一种合成气制备系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种合成气制备系统及其方法，所述合成气制备系统包括固体氧化物电解池、原料气供给系统、熔盐供给系统和合成气混合室；所述固体氧化物电解池包括阴极、阳极以及电解质，所述阴极与原料气相接触，所述阳极与混有碳粉和催化剂的熔盐相接触。本发明专利技术实现了固体氧化物电解池技术和煤气化技术的耦合，将电解/共电解反应过程中产生的O

A synthetic gas preparation system and its method

The invention discloses a synthesis gas preparation system and method, the synthesis gas preparation system comprises a solid oxide electrolytic cell, the raw material supply system, gas supply system and molten salt synthesis gas mixing chamber; the solid oxide electrolysis cell includes a cathode, anode and electrolyte, wherein the cathode contact with the raw gas the anode and mixed with molten salt powder and catalyst contact. The invention realizes the coupling of the solid oxide electrolytic cell technology and the coal gasification technology, and the O produced in the process of electrolysis / CO electrolysis reaction.

【技术实现步骤摘要】
一种合成气制备系统及其方法
本专利技术涉及一种合成气制备系统及其方法。
技术介绍
固体氧化物电解池(SOEC)属于一种可逆的能量转化装置，具有清洁高效等特点，其工作温度一般在600～1000℃，可以将水蒸气和二氧化碳电解成H2，CO和O2，将电能以燃料气的形式进行存储。此外，固体氧化物电解池还可以同时将H2O/CO2共电解生成合成气(H2和CO)，用于合成甲醇等各种更高价值的化学品。H2O的存在可以抑制固体氧化物电解池电极上的积碳现象，这项技术还可以实现CO2的循环利用，降低温室效应。目前，利用固体氧化物电解池进行CO2/H2O共电解制备合成气领域主要在材料、测试系统搭建等方面取得了一些进展，尚未有工业应用的案例。同时该技术之前的研究主要关注于在阴极上产生的H2和CO，然后利用通入H2的方法来调节合成气的组成；而对于阳极上生成的O2，一般处理方案是排放到空气中或者存储起来另作他用，额外的处理过程不仅会加大生产成本，还不利于资源的充分利用。
技术实现思路
本专利技术要解决的是现有技术中固体氧化物电解池技术用于制备合成气时原料利用不充分、转化效率较低、单位产量能耗较高的问题，提供了一种将高温电解/共电解技术与煤气化技术耦合的高效的合成气制备系统及其方法。本专利技术通过下述技术方案来解决上述技术问题：本专利技术提供了一种合成气制备系统，其包括固体氧化物电解池、原料气供给系统、熔盐供给系统和合成气混合室；所述固体氧化物电解池包括阴极、阳极以及电解质，所述阴极的进口与所述原料气供给系统连接，所述阴极与原料气相接触，所述阴极的出口与所述合成气混合室连接，所述阳极的进口与所述熔盐供给系统连接，所述阳极与混有碳粉和催化剂的熔盐相接触，所述阳极的出口与所述合成气混合室连接；其中，所述原料气包括水蒸气和二氧化碳；所述熔盐为卤素盐、碳酸盐、碳酸氢盐、草酸盐和硝酸盐中的一种或几种，所述熔盐的阳离子为碱金属和碱土金属中的一种或几种，所述熔盐的熔点低于600℃，所述熔盐的分解温度高于1000℃；所述碳粉占所述熔盐的质量分数为40～80％，所述碳粉的粒度小于0.1mm；所述催化剂占所述熔盐的质量分数为0.5～10％，所述催化剂为过渡金属、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物和碱土金属碳酸盐中的一种或多种。