用于操作化学反应器中的等离子体炬的方法与流程

本发明涉及化学反应器中的等离子体炬操作。

背景技术：

1、甲烷热解作为一种从甲烷中获取氢气和碳的工业过程正得到广泛发展，类似的热解过程可以用于其他烃。与大多数用于从烃形成氢气的方法不同，二氧化碳不是副产物，因此这可能是一种用于从烃(诸如甲烷)形成可用产物的特别清洁的方法，该烃在很大程度上作为污染废气来进行处理。已经建议将等离子体炬用于此类反应器类型中。

2、液态金属反应器为一种正在进行积极评估的用于甲烷热解的技术。perez等人，“methane pyrolysis in a molten gallium bubble column reactor for sustainablehydrogen production:proof of concept&techno-economic assessment”,international journal of hydrogen energy,第46卷，第7期，2021年1月27日，第4917-4935页，描述了熔融金属鼓泡柱中甲烷热解的概念验证评估。在足够高的温度下，液态金属反应器在吸热反应中将能量传输至烃原料气体以将其热解，其中氢气和碳作为反应产物。期望开发适于在连续反应中有效且大规模地进行有效热解过程的反应器结构。

技术实现思路

1、在第一方面，本发明提供了一种在包括等离子体炬和液体循环系统的化学反应器中操作等离子体炬的方法，其中液体循环系统包括在环境温度下为固体并且在反应温度下为液体的传导材料，该方法包括：操作等离子体炬以分解原料气体，由此将分解产物输出至液体循环系统中；关闭等离子体炬，由此等离子体炬的电极至少部分地由来自液体循环系统的传导材料所充满，传导材料冷却以形成传导塞；以及将等离子体炬重新点火以重新启动化学反应器，其中穿过传导塞来形成传导路径以将该传导塞熔融。

2、该方法允许延长等离子体炬的操作，以这样的方式保护所充满的电极免受老化，传导材料允许等离子体炬中的“软启动”，其保护电极免受初始浪涌，同时允许迅速返回至塞被迅速移除时的正常操作条件。

3、在实施例中，在将传导塞熔融时，传导塞的传导材料进入液体循环系统。这可以通过在熔融时使用压力将传导塞推入液体循环系统中来实现。这可以通过使用在传导塞后面的等离子体炬中提供的气体压力或者通过使用在传导塞与液体循环系统之间提供的真空来完成。

4、传导材料可以为金属或金属合金，它可以包含铅和铋中的一者或多者。

5、在实施例中，化学反应器包括用于将烃分解成碳和氢气的等离子体炬反应器。等离子体炬反应器可以用于甲烷的分解。在实施例中，化学反应器设置在压力容器内，并且化学反应器适于在显著高于环境压力的压力下操作。这可以在大于10巴的压力下，优选地在大于30巴下，并且更优选地在40巴至60巴的范围内操作。

6、在第二方面，本发明提供了一种液态金属反应器，其包括：至少一个原料气体输入部；液态金属循环系统；以及用以加热液态金属循环系统的装置，其中液态金属反应器适于使原料气体发生反应以形成多种反应产物，并且适于分离反应产物并将该反应产物作为来自液态金属反应器的输出产物来进行提供。

7、使用该方法，液态金属反应器可以特别有效地用于反应，因为液态金属循环系统有效地用于反应和反应产物的分离两者。

8、在实施例中，液态金属循环系统适配成使得通过离心作用将输出产物与液态金属分离。然后可以使用液态盐以从输出产物中移除液态金属。固体输出产物可以通过重力来从液态金属反应器的基部进行提取。

9、液态金属系统可以适于使用例如浮子阀来从液态金属反应器上方提取气态输出产物。

10、在实施例中，用以加热液态金属循环系统的装置可以为等离子体炬。这是一种特别有效的方法，因为除了传递热量之外，等离子体炬还可以设置为向液态金属系统的液态金属传递动量，例如通过输送等离子体射流，以驱使液态金属穿过液态金属循环系统。此类等离子体炬可以适于将液态金属加热至用于其他原料气体的反应温度。

