[发明专利]用于回收热的工艺系统及用于操作其的方法

说明书

本发明涉及一种工艺系统(1,60,100,130,160,180,190)，包括热存储器(3,4,30,61,61a‑61d,62,62a‑62d,110,163‑165,181‑183,195‑198)，所述热存储器被设计成在较高温度(T_o)与较低温度(T_u)之间存储热量并且再次将热量排放，并且所述工艺系统包括管道布置结构(L)，以便用于将热传输介质传输到所述热存储器(3,4,30,61,61a‑61d,62,62a‑62d,110,163‑165,181‑183,195‑198)并且用于再次将热传输介质传输成远离所述热存储器，其中多个可操作工艺单元(2,63,63a‑63d,161‑162,184‑185,191‑193)设置在所述较高温度(T_o)与所述较低温度(T_u)之间并且各自通过所述管道布置结构(L)被布置成使得所述工艺单元能够在两个热存储器(3,4,30,61,61a‑61d,62,62a‑62d,110,163‑165,181‑183,195‑198)之间操作。这导致工艺系统的生产的减少的支出。

技术领域

本发明涉及一种具有可以在较高温度与较低温度之间操作的热存储器的工艺系统，以及一种用于多个工艺单元的循环加热和冷却的方法。

背景技术

在本技术中广泛使用在不同温度水平下发生的工艺。在此上下文中，一个工艺步骤在较高温度下发生，并且另一工艺步骤在较低温度下发生，或者工艺步骤在温度变化期间发生。许多应用与其中化学反应借助于催化剂发生的情况相关联。于是，通常实用的是：将工艺单元加热到较高温度范围并且然后将其冷却到较低温度范围，并且针对连续生产循环地重复此温度变化。

许多应用中的一个应用是在制造太阳能燃料的领域中，针对其，当供应能量（具体来说，处于高温的热）时，源物质H₂（氢气）和CO（一氧化碳）由H₂O（水）和CO₂（二氧化碳）形成。主要包含H₂和CO以及其它气体的气体混合物被称为合成气体或简称为合成气。使用此合成气来生产液相或气相碳氢燃料。

在Philipp Furler的ETH论文第21864号SOLAR THERMAL CHEMICAL CO₂ AND H₂OSPLITTING VIA CERIA REDOX REACTIONS中，描述了一种实验性太阳能铈反应器，借助于其，可以通过借助于集中太阳光（2865个太阳灯，即高达2865 kW/m²的热辐射）的照射来生产合成气体。

上述集中程度的太阳光可以在工业规模上生产，例如，借助于根据WO 2011/072410的申请人的碟式集中器，使得使用可再生或可回收能量的合成气体的商业生产变成现实。

根据上文引用的ETH论文，铈在高达1800 K的较高温度的第一吸热工艺步骤中被还原，从而形成氧气；然后，在还原反应完成之后，铈被冷却到1100 K的较低温度，并且在后续工艺步骤中通过放热再氧化来生产合成气体；在此工艺中，需要比所产生的放热热量多得多的吸热热量。可以针对合成气体的连续生产循环重复此工艺；为此，铈必须被持续定期加热到1800 K并冷却到1100 K。为了回收通过冷却去除的热，建议铈载体的双环结构。具有共同旋转轴线的两个反向旋转的邻接铈环以如下方式位于暖区(1800 K)与冷区(1100 K)之间：每一环的一部分在12点钟位置处位于暖区中，并且相对部分在6点钟位置处在冷区中。紧邻铈环的反向旋转移动使第一铈环的冷部分朝向暖区并且使暖部分朝向冷区顺时针方向移位，并且逆时针方向旋转的第二Ce环的冷部分也朝向热区迁移，而其暖部分朝向冷区移动，并且两个铈环彼此擦过，从而连续交换热能。因此，暖部分彼此冷却，并且冷部分彼此加热，从而实现一定量的热的回收。然而，由于设备的设计，回收效率低，并且为大约25%。强加于反向旋转的邻接铈环的设计和稳定性的要求（热传递、热耗散和机械成本）很高。

当要在不同温度下操作工艺单元并且要回收在冷却期间提取的热时，在现有技术的其它领域中也遇到与上述那些问题类似的问题。