用于生产二氢的气化炉的制作方法

二氢(双氢，dihydrogen)(h2)的生产是对抗全球变暖的一大挑战。在这种情况下，允许水-气反应或气体与水反应并将产生的全部或部分co2封存的溶液代表用于生产二氢的有竞争力的替代方案。该替代方案实现了管式反应器1，其内腔中可能排列有障碍物2，并使用气化的能量来启动气体与水的反应。

背景技术：

1、对全球变暖和气候变化的关注已经引发了全世界的努力，通过限制化石燃料能源消耗来降低大气中二氧化碳(co2)浓度。氢(氢气，hydrogen)或二氢是一种替代能源，提供了与化石燃料相当的使用灵活性。提出的用于生产二氢的主要方法是水电解法。

2、使用淡水进行电解造成了淡水资源的问题，由于全球变暖，淡水资源在许多地区可能会变得更加稀缺。正在开发一些使用淡水进行电解的替代方法，特别是使用尿液或盐水作为水解溶液的来源。

3、这些替代电解解决方案造成电极过早磨损的问题，并且因此使用贵金属，诸如金或铂，这增加了设备的成本。

4、此外，包含盐和其他溶质的溶液的电解能够导致其他产物的产生，诸如苏打、氯等，这会造成各种环境问题。

5、但除了使用的水解溶液(电解液)之外，还有能源的问题。

6、水的水解是非常耗能的过程，具有正焓。水分解反应h2o→h2+1/2o2需要180kj/mol的能量输入。

7、由于光能转化为电能的低效率，使用光伏能源大规模生产二氢需要较大的表面来产生必要的电能。事实上，尽管新一代光伏电池宣布最大产率为24％，但目前的产率仅勉强达到16％。此外，光伏电池的制造是高污染的，特别是在co2排放方面。对于大多数光伏板，需要几年的运行时间才能抵消制造过程中产生的温室气体排放。此外，这种补偿将只采取避免排放气体的形式，而不是co2排放捕获或温室气体封存。

8、由核电电解产生的氢气正越来越多地被推广。尽管核电站的制造成本、特别是建造核电站(混凝土、钢铁、土方)的co2排放量的成本，在计算用于核能发电的co2排放量时被忽略，但核燃料的制造以及废物的回收和储存在co2排放方面代表着巨大的成本。铀提取是采矿活动的一部分，采矿活动占全世界温室气体排放量的53％。将核工业作为整体来考虑，似乎该工业并不像该领域的专业人士所声称的那样是碳中性的。

9、此外，核能基本上是持续的并以适应需求的方式生产电力，与需要储存才能满足需求的替代可再生能源不同。

10、因此，从核电转换为氢气以再次发电的相关性并不明显，根据所实施的技术，损失在66％至30％之间。

11、许多项目提出了利用风能通过电解生产氢气作为一种可行的替代方案。然而，为了满足需求，需要建设大量的项目，这将造成许多环境问题。特别是，由于风能资源的分散性质，为了用风力发电生产1kwh，需要安装比用核电生产1kwh多100倍的钢和金属的设施。

12、看起来，在技术、水和能源资源方面，电解生产氢气而不排放化石来源的co2都是非常有限的。

13、使用各种热分解技术(诸如裂解、气化等)、包括高温、高压和/或氧化剂(诸如水)，从碳氢化合物或煤中生产二氢的技术造成温室气体(诸如甲烷和化石来源的co2)大量排放的问题。

14、类似地，使用相同或类似技术的热分解技术从生物质中生产二氢或从生物质中生产碳，会排放co2和其他温室气体，这些生物质当然是可再生的，但会将储存的碳从固体基质转化为co2、ch4形式的大气碳，这在短期内对全球变暖做出了重大贡献。事实上，只要重新种植生物质并结束其生长，通过各种生物质的生长，可持续地储存相同质量的碳需要几个月或甚至几年。

