[发明专利]用于具有集成热回收的变温循环过程的热化学反应器系统及用于操作其的方法

说明书

本发明涉及一种用于具有集成热回收的变温循环过程的热化学反应器系统，其包括至少两个模块，其中每个模块包括至少一个化学反应区(CRZ)和至少一个热能储存单元(TES)，其中至少两个模块可操作地连接用于至少一种传热流体(HTF)，用于在两个模块之间传输热，其中每个化学反应区(CRZ)包括以可逆方式在温度T_吸热下经历吸热反应和在温度T_放热下经历放热反应的至少一种反应材料，其中T_吸热和T_放热彼此不同，其中至少一种反应材料设在化学反应区(CRZ)中的每个中的至少一个封装中，使得避免反应材料和至少一种传热流体的接触。本发明还涉及一种用于操作这种反应器系统的方法。

技术领域

本发明涉及根据一种根据权利要求1所述的热化学反应器系统和一种根据权利要求18所述的用于操作其的方法。

背景技术

在不同温度水平下进行的技术过程非常普遍。因此，一个过程步骤在较高温度下进行，而另一个过程步骤在较低温度下进行。这些过程中的大多数涉及需要催化或反应材料的化学反应。

这些过程也可描述为变温循环过程，作为涉及在不同温度下进行的可逆吸热/放热反应的多步骤过程。

该过程类别包括替代燃料生产(合成气和碳氢化合物生产)和氧分离的领域中的还原氧化过程，或同样用于从空气中分离二氧化碳和水的吸附-解吸过程以及用于从空气或其它气体中分离二氧化碳的碳化-脱碳(carbonation-decarbonation)过程。

来自水和二氧化碳的合成气和碳氢化合物合成

来自可再生能源的替代燃料生产正在变得越来越重要。两种广泛可用且丰富的可再生资源是水H₂O和二氧化碳CO₂。两种气体都可转化为一氧化碳CO和氢气H₂(也称为合成气)和烃类如甲烷CH₄，该甲烷CH₄继而又可用于合成其它有价值的化学物质。

使用太阳能作为用于H₂O和CO₂转化的能源是适用的和生态的。因此，过去已经开发了用于由可再生能源H₂O和CO₂生产液体燃料的太阳能热化学过程。间歇性太阳能这样转化为化学燃料提供了太阳能的长期储存和远距离输送。

太阳能热化学路径最通常基于使用金属氧化物作为中间体的两步还原-氧化(氧化还原)循环。在吸热还原步骤中，金属氧化物在温度T_还原下还原，使用聚集太阳辐射作为高温过程热源：

其中δ是氧非化学计量。在放热氧化步骤中，金属氧化物在温度T_氧化 ≤T_还原下以H₂O和CO₂氧化以产生合成气(H₂和CO的混合物)：

合成气可使用例如公认的费-托合成和其它气体到液体过程转化为液体和气态燃料，例如柴油、煤油、汽油、甲醇和甲烷，以及其它烃类燃料。由于其形态稳定性和其快速动力学，二氧化铈目前被认为是对于太阳能热化学燃料生产的基准氧化还原材料。通常对于二氧化铈，T_还原约1500℃且T_氧化约800℃。

该过程的技术和经济可行性的最重要指标是两步氧化还原循环的太阳能到燃料能量转换效率，定义如下：

其中HHV是产物气体的较高热值，n是产生的摩尔数，Q_太阳能是太阳能输入，并且Q_penalties是所需的任何附加能量，如泵送功和气体分离。