本发明专利技术公开了一种温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解装置及其应用方法,所述装置包括反应釜、反应釜内置的燃料极腔室和管式固体氧化物电解池、所述燃料极腔室与管式固体氧化物电解池密封相连,所述管式固体氧化物电解池的外侧设置空气极腔室,所述反应釜内围绕着燃料极腔室和管式固体氧化物电解池四周布置环形保温材料。所述方法包括(1)将保护气内从室温逐渐加热至电解区工作温度,加热过程中将保护气循环通入反应釜内的燃料极腔室和空气极腔室;(2)空气极腔室压力稳定后,切换燃料极腔室入口气体为CO2/H2O/H2混合气体,待燃料极腔室压力稳定后,接通外电路电源;(3)通过空气极入口气体温度调控管式固体氧化物电解池化学反应区的温度,以优化燃料产率;所述空气极腔室/燃料极腔室入口流量比在10以上。
【技术实现步骤摘要】
一种温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解装置及其应用方法
本专利技术属于电化学
,具体涉及一种固体氧化物电解池二氧化碳转化装置,具体的说是涉及应用于一步合成甲烷或费托燃料的温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解装置及其应用方法。
技术介绍
伴随着人类社会的发展与科技的进步,能源的需求与日俱增。我国能源产能已具规模,但以传统煤炭等化石燃料为主的能源结构造成了雾霾、酸雨等环境污染问题,同时也造成了大量的CO2排放,未来的能源结构有待优化。可再生能源是未来能源结构的重要组成部分,2016年我国风光水三大可再生能源总装机容量达5.58亿千瓦,总发电量1.36万亿千万时,占总发电量的22%。《可再生能源发展“十三五”规划》中提出了2020年“可再生能源发电装机6.8亿千瓦,发电量1.9万亿千瓦时,占全部发电量的27%”的目标。然而,可再生能源具有地域性、间歇性的特点,其出力受到天气、季节、昼夜等因素的影响,难以保证稳定、持续的电能供应,这导致其难以大规模融入电网。2016年,我国“弃水、弃风、弃光”三弃电力总量近1100亿千瓦时,7.5%以上的可再生能源电力被弃置。为进一步提升可再生能源电力的利用率,需要大规模分布式储能技术以协调可再生能源发电端出力与负荷侧的能量需求,达到削峰填谷的作用。中高温固体氧化物电解池(SOEC),可利用CO2为原料,将弃置的可再生能源电力高效地转化为组分可调的合成气(H2/CO),进一步通过甲烷化或者费托合成制取碳氢燃料,产物调控灵活,还可实现可再生能源的跨季节储能与远距离输运。与传统的抽水蓄能、压缩空气储能技术相比,SOEC储能设备更加灵活,环境污染小,噪声低;与新兴的电池、超级电容等技术相比于,SOEC储能在规模化、跨季节储能上又具有天然的优势。当前的电解合成甲烷或者费托燃料技术,多需要分为两步,第一步通过电解池制取氢气或者合成气,第二步通过甲烷化或者费托合成反应器进一步合成目标燃料。中国科技大学夏长荣等申请了公开号为CN105220172A的专利“一种将二氧化碳及水蒸气混合气直接转化为富含甲烷的气体的管式结构及其制备方法和应用”,提出了将电解反应与甲烷化反应分别布置两端的管式SOEC结构和制备方法。当SOEC应用于甲烷或者费托燃料的合成时,电解的吸热过程与甲烷化/费托合成反应的放热过程有望实现原位热耦合,但需要进行一定的流动/传热设计,进而实现紧凑、高效的一步式二氧化碳和水电解制取碳氢燃料。
技术实现思路
本专利技术旨在通过电解的吸热过程与甲烷化/费托合成反应的放热过程有望实现原位热耦合设计,在一个温度自维持的反应器中同步实现的二氧化碳和水蒸汽共电解与甲烷或者费托燃料的合成。为此,本专利技术提出一种应用于一步合成甲烷或费托燃料的高效、紧凑的温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解装置及方法。本专利技术的技术方案为:一种温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解装置,包括反应釜、反应釜内置的燃料极腔室和管式固体氧化物电解池、所述燃料极腔室与管式固体氧化物电解池密封相连,所述管式固体氧化物电解池的外侧设置空气极腔室,所述反应釜内围绕着燃料极腔室和管式固体氧化物电解池四周布置环形保温材料。进一步,所述空气极腔室入口管道下部为盘管围绕在管式固体氧化物电解池周围,空气极腔室入口气体沿着入口管道从底部出口流出,再从底部向上通过空气极腔室,从出口管道排出。进一步,所述管式固体氧化物电解池的内部为多孔燃料阴极,外部为多孔空气阳极,中间为致密的固体氧化物电解质,下部为电解区,在该区域发生共电解反应产生燃料气体;上部为化学反应区,在该区域燃料气体进一步合成目标烃类燃料。进一步,所述管式固体氧化物电解池与燃料极腔室采用陶瓷胶密封,为保证密封的可靠性,让空气极腔室的压力不能低于燃料极腔室,两个腔室之间的压力差要保证在103Pa以下,最大不能超过5×104Pa。进一步,所述燃料极腔室入口管道和空气极腔室入口管道均为金属管道。燃料极腔室入口管道既作为入口管道,又作为燃料极集流导线;空气极腔室入口管道从反应釜上部的孔笔直引入至管式固体氧化物电解池外侧后,变为环绕着所述电解池的盘管。进一步,所述反应釜外壳与燃料极腔室出口管道和空气极腔室出口管道通过焊接连接密封;与燃料极腔室入口管道和反应釜设置的温度传感器通过螺纹卡套密封连接,所述温度传感器为铠装热电偶;当空气极集流导线引出时,采用环氧树脂绝缘密封,并且在反应釜外侧通过循环水泵对绝缘密封处进行冷却。