利用过量热进行电化学反应的系统的制作方法
【专利摘要】提供了将工业过程产生的过量热用于电化学过程的系统和方法。所述系统包含：用于进行电化学反应的电化学反应器，其中所述电化学反应需要预定最低温度来进行；有效用于接收工业过程中产生的且在升高温度下的气态进料流的方法；用于将一种或多种化学反应物引入至电化学反应器的入口；其中所述系统特征在于，所述气态进料流温度不恒定，且对于至少部分时间，所述系统接收的所述气态进料流的温度低于所需的预定最低温度。
【专利说明】
利用过量热进行电化学反应的系统
技术领域
[0001]本公开总体上涉及利用过量热的系统和方法，和更特别地，涉及利用在变化的操作条件下排放的过量热的系统和方法。
[0002]背景
与在升高的温度下操作的许多工业制造有关的已知问题之一是由所述设备排放的过量热的产生，其未有效利用。
[0003]虽然，在排出气体中可能有大量的能量含量的潜力，与利用该潜力有关的典型问题在于，所述热气态进料流为短暂基准上产生的副产物，例如间歇过程的输出、副产物热气体的非恒定产生等。因此，实际上不可能依赖基本上非恒定的热气体进料，甚至热气体的间歇进料，用于使用该热量运行连续过程(这从经济观点来看是期望的)。
[0004]解决该问题的一种方法是，通过在系统中包括储存器，用于储存离开所述过程的热气体，并从该储存器引出恒定的热气态进料。然而，这种解决方案是不实用的，由于与需要在升高的温度下储存和压缩气体有关的成本。
[0005]获得中间储存器的另一个方法是使用相变材料，热量可储存在其中。然而，同样地，涉及这种过程和过程效率损失的成本(因为在储存和回收过程中温度的降低)，使这种解决方案不实用。
[0006]获得这种储存器的又一个方法是使用具有高热容的材料(例如耐火砖，热气体携带过量热流动通过其中)和加热该介质，过量热作为显热储存。同样，这种解决方案遭受与上述解决方案类似的缺点。
[0007]有鉴于此，需要获得一种解决方案，其允许利用过量热和因此增加产生过量热的过程的总效率。
[0008]公开概述
可参考所附权利要求概述本公开。
[0009]本公开的目的是提供利用工业过程排放的过量热的系统和方法。
[0010]本公开的另一个目的是提供使用过量热用于进行电化学反应的方法和系统，而过量热在变化的条件下提供。
[0011 ]本发明的其它目的由以下描述变得显而易见。
[0012]根据本公开的第一方面，提供了将工业过程产生的过量热用于电化学过程的系统，所述系统包含:
用于进行电化学反应的电化学反应器，其中所述电化学反应需要(即，为了实现合理的过程效率)预定最低温度来进行；
有效用于接收工业过程产生的和在升高温度下的气态进料流的设备；
用于将一种或多种化学反应物引入至所述电化学反应器的入口；
其中所述系统特征在于，所述气态进料流的温度不恒定，且对于至少部分时间，所述系统接收的所述气态进料流的温度低于所需的预定最低温度。
[0013]根据另一个实施方案，所述系统包含串联布置的多个部分，其中各个部分包含至少一个电化学反应器和至少一个燃烧器，且其中所述气态进料流在燃烧器中加热至等于或大于所需的预定最低温度的温度之后在各个电化学反应器处引入。
[0014]根据另一个实施方案，气态进料流包含化合物的一种或多种残余物，所述化合物选自包含能量的化合物、可燃化合物、有毒化合物等，且其中所述系统还包含辅助入口以允许将氧化剂引入至系统和配置用以燃烧所述残余物的燃烧器内，从而将气态进料流的温度升高至等于或大于所需的预定最低温度的温度。所述一种或多种残余物可为例如CO或出或它们的组合，且所述氧化剂可为例如氧或空气或它们的组合。
[0015]根据另一个实施方案，电化学反应器至少部分地位于其中产生工业过程过量热的室的空腔内。此外，夹套可放置在位于所述室内的电化学反应器周围，且夹套可用作缓冲以调节反应器温度。
[0016]本文所用的术语“室”在整个说明书和权利要求中以表示在其中产生过量热的包围体。
