等离子体和氢气过程与联合循环动力装置和蒸汽重整器的集成的制作方法

本申请是申请日为2015年01月29日、申请号为201580006640.6、发明名称为“等离子体和氢气过程与联合循环动力装置和蒸汽重整器的集成”的中国专利申请(其对应pct申请的申请日为2015年01月29日、申请号为pct/us2015/013482)的分案申请。

相关申请的交叉参考

本申请是要求2014年1月30日提交的美国临时申请no.61/933,494的权益的2015年1月7日提交的美国申请no.14/591,528的延续，并且要求2014年1月30日提交的美国临时申请no.61/933,494和2015年1月7日提交的美国临时申请no.14/591,528的权益，其公开内容以其整体通过参考的方式明确地引入本文中。

本发明通常属于的技术领域是利用电能实现化学变化的方法和设备。

背景技术：

无论产品或过程多么独特，随着时间的流逝，所有的制造过程都寻求变得更高效和更有效率的方式。在其它事情中，这可以采取原料成本、能量消耗、或工艺效率的简单改善的形式。通常，如果不是全部的制造过程则为大多数的成本的重要部分的原料成本和能源趋向于随着时间而逐渐增加，如果没有其它原因的话，则这是由于按比例放大和增加的体积。出于这些和其它等原因，在该领域内存在对不仅改善要生产的产品，而且在降低整体环境影响的情况下以更高效和更有效率的方式生产这些产品的方式的不变探索。

本文中所述的体系满足上述挑战，同时也完成额外的进展。

技术实现要素：

说明一种纯化的氢气和燃料的生产方法，其包括：使来自等离子体过程的废气通过变压吸附系统而生成纯化的氢气产品和变压吸附废气，将纯化的氢气产品分离和压缩，并且将变压吸附废气分离和压缩以用作燃料、或者再回用于等离子体过程。

另外的实施方案包括：上述方法包括将来自等离子体过程的废气与来自甲烷蒸汽重整器的原料流混合之后，使组合的废气进入变压吸附系统；上述方法中，将来自甲烷蒸汽重整器的原料流和来自等离子体过程的废气在混合之前压缩；上述方法包括在使来自等离子体过程的废气进入变压吸附系统之前将富氢气体的原料流压缩并且将其添加至来自等离子体过程的废气；上述方法中，富氢气体由蒸汽重整过程生成；上述方法中，废气来自炭黑生成过程；上述方法中，变压吸附废气的至少一部分用于炭黑生成过程中；上述方法中，原料流以70.000百万标准立方英尺/日(mmscfd)流动，原料流氢气是97.49％的纯度，流动是在10磅/平方英寸表压(psig)、100°f、973.1百万英热单位(mmbtu)高位发热量(hhv/小时)和824.4mmbtu低位发热量(lhv/小时)下，原料流压缩机是在2×7000nhp下，纯化氢气在350psig、110°f下流进氢气产品压缩机并且在4,500nhp下压缩，变压吸附废气在5psig、90°f、1,250nhp下流进psa废气压缩机，从过程中的总的氢气回收率是89.5％，纯化的氢气产品是在100％纯度、900psig、100°f、827.0mmbtu(hhv/小时)和698.4mmbtu(lhv/小时)下的70.000mmscfd的氢气，生产的燃料是在50psig、100°f、146.6mmbtu(hhv/小时)和127.9mmbtu(lhv/小时)下的8.920mmscfd的燃料；上述方法中，废气具有70mmscfd的流量、10psig的压力、100°f的温度、2.53g/mol的分子量、97.49mol％氢气、0.20mol％氮气、1.00mol％一氧化碳、1.10mol％甲烷、0.14mol％乙炔、0.07mol％hcn和0.00mol％水。

还说明一种从联合循环动力装置中产生和获取电力的方法，其包括：使天然气流进等离子体过程氢气生成装置，使生产的氢气流进联合循环动力装置，使天然气流进联合循环动力装置，导致部分流进电网和部分流回等离子体过程氢气生成装置的电力的生产，总体降低从联合循环动力装置中的净空气排放。

另外的实施方案包括：上述方法中，等离子体过程是炭黑生成过程；上述方法中，1750btu/小时的天然气流进炭黑生成装置中，具有19的分子量且在34.5吨/小时下流动，炭黑生成装置具有7百万瓦特/小时/吨(mw/hr/吨)的电效率、200,000吨/年和25.0吨/小时的炭黑生产能力，生成1038mmbtu/小时、9.5吨/小时下的富氢废气和243.7mmbtu/小时的蒸汽，联合循环动力装置使用富氢废气具有6500btu/千瓦小时的热耗率，使用蒸汽具有8500btu/千瓦小时的热耗率，产生1157.6百万瓦特的电力，其中的982.6mw流进电网并且其中的175.0mw，来自氢气的159.7mw、来自蒸汽的28.7mw和过剩的13.4mw流回炭黑生成装置，并且其中天然气以6300mmbtu/小时也流进联合循环动力装置。

