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CN113164906B - 用于产生一种或多种产物的方法和反应器 - Google Patents

用于产生一种或多种产物的方法和反应器 Download PDF

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Abstract

将诸如天然气的原料气体引入混合腔室。例如，在引入原料气体的同时，将可燃气体引入燃烧腔室中。在此之后，点燃可燃气体，以便使可燃气体经由燃烧腔室与混合腔室之间的一个或多个流体流动路径流入混合腔室，并且与原料气体混合。可燃气体与原料气体的混合产生一种或多种产物。

Description

用于产生一种或多种产物的方法和反应器
技术领域
本公开涉及一种用于例如通过裂解原料气体(诸如，天然气)来产生一种或多种产物的方法和相关反应器。
背景技术
天然气(CH4)的化学裂解是指天然气分离成其碳(C)和氢气(H2)的组成组分。氢气生成的常规方法(诸如，蒸汽甲烷重整(SMR))导致大量的稀释CO2排放，这可能需要昂贵的重整后净化以隔离。其结果是，因此，SMR每产生一吨H2产生大约8至10吨CO2。将CO2净化添加至SMR烟气流通常成本高昂，除非二氧化碳排放的处罚增加到临界点。
存在其他热分解以产生氢气和固体碳的方法，诸如，热和液体金属热解和等离子体热解。这些工艺通常为了最大限度地为相关的碳市场产生固体碳而定制，并且广泛用于这些工业中。
天然气的热裂解通常是恒定压力、稳定流动的过程，由此天然气被加热直到其达到开始形成氢气和碳所需的温度。此时，将温度保持一定时间以完成平衡反应。假设恒定压力为1ATM，随着温度的升高，甲烷转化所需的时间减少(如图1所示-从甲烷和乙烷的均相热分解的动力学模型，从甲烷和乙烷均相热分解动力学模型中获得的图纸，MaryanYounessi-Sinaki，Edgar A，Matida，Feridun Hammullahpur，Carleton University，Department of Mechanical and Aerospace Engineering，1125Colonel By Drive，Ottawa，ON K1S 5B6，Canada，其全部内容通过引用合并于此)。
在这种稳定流动反应器中，形成的碳倾向于在反应器的表面堆积，最终变得如此厚以致于损害反应器性能。机械刮除工艺或通过将空气引入反应器而将碳从表面烧掉是清洁反应器的两种常用手段。难以实施机械刮除并且可能不能去除硬碳沉积物。用空气将碳燃烧掉产生大量的CO2排放，这是不期望的。因此，非常期望首先不在表面上形成碳，并且将所产生的碳送至下游工艺。
此外，需要较短的反应时间来减小反应器的尺寸，但这需要非常昂贵的高温和外来材料。为了尝试并且克服这一点，将具有降低反应温度效果的催化剂加入反应器中。然而，碳堆积现在也发生在催化剂的表面，随着时间的推移，催化剂会失活并且需要再活化过程或被替换。这两种选择都是昂贵的并且增加了工艺的复杂性。
液体介质反应器(诸如，液体金属反应器)涉及一种热工艺，由此使天然气鼓泡通过高温液体(诸如，液体金属或盐)的塔。由于这是一种恒压稳流工艺，因此应用与上述相同的温度随时间变化的反应速率。这种工艺的好处在于，由于产生的氢气气泡从反应器塔的顶部出来，并且碳漂浮在液体介质的表面上，因此理论上可以将其撇去，从而简化了氢气和碳的分离。在一些实施例中，已经确定提供催化效果并且降低反应温度的液态金属合金。然而，在所有情况下，在反应器顶部的碳堆积仍然是一个问题，并且熔融介质的使用增加了反应器的复杂性、材料挑战和成本。
对于大多数热工艺而言，通常通过燃烧一些过量的天然气与空气来提供加热反应器和维持过程所需的能量。这种烟道气体将CO2释放到大气中并且有助于全球变暖。在一些情况下，过量的碳堆积和/或氢气也可以用于提供反应热。
等离子体反应器使天然气在恒定压力下穿过由电力产生的高温等离子体。等离子体可以通过使用例如电极或微波来产生。在这些反应器中，碳堆积仍然是个问题，但是比热反应器更少，因为高温等离子体被限制在非常小的区域。不同于热反应器，等离子体反应器仅依靠电力作为能量输入。与热系统相比，输入能量的电力成本比天然气的电力成本高得多，并且因此氢气和甲烷的所得生产成本高得多。
因此，本领域需要天然气裂解方法，其使用具有较低资金成本且较少遭受碳堆积问题的热能。
发明内容
总体上，本公开涉及(但不限于)使用动态气体压缩和混合以产生热分解天然气所需的压力和温度，将天然气裂解成碳(C)和氢气(H2)的组分。该工艺的目标是优化用于氢气产出的工艺并且回收固体碳作为第二价值流，同时使碳温室排放最小化。当与直接碳燃料电池(DCFC)配对时，碳产物可以用于生成电力并且纯产物流CO2适用于封存(参见图2)。结果是产生低成本的“清洁”氢气。
根据本公开的第一方面，提供了一种产生一种或多种产物的方法，包括：将原料气体引入混合腔室，其中，原料气体包括一种或多种气体；将可燃气体引入燃烧腔室，其中，可燃气体包括一种或多种气体；并且在此之后，点燃可燃气体，以便使可燃气体经由燃烧腔室与混合腔室之间的一个或多个流体流动路径流入混合腔室，并且与原料气体混合，其中，能量从可燃气体传递至原料气体，从而产生一种或多种产物。
原料气体与可燃气体可以使得在点燃之前原料气体基本上不与可燃气体混合、或者历经极少或可忽略不计的混合的方式引入。
方法还可以包括停止一种或多种产物的进一步产生。
方法还可以包括在将原料气体引入混合腔室中之前预加热原料气体。
方法还可以包括在将可燃气体引入燃烧腔室中之前预加热可燃气体。
混合腔室的容积与燃烧腔室的容积的比可以小于或等于约10:1。
混合腔室的长度与混合腔室的直径的比可以小于或等于约30:1。
原料气体可以包括天然气。原料气体可以包括天然气和再循环气体的混合物。再循环气体可以包括以下一种或多种：天然气；氢气；一氧化碳；以及二氧化碳。
可燃气体可以包含氧化剂。氧化剂可以包括氧气和空气中的一种或多种。可燃气体可以包括CH4和O2的混合物。可燃气体可以包括再循环气体与氧化剂的混合物。再循环气体可以包括以下一种或多种：天然气；氢气；一氧化碳；以及二氧化碳。
在将原料气体引入混合腔室的同时可以将可燃气体引入燃烧腔室中。
可以将可燃气体以与将原料气体引入混合腔室的压力相等的压力引入燃烧腔室。
一种或多种产物可以包括氢气和碳中的一种或多种。
一种或多种产物可以包括氢气和一氧化碳中的一种或多种。
一种或多种产物可以包括氢气、氮和碳中的一种或多种。氢气和氮气可以用于产生氨。
停止一种或多种产物的进一步产生可以包括降低混合腔室内的压力。混合腔室内的压力可以足够快速地降低，例如在小于1秒内降低至少50％，以便抑制混合腔室的积碳。
通过可燃气体的燃烧生成的压力波可以抑制混合腔室的积碳。
能量可以经由气体动态压缩和混合从可燃气体传递至原料气体。
在点燃之后但在可燃气体与原料气体混合之前，燃烧腔室中的温度可以是约90ATM和-3,700K，例如以纯O2作为氧化剂并且再循环气体作为可燃气体。
在将可燃气体与原料气体混合之后，并且在产生一或多种产物之前，可以将至少一部分的原料气体和可燃气体的混合物转移至第三腔室。因此，当用户等待在第三腔室中产生一种或多种产物时，燃烧腔室和混合腔室可以补充新鲜的可燃气体和原料气体。
在本公开内容的另一方面，提供了一种原料气体反应器，包括：混合腔室；燃烧腔室；阀门，该阀门用于控制气体流入和流出混合腔室和燃烧腔室；点火器；以及一个或多个控制器，该控制器被配置为执行以下方法，该方法包括：控制阀门以将进料气体引入混合腔室，其中，原料气体包括一种或多种气体；控制阀门以将可燃气体引入燃烧腔室，其中，可燃气体包括一种或多种气体；在此之后，控制点火器以点燃可燃气体，以便使可燃气体经由燃烧腔室与混合腔室之间的一个或多个流体流动路径流入混合腔室，并且与原料气体混合，其中，能量从可燃气体传递至原料气体，从而产生一种或多种产物。
原料气体和可燃气体可以使得原料气体基本上不与可燃气体混合的方式引入。
方法还可以包括控制阀门以停止一种或多种产物的进一步产生。
燃烧腔室可以位于混合腔室内。燃烧腔室可以从混合腔室的纵向轴线偏移。
燃烧腔室可以位于混合腔室外部。
燃烧腔室可以包括形成在其中的一个或多个孔。
原料气体反应器可以包括结合本发明的第一方面描述的任何特征。
在本公开内容的另一方面，提供了一种原料气体反应器，包括：混合腔室；燃烧腔室，该燃烧腔室包括在其中形成的一个或多个孔，其中，一个或多个孔提供从燃烧腔室至混合腔室的一个或多个流体流动路径；阀门，该阀门用于控制气体流入和流出混合腔室和燃烧腔室；以及点火器。
原料气体反应器可以包括结合本发明的第一方面描述的任何特征。
控制阀门可以包括控制单个阀的打开和/或关闭。替代性地或此外，控制阀门可以包括相对于反应器旋转的阀(例如，使用马达)。
