專利名稱：用于制氫的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及用于制氫的柔性(flexible)模塊式系統(tǒng)，更特別地涉及包括通過接口彼此連接的集裝箱模塊的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氫是宇宙中最豐富的元素，然而，在地球上不存在純凈形式的氫。氫可在燃料電池中用作生產(chǎn)電能的能量載體，或作為高價(jià)值的用品而在加工工業(yè)中用作原料。氫極具揮發(fā)性，并難以貯存和運(yùn)輸。因此較大規(guī)模的氫的使用是受限的。因此，非常需要消除或至少減少將氫從生產(chǎn)地點(diǎn)運(yùn)輸至使用地點(diǎn)的需要。就氫氣純度水平而言，不同的工業(yè)中也存在不同的需要。在一些工業(yè)中，不需要高純氫，因此這些工業(yè)不愿意進(jìn)行過量的純化。反之，在一些工業(yè)中，高水平的氫純度是必需的。存在使用氫的數(shù)種工業(yè)，例如玻璃、鋼、石油、交通工具和化學(xué)工業(yè)。氫可用于平面窗戶玻璃的生產(chǎn)，其中使用錫浴制造玻璃平面。在該工藝中氫用于產(chǎn)生還原氣氛。在由鐵制備鋼的過程中，有可能使用氫作為還原元素，例如用于還原鋼表面。當(dāng)在該工藝中使用氫時(shí)，不存在溫室氣體的排放。在石油工業(yè)中，使用大量氫用于氫-碳鏈的重整。隨著對(duì)柴油的新的和增加的需求，煉油廠尋求將更多的石油轉(zhuǎn)化為柴油而不是汽油。在該工藝中使用氫。當(dāng)在汽車中使用氫和燃料電池時(shí)，總效率得以增加。當(dāng)制備氨時(shí)，氫氣與氮?dú)庠诖呋D(zhuǎn)化器中反應(yīng)。氨可用于例如制造肥料。由于工業(yè)工藝持續(xù)發(fā)展，也需要能夠相應(yīng)地調(diào)節(jié)氫的純度水平。同時(shí)，取決于工業(yè)的地點(diǎn)，可用到工藝的不同的能量來源(即原料)或用于制氫的體系。因此，重要的是體系可利用數(shù)種類型的原料并優(yōu)選所有形式，即氣體、液體和/或固體形式。因此，需要提供針對(duì)不同工業(yè)的需要而高度柔性且易于調(diào)節(jié)的體系。也需要以高于電解法(其目前常用于工業(yè)工藝中)的效率來制氫。等離子體氣化已知為通過將有機(jī)材料中的能量轉(zhuǎn)化為氫氣中的另一能量態(tài)以后續(xù)使用而自有機(jī)材料產(chǎn)生能量和氫的有效方式，例如在US 7，163，758中有述。在現(xiàn)有技術(shù)中，大多數(shù)等離子體發(fā)生器使用直流電(DC)以產(chǎn)生放電。使用交流電的等離子體發(fā)生器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，但它們通常不穩(wěn)定，并且通常需要使用導(dǎo)電材料如熔融金屬池以能夠引發(fā)電弧。使用DC或需要導(dǎo)電材料引發(fā)電弧使得該體系進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并適應(yīng)變化的需求時(shí)不是柔性的而且昂貴。US 6，215，678描述了處理廢料的方法和裝置，所述裝置包括等離子體爐和作為與燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)或燃料電池發(fā)電設(shè)備的整合系統(tǒng)的電弧焦耳加熱熔融爐，其可在模塊式單元中配置并可按比例放大以處理大體積的市政固體廢料。然而，所述系統(tǒng)需要使用導(dǎo)電材料以引發(fā)電弧，并且主要適合使用固體廢料作為原料。非常需要可根據(jù)使用者的需求而易于調(diào)節(jié)或定制的易于運(yùn)輸?shù)南到y(tǒng)。所述系統(tǒng)還應(yīng)該易于適應(yīng)不同的工業(yè)地點(diǎn)，因此使用AC作為電源以及能夠使用來自不同來源的有機(jī)材料是重要的。因此需要以這樣的方式改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，使得所述系統(tǒng)變得可更易于運(yùn)輸和調(diào)節(jié)，并且也能夠使用固體、液體和氣體的不同形式的有機(jī)材料。
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本發(fā)明的目的是提供用于從廢料產(chǎn)生能量的環(huán)境友好的系統(tǒng)。另一目的是提供柔性的、易于適應(yīng)不同需要且易于運(yùn)輸和重新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。又一目的是促進(jìn)氫用于能量產(chǎn)生或用作工業(yè)工藝中的原料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明至少部分消除了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)和問題，其中有機(jī)材料來自例如生物質(zhì)，且廢料被氣化?？紤]到用途，開啟氫使用的擴(kuò)展的最佳方式是消除運(yùn)輸氫的需要。 特別地，根據(jù)本發(fā)明的解決方案適于滿足不同用戶對(duì)于不同氫純度的考慮的需求。通過在包括分離過濾器的一個(gè)或數(shù)個(gè)模塊中設(shè)置氫分離段，可提取具有不同純度水平的氫。這是獨(dú)特的性質(zhì)。本發(fā)明涉及由集裝箱模塊(下文也稱為模塊)組成的柔性模塊式系統(tǒng)，其中每個(gè)模塊具有特定的任務(wù)。系統(tǒng)的基于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的模塊構(gòu)造便于系統(tǒng)的運(yùn)輸和組裝，且該工藝可調(diào)整以適應(yīng)每個(gè)用戶的單獨(dú)需要。具有模塊構(gòu)造的系統(tǒng)便于在產(chǎn)品升級(jí)過程中模塊的更換。競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的常規(guī)分配通常為在長時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的大工程。模塊構(gòu)造的益處在于系統(tǒng)可在一個(gè)地點(diǎn)使用之后得以移動(dòng)和拆卸，并在另一地點(diǎn)重新安置以制氫。模塊概念也有利于在需求改變時(shí)重新設(shè)計(jì)設(shè)施。本發(fā)明易于在用戶近旁裝配，因此消除了對(duì)運(yùn)輸氫的需求。僅原料(即有機(jī)材料)必須運(yùn)輸至工藝，這簡(jiǎn)單得多，因?yàn)樘貏e是接近居住區(qū)存在現(xiàn)成的廢料運(yùn)輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)。本發(fā)明涉及一種用于自有機(jī)材料制氫的柔性模塊式系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(i)至少一個(gè)加載裝置或加載模塊；(ii)至少一個(gè)氣化模塊，所述氣化模塊包括至少一個(gè)由交流電供以動(dòng)力的等離子體發(fā)生器；(iii)至少一個(gè)氣體冷卻模塊；(iv)至少一個(gè)氣體清潔模塊，所述氣體清潔模塊包括至少一個(gè)氣體清潔裝置；(ν)至少一個(gè)水煤氣變換和氫分離模塊。每個(gè)模塊構(gòu)造成具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。所述模塊可通過接口彼此連接，所述接口包括接合裝置和用于氣體、電力和通信的連接件。所述模塊具有標(biāo)準(zhǔn)ISO集裝箱的尺寸，并適于在運(yùn)輸交通工具上進(jìn)行運(yùn)輸。所述模塊可具有標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的尺寸，并可具有例如五種常見標(biāo)準(zhǔn)長度(即20-英尺(6. Im) ,40-英尺(12. 2m)、45_英尺(13. 7m)、48_英尺 (14.6m)和53-英尺(16.2m))的長度。因此，所述模塊可作為標(biāo)準(zhǔn)集裝箱通過任何合適的交通工具(如卡車、火車或輪船)進(jìn)行運(yùn)輸。在現(xiàn)場(chǎng)將模塊以優(yōu)選組合組裝在一起以形成定制的氣化和氫形成工廠。模塊可通過接口彼此連接。相鄰模塊中的接口具有相同的規(guī)格，并可連接至相鄰模塊的接口。所述接口可包括接合裝置，用于水、電力、氣體(壓縮空氣、合成氣或氫氣)和通信的連接件。