背景技術(shù)：

1、本發(fā)明涉及在貧氧或缺氧環(huán)境中在超高溫下熱解烴，使得在減少溫室氣體排放或無溫室氣體排放的情況下，可經(jīng)濟高效地收獲氫氣和高純碳。

2、人們對減少溫室氣體排放越來越感興趣。溫室氣體排放的主要來源是燃燒氣態(tài)、液態(tài)和/或固態(tài)化石燃料以產(chǎn)生熱量。在發(fā)電廠，熱量通常是通過汽輪機或直接驅(qū)動然后轉(zhuǎn)化為電力。所有的化石燃料都是烴，這意味著這種材料既有碳原子又有氫原子。例如，甲烷的化學式為ch4，每個碳原子對應4個氫原子。碳的原子量為12g/mol，氫的原子量為1g/mol，甲烷的分子量為16g/mol。甲烷中碳和氫的重量百分比為75wt％碳和25wt％氫。

3、按照化學計量，甲烷燃燒的平衡化學反應為：

4、ch4+2o2→co2+2h2o。

5、按照化學計量，燃燒1mol?ch4產(chǎn)生1mol?co2。二氧化碳的分子量為44g/mol。燃燒1mol(16g)ch4產(chǎn)生1mol(44g)co2。

6、需要通過有效和經(jīng)濟的方法處理烴，以h2氣體的形式釋放氫氣，同時以固體碳的形式捕獲大部分碳。捕獲的固體碳的潛在用途的非限制性實例包括化學原料、碳電極、高溫耐火材料和電池。電池市場將繼續(xù)增長，以支持車輛電氣化和電網(wǎng)儲能。這些實施例不旨在限制通過本文所述方法生產(chǎn)的碳的潛在用途。固體碳可以被隔離，防止其以二氧化碳的形式排放到空氣中。隔離將是碳最低價值的用途。

7、氫氣(h2)是分子量最低的分子，為2g/mol。液化h2用于儲存和運輸在經(jīng)濟上是不可行的。高壓罐和管道是所討論的增加氫氣運輸和儲存的能量密度的方法之一。高壓運輸氣體管道通常由金屬制成，通常是鐵和鋼。隨著時間的推移，氫會與金屬發(fā)生反應，導致金屬變脆。高壓下的脆性金屬容易損壞。眾所周知，天然氣管道最終會在大部分連接處開始泄漏。如果分子量約為16g/mol的天然氣或甲烷容易泄漏，那么分子量較低的2g/mol的氫氣預計會泄漏同樣多或明顯更多。雖然泄漏的h2不會被視為溫室氣體風險，但與泄漏的ch4不同，在長距離高壓運輸h2氣體的過程中h2泄漏的損失是一個重大的經(jīng)濟風險。

8、因此，迫切需要以有效和低成本的方式處理烴，以收獲高質(zhì)量的氫、碳和其他產(chǎn)品。需要生產(chǎn)即時使用的氫氣，以便很少或沒有儲存和運輸。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明涉及將氣態(tài)、液態(tài)和/或固態(tài)烴轉(zhuǎn)化為氫氣和固態(tài)碳，同時最大限度減少二氧化碳排放的方法。所公開的方法包括烴的快速超高溫熱解。

2、所公開的烴熱解方法通過將烴原料暴露于高溫貧氧燃燒氣體來產(chǎn)生氫氣和碳。如下所述，在一些實施方案中，高溫、貧氧燃燒氣體從離開無閥脈沖燃燒器(vpc)的燃燒氣體獲得，以使烴原料熱解并產(chǎn)生氫氣和碳。