本专利技术中，所述固体氧化物电解池为本领域常规的固体氧化物电解池，其电极一般为多孔结构，以利于气体的扩散和传输；电解质一般为致密且具有高离子电导率和可忽略的电子电导的材料，以隔开氧气和燃料气体并传导氧离子或质子。本专利技术中，所述阴极的材质较佳地为金属复合陶瓷材料，更佳地为LSTO(Sr掺杂的LaTiO3)、LSCrM(Sr和Mn掺杂的LaCrO3)、LSCrF(Sr和Fe掺杂的LaCrO3)、Ni-Cr-Fe合金和Ni/YSZ中的一种，再更佳地为Ni/YSZ。本专利技术中，所述阳极的类型较佳地为薄膜电极、柱状电极和片状电极中的一种。本专利技术中，所述阳极的材质为电导率较高、氧析出活性(OER)较低的金属、合金或导电氧化物，较佳地为Ag、Au、Ni、Co、Fe和LSM(Sr掺杂的LaMnO3)中的一种。本专利技术中，所述电解质较佳地为YSZ等离子导体((Y2O3)0.08(ZrO2)0.92)、ScSZ(Sc掺杂的ZrO2)、GDC(Gd掺杂的CeO2)、SDC(Sm掺杂的CeO2)、Bi2O3、LSGM(Sr和Mg掺杂的LaGaO3)、BaCeO3和BaZrO3中的一种，更佳地为YSZ等离子导体。本专利技术中，所述熔盐为本领域常规的用于固体氧化物电解池的熔盐；所述熔盐的阳离子较佳地为Li、Na、K、Ca、Sr和Ba中的一种或几种。本专利技术中，所述碳粉为本领域常规使用的碳粉。本专利技术中，所述催化剂为本领域常规的用于碳粉氧化的催化剂；所述催化剂较佳地为Fe、Co、Ni、CaO、CeO2、MnO2和CaCO3中的一种或几种。本专利技术中，所述固体氧化物电解池较佳地为管式固体氧化物电解池，以方便储存液态熔盐及密封；所述管式固体氧化物电解池的直径较佳地为1～100cm。本专利技术中，所述固体氧化物电解池的支撑体类型较佳地为阴极支撑型、电解质支撑型和阳极支撑型中的一种，更佳地为电解质支撑型。本专利技术中，所述固体氧化物电解池的数量较佳地为1～500；当所述固体氧化物电解池的数量为1时，所述固体氧化物电解池较佳地与外接直流电源电气连接；当所述固体氧化物电解池的数量大于1时，至少两个固体氧化物电解池组较佳地以串联方式或并联方式与外接直流电源电气连接，每个所述固体氧化物电解池组包括至少一个所述固体氧化物电解池；同一所述固体氧化物电解池组内的所述固体氧化物电解池的数量大于1时，若干所述固体氧化物电解池之间较佳地以串联方式依次连接。本专利技术中，若干所述固体氧化物电解池之间较佳地通过连接件实现串联连接；所述连接件为本领域常规的连接件，所述连接件的材质较佳地为导电性好、耐高温、抗氧化、抗腐蚀的金属材料、合金材料或者陶瓷材料，所述连接件的形状较佳地为线状、条状或板状。本专利技术中，所述固体氧化物电解池和所述连接件之间较佳地通过高温玻璃密封材料进行封装；所述封装和所述高温玻璃密封材料均为本领域常规，首先根据所述固体氧化物电解池和所述连接件的形状将所述高温玻璃密封材料如高温封接玻璃粉制作成密封环，再将所述密封环置于所述固体氧化物电解池和所述连接件中间，升温使密封环软化将所述固体氧化物电解池和所述连接件粘结，降温固化后即实现所述固体氧化物电解池的封装。本专利技术中，所述固体氧化物电解池较佳地设于一热箱中，所述热箱包括箱体和设于所述箱体内壁的保温层，所述箱体的外壳材质为钢板，所述钢板的厚度为1～20mm，所述保温层的材质为莫来石、石英棉或石英砂，所述保温层的厚度为1～20cm。本专利技术中，所述原料气供给系统较佳地包括蒸汽发生器、保护气气瓶组和气体混合室，所述蒸汽发生器和所述保护气气瓶组分别与所述气体混合室连接，所述气体混合室的出口与和所述阴极连接；所述蒸汽发生器、所述保护气气瓶组和所述气体混合室均为领域常规。本专利技术中，所述熔盐供给系统较佳地包括碳粉/熔盐混合器和熔盐循环泵，所述碳粉/熔盐混合器、所述熔盐循环泵和所述阳极依次连接；所述碳粉/熔盐混合器为本领域常规的碳粉/熔盐混合器，所述碳粉/熔盐混合器具有加热功能的密闭腔体，用于混合并加热碳粉和熔盐，所述熔盐循环泵为本领域常规的熔盐循环泵。本专利技术中，所述合成气混合室内较佳地设有H2浓度探测器和CO浓度探测器，所述合成气混合室与所述阴极之间的连接口设有CO流量计，所述合成气混合室与所述阳极之间的连接口设有H2流量计，所述CO流量计与所述CO浓度探测器电气连接，所述H2流量计与所述H2浓度探测器电气连接；所述H2浓度探测器和所述CO浓度探测器均为本领域常规的气体浓度探测器，所述H2流量计和所述CO流量计均为本领域常规的气体流量计；通过监测H2和CO的即时浓度，可以随时调整所述合成气混合室的进气量，以保证得到所需要的合成气比例组成。本专利技术还提供了一种合成气制备方法，所述制备方法应用了上述的合成气制备系统，其包括如下步骤：(1)首先通过熔盐供给系统向固体氧化物电解池的阳极通入混有碳粉和催化剂的熔盐，再通过原料气供给系统向所述固体氧化物电解池的阴极通入原料气；(2)通电进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合成气制备系统，其特征在于，其包括固体氧化物电解池、原料气供给系统、熔盐供给系统和合成气混合室；所述固体氧化物电解池包括阴极、阳极以及电解质，所述阴极的进口与所述原料气供给系统连接，所述阴极与原料气相接触，所述阴极的出口与所述合成气混合室连接，所述阳极的进口与所述熔盐供给系统连接，所述阳极与混有碳粉和催化剂的熔盐相接触，所述阳极的出口与所述合成气混合室连接；其中，所述原料气包括水蒸气和二氧化碳；所述熔盐为卤素盐、碳酸盐、碳酸氢盐、草酸盐和硝酸盐中的一种或几种，所述熔盐的阳离子为碱金属和碱土金属中的一种或几种，所述熔盐的熔点低于600℃，所述熔盐的分解温度高于1000℃；所述碳粉占所述熔盐的质量分数为40～80％，所述碳粉的粒度小于0.1mm；所述催化剂占所述熔盐的质量分数为0.5～10％，所述催化剂为过渡金属、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物和碱土金属碳酸盐中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种合成气制备系统，其特征在于，其包括固体氧化物电解池、原料气供给系统、熔盐供给系统和合成气混合室；所述固体氧化物电解池包括阴极、阳极以及电解质，所述阴极的进口与所述原料气供给系统连接，所述阴极与原料气相接触，所述阴极的出口与所述合成气混合室连接，所述阳极的进口与所述熔盐供给系统连接，所述阳极与混有碳粉和催化剂的熔盐相接触，所述阳极的出口与所述合成气混合室连接；其中，所述原料气包括水蒸气和二氧化碳；所述熔盐为卤素盐、碳酸盐、碳酸氢盐、草酸盐和硝酸盐中的一种或几种，所述熔盐的阳离子为碱金属和碱土金属中的一种或几种，所述熔盐的熔点低于600℃，所述熔盐的分解温度高于1000℃；所述碳粉占所述熔盐的质量分数为40～80％，所述碳粉的粒度小于0.1mm；所述催化剂占所述熔盐的质量分数为0.5～10％，所述催化剂为过渡金属、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物和碱土金属碳酸盐中的一种或多种。2.如权利要求1所述的合成气制备系统，其特征在于，所述阴极的材质为金属复合陶瓷材料，较佳地为LSTO、LSCrM、LSCrF、Ni-Cr-Fe合金和Ni/YSZ中的一种；和/或，所述阳极的类型为薄膜电极、柱状电极和片状电极中的一种；和/或，所述阳极的材质为Ag、Au、Ni、Co、Fe和LSM中的一种；和/或，所述电解质为YSZ等离子导体、ScSZ、GDC、SDC、Bi2O3、LSGM、BaCeO3和BaZrO3中的一种。3.如权利要求1所述的合成气制备系统，其特征在于，所述熔盐的阳离子为Li、Na、K、Ca、Sr和Ba中的一种或几种；和/或，所述催化剂为Fe、Co、Ni、CaO、CeO2、MnO2和CaCO3中的一种或几种。4.如权利要求1所述的合成气制备系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池为管式固体氧化物电解池，所述管式固体氧化物电解池的直径为1～100cm；和/或，所述固体氧化物电解池的支撑体类型为阴极支撑型、电解质支撑型和阳极支撑型中的一种。5.如权利要求1所述的合成气制备系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池的数量为1～500；当所述固体氧化物电解池的数量为1时，所述固体氧化物电解池与外接直流电源电气连接；当所述固体氧化物电解池的数量大于1时，至少两个固体氧化物电解池组以串联方式或并联方式与外接直流电源电气连接，每个所述固体氧化物电解池组包括至少一个所述固体氧化物电解池；同一所述固体氧化物电解池组内的所述固体氧化物电解池的数量大于1时，若干所述固体氧化物电解池之间以串联方式依次连接。6.如权利要求5所述的合成气制备系统，其特征在于，若干所述固体氧化物电解池之间通过连接件实现串联连接，所述连接件的材质为金属材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：关成志，彭程，陈新冰，肖国萍，王建强，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31