用于生产合成气的方法和等离子体反应器

技术领域

本发明涉及用于生产合成气的方法和反应器。更具体地说，本发明建议利用放电和二氧化碳的反应器，以及使用该反应器用于生产具有高热功率的合成气和纳米结构的碳的重整方法。

背景技术

大规模生产氢和富氢气体(称为合成气)以用于精炼工业，用于从“费-托”方法生产氨、甲醇、液态烃，用于溶剂、石蜡和食品工业中所用产品的几种石化方法和氢化方法。为了获得它，可以使用一些烃重整(例如天然气和/或其它轻质烃)方法，例如蒸汽重整、部分氧化、自热重整或干法重整。目前，天然气(甲烷和/或其它轻质烃)的蒸汽重整方法是工业规模上最常用的生产氢的方法。

然而，这样的方法具有可能使得该方法昂贵或损害该方法的参数，例如需要购买和/或制造、再生、置换和处置适用于每个重整方法的催化剂，以及使用水(在蒸汽重整的情况下)或氧气(在自热或部分氧化重整的情况下)。在后一种情况下，一些方法使用大气作为氧源，由于存在于空气中的氮含量高，产生具有低热值的合成气。另一方面，尽管生产中等热值的合成气，但使用纯氧将使得该方法甚至更昂贵，这是由于需要空气分离单元来向该方法供应氧。

因此，需要找到通过重整天然气(和/或其它轻质烃)生产合成气和纳米结构的碳的方法，该方法可以干燥地进行，但不使用催化剂或稀释气体，或甚至不使用空气分离单元将氧供应到中等热功率的合成气的产生中。

等离子体方法是用于产生具有高热值的合成气的可靠的替代方案。在热电弧区域中的电弧反应器(也称为热等离子体)的基本目的是将电能有效地转化为热能，这将使得重整方法可行，因为炬包含以下特征：

·电弧温度高(超过11,000K)；

·电能到热能的转化效率高，达到95%；

·使用任何气体：氧化的、中性的或还原的；

·等离子体流的焓高；

·功率密度高；

·尺寸小；

·等离子体流的热导率高。

在这个意义上，文献CEVOLANI等人在“Enriquecimento de gás naturalveicular via plasma de dióxido de carbono”,

另一方面，文献CUNHA, A.G和MAROTTA, A.在“Low erosion rate of zirconiumcathode in a plasma torch”,

文献CHEN, L., PERSHIN, L.和MOSTAGHIMI, J.在“A New Highly EfficientHigh-Power DC Plasma Torch”,

因此，在现有技术中没有预期由二氧化碳等离子体提供动力的反应器和使用该反应器用于生产具有高热功率的合成气和纳米结构的碳的重整方法的报道。

发明内容

本发明涉及具有高热值的合成气和纳米结构的碳的生产。

本发明的第一目的是开发利用等离子体炬用于加工天然气和/或轻质烃的等离子体反应器，其不需要使用阴极屏蔽气体(屏蔽气体)。

本发明的第二个目的是开发使用等离子体反应器由天然气和/或轻质烃生产合成气的重整方法。

为了实现上述目的，本发明提出由二氧化碳等离子体和含有锆阴极的炬提供动力的反应器，以及使用该反应器的干法重整方法。

根据本发明的方法产生一氧化碳和氢气，其目的还在于富集具有氢气的天然气至少10%。这样富集的天然气将使得具有不良混合物(与通常相比，空气相对于燃料的百分比更高)的内燃机能够运行，呈现各种积极的方面，其中有该发动机的排放的减少和燃烧效率的改进。

有利地，根据本发明的方法获得高纯度以及纳米结构的碳(石墨烯和其它含碳材料)，其具有高附加值和大的工业需求。商业上称为

本发明的反应器所提出的构造消除了对阴极屏蔽气体(屏蔽气体)的需要，因此产生具有更高CO和H

由于本发明的一组特征(即，由所产生的等离子体电弧提供的热作用和催化作用、电极中使用的材料的构造和类型、等离子体炬的几何形状、气体注入的形式、等离子体炬的功率的变化、气体的变化以及所使用的气体之间的比例)，消除了对反应中的催化剂以及氢气产生中水的需要。CO

