用于制氢的系统的制作方法

专利名称：用于制氢的系统的制作方法
技术领域：
本发明一般性地涉及用于制氢的柔性(flexible)模块式系统，更特别地涉及包括通过接口彼此连接的集装箱模块的系统。
背景技术：
氢是宇宙中最丰富的元素，然而，在地球上不存在纯净形式的氢。氢可在燃料电池中用作生产电能的能量载体，或作为高价值的用品而在加工工业中用作原料。氢极具挥发性，并难以贮存和运输。因此较大规模的氢的使用是受限的。因此，非常需要消除或至少减少将氢从生产地点运输至使用地点的需要。就氢气纯度水平而言，不同的工业中也存在不同的需要。在一些工业中，不需要高纯氢，因此这些工业不愿意进行过量的纯化。反之，在一些工业中，高水平的氢纯度是必需的。存在使用氢的数种工业，例如玻璃、钢、石油、交通工具和化学工业。氢可用于平面窗户玻璃的生产，其中使用锡浴制造玻璃平面。在该工艺中氢用于产生还原气氛。在由铁制备钢的过程中，有可能使用氢作为还原元素，例如用于还原钢表面。当在该工艺中使用氢时，不存在温室气体的排放。在石油工业中，使用大量氢用于氢-碳链的重整。随着对柴油的新的和增加的需求，炼油厂寻求将更多的石油转化为柴油而不是汽油。在该工艺中使用氢。当在汽车中使用氢和燃料电池时，总效率得以增加。当制备氨时，氢气与氮气在催化转化器中反应。氨可用于例如制造肥料。由于工业工艺持续发展，也需要能够相应地调节氢的纯度水平。同时，取决于工业的地点，可用到工艺的不同的能量来源(即原料)或用于制氢的体系。因此，重要的是体系可利用数种类型的原料并优选所有形式，即气体、液体和/或固体形式。因此，需要提供针对不同工业的需要而高度柔性且易于调节的体系。也需要以高于电解法(其目前常用于工业工艺中)的效率来制氢。等离子体气化已知为通过将有机材料中的能量转化为氢气中的另一能量态以后续使用而自有机材料产生能量和氢的有效方式，例如在US 7，163，758中有述。在现有技术中，大多数等离子体发生器使用直流电(DC)以产生放电。使用交流电的等离子体发生器在现有技术中是已知的，但它们通常不稳定，并且通常需要使用导电材料如熔融金属池以能够引发电弧。使用DC或需要导电材料引发电弧使得该体系进行重新设计并适应变化的需求时不是柔性的而且昂贵。US 6，215，678描述了处理废料的方法和装置，所述装置包括等离子体炉和作为与燃气轮机、内燃机或燃料电池发电设备的整合系统的电弧焦耳加热熔融炉，其可在模块式单元中配置并可按比例放大以处理大体积的市政固体废料。然而，所述系统需要使用导电材料以引发电弧，并且主要适合使用固体废料作为原料。非常需要可根据使用者的需求而易于调节或定制的易于运输的系统。所述系统还应该易于适应不同的工业地点，因此使用AC作为电源以及能够使用来自不同来源的有机材料是重要的。因此需要以这样的方式改进现有技术系统，使得所述系统变得可更易于运输和调节，并且也能够使用固体、液体和气体的不同形式的有机材料。
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本发明的目的是提供用于从废料产生能量的环境友好的系统。另一目的是提供柔性的、易于适应不同需要且易于运输和重新设计的系统。又一目的是促进氢用于能量产生或用作工业工艺中的原料。

发明内容
本发明至少部分消除了现有技术系统的上述缺点和问题，其中有机材料来自例如生物质，且废料被气化。考虑到用途，开启氢使用的扩展的最佳方式是消除运输氢的需要。 特别地，根据本发明的解决方案适于满足不同用户对于不同氢纯度的考虑的需求。通过在包括分离过滤器的一个或数个模块中设置氢分离段，可提取具有不同纯度水平的氢。这是独特的性质。本发明涉及由集装箱模块(下文也称为模块)组成的柔性模块式系统，其中每个模块具有特定的任务。系统的基于标准集装箱的模块构造便于系统的运输和组装，且该工艺可调整以适应每个用户的单独需要。具有模块构造的系统便于在产品升级过程中模块的更换。竞争技术的常规分配通常为在长时间内运行的大工程。