[0017]通过又一个实施方案，工业过程为以下之一:水泥制造过程、玻璃制造过程、钢制造过程、铝制造过程、气化、生物气燃烧、焚烧、重整过程和发电。
[0018]根据又一个实施方案，电化学反应分解C02和/或H20。
[0019]根据另一个实施方案，所述系统还包含有效用于将电流引入至所述系统的设备，其中该设备有效用于在所述气态进料流的输入能量减少时增加引入至所述系统的电流。
[0020]根据本公开的另一方面，提供了将工业过程产生的过量热用于电化学过程的方法。该方法包含以下步骤:
提供用于进行电化学反应的电化学反应器，其中所述电化学反应需要预定最低温度； 接收所述工业过程中产生的和在升高温度下的气态进料流；
将一种或多种化学反应物引入至所述电化学反应器；
其中所述方法特征在于，所述气态进料流温度不恒定，且对于至少部分时间，接收所述气态进料流的温度低于所需的预定最低温度。
[0021]根据该方面的另一个实施方案，所述方法还包含:提供串联布置的多个部分，其中各个部分包含至少一个电化学反应器和至少一个燃烧器，且其中在所述气态进料流的温度低于所需的预定最低温度的情况下，所述气态进料流在燃烧器中预热至等于或大于所需的预定最低温度的温度之后在电化学反应器处引入。
[0022]根据另一个实施方案，接收气态进料流的步骤包含接收包含化合物的一种或多种残余物的气态进料流，所述化合物选自包含能量的化合物、可燃化合物和有毒化合物，且其中所述方法还包含引入氧化剂以燃烧所述残余物的步骤，从而将气态进料流的温度升高至等于或大于所需的预定最低温度的温度。本领域技术人员应理解，所述一种或多种残余物可包含在气态进料流中，在该流已从工业过程排放之后将残余物添加至该流中而得到，或当气态进料流从工业过程排放时作为副产物包括在气态进料流中。
[0023]通过本发明的该方面的又一个实施方案，电化学反应器至少部分地位于其中产生工业过程过量热的室的空腔内。
[0024]根据本发明的该方面的又一个实施方案，工业过程为以下之一:水泥制造过程、玻璃制造过程、钢制造过程、铝制造过程、气化、生物气燃烧、焚烧、重整过程和发电。
[0025]附图简述为了更完整理解本发明，现在结合附图参考以下详述，其中:
图1是本发明的实施方案的系统的实施例的示意框图；
图2是说明根据本发明的另一实施方案，使用串联安装的各自包含电化学反应器和燃烧器的多个部分的示意框图；
图3举例说明使用文丘里栗以提高输入的进料流的压力；
图4举例说明使用文丘里栗以提供氧化剂至燃烧器;和
图5是与本发明的实施方案解释的系统组合的工业过程的实施例的概要示意框图。
[0026]详述
在以下描述中，出于解释目的，阐述许多具体细节以便通过实施例提供本发明的更好的理解。然而，显而易见的是，本发明可在没有这些具体细节下实施。
[0027]本公开提供的系统目的在于使电化学反应器能与在其中进行高温过程的设备组合，而在这些过程中产生的至少一些热量目前以热气态输出的形式从所述设备中排放，未完全利用包含在排放气体内的能量潜力。虽然在排出气体中可能有大量的能量含量潜力，但与利用该潜力有关的典型问题在于，热气体输出是在短暂基准上产生的副产物，例如，间歇过程的输出、副产品热气体的非恒定产生、处于变化的温度等。因此，实际上不可能依赖基本上非恒定的热气体进料用于进行连续过程(这出于经济观点是期望的)和需要最低操作温度以便在商业基准上进行的过程。
[0028]因此，根据本发明，提供利用过量热的系统，其包括能够捕集原本被浪费掉的(或至少部分被浪费)作为工业过程副产物的热气体形式的能量的电化学反应器。这些工业过程可在以下中进行:例如，水泥厂、玻璃制造业、钢铸造厂、铝铸造厂、气化设备、生物气燃烧器、焚烧炉、重整器、化学工厂、发电设备等。
[0029]本文提出的解决方案固有的一个优点是，在变化的温度下由工业过程回收的过量热可用于电化学过程，所述电化学过程在基本恒定的工作条件下进行且其中需要最低温度阈值。