11、当以这种方式使用等离子体炬时，等离子体炬和液态金属反应器可以设置在压力容器内。

12、此类液态金属反应器还可以包括热交换器，以使用来自气态输出产物的热量来将原料气体提升至反应温度。

13、在实施例中，原料气体包含烃。该反应器结构对于烃(诸如甲烷)的热解特别有效。在一些实施例中，其他原料气体可以进一步包含二氧化碳，用以与碳反应以形成一氧化碳，在这种情况下提供合成气作为输出产物。反应器可以构造为使得提供氢气和合成气两者作为单独的气态输出产物。

14、在实施例中，等离子体炬本身为适于烃的分解的等离子体炬反应器，其中来自等离子体炬的反应产物包含碳和氢气。此类等离子体炬反应器可以例如适于甲烷的分解。使用该方法，可以提供等离子体炬反应器的反应产物作为来自液态金属反应器的输出产物。

15、在第三方面，本发明提供了一种在液态金属反应器中使原料发生反应的方法，该方法包括：将至少一种原料气体输入提供至液态金属循环系统中；将液态金属循环系统的液态金属加热至用于原料气体的反应温度，以及使原料气体发生反应以形成多种反应产物，以及将反应产物分离并将该反应产物作为来自液态金属反应器的输出产物来进行提供。

16、该方法还可以涉及通过离心作用来将输出产物与液态金属分离，并且该方法可以进一步涉及使输出产物通过液态盐以将液态金属与输出产物分离。然后，固体输出产物可以通过重力来在液态金属反应器的基部处进行提取。然后可以从液态金属反应器上方提取气态输出产物。

17、在实施例中，液态金属循环系统用等离子体炬加热。使用该方法，还可以用等离子体炬向液态金属循环系统的液态金属提供动量，并且可以将液态金属加热至反应温度。

18、原料气体可以包含烃。在实施例中，原料气体进一步包含二氧化碳，用以与碳反应以形成一氧化碳，其中提供合成气作为输出产物。反应器可以被配置为使得提供氢气和合成气两者作为单独的气态输出产物。

19、在实施例中，等离子体炬本身为适于烃的分解的反应器。然后，该方法可以进一步包括用等离子体炬分解其他原料气体，其中来自等离子体炬的反应产物包含碳和氢气。此类等离子体炬反应器可以适于甲烷的分解。当采用该方法时，可以将等离子体炬反应器的反应产物作为来自液态金属反应器的输出产物而提供。

技术特征：

1.一种在包括等离子体炬和液体循环系统的化学反应器中操作等离子体炬的方法，其中所述液体循环系统包括在环境温度下为固体并且在反应温度下为液体的传导材料，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述传导塞熔融时，所述传导塞的所述传导材料进入所述液体循环系统。

3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括：在熔融时使用压力将所述传导塞推入所述液体循环系统中。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述压力由在所述传导塞后面的所述等离子体炬中提供的气体压力来提供。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述压力由在所述传导塞与所述液体循环系统之间提供的真空来提供。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述传导材料为金属或金属合金。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述传导材料包含铅和铋中的一者或多者。

8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述化学反应器包括用于将烃分解成碳和氢气的等离子体炬反应器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述等离子体炬反应器用于甲烷的分解。

10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述化学反应器设置在压力容器内，并且所述化学反应器适于在显著高于环境压力的压力下操作。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述化学反应器适于在大于10巴下，优选地在大于30巴下操作，并且更优选地适于在40巴至60巴的范围内操作。

技术总结
本发明描述了一种在包括等离子体炬和液体循环系统的化学反应器中操作等离子体炬的方法。所述液体循环系统包括在环境温度下为固体并且在反应温度下为液体的传导材料。所述方法首先涉及操作所述等离子体炬以分解原料气体，以便将分解产物输出至所述液体循环系统中。然后关闭所述等离子体炬，其中结果是所述等离子体炬的电极至少部分地由来自所述液体循环系统的传导材料所充满。所述传导材料冷却以形成传导塞。在将所述等离子体炬重新点火以重新启动所述化学反应器时，穿过所述传导塞来形成传导路径以将所述传导塞熔融。

技术研发人员：A·维坎普
受保护的技术使用者：西洛克斯发展有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25