涉及水的電解和二氧化碳?xì)浠癁榧淄榈挠糜谀芰哭D(zhuǎn)換和產(chǎn)生的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能并且任選地根據(jù)需要再對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換以發(fā)電的方法和系統(tǒng)。在一些優(yōu)選的實施方案中，電能的源至少部分來自可再生能源。本發(fā)明使得常規(guī)能量能夠轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生而不向大氣釋放CO2。用于生產(chǎn)甲烷的一種方法包括電解水以形成氫氣和氧氣，并使用氫氣使二氧化碳?xì)浠孕纬杉淄?。?yōu)選使用在氫化反應(yīng)中生成的熱以加熱在電解前的水。優(yōu)選的用于電解的電能源為可再生能源如太陽能、風(fēng)能、潮汐能、波浪能、水能或地?zé)崮?。所述方法使得能夠儲存在低需求時以甲烷形式獲得的能量，其可被儲存并用于在高的能量需求期間產(chǎn)生更多的能量。還描述了一種系統(tǒng)，其包含電解設(shè)備和氫化設(shè)備以及用于運輸兩種流體的管道。
【專利說明】涉及水的電解和二氧化碳?xì)浠癁榧淄榈挠糜谀芰哭D(zhuǎn)換和產(chǎn) 生的方法和系統(tǒng)
[0001] 本發(fā)明涉及將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能并且任選地在需要時將化學(xué)能轉(zhuǎn)換回電能從而 提供電能的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明提供了用于由電能制備可燃的燃料或石化原料的高 效方法和系統(tǒng)，其中在某些實施方案中，可通過非化石燃料能量和相關(guān)技術(shù)來提供電能。在 替代實施方案中，本發(fā)明可用于在特定時間（例如，在相對低的需求或價格的時候）將電能 轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，用于之后在其他時間（例如，高的需求或價格的時候）轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明 可涉及能量轉(zhuǎn)移的再循環(huán)過程（recurrentprocess),用于供應(yīng)無排放的電力和任選的區(qū) 域供熱和用于飲用或其他目的的水源。

【背景技術(shù)】
[0002] 事實證明致力于滿足急速增長的全球人口的不斷擴(kuò)大的能量需求是二十一世紀(jì) 早期人類所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。能量供應(yīng)的基本方式在很大程度上仍保持不變，這是因 為大規(guī)模產(chǎn)生化石燃料（例如煤、油和天然氣）的燃燒仍提供絕大多數(shù)的電力，在英國乃至 世界范圍均如此。然而，自從二十世紀(jì)六十年代，人們已日益關(guān)注該燃燒的主要產(chǎn)物之一 (即二氧化碳（co2))對我們世界的氣候的影響。氣候科學(xué)家目前幾乎全部認(rèn)同如果任其發(fā) 展的話，我們對化石燃料燃燒的持續(xù)依賴正在以將導(dǎo)致我們星球大幅升溫的速度提高大氣 co2的水平。
[0003] 對用于大多數(shù)電力產(chǎn)生、運輸和家用供熱或冷卻的化石燃料的依賴推動了溫室氣 體二氧化碳（C02)的水平不斷升高。當(dāng)氣候科學(xué)家將全球變暖歸因于大氣中逐步升高的C02 水平時，他們可能是正確的。在二十世紀(jì)，大氣C02水平從300ppm升高至370ppm。因為化 石燃料燃燒持續(xù)地球溫度上升的風(fēng)險，導(dǎo)致非常令人擔(dān)心的失控效應(yīng)。
[0004] 針對缺乏決心制定以實現(xiàn)所提議的百分比減少的措施，已停止用于減少co2排放 的國際協(xié)定。此外，用于減低co2的量的協(xié)定并非適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案并且其僅用來說明問題 的規(guī)模，如果實施該協(xié)定的話仍將無法阻止大氣中不斷升高的co2水平。與此相反，普遍采 用本發(fā)明將完全阻止來自電力供應(yīng)的排放，相比國際能源署2010年全球30. 6G噸C02/年 的來自第一燃料燃燒的總排放量，本發(fā)明具有每年防止約14G噸C02進(jìn)入大氣的潛力。
