温のコークス粒子を含むことができる。このような床は、流入するメタンガス流を予熱するために用いることができる。同様に、電気加熱要素を含む少なくとも１つの床より下流にあるいずれの流動床も、ガス流が高温である流動床に相当し得る。このような下流の床は、ガス流から、流入するコークス粒子へと熱を伝達させ、電気加熱要素を含む少なくとも１つの床に入る前に粒子を予熱するために用いることができる。
連続する複数の流動床における流動床管理
いくつかの態様において、メタンの熱分解反応は、少なくとも２つの群に配置される連続した複数の流動床を用いて実施され得る。１つ以上の流動床の第１群は、Ｈ２リッチの環境において、電気加熱要素でコークス粒子を加熱することを含む、コークス粒子を加熱するための流動床に相当し得る。１つ以上の流動床の第２群は、メタン原料（または、例えば天然ガスなどの他の炭化水素原料）を熱分解するための流動床に相当し得る。
いくつかの態様において、電気加熱要素およびＨ２リッチの環境を含む床から、高濃度の炭化水素が存在する第２ステージの流動床にまで、所望の量の熱エネルギーの下方移動を達成するため、様々な流動床の温度が部分的に選択され得る。これを達成するため、下方（ガスの流れ方向に対して上流側）に移動するコークスの熱容量を、上方（ガスの流れ方向に対して下流側）に移動するガスの熱容量より大きくすることができる。数学的には、これは、Ｃｐ（コークス粒子）ｘ＜コークス質量流量＞＞Ｃｐ（ガス流）ｘ＜ガス質量流量＞として表すことができる。Ｃｐは、それぞれ、コークス粒子またはガス流の１グラムあたりの熱容量である。これにより、電気加熱要素を含む流動床と、電気加熱要素を含まないものの、より高濃度の炭化水素が存在する上流の流動床との間の温度差が低減または最小化され得る。熱分解によってメタンが水素と固体炭素とに転換されると、流動床内にて、コークス粒子流およびガス流の合計熱容量が変化し得ることに留意されたい。したがって、コークスの熱容量は、コークスが連続流動床を下降するにつれて増加し、ガスの熱容量は、炭化水素含有原料が水素含有生成物の流出物に転換されるにつれて減少する。
流動床の群の一方または両方が複数の流動床を含む態様において、流動床の各群における床の数は、任意の有用な数になるように選択され得る。いくつかの例では、２～１０個、または２～１５個の流動床を各群で用いることができる。
熱分解反応ゾーンに相当する床の第２群は、複数の反応条件のセットを含む可能性があることに留意されたい。例えば、複数の流動床が熱分解のための流動床の群にある場合、少なくとも１つの流動床は、１０００℃以上の温度を有し得る。これは、１０００℃以上の温度を有する複数の流動床を有すること、または１０００℃以上の温度を有する単一の流動床のみを有することを含み得る。このような態様において、流動床の温度は、上流方向において低下し得る。
流動床のサイズは、任意の有用な方法で独立して選択され得る。これにより、流動床の第１群および／または流動床の第２群における流動床は、異なるサイズを有することが可能となる。異なるサイズの床の使用により、流動床内のコークス粒子および／またはガスの平均滞留時間を変化させることができる。これにより、平均滞留時間の独立した制御が可能となり得る。例えば、熱分解の反応ゾーン内の流動床における所望の平均滞留時間は、電気加熱要素を含む流動床におけるコークス粒子の所望の平均滞留時間とは異なっていてよい。
反応器内のガスの表面速度（または表層速度、superficial velocity）に加えて、流動床のサイズの別の因子は、コークス粒子の床間の移動を可能にするための流動床の底部における開口部のサイズおよび量であり得る。流動床を形成するために、メッシュトレイ（a mesh tray）または別の種類の十分に多孔性である支持構造を用いて、流動床におけるコークス粒子の実質的大部分を保持しながら、流動ガスが支持構造を通過できるようにすることができる。コークス粒子の一部が、より高い高さにある流動床から、上流方向にて隣接する床の頂部に落下可能となるように、１つ以上の開口部または導管が支持構造に設けられ得る。一例として、支持構造の開口部のサイズおよび／または数を変更することにより、流動ガスの表面速度を一定として、流動床のサイズを変えることができる。別の例として、メタンの水素への転換によって表面ガス速度が変化する場合、支持構造における開口部のサイズおよび／または数を変更することで、一定の流動床サイズを維持することが可能となり得る。
流動床のサイズにおける別の因子は、反応器のサイズであり得る。メタンが水素と固体炭素に転換される際、１モルのメタンが２モルの水素を生成する。これは、メタンが水素に転換される際のガス体積の増加に相当する。より大きな炭化水素（天然ガス中に存在する大きな炭化水素など）が用いられる場合、さらに大きなガス体積の増加が起こり得る。ガス体積の増加を管理する方法の１つは、熱分解反応ゾーンおよび／または下流の床において、反応器サイズの拡大を可能とすることである。これにより、例えば、所望により、反応器内において、比較的一定の表面ガス速度を維持することが可能になる。
