制造高纯度一氧化碳的装置制造方法及图纸

在固体氧化物电解池堆栈和气体分离单元中，通过CO2的电解制造高纯度CO的设备和方法，气体分离单元也可以是固体氧化物电解池堆栈。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造高纯度一氧化碳的装置本专利技术涉及一种用于制造高纯度一氧化碳CO的装置(apparatus)，该装置基于二氧化碳CO2的电解，并结合高纯度CO2原料和高于-100℃温度下的气体净化(cleaning)操作。特别地，固体氧化物电解池(SolidOxideElectrolysisCells)SOEC被用于电解。本专利技术涉及高纯度CO的制造，其中纯化依靠简单、低成本的纯化技术，且不涉及低温技术。传统上，CO通过烃的重整进行商业规模制造，例如：CH4+H2O→CO+4H2或者4CH4+O2+2H2O→10H2+4CO然后，产物气体(CO+H2)通过不同的步骤纯化而得到高纯度CO(通常＞99％)，例如包括最后在低温状态下从CO中分离H2并且移除可能的杂质N2和Ar。CO的沸点为-205℃，H2的沸点为-252.87℃，因此该低温步骤非常昂贵且必须在大型中心设施中进行。这导致CO的制造地点和最终用户间存在长的分配路径，且CO作为有毒气体，受制于处理、运输和储藏过程中的严格安全要求，该点显著地增加了成本。结果就是较小批量(例如＜100Nm3/h)高纯度CO的价格为相同重整过程制造的H2的5-10倍。本专利技术的一个目的是提供制造CO的装置和方法以解决上述问题。更具体地说，本专利技术的一个目的是提供SOEC装置和方法，用于在比已知技术更低的成本下制造CO。本专利技术的进一步目的是提供SOEC装置和方法，用于在不使用低温技术下以低成本和高纯度制造CO。本专利技术涉及一种CO制造和纯化方法，该方法基于CO2电解，结合简单且并不昂贵的‘室温’气体净化和气体分离方法。本专利技术使得小批量制造高纯度CO在技术和经济上是可行的，例如在消费地点或在当地分配中心。由于CO2电解的可用技术较少，CO2电解相较水的电解较少为人知。其中一种非常有效的CO2电解技术为固体氧化物电解池。CO2电解槽(electrolyser)的原理是，CO2(可能包括一些CO)被送入电解槽阴极。当施加电流时，CO2被转化为CO，从而提供具有高浓度CO的输出物流。2CO2(阴极)→2CO(阴极)+O2(阳极)如果纯的CO2被输入到SOEC，输出将为转化的CO和未转化的CO2。如果需要的话，未转化的CO2可以通过CO/CO2分离器去除从而产生最终的高纯度的CO，该分离器在高于-100℃的温度下工作。已知的在高于-100℃下操作的气体分离器技术的一个特定问题是，他们通常只对一种或少数分子具有选择性，因而在从CO+CO2电解槽输出物流中去除如Ar或N2时存在困难。因此，本专利技术的一个实施方式包括：·使用高纯度CO2用作电解槽的原料·通过SOEC电解槽的操作方案，使得即使电解槽堆栈发生泄漏，杂质也不会混入产品物流中。此处纯度的定义为：浓度(CO2)+浓度(CO)。气体分离从气体物流中分离CO2或CO存在四种众所周知的技术。它们可以被定义为吸收、吸附、膜过滤和冷凝法，且均可用于本专利技术。溶剂吸收法包括循环过程，其中CO2或CO直接被从气体物流中吸收至液体，通常是水或胺。通常情况下，CO2被去除，处理过的气体物流即为最终纯化的CO物流。吸收液可以被处理以去除CO2，其随后可以重新用于进一步的电解。所得的不含CO2的液体再次被用于吸收，从而使该过程持续进行。该技术相当广泛地用于一系列应用中，但它需要大量的能量来再生溶剂。吸附法基于循环过程，其中CO2或CO被从气体物流中吸附至固体的表面，该固体通常为矿物沸石。通常情况下，CO2被去除，处理过的气体物流即为最终纯化的CO物流。然后固体在利用压力或温度差异的阶段中纯化以去除CO2。常见的吸附技术称为变压吸附(PSA)，其被广泛用于工业，但是小规模(＜2000Nm3/h)操作时可能相当昂贵。聚合物或陶瓷制成的膜，可以用来有效地从气体物流中筛出CO2或CO。膜材料被特别设计以有倾向性地分离混合物中的分子。存在一系列配置，或为简单的气体分离设备(device)，或结合液体吸收阶段。该过程尚未以大规模应用，且往往受限于输入气体的组成和温度。进一步的，膜的选择性是有限的，获得高纯度的(如＞99.5％)气体输出往往需要多次循环。冷凝技术使用低温从电解槽气体物流中冷却和凝结CO2。使用两个冷却器，一个凝结CO2(例如，在-90℃)，另一个释放CO2(例如在-40℃)，从而使得冷凝CO2脱除单元能够连续操作。基于SOEC的气体净化作为上述传统的气体净化技术的一种替代，本专利技术提供了专门的电解槽设计，用来从CO+CO2物流中除去必要量的CO2。以下将列举本专利技术的一系列实施方式，并对其优点进行说明。原则上，所有送入电解槽的CO2，均可通过向电池(cell)施加正确的电流和电压而转换为CO。通常情况下，对高转换率的实际限制在于，堆栈运作时只有单一的电流流过堆栈，且堆栈中不同电池间存在略微不规则的气流。图2显示了堆栈中气体和电流流动的图解。