[0005] 目前，化石燃料發(fā)電站仍將燃燒期間所形成的C02釋放入大氣中，盡管進(jìn)行了一些 C02提取和埋存（sequestration)的初步研究，例如在英國法夫區(qū)的Longannet。由化石燃 料燃燒所產(chǎn)生的大氣污染導(dǎo)致對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)的損害是被普遍承認(rèn)的?，F(xiàn)有技術(shù)不 足以阻止由大氣的含硫、含氮和顆粒污染所導(dǎo)致的損害。
[0006] 現(xiàn)在國際上亟需采取果斷行動以在全球溫度升高至將導(dǎo)致我們的環(huán)境嚴(yán)重變化 的水平之前阻止大氣C02水平的上升。因此，已經(jīng)顯著加快探求能量產(chǎn)生的更小污染（"更 加環(huán)保"）方法的步伐。研究致力于兩個主要領(lǐng)域：
[0007] ?捕獲在化石燃料燃燒中所產(chǎn)生的C02，通常用于埋存，以及
[0008] ?用于利用自然界中明顯固有的巨大能量儲備即所謂的可再生能源的高效裝置。
[0009] C02回收（"碳捕獲"）方法越來越吸引大規(guī)模的投資，政府通過向油氣跨國公司 提供經(jīng)濟(jì)激勵來鼓勵其開發(fā)。例如，"潔凈煤技術(shù)"基于從煙道氣中提取co2然后通過插入 良好地質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣或油對其進(jìn)行埋存。然而，從常規(guī)燃燒烴發(fā)電廠的煙道氣中分離co2雖 然可行，但存在兩個主要缺點。第一，由于回收工藝，導(dǎo)致工廠的效率大幅下降，因此收益降 低。第二且重要地，無法保證經(jīng)埋存co2不會隨時間從其地質(zhì)監(jiān)禁中逸出并找到進(jìn)入大氣 的路徑。易于co2回收的改進(jìn)正在出現(xiàn)，特別是通過研究在02中而非空氣中燃燒烴燃料的 潛力一"氧燃料燃燒"，正如將在之后詳細(xì)闡述的 [1]。
[0010] 不言而喻，其中，由可再生能源（例如風(fēng)能、潮汐能和太陽能）發(fā)電尤其代表所有 方法中最環(huán)保的方法，因為以該方式不排放co2。然而，政治家和能源工業(yè)當(dāng)然不愿意在有 效并且可靠地利用這些能源的技術(shù)仍然處于其初期的時候在大規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉瓷?碰運氣。許多最有前景的可再生能源的源受困于不可預(yù)測性。例如，風(fēng)力渦輪機(jī)非常間歇 地和不可靠地發(fā)電，其輸出取決于持續(xù)變化的力：在任何時間點的風(fēng)的強(qiáng)度和方向。唯一大 規(guī)模替代當(dāng)前使用的化石燃料燃燒的核能表現(xiàn)出該規(guī)模的另一方面：其非常不靈活，產(chǎn)生 恒定的輸出水平并因此難以處于響應(yīng)于電力需求中常見的突發(fā)高峰或低谷。因為電力必須 在產(chǎn)生時使用，所以在高效發(fā)生系統(tǒng)中需要靈活性和可靠性兩者。
[0011] 因此，已經(jīng)對將電力轉(zhuǎn)化為其他形式的能量以儲存及用來滿足后續(xù)需求的可能性 進(jìn)行許多研究。一個熱門的研究領(lǐng)域是由替代能源制造可燃?xì)怏w。例如，美國[2]和日本[3] 兩者對由太陽能產(chǎn)生甲烷的可能性進(jìn)行研究，后者建立試驗工廠以證明其可行性。
[0012] 本發(fā)明提供任選地從可再生能源以及從常規(guī)發(fā)電技術(shù)捕獲和儲存電能的改進(jìn)的 方法。本發(fā)明還提供用于能量儲存和產(chǎn)生而不向大氣排放co2的全面整合的方法。本發(fā)明 將描述用于在需要的時間和需要的地點可靠地發(fā)電的裝置。
[0013] 發(fā)明詳述
[0014] 在第一方面中，本發(fā)明提供用于由電能源產(chǎn)生烴或烴衍生物的方法，所述方法包 括：
[0015] a)使用來自所述源的電能來裂解（例如電解）水以形成氫氣和氧氣；以及
[0016] b)使用由此形成的氫氣來氫化二氧化碳以形成甲烷。
[0017] 在一個優(yōu)選的實施方案中，通過操作用于由非化石燃料能源獲得電能的非化石燃 料能源發(fā)電機(jī)來獲得電能。使用由此獲得的能量來裂解水。應(yīng)當(dāng)注意，水可以為液體形式 或者可以為氣體形式（即如蒸汽）。
[0018] 在另一個實施方案中，電能可獲自現(xiàn)有的電網(wǎng)，適于電力低的需求/成本的時段 (例如，在夜間）。這使得當(dāng)電力需求低時，本發(fā)明能夠充當(dāng)將電能轉(zhuǎn)換為烴或烴衍生物的 緩沖。
[0019] 本發(fā)明的一個顯著優(yōu)點在于其允許儲存由不能根據(jù)需要改變發(fā)電的發(fā)電機(jī)所產(chǎn) 生的電力。不能控制和/或預(yù)測的大多數(shù)可再生能源或非化石燃料能源以及相對而言不靈 活的核能都是這種情況。實際上，由許多現(xiàn)有化石燃料發(fā)電設(shè)備改變產(chǎn)量通常是不便利的 和/或效率低。