様々な態様において、熱分解ゾーンにおける流動床のガス流の平均滞留時間は、熱分解ゾーンにおける流動床の数、原料の水素への所望の正味の転換、流動床における温度、所定の流動床のサイズ、および反応器内の圧力を含む様々な因子に応じて変動し得る。適当な滞留時間の例としては、０．１秒～５００秒、０．１秒～１００秒、または１秒～１００秒の範囲であり得る。
第２ステージの流動床へのメタンの流速（または流量、flow rate）は、流動ガス速度が、連続する複数の流動床における任意の床におけるコークス粒子の最小流動速度より大きくなるように選択され得る。コークス粒子の最小流動速度は、各種類の粒子の密度および粒子サイズに基づいて、ならびに、流動ガスの密度および速度に基づいて、容易に推定され得る。いくつかの態様において、部分的に転換された流出物の流速は、部分的に転換された流出物が、流動床の第１ステージのための流動ガスとして機能することができるように、十分なものであり得る。
コークス粒子の輸送
流動床または移動床を用いる熱分解を実施する際の難題の１つは、システム内の粒子の輸送を管理することである。流体とは異なり、単に圧力を制御することによってシステム内で粒子を輸送することは、通常実施不可能である。反応システム内において、所望の挙動（または方式、manner）で粒子を流動させるためには、通常、重力、機械的補助、および輸送流体の１つ以上が必要となる。
様々な態様において、本明細書に記載のシステムおよび方法は、粒子の機械的輸送を低減または最小化しながら、また、熱分解生成物の量を減ずる希釈ガスの導入を低減または最小化しながら、熱分解反応システム内におけるコークス粒子の輸送を供する。複数の連続流動床の使用によって、本明細書で達成される改善された粒子輸送が部分的に可能となる。
流動床を含む反応器内では、流動床の支持構造、流動床条件、および重力に基づいて、コークス粒子の移動が制御され得る。各流動床の支持構造と流動床条件との組合せにより、各流動床内の粒子の平均滞留時間が決定される。この平均滞留時間は、粒子が支持構造の開口部を通過して、隣接する上流の床に（重力によって）落下するまでの床内に滞在する粒子の平均時間を反映している。
コークス粒子を複数の流動床の底部の床から頂部にリサイクルまたは戻すために、任意の有用な方法が用いられ得る。適当な方法の一例としては、輸送ガスとして水素含有生成物を用いることであり、第１の上流の流動床から出た後、コークス粒子の一部が引き出され、導管を通じて（重力を介して）空気圧輸送導管に移送され得る。空気圧輸送導管のガスは、熱分解反応システムで生成された水素含有生成物であり得る。コークス粒子を空気圧で持ち上げた後、サイクロン分離器を用いるなどして、水素含有生成物ガスからコークス粒子が分離され得る。水素含有生成物ガスは、次いで、生成物として使用するため、および／または輸送流体として使用するために、反応器からの新たな生成物ガスと組み合わされ得る。
反応システム内のコークス粒子の移動のために重力および空気圧輸送を用いると、機械的輸送を用いる反応システムと比較して、様々な利点が供され得る。例えば、スクリューフィーダー（a screw feeder）は、反応システム内の固体の移動のための一般的なデバイスである。残念ながら、スクリューフィーダーなどの機械的輸送デバイスは、反応システム内で、粒子の凝集、結合、および／または、粒子／表面の摩耗を引き起こす傾向がある。機械的な粒子輸送のこれらの物理的な副作用は、粒子サイズの大幅なばらつきを引き起こし得、装置の損傷の可能性、および／または作動における信頼性が低下する可能性を高め得る。しかしながら、いくつかの態様では、コークス粒子のリサイクルに粒子の機械的輸送が用いられ得る。
いくつかの任意の態様では、水素含有製品ガス以外のガスを、空気圧輸送ガスとして用いることができる。例えば、輸送ガスとして窒素を用いることができる。不活性輸送ガスの使用は、希釈ガスが反応器に流入し、それによって水素含有生成物ガス流に流入する可能性を増大させる。しかしながら、このような不活性ガスは、空気圧輸送を実施するのに有効である。
構成例