這些均為便于系統(tǒng)的裝配和升級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)接合。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，使用兩個(gè)或更多個(gè)清潔模塊以純化氣體，從而獲得所需的氫氣純度水平。通過該設(shè)置，系統(tǒng)可適應(yīng)每個(gè)用戶的需要。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，將等離子體氣體從包括電極的發(fā)生器的放電室通過孔導(dǎo)入放電室外部的室，在該室中等離子體氣體與有機(jī)材料相互作用。通過該設(shè)置，可布置等離子體氣體與任何形式的有機(jī)材料(即液體、固體或氣體)相互作用。所述有機(jī)材料可為廢料或碳質(zhì)燃料，如天然氣、石油、煤炭、生物質(zhì)、甲烷、C1至C4烴、甲醇、汽油和柴油燃料。 然而，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，所述有機(jī)材料為生活廢料或工業(yè)廢料，也可使用有害廢料。在工廠附近，至少若該工業(yè)位置位于居住中心附近時(shí)，廢料通常易于得到，并且運(yùn)輸系統(tǒng)易于得到。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，等離子體發(fā)生器為三相等離子體發(fā)生器。通過該設(shè)置，有可能獲得高度湍動(dòng)的氣流，這使得氣體和有機(jī)材料之間能夠完全相互作用。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，所述系統(tǒng)還可包括選自加載模塊、氣化模塊、清潔模塊，以及水煤氣變換和氫分離模塊中的一個(gè)或更多個(gè)附加的模塊。通過該設(shè)置，能夠根據(jù)用戶的需要而進(jìn)一步定制所述系統(tǒng)。由于模塊可易于彼此連接的事實(shí)，因而系統(tǒng)變得柔性?？蓪⑾到y(tǒng)安置于在它們的工藝中需要?dú)涞墓I(yè)工廠或連接至所述工業(yè)工廠，因此可消除氫的運(yùn)輸。


圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的方法的不同步驟的流程圖。圖2為顯示根據(jù)本發(fā)明的氣化工廠的一個(gè)實(shí)例的示意圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的集裝箱模塊之間的接口的示意圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的廢料模塊和氣化模塊之間的連接的放大視圖。圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的等離子體發(fā)生器的示意圖。圖6圖示了水煤氣變換反應(yīng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方法示于圖1的流程圖中。將廢料或其他有機(jī)材料運(yùn)輸至設(shè)施或工業(yè)工廠并加載至系統(tǒng)。若所述材料由大塊組成，則可任選地使用壓碎機(jī)將其壓碎以提高待處理的材料的均勻性。有機(jī)材料的均勻性越高，則可更容易地控制大氣氣體進(jìn)入系統(tǒng)。若所述有機(jī)材料具有高濕度，則其可在干燥器中通過熱量的再循環(huán)而得以干燥，所述熱量在通過熱交換器的氣體冷卻工序中產(chǎn)生。當(dāng)有機(jī)材料已被處理時(shí)，將其導(dǎo)入氣化單元，在其中有機(jī)物質(zhì)被氣化并形成氫氣、 一氧化碳和一些痕量的二氧化碳。所述氣化使用供給等離子體形成工作氣體的至少一個(gè)交流(AC)等離子體發(fā)生器完成，所述等離子體形成工作氣體可為空氣、二氧化碳、氬氣、蒸汽或其他合適的氣體。電力系統(tǒng)連接至等離子體發(fā)生器。當(dāng)有機(jī)材料已被氣化時(shí)，將氣體導(dǎo)入噴霧塔以控制冷卻該氣體。使再循環(huán)水連接至所述噴霧塔，并將不同的添加劑加入水中以清潔所述氣體。取決于不同的廢料類型，使用不同的添加劑。