[0020] 主要設(shè)想將電力用于電解水，優(yōu)選在高的溫度和/或壓力下。然而，有可能使用電 力來加熱水直至實現(xiàn)熱分解。熱分解在高溫（例如，200(TC或更高）下發(fā)生，因此用于制造 適當(dāng)設(shè)備的適當(dāng)材料仍然是個問題。然而，該領(lǐng)域的研究仍在繼續(xù)并且在某些情況下其可 成為適當(dāng)?shù)姆椒?。其中在下文提及電解，?yīng)當(dāng)注意預(yù)期可使用電力的其他裂解水的方法。
[0021] 所述方法可包括進(jìn)一步處理所述甲烷以形成除甲烷以外的烴或烴衍生物的步驟。 術(shù)語"烴衍生物"用于指這樣的化合物，其主要由碳和氫構(gòu)成并且可衍生自甲烷，但是其還 包含另外的元素（例如，氧、氮或鹵素），例如碳水化合物、醇、羧酸、胺、酰胺等。下文將對其 進(jìn)行更詳細(xì)描述。
[0022] 優(yōu)選地，非化石燃料能源是風(fēng)能、潮汐能、波浪能、水能、地?zé)崮?、太陽能和核能?的一種或更多種。最優(yōu)選地，所述能源是可再生能源，即不包括以上列舉中的核能。應(yīng)當(dāng)注 意，即使嚴(yán)格來講能量的所有源是有限的，但是如在本領(lǐng)域中常用的，可以使用術(shù)語可再生 作為"綠色"、基于非化石燃料的能量的涵蓋性術(shù)語。適合用于由這些可再生能源獲得電能 的適當(dāng)?shù)姆腔l(fā)電裝置在本領(lǐng)域中是公知的，而且該領(lǐng)域中的技術(shù)發(fā)展迅速，存在相當(dāng) 大的政治和環(huán)境驅(qū)動以由這些源產(chǎn)生更多電力從而代替基于化石燃料的發(fā)電。例如，長期 以來以局地規(guī)模和大規(guī)模兩者進(jìn)行水力發(fā)電，在陸上環(huán)境和海上環(huán)境兩者中通過風(fēng)力渦輪 機(jī)進(jìn)行的風(fēng)力發(fā)電是相對成熟的技術(shù)，并且潮汐發(fā)電正在迅速地成為現(xiàn)實。因此不需要對 相關(guān)發(fā)電方式進(jìn)行詳細(xì)討論。
[0023]通常優(yōu)選直流電以進(jìn)行水的電解。可使用直流發(fā)電機(jī)或整流器以由交流電獲得直 流電，例如，如從該可再生能源發(fā)電機(jī)或從電網(wǎng)產(chǎn)生。
[0024]優(yōu)選在電解設(shè)備中進(jìn)行電解。已在開發(fā)用于高效電解的系統(tǒng)方面作出大量工作， 并且這樣的系統(tǒng)將易于應(yīng)用于本發(fā)明。例如，在某些實施方案中，優(yōu)選在相對于環(huán)境更高的 溫度下進(jìn)行電解。升高的溫度已示出提高效率（這樣的系統(tǒng)通常被稱為高溫電解或蒸汽電 解）。因此，所述方法優(yōu)選涉及將電解反應(yīng)加熱至期望的溫度。特別地，優(yōu)選電解在l〇〇°C 至1000°C、更優(yōu)選250°C至950°C、尤其為800°C至925°C下進(jìn)行。
[0025]另外地或可替代地，優(yōu)選使用固體氧化物電解器系統(tǒng)；該系統(tǒng)已示出提供提高的 效率。特別地，使用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（"YSZ"，Y203在Zr02中）（在高溫下良好傳導(dǎo)離 子的氣密電解質(zhì)）大大有利于氫氣和氧氣產(chǎn)物的分離。
[0026]優(yōu)選的電極是鎳-陶瓷金屬蒸汽/氫電極。
[0027]氣體產(chǎn)物氧氣和氫氣作為電解的產(chǎn)物獲得并且通常分別獲得并任選地儲存用于 進(jìn)一步應(yīng)用。因為氫氣和氧氣兩者的高反應(yīng)性，其均為潛在危險的化學(xué)物，但是用于其安全 儲存和操作的技術(shù)在本領(lǐng)域中是公知的。
[0028]將二氧化碳?xì)浠癁榧淄樵诜Q為薩巴蒂埃（Sabatier)的工藝中適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行，其中 該反應(yīng)可總結(jié)如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于由電能源產(chǎn)生烴或烴衍生物的方法，所述方法包括： a. 提供電能的源； b. 使用來自所述源的電能來電解水以形成氫氣和氧氣；以及 c. 使用由此所形成的氫氣來氫化二氧化碳以形成甲烷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電能源包括非化石燃料能源和通過操作非化 石燃料發(fā)電機(jī)而獲得的電能，以提供電力用于電解水。