在本公开内容的另一方面，提供了一种系统，该系统包括：多个原料反应器，每个反应器包括：混合腔室；燃烧腔室；以及点火器；阀门，该阀门用于控制气体流入和流出混合腔室和燃烧腔室；以及一个或多个控制器，该控制器被配置为执行以下方法，该方法对于每个反应器包括：控制阀门以将原料气体引入混合腔室，其中，原料气体包括一种或多种气体；控制阀门以将可燃气体引入燃烧腔室，其中，原料气体包括一种或多种气体；在此之后，控制点火器以点燃可燃气体，以便使可燃气体经由燃烧腔室与混合腔室之间的一个或多个流体流动路径流入混合腔室，并且与原料气体混合，其中，将能量从可燃气体传递至原料气体，并且由此产生一种或多种产物，其中，对于给定的反应器，方法与多个反应器中的至少一个其他反应器不同步地进行。
对于每个反应器，原料气体和可燃气体可以使得原料气体基本上不与可燃气体混合的方式引入。
对于每个反应器，方法还可以包括控制阀门以停止该一种或多种产物的进一步产生。
多个反应器可以围绕中心轴线径向布置，并且系统还可以包括旋转器，该旋转器被配置为：使多个反应器相对于包括阀门的阀组件围绕中心轴线旋转；或使包括阀门的阀组件相对于多个反应器围绕中心轴线旋转。因此，阀组件可以在反应器静止时旋转，或者阀组件可以在反应器旋转时静止。在一些实施方式中，阀组件和反应器甚至可以同时旋转。
控制阀门可以包括控制单个阀的打开和/或关闭。替代性地或此外，控制阀门可以包括相对于反应器旋转的阀(例如，使用马达)。
系统可以包括结合本发明的第一方面描述的特征中的任一者。
在本公开的另一方面，提供了一种系统，包括：任何上述反应器中的一个或多个反应器；以及一个或多个燃料电池，该燃料电池联接至一个或多个反应器并且被配置为接收由可燃气体与原料气体的混合而产生的碳。
系统可以包括结合本发明的第一方面描述的特征中的任一者。
附图说明
现在将结合附图详细描述本公开的实施方式，其中：
图1是在不同温度和时间常数下在1个大气压的压力下由甲烷产生的氢气的摩尔分数的图；
图2示出根据本公开的实施方式的天然气解离和用于产生氢气、电力和纯二氧化碳的碳燃料电池的组合；
图3是根据本公开的实施方式的用于裂解天然气的系统的示意图；
图4A和图4B示出根据本发明的实施方式的混合腔室和燃烧腔室的不同布置；
图5是根据本公开的实施方式的裂解天然气的方法的示意图；
图6示出根据本发明的实施方式的包括不同步地操作的成束反应器的系统的不同配置；
图7示出根据本公开的实施方式的围绕固定阀旋转的成束反应器；
图8是根据本公开的实施方式的燃烧腔室和混合腔室以及第三腔室的示意框图，该混合腔室用于提供原料气体与可燃气体的混合，可燃气体和原料气体混合物被引导至第三腔室，并且在第三腔室中由混合物产生一种或多种产物；
图9是根据本公开的实施方式的燃烧腔室和混合腔室的示意性框图，该混合腔室用于提供原料气体与可燃气体的混合，并且其中，由混合物产生一种或多种产物；
图10是根据本公开的实施方式的燃烧腔室和混合腔室的示意性框图，该混合腔室用于提供原料气体与可燃气体的混合，并且其中，由混合物产生一种或多种产物，并且其中，再循环的气体用于为工艺提供热能；
图11是根据本发明的实施方式的位于混合腔室内的燃烧腔室的示意图；
图12是根据本发明的实施方式的位于混合腔室外部的燃烧腔室的示意图；
图13示出根据本公开的实施方式的布置在混合腔室内的燃烧腔室；并且
图14示出根据本公开的实施方式的具有固定反应器和旋转阀的多反应器束。
具体实施方式
本公开寻求提供用于产生一种或多种产物的改进的方法和反应器。虽然以下描述了本发明的各种实施方式，但本发明不限于这些实施方式，并且这些实施方式的变型可以很好地落在本发明的范围内，该范围将仅由所附权利要求书限制。
当在权利要求书和/或说明书中与术语“包含”或“包括”结合使用时，词语“一(a)”或“一个(an)”可以意指“一个(one)”，但是它也与“一个或多个”、“至少一个”、以及“一个或多于一个”的含义一致，除非内容另外清楚地指明。类似地，词语“另一”可以意指至少第二个或更多个，除非内容另外清楚地指明。
如在此使用的术语“联接的”、“联接”或“连接的”可以具有若干不同的含义，这取决于使用这些术语的上下文。例如，术语联接的、联接或连接可以具有机械或电气含义。例如，如本文中所使用的，术语联接的、联接或连接可以指示两个元件或设备直接连接至彼此，或者取决于特定上下文经由一个或多个中间元件或设备经由电气元件、电信号或机械元件连接至彼此。当与项目列表相关联地使用时，本文中的术语“和/或”是指包括该列表的项目中的任何一个或多个。
如在本文使用的，提及“约”或“大约”一个数字或“基本”等于一个数字是指该数字的+/-10％以内。
总体上，根据本公开的实施方式，描述了一种用于由天然气原料产生富氢气体和/或碳产物的超富脉冲热解工艺。对于大规模产生氢气，工艺可以与SMR竞争。