在氣體冷卻之后，通過連接至預(yù)處理模塊的熱交換器提取由該冷卻過程產(chǎn)生的熱量，所述預(yù)處理模塊包括用于預(yù)熱或干燥有機(jī)材料的裝置。以此方式，所述系統(tǒng)的總效率得以增加。當(dāng)氣體的冷卻和清潔終止時(shí)，取決于有機(jī)材料的性質(zhì)和化學(xué)品的組成，將氣體引導(dǎo)經(jīng)過一系列過濾器以甚至進(jìn)一步確保氣體的純度。將清潔氣體導(dǎo)入水煤氣變換段，其中一氧化碳與水在催化材料上反應(yīng)產(chǎn)生氫和二氧化碳。然后通過至少一個(gè)膜過濾段和/或通過使用變壓吸附(其中氣體被循環(huán))而分離氫以確保高且有效的氫產(chǎn)率。通過所述分離，可提取二氧化碳并在應(yīng)用中使用，或者若基礎(chǔ)設(shè)施條件允許，可支配(harness)并存放(d印osit) 二氧化碳。通過二氧化碳的存放，本發(fā)明積極降低了大氣二氧化碳的含量。最后，壓縮氫氣以在緩沖器中貯存。最終產(chǎn)物由從有機(jī)材料(如廢料)制得的適用于加工工業(yè)的純氫組成。效率可非常高，且約95%的包含于廢料中的能量可以被轉(zhuǎn)化為合成氣體中的可用能量。如上所述的系統(tǒng)包括集裝箱模塊(下文也稱為模塊)，其中每個(gè)模塊具有其自身的技術(shù)任務(wù)，如本申請(qǐng)下文中所述。模塊形成為標(biāo)準(zhǔn)ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)組織)集裝箱，并且具有與標(biāo)準(zhǔn)ISO集裝箱(也稱為船運(yùn)集裝箱)相同的規(guī)格，可使用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱接合件 (couplings)將其裝載、安裝并接合至集裝箱船、有軌電車、飛機(jī)和卡車上。集裝箱具有數(shù)種長度，其中最常見的長度為約6. 06m(20英尺)、12. 19m(40英尺)和13. 72m(45英尺)， 但也可使用其他標(biāo)準(zhǔn)長度。集裝箱優(yōu)選具有約2. Mm(8英尺)的標(biāo)準(zhǔn)寬度和約2. 59m至約 2. 90m的高度。集裝箱包括能夠?qū)⒓b箱堆放并固定至平臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱角件、角鑄件。在使用所述系統(tǒng)的工業(yè)位置和地點(diǎn)，可將集裝箱模塊直接放置在為所述系統(tǒng)準(zhǔn)備的地面上。由于模塊以標(biāo)準(zhǔn)尺寸和形狀進(jìn)行構(gòu)造，它們適于容易地處理和運(yùn)輸，并且由此能夠以與任何標(biāo)準(zhǔn)集裝箱相同的方式進(jìn)行提升、處理和運(yùn)輸。所述系統(tǒng)可就地組裝，并可在短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。模塊的長度、寬度和高度可在任何標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)變化。在模塊之間，采用用于電力、氣體和通信的標(biāo)準(zhǔn)化接口。所述接口使得能夠例如在數(shù)小時(shí)內(nèi)而不是數(shù)天和數(shù)星期內(nèi)改變組件。由于用戶需求，所以這是非常重要的方面。所述系統(tǒng)基于有機(jī)材料、特別是廢料和生物質(zhì)的等離子體氣化。合成氣體獲自廢料中的有機(jī)物質(zhì)。獲自有機(jī)材料的等離子體氣化的合成氣體主要含有氫、一氧化碳和一些量的二氧化碳和水。若空氣用作工作氣體(即最初注入等離子體氣化反應(yīng)器中的氣體)，氮?dú)鈱⒏S進(jìn)入氣流中。圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的等離子體氣化系統(tǒng)1。該系統(tǒng)包括集裝箱模塊2、7、11、12、14、33和34，每個(gè)模塊具有特定的任務(wù)。該系統(tǒng)優(yōu)選包括用于加載有機(jī)材料的設(shè)備。因此，系統(tǒng)1優(yōu)選包括加載模塊2或加載裝置，其中有機(jī)材料在進(jìn)入氣化模塊之前被處理。有機(jī)材料可為例如住宅廢料或城市廢料。這種廢料在大型工廠中焚化作為體積減小的方法。