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電能源包括電網(wǎng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，包括處理至少一部分所述甲烷以形成除 甲烷以外的烴或烴衍生物的步驟。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述電能源包含風(fēng)能、潮汐能、波浪 能、水能、地?zé)崮芎吞柲苤械囊环N或更多種的可再生能源，并且所述可再生能源發(fā)電機(jī)適 于由所述能源發(fā)電。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中直流電獲自所述電能源。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在電解裝置中進(jìn)行所述電解。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在升高的溫度下進(jìn)行所述電解。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在KKTC至1000°C、更優(yōu)選250°C至 950°C、尤其為800°C至925°C的溫度下進(jìn)行所述電解。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中使用固體氧化物電解器系統(tǒng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述固體氧化物電解器系統(tǒng)包含氧化釔穩(wěn)定的 氧化鋯（"YSZ"，Y20 3 在 Zr02 中）。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在薩巴蒂埃工藝中進(jìn)行所述的將二 氧化碳?xì)浠癁榧淄椤?br> 13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，包括對所述氫化反應(yīng)進(jìn)行冷卻。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，包括將所述氫化反應(yīng)保持在200°C至 400°C、更優(yōu)選 250°C至 350°C、尤其為 275°C至 325°C下。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述氫化反應(yīng)使用包含在A1203上的 Ru的催化劑。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中使用通過所述二氧化碳的氫化產(chǎn)生 的熱來加熱所述電解反應(yīng)。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中使用通過電解產(chǎn)生的氫氣和/或氧 氣的流中的熱來加熱用于電解的輸入水。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中使用電解中產(chǎn)生的氫氣和/或氧氣 的流中的熱來產(chǎn)生蒸汽。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中使用所產(chǎn)生的所述蒸汽來發(fā)電。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其中使用所述氫氣和/或氧氣的流中的熱經(jīng)由 蘭金循環(huán)鍋爐來產(chǎn)生蒸汽，所述蒸汽隨后驅(qū)動蒸汽輪機(jī)以發(fā)電。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項所述的方法，其中使用至少一部分所述蒸汽來提供 用于電解的輸入水。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，包括將蒸氣流轉(zhuǎn)移至用于電解的輸入水的所述蒸汽 中。
23. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中將由于二氧化碳的氫化所產(chǎn)生的水 分離于所述甲烷。
24. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中用于所述氫化反應(yīng)中的二氧化碳是 燃料的氧化產(chǎn)物。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述二氧化碳是使用前述權(quán)利要求中任一項所 述的方法所產(chǎn)生的燃料的氧化產(chǎn)物。
26. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其用于產(chǎn)生適用于發(fā)電機(jī)的烴燃料，所述 發(fā)電機(jī)適于由所述烴燃料獲得電能。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述烴燃料包含甲烷。
28. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中由所述二氧化碳的氫化產(chǎn)生的所述 甲烷用于形成其他烴或基于烴的產(chǎn)物。
29. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，包括從所述水的電解獲得氧氣以用在所 述燃料的氧化中，例如在燃燒中或在燃料電池中。
30. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括發(fā)電，所述方法包括以下步驟： d) 任選地對至少一部分所述甲烷進(jìn)行轉(zhuǎn)換以形成二次燃料； e) 將步驟c)或d)的所述燃料產(chǎn)物提供至能夠從所述燃料產(chǎn)物中獲得電能的第二發(fā)電 機(jī)；以及 f) 產(chǎn)生電能。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，包括向所述第二發(fā)電機(jī)提供氧氣用于氧化所述燃 料。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中至少一部分所述氧氣由所述水的電解產(chǎn)生。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的方法，其中所述氧氣與步驟b中的所述氫氣共同產(chǎn) 生。
34. 根據(jù)權(quán)利要求31至33中任一項所述的方法，其中在基本純的氧氣存在下進(jìn)行所述 燃料的氧化。
35. 根據(jù)權(quán)利要求30至34中任一項所述的方法，包括對由發(fā)電所產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行 捕獲。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中將所捕獲的二氧化碳用作用于步驟c)的所述氫 化反應(yīng)的原料。
37. 根據(jù)權(quán)利要求30至36中任一項所述的方法，其中所述第二發(fā)電機(jī)包括組合的循環(huán) 燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池或兩者的混合。
38. 根據(jù)權(quán)利要求30至37中任一項所述的方法，其中所述第二發(fā)電機(jī)包含熱電聯(lián)供系 統(tǒng)。
39. 根據(jù)權(quán)利要求30至38中任一項所述的方法，包括將所述烴燃料從其產(chǎn)生的位置運 輸至所述第二發(fā)電機(jī)。
40. 根據(jù)權(quán)利要求30至39中任一項所述的方法，包括將氧氣從其產(chǎn)生的所述位置運輸 至所述第二發(fā)電機(jī)。
41. 一種用于產(chǎn)生從電能源獲得的烴或烴衍生物的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含： a) 電能源； b) 電耦接至所述電能源的電解設(shè)備，其能夠操作用于電解水以形成氫氣和氧氣； c) 用于收集在所述電解設(shè)備中所產(chǎn)生的氧氣和氫氣的氣體處理裝置； d) 二氧化碳的源；以及 e) 適于使用由電解產(chǎn)生的所述氫氣對二氧化碳進(jìn)行氫化以形成甲烷的氫化裝置。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中所述電能源是非化石燃料能源，并且所述系統(tǒng) 包含能夠操作由所述非化石燃料能源產(chǎn)生電能的非化石燃料發(fā)電機(jī)。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41或42所述的系統(tǒng)，包含用于將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的轉(zhuǎn)換裝置。
44. 根據(jù)權(quán)利要求41至43中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述電解設(shè)備包含電解可發(fā)生于 其中的反應(yīng)空間。