[0030]这样的电化学反应器的实施例为电化学反应器是气体分解反应器，CO2和/或H2O作为输入气体引入且反应器输出是CO和/或出(除剩余的输入气体以外)和02。以热气体的形式到达反应器的外部热源用于提供能量至分解过程和任选用于产生所述过程也需要的电能。在某些情况下，其中过量热在作为由其中产生过量热的工业过程排放的气体之一(或唯一)的CO2中携带，本公开的电化学反应器可有利地用于分解该气体，从而阻止CO2直接排放至大气中。
[0031]以下实施例表明用于提取来自工业过程的过量热的不同设置和它在包含加热的电化学反应器的系统中的利用率，其中这样的系统包括接收来自外部热源的热能和来自电源的电能的反应器。
[0032]过量热可提取自，例如，炉、燃烧器、过程室、焚烧炉、气化器等。本文在整个说明书和权利要求中使用术语“过程室”(或简单的“室”)以表示在其中产生过量热的这些或其它包围体。
[0033]从室提取的热源可为源自室内的辐射、在其中的对流或传导介质的热量形式。
[0034]在某些情况下，热量可直接从室的空腔提取，例如燃烧排气装置的空腔。热量可通过对流、辐射或传导从室空腔提取。还可通过将热气体直接传送至反应器空腔内，使热量直接吸收进气体分解(即电化学)反应器中。
[0035]在其它情况下，热量可从室内提取(例如由室空腔周围的壁消散)，例如在耐高温材料内层和外部金属壳之间。热量可通过对流、辐射、传导或它们的任何组合提取。
[0036]此外，热量可通过使用管、使用翅片的大表面积装置、多个管、换热器等来提取。
[0037]热量可通过加热流体例如热气体、相变材料(例如熔融盐)或加热固体颗粒的流体传递。
[0038]根据本公开的实施方案，图1中表明的系统包含电化学反应器(例如气体分解反应器)作为反应区、热交换区、加热流(即气态进料流)入口和出口设备、反应气体入口设备和至少一个反应气体出口设备，和用于将电流引入至所述系统的入口和出口设备。传感器安装在该装置内以允许控制参数，例如反应器温度、加热速率、流体和气体流速、反应速率、气体组成和压力。
[0039]如上所述，热量可按很多方法从室提取。例如，热量可通过将管或换热器插入进空腔提取或由热源的壁提取，从而气态进料流通过辐射和/或对流加热并通过绝热管传送至需要热能的热量消耗位置，例如反应器部分或热电发生器。在另一个实施方案中，流体(例如存在于室内的气体)可用作加热流和通过绝热管传送至热量消耗位置。不同使用位置可串联或并联地接收加热流。本领域技术人员应理解，热量消耗位置接收热能的次序在不同的实施中可不同，取决于例如在相应位置之一应消耗热量的温度。此外，在提供热能至热量消耗位置之一以后，气态进料流可循环回到热源，向下游传送至另外的一个或多个热量消耗位置或从所述系统排放。
[0040]在另一个实施方案中，气态进料流进入电化学反应器的热交换区和通过对流或辐射将热能传递至反应区。在一个具体实施方案中，来自气态进料流的热能可通过对流传热在反应器的反应区直接提取。
[0041 ] 通过又一个实施方案，电化学反应器至少部分地通过源自电源的电能和源自加热流的热能来驱动。在一个实施方案中，离开炉的高温烟道气能直接用作加热流。在另一个实施方案中，热能被经过具有高温烟道气的热交换机构的加热流吸收。某些炉可见于不同的工业中，例如水泥制造厂、玻璃制造业、钢铸造厂、铝铸造厂、气化设备、生物气燃烧器、焚烧炉、重整器、化工设备和发电设备。加热流可包含剩余的氧或剩余的燃料，例如由于炉内对氧化或还原环境的需要。在加热流包含剩余燃料的情况下，在许多情况下需要排放工业设备以在火炬中燃烧加热流以便保证剩余燃料不被排放，因此浪费可用的能量。