还说明一种获取从简单循环动力装置产生的电力的方法，其包括：将天然气流进等离子体过程氢气生成装置，将生产的氢气流进简单循环动力装置，将天然气和氮气稀释气体流进简单循环动力装置，导致流回等离子体过程氢气生成装置的电力的生产，总体降低从简单循环动力装置中的净空气排放。

另外的实施方案包括：上述方法中，等离子体过程是炭黑生成过程；上述方法中，1750btu/小时的天然气流进炭黑生成装置中，炭黑生成装置具有7百万瓦特/小时/吨(mw/hr/吨)的电效率、70mmbtu/吨的进料效率、200,000吨/年和25.0吨/小时的炭黑生产能力，以1050.0mmbtu/小时、9.5吨/小时生成氢气，氢气流进具有8500btu/kwh的热耗率燃料的简单循环动力装置，生产123.5mw来自氢气、51.5mw来自天然气的175.0mw的电力，其流回炭黑生成装置；上述方法中，具有以下性能–435.7mmbtu/小时、8631千克/小时(kg/hr)和10,788nm³/hr的天然气和46,822nm³/hr氮气稀释气体也流进简单循环动力装置。

还说明一种从蒸汽动力装置中生成和获取电力的方法，其包括：将电力和天然气输入等离子体过程炭黑、空气和氢气生成装置，将生产的空气和氢气流进蒸汽生成锅炉，将生成的蒸汽流进蒸汽动力装置，导致流回等离子体过程装置或流进电网的电力的生产，总体降低从蒸汽动力装置中的净空气排放。

另外的实施方案包括：上述方法中，在蒸汽动力装置中实现化石燃料的消耗和相关的空气排放的降低；上述方法中，等离子体过程是炭黑生成过程；上述方法中，天然气以34.5吨/小时、1,750.0mmbtu/小时流进具有7mw/hr/吨的电效率、70mmbtu/吨的进料效率、200,000吨/年和25.0吨/小时的炭黑生产能力的炭黑生成装置，生成炭黑，以9.5吨/小时、1038mmbtu/小时的氢气和在800℃下、以368吨/小时、287mmbtu/小时的空气，氢气和空气流进具有0.85的锅炉效率的锅炉中，产生在165bar和565℃下、1,126.13mmbtu/小时的蒸汽，该蒸汽流进具有0.40的蒸汽循环效率的燃煤发电的蒸汽动力装置，生成流回炭黑生成装置或流进电网的132mw的电力，将在燃煤发电的蒸汽动力装置中的耗煤量降低约26吨/小时(t/h)。

这些和另外的实施方案从以下描述中将是显然的。

附图说明

图1示出如本文中所述的典型的废气集成系统的图示。

图2示出如本文中所述的典型的联合循环动力装置集成系统的图示。

图3示出如本文中所述的典型的简单循环动力装置集成系统的图示。

图4示出如本文中所述的典型的蒸汽动力装置集成系统的图示。

具体实施方式

本文中示出的细节是通过实施例的方式，且仅是出于说明性讨论本发明的各种实施方案的目的，并且为了提供认为是本发明的原理和概念方面的最有用和容易理解的说明而提出。就这点而言，没有尝试比本发明的基本理解所必要的更详细地示出本发明的详情，该说明使得对于本领域技术人员明白本发明的几个形式如何可以在实践中体现。

本发明现在将通过参考更详细的实施方案来描述。然而，本发明可以以不同形式体现，而不应被解释为局限于本文中所述的实施方案。当然，提供这些实施方案，以致本公开将是全面和完整的，并且将本发明的范围充分地传达至本领域技术人员。

除非另有定义，否则用于本文中的所有技术和科学术语具有与本发明所属的领域普通技术人员一般了解的相同的含义。用于此处本发明的说明中的用辞仅是用于描述特定的实施方案，而不意欲限定本发明。如用于本发明的说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式“一”、“一个”和“那个”意欲也包括复数形式，除非上下文中另外清晰表明。本文中提及的所有公布、专利申请、专利和其它参考以其整体通过参考的方式明确地引入。