模块构造的益处在于系统可在一个地点使用之后得以移动和拆卸，并在另一地点重新安置以制氢。模块概念也有利于在需求改变时重新设计设施。本发明易于在用户近旁装配，因此消除了对运输氢的需求。仅原料(即有机材料)必须运输至工艺，这简单得多，因为特别是接近居住区存在现成的废料运输和存储系统。本发明涉及一种用于自有机材料制氢的柔性模块式系统，该系统包括(i)至少一个加载装置或加载模块；(ii)至少一个气化模块，所述气化模块包括至少一个由交流电供以动力的等离子体发生器；(iii)至少一个气体冷却模块；(iv)至少一个气体清洁模块，所述气体清洁模块包括至少一个气体清洁装置；(ν)至少一个水煤气变换和氢分离模块。每个模块构造成具有标准尺寸的标准集装箱。所述模块可通过接口彼此连接，所述接口包括接合装置和用于气体、电力和通信的连接件。所述模块具有标准ISO集装箱的尺寸，并适于在运输交通工具上进行运输。所述模块可具有标准集装箱的尺寸，并可具有例如五种常见标准长度(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))的长度。因此，所述模块可作为标准集装箱通过任何合适的交通工具(如卡车、火车或轮船)进行运输。在现场将模块以优选组合组装在一起以形成定制的气化和氢形成工厂。模块可通过接口彼此连接。相邻模块中的接口具有相同的规格，并可连接至相邻模块的接口。所述接口可包括接合装置，用于水、电力、气体(压缩空气、合成气或氢气)和通信的连接件。这些均为便于系统的装配和升级的标准接合。根据本发明的一个实施方案，使用两个或更多个清洁模块以纯化气体，从而获得所需的氢气纯度水平。通过该设置，系统可适应每个用户的需要。根据本发明的另一实施方案，将等离子体气体从包括电极的发生器的放电室通过孔导入放电室外部的室，在该室中等离子体气体与有机材料相互作用。通过该设置，可布置等离子体气体与任何形式的有机材料(即液体、固体或气体)相互作用。所述有机材料可为废料或碳质燃料，如天然气、石油、煤炭、生物质、甲烷、C1至C4烃、甲醇、汽油和柴油燃料。 然而，根据本发明的一个优选实施方案，所述有机材料为生活废料或工业废料，也可使用有害废料。在工厂附近，至少若该工业位置位于居住中心附近时，废料通常易于得到，并且运输系统易于得到。根据本发明的另一实施方案，等离子体发生器为三相等离子体发生器。通过该设置，有可能获得高度湍动的气流，这使得气体和有机材料之间能够完全相互作用。根据本发明的另一实施方案，所述系统还可包括选自加载模块、气化模块、清洁模块，以及水煤气变换和氢分离模块中的一个或更多个附加的模块。通过该设置，能够根据用户的需要而进一步定制所述系统。由于模块可易于彼此连接的事实，因而系统变得柔性。可将系统安置于在它们的工艺中需要氢的工业工厂或连接至所述工业工厂，因此可消除氢的运输。


图1为显示根据本发明的一个实施方案的方法的不同步骤的流程图。图2为显示根据本发明的气化工厂的一个实例的示意图。图3为根据本发明的一个实施方案的集装箱模块之间的接口的示意图。图4为根据本发明的一个实施方案的废料模块和气化模块之间的连接的放大视图。图5为根据本发明的一个实施方案的等离子体发生器的示意图。图6图示了水煤气变换反应。
具体实施例方式本发明的方法示于图1的流程图中。将废料或其他有机材料运输至设施或工业工厂并加载至系统。若所述材料由大块组成，则可任选地使用压碎机将其压碎以提高待处理的材料的均勻性。有机材料的均勻性越高，则可更容易地控制大气气体进入系统。若所述有机材料具有高湿度，则其可在干燥器中通过热量的再循环而得以干燥，所述热量在通过热交换器的气体冷却工序中产生。当有机材料已被处理时，将其导入气化单元，在其中有机物质被气化并形成氢气、 一氧化碳和一些痕量的二氧化碳。所述气化使用供给等离子体形成工作气体的至少一个交流(AC)等离子体发生器完成，所述等离子体形成工作气体可为空气、二氧化碳、氩气、蒸汽或其他合适的气体。电力系统连接至等离子体发生器。当有机材料已被气化时，将气体导入喷雾塔以控制冷却该气体。