根据本公开的实施方式，描述了使用不稳定、恒定容积的脉冲反应工艺以由基于天然气的原料产生氢气和碳产物。可燃气体和氧化剂的单独腔室为反应提供能量，并且通过气体动力压缩和经由直接接触的快速混合热能交换直接转移至原料混合腔室。在以下讨论中，使用空气作为氧化剂；然而，在工艺中可以使用其他氧化剂，例如纯氧。此外，原料气体和可燃气体可以包括相同的气体或气体混合物或可以包括不同的气体或气体混合物。在一些实施方式中，可燃气体可以包括再循环的气体混合物。
反应器包括混合腔室和燃烧腔室。这些腔室经由总是打开的多个通道连接。在一些实施方式中，反应器包括较大固体管(混合腔室)内的穿孔管(燃烧腔室)；参见图3和4A。在其他实施方式中，燃烧腔室可以在混合腔室外部(如图4B所示)。外部阀提供原料、氧化剂和可燃气体(显示为CH4)以及排出的氢气、碳和在反应期间产生的其他气体。
转到图5，在循环开始时，混合腔室填充有前一反应循环的产物。混合腔室填充有原料反应产物加上燃烧反应产物的一部分的混合物。燃烧腔室主要填充有燃烧反应的产物。在500处，将新鲜原料和可能的一些再循环产物气体引入混合腔室以从混合腔室末端置换前一循环的产物。同时，将可燃气体/空气混合物引入燃烧腔室，从而将燃烧产物从燃烧腔室的末端排出。在502处，关闭所有入口阀和出口阀，从而产生闭合体积。在504处，燃烧腔室中的气体然后被点燃，导致燃烧腔室内的压力和温度增加。在506处，燃烧腔室与混合腔室之间的通道允许可燃气体产物进入混合腔室，从而压缩原料气体并提高它们的压力和温度。此外，热燃烧腔室气体产物与原料气体混合并且由此将其热能传递至原料气体，从而进一步提高其温度。所得的原料气体的温度和压力导致发生反应。在508处，允许反应进行一段时间以完成所期望的反应并且开发所期望的产物。在510处，通过将产物释放至外部容积(未示出)来快速降低混合腔室内的压力。保留在燃烧腔室中的燃烧产物气体可以与混合腔室气体一起排出或通过专用端口分开排出。降低混合腔室中的压力降低温度并且停止或淬灭反应。快速减压和膨胀还具有从反应器壁去除固体反应产物(诸如，碳)的所需效果。此外，由燃烧产生的压力波可以从反应器壁剥离碳沉积物。
如果将原料和可燃气体预混合，混合物可能不会点燃，因为它太浓。因此，混合腔室和燃烧腔室在点火之前是独特的并且分开的，这样使得在原料气体与可燃气体之间不发生混合或优选地发生非常少的混合。
可以将多个反应器系统捆在一起并且彼此稍微不同步地操作以产生进入和离开反应器系统的连续流。阀可以是静止的或旋转的，如图6所示。在一些实施方式中，反应器可以旋转并且阀可以保持静止(参见图7，从波转子设计方法的图2修改而来，具有包括实验验证的三个步骤，Chan Shining等人，气体涡轮和功率工程杂志(Journal of Engineeringfor Gas Turbines and Power)，2017年12月，其全部内容通过引用并入本文)。
可以调整各种参数以使反应器能够有效地工作。在引入混合腔室之前，可以将原料气体预加热至刚好低于其开始反应的温度。取决于原料组分和工作压力，典型的温度将在600K至1000K的范围内。
此外，还可以将引入的可燃气体/氧化剂混合物在进入燃烧腔室之前预加热。取决于所使用的可燃气体，典型的温度将在400K至700K的范围内。预加热可燃气体/氧化剂混合物可以改进工艺的效率，这样使得将更多的燃烧能量传递至反应物而不是用于加热燃烧产物。
混合腔室与燃烧腔室之间的容积比应当设定成使得将包含在燃烧腔室中的正确量的能量提供给混合腔室以产生所期望的产物。也应有足够的可燃气体产物进入混合腔室以提供有效混合。总体上期望小于10:1的容积比。当使用空气作为氧化剂时，氮气作为提高较低容积比并且增加混合的非反应气体可能是有好处的。当使用纯氧作为氧化剂时，另一气体(诸如，CO2)可以提供与作为氧化剂的空气中的氮气相同的好处。将额外的CO2引入可燃气体混合物中可以导致更大的固体碳产生。
长径比对获得从燃烧腔室至混合腔室的有效能量传递是重要的。短的而大直径的反应器往往具有差的混合，而长而窄的反应器在将原料和可燃气体沿其长度引入反应器中将面临挑战。通常期望小于30:1的长径比。
根据一些实施方式，反应器除了一些再循环的产物气体之外还使用甲烷(或天然气)作为原料气体，并且使用再循环的气体/氧化剂混合物作为可燃气体。可以设计和操作反应器以使反应产物流中氢气和固体碳的产量最大化。反应器可以包括在混合腔室内的燃烧腔室，该燃烧腔室是穿孔管。穿孔的燃烧腔室可以从混合腔室的中心偏移并且结合中混合腔室的壁，以提供结构完整性和支撑，如图13所示。混合腔室/燃烧腔室容积比可以小于或等于10:1，并且长径比可以是10:1。在一些实施方式中，混合腔室/燃烧腔室容积比可以是约6:1，并且在一些实施方式中，混合腔室/燃烧腔室容积比可以是约3.5:1。