図１は、Ｈ２を生成するためのメタン（および／または他の炭化水素）の熱分解のための加熱を供するため、Ｈ２リッチの環境において、電気加熱を用いるための一般的な構成の一例を示すものである。図１において、メタンの熱分解を実施するためのシステムは、２ステージシステムとして表されている。第１ステージ１２０では、流動床におけるコークス粒子は、電気加熱要素１２７によって加熱され、熱分解のための所望の温度が達成される。加熱されたコークス粒子１２５は、次いで第２ステージ１３０における少なくとも１つの流動床に通される。メタン含有原料１０１（および／または他の炭化水素含有原料）は、第２ステージ１３０に向流方向に通される。この熱分解により、部分的に転換された流出物１３５が得られ、これは次いで第１ステージ１２０に通される。部分的に転換された流出物１３５は、６０体積％以上のＨ２含有量、および／または４０体積％以下のメタン含有量を有し得る。６０体積％以上の水素含有量を有することで、第１ステージ１２０における気相環境をＨ２リッチの環境に相当させることができる。これにより、電気加熱要素１２７上のいずれのコークスの堆積も低減または最小化され得る。部分的に転換された流出物１３５は、次いで、第１ステージ１２０において更なる熱分解を受け、水素を含有するアウトプット（または水素含有生成物、hydrogen containing output）１１５が生成され得る。第２ステージ１３０の底部から出るコークスは、任意の有用な方法によって第１ステージ１２０の頂部に戻され得る（１６０）。
図２は、電気加熱要素を用いる加熱を供しながら、メタンの熱分解を実施するための連続流動床を用いる構成の一例を示すものである。図２には、連続する複数の流動床を含む反応器２１０が示されている。単一の反応器として反応器２１０が示されているものの、流動床を収容するため、任意の有用な反応器の数が用いられ得る。反応器２１０は、電気加熱要素２２７を含む少なくとも１つの流動床２２０を含む第１群の流動床を含む。第１群の流動床は、加熱要素を含まないものの、床を向流方向に通過する高温ガスからの熱伝達に基づいてコークス粒子を予熱することができる１つ以上の流動床２２２も含み得る。反応器２１０は、メタン（および／または他の炭化水素）の熱分解を実施するため、１０００℃以上の温度にある少なくとも１つの流動床２３０を含む第２群の流動床も含む。第２群の流動床は、１０００℃未満の温度であるものの、７００℃以上の温度であり、いくつかの更なる熱分解の発生を可能とする１つ以上の更なる床２３２をも含み得る。いくつかの態様において、流動床２２０、２２２、２３０、および２３２の全ては、各床内で少なくともいくつかの熱分解が起こるのに十分な高い温度であり得る。代替的には、流動床２２２および／または２３２の１つ以上は、炭化水素の熱分解が実質的に起こらないように、十分に低い温度であってよい。
図２において、電気加熱要素２２７は、流動床２２０におけるコークス粒子を所望の熱分解温度に加熱するために用いられる。図２には、単一の流動床２２０のみが示されているものの、他の態様においては、複数の流動床２２０に電気加熱要素が含まれ得る。
作動中、メタン流または天然ガス流などのインプットガス流２０１は、底部から反応器２１０に入ることができる。インプットガス流２０１は、ガス流が様々な流動床を通って上昇するに際して、様々な流動床のための流動ガスとして機能し得る。インプットガス流２０１が流動床２３２および２３０を通って移動する際、インプットガス流は、連続する流動床によって、熱分解が起こり得る温度にまで加熱される。この結果、インプットガス流の少なくとも一部がＨ２に熱分解され、部分的に転換された流出物２３５が生成される。また、熱分解により、コークス粒子に堆積される固体炭素も生成される。部分的に転換された流出物２３５には、６０体積％以上のＨ２が含まれ得る。部分的に転換された流出物２３５は、引き続き流動床２２０を通過する。ここで、部分的に転換された流出物２３５は、電気加熱要素２２７による流動床２２０におけるコークス粒子の加熱のためのＨ２リッチの環境を供する。部分的に転換された流出物の更なる転換も起こり得、生成物ガス流２１５が形成される。生成物ガス流は、次いで、流動床２２２を通って継続される。生成物ガス流が流動床２２２を通過するに際して、生成物ガス流において、メタンの水素への更なる転換が依然として起こり得ることに留意されたい。生成物ガス流２１５は、反応器２１０の頂部から出る前に、流動床２２２における熱交換によって冷却され得る。
作動中、反応器におけるコークス粒子は、インプット流ガス２０１、部分的に転換された流出物２３５、および水素含有生成物ガス流２１５に対して向流的に流れ得る。図２に示す例では、コークス流２６５は、１つまたは複数の流動床２２２の頂部に導入される。コークスは、１つまたは複数の流動床２２２において、水素含有生成物ガス流２１５によって予熱される。次いで、熱分解のための所望の温度を達成するために、コークス粒子は、流動床２２０において、電気加熱要素２２７によって更に加熱される。加熱されたコークスは、次いで、原料２０１の熱分解のために流動床２３０に通される。熱分解反応により、コークス粒子に炭素が添加される。高温のコークス粒子は、次いで、１つまたは複数の流動床２３２に引き続き流入し、インプットガス流２０１との熱交換によって冷却される。
