[发明专利]用于裂解烃气体的方法和装置

说明书

裂解烃气体的方法，其中使烃气体经过吸收性的接收器反应器(1、30、40)的流道，其特征在于在经过接收器反应器(1、30、40)的过程中发生裂解，其中在流道(2)的第一区域(21)中，将烃气体加热到其裂解温度，在毗邻的第二下游流动区域(22)中加热到超过裂解温度，并在流道的第三更下游区域(23)中还进一步加热，并且在所述区域的横截面上与反应加速器物理接触，此后在反应加速器下游从接收器反应器(1、30、40)中排出产物料流，并且其中烃气体通过吸收黑体辐射(20)而实现加热到超过其裂解温度，所述黑体辐射由被入射到其上的太阳辐射(7)加热的反应加速器释放到流向其的烃气体，以使在流道(2)中延伸到反应加速器的烃气体形成与流道(2)横向延伸的一个接一个排列的各自具有递增温度的圆盘形温度区(60至67)。

本发明涉及根据权利要求1的上位概念的裂解烃气体，特别是甲烷的方法，和根据权利要求18、21和23的上位概念的用于进行这种方法的接收器反应器，以及根据权利要求34的固态储热器的用途。

烃气体，如甲烷、乙烷、丙烷或甚至丁烷的裂解通常以工业规模进行，其中甲烷的裂解特别被认为是未来可能的技术，因为反应CH₄ - C + 2 H₂在无氧气的情况下进行，因此不释放CO₂排放。生成的氢气充当能量载体，而碳在工业上用于制造如工业炭黑、石墨、金刚石、碳纤维、导电塑料或轮胎之类的产品。

迄今，还没有已知的工业可用和经济可行的使用太阳能裂解甲烷的方法。在这方面的困难是所需的在环境压力下大约500℃至大约1200℃的高温。在500℃下（下文称为裂解温度），在平衡状态下只有不到50%的甲烷解离，在1200℃下解离完成，但其中只有在长（理论上无限）时间后才达到平衡状态。在提高的运行压力下，需要更高温度以实现相同的平衡状态，即转化类似百分比的甲烷。总之，该反应是能量密集、缓慢和难管理的；此外，碳以游离纳米颗粒，即烟灰的形式释放。

WO 2018/205043公开了一种太阳能接收器，其中输送热以使该热用于下游工业过程的流体经过接收器的吸收室并可在其中被所述接收器中的吸收器的黑体辐射，即被红外辐射吸收性加热到所需工艺热，其中除CO₂、水蒸气、SO₂、SO₃、NO、NO₂和HCl外，甲烷因其作为红外吸收气体的性质也被认为是用于将热输送给消耗者的合适热载体。

在US 7 140 181中，建议使用太阳能反应器进行吸热反应，如气体裂解，其中描述了借助专门设计的接收器反应器由CO₂生产CO作为合成气成分。在这种接收器反应器中，在隧道中设置用于产生所需高温的陶瓷棒。接收器反应器的另一变体通常被描述为椭圆体形的“空腔反应器”，其中为了实现高热效率，吸收性预热要解离的气体，然后应通过由该椭圆体提供的反应器壁的整个大面积以对流方式加热到解离温度。

相应地，本发明的目的是提供用于甲烷裂解的太阳能法和用于甲烷裂解的接收器反应器。

通过具有权利要求1的特征的方法和通过具有权利要求18、21和23的特征的接收器反应器和同样通过根据权利要求34的分层固态储热器的用途实现这一目的。

由于烃气体或甲烷在接收器反应器中形成与流动路径横向的圆盘形温度区和因此各个层中具有相同温度水平的预定的特定温度分层，甲烷在反应加速器的方向上进行持续加热，而无法形成或获得不利影响解离程度的冷区或过热区，因此将整个甲烷料流逐渐加热到所需反应温度。通过使甲烷与物理反应加速器接触，提高反应速度以使得在经过的接收器反应器中实现基本完全反应。通过将甲烷借助吸收加热到超过其裂解温度和远远超过其裂解温度，获得特别高效的热化学过程，其中可随后在反应加速器中相对突然地引发裂解反应直至用于完全解离的平衡温度（和更高），其中在构造简单并具有低维护要求的接收器反应器中实现所有这些优点。

由于接收器反应器可用可还原气体交替运行，甚至在接收器反应器进行关于碳沉积的维护时也可生产合成气，该合成气同样可以工业规模用于燃料的合成生产。