气体从底部加入，然后在堆栈中向上传送越过(across)电池。由于在向上流动通道中的压力损失，以及越过不同电池的压力损失之间必然存在差异，越过不同电池的流动总会具有一些变化。可施加于堆栈中所有电池的电流受限于流过一个电池的最小流量，从而最大的电流对应于最小流量电池的100％的转化率。如果施加的电流对于该最小流量电池对应高于100％的转化率，电流将会导致该最小流量电池的结构改变，并且电池与堆栈将一起迅速劣化。通常情况下，这导致最大转化率对于70电池堆栈为80％，以及对于10电池堆栈为90％。在本专利技术如图1所示的一个实施方式中，在输入的高纯度CO2气体被SOEC电解后，有必要从CO2中分离出CO。CO2分离器可以是任何已知现有技术中的，或者是以下将公开的另外的SOEC。分离出的CO2可循环至SOEC电解槽的输入端。在本专利技术的另一个实施方式中，提出了允许SOEC堆栈在非常高的转化率下操作，以直接制造非常高纯度(例如大于90％，如大于99％)的CO输出物流的方案。该实施方式基于监控越过每个电池的电压，从而单独控制越过每个电池的电流。越过SOEC电池的电压可表达为：其中，Icell和Rcell分别为相关电池的电流和电阻率。pCO2，pCO和pO2分别为CO2，CO和O2的分压(单位bar)。这意味着随气体中CO2分数降低，越过每个电池的电压十分显著地增加。在本专利技术的一个实施方式中，SOEC堆栈被用于直接制造高纯度CO。这通过监控越过每个电池的电压，并单独调整越过每个电池的电流，从而提供对应于所需CO2水平的所需的电池电压来实现。图3显示了当堆栈中加入不均匀CO2流和一个公共电流ICommon的情况。然后调整通过每个电池(例如电池‘i’)的电流(通过电流ΔIi)，以提供电池的特定电流(例如Ii＝Icommon+ΔIi)以得到越过单个电池所需的电压(例如Vref)以及由此产生的CO浓度。这个电流调节方案可以通过很多方式实现。其可以通过提供相对大的公共电流，然后通过二极管，或者更灵活地通过晶体管和晶体管的电流控制电路，来去除多余电流。一个更节能的选择可以是提供相对小的公共电流，然后添加额外的电流(例如基于开关模式技术)来获得所需的电池电压。在本专利技术如图4所示的另一实施方式中，单独电压和电流的控制仅施加于CO2至CO转化的最后阶段。那么，大量的C本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于在提供有高于90％纯度的CO2时制造高于90％纯度的CO的设备，所述设备包含具有阳极侧和阴极侧的至少一个固体氧化物电解池，且所述设备还包含输出气体分离单元，其中所述设备在0℃‑50℃，优选10℃‑40℃的温度下操作。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.05 EP PCT/EP2012/0009761.用于在提供有高于90％纯度的CO2时制造高于90％纯度的CO的设备，所述设备包含具有阳极侧和阴极侧的至少一个固体氧化物电解池，且所述设备还包含输出气体分离单元，其中所述设备在0℃-50℃的温度下操作，其中所述设备包含布置成堆栈的多个固体氧化物电解池，且其中所述设备还包含用于单独控制越过所选固体氧化物电解池的电流的设施，其中所述电流的单独控制基于监测越过所选固体氧化物电解池的电压；且其中阴极侧的压力高于阳极侧的压力，阳极侧的压力高于隔室的压力，以及隔室的压力低于环境压力，其中所述隔室由CO2冲刷，且CO2吹扫被从隔室引至催化氧化反应器，其中该反应器使用负载于氧化铝或TiO2基载体上的催化剂，其中该催化剂包括贵金属催化剂并任选结合V2O5和WO3，且所述催化剂在高于100℃工作。2.根据权利要求1的设备，其中所述设备在10℃-40℃的温度下操作。3.根据权利要求1或2的设备，其中所述输出气体分离单元集成在所述堆栈中。4.根据权利要求1或2的设备，其中输出气体分离单元包括设置在气体分离固体氧化物电解池堆栈中的多个电池，其中所述堆栈包含用于单独控制越过所选电池的电流的设施。5.根据权利要求1或2的设备，其中所述设备还包含用CO2冲刷至少一个固体氧化物电解池的阳极侧的设施。6.根据权利要求1或2的设备，其中所述设备包括包封至少一个固体氧化物电解池的隔室，其中所述隔室包含冲刷由隔室包封的空间的设施。7.根据权利要求1的设备，其中所述催化剂在150℃-250℃工作。8.根据权利要求1的设备，其中所述贵金属催化剂为铂和或钯。9.根据权利要求1或2的设备，其中所述输出气体分离单元是水/胺洗，变压吸附或选择性膜之一。10.根据权利要求1或2的设备，其中该设备包含遭遇金属尘化的组件，该组件由富镍金属制成，或者所述组件涂覆有铜或锡/镍涂层。11.根据权利要求10的设备，其中所述富镍金属为...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·C·佩德森，B·J·汉森，T·罗斯特鲁普尼埃森，U·J·尼埃森，H·奥斯森，K·H·安德森，
申请(专利权)人：赫多特普索化工设备公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK