[發(fā)明專(zhuān)利]制造高純度一氧化碳的裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380013115.8
• 申請(qǐng)日: 2013-02-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104220645B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: F·C·佩德森;B·J·漢森;T·羅斯特魯普-尼埃森;U·J·尼埃森;H·奧斯森;K·H·安德森
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 赫多特普索化工設(shè)備公司
• 主分類(lèi)號(hào): C25B1/02
• 分類(lèi)號(hào): C25B1/02;C25B9/18
• 代理公司: 中國(guó)專(zhuān)利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 王倫偉,萬(wàn)雪松

本發(fā)明涉及一種用于制造高純度一氧化碳CO的裝置(apparatus)，該裝置基于二氧化碳CO₂的電解，并結(jié)合高純度CO₂原料和高于-100℃溫度下的氣體凈化(cleaning)操作。特別地，固體氧化物電解池(Solid Oxide Electrolysis Cells)SOEC被用于電解。

本發(fā)明涉及高純度CO的制造，其中純化依靠簡(jiǎn)單、低成本的純化技術(shù)，且不涉及低溫技術(shù)。

傳統(tǒng)上，CO通過(guò)烴的重整進(jìn)行商業(yè)規(guī)模制造，例如：

CH4+H2O→CO+4H2

或者

4CH4+O2+2H2O→10H2+4CO

然后，產(chǎn)物氣體(CO+H2)通過(guò)不同的步驟純化而得到高純度CO(通常＞99％)，例如包括最后在低溫狀態(tài)下從CO中分離H2并且移除可能的雜質(zhì)N2和Ar。

CO的沸點(diǎn)為-205℃，H2的沸點(diǎn)為-252.87℃，因此該低溫步驟非常昂貴且必須在大型中心設(shè)施中進(jìn)行。這導(dǎo)致CO的制造地點(diǎn)和最終用戶(hù)間存在長(zhǎng)的分配路徑，且CO作為有毒氣體，受制于處理、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過(guò)程中的嚴(yán)格安全要求，該點(diǎn)顯著地增加了成本。結(jié)果就是較小批量(例如＜100Nm3/h)高純度CO的價(jià)格為相同重整過(guò)程制造的H2的5-10倍。

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供制造CO的裝置和方法以解決上述問(wèn)題。

更具體地說(shuō)，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供SOEC裝置和方法，用于在比已知技術(shù)更低的成本下制造CO。

本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供SOEC裝置和方法，用于在不使用低溫技術(shù)下以低成本和高純度制造CO。

本發(fā)明涉及一種CO制造和純化方法，該方法基于CO2電解，結(jié)合簡(jiǎn)單且并不昂貴的‘室溫’氣體凈化和氣體分離方法。本發(fā)明使得小批量制造高純度CO在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的，例如在消費(fèi)地點(diǎn)或在當(dāng)?shù)胤峙渲行摹?/p>

由于CO2電解的可用技術(shù)較少，CO2電解相較水的電解較少為人知。其中一種非常有效的CO2電解技術(shù)為固體氧化物電解池。

CO2電解槽(electrolyser)的原理是，CO2(可能包括一些CO)被送入電解槽陰極。當(dāng)施加電流時(shí)，CO2被轉(zhuǎn)化為CO，從而提供具有高濃度CO的輸出物流。

2CO2(陰極)→2CO(陰極)+O2(陽(yáng)極)

如果純的CO2被輸入到SOEC，輸出將為轉(zhuǎn)化的CO和未轉(zhuǎn)化的CO2。如果需要的話(huà)，未轉(zhuǎn)化的CO2可以通過(guò)CO/CO2分離器去除從而產(chǎn)生最終的高純度的CO，該分離器在高于-100℃的溫度下工作。

已知的在高于-100℃下操作的氣體分離器技術(shù)的一個(gè)特定問(wèn)題是，他們通常只對(duì)一種或少數(shù)分子具有選擇性，因而在從CO+CO2電解槽輸出物流中去除如Ar或N2時(shí)存在困難。

因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式包括：

·使用高純度CO2用作電解槽的原料

·通過(guò)SOEC電解槽的操作方案，使得即使電解槽堆棧發(fā)生泄漏，雜質(zhì)也不會(huì)混入產(chǎn)品物流中。

此處純度的定義為：濃度(CO2)+濃度(CO)。

氣體分離

從氣體物流中分離CO2或CO存在四種眾所周知的技術(shù)。它們可以被定義為吸收、吸附、膜過(guò)濾和冷凝法，且均可用于本發(fā)明。

溶劑吸收法包括循環(huán)過(guò)程，其中CO2或CO直接被從氣體物流中吸收至液體，通常是水或胺。通常情況下，CO2被去除，處理過(guò)的氣體物流即為最終純化的CO物流。吸收液可以被處理以去除CO2，其隨后可以重新用于進(jìn)一步的電解。所得的不含CO2的液體再次被用于吸收，從而使該過(guò)程持續(xù)進(jìn)行。該技術(shù)相當(dāng)廣泛地用于一系列應(yīng)用中，但它需要大量的能量來(lái)再生溶劑。

吸附法基于循環(huán)過(guò)程，其中CO2或CO被從氣體物流中吸附至固體的表面，該固體通常為礦物沸石。通常情況下，CO2被去除，處理過(guò)的氣體物流即為最終純化的CO物流。然后固體在利用壓力或溫度差異的階段中純化以去除CO2。常見(jiàn)的吸附技術(shù)稱(chēng)為變壓吸附(PSA)，其被廣泛用于工業(yè)，但是小規(guī)模(＜2000Nm3/h)操作時(shí)可能相當(dāng)昂貴。

聚合物或陶瓷制成的膜，可以用來(lái)有效地從氣體物流中篩出CO2或CO。膜材料被特別設(shè)計(jì)以有傾向性地分離混合物中的分子。存在一系列配置，或?yàn)楹?jiǎn)單的氣體分離設(shè)備(device)，或結(jié)合液體吸收階段。該過(guò)程尚未以大規(guī)模應(yīng)用，且往往受限于輸入氣體的組成和溫度。進(jìn)一步的，膜的選擇性是有限的，獲得高純度的(如＞99.5％)氣體輸出往往需要多次循環(huán)。