如图14所示，多个反应器管可以与外部旋转阀一起布置，以提供所有原料、可燃气体和反应产物的流动和排序。分离的端口可以使燃烧腔室燃烧产物排气。
反应器可以在足够高的压力下操作，使得可以使用标准变压吸收技术纯化所得的氢气。根据一些实施方式，将产物气体(诸如，未反应的甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)和一些氢气)再循环并且与更多的甲烷混合以产生到反应器的原料气体混合物。可燃气体混合物包括除了(在空气吹制反应器的情况下)从CO2去除系统去除的CO2之外的再循环的气体混合物、以及纯氧。在一些实施方式中，除了CH4、CO和H2之外，流动至燃烧腔室和混合腔室两者的再循环的气体混合物还包含CO2。将原料气体混合物和可燃气体混合物分别从经由多流换热器从反应器产物流回收的热能预加热至-900K和-600K。在替代性实施方式中，混合腔室/燃烧腔室容积比是3.5:1，甲烷(或天然气)/空气混合物被用于这些可燃气体。
现在将提供本公开的实施方式的详细描述。
参考图8，可燃气体10和氧化剂气体20进入燃烧混合物调节和控制系统30，该系统将可燃气体混合物31调节至腔室60所需的正确温度和压力。原料气体40和再循环气体混合物91进入原料混合物调节和控制系统50，该系统将原料气体混合物51调节至腔室60所需的正确温度和压力。在一些实施方式中，再循环气体混合物不可用，并且仅原料气体40进入原料混合物调节和控制系统50。
腔室60是恒定容积装置，该装置使用来自经调节的可燃气体混合物31的燃烧能量将经调节的原料气体混合物51的压力和温度升高到反应准备水平。可以将主要包括经燃烧经调节的可燃气体混合物31的燃烧产物的燃烧产物气体混合物67从腔室60排出。准备好反应的气体混合物61进入反应器70，由此它保持直到气体混合物在恒定容积吸热反应中转化为反应产物混合物71。恒定容积反应是不稳定的工艺，其以分批模式操作并且需要控制流动定时。这通过调节系统中的流动控制以及分离和控制系统80来实现。
反应产物混合物71进入产物分离和控制系统80，该系统通过降低所需的反应产物混合物71的压力和温度而停止反应器70中的反应，并且分离和/或提纯单个产物组分81、82、不想要的产物83和再循环气体混合物84。再循环气体混合物84进入预调节再循环气体系统90，其中将再循环气体混合物84预调节至所期望的温度和压力，并且流动至原料混合物调节和控制系统50。
在一些实施方式中，可燃气体10和原料气体40是天然气，并且氧化剂气体20是空气。在反应器70中所期望的反应是甲烷热解，总体上由以下等式给出：
CH4(甲烷)+能量→C(碳)+2H2(氢气)
单个产物81是氢气，单个产物82是碳，并且不想要的产物83主要是二氧化碳、氮气和水。再循环气体混合物84主要包含未反应的天然气、氢气、氮气和一氧化碳。
图9中的系统类似于图8中的系统，不同之处在于腔室60和反应器70结合到恒定容积反应器62中。
图10类似于图9，但再循环气体混合物84的一部分在预调节再循环气体系统90中调节，送至可燃气体调节器和控制系统30以抵消所需的可燃气体10的量。
图11表示腔室60或恒定容积反应器62的截面图。在本说明书中，它表示恒定容积反应器62。
恒定容积反应器62包括在燃烧腔室63内包含的燃烧容积(combustion volume)65。燃烧腔室63被包含在反应腔室68中的反应器容积(reactor volume)64包围。通道66将燃烧容积65连接至反应器容积64。虽然燃烧腔室63被示出为位于反应腔室68的中心，但是燃烧腔室63可以位于反应腔室68中的任何地方，包括靠在反应腔室68的外壁69。
经调节的可燃气体混合物31通过可燃气体混合物阀32和通道33进入燃烧腔室63，经由通道74和燃烧产物阀75将存在于燃烧容积65中的任何燃烧产物气体混合物67移出反应器62。经调节的原料气体混合物51通过原料气体混合物阀52和通道53进入反应腔室68，经由通道73和产物阀72将反应器容积64中的所期望的反应产物混合物71移出反应器62。经调节的可燃气体混合物31和经调节的原料气体混合物51两者可以同时在相同压力下进入恒定容积反应器62，使得经由通道66存在非常少的混合。