在許多情況下產(chǎn)生熱量用于區(qū)域供熱，在一些情況下，電能由這些廢料的焚化而產(chǎn)生。圖2中的系統(tǒng)包括有機(jī)材料的加載模塊2。加載模塊2可任選地包括用于將有機(jī)材料壓碎至更適于工藝的較小顆粒尺寸的裝置(未顯示)。加載模塊2也可包括在有機(jī)材料進(jìn)入氣化模塊7之前用于干燥有機(jī)材料的任選的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可例如使用獲自熱交換器的熱量，所述熱交換器連接至來自氣體冷卻模塊的熱傳遞器。模塊包括頂蓋3，可打開該頂蓋以能夠?qū)⒉牧线M(jìn)料至系統(tǒng)中。加載模塊優(yōu)選包括閉鎖料斗系統(tǒng)4，5，該閉鎖料斗系統(tǒng)能夠?qū)⒂袡C(jī)材料分批進(jìn)料至系統(tǒng)中，也至少部分防止大氣氣體進(jìn)入系統(tǒng)。當(dāng)然可使用能夠控制進(jìn)入系統(tǒng)的有機(jī)材料和空氣的量的其他技術(shù)設(shè)置。在圖2所示的閉鎖料斗系統(tǒng)中，當(dāng)打開上部的鎖4并且將材料加載至系統(tǒng)中時(shí)，下部的鎖5 保持關(guān)閉。當(dāng)預(yù)定量的材料進(jìn)入閉鎖料斗系統(tǒng)中時(shí)，關(guān)閉上部的鎖4，并打開下部的鎖5以使有機(jī)材料經(jīng)由軸6進(jìn)入氣化模塊7。通過該設(shè)置，可以控制進(jìn)入系統(tǒng)的有機(jī)材料和空氣的量。由于空氣中的大氣氣體可能影響氣化過程，并由此影響所獲得的合成氣體的組成，因此重要的是能夠控制進(jìn)入系統(tǒng)的空氣的量。例如，若過多空氣進(jìn)入系統(tǒng)，則可能累及(rubbed) 氧化級(jí)的平衡(即CO CO2比例)。閉鎖料斗設(shè)置可以通過任何合適的方式(如水力、電或氣動(dòng)方式)進(jìn)行控制。將有機(jī)材料經(jīng)由軸6導(dǎo)入氣化模塊7。模塊通過接口彼此連接，如圖3所圖示。接口包括將模塊彼此連接的連接裝置19a、19b、19c和19d。模塊也包括未在圖中顯示的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱連接件。在集裝箱模塊的每個(gè)角優(yōu)選存在至少一個(gè)連接裝置。然而，連接裝置的數(shù)量可以改變，例如可將另外的連接裝置置于集裝箱角處的連接裝置之間的邊緣。連接裝置優(yōu)選為彈性帶法蘭的連接體，其允許模塊之間較小的移動(dòng)和徑向偏差。由于所述連接裝置， 所以不需要將模塊焊接在一起。從而簡(jiǎn)化了模塊的安裝和拆卸。所述接口還包括用于氣體通道的開口 15，待氣化的材料和/或已經(jīng)氣化的材料被引導(dǎo)通過所述開口。此外，提供用于電纜以及數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)線的連接件16和空間17，當(dāng)模塊被組裝在一起時(shí)可將所述纜線固定在所述空間17處。模塊可包括用于自動(dòng)化處理有機(jī)材料以及與使用者和后續(xù)模塊連通的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可商購得到，在本文不再詳述。可提供用于例如水和通信的另外的通道。接口還包括彈性材料法蘭18，其構(gòu)成接口的防護(hù)罩。所述法蘭優(yōu)選圍繞氣體開口 15、 纜線連接件16和纜線貯存空間17以保護(hù)這些連接件免受灰塵和雨和/或雪。所有的集裝箱模塊包括朝向至少一個(gè)相鄰集裝箱模塊的至少一個(gè)接口。接口優(yōu)選具有相同的規(guī)格，即在所有模塊中連接裝置具有相同的尺寸和結(jié)構(gòu)。這使得系統(tǒng)能夠更容易地構(gòu)造，也能夠根據(jù)用戶需要定制。圖4表示加載模塊和氣化模塊之間的連接的詳細(xì)示意圖。根據(jù)圖4所示的實(shí)施方案，在加載模塊2和氣化模塊7之間提供柔性連接裝置19。所述柔性連接裝置包括內(nèi)部彈性元件20，其允許較小的徑向移動(dòng)，并使得集裝箱模塊能夠更簡(jiǎn)單地彼此連接，由此也使得整個(gè)系統(tǒng)能夠更容易地安裝。連接元件的一個(gè)實(shí)例由22表示。氣化模塊包括至少一個(gè)由交流電供以動(dòng)力的等離子體發(fā)生器。等離子體氣化集裝箱模塊用耐熱材料隔熱，并適于承受達(dá)到約1200-1700°C的溫度。由于所述高溫，所述工藝