45. 根據(jù)權(quán)利要求41至44中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述電解設(shè)備包含溫度控制裝 置，例如適于將反應(yīng)空間加熱至高于周圍環(huán)境的加熱裝置。
46. 根據(jù)權(quán)利要求41至45中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述氫化設(shè)備包含氫化可發(fā)生于 其中的反應(yīng)空間。
47. 根據(jù)權(quán)利要求41至46中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述氫化設(shè)備包含溫度控制裝 置，例如適于對所述反應(yīng)空間進(jìn)行冷卻的冷卻裝置。
48. 根據(jù)權(quán)利要求41至47中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述電解設(shè)備和所述氫化設(shè)備分 別包含加熱裝置和冷卻裝置，并且所述電解設(shè)備的所述加熱裝置和所述氫化設(shè)備的所述冷 卻裝置是熱耦接的，使得使在氫化中產(chǎn)生的熱能能夠傳遞至所述電解設(shè)備。
49. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的系統(tǒng)，其中所述電解設(shè)備和所述氫化設(shè)備的每一個的熱交 換器是流體連通的，使得在所述氫化設(shè)備中加熱的至少一部分所述流體能夠用于加熱所述 電解反應(yīng)。
50. 根據(jù)權(quán)利要求41至48中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述氫化設(shè)備包含一個或更多個 管道，用于電解的輸入水可圍繞所述一個或更多個管道流動，使得來自所述氫化反應(yīng)的熱 傳到所述輸入水。
51. 根據(jù)權(quán)利要求41至50中任一項所述的系統(tǒng)，適于使得來自所述電解設(shè)備的氫氣和 /或氧氣的流加熱用于電解的輸入水的流。
52. 根據(jù)權(quán)利要求41至51中任一項所述的系統(tǒng)，適于使得來自所述電解設(shè)備的氫氣和 /或氧氣的流用于在鍋爐中產(chǎn)生蒸汽。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的系統(tǒng)，包含適于由所述蒸汽發(fā)電的蒸汽發(fā)電機(jī)。
54. 根據(jù)權(quán)利要求52或53所述的系統(tǒng)，適于使得所述蒸汽能夠返回至用于電解的輸入 水的流中。
55. 根據(jù)權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，包含至少一個蒸汽橋，所述至少一個蒸汽橋可操作 以選擇性地將蒸汽導(dǎo)向通過蒸汽輪機(jī)或?qū)⑺稣羝麖乃稣羝啓C(jī)的高壓側(cè)導(dǎo)向至用于 電解的輸入水的流。
56. 根據(jù)權(quán)利要求41至55中任一項所述的系統(tǒng)，其中設(shè)置溫度控制裝置，所述溫度控 制裝置使得所述電解設(shè)備和/或所述氫化設(shè)備的溫度能夠維持在期望的溫度下。
57. 根據(jù)權(quán)利要求41至56中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述電解設(shè)備包含固體氧化物電 解器，例如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。
58. 根據(jù)權(quán)利要求41至57中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述氫化設(shè)備包含金屬催化劑， 優(yōu)選在A1203上的Ru。
59. 根據(jù)權(quán)利要求41至58中任一項所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)適用于發(fā)電，所述系統(tǒng)包含 能夠從所述甲烷或其衍生物獲得電能的第二發(fā)電機(jī)。
60. 根據(jù)權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，包含用于甲烷或其衍生物的儲存裝置和/或用于將 甲烷或其衍生物從所述甲烷或其衍生物產(chǎn)生的位置運輸至所述第二發(fā)電機(jī)的運輸裝置。
61. 根據(jù)權(quán)利要求59或60所述的系統(tǒng)，其包含用于氧氣的儲存裝置和/或用于將氧氣 從其產(chǎn)生的所述位置運輸至所述第二發(fā)電機(jī)的位置的運輸裝置。
62. 根據(jù)權(quán)利要求60或61所述的系統(tǒng)，其中所述運輸裝置包括管道或船、鐵路車輛或 卡車形式的儲存器。