[0042]加热流(即气态进料流)提供在高温下的热能至反应器或其它热量消耗位置，和在提供热能期间，其将明显冷却下来。因此，如图2可见，在进入任一电化学反应器之前(例如在排出反应器之后)，加热流可通过燃烧器再加热，基本上补偿加热流在反应器内去除的热能，和因此加热流的温度可提高回到它的原始值(即在与反应器相互作用之前)。加热流然后可转移至另一个反应器，然后至另一个燃烧器等，从而产生至少一个高温部分的链，其中各个反应器后面有后燃烧器。燃烧器可依赖燃烧包含在加热流中的剩余燃料，同时添加氧至燃烧过程，或在备选中，燃烧器可依赖燃烧包含在加热流中剩余的剩余氧，同时添加燃料至加热流。在另一个备选中，可添加燃料和氧两者用于燃烧。在另一个实施方案中，过量的燃料和过量的氧可添加到安装在串联结构中的备选单元。此外，甚至在进入本发明系统之前(即在到达本发明的任何电化学反应器之前)，来源于室的气态进料流的温度可过低。因此，如图2可见，在进入任一电化学反应器之前(例如在排出室之后)，加热流可通过燃烧器预热。
[0043]本文描述的系统具有以下优点:再使用源自高温源的热能，并仅用于补偿反应器利用的最高温热量部分，因此避免能量原本被消耗用于将各个反应器的加热流从环境温度加热至所需的工作温度。
[0044]在当加热流的压降过高而不允许自由流过一个或一系列反应器和燃烧器时，其中在该系列中将需要至少一个栗以提供所需的流。栗可位于沿该系列反应器和燃烧器的不同点。例如，该栗可依赖文丘里效应(图3)和此外，该栗可用于引出氧化剂(例如空气、氧)(图4)，其然后用作至燃烧器的进料(例如以上述方式)。
[0045]在另一个实施例中，其中电化学反应器是气体分解反应器和分解的输出产物是CO和/或出和氧，提供至燃烧器的燃料和/或氧的来源可来自反应器输出的部分再循环。然而，在这些情况下，分解过程的效率在更高工作温度下提高，从而补偿输出产物的部分消耗。
[0046]可直接从相同部分内的反应器至燃烧器进行再循环，或其可使用中央储存器进行，所述中央储存器包含已经从属于同一系列反应器的数个反应器(反应器链)回收的组合输出。在备选中，燃料和/或氧可从外部源提供。
[0047]让我们考虑以下实施例，其中与本公开的系统相关的工业设备是气化设备，而室是用于气化煤或生物质或任何其它适用材料的气化器，其中在气化器空腔内产生的热量在1000 °C_1600°C温度范围。过量热可从燃烧区和/或从辐射区和/或从位于燃烧区和辐射区之间的区域和/或从气化器的壁和/或从它们的任何其它区域直接提取。过量热的提取可通过使用流动通过在气化器的任何以上区域内的管的流体来进行，其中流体可为气体、液体或固体颗粒流。
[0048]操作时，气化器设备排放CO2作为气化过程的副产物，其可作为输入气用于本公开的电化学过程。在电化学反应器中，C02分解为CO和02。在某些气化设备中，使用空气分离单元产生02，然后用作用于燃烧过程的氧化剂。电化学反应器产生的O2可添加到O2流中，因此降低该设备的O2产生成本。H2O可添加到用于电化学反应的输入气体中，单独或与CO2—起。电化学反应器的输出产物可为CO和出的混合物，称为合成气，其可添加到气化器产生的合成气中。不同气体(co2、H2o、o2、合成气)的利用有效性还可通过沿热源和气体利用点之间的管路放置缓冲储存器来增强。
[0049]以下实施例涉及包含根据本发明实施方案的系统的设备。然而应注意到甚至在本系统安装之前，已经在使用离开室的一些过量热，例如用于该设备所用的进入原料的同流换热预热。在安装本发明的系统之后，部分过量热通过将加热流转移经过气体分解反应器用作气体分解反应器中所需的热能，和离开分解反应的加热流(在稍微更低的温度下，由于分解反应消耗的热量)继续它的常规路径和用于预热进入的原料。在涉及高温室的许多情况下，不是所有的热量在正常操作条件下利用，反而，在热量通过同流换热器传递至进入材料之前，温度首先降低至更方便的水平。本发明系统的使用允许在高温下利用那些浪费的热量，因此减少产生的过量热的某些部分的浪费。
[0050]气体分解过程所需的电力可源自另外的电源。电源可为电网或可再生电源，例如:光伏电池、风力涡轮机等。
