[发明专利]生产氢气的方法和设备

说明书

本发明涉及一种在转化器中由合适的含烃原料气生产含氢气体混合物 的方法。

本发明描述了用于对氢气和固体碳中的烃进行催化裂解的改进方法， 关键是最小化和/或避免将CO₂排放到环境中。本发明进一步描述了经济地 生产氢气的改进方法，而且考虑了生物物质以及由其得到的物质的用途， 所述物质被认为是氢的原料的潜在来源。这也为经济且环保地使用氢气能 源模式做出了贡献。

氢气为无色无臭气体，几乎不溶于水，1766年由英国科学家Henry Cavendish发现。在实验室中，通过水的电解或者通过使稀酸作用于锌或铁 来制备氢气。工业上通过两步法制备氢气，其中，在第一步中，通过使带 水蒸气的烃燃烧而制备CO和H₂，在第二步中，通过水气反应(CO+H₂O →CO₂+H₂)将CO转化为CO₂。然后通过洗涤除去二氧化碳。

在70年代早期，在第一次石油危机期间，氢气作为能源日益得到了人 们的关注，因为科学家构建了有关氢气所发挥的作用的方案。在80年代， 人们致力于开发有关可再生能源和氢气的新技术，目的是减少对化石能源 的依赖或者甚至放弃化石能源(National Renewable Energy Laboratory， 1995)。

根据目前的知识，氢气被认为具有作为未来能源的潜力，所述未来能 源大体上独立于传统能源。实现上述情况的关键技术是氢气的生产、储存、 输送以及向能源的转化。

根据IEA的预测，目前全球氢气产量的95％是来自含碳原料，大部分 是来自矿物源。在大部分常规生产方法中，所述碳被转化为CO₂，CO₂逃 逸到大气中。由于认识到温室气体影响全球气候的变化，因此现在需要重 新思考这些常规的方法。还可以假设当与常规蒸汽转化方法结合时，所收 集的CO₂的地下储存将不会导致由化石能源生产出绝对纯净的氢气。

基本上，由烃生产氢气有两种途径，一种是氧化转化，另一种是非氧 化转化。

天然气(主要是甲烷)的蒸汽转化也称作SMR，这是一种非常完善的 商业化方法，全球48％的氢气产量是使用该方法获得的。该技术还可以使 用其他原料例如乙烷或石脑油实现，但是使用这些大分子物质获得的效率 较低(C.E.Grégoire Padró and V Putsche，“Survey of the Economics of Hydrogen Technologies”，September 1999，National Renewable Energy Laboratory)。所述SMR技术是基于甲烷与氢在催化剂存在下的反应。工业 上，该方法是在约800℃的温度和2.5MPa的压力下进行的。第一工艺步骤 包括将甲烷和氢转化为CO和氢。在第二步中，也称作水气反应，CO再次 与水蒸气一起转化并提供CO₂和氢气。虽然这种方法制备的氢气比甲烷具 有更高的能量，但是制备过程中的能量要求导致其有效能量产率局限于65 ％。使用膜将收集的CO₂从得到的气体中分离出来，在进一步的工艺步骤 中将其从其他外来物质中分离出来。在这些步骤中收集的气体仍然含有60 ％的可燃组分，引导所述气体返回转化器。

参见Kyoto协议以及旨在最少化温室气体的不同州的立法机关，SMR 方法的最大缺点在于其CO₂排放量高。本发明的核心问题是要避免该缺点。 而且，本文所述方法提供了将烃转化为氢气以及转化为可利用的纤维状碳 的经济方法。

非氧化方法包括将烃热解离、热分解或裂解为氢和烃，其中热解离也 称作温度诱导的解离。