本专利技术的另一技术方案为:应用上述装置进行二氧化碳和水蒸汽共电解的方法,该方法包括以下步骤:(1)将保护气内从室温逐渐加热至电解区工作温度,然后通入反应釜内的燃料极腔室和空气极腔室,并不断循环,直至将管式固体氧化物电解池逐步预热;(2)空气极腔室压力稳定后,切换燃料极腔室入口气体为CO2/H2O/H2混合气体,待燃料极腔室压力稳定后,接通外电路电源;(3)调控管式固体氧化物电解池化学反应区的温度,以优化燃料产率;为防止化学反应区飞温,保证空气极腔室和燃料极腔室压力温度,所述空气极腔室/燃料极腔室入口流量比在10以上。进一步,通过流道布置与盘管设计,在管式固体氧化物电解池内部沿气流方向形成天然的温度梯度,上游的电解区为高温区,下游化学反应区为低温区。燃料极腔室入口管道和空气极腔室入口管道通入室温下的入口反应气,被化学反应区所放出的热量迅速预热,将热量带至高温电解区,维持电解反应的工作温度。进一步,当合成甲烷时,采用镍基催化剂,维持所述化学反应区温度350-450℃,维持所述空气极腔室入口气体温度150-250℃。进一步,当合成以乙烯为主的低碳烯烃,或者汽油、柴油液体燃料时,采用铁基催化剂,维持所述化学反应区温度300-350℃,维持所述空气极腔室入口气体温度100-150℃。与现有技术相比,本专利技术的有益效果如下:1.紧凑布置,将传统的电解池和甲烷化或费托合成反应器耦合成一个反应器;2.温度自然分区操作,确保电化学反应和甲烷化或费托合成反应各自适宜的温度区间反应,避免电化学反应和甲烷化或费托合成反应间存在的温度不匹配的问题;3.高效热耦合,无需外加热源,可实现温度自维持;4.适用于多种目标燃料制备。附图说明图1是根据本专利技术实施例应用于一步合成甲烷或费托燃料的温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解装置结构示意图。图2是根据本专利技术实施例的管式固体氧化物电解池的结构示意图。图3是根据本专利技术的另一个实施例,启动阶段温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解装置的结构示意图。图4是根据本专利技术的再一个实施例,温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解管堆装置的结构示意图。图中:1—燃料极腔室出口管道;2—背压式调节阀;3—安全阀;4—压力传感器;5—燃料极腔室入口管道;6—联通阀;7—反应釜;8—温度传感器;9—空气极腔室入口管道;10—燃料极腔室;11—空气极集流导线;12—空气极腔室出口管道;13—保温材料;14—管式固体氧化物电解池;14A—多孔燃料极(阴极);14B—致密的固体氧化物电解质;14C—多孔空气极(阳极);14D—化学反应区浸渍了甲烷化或者费托合成催化剂的多孔燃料极;14E—化学反应区燃料极腔室入口管道5外壁与多孔燃料极表面的化学催化层;15—预热器;16—预热器出口管道;17—预热器入口管道。具体实施方式本专利技术提供本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解装置,其特征在于,包括反应釜、反应釜内置的燃料极腔室和管式固体氧化物电解池、所述燃料极腔室与管式固体氧化物电解池密封相连,所述管式固体氧化物电解池的外侧设置空气极腔室,所述反应釜内围绕着燃料极腔室和管式固体氧化物电解池四周布置环形保温材料。
【技术特征摘要】
1.一种温度自维持二氧化碳和水蒸汽共电解装置,其特征在于,包括反应釜、反应釜内置的燃料极腔室和管式固体氧化物电解池、所述燃料极腔室与管式固体氧化物电解池密封相连,所述管式固体氧化物电解池的外侧设置空气极腔室,所述反应釜内围绕着燃料极腔室和管式固体氧化物电解池四周布置环形保温材料。2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述空气极腔室入口管道下部为盘管围绕在管式固体氧化物电解池周围,空气极腔室入口气体沿着入口管道从底部出口流出,再从底部向上通过空气极腔室,从出口管道排出。3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述管式固体氧化物电解池的内部为多孔燃料阴极,外部为多孔空气阳极,中间为致密的固体氧化物电解质,下部为电解区,在该区域发生共电解反应产生燃料气体;上部为化学反应区,在该区域燃料气体进一步合成目标烃类燃料。4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述管式固体氧化物电解池与燃料极腔室采用陶瓷胶密封,为保证密封的可靠性,让空气极腔室的压力不能低于燃料极腔室,两个腔室之间的压力差要保证在103Pa以下,最大不能超过5×104Pa。5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述燃料极腔室入口管道和空气极腔室入口管道均为金属管道。燃料极腔室入口管道既作为入口管道,又作为燃料极集流导线;空气极腔室入口管道从反应釜上部的孔笔直引入至管式固体氧化物电解池外侧后,变为环绕着所述电解池的盘管。6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述反应釜外壳与燃料极腔室出口管道和空气极腔室出口管道通过焊接连接密封;与燃料极腔室入口管道和反应釜设置的温...
【专利技术属性】
技术研发人员:史翊翔,罗宇,蔡宁生,
申请(专利权)人:清华大学,
类型:发明
国别省市:北京,11
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