[发明专利]用于在升高温度下进行化学离解反应的装置和设备

说明书

本发明提供了一种反应器，其包括：位于反应区内的多个反应单元，反应单元中的每一个适于使一种或多种原料气（例如，CO₂和H₂O中的至少一种）的化学反应能够进行；入口装置，其允许将一种或多种原料气引入到反应区，并允许使进入的气体分流至多个反应单元；出口装置，其允许使反应产物从反应区离开；和加热系统。反应单元基本上沿着反应区的纵轴延伸，并且以沿着反应区的横轴间隔一定距离的关系排列。加热系统包括沿着反应区延伸的多个加热源，从而提供在多个反应单元内进行反应过程的至少一部分能量。

技术领域

本发明总体涉及用于进行化学反应的系统，并且特别地涉及使用CO₂和/或H₂O作为它们的原材料的太阳能系统（solar system）和方法。

背景技术

在各种应用领域中，用来进行电解反应的装置是已知的，并提出了用水和CO₂作为这种电解反应的反应物。水可以用作氢气生产的简单且清洁的来源，而后一种反应物可以用于减少CO₂排放的目的。

尽管通过使用已知技术在低温下商业化水电解是可行的，但是这种方法的运行效率比较低。另一方面，高温固体-氧化物电池技术的用途受到使用通常在800-1000^oC范围内运行的高温电池的需求的限制。然而，为了在这样的温度下操作，需要使用加热器，其反而会降低整体效率，从而降低采用这种方法的能力。

不幸的是，当与天然气或其它烃类的蒸汽重整相比时，用于水电解的设备的成本是非常显著的，因此使得水电解成为用于氢气生产过于昂贵的选择。

在US 8,048,276中描述了解决上述问题的一次尝试，其公开了将固体氧化物堆用作燃料电池来从氢气或其它来源发电。根据该出版物中提供的公开内容，入射热源用于通过热交换器加热压缩空气流，或者循环来自堆的部分尾气，或燃烧来自堆离解的产物，从而减少实现离解所要求的昂贵的供电量。

发明内容

在本领域有提供能够在升高温度下有效地进行特定离解反应以获得所期望的离解产物的妥善解决方案的新型方法的需求，例如其适合用于收获太阳辐射或用于任何其它的高温反应。

本发明提供了用于在升高温度下进行离解反应（例如，电解）的方法和设备。本发明的技术通过使用CO₂作为燃料生产的原料来提供减少CO₂的排放。此外，本发明的技术提供减少对电厂和其它CO₂排放设施中捕获的CO₂的掩埋（sequestration）的需求。

在本发明的技术中，原料气被有效地加热到所要求的升高温度以使反应发生。这通过下述方式实现的：在反应区中的反应单元的合理排列，并且通过加热系统的合理构造来加热反应单元，以便于限定在反应区中的加热路径从而提供非常有效的传热给反应单元。此外，本发明通过控制气流来提供给上述单元对流传热的优化。

加热系统包括在反应区内的多个热源，以提供在反应单元中反应所需的至少一部分能量。该热源可以包括物理加热元件，通过该元件被加热的气体流过反应区。上述物理加热元件可以包括通过相应的反应单元的内部加热元件，或者位于一个或多个反应单元旁边，穿插在相邻反应单元之间的外部加热元件（U形管或者环形管）。热源可以由反应单元之间的区域/空间和加热气体流过的反应单元阵列周围的区域所组成，以致于加热气体与反应单元直接接触。

根据本发明的一个方面，提供了一种反应器，其包括：

位于反应器中反应区内的多个反应单元，反应单元中的每一个适合于能够使一种或多种原料气（例如，包括CO₂和H₂O中的至少一种）进行化学反应；入口装置，其可运行从而允许将一种或多种原料气引入到反应区，并且允许使进入的一种或多种原料气分流至多个反应单元；

出口装置，其可运行以允许使反应产物从反应区离开；和