一旦主要将所有燃烧产物气体混合物67和所需产物混合物71从反应器62中移出，则关闭燃烧产物阀75和产物阀72。一旦达到所期望的反应器压力，将可燃气体混合物阀32和原料气体混合物阀52关闭，在反应器62中产生封闭的容积。点火器100产生点火能量101，该点火能量允许燃烧腔室63中的经调节的可燃气体混合物31在升高的温度和压力下在产生燃烧产物气体混合物67的放热反应中燃烧。由于燃烧腔室63与反应腔室68之间产生的压力差，燃烧产物气体混合物67的一部分进入反应器容积64，从而将原料气体混合物51压缩至更高的压力。同时，热燃烧产物气体混合物67的部分通过传导、对流和辐射混合并且加热原料气体混合物51。现在原料气体混合物51处于升高的温度和压力下，这产生发生吸热反应的条件。恒定容积反应器62保持为封闭容积，直到吸热反应进行足够长的时间以产生所期望的产物混合物71。一旦达到条件，则打开产物阀72和燃烧产物阀75，这降低压力和温度，停止吸热反应。然后重复该过程。
图12示出具有反应腔室68外部的燃烧腔室63的腔室60或恒定容积反应器62的实施方式。燃烧容积65经由多个通道连接至反应器容积64。如果需要的话，多个点火器可以沿着燃烧腔室63定位以产生特定的燃烧条件。如果燃烧腔室63靠近反应腔室的外壁69定位，则多个点火器也可以定位在图11的恒定容积反应器62中。
图13示出腔室60或恒定容积反应器62的实施方式的等距视图，其中燃烧腔室63与反应腔室68的反应腔室的外壁69直接结合。将燃烧腔室63直接结合至反应器腔室的外壁69为燃烧腔室63提供结构支撑和对齐，并且实质上产生单件式腔室60或恒定容积的反应器62。
为了产生准或半连续流动系统，多个腔室60或恒定容积反应器62可以布置在一起并且不同步地操作，使得每个腔室或反应器历经图11中描述的方法的不同部分。
图14示出多管反应器110的实施方式，其中图14中示出的多个单个恒定容积反应器62以圆形图案布置。经调节的可燃气体混合物31经由通道34进入多管反应器110进入增压室35。经调节的原料气体混合物51经由通道54进入多管反应器110进入增压室55。进入多管反应器110的经调节的燃烧和经调节的进料气体混合物的定时由入口旋转阀120控制，该入口旋转阀是旋转阀组件121的一部分。入口旋转阀120执行与图11中描述的可燃气体混合物阀32、通道33、原料气体混合物阀52以及通道53相同的功能。离开多管反应器110的燃烧产物气体混合物67和所期望的产物混合物71的定时由出口旋转阀122控制，该出口旋转阀是旋转阀组件121的一部分。出口旋转阀122执行与图11中描述的燃烧产物阀75、通道73、原料产物阀和通道74相同的功能。
将来自每个恒定容积反应器62的燃烧产物气体混合物67收集在燃烧产物增压室123中并且经由通道125分配到多管反应器110之外。将来自每个恒定容积反应器62的产物混合物71收集在产物增压室124中并且通过通道126分配到从多管反应器110之外。
虽然本发明主要在原料气体裂解的背景下呈现，但是本发明扩展到由原料气体产生一种或多种产物的其他方法。例如，合成气(H2和CO)可以通过调节工艺的一个或多个参数使得可燃气体与原料气体反应(除了混合之外)来产生。例如，可以增加可燃气体中氧化剂与再循环气体的比，以在点燃之后立即增加可燃气体的压力和温度，从而在可燃气体与原料气体之间引起适当的反应。
虽然已结合特定实施方式描述了本公开，但应理解，本公开不限于这些实施方式，并且所属领域的技术人员可以在不背离本发明的范围的情况下进行这些实施方式的改变、修改和变化。进一步设想，本说明书中所讨论的任何方面或实施方式的任何部分可以被实现或与本说明书中所讨论的任何其他方面或实施方式的任何部分组合。

Claims (38)

1.一种通过裂解原料气体产生一种或多种产物的方法，包括：
将原料气体引入混合腔室，其中，所述原料气体包括一种或多种气体；
将可燃气体引入经由多个通道与所述混合腔室连接的燃烧腔室，其中，所述可燃气体包括一种或多种气体；以及
在此之后，点燃所述可燃气体，以使所述可燃气体燃烧由此形成一种或多种燃烧产物气体，并使所述一种或多种燃烧产物气体经由所述燃烧腔室与所述混合腔室之间的所述多个通道流入所述混合腔室，并且使所述一种或多种燃烧产物气体与所述原料气体混合，其中，由于所述一种或多种燃烧产物气体与所述原料气体的混合，能量从所述一种或多种燃烧产物气体传递至所述原料气体，从而使化学反应发生以产生一种或多种产物，
其中，在将所述原料气体引入所述混合腔室的同时将所述可燃气体引入所述燃烧腔室。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在点燃所述可燃气体之前，在所述混合腔室中的所述原料气体的压力与在所述燃烧腔室中的所述可燃气体的压力相等，以使得所述原料气体不与所述可燃气体混合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括停止所述一种或多种产物的进一步产生。