3、本文公開的烴熱解方法顯示了烴在高溫(>2400℃)和短停留時間(<30秒)下在貧氧氣體中的熱解，以產(chǎn)生氫和碳。

4、如本文所用，術(shù)語“高溫貧氧燃燒氣體”的初始溫度在約2400℃至約3400℃或更高的范圍內(nèi)，即約2400℃、2500℃、2600℃、2700℃、2800℃、2900℃、3000℃、3100℃、3200℃、3300℃、3400℃或高于3400℃，其中任何所述值都可以形成范圍的上限或下限。如本文所用，術(shù)語“超高溫”包括高于3000℃的燃燒氣體溫度。在與烴原料初始接觸時，燃燒氣體立即開始冷卻，因為來自高溫或超高溫燃燒氣體的熱量形式的能量被傳遞給烴原料以提高烴原料的溫度。

5、如本文所用，術(shù)語“貧氧”、“缺氧”或“非常低的過量氧”是指小于約4vol％、3vol％、2vol％、1vol％、0.5vol％、0.2vol％、0.1vol％的o2，其中任何所述值可形成范圍的上限或下限。

6、如本文所用，術(shù)語“短停留時間”是指烴原料暴露于高溫貧氧氣體的時間少于30秒。由于工藝系統(tǒng)設備內(nèi)的運輸時間，烴原料暴露于高溫的總時間可能大于1秒。暴露時間可以小于30秒、25秒、20秒、18秒、16秒、14秒、12秒、10秒、9秒、8秒、7秒、6秒、5秒、4秒、3秒、2秒和1秒，其中任何所述值可以形成范圍的上限或下限。

7、如本文所用，術(shù)語“烴”包括但不限于化石燃料，如煤、石油和天然氣、木材、生物廢物等。

8、在一些實施方案中，高溫貧氧氣體從無閥脈沖燃燒器(vpc)或脈沖射流排出的燃燒氣體中獲得，以使烴原料熱解并產(chǎn)生氫氣和碳。vpc不僅為熱解過程提供熱燃燒氣體，而且vpc也提供聲能源。無閥脈沖燃燒器產(chǎn)生大約20hz至200hz的壓力波，以進一步提高通過熱解分離的烴處理的效率。不受理論的束縛，通過vpc添加到熱解過程中的聲能形式的壓力脈沖用于改善在所公開的氫氣和碳的熱解分離過程中發(fā)生的各種反應的反應動力學。

9、在一些實施方案中，不是使用約20vol％氧氣和80vol％氮氣的大氣空氣作為vpc中燃燒的氧源，而是將空氣中的氧氣濃縮至大于50vol％o2的量。在一些非限制性實施方案中，氧氣被濃縮至大于60vol％的量。在一些非限制性實施方案中，氧氣被濃縮至大于70vol％的量。在一些非限制性實施方案中，氧氣被濃縮至大于75vol％的量。在一些非限制性實施方案中，氧氣被濃縮至大于85vol％的量。在一些非限制性實施方案中，氧氣被濃縮至大于90vol％的量。在一些非限制性實施方案中，氧氣被濃縮至大于93vol％的量。應當理解，更高的氧含量允許更高的火焰溫度和更高的燃燒氣體溫度。

10、所公開的高溫連續(xù)方法的實施方案賦予碳餾分顯著且出乎意料的價值，從而實現(xiàn)并支持這種熱解方法生產(chǎn)氫氣的經(jīng)濟可行性。本文生產(chǎn)的氫氣可以有利地用作連續(xù)方法中的燃燒燃料或化學反應物。

11、在一些公開的實施方案中，氫氣生產(chǎn)與氫氣使用點共址相鄰或靠近，作為連續(xù)方法的一部分，不進行長期的h2儲存，在h2氣體使用所需的壓力下，從生產(chǎn)點到附近使用點的h2運輸距離很短。通過這樣做，儲氫需求被最小化或消除。在使用點所需的壓力下，氫的運輸是短距離的。

12、共址或使用點氫氣生產(chǎn)設備的非限制性潛在用途包括發(fā)電。例如，高溫熱解過程可以被放大以產(chǎn)生足夠的氫氣來運行全尺寸的發(fā)電廠，例如600mw?？梢灾С指』蚋蟮陌l(fā)電廠規(guī)模。600mw發(fā)電廠為非限制性實例。

