用于在升高溫度下進行化學離解反應(yīng)的裝置和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及用于進行化學反應(yīng)的系統(tǒng)，并且特別地涉及使用0)2和/或!120作為它們的原材料的太陽能系統(tǒng)(solar system)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在各種應(yīng)用領(lǐng)域中，用來進行電解反應(yīng)的裝置是已知的，并提出了用水和CO2作為這種電解反應(yīng)的反應(yīng)物。水可以用作氫氣生產(chǎn)的簡單且清潔的來源，而后一種反應(yīng)物可以用于減少CO2排放的目的。
[0003]盡管通過使用已知技術(shù)在低溫下商業(yè)化水電解是可行的，但是這種方法的運行效率比較低。另一方面，高溫固體-氧化物電池技術(shù)的用途受到使用通常在800-1000°C范圍內(nèi)運行的高溫電池的需求的限制。然而，為了在這樣的溫度下操作，需要使用加熱器，其反而會降低整體效率，從而降低采用這種方法的能力。
[0004]不幸的是，當與天然氣或其它烴類的蒸汽重整相比時，用于水電解的設(shè)備的成本是非常顯著的，因此使得水電解成為用于氫氣生產(chǎn)過于昂貴的選擇。
[0005]在US 8，048，276中描述了解決上述問題的一次嘗試，其公開了將固體氧化物堆用作燃料電池來從氫氣或其它來源發(fā)電。根據(jù)該出版物中提供的公開內(nèi)容，入射熱源用于通過熱交換器加熱壓縮空氣流，或者循環(huán)來自堆的部分尾氣，或燃燒來自堆離解的產(chǎn)物，從而減少實現(xiàn)離解所要求的昂貴的供電量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在本領(lǐng)域有提供能夠在升高溫度下有效地進行特定離解反應(yīng)以獲得所期望的離解產(chǎn)物的妥善解決方案的新型方法的需求，例如其適合用于收獲太陽輻射或用于任何其它的高溫反應(yīng)。
[0007]本發(fā)明提供了用于在升高溫度下進行離解反應(yīng)(例如，電解)的方法和設(shè)備。本發(fā)明的技術(shù)通過使用CO2作為燃料生產(chǎn)的原料來提供減少0)2的排放。此外，本發(fā)明的技術(shù)提供減少對電廠和其它CO2排放設(shè)施中捕獲的CO 2的掩埋(sequestrat1n)的需求。
[0008]在本發(fā)明的技術(shù)中，原料氣被有效地加熱到所要求的升高溫度以使反應(yīng)發(fā)生。這通過下述方式實現(xiàn)的:在反應(yīng)區(qū)中的反應(yīng)單元的合理排列，并且通過加熱系統(tǒng)的合理構(gòu)造來加熱反應(yīng)單元，以便于限定在反應(yīng)區(qū)中的加熱路徑從而提供非常有效的傳熱給反應(yīng)單元。此外，本發(fā)明通過控制氣流來提供給上述單元對流傳熱的優(yōu)化。
[0009]加熱系統(tǒng)包括在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的多個熱源，以提供在反應(yīng)單元中反應(yīng)所需的至少一部分能量。該熱源可以包括物理加熱元件，通過該元件被加熱的氣體流過反應(yīng)區(qū)。上述物理加熱元件可以包括通過相應(yīng)的反應(yīng)單元的內(nèi)部加熱元件，或者位于一個或多個反應(yīng)單元旁邊，穿插在相鄰反應(yīng)單元之間的外部加熱元件(U形管或者環(huán)形管)。熱源可以由反應(yīng)單元之間的區(qū)域/空間和加熱氣體流過的反應(yīng)單元陣列周圍的區(qū)域所組成，以致于加熱氣體與反應(yīng)單元直接接觸。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種反應(yīng)器，其包括:
位于反應(yīng)器中反應(yīng)區(qū)內(nèi)的多個反應(yīng)單元，反應(yīng)單元中的每一個適合于能夠使一種或多種原料氣(例如，包括0)2和H 20中的至少一種)進行化學反應(yīng)；入口裝置，其可運行從而允許將一種或多種原料氣引入到反應(yīng)區(qū)，并且允許使進入的一種或多種原料氣分流至多個反應(yīng)單元；
出口裝置，其可運行以允許使反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)區(qū)離開；和加熱系統(tǒng)；
其中反應(yīng)單元基本上沿著反應(yīng)區(qū)的縱軸延伸，并且以沿著反應(yīng)區(qū)的橫軸間隔一定距離的關(guān)系排列；和加熱系統(tǒng)包括沿著反應(yīng)區(qū)延伸的多個加熱氣體源，由此提供在多個反應(yīng)單元內(nèi)進行反應(yīng)過程的至少一部分能量。
[0011]如上文所指出的，加熱氣體源可以由以下形成:(i)多個內(nèi)部加熱元件，其各自沿著多個反應(yīng)單元中的相應(yīng)者(例如，的中心)縱向延伸，Qi) —個或多個外部加熱元件，其穿插在相鄰反應(yīng)單元之間，和(iii)加熱路徑的陣列，其由相鄰反應(yīng)單元之間的空間和反應(yīng)單元周圍的反應(yīng)區(qū)的區(qū)域來限定，以致于加熱氣體與加熱氣體所包圍的反應(yīng)單元直接接觸。
[0012]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解盡管在公開內(nèi)容中CO2數(shù)次被明確地稱為原料氣，但是其用于表示任何進入的原料氣，而可以認為CO用于表示排出的氣體產(chǎn)物。原料氣可以是具有比較低的CO含量的CO和0)2的混合物，而排出氣可以是具有較高CO含量的C0/C0 2混合物，取決于具體的操作條件。該氣體還可以含有H2O和其離解產(chǎn)物的各種混合物。
[0013]根據(jù)另一個實施方案，在相鄰的反應(yīng)單元之間穿插的一個或多個熱源包括以下至少一種:已加熱的氣體，如空氣、氧氣、CO2及其混合物，沿反應(yīng)單元的外殼流動，或沿反應(yīng)單元設(shè)置并由此輻射的加熱元件(例如，電元件)，和它們的任意組合。
[0014]根據(jù)另一個實施方案，沿著相應(yīng)的反應(yīng)單元的中心軸向延伸的熱源選自以下:管件，已加熱的氣體通過該管件沿相應(yīng)的反應(yīng)單元流動；沿著反應(yīng)單元設(shè)置的加熱元件(例如，電元件)，在沿相應(yīng)的反應(yīng)單元延伸的管件內(nèi)設(shè)置的加熱元件，和類似物。
[0015]根據(jù)另一個實施方案，反應(yīng)器中多個反應(yīng)單元的每一個在其端口中的一個具有開口，其構(gòu)造以使原料氣能夠引入到反應(yīng)單元中，并且由此取出反應(yīng)產(chǎn)物中的至少一種，并且封閉相對的端(從而防止氣流通過該封閉端)。
[0016]通過另一個實施方案，反應(yīng)器進一步包括流體轉(zhuǎn)移和混合單元，其可操作以將反應(yīng)產(chǎn)物組合為合成氣。
[0017]根據(jù)另一個實施方案，反應(yīng)器包括或構(gòu)造成與控制器相通信，該控制器可操作來控制電解產(chǎn)物的摩爾混合比例，以便能夠生產(chǎn)合成氣。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種反應(yīng)單元，其適于能夠在升高溫度下，使一種或多種原料氣進行離解反應(yīng)(例如，0)2和/或!120的，例如，電解過程)，其中該反應(yīng)單元包括:
-活性(例如，電解)殼體，所述一種或多種原料氣通過該殼體來傳送，并且在其中發(fā)生離解過程，所述活性殼體在其一端具有開口，其構(gòu)造用于將一種或多種原料氣引入到反應(yīng)單元中，并且取出來自反應(yīng)單元的反應(yīng)產(chǎn)物中的至少一種；
-內(nèi)殼體，其限定加熱路徑，該內(nèi)殼體通過活性殼體，并且其構(gòu)造用于為所述一種或多種原料氣的流動限定內(nèi)殼體周圍的活性殼體的空間。
[0019]根據(jù)另一個方面，提供了一種反應(yīng)單元，其適于能夠在升高溫度下，使一種或多種原料氣進行離解反應(yīng)(例如，0)2和/或!120的，例如，電解過程)，其中該反應(yīng)單元包括:
-活性殼體，所述一種或多種原料氣通過該殼體來傳送，并且在其中發(fā)生離解過程，所述活性殼體在其第一端具有開口，其構(gòu)造用于將一種或多種原料氣引入到反應(yīng)單元中，并且由此取出反應(yīng)產(chǎn)物中的至少一種，并且具有封閉的相對的端以防止任何氣流通過該封閉端;
-通過活性殼體的內(nèi)殼體，其構(gòu)造用于為所述一種或多種原料氣的流動限定內(nèi)殼體周圍的活性殼體的空間。
[0020]根據(jù)另一個方面，提供了一種反應(yīng)單元，其適于能夠在升高溫度下，使一種或多種原料氣進行離解反應(yīng)(例如，0)2和/或!120的，例如，電解過程)，其中該反應(yīng)單元包括:
-活性殼體，所述一種或多種原料氣流過該殼體，并且在其中發(fā)生離解反應(yīng)，所述活性殼體具有開口，其構(gòu)造用于將一種或多種原料氣引入到反應(yīng)單元中，并且由此取出反應(yīng)產(chǎn)物中的至少一種；
-通過活性殼體的內(nèi)殼體，其構(gòu)造用于為所述一種或多種原料氣的流動限定內(nèi)殼體周圍的活性殼體的空間；和
-包圍所述活性殼體的外殼體，以限制反應(yīng)過程的至少一種產(chǎn)物在所述活性殼體周圍的空間中流動。
[0021]根據(jù)某些實施方案，構(gòu)造反應(yīng)單元以使反應(yīng)過程的產(chǎn)物(例如，O2產(chǎn)物)在由包圍活性殼體的外殼體限定的空間中流動(并且該產(chǎn)物從所述空間中取出)。
[0022]構(gòu)造可以是這樣的:外殼體可以構(gòu)造成專用于相應(yīng)的活性殼體，即該外殼體與包括一個活性殼體的單個反應(yīng)單元相關(guān)聯(lián)。根據(jù)另一個實例，一個外殼體對多于一個的活性殼體是共有的，即同一個外殼體與多于一個反應(yīng)單元相關(guān)聯(lián)。根據(jù)另一個實例，提供了多于一個的外殼體，即至少一個內(nèi)部的外殼體位于外部的外殼體的內(nèi)部。在此情況下，該外部的外殼體對于反應(yīng)單元(活性殼體)的總體排列是共有的，而一個或多個內(nèi)部外殼體可以包括對應(yīng)于多個反應(yīng)單元(活性殼體)的單個殼體或可以包括分別包括多個活性殼體的多個外殼體。
[0023]例如，反應(yīng)過程的產(chǎn)物(例如，O2)在由包圍反應(yīng)單元的多個活性殼體的外殼體限定的空間中流動(并由此被取出)。
[0024]優(yōu)選地，反應(yīng)過程的至少一種其它產(chǎn)物(例如，在0)2電解的情況下，CO或CO與CO2的組合)流過內(nèi)殼體和活性殼體之間限定的空間(例如，在管狀反應(yīng)單元的情況下，經(jīng)過由這兩種殼體所形成的環(huán))。
[0025]反應(yīng)單元的活性殼體可以由以下材料中的至少一種制成:氧化釔穩(wěn)定氧化鋯、釓摻雜二氧化鐘、镲氧化紀穩(wěn)定氧化錯(Nickel Yttria stabilized Zirconia)、亞猛酸鑭鎖(lanthanum strontium manganite)和類似物。
[0026]根據(jù)某些實施方案，活性殼體包括至