除非另有指明，否则用于说明书和权利要求书中的表示成分的量、反应条件等的所有数字理解为在所有状况下通过术语“约”修改。因此，除非相反地表示，在以下说明书和所附权利要求书中所述的数值参数是可以根据寻求通过本发明获得的期望的性能而改变的近似值。至少，并且不是作为限定与权利要求的范围相当的原理的应用的尝试，各数值参数应当解释为基于有效数字的位数和普通的四舍五入法。

虽然陈述本发明的宽范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实施例中所述的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含由在它们各自的测试测量中发现的标准偏差必然导致的确定的误差。贯穿本说明书中给出的每个数值范围将包括落在此类更宽的数值范围内的每个更窄的数值范围，仿佛此类较窄的数值范围在本文中全部明确写出。

本发明的另外的优势将在下面的说明中部分地陈述，并且在从描述中部分将是显然的，或者可以通过本发明的实践来领会。应理解的是如声称的，前述一般的描述和后述详细的描述均只是示例和解释，并且不限制本发明。

天然气的蒸汽重整或甲烷蒸汽重整(smr)是用于由天然气生产大体积的氢气的常用方法。例如，在金属系催化剂如镍的存在下，蒸汽与甲烷反应从而得到一氧化碳和氢气：

ch4+h2o→co+3h2

由生成的一氧化碳也可以生产另外的氢气：

co+h2o→co2+h2

例如，在美国每年生产的数百万吨氢气的绝大部分是通过天然气的蒸汽重整生产的。

变压吸附技术(psa)即使典型地用于根据各个气体的分子特征和对特定吸附剂材料的亲和性在压力下分离气体混合物中的气体。特别的吸附材料如沸石典型地用作分子筛，优先在高压下吸附特定的气体。然后该过程“变动”至低压操作从而使该特定的吸附的气体解吸。psa过程通常用于纯化由smr过程生产的氢气。

尽管复杂，但是简单循环动力装置典型地由连接至发电机的燃气涡轮机组成。燃气涡轮机典型地由气体压缩机、燃料燃烧器和气体膨胀动力涡轮机来组成。在燃气涡轮机中，空气在气体压缩机中压缩，能量通过在燃烧器中燃烧液体或气相燃料而加到压缩空气上，并且燃烧的热的压缩的产物通过驱动压缩机和发电机的燃气涡轮机膨胀。在联合循环动力装置中，从一个系统中的输出与输入至简单循环蒸汽动力装置中的总体联合从而增加其总体效率。

在其它过程和化学过程中的炭黑处理和等离子体的使用均可以生成有用的氢气作为副产物。生产的氢气可以被其它终端用户例如像炼油厂那样来使用。典型地，氢气需要在输送至终端用户之前纯化和压缩。如本文中所述，许多优势可以通过炭黑和其它等离子体处理直接集成为现有的过程来实现。例如，作为此类系统的更有利的技术集成的结果，可以实现无数的效率。普通的装备可以共享，如单一的psa、单一的氢气压缩机，等等。多个能量或化学物质流可以集成，例如，生产的氢气可以与联合循环动力装置直接集成，并且可以接收回电力。

美国专利no.6,395,197公开了在等离子体系统中生产炭黑和氢气、然后使用氢气在燃料电池中产生电的方法。它没有描述等离子体炭黑和氢气装置与psa压缩系统、联合循环动力装置、简单循环动力装置或蒸汽动力装置的集成。另外，所描述的系统是实验室规模，并且与炭黑氢气等离子体装置的集成相关的许多挑战是规模的结果。

如本文中所述，一个实施方案是仅具有输入至psa和压缩系统的一个流，来自等离子体过程的废气。第二实施方案包括将来自等离子体过程的废气与由甲烷蒸汽重整器生成的原料流混合，然后将组合的输入流进入psa和压缩系统。第三实施方案包括压缩经由甲烷蒸汽重整生成的原料流，然后将压缩的来自等离子体过程的废气与压缩的原料流混合。然后将组合的流注入psa系统。第四实施方案包括将变压吸附废气的一部分再循环回到炭黑生成过程。

实施例1

如图1中示意性示出的，70.000百万标准立方英尺/日(mmscfd)、97.49％纯度、10磅/平方英寸表压(psig)、100°f、973.1百万英热单位(mmbtu)高位发热量(hhv/小时)和824.4mmbtu低位发热量(lhv/小时)的氢气的原料流(10)在2×7000nhp(标称马力流量＝70mmscfd)下流进进料压缩机(11)。在该点时，将来自炭黑生产装置的废气(12)在其进入psa单元(13)之前添加至压缩的流。还应当注意的是：不要求存在原料流和另外的废气流。原料流可以仅为来自等离子体过程流的废气并且在系统(17)的前端添加。废气性能在下表中示出。

表

压缩的废气流是在365psig下的70.000mmscfd的97.49％纯度的氢气。psa单元的输出是在350psig、110°f下，在4,500nhp下进入氢气产品压缩机(14)，并且在5psig、90°f下在1,250nhp下进入psa废气压缩机(15)。从氢气psa单元(13)中的氢气回收率是89.5％。氢气产品压缩机(14)的输出是具有以下性能的氢气产品：在100％纯度、900psig、100°f、827.0mmbtu(hhv/小时)和698.4mmbtu(lhv/小时)下的70.000mmscfd的氢气。从psa废气压缩机(15)中回收的燃料是具有以下性能的燃料：在50psig、100°f、146.6mmbtu(hhv/小时)和127.9mmbtu(lhv/小时)下的8.920mmscfd的燃料。

实施例2

图2示意性示出具有以下性能—1750.0btu/小时、34.5吨/小时—的天然气(21)，其进入具有以下性能—7百万瓦特/小时/吨(mw/hr/吨)的电效率、70mmbtu/吨的进料效率、200,000吨/年和25.00吨/小时的炭黑生产—的炭黑生成装置(22)，生成炭黑(23)和具有以下性能—1038mmbtu/小时和9.5吨/小时—的氢气(24)。氢气流进具有以下性能—6500btu/千瓦小时(kwh)的耗热率燃料、8500btu/kwh的耗热率蒸汽—的联合循环动力装置(25)，产生1157.6百万瓦特(mw)的电力，其中的(26)553mw流进电网(27)和其中的175.0mw(159.7来自氢气，28.7来蒸汽，13.4mw过剩需要的/产生的)流回炭黑生成装置(22)。具有以下性能—6300mmbtu/小时—的天然气(29)也流进联合循环动力装置(25)。

实施例3

如图3中示意性示出的，具有以下性能—1,750.0mmbtu/小时、34.5吨/小时(tons/hr)—的天然气(31)进入具有以下性能—7mw/hr/吨的电效率、70mmbtu/吨的进料效率、200,000吨/年和25.00吨/小时的炭黑生产，伴随有每年322,787吨的二氧化碳减少和每吨87.5mmbtu的总的进料效率—的炭黑生成装置(32)，生成炭黑(33)和具有以下性能—1050.0mmbtu/小时、9.5吨/小时、106,991nm³/hr(标准米制，即，气体在常规条件即0℃和1个大气压下的立方米)—的氢气(34)。氢气流进具有以下性能—8500btu/kwh的耗热率燃料—的简单循环动力装置(35)，产生流回炭黑生成装置(32)的175.0mw的电力(36)(123.5来自氢气、51.5来自天然气)。具有以下性能—435.7mmbtu/小时、8631千克/小时(kg/hr)和10,788nm³/hr—的天然气(37)和具有以下性能—46,822nm³/hr—的氮气稀释气体(38)也流进简单循环动力装置(25)。

实施例4

如图4中示意性示出的，具有以下性能—1,750.0mmbtu/小时、513分子量(g/mol)、34.5吨/小时(tons/hr)—的天然气(41)流进具有以下性能—7mw/hr/吨的电效率、70mmbtu/吨的进料效率、200,000吨/年和25.00吨/小时的炭黑生产—的炭黑生成装置(42)，在800℃下生成炭黑(43)和具有以下性能—1038mmbtu/小时、9.5吨/小时—的氢气(45)，和具有以下性能—287mmbtu/小时、84分子量—的空气(44)。氢气和空气流进具有0.85的锅炉效率的锅炉(46)，在165bar和565℃下生成流进具有0.40的蒸汽循环效率的传统的发电蒸汽动力装置(48)的具有以下性能—1,126.13mmbtu/小时—的蒸汽(47)。具有以下性能—450mmbtu/小时和132mw加强—的生成的电力(49)流回炭黑生成装置(42)。传统的锅炉蒸汽动力装置可以是位于炭黑生成设施中的新的装置，或者它可以是现有的煤炭、石油、燃气动力装置。在现有的化石燃料装置的情况下，显著的降低是烃类的燃烧，并且还实现了相关的有毒和无毒的空气污染物的排放的减少。与工业蒸汽过程集成的传统的背压式蒸汽轮机的运用也是可以使用的。

因而，本发明的范围应包括可以落在所附权利要求的范围内的所有修改和变化。本发明的其它实施方案从考虑这里公开的本发明的说明书和实践对于本领域技术人员而言将是显然的。意图是说明书和实施例仅作为示例考虑，而本发明真正的范围和精神将通过所附权利要求指明。