13、共址或使用點氫氣生產(chǎn)設備的另一種非限制性潛在用途包括濕法冶金，其中氫氣被用作將金屬礦石還原為元素金屬形式的過程的一部分。共址的氫氣生產(chǎn)設備的另一個非限制性潛在用途包括需要氫氣作為反應物的化學過程，例如氨生產(chǎn)過程。

14、在使用點以商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)氫氣，同時通過生產(chǎn)有價值的固體碳產(chǎn)品而不是co2廢氣來最小化或消除co2排放，是本領域的重大進步。

15、如本文所用，wt％表示重量百分比。

16、如本文所用，vol％表示體積百分比。

17、如本文所用，mol％表示摩爾百分比，即基于氣流中氣體分子摩爾數(shù)的百分比。在理想氣體中，vol％和mol％是相等的。

18、如本文所用，mtph表示公噸/小時。

19、如本文所用，vpc表示無閥脈沖燃燒器。

20、如本文所用，mw表示兆瓦。

21、如本文所用，mm表示百萬。

22、如本文所用，btu表示英國熱量單位，相當于約1055焦耳。

23、如本文所用，maf表示不含水分和灰分。

24、如本文所用，表述[a]、[b]、[c]“和/或”[d]表示由表述“和/或”連接的一種或多種情況可單獨出現(xiàn)或組合出現(xiàn)。因此，表達方式[a]或[b]或[c]或[d]可以單獨出現(xiàn)，或者可以出現(xiàn)任意兩種或多種情況的組合，例如[a]和[b]、[a]和[c]、[b]和[c]、[a]、[c]和[d]等。

25、如本文所用，除非另有明確說明或另有明確暗示，否則術(shù)語“約”表示加上或減去10％(“±10％”)的值范圍，例如，約1.0包括0.9至1.1的值。

26、濃度、數(shù)量和其他數(shù)值數(shù)據(jù)在本文中可以以范圍格式表示或呈現(xiàn)。應當理解，這樣的范圍格式僅僅是出于方便和簡潔而使用的，因此應當靈活地解釋為不僅包括作為范圍的界限而明確列舉的數(shù)值，而且包括該范圍內(nèi)包含的所有單個數(shù)值或子范圍，就好像每個數(shù)值和子范圍都被明確列舉一樣。作為說明，“約1至約5”的數(shù)值范圍應被解釋為不僅包括明確列舉的約1至約5的值，還包括指示范圍內(nèi)的單個值和子范圍。因此，包括在該數(shù)值范圍內(nèi)的是諸如2、3和4的單個值以及諸如1-3、2-4和3-5等的子范圍。同樣的原理適用于僅列舉一個數(shù)值的范圍。此外，無論所描述的范圍或特征如何，這種解釋都應適用。

27、本說明書中提及的“一種實施方案”、“一個實施方案”或類似語言是指結(jié)合該實施方案描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個實施方案中。因此，在整個說明書中出現(xiàn)的短語“在一種實施方案中”、“在一個實施方案中”以及類似的語言可以但不一定都指同一實施方案。此外，盡管下面的描述涉及所述發(fā)明的各種部件和過程的幾個實施方案和實施例，但是所有描述的實施方案和實施例在所有方面都被視為僅僅是說明性的，而不是以任何方式進行限制。此外，所描述的本發(fā)明的特征、結(jié)構(gòu)、特性、過程或方法可以以任何合適的方式組合在一個或多個實施方案中。

28、應理解，前述一般說明和以下詳細說明均為示例性和解釋性說明，并不是對所要求保護的本發(fā)明的限制。應當理解，所公開的發(fā)明的具體方面和特征可以與所公開的發(fā)明的其他具體方面和特征自由組合。應當理解，各種實施方案不限于附圖中所示的布置和手段。還應該理解的是，這些實施方案可以組合，或者可以利用其他實施方案，并且除非另有聲明，否則在不脫離本發(fā)明的各種實施方案的范圍的情況下，可以進行結(jié)構(gòu)改變。因此，以下詳細描述不應被視為限制性的。