１つまたは複数の流動床２３２から出た後、冷却されたコークス粒子は、リザーバー２４４に通される。コークス粒子の一部は、リザーバー２４４から出て、コークス粒子流２５０を形成する。コークス粒子流２５０の一部は、コークス生成物２５５としてシステムから引き抜かれ得る。コークス粒子流２５０の残りは、次いで、反応器の頂部に戻され、リサイクルされる。図２において、これは、空気圧輸送ガスとして用いられる水素含有生成物ガス流２１５の一部２７９と共に、空気圧輸送導管２６０を用いて達成される。圧縮機またはブロワ２７７を用いて、部分２７９が空気圧輸送ガスとして機能するのに十分な圧力を供することができる。導管２６０の頂部では、サイクロン分離器２６２において、水素含有生成物ガス流の一部２６９からコークス粒子が分離される。これにより、コークス流２６５が形成される。図２に示される例では、水素含有生成物ガス流の一部２６９は、水素含有生成物ガス流２１５と組み合わされる。水素含有生成物ガス流２１５は、次いで、水素生成物２７５および空気圧輸送ガス流２７９を形成するために用いられる。
また、図２には示されていないものの、１つ以上の位置におけるコークス粒子において、更なるコークス処理も実施され得る。例えば、コークス処理には、コークス粒子の化学的または熱的な活性化が含まれ得る。さらに、または代替的には、コークス処理には、大きくなりすぎたコークス粒子の除去、および／または非常に細かい粒子の除去を含む、粒度分布の管理が含まれ得る。更に別の選択肢では、いくつかの大きな粒子を破砕して、所望の範囲の粒度分布を達成することができる。
更なる実施形態
実施形態１
Ｈ２を生成するために炭化水素の熱分解を実施する方法であって、方法は、第１流動床ステージにおいて、第１流動床内の１つ以上の電気加熱要素を用いて、コークス粒子の第１流動床を１０００℃以上の温度にまで加熱すること；第１流動床から、コークス粒子を含む第２流動床ステージにコークス粒子の少なくとも一部を流すこと；熱分解条件下で、炭化水素含有原料を、第２流動床ステージにおけるコークス粒子と接触させ、Ｈ２を含む部分的に転換された流出物を生成すること；および、部分的に転換された流出物の少なくとも一部を、コークス粒子の第１流動床ステージと接触させて、Ｈ２含有生成物を生成すること、を含む。第１流動床におけるガス環境は、６０体積％以上のＨ２を含む。第２流動床ステージは、１０００℃以上の温度を有する第２流動床を含む。
実施形態２
部分的に転換された流出物は、コークス粒子の第１流動床のための流動ガスを含む、実施形態１の方法。
実施形態３
Ｈ２含有生成物が８０体積％以上のＨ２を含むか、部分的に転換された流出物が８０体積％以上のＨ２を含むか、またはこれらの組合せである、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態４
第１流動床ステージが複数の連続流動床を含み、部分的に転換された流出物は、第１流動床ステージの各流動床に順次通されるか；第２流動床ステージが複数の連続流動床を含み、炭化水素含有原料は、第２流動床ステージの各流動床に順次通されるか；もしくは、これらの組合せである、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
第１流動床ステージが、１つ以上の追加の流動床において、１つ以上の追加の電気加熱要素を含み、１つ以上の追加の流動床におけるガス環境は、６０体積％以上のＨ２を含む、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
第１流動床ステージが、電気加熱要素を含まない少なくとも１つの流動床を含み、少なくとも１つの流動床は、部分的に転換された流出物の流れ方向に対して、第１流動床より下流にある、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態７
ｉ）第１流動床を１２００℃以上の温度にまで加熱するか；ｉｉ）第２流動床が１１００℃以上の温度を含むか；ｉｉｉ）１０００℃以上の温度を有する第２流動床ステージの複数の連続流動床に、炭化水素含有原料を通過させるか；または、ｉｖ）ｉ）、ｉｉ）、およびｉｉｉ）の２つ以上の組合せである、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態８
第２流動床ステージからコークス粒子の第２部分を流すこと、およびコークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を第１流動床ステージに通すことを更に含み、コークス粒子の第２部分のリサイクル画分は７００℃以上の温度を含む、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