使再循环水连接至所述喷雾塔，并将不同的添加剂加入水中以清洁所述气体。取决于不同的废料类型，使用不同的添加剂。在气体冷却之后，通过连接至预处理模块的热交换器提取由该冷却过程产生的热量，所述预处理模块包括用于预热或干燥有机材料的装置。以此方式，所述系统的总效率得以增加。当气体的冷却和清洁终止时，取决于有机材料的性质和化学品的组成，将气体引导经过一系列过滤器以甚至进一步确保气体的纯度。将清洁气体导入水煤气变换段，其中一氧化碳与水在催化材料上反应产生氢和二氧化碳。然后通过至少一个膜过滤段和/或通过使用变压吸附(其中气体被循环)而分离氢以确保高且有效的氢产率。通过所述分离，可提取二氧化碳并在应用中使用，或者若基础设施条件允许，可支配(harness)并存放(d印osit) 二氧化碳。通过二氧化碳的存放，本发明积极降低了大气二氧化碳的含量。最后，压缩氢气以在缓冲器中贮存。最终产物由从有机材料(如废料)制得的适用于加工工业的纯氢组成。效率可非常高，且约95%的包含于废料中的能量可以被转化为合成气体中的可用能量。如上所述的系统包括集装箱模块(下文也称为模块)，其中每个模块具有其自身的技术任务，如本申请下文中所述。模块形成为标准ISO(国际标准组织)集装箱，并且具有与标准ISO集装箱(也称为船运集装箱)相同的规格，可使用标准集装箱接合件 (couplings)将其装载、安装并接合至集装箱船、有轨电车、飞机和卡车上。集装箱具有数种长度，其中最常见的长度为约6. 06m(20英尺)、12. 19m(40英尺)和13. 72m(45英尺)， 但也可使用其他标准长度。集装箱优选具有约2. Mm(8英尺)的标准宽度和约2. 59m至约 2. 90m的高度。集装箱包括能够将集装箱堆放并固定至平台上的标准集装箱角件、角铸件。在使用所述系统的工业位置和地点，可将集装箱模块直接放置在为所述系统准备的地面上。由于模块以标准尺寸和形状进行构造，它们适于容易地处理和运输，并且由此能够以与任何标准集装箱相同的方式进行提升、处理和运输。所述系统可就地组装，并可在短时间内运行。模块的长度、宽度和高度可在任何标准范围内变化。在模块之间，采用用于电力、气体和通信的标准化接口。所述接口使得能够例如在数小时内而不是数天和数星期内改变组件。由于用户需求，所以这是非常重要的方面。所述系统基于有机材料、特别是废料和生物质的等离子体气化。合成气体获自废料中的有机物质。获自有机材料的等离子体气化的合成气体主要含有氢、一氧化碳和一些量的二氧化碳和水。若空气用作工作气体(即最初注入等离子体气化反应器中的气体)，氮气将跟随进入气流中。图2图示了根据本发明的一个实施方案的等离子体气化系统1。该系统包括集装箱模块2、7、11、12、14、33和34，每个模块具有特定的任务。该系统优选包括用于加载有机材料的设备。因此，系统1优选包括加载模块2或加载装置，其中有机材料在进入气化模块之前被处理。有机材料可为例如住宅废料或城市废料。这种废料在大型工厂中焚化作为体积减小的方法。在许多情况下产生热量用于区域供热，在一些情况下，电能由这些废料的焚化而产生。图2中的系统包括有机材料的加载模块2。加载模块2可任选地包括用于将有机材料压碎至更适于工艺的较小颗粒尺寸的装置(未显示)。加载模块2也可包括在有机材料进入气化模块7之前用于干燥有机材料的任选的系统。该系统可例如使用获自热交换器的热量，所述热交换器连接至来自气体冷却模块的热传递器。模块包括顶盖3，可打开该顶盖以能够将材料进料至系统中。加载模块优选包括闭锁料斗系统4，5，该闭锁料斗系统能够将有机材料分批进料至系统中，也至少部分防止大气气体进入系统。当然可使用能够控制进入系统的有机材料和空气的量的其他技术设置。在图2所示的闭锁料斗系统中，当打开上部的锁4并且将材料加载至系统中时，下部的锁5 保持关闭。当预定量的材料进入闭锁料斗系统中时，关闭上部的锁4，并打开下部的锁5以使有机材料经由轴6进入气化模块7。通过该设置，可以控制进入系统的有机材料和空气的量。