15、此外，用于生产二氢的热解技术造成气体分离的问题。产生的二氢与其他气体(诸如co2和co)混合。

16、最后，这些热解技术需要大量能源，这造成了经济可行性的问题，因为高温意味着产生的氢气中有很大一部分必须用于生产所需的能源。

17、基于对气旋反应器的改进，其原理已经被描述(ugolin 2007)，我们提出了新的气化循环，允许以固体形式捕获来自被处理的含碳底物(生物质煤、石油等)的全部或部分碳，同时分离产生的二氢。

18、已经提出的气化炉(gasifier)的原理最初是基于由根据模型连接在一起的旋风分离器系统组成的反应器。

19、每个旋风分离器将一种类型的气化反应限制在专用的反应空间内。碳颗粒形式的底物被纵向引入各种旋风分离器，而氧化剂被横向并切向地引入旋风分离器的圆柱体。氧化剂能够通过等离子体炬喷嘴引入，从而在旋风分离器中形成等离子体。气旋结构反应位置允许：

20、使颗粒在高温下与特定的氧化剂接触足够长的时间，以促进传质和传热，从而使选定的热化学反应大部分发生。

21、分离部分或全部气化的固体底物以通过翅片将其转移到下一级。

22、在上升柱中回收反应气体。

23、在设备的一些实施方案中，在每个步骤通过位于旋风分离器顶部位置的收集设备收集气体。在其他实施方案中，旋风分离器组件的收集管彼此对准，使得在旋风分离器中上升的气柱在上部旋风分离器中上升并与从上部旋风分离器上升的自身气柱合并，从而从反应器的所有旋风分离器上升的气体柱能够被从第一旋风分离器上升的气体捕获筒捕获。

24、在这些实施方案中，存在气体通过反应器之间的叶片组从一级泄漏到另一级的高风险。另一方面，将捕获通道定位在顶部位置会造成干扰旋风分离器运行的特殊空气动力学问题。

25、最后，如所述的反应器没有用于分离和净化产生的气体的装置，从而使得反应器产生选自co、h2、co2、h2o的至少两个分子的混合物。

26、具体地说，该设备不具有用于自动执行气水反应的元件

27、使得co+h2o→co2+h2

28、设备也不会自动将co2从二氢h2中分离。

技术实现思路

1、本发明涉及一种根据以下气水反应由co和h2o生产二氢的设备和方法：

2、(a)co+h2o→co2+h2，

3、其特征在于，包括co和h2o的气体混合物在设置在气化反应器中的反应管(1)中循环，该反应管的直径在5mm至500mm之间以及长度在50mm至10m之间，并且该气体混合物经受至少一种辐射，该辐射选自：伽马射线到高于500khz的无线电波范围内的电磁辐射、可见光红外和紫外波中的辐射、或伽马辐射、微波辐射、诸如α、β的核辐射或热辐射。

4、根据本发明的设备或方法可以包括以下特征或步骤中的一种或多种，这些特征或步骤彼此独立或彼此组合地采取：

5、-反应管包括优选地由以下制成的至少一个部分，：石英；硼硅酸盐玻璃；难熔金属(refractory metal)，诸如因康镍合金(inconel)、镍或任何其他难熔金属；陶瓷，诸如碳化物，例如碳化硅、碳化碘、碳化锆，并且其中该反应管部分地包括在气化反应器中；

6、-在反应管的内部包括在其内表面上的催化所述反应(a)的催化剂，使得这些催化剂包括选自以下的金属和这些金属的组合：氧化形式的铁、fe+、fe2+、fe3+、氧化形式的钛、氧化形式的钴、氧化形式的镍、铂系金属(platinoid)和铂系金属氧化物；

7、-反应管在其内腔中包括障碍物组(a set of obstacles)(2)，该障碍物组优选垂直于反应管的主轴布置，使得通过在反应管的内腔循环，co/h2o混合物与这些障碍物接触，促进气体与水的反应；

8、-反应管穿过至少一个波导，由磁控管产生的微波被注入该波导中，使得微波通过热作用在反应管上的作用和在反应管中通过热和分子搅动作用(molecular agitationaction)促进所述气体与水的反应(a)；