[0051]在电化学过程的电能供应不保持基本上恒定的情况下，热调节模块用于调节包含源自该设备的过量热的加热流速率，以便控制气体分解反应器的生产速率。当由于任何原因，例如材料不相容性问题或污染问题，来自室的加热流不能直接用于电化学反应器时，也可使用该调节。在这种情况下，例如可使用两步式换热器以允许在两个不同的流体之间传递热量。此外，本领域技术人员应理解，在包含在加热流内的热能不保持基本上恒定的情况下，热调节模块可用于调节电输入。
[0052]在本公开的另一个实施方案中，本发明的系统消耗气体分解过程所需的热能，在其后将加热流(在降低的温度下)转移至发电模块，由此将所述热量用于产生气体分解过程所需的电力，例如使用一个或多个涡轮机和/或一个或多个热机。除上述先前选择之外，在一些情况下，气体分解反应器中存在的反应产物可进料回到设备。例如，氧可添加至用于例如燃烧室和气化器的元件的空气流，以便改进燃烧特性。
[0053]以下实施例表明用于提取来自设备的过量热的某些配置，将所述过量热用于加热的电化学系统。
[0054]根据一个实施例，提供了一种系统，所述系统包含:电化学反应器、将过量热从其中存在高温区的室传送至电化学反应器的设备、将电能从电源传送至所述系统的设备，其中电化学反应器配置用于利用从室和电能来源两者传送至其中的热量，以便进行电化学反应。一旦热能的输入速率变化，例如由于在其中产生过量热的过程的变化，所述系统适合于从电源引出更多电能，从而补偿可用于进行电化学反应的能量的缺乏，和允许保持基本恒定的电化学反应产物流。
[0055]以下实施例(图5所示)描述了根据本发明的实施方案进行C02+H20分解反应用于生产合成气和02的系统。
[0056]电化学反应器通过电能和热能驱动。热能通过离开燃烧气体燃料的炉的高温烟道气提供至反应器。烟道气可从其中燃烧未充分完成的烟道管区域提取，和因此烟道气包含能量/可燃/有毒化合物的残余物，例如CO和Hs。烟道气，作为加热流，进入电化学反应器和将它的至少部分热能传递至反应区，例如使用换热器。氧化气体例如空气或氧可添加到至加热流中以便完全燃烧剩余的能量化合物，从而增加烟道气的热能含量(以及它的温度)和同时处理掉这些剩余的化合物。包含在烟道气中的这些残余物的燃烧也减少处理离开室的烟道气另外所需的安全措施。氧化剂可添加至反应器内的烟道气中或可在其进入反应器之前添加(例如在燃烧器中)。添加至反应器内加热流的另外的热能可补偿与系统有关的热损失或增加过程温度至高于可得热源的温度。例如，该实施方案可在其中需要还原环境的用于热处理材料的炉中使用。在这种炉中，在烟道气离开过程区域之后，空气通常添加至烟道气以便保证残余物的氧化。
[0057]以下实施例描述根据本发明的另一个实施方案进行C02+H20分解反应用于生产合成气和O2的系统。
[0058]同样，电化学反应器通过电能和热能驱动。加热流从(工业过程的)室传送至反应器，而它的热能含量用于将反应器的热交换区加热至期望的操作温度。在反应器气体入口引入的反应物气体用于进行CO2和/或H2O的分解反应。CO和出添加至反应气体形成反应气体混合物。反应气体混合物然后通过与加热流的热交换机制加热至接近反应温度的温度，然后其进入反应区，优选在热交换区内。在具体的实施方案中，氧也可在进入反应区之前添加至反应气体混合物。氧与反应气体混合物中包含的至少部分CO和H2燃烧，增加热能和因此提高进入反应区的反应气体混合物的温度。添加到反应器内的反应气体混合物的另外的热能可提高过程效率，补偿系统中的热损失和/或提高温度至比可得热源更高的温度。
[0059]通过另一个实施方案，反应气体混合物除⑶2和/或H2O的反应气体之外还可包含氧。反应气体混合物通过与加热流的热交换加热至接近反应温度的温度，然后进入反应区，优选在热交换区内。在进入反应区之前，例如CO和/或出的可燃气体可添加至反应气体混合物。氧与反应气体混合物中包含的至少部分⑶和出燃烧，增加热能和因此提高进入反应区的反应气体混合物的温度。