由于空气中的大气气体可能影响气化过程，并由此影响所获得的合成气体的组成，因此重要的是能够控制进入系统的空气的量。例如，若过多空气进入系统，则可能累及(rubbed) 氧化级的平衡(即CO CO2比例)。闭锁料斗设置可以通过任何合适的方式(如水力、电或气动方式)进行控制。将有机材料经由轴6导入气化模块7。模块通过接口彼此连接，如图3所图示。接口包括将模块彼此连接的连接装置19a、19b、19c和19d。模块也包括未在图中显示的标准集装箱连接件。在集装箱模块的每个角优选存在至少一个连接装置。然而，连接装置的数量可以改变，例如可将另外的连接装置置于集装箱角处的连接装置之间的边缘。连接装置优选为弹性带法兰的连接体，其允许模块之间较小的移动和径向偏差。由于所述连接装置， 所以不需要将模块焊接在一起。从而简化了模块的安装和拆卸。所述接口还包括用于气体通道的开口 15，待气化的材料和/或已经气化的材料被引导通过所述开口。此外，提供用于电缆以及数据和网络线的连接件16和空间17，当模块被组装在一起时可将所述缆线固定在所述空间17处。模块可包括用于自动化处理有机材料以及与使用者和后续模块连通的控制系统。这些系统可商购得到，在本文不再详述。可提供用于例如水和通信的另外的通道。接口还包括弹性材料法兰18，其构成接口的防护罩。所述法兰优选围绕气体开口 15、 缆线连接件16和缆线贮存空间17以保护这些连接件免受灰尘和雨和/或雪。所有的集装箱模块包括朝向至少一个相邻集装箱模块的至少一个接口。接口优选具有相同的规格，即在所有模块中连接装置具有相同的尺寸和结构。这使得系统能够更容易地构造，也能够根据用户需要定制。图4表示加载模块和气化模块之间的连接的详细示意图。根据图4所示的实施方案，在加载模块2和气化模块7之间提供柔性连接装置19。所述柔性连接装置包括内部弹性元件20，其允许较小的径向移动，并使得集装箱模块能够更简单地彼此连接，由此也使得整个系统能够更容易地安装。连接元件的一个实例由22表示。气化模块包括至少一个由交流电供以动力的等离子体发生器。等离子体气化集装箱模块用耐热材料隔热，并适于承受达到约1200-1700°C的温度。由于所述高温，所述工艺
不产生二〃恶英。等离子体气化模块中的主要反应为CnHm+ {工作气体} — CCHH2+ [C02+N2+H20]气化模块7包括至少一个如图5所示的交流电等离子体发生器8。将等离子体形成工作气体通过连接件9注入至电极23a和23b。所述工作气体可包括但不限于如下气体 空气、氮气、氩气、二氧化碳和天然气。工作气体通过放电室M中的电极而被电离，并通过孔25进料至放电室M外部的室沈，在室沈中等离子体气体与有机材料相互作用。待处理的有机材料向下落入气化模块中，如图5中的箭头所示。由此有机材料被转化为气态烃和颗粒。使等离子体气化模块7隔热以保持模块内的恰当温度性能。然后推动有机材料通过模块，并且将产物气体导入所述工艺的下一步骤 (即冷却和清洁)，并将渣料和金属导入气化模块底部的集装箱10。如需要，可将另外的等离子体发生器引入系统中，使得可确保剩余化学品的完全气化和离解。将交流电(AC)的电源连接件连接至电极，在该电极处发生放电。优选存在3个主电极，但电极的数量不限于3个。电极的数量可随着工艺对等离子体发生器的效率的要求而变化。优选使用具有三个电极的等离子体发生器，因为电源连接件可由此连接至常用作工业能源的3相电源供应器。在50至60Hz的频率下，用于在发生器内引发电弧的电压可相对较低，为约220-480VAC，优选为400VAC。在电极之间的频率为200_500Hz下发生放电。 通过使用AC等离子体发生器，产生湍流。可用于本发明的等离子体发生器图示于图5中。 将工作气体(例如空气)通过通道9注入电极23a和23b (第三个电极在图中未显示)所处的室中。工作气体在电极之间反应，热的高度湍动的电离气体离开室M并与有机材料相互作用。有机材料垂直落下，并且相对于有机材料几乎垂直地供给等离子体气体，如图5所示。