4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括在将所述原料气体引入所述混合腔室中之前预加热所述原料气体。
5.根据权利要求1或2所述的方法，还包括在将所述可燃气体引入所述燃烧腔室中之前预加热所述可燃气体。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述混合腔室的容积与所述燃烧腔室的容积的比小于或等于10:1。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述混合腔室的长度与所述混合腔室的直径的比小于或等于30:1。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述原料气体包括天然气。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述原料气体包括天然气和再循环气体的混合物。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述再循环气体包括以下中的一种或多种：天然气的一种或多种组分；氢气；一氧化碳；以及二氧化碳。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述可燃气体包含氧化剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述氧化剂包括氧气和空气中的一种或多种。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述可燃气体包括CH4和所述氧化剂的混合物。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述可燃气体包括再循环气体与氧化剂的混合物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述再循环气体包括以下中的一种或多种：天然气的一种或多种组分；氢气；一氧化碳；以及二氧化碳。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将所述可燃气体以与将所述原料气体引入所述混合腔室的压力相等的压力引入所述燃烧腔室。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述一种或多种产物包括氢气和碳中的一种或多种。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述一种或多种产物包括氢气和一氧化碳中的一种或多种。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述一种或多种产物包括氢气、氮和碳中的一种或多种。
20.根据权利要求3所述的方法，其中，停止所述一种或多种产物的进一步产生包括降低所述混合腔室内的压力。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，充分快速地降低所述混合腔室内的压力以抑制所述混合腔室的积碳。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述混合腔室内的压力在小于1秒内降低至少50％。
23.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过所述可燃气体的燃烧而生成的压力波抑制所述混合腔室的积碳。
24.根据权利要求1或2所述的方法，其中，由于所述一种或多种燃烧产物气体流入所述混合腔室并与所述原料气体混合，所述能量还经由所述原料气体的动态压缩从所述一种或多种燃烧产物气体传递至所述原料气体。
25.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述一种或多种燃烧产物气体与所述原料气体混合之后，并且在产生所述一种或多种产物之前，将所述原料气体与所述一种或多种燃烧产物气体的混合物的至少一部分转移至第三腔室。
26.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述能量从所述一种或多种燃烧产物气体传递至所述原料气体并由此导致在恒定容积反应中产生一种或多种产物的化学反应。