9、-所述反应(a)通过将紫外至红外范围内的电磁辐射施加到反应管表面或直接施加到反应管内部来通过提高反应管的温度来激活，所述辐射由至少一种光纤施加，光纤优选地包括石英或硼硅酸盐部；

10、-反应管经受由3至7匝的螺线管产生的可变电场和磁场，其中800khz至20mhz的交流电在螺线管中循环，并且感应可变磁场在穿过反应管的co/h2o气体中产生反应等离子体，促进所述反应(a)；

11、-反应管布置在组合了上述设备中的至少两个的设备中，允许对反应管施加微波、光波和感应磁场的任意组合；

12、-反应管(1)通过至少一个气旋式化反应器，使得源自以下至少一个气化反应的气旋气化反应器的辐射热(radiative thermal heat)加热所述反应管：

13、(b)c+h2o→co+h2

14、(c)c+co2→2co

15、(d)c+1/2o2→co

16、-使得气旋气化反应器包括至少一个圆柱体，该圆柱体形成气化反应器的本体，圆柱体在气化反应器的底部变窄为锥体，诸如注入气化反应器的气体形成沿旋风分离器的圆柱壁下降的旋涡，所述旋涡在旋风分离器底部的圆锥形的作用下通过对流在旋风分离器的中心上升，以及在气旋气化反应器中包括气旋设备，气旋设备具有至少两个入口，其中一个为纵向入口以及另一个为切向入口，以及包括至少一个提取设备，用于提取旋风分离器底部处的圆锥部的材料；

17、-气旋气化反应器的至少一个纵向入口包括双组推进器，优选地，连接到反应管的可移动组推进器，用作气旋气化反应器的旋转中心轴，以及另一组为固定推进器，双组推进器通过限制在气旋气化反应器中循环的气体来允许材料进入气旋气化反应器；

18、-气旋气化反应器包括至少一个波导，波导允许将微波注入气旋气化反应器，使得波导的取向被优化，使得微波的轨迹与由至少一个等离子体炬注入到气旋气化反应器中的等离子体的轨迹交叉，允许微波与由等离子体炬注入的等离子体相互作用，同时最小化与旋风分离器中上升的气体柱的相互作用；

19、-提取设备包括蜗杆(endless screw)、中心轮毂机(central hub mill)、中空蜗杆、中空中心轮毂机的任意组合，可选地(alternatively)收集管(collector tube)和任选地(optionally)为中空的叶片，以及形成具有导管系统的塞子的盖子；

20、-在气旋气化反应器的壁的水平处引入元件，该元件优选地由陶瓷制成，并且具有以下系统，所述系统允许调节陶瓷的温度以便将陶瓷温度设定在确定水平从而将所述陶瓷转换成发射选定波长的红外辐射的可调节的黑体，并且其中通过加热设备和冷却热交换器控制黑体的温度来调节由黑体发射的波长；

21、-气旋气化反应器的至少一个壁包含至少一个热交换器，热交换器由诸如水的流体或诸如h2o、co2、o2的气化氧化气体的混合物冷却。

22、-包括在气旋气化反应器的壁中的热交换器中产生的氧化蒸汽与来自反应(b)、(c)和(d)的气化产物注入到反应管，从而将产生的co转化为co2和h2；

23、-设备或方法允许将包括co的气体注入到等离子体反应器以进行反应：

24、(e)2co→co2+c，

25、其特征在于，反应器为等离子体气旋管，包括：

26、-管，该管为对微波可穿透的，对电场和磁场可渗透的，同时为电绝缘的，诸如石英、氧化铝、氧化锆、硼硅酸盐或碘化物，该管的直径在1cm至10cm之间，优选为4cm，