[0060]在本公开中，术语“包含”预期具有开放式含义，使得当第一要素陈述为包含第二要素时，第一要素还可包括本文不一定指明或描述的或权利要求中不一定陈述的一个或多个其它要素。
[0061]使用实施方案的详述描述本发明，其以实例方式提供和不期望以任何方式限制本发明的范围。所述的实施方案包含不同特征，不是所有特征都在本发明的全部实施方案中需要。本领域人员将认识到本发明的一些实施方案仅利用一些特征或特征的可能组合。描述的本发明实施方案的变化和包含描述的实施方案中说明的特征的不同组合的本发明实施方案。本发明的范围仅由以下权利要求限定。
【主权项】
1.将工业过程产生的过量热用于电化学过程的系统，所述系统包含: 用于进行电化学反应的电化学反应器，其中所述电化学反应需要预定最低温度来进行； 有效用于接收工业过程产生的和在升高温度下的气态进料流的设备； 用于将一种或多种化学反应物引入至所述电化学反应器的入口； 其中所述系统特征在于，所述气态进料流温度不恒定，且对于至少部分时间，所述系统接收的气态进料流的所述温度低于所需的预定最低温度。2.权利要求1的系统，所述系统包含串联布置的多个部分，其中各个部分包含至少一个电化学反应器和至少一个燃烧器，其中所述气态进料流在燃烧器中加热至等于或大于所需的预定最低温度的温度之后在各个电化学反应器处引入。3.权利要求1的系统，其中所述气态进料流包含化合物的一种或多种残余物，所述化合物选自包含能量的化合物、可燃化合物和有毒化合物，且其中所述系统还包含辅助入口以允许将氧化剂引入至所述系统和配置用以燃烧所述残余物的燃烧器，从而所述气态进料流的温度升高至等于或大于所需的预定最低温度的温度。4.权利要求1的系统，其中所述电化学反应器至少部分地位于其中产生工业过程过量热的室的空腔内。5.权利要求1的系统，其中所述工业过程为以下之一:水泥制造过程、玻璃制造过程、钢制造过程、铝制造过程、气化、生物气燃烧、焚烧、重整过程和发电。6.权利要求1的系统，其中所述电化学反应分解CO2和/或H2O。7.权利要求3的系统，其中所述一种或多种残余物为COSH2或它们的组合，且所述氧化剂为氧或空气或它们的组合。8.权利要求1的系统，其还包含有效用于将电流引入至所述系统的设备，其中所述设备有效用于在所述气态进料流的输入能量减少时增加引入至所述系统的电流。9.将工业过程产生的过量热用于电化学过程的方法，所述方法包含以下步骤: 提供用于进行电化学反应的电化学反应器，其中所述电化学反应需要预定最低温度； 接收所述工业过程中产生的和在升高温度下的气态进料流； 将一种或多种化学反应物引入至所述电化学反应器； 其中所述方法特征在于，所述气态进料流温度恒定，和对于至少部分时间，接收所述气态进料流的温度低于所需的预定最低温度。10.权利要求9的方法，其还包含提供串联布置的多个部分，其中各个部分包含至少一个电化学反应器和至少一个燃烧器，且其中在所述气态进料流的温度低于所需的预定最低温度的情况下，所述气态进料流在燃烧器中加热至等于或大于所需的预定最低温度的温度之后在各个电化学反应器处引入。11.权利要求9的方法，其中接收气态进料流的步骤包含接收含化合物的一种或多种残余物的气态进料流，所述化合物选自包含能量的化合物、可燃化合物和有毒化合物，且其中所述方法还包含引入氧化剂以燃烧所述残余物的步骤，从而所述气态进料流的温度升高至等于或大于所需的预定最低温度的温度。12.权利要求9的方法，其中所述电化学反应器至少部分地位于其中产生工业过量热的室的空腔内。13.权利要求9的方法，其中所述工业过程为以下之一:水泥制造过程、玻璃制造过程、钢制造过程、铝制造过程、气化、生物气燃烧、焚烧、重整过程和发电。
【文档编号】C25B15/08GK105992838SQ201480067643
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年9月29日
【发明人】R.哈帕兹, D.沙伊纳
【申请人】新二氧化碳燃料有限公司