不產(chǎn)生二〃惡英。等離子體氣化模塊中的主要反應(yīng)為CnHm+ {工作氣體} — CCHH2+ [C02+N2+H20]氣化模塊7包括至少一個(gè)如圖5所示的交流電等離子體發(fā)生器8。將等離子體形成工作氣體通過連接件9注入至電極23a和23b。所述工作氣體可包括但不限于如下氣體 空氣、氮?dú)?、氬氣、二氧化碳和天然氣。工作氣體通過放電室M中的電極而被電離，并通過孔25進(jìn)料至放電室M外部的室沈，在室沈中等離子體氣體與有機(jī)材料相互作用。待處理的有機(jī)材料向下落入氣化模塊中，如圖5中的箭頭所示。由此有機(jī)材料被轉(zhuǎn)化為氣態(tài)烴和顆粒。使等離子體氣化模塊7隔熱以保持模塊內(nèi)的恰當(dāng)溫度性能。然后推動(dòng)有機(jī)材料通過模塊，并且將產(chǎn)物氣體導(dǎo)入所述工藝的下一步驟 (即冷卻和清潔)，并將渣料和金屬導(dǎo)入氣化模塊底部的集裝箱10。如需要，可將另外的等離子體發(fā)生器引入系統(tǒng)中，使得可確保剩余化學(xué)品的完全氣化和離解。將交流電(AC)的電源連接件連接至電極，在該電極處發(fā)生放電。優(yōu)選存在3個(gè)主電極，但電極的數(shù)量不限于3個(gè)。電極的數(shù)量可隨著工藝對(duì)等離子體發(fā)生器的效率的要求而變化。優(yōu)選使用具有三個(gè)電極的等離子體發(fā)生器，因?yàn)殡娫催B接件可由此連接至常用作工業(yè)能源的3相電源供應(yīng)器。在50至60Hz的頻率下，用于在發(fā)生器內(nèi)引發(fā)電弧的電壓可相對(duì)較低，為約220-480VAC，優(yōu)選為400VAC。在電極之間的頻率為200_500Hz下發(fā)生放電。 通過使用AC等離子體發(fā)生器，產(chǎn)生湍流。可用于本發(fā)明的等離子體發(fā)生器圖示于圖5中。 將工作氣體(例如空氣)通過通道9注入電極23a和23b (第三個(gè)電極在圖中未顯示)所處的室中。工作氣體在電極之間反應(yīng)，熱的高度湍動(dòng)的電離氣體離開室M并與有機(jī)材料相互作用。有機(jī)材料垂直落下，并且相對(duì)于有機(jī)材料幾乎垂直地供給等離子體氣體，如圖5所示。將氣體從氣化模塊7導(dǎo)入冷卻模塊11，所述冷卻模塊支配冷卻和部分水溶劑清洗，如圖 2所示。冷卻模塊11可包括清潔系統(tǒng)，該清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)為部分清洗氣體的雜質(zhì)，如硫和氯。含雜質(zhì)的氣體通過滌氣反應(yīng)器27純化，在該滌氣反應(yīng)器中氣體與通過化學(xué)反應(yīng)從氣體中去除雜質(zhì)的滌氣液體發(fā)生反應(yīng)。滌氣液體的組成取決于待去除的一種或多種雜質(zhì)的類型。滌氣的一般原則是使待清潔的氣體從滌氣反應(yīng)器27的底部向上進(jìn)料通過滌氣反應(yīng)器。 滌氣液體通過反應(yīng)器27中的噴霧裝置噴霧而具有特定的液滴尺寸，所述液滴尺寸也取決于待去除的雜質(zhì)的類型。例如形式可為顆?；蚧瘜W(xué)組合物的雜質(zhì)與滌氣液體反應(yīng)，并與滌氣液體一起下落至反應(yīng)器的底部。含有雜質(zhì)的滌氣液體在單獨(dú)的或整合的液體處理系統(tǒng)觀中進(jìn)行處理。從模塊輸出的是冷的部分清潔的氣體，可將該氣體從模塊通過通道四導(dǎo)入包括過濾器的清潔模塊12。為了完全清潔制得的氣體，可以使一個(gè)或更多個(gè)另外的包括清潔裝置的氣體清潔模塊12與所述系統(tǒng)接合，所述清潔裝置包括至少一個(gè)過濾器或一系列過濾器13a、13b、13c 和13d?？墒褂玫倪^濾器例如可為紡織品過濾器和/或電過濾器。所用的過濾器的組成受制于在系統(tǒng)中加載的有機(jī)材料和需要被分離的不同化合物的組成。對(duì)于純的生物質(zhì)氣化， 紡織品過濾器能夠被證實(shí)是足夠的，但當(dāng)處理腐蝕性更高的廢料類型例如PCB-油、芳香有機(jī)化合物、軍用毒氣、輪胎和CFC: s時(shí)，清潔需要更復(fù)雜。清潔分為不同的模塊，這確保了無論待處理的廢料是什么，均可進(jìn)行充分的氣體清潔。