[发明专利]使用微波辅助的催化剂上甲烷等离子体分解制造富氢燃料的方法和系统

说明书

技术领域

本发明总体来说涉及氢燃料的制造，并且具体来说涉及制造适合用作替代燃料的富氢燃料的方法和系统。

背景技术

例如氢气和天然气等气体替代燃料，因其在汽车发动机中清洁燃烧的特征而具有价值。已开发出多种用于制造氢气的方法。这些方法包括电解、外来水裂解(exotic water splitting)和从工业废水流中分离。

也可以通过天然气重整来制造氢气。通常使用多步法将例如甲烷、丙烷或天然气等烃燃料转化成高纯度氢气流。这一方法的步骤通常包括(1)合成气的产生，(2)水煤气变换反应，和(3)气体净化(例如，CO和CO₂的去除)。氢气流随后可用于多种用途，包括与其它气体混合制造替代燃料。

例如，一种称为HYTHANE的特别清洁燃烧的气体替代燃料包含氢气与天然气的混合物。HYTHANE中的前缀“Hy”取自氢气(hydrogen)。HYTHANE中的后缀“thane”取自甲烷(methane)，甲烷是天然气的主要成分。HYTHANE是Brehon Energy PLC的注册商标。HYTHANE通常含有以能量计约5％到7％的氢气，对应于以体积计15％至20％的氢气。

为制造氢气，一类称为“蒸汽重整器(steam reformer)”的重整器使用烃燃料和蒸汽(H₂O)。在蒸汽重整器中，烃燃料在含有蒸汽(H₂O)和一种或多种催化剂的加热反应管中反应。通过重整制造高纯度氢气通常需要高温(800-900℃)。蒸汽重整同时产生杂质，特别是CO和CO₂，如果不加以去除，那么最终会释放到大气中。

通过重整制造高纯度氢气还需要大量设备资金成本和大量生产成本，特别是电力成本。除这些缺点外，还很难制造蒸汽重整器的小型实施方案。氢气制造系统具有相对较小的体积将会很有利，如此替代燃料可在加油站规模的设施中而不是在炼油厂规模的设施中制造。

另一种从天然气制造氢气的方法包括甲烷热分解。例如，甲烷通过如下反应分解成氢气：

CH₄＝C+2H₂

例如，产生碳黑和氢气的“热炭黑法”中已使用天然气的热分解。使用热分解，产生每摩尔氢气的能量需求(37.8kJ/mol H₂)显着小于蒸汽重整法的能量需求(63.3kJ/mol H₂)。然而，这一方法仍需要高温(例如，1400℃)、高设备成本和高能耗。

最近，已结合各种催化剂研究了天然气的热分解，这些催化剂允许反应在较低温度下进行。例如，Wang等人的美国专利第7,001,586B2号揭示一种热分解方法，其中使用两种分别具有式NixMgyO和式NixMgyCuzO的催化剂将甲烷分解成碳和氢气。前者需要约425℃到625℃的较低温度，但寿命较短且活性较低。后者的寿命较长且活性较高，但所需的反应温度高得多，约600℃到775℃。不过更重要的是，这些方法需要高能耗来加热反应器的器壁、气体和催化剂。

已使用甲烷等离子体将甲烷转化成C₂(例如C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆)和氢气。当微波等离子体与金属催化剂组合时，通过微波能加热金属催化剂。迄今为止如文献所报导，甲烷微波等离子体与金属催化剂的组合可有效地将甲烷转化成C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆且H₂是副产物。但产物气体包含成化学计量关系的C₂和H₂，并且因C₂的浓度较高而不能直接用作HYTHANE。另外，现有技术的催化剂对碳沉积敏感，碳沉积会使催化剂失活并同时减少C₂与H₂的产生。

对氢气制造系统来说将有利的是，能够在较低温度下和较低能耗下执行、多种催化剂长时间内具有活性，以及极低的碳排放(例如，CO、CO₂)和微量的高级烃。另外，氢气制造系统具有适合制造含有氢气的替代燃料的体积和结构将会很有利。本发明针对一种制造富氢燃料的方法和系统，这种系统克服现有技术的氢气制造系统的许多缺点。