本发明可应用于由产生的CO和H

本发明的这些目的和其它优点将从下面的描述和附图中变得更加明显。

附图说明

下面呈现的详细描述参考附图，其中：

图1描述根据本发明所使用的电弧炬。

图2描述根据本发明的等离子体炬的内部尺寸。

图3描述在HZR11测试中由VNG与CO

图4描述在HZR11测试中干法重整产物的选择性的图，其中CO

图5表示由HZR13测试产生的几种气体的输出流速的图，其中电弧电流和CO

图6描述对于HZR13测试，VNG到H

图7描述HZR13测试的H

图8描述在HZR13测试中重整产物的选择性图，其中电弧电流、CO

图9描述在HZR13测试中每摩尔产生的H

图10描述对于HZR13测试，试剂(CNG和CO

图11描述在HZR13测试中由VNG与CO

图12描述在HZR13测试中VNG到H

图13描述HZR13测试的H

图14描述在HZR13测试中产物的选择性的图，其中VNG和CO

图15描述

图16描述对于HZR13测试，试剂到CO、H

具体实施方式

本发明涉及由二氧化碳等离子体提供动力的反应器和用于加工天然气和/或轻质烃的含有电极的等离子体炬。

本发明还涉及重整方法，其利用二氧化碳等离子体反应器和含有电极的等离子体炬，用于加工天然气和/或轻质烃（包括生物气），目的是由天然气和/或轻质烃生产合成气和固体碳，优选纳米结构的碳。

在本发明的范围内，等离子体炬具有以下构造元件

·电极：阴极和阳极；

·用于气体通过的管，在非转移电弧的情况下所述管可以容纳在阳极中；

·气体入口室(涡流室)；

·电弧稳定系统(通常在涡流中)；

·电弧旋转系统(磁性或涡流)；

·电极的冷却系统。

根据本发明，炬显示选自直阳极、锥形阳极或阶梯式阳极的阳极。在优选的模式中，炬具有直阳极或阶梯式阳极。

根据本发明，气体注入可以在阴极或阳极区域中发生。优选地，将CO

·注入任何CH

·获得CO

·获得75%至100%，优选在90-100%之间的CO

在本发明的一个实施方案中，阳极和/或阴极的直径可以在2 mm至100 mm之间的范围内，优选在5-50 mm之间。

在本发明的范围内，可以使用现有技术中描述的阴极

根据本发明，等离子体中使用的功率可以在1-6,000 kW之间变化，优选在20-200kW之间。

为了进行根据本发明的方法，使用在2-60,000 mol/hr之间的范围内的气体流速，优选使用在10-2000 mol/hr之间的气体流速。

下面的描述将从本发明的优选实施方案开始。对于任何本领域技术人员来说显而易见的是，本发明并不限于那些特定实施方案。

为了更好地理解在等离子体炬内部发生的过程，使用Computational FluidDynamics (CFD -

为了观察气体限制的作用，将第二阳极的内径减小。在该测试中，CO

由于第二阳极直径的减小降低H

图5-11中的图显示测试结果，其中电流和作为工作气体的CO

图5显示进入和离开等离子体炬的气体的流速以及VNG的每个流速的功率的图。电弧功率随着VNG的流的增加而略微增加，这与测试11中发现的行为相反，其中由于第一阳极输出处的压力增加而功率减小，这是由于第二阳极的小直径引起的压力损失引起的。当VNG的流速大约是CO

图12-17中的图是通过电弧电流的变化等离子体功率的变化的测试结果，其中VNG与CO

图14显示产物的能量产率，CO的能量产率减小，C

图15所示的选择性图显示功率的增加有利于H

图16所示的H

图17中的图显示增加等离子体功率增加试剂到CO、H

到目前为止对本发明的目的所作的描述应仅被认为是一种或多种可能的实施方案，并且其中介绍的任何特定特征应仅被理解为已被写成便于理解的内容。因此，它们不能以任何方式被认为是对本发明的限制，本发明被限制在所附权利要求的范围内。