當(dāng)獲自清潔模塊的產(chǎn)物氣體具有所需純度級(jí)別時(shí)，將氣體進(jìn)料至包括水煤氣變換反應(yīng)器30的水煤氣變換和氫分離模塊14。所述模塊還可包括變壓(pressure swing)裝置 31和膜分離裝置32，如圖2所圖示。進(jìn)入水煤氣變換和氫分離的產(chǎn)物氣體為包含一氧化碳 (CO)、氫氣(H2)、二氧化碳(CO2)和氮?dú)?N2)的清潔氣體。圖6圖示了如何通過水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生更多的氫，其中一氧化碳與水在催化材料上反應(yīng)?；谏鲜龇磻?yīng)并適用于本發(fā)明的水煤氣變換反應(yīng)器是本領(lǐng)域公知的，因此在本文中不再詳述。在變換反應(yīng)之后，例如通過使用膜(一種本領(lǐng)域公知的技術(shù))分離氫，使混合氣體再循環(huán)以提高氫的輸出。也可使用本領(lǐng)域已知的其他常規(guī)技術(shù)分離氫。在分離過程中，可獲得具有不同純度的氫產(chǎn)物。所獲得的氫氣可含有痕量的其他氣體如二氧化碳，或其可為含有PPm級(jí)的痕量的其他氣體的高純度。不完全純的氣體可在一些燃料電池應(yīng)用中使用， 或在對(duì)二氧化碳不敏感的工藝中作為還原劑使用。高純氫氣可在例如需要極高氫純度的鋼工業(yè)中使用。通過本發(fā)明，調(diào)節(jié)工藝適于不同需要是容易的，因?yàn)橛捎谙到y(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)，所以可在工藝中設(shè)置期望數(shù)量的清潔模塊。經(jīng)純化的氫可通過優(yōu)選包含于分開的壓縮機(jī)模塊33中的壓縮機(jī)和緩沖設(shè)備短時(shí)間貯存，如圖2所圖示。取決于用戶對(duì)氫的需求波動(dòng)，使用緩沖系統(tǒng)以確保用戶總是具有可用的氫。該模塊由至少一個(gè)低壓力氫壓縮機(jī)組成。然后可將氫貯存于緩沖貯存器34中，如圖2所圖示，該緩沖貯存器包括至少一個(gè)壓力容器作為氫氣的臨時(shí)緩沖器。所述壓力容器也可具有標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的尺寸。當(dāng)將例如生物質(zhì)或有機(jī)廢料氣化為氫時(shí)，二氧化碳可在工藝中作為次要產(chǎn)物進(jìn)行分離?？蓧嚎s所獲得的二氧化碳并將其用于例如造紙工業(yè)的PH-調(diào)控應(yīng)用。二氧化碳也可用于飲料工業(yè)的碳酸飲料。二氧化碳也可作為用于消防設(shè)備和用于填充自動(dòng)救生衣的重要?dú)怏w而使用。該分離使得有可能支配二氧化碳，并且使其在汽缸中或在圍繞油井的基巖中 (若可得到適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)施)加壓或者通過使其結(jié)合至例如水泥而存放。因此本發(fā)明可積極降低大氣中的二氧化碳的量。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可包括超過一個(gè)的由交流電供以動(dòng)力的等離子體發(fā)生器和超過一個(gè)的氣化模塊。然而，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)氣化模塊，如上所述。系統(tǒng)還包括至少一個(gè)氣體清潔模塊，但取決于所需的氫品質(zhì)，可將超過一個(gè)的清潔模塊引入系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)包括至少一個(gè)水煤氣變換和氫分離模塊。系統(tǒng)可包括數(shù)個(gè)相同或不同類型的模塊。另外的模塊可選自加載模塊、氣化模塊、清潔模塊、水煤氣變換和氫分離模塊、氫緩沖模塊、二氧化碳支配模塊和控制模塊，其中提供控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，所有均取決于系統(tǒng)的單獨(dú)需要。在如上描述中公開了本發(fā)明的特定實(shí)施方案。根據(jù)本文在如下權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的教導(dǎo)，本發(fā)明的其他改變對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯然的。