27、-至少一个波导，允许在对微波可穿透的管内施加微波，

28、-在对微波可穿的管的下部的锥体，该锥体被穿孔，轴能够穿过该孔，

29、-可调节的导电轴，诸如再涂覆有(recoated with)铂金属或不锈钢的石墨，任选地被覆有金或银，

30、-由导电材料制成的精细推进器(fine propeller)，该精细推进器的直径等于在等离子体气旋管中上升的气柱的截面，通常为管内径的33％，该精细推进器暂时电连接到地，

31、-在管的顶部位置的盖，该盖的内缘与对微波可穿透的管的内壁相连，具有与盖的内壁相切的孔口(orifice)，允许气体切向注入到盖的所述壁，

32、-在盖的中心的中央收集管，中央收集管的内径等于上升气柱的尺寸，通常为对微波可穿透的管的内径的33％，

33、-螺线管，优选具有3至7匝，该螺线管连接到例如800khz至20mhz之间的高频发生器的终端；

34、-气旋气化反应器的旋风分离器的收集管；中空蜗杆，收集管与位于第一旋风分离器上方的第二旋风分离器的提取器的中空蜗杆汇合，该蜗杆在其顶端通过盖子闭合，该盖子形成具有导管系统的塞子，也形成上部旋风分离器的底部；围绕管设置的叶片，该叶片与蜗杆的内腔汇合，该叶片为中空的并且在其一端打开进入管的内腔，并在其另一端打开到气旋气化反应器的外部，使得从下部旋风分离器上升的气体被捕获并且通过叶片被引导通过旋风分离器外部的储器以在储器被捕获；

35、-反应管固定在中空壁推进器或无芯蜗杆上，使得反应管形成推进器的轴，所述推进器和反应管嵌入线性管气化反应器，并且线性管气化反应器的外壁包括至少一个热交换器，以及使得传热流体、优选用于气化的氧化流体在至少一个交换器中循环、使得所述流体通过在线性气化反应器中发生的气化反应来加热，并且使得在优选实施方案中、在至少一个交换器的出口处的传热流体被注入推进器的中空壁中，推进器的中空壁被孔穿透、允许传热流体在气化反应器的由可穿透微波的材料制成的区域中在或多或少垂直于线性管气化反应器的主轴规则布置的波导的对面扩散，材料诸如是锆、氮化物或氧化铝的陶瓷石英，并且在优选实施方案中，形成推进器的轴的反应管也由可穿透微波的材料制成。

36、-光纤沿着线性管气化反应器、靠近波导规则地布置，以便将电磁辐射、优选为诸如uv、可见光或红外光的光优选注入到线性管气化反应器上、优选气化反应器内，并且注入到反应管上和反应管内；

37、-在每个波导和任选的每个光纤组之后，在线性管气化反应器中安装气体提取单元，使得每个气体提取单元包括至少一个圆柱形过滤器，圆柱形过滤器通过相对安装的特斯拉阀系统在上游和下游隔离。

38、本发明还涉及一种用于根据气水反应由co和h2o生产二氢的设备：

39、(a)co+h2o→co2+h2，

40、其特征在于，该设备包括：

41、-反应管，旨在在反应管中循环包括co和h2o的气体混合物，该反应管的直径在5mm至500mm之间，并且长度在50mm至10m之间，

42、-第一气化反应器，其中，设置反应管使得反应管经受由第一气化反应器在运行中产生的第一热能，以及

43、-用于使反应管经受至少一种第二电磁能的至少一个设备，电磁能选自从伽马射线到高于500khz的无线电波范围内的电磁辐射、可见光红外和紫外波中的辐射、伽马辐射、微波辐射和诸如α和β的核辐射。

44、根据本发明的设备或方法可以包括以下特征或步骤中的一种或多种，这些特征或步骤彼此独立或彼此组合地采取：

45、-反应管包括优选地由以下制成的至少一个部分：石英；硼硅酸盐玻璃；难熔金属，诸如因康镍合金、镍或任何其他难熔金属；陶瓷，诸如碳化物，例如碳化硅、碳化碘、碳化锆；