第２流動床ステージからコークス粒子の第２部分を流すことが、第２流動床からコークス粒子の第２部分を流すことを含むか、コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を第１流動床ステージに通すことが、コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を第１流動床に通すことを含むか、または、これらの組合せである、実施形態８の方法。
実施形態１０
コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を第１流動床ステージに通すことは、空気圧輸送ガスを用いて、コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を空気圧輸送すること；コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を空気圧輸送ガスから分離すること；空気圧輸送の前に、空気圧輸送ガスの少なくとも一部を水素含有流出物から分離すること；および、空気圧輸送の後に、空気圧輸送ガスの少なくとも一部を、水素含有流出物と組み合わせることを含む、実施形態８または９の方法。
実施形態１１
第１流動床ステージにおける第１流動床は、第２流動床ステージにおける第２流動床と隣接している、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
ａ）炭化水素含有原料が９５体積％以上の炭化水素を含むか；ｂ）炭化水素含有原料がメタン、天然ガス、もしくはそれらの組合せを含むか；または、ｃ）ａ）およびｂ）の組合せである、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
炭化水素の熱分解を実施するためのシステムであって、システムは、コークス粒子の第１流動床と、第１流動床内の１つ以上の電気加熱要素とを備える第１流動床ステージ；コークス粒子の第２流動床を備える第２流動床ステージであって、第１流動床ステージと流体連通および粒子輸送連通している、第２流動床ステージ；第２流動床ステージにおける最初の上流流動床と、第１流動床ステージにおける最後の下流流動床との間を流体連通させる粒子リサイクルループであって、空気圧輸送導管を備える粒子リサイクルループ；第２流動床ステージと流体連通している供給インレット；および、第１流動床ステージと流体連通している生成流出物アウトレットを備える。
実施形態１４
第１流動床ステージが複数の流動床を備えるか、第２流動床が複数の流動床を備えるか、第１流動床が第２流動床に隣接するか、またはこれらの組合せである、実施形態１３のシステム。
実施形態１５
システムが、生成流出物アウトレットと粒子リサイクルループとの間を流体連通させる空気圧輸送ガスリサイクルループを更に備え、粒子リサイクルループおよび空気圧輸送ガスリサイクルループは、気固分離ステージを備える、実施形態１３または１４のシステム。
本発明は、特定の実施形態を参照することで説明および図示されているものの、当業者であれば、本発明に適する変形は、必ずしも本明細書に図示されてはいないことを理解するであろう。このため、本発明の真の範囲を決定する目的で、次いで添付の特許請求の範囲のみを参照されたい。

Claims (20)

  1. 炭化水素の熱分解を実施してＨ２を生成する方法であって、
    第１流動床ステージにおいて、第１流動床内の１つ以上の電気加熱要素を用いて、コークス粒子の第１流動床を１０００℃以上の温度にまで加熱すること；
    第１流動床から、コークス粒子を含む第２流動床ステージにコークス粒子の少なくとも一部を流すこと；
    熱分解条件下で、第２流動床ステージにおけるコークス粒子と炭化水素含有原料とを接触させて、Ｈ２を含む部分的に転換された流出物を生成すること；および
    コークス粒子の第１流動床ステージと部分的に転換された流出物の少なくとも一部とを接触させて、Ｈ２含有生成物を生成すること
    を含み、
    第１流動床におけるガス環境は、６０体積％以上のＨ２を含み、
    第２流動床ステージが、１０００℃以上の温度を有する第２流動床を備える、方法。
  2. 部分的に転換された流出物が、コークス粒子の第１流動床のための流動ガスを含む、請求項１に記載の方法。
  3. Ｈ２含有生成物が８０体積％以上のＨ２を含むか、
    部分的に転換された流出物が８０体積％以上のＨ２を含むか、または
    それらの組合せ
    である、請求項１に記載の方法。
  4. 第１流動床ステージは複数の連続流動床を備え、部分的に転換された流出物が第１流動床ステージの各流動床に順次通されるか；
    第２流動床ステージは複数の連続流動床を備え、炭化水素含有原料が第２流動床ステージの各流動床に順次通されるか；または
    それらの組合せ
    である、請求項１に記載の方法。