将气体从气化模块7导入冷却模块11，所述冷却模块支配冷却和部分水溶剂清洗，如图 2所示。冷却模块11可包括清洁系统，该清洁系统设计为部分清洗气体的杂质，如硫和氯。含杂质的气体通过涤气反应器27纯化，在该涤气反应器中气体与通过化学反应从气体中去除杂质的涤气液体发生反应。涤气液体的组成取决于待去除的一种或多种杂质的类型。涤气的一般原则是使待清洁的气体从涤气反应器27的底部向上进料通过涤气反应器。 涤气液体通过反应器27中的喷雾装置喷雾而具有特定的液滴尺寸，所述液滴尺寸也取决于待去除的杂质的类型。例如形式可为颗粒或化学组合物的杂质与涤气液体反应，并与涤气液体一起下落至反应器的底部。含有杂质的涤气液体在单独的或整合的液体处理系统观中进行处理。从模块输出的是冷的部分清洁的气体，可将该气体从模块通过通道四导入包括过滤器的清洁模块12。为了完全清洁制得的气体，可以使一个或更多个另外的包括清洁装置的气体清洁模块12与所述系统接合，所述清洁装置包括至少一个过滤器或一系列过滤器13a、13b、13c 和13d。可使用的过滤器例如可为纺织品过滤器和/或电过滤器。所用的过滤器的组成受制于在系统中加载的有机材料和需要被分离的不同化合物的组成。对于纯的生物质气化， 纺织品过滤器能够被证实是足够的，但当处理腐蚀性更高的废料类型例如PCB-油、芳香有机化合物、军用毒气、轮胎和CFC: s时，清洁需要更复杂。清洁分为不同的模块，这确保了无论待处理的废料是什么，均可进行充分的气体清洁。当获自清洁模块的产物气体具有所需纯度级别时，将气体进料至包括水煤气变换反应器30的水煤气变换和氢分离模块14。所述模块还可包括变压(pressure swing)装置 31和膜分离装置32，如图2所图示。进入水煤气变换和氢分离的产物气体为包含一氧化碳 (CO)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和氮气(N2)的清洁气体。图6图示了如何通过水煤气变换反应产生更多的氢，其中一氧化碳与水在催化材料上反应。基于上述反应并适用于本发明的水煤气变换反应器是本领域公知的，因此在本文中不再详述。在变换反应之后，例如通过使用膜(一种本领域公知的技术)分离氢，使混合气体再循环以提高氢的输出。也可使用本领域已知的其他常规技术分离氢。在分离过程中，可获得具有不同纯度的氢产物。所获得的氢气可含有痕量的其他气体如二氧化碳，或其可为含有PPm级的痕量的其他气体的高纯度。不完全纯的气体可在一些燃料电池应用中使用， 或在对二氧化碳不敏感的工艺中作为还原剂使用。高纯氢气可在例如需要极高氢纯度的钢工业中使用。通过本发明，调节工艺适于不同需要是容易的，因为由于系统的模块结构，所以可在工艺中设置期望数量的清洁模块。经纯化的氢可通过优选包含于分开的压缩机模块33中的压缩机和缓冲设备短时间贮存，如图2所图示。取决于用户对氢的需求波动，使用缓冲系统以确保用户总是具有可用的氢。该模块由至少一个低压力氢压缩机组成。然后可将氢贮存于缓冲贮存器34中，如图2所图示，该缓冲贮存器包括至少一个压力容器作为氢气的临时缓冲器。所述压力容器也可具有标准集装箱的尺寸。当将例如生物质或有机废料气化为氢时，二氧化碳可在工艺中作为次要产物进行分离。可压缩所获得的二氧化碳并将其用于例如造纸工业的PH-调控应用。二氧化碳也可用于饮料工业的碳酸饮料。二氧化碳也可作为用于消防设备和用于填充自动救生衣的重要气体而使用。该分离使得有可能支配二氧化碳，并且使其在汽缸中或在围绕油井的基岩中 (若可得到适当的基础设施)加压或者通过使其结合至例如水泥而存放。因此本发明可积极降低大气中的二氧化碳的量。根据本发明的系统可包括超过一个的由交流电供以动力的等离子体发生器和超过一个的气化模块。然而，所述系统包括至少一个气化模块，如上所述。系统还包括至少一个气体清洁模块，但取决于所需的氢品质，可将超过一个的清洁模块引入系统。此外，系统包括至少一个水煤气变换和氢分离模块。系统可包括数个相同或不同类型的模块。另外的模块可选自加载模块、气化模块、清洁模块、水煤气变换和氢分离模块、氢缓冲模块、二氧化碳支配模块和控制模块，其中提供控制系统所需的数据系统，所有均取决于系统的单独需要。在如上描述中公开了本发明的特定实施方案。根据本文在如下权利要求书的范围内的教导，本发明的其他改变对于本领域技术人员而言是显然的。