46、-在反应管的内部包括在其内表面上的配置为催化所述反应(a)的催化剂，使得这些催化剂包括选自以下的金属和这些金属的组合：氧化形式的铁、fe+、fe2+、fe3+、氧化形式的钛、氧化形式的钴、氧化形式的镍、铂系金属和铂系金属氧化物。

47、-反应管包括内腔，在内腔中布置障碍物组，障碍物组可能被覆有催化剂，优选垂直于反应管的主轴布置，使得通过在反应管的内腔循环，co/h2o混合物与这些障碍物接触，促进气体与水的反应。

48、-设备包括至少一个波导，波导配置为将由磁控管产生的微波注入反应管中以便通过热和分子搅动作用促进所述气到水的反应(a)。

49、-设备包括至少一种光纤，该光纤优选包括石英或硼硅酸盐部，并且配置为将紫外线和红外线之间的电磁辐射施加到反应管的表面或直接施加到反应管内，以便通过提高反应管的温度来激活所述反应(a)。

50、-设备包括具有3至7匝的螺线管，在螺线管中旨在循环800khz至20mhz之间的交流电，并且螺线管配置为使反应管经受感应电场和磁场，并且在穿过反应管的co/h2o气体中产生反应等离子体，以促进所述反应(a)。

51、-反应管设置在组合选自以下的至少两个设备、且允许对反应管施加微波、光波和感应磁场的任意组合的设备中：

52、〇至少一个波导，该波导配置为将由磁控管产生的微波注入至反应管，

53、〇至少一个光纤，该光纤配置为将紫外线至红外线范围内的电磁辐射施加到反应管的表面或直接施加到反应管内，

54、〇具有3至7匝的螺线管，在所述螺线管中旨在循环800khz至20mhz的交流电，并且配置为使反应管经受感应电场和磁场，并在穿过反应管的co/h2o气体中产生反应等离子体。

55、-所述气化反应器是气旋反应器，其配置为使得源自以下至少一个气化反应的气旋气化反应器的辐射热加热所述反应管：

56、(b)c+h2o→co+h2

57、(c)c+co2→2co

58、(d)c+1/2o2→co

59、并且使得气旋气化反应器包括：

60、〇至少一个圆柱体，该圆柱体形成气化反应器的本体，该圆柱体在气化反应器的底部变窄为锥体，使得注入气化反应器的气体形成沿气旋气化反应器的圆柱壁下降的旋涡，所述旋涡在气旋气化反应器底部的圆锥形的作用下通过对流在气旋气化反应器的中心上升，

61、〇气旋设备，该气旋设备具有至少两个入口，一个纵向入口和一个切向入口，以及

62、〇至少一个提取设备，该提取设备用于提取气旋气化反应器的圆锥部的材料；

63、-所述反应器包括至少一个纵向入口，纵向入口包括双组推进器，优选地，第一组为可移动推进器，该可移动推进器连接到反应管，并且配置为用作气旋气化反应器的旋转中心轴，以及另一组为固定推进器，双组推进器通过限制在气旋气化反应器中循环的气体来允许材料进入气旋气化反应器；

64、-气化反应器包括：

65、〇至少一个波导，该波导允许将微波注入气化反应器，以及

66、〇气化反应器中的至少一个等离子体炬，

67、使得至少一个波导的取向被优化，使得微波的轨迹与由至少一个等离子体炬注入到气化反应器中的等离子体的轨迹交叉，允许微波与由所述至少一个等离子体炬注入的等离子体相互作用，同时最小化与气化反应器中上升的气体柱的相互作用；

68、-设备还包括提取设备，该提取设备包括蜗杆、中心轮毂机、中空蜗杆、中空中心轮毂机的任意组合，以及可选地收集管和可能是中空的叶片的任意组合，以及形成具有导管系统的塞子的盖子；

69、-在气化反应器的壁的水平处引入元件，该元件优选地由陶瓷制成，并且具有以下系统，所述系统允许调节陶瓷的温度以便将陶瓷的温度设定在确定水平从而将所述陶瓷转换成发射选定波长的红外辐射的可调节的黑体，并且其中通过加热设备和冷却热交换器控制黑体的温度来调节由黑体发射的波长；

70、-气化反应器的至少一个壁包含至少一个热交换器，热交换器由诸如水的流体或诸如h2o、co2、o2的气化氧化气体的混合物冷却；

71、-所述至少一个热交换器配置为产生氧化蒸汽，氧化蒸汽与来自所述反应(b)、(c)和(d)的气化产物一起注入到反应管，从而将产生的co转化为co2和h2；

72、-该设备允许将包括co的气体注入到等离子体反应器以进行反应：

73、(e)2co→co2+c，

74、其特征在于，反应器为等离子体气旋管，并且包括：

75、〇管，该管对微波为可穿透的，对电场和磁场为可渗透，并且电绝缘的，诸如石英、氧化铝、氧化锆、硼硅酸盐、碘化物，该管的直径在1cm至10cm之间，并且优选为4cm，

76、〇至少一个波导，该波导允许在对微波可穿透的管内施加微波，

77、〇对微波可穿透的管的下部的锥体，该锥体被穿孔，使轴通过孔，

78、〇可调节的导电轴，诸如被覆有铂金属或不锈钢的石墨，并任选地被覆有金或银，

79、〇由导电材料制成的精细推进器，该精细推进器的直径等于在等离子体气旋管中上升的气柱的截面，并且通常具有对应于管内径的33％的直径，该精细推进器旨在暂时电连接到地，

80、〇在管的顶部位置的盖，该盖的内缘与对微波可穿透的管的内壁相连，该盖具有与盖的内壁相切的孔口，允许气体切向注入到盖的所述壁，

81、〇在盖的中心的中央收集管，该中央收集管的内径旨在等于上升气柱的尺寸，并且通常具有对应于对微波可穿透的管的内径的33％的直径，以及

82、〇螺线管，该螺线管优选具有3至7匝，该螺线管连接到例如800khz至20mhz之间的高频发生器的终端。

83、-该设备包括：

84、〇收集管，该收集管在气化反应器中，

85、〇位于第一反应器上方的第二反应器的提取器的中空蜗杆，该中空蜗杆在其顶端通过盖子闭合，该盖子形成具有导管系统的塞子，也形成第二反应器的底部，

86、〇围绕管设置的中空叶片，该叶片与蜗杆汇合，并且在叶片的一端打开进入管内，并在叶片的另一端打开到第二反应器的外部，使得从第一反应器上升的气体被捕获并且通过叶片引导至外部的储器；

87、-反应管固定在中空壁推进器或无芯蜗杆上，使得反应管形成推进器或蜗杆的轴，推进器或蜗杆、和反应管嵌入气化反应器，并且气化反应器的外壁包括至少一个热交换器，使得传热流体、优选用于气化的氧化流体在所述至少一个交换器中循环、使得所述流体通过在气化反应器中发生的气化反应来加热，并且使得在优选实施方案中、在至少一个交换器的出口处的传热流体被注入推进器的中空壁中，推进器的中空壁被孔穿透、以允许传热流体在气化反应器的由可穿透微波的材料制成的区域中在或多或少垂直于气化反应器的主轴规则布置的波导的对面扩散，该材料诸如是锆、氮化物、氧化铝的陶瓷石英，并且在优选实施方案中，形成推进器或蜗杆的轴的反应管也由对微波可穿透的材料制成；

88、-光纤沿着气化反应器、靠近波导规则地布置，以便将电磁辐射(优选为诸如uv、可见光或红外光的光)注入到气化反应器上(优选气化反应器内)，并且注入到反应管上和反应管内；

89、-该设备包括气体提取单元，该气体提取单元在至少一个波导之后并且可能在光纤组之后被植入气化反应器中，每个气体提取单元包括至少一个圆柱形过滤器，圆柱形过滤器通过相对安装的特斯拉阀系统在上游和下游隔离。