27.一种通过裂解原料气体产生一种或多种产物的反应器，包括：
混合腔室；
经由多个通道与所述混合腔室连接的燃烧腔室；
阀门，所述阀门用于控制气体流入和流出所述混合腔室和所述燃烧腔室；
点火器；以及
一个或多个控制器，所述控制器被配置为执行方法，所述方法包括：
控制所述阀门以将原料气体引入所述混合腔室，其中，所述原料气体包括一种或多种气体；
控制所述阀门以将可燃气体引入所述燃烧腔室，其中，所述可燃气体包括一种或多种气体；以及
在此之后，控制所述点火器以点燃所述可燃气体，以使所述可燃气体燃烧由此形成一种或多种燃烧产物气体，并使所述一种或多种燃烧产物气体经由所述燃烧腔室与所述混合腔室之间的所述多个通道流入所述混合腔室，并且使所述一种或多种燃烧产物气体与所述原料气体混合，其中，由于所述一种或多种燃烧产物气体与所述原料气体的混合，能量从所述一种或多种燃烧产物气体传递至所述原料气体，从而使化学反应发生以产生一种或多种产物，
其中，在将所述原料气体引入所述混合腔室的同时将所述可燃气体引入所述燃烧腔室。
28.根据权利要求27所述的反应器，其中，在控制所述点火器之前，控制所述阀门以将所述原料气体引入包括控制所述阀门以将所述原料气体以第一压力引入所述混合腔室，并且其中控制所述阀门以将所述可燃气体引入包括控制所述阀门以将所述可燃气体以等于所述第一压力的第二压力引入所述燃烧腔室，以使得所述原料气体不与所述可燃气体混合。
29.根据权利要求27或28所述的反应器，其中，所述方法还包括控制所述阀门以停止所述一种或多种产物的进一步产生。
30.根据权利要求27或28所述的反应器，其中，所述燃烧腔室位于所述混合腔室内。
31.根据权利要求30所述的反应器，其中，所述燃烧腔室相对于所述混合腔室的纵向轴线偏置。
32.根据权利要求27或28所述的反应器，其中，所述燃烧腔室位于所述混合腔室外部。
33.根据权利要求27或28所述的反应器，其中，所述燃烧腔室包括在其中形成的一个或多个孔。
34.一种通过裂解原料气体产生一种或多种产物的系统，包括：
多个原料反应器，每个反应器包括：
混合腔室；
经由多个通道与所述混合腔室连接的燃烧腔室；以及
点火器；
阀门，所述阀门用于控制气体流入和流出所述混合腔室和所述燃烧腔室；以及
一个或多个控制器，所述控制器被配置为执行方法，所述方法对于每个反应器包括：
控制所述阀门以将原料气体引入所述混合腔室，其中，所述原料气体包括一种或多种气体；
控制所述阀门以将可燃气体引入所述燃烧腔室，其中，所述原料气体包括一种或多种气体；并且
在此之后，控制所述点火器以点燃所述可燃气体，以使所述可燃气体燃烧由此形成一种或多种燃烧产物气体，并使所述一种或多种燃烧产物气体经由所述燃烧腔室与所述混合腔室之间的所述多个通道流入所述混合腔室，并且使所述一种或多种燃烧产物气体与所述原料气体混合，其中，由于所述一种或多种燃烧产物气体与所述原料气体的混合，能量从所述一种或多种燃烧产物气体传递至所述原料气体，从而使化学反应发生以产生一种或多种产物，
其中，对于给定的反应器，与所述多个反应器中的至少一个其他反应器不同步地进行所述方法，
其中，在将所述原料气体引入所述混合腔室的同时将所述可燃气体引入所述燃烧腔室。
35.根据权利要求34所述的系统，其中，对于每个反应器，在控制所述点火器之前，控制所述阀门以将所述原料气体引入包括控制所述阀门以将所述原料气体以第一压力引入所述混合腔室，并且其中控制所述阀门以将所述可燃气体引入包括控制所述阀门以将所述可燃气体以等于所述第一压力的第二压力引入所述燃烧腔室，以使得所述原料气体不与所述可燃气体混合。
36.根据权利要求34或35所述的系统，其中，对于每个反应器，所述方法还包括控制所述阀门以停止一种或多种产物的进一步产生。
37.根据权利要求34或35所述的系统，其中，所述多个反应器围绕中心轴线径向地布置，并且其中，所述系统还包括旋转器，所述旋转器被配置为：使所述多个反应器相对于包括所述阀门的阀组件围绕所述中心轴线旋转；或使包括所述阀门的阀组件相对于所述多个反应器围绕所述中心轴线旋转。
38.一种通过裂解原料气体产生一种或多种产物的系统，包括：
根据权利要求27至33中任一项所述的一个或多个反应器；以及
一个或多个燃料电池，所述燃料电池连接至所述一个或多个反应器并且被配置为接收由所述一种或多种燃烧产物气体与所述原料气体的混合而产生的碳。
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