  5. 第１流動床ステージは、１つ以上の追加の流動床において、１つ以上の追加の電気加熱要素を備え、
    １つ以上の追加の流動床におけるガス環境が、６０体積％以上のＨ２を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記第１流動床ステージは、電気加熱要素を含まない少なくとも１つの流動床を備え、
    少なくとも１つの流動床が、部分的に転換された流出物の流れ方向に対して、第１流動床より下流にある、請求項１に記載の方法。
  7. ａ）炭化水素含有原料が、９５体積％以上の炭化水素を含むか；
    ｂ）炭化水素含有原料が、メタン、天然ガス、もしくはそれらの組合せを含むか；または
    ｃ）ａ）およびｂ）の組合せ
    である、請求項１に記載の方法。
  8. 第１流動床が１２００℃以上の温度にまで加熱されるか；
    第２流動床が１１００℃以上の温度を有するか；または
    それらの組合せ
    である、請求項１に記載の方法。
  9. 炭化水素含有原料が、第２流動床ステージにおいて１０００℃以上の温度を有する複数の連続流動床に通される、請求項１に記載の方法。
  10. 第２流動床ステージからコークス粒子の第２部分を流すこと、および
    コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を第１流動床ステージに通すこと
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  11. 第２流動床ステージからコークス粒子の第２部分を流すことが、第２流動床からコークス粒子の第２部分を流すことを含むか、
    コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を第１流動床ステージに通すことが、コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を第１流動床に通すことを含むか、または
    それらの組合せ
    である、請求項１０に記載の方法。
  12. コークス粒子の第２部分のリサイクル画分は、７００℃以上の温度を有する、請求項１０に記載の方法。
  13. コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を第１流動床ステージに通すことが、
    空気圧輸送ガスを用いて、コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を空気圧輸送すること；および
    空気圧輸送ガスから、コークス粒子の第２部分の少なくともリサイクル画分を分離すること
    を含む、請求項１０に記載の方法。
  14. 空気圧輸送の前に、水素含有流出物から空気圧輸送ガスの少なくとも一部を分離することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 空気圧輸送の後に、水素含有流出物と、空気圧輸送ガスの少なくとも一部とを組み合わせることを更に含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 第１流動床ステージにおける第１流動床は、第２流動床ステージにおける第２流動床に隣接している、請求項１に記載の方法。
  17. 炭化水素の熱分解を実施するためのシステムであって、
    コークス粒子の第１流動床と、第１流動床内の１つ以上の電気加熱要素とを備える、第１流動床ステージ；
    コークス粒子の第２流動床を備える、第２流動床ステージ；
    第２流動床ステージにおける最初の上流流動床と、第１流動床ステージにおける最終の下流流動床との間を流体連通させる、粒子リサイクルループ；
    第２流動床ステージと流体連通する供給インレット；および
    第１流動床ステージと流体連通する生成流出物アウトレット
    を備え、
    第２流動床ステージは、第１流動床ステージと流体連通および粒子輸送連通しており、
    粒子リサイクルループは、空気圧輸送導管を備える、システム。
  18. 第１流動床ステージが複数の流動床を備えるか、
    第２流動床ステージが複数の流動床を備えるか、または
    それらの組合せ
    である、請求項１７に記載のシステム。
  19. 第１流動床は、第２流動床に隣接している、請求項１７に記載のシステム。
  20. システムは、生成流出物アウトレットと粒子リサイクルループとの間を流体連通させる空気圧輸送ガスリサイクルループを更に備え、
    粒子リサイクルループおよび空気圧輸送ガスリサイクルループは、気固分離ステージを備える、請求項１７に記載のシステム。
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