权利要求
1.一种用于自有机材料制氢的柔性模块式系统(1)，所述系统包括(i)至少一个加载装置或加载模块O)；(ii)至少一个气化模块(7)，所述气化模块(7)包括至少一个由交流电供以动力的等离子体发生器⑶；(iii)至少一个气体冷却模块(11)；(iv)至少一个气体清洁模块(12)，所述气体清洁模块(1 包括至少一个气体清洁装置；(ν)至少一个水煤气变换和氢分离模块(14)；其中每个所述模块构造成具有标准尺寸的标准集装箱，并且所述模块通过接口彼此连接， 所述接口包括接合装置(19a，19b，19c，19d)以及用于气体的连接件(15)、用于电力和通信的连接件(16)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中每个所述模块具有标准ISO集装箱的尺寸，并且适于在运输交通工具上进行运输。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中相邻模块中的所述接口具有相同的规格，并且能连接至所述相邻模块的接口。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中使用两个或更多个清洁模块(1 以纯化气体，从而获得所需水平的氢纯度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中将等离子体气体从包括电极的所述发生器(8)的放电室04)通过孔0 导入所述放电室04)外部的室( )，在所述室06) 中所述等离子体气体与有机材料相互作用。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述有机材料为固体、液体或气体形式。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述有机材料为废料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述等离子体发生器(8)为三相等离子体发生器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统还包括选自加载模块、气化模块、清洁模块以及水煤气变换和氢分离模块中的一个或更多个另外的模块。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述接合装置是柔性的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述接口包括构成所述接口的防护罩的弹性材料法兰(18)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述气体模块用耐热材料隔热，并且适于承受高达约1200-1700°C的温度。
全文摘要
本发明涉及用于自有机材料制氢的柔性模块式系统，该系统包括至少一个加载装置或加载模块、至少一个气化模块、气体冷却模块、至少一个气体清洁模块以及至少一个水煤气变换和氢分离模块，所述气化模块包括至少一个由交流电供以动力的等离子体发生器，所述气体冷却模块包括冷却装置，所述气体清洁模块包括至少一个气体清洁装置。每个模块构造成具有标准尺寸的标准集装箱，并且所述模块通过接口彼此连接，所述接口包括接合装置和用于气体、电力和通信的连接件。
文档编号C10J3/00GK102239234SQ200880132256
公开日2011年11月9日 申请日期2008年12月8日 优先权日2008年12月8日
发明者丹尼尔·林海姆, 托尔斯滕·格兰伯格 申请人:普拉加兹有限公司