權(quán)利要求
1.一種用于自有機(jī)材料制氫的柔性模塊式系統(tǒng)(1)，所述系統(tǒng)包括(i)至少一個(gè)加載裝置或加載模塊O)；(ii)至少一個(gè)氣化模塊(7)，所述氣化模塊(7)包括至少一個(gè)由交流電供以動(dòng)力的等離子體發(fā)生器⑶；(iii)至少一個(gè)氣體冷卻模塊(11)；(iv)至少一個(gè)氣體清潔模塊(12)，所述氣體清潔模塊(1 包括至少一個(gè)氣體清潔裝置；(ν)至少一個(gè)水煤氣變換和氫分離模塊(14)；其中每個(gè)所述模塊構(gòu)造成具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，并且所述模塊通過接口彼此連接， 所述接口包括接合裝置(19a，19b，19c，19d)以及用于氣體的連接件(15)、用于電力和通信的連接件(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述模塊具有標(biāo)準(zhǔn)ISO集裝箱的尺寸，并且適于在運(yùn)輸交通工具上進(jìn)行運(yùn)輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中相鄰模塊中的所述接口具有相同的規(guī)格，并且能連接至所述相鄰模塊的接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的系統(tǒng)，其中使用兩個(gè)或更多個(gè)清潔模塊(1 以純化氣體，從而獲得所需水平的氫純度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中將等離子體氣體從包括電極的所述發(fā)生器(8)的放電室04)通過孔0 導(dǎo)入所述放電室04)外部的室( )，在所述室06) 中所述等離子體氣體與有機(jī)材料相互作用。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述有機(jī)材料為固體、液體或氣體形式。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述有機(jī)材料為廢料。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體發(fā)生器(8)為三相等離子體發(fā)生器。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括選自加載模塊、氣化模塊、清潔模塊以及水煤氣變換和氫分離模塊中的一個(gè)或更多個(gè)另外的模塊。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述接合裝置是柔性的。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述接口包括構(gòu)成所述接口的防護(hù)罩的彈性材料法蘭(18)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述氣體模塊用耐熱材料隔熱，并且適于承受高達(dá)約1200-1700°C的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于自有機(jī)材料制氫的柔性模塊式系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)加載裝置或加載模塊、至少一個(gè)氣化模塊、氣體冷卻模塊、至少一個(gè)氣體清潔模塊以及至少一個(gè)水煤氣變換和氫分離模塊，所述氣化模塊包括至少一個(gè)由交流電供以動(dòng)力的等離子體發(fā)生器，所述氣體冷卻模塊包括冷卻裝置，所述氣體清潔模塊包括至少一個(gè)氣體清潔裝置。每個(gè)模塊構(gòu)造成具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，并且所述模塊通過接口彼此連接，所述接口包括接合裝置和用于氣體、電力和通信的連接件。
文檔編號(hào)C10J3/00GK102239234SQ200880132256
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者丹尼爾·林海姆, 托爾斯滕·格蘭伯格 申請(qǐng)人:普拉加茲有限公司