[發(fā)明專利]用于具有集成熱回收的變溫循環(huán)過程的熱化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)及用于操作其的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201780078087.6
• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN110167665B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A.斯坦菲爾德;P.弗勒;A.哈瑟巴舍;L.吉斯布勒
• 申請（專利權(quán)）人: 瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院
• 主分類號: B01J8/06
• 分類號: B01J8/06;B01J19/24;B22F9/30;C01B3/06
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 萬欣;譚祐祥

本發(fā)明涉及一種用于具有集成熱回收的變溫循環(huán)過程的熱化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括至少兩個模塊，其中每個模塊包括至少一個化學(xué)反應(yīng)區(qū)(CRZ)和至少一個熱能儲存單元(TES)，其中至少兩個模塊可操作地連接用于至少一種傳熱流體(HTF)，用于在兩個模塊之間傳輸熱，其中每個化學(xué)反應(yīng)區(qū)(CRZ)包括以可逆方式在溫度T_吸熱下經(jīng)歷吸熱反應(yīng)和在溫度T_放熱下經(jīng)歷放熱反應(yīng)的至少一種反應(yīng)材料，其中T_吸熱和T_放熱彼此不同，其中至少一種反應(yīng)材料設(shè)在化學(xué)反應(yīng)區(qū)(CRZ)中的每個中的至少一個封裝中，使得避免反應(yīng)材料和至少一種傳熱流體的接觸。本發(fā)明還涉及一種用于操作這種反應(yīng)器系統(tǒng)的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及根據(jù)一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)和一種根據(jù)權(quán)利要求18所述的用于操作其的方法。

背景技術(shù)

在不同溫度水平下進行的技術(shù)過程非常普遍。因此，一個過程步驟在較高溫度下進行，而另一個過程步驟在較低溫度下進行。這些過程中的大多數(shù)涉及需要催化或反應(yīng)材料的化學(xué)反應(yīng)。

這些過程也可描述為變溫循環(huán)過程，作為涉及在不同溫度下進行的可逆吸熱/放熱反應(yīng)的多步驟過程。

該過程類別包括替代燃料生產(chǎn)(合成氣和碳?xì)浠衔锷a(chǎn))和氧分離的領(lǐng)域中的還原氧化過程，或同樣用于從空氣中分離二氧化碳和水的吸附-解吸過程以及用于從空氣或其它氣體中分離二氧化碳的碳化-脫碳(carbonation-decarbonation)過程。

來自水和二氧化碳的合成氣和碳?xì)浠衔锖铣?/Underline>

來自可再生能源的替代燃料生產(chǎn)正在變得越來越重要。兩種廣泛可用且豐富的可再生資源是水H₂O和二氧化碳CO₂。兩種氣體都可轉(zhuǎn)化為一氧化碳CO和氫氣H₂(也稱為合成氣)和烴類如甲烷CH₄，該甲烷CH₄繼而又可用于合成其它有價值的化學(xué)物質(zhì)。

使用太陽能作為用于H₂O和CO₂轉(zhuǎn)化的能源是適用的和生態(tài)的。因此，過去已經(jīng)開發(fā)了用于由可再生能源H₂O和CO₂生產(chǎn)液體燃料的太陽能熱化學(xué)過程。間歇性太陽能這樣轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料提供了太陽能的長期儲存和遠(yuǎn)距離輸送。

太陽能熱化學(xué)路徑最通常基于使用金屬氧化物作為中間體的兩步還原-氧化(氧化還原)循環(huán)。在吸熱還原步驟中，金屬氧化物在溫度T_還原下還原，使用聚集太陽輻射作為高溫過程熱源：

其中δ是氧非化學(xué)計量。在放熱氧化步驟中，金屬氧化物在溫度T_氧化 ≤T_還原下以H₂O和CO₂氧化以產(chǎn)生合成氣(H₂和CO的混合物)：

合成氣可使用例如公認(rèn)的費-托合成和其它氣體到液體過程轉(zhuǎn)化為液體和氣態(tài)燃料，例如柴油、煤油、汽油、甲醇和甲烷，以及其它烴類燃料。由于其形態(tài)穩(wěn)定性和其快速動力學(xué)，二氧化鈰目前被認(rèn)為是對于太陽能熱化學(xué)燃料生產(chǎn)的基準(zhǔn)氧化還原材料。通常對于二氧化鈰，T_還原約1500℃且T_氧化約800℃。

該過程的技術(shù)和經(jīng)濟可行性的最重要指標(biāo)是兩步氧化還原循環(huán)的太陽能到燃料能量轉(zhuǎn)換效率，定義如下：

其中HHV是產(chǎn)物氣體的較高熱值，n是產(chǎn)生的摩爾數(shù)，Q_太陽能是太陽能輸入，并且Q_penalties是所需的任何附加能量，如泵送功和氣體分離。