63. 根據(jù)權(quán)利要求59至62中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述第二發(fā)電機(jī)包含組合的循環(huán) 燃?xì)鉁u輪機(jī)、燃料電池或兩者的混合。
64. 根據(jù)權(quán)利要求59至63中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適于在基本純的氧氣中 氧化所述甲烷或其衍生物。
65. -種用于運輸兩種流體的管道，包括適于在由其管腔所限定的第一體積內(nèi)運載第 一流體的第一管，圍繞所述第一管限定第二體積的第二管，其中可在由所述第一管的外表 面和所述第二管的內(nèi)表面所限定的所述第二體積內(nèi)運載所述第二流體。
66. 根據(jù)權(quán)利要求65所述的管道，其中所述第一管和所述第二管具有基本圓形的截 面。
67. 根據(jù)權(quán)利要求65或66所述的管道，其中所述第一管和所述第二管軸向平行。
68. 根據(jù)權(quán)利要求65至67中任一項所述的管道，其中所述第一管和所述第二管同軸并 且任選地同心。
69. 根據(jù)權(quán)利要求65至68中任一項所述的管道，適于運載所述第一管的所述管腔中的 反應(yīng)流體和所述第二體積內(nèi)的惰性流體。
70. 根據(jù)權(quán)利要求65至69中任一項所述的管道，其中對所述管道的總截面積進(jìn)行劃分 使得所述第一管的所述管腔的截面積為所述總面積的約2/3,并且所述第二體積的截面積 為所述總面積的約1/3。
71. 根據(jù)權(quán)利要求65至70中任一項所述的管道，包括限定內(nèi)部管腔的第一管、限定第 二體積的第二管、限定第三體積的第三管和限定第四體積的第四管，因此對于流體而言限 定四個獨立的體積。
72. 根據(jù)權(quán)利要求71所述的管道，所述管道適于運載所述第一管內(nèi)的反應(yīng)流體，所述 第二體積內(nèi)的惰性流體，所述第三體積內(nèi)的反應(yīng)流體和所述第四體積內(nèi)的惰性流體。
73. 根據(jù)權(quán)利要求65至72中任一項所述的管道，包含用于控制所述管道中的所述流體 的流動和/或壓力的控制裝置。
74. -種用于產(chǎn)生甲烷和進(jìn)行水的電解的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，包含： 適于與電能的源耦接的高溫電解設(shè)備，所述高溫電解設(shè)備可操作用于在高溫下于電解 室中使用來自所述源的電能來電解水以形成氫氣和氧氣，所述高溫電解設(shè)備包含適于將水 運載至電解位置的輸入水進(jìn)料管道； 用于收集在所述電解設(shè)備中產(chǎn)生的氧氣和氫氣的氣體處理裝置，所述氣體處理裝置包 含適于運載所述氧氣和所述氫氣的氣體運載管道； 適于使用在所述高溫電解設(shè)備中產(chǎn)生的所述氫氣來氫化二氧化碳以形成甲烷的氫化 設(shè)備，所述氫化設(shè)備包含二氧化碳的氫化發(fā)生于其中的氫化室；以及 其中所述氫化設(shè)備的至少一部分與進(jìn)料管道熱連通，使得在氫化反應(yīng)中產(chǎn)生的熱可加 熱待電解的水。
75. 根據(jù)權(quán)利要求74所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，其中所述氫化室與所述進(jìn)料管道熱 連通。
76. 根據(jù)權(quán)利要求74或75所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，其中所述氫化室包含一個或更 多個的穿過所述進(jìn)料管道管腔的管，使得至少一部分所述管與所述管腔中的水相接觸。
77. 根據(jù)權(quán)利要求74至76中任一項所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，其中至少一部分所述 氧氣和/或氫氣氣體運載管道適于使得其與所述進(jìn)料管道熱連通。
78. 根據(jù)權(quán)利要求74至77中任一項所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，其中所述氧氣和氫氣 氣體運載管道包含一個或更多個的穿過所述進(jìn)料管道管腔的管使得其與所述管腔中的水 相接觸。
79. 根據(jù)權(quán)利要求74至78中任一項所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，適于使得熱從所述氫 化反應(yīng)向所述進(jìn)料管道中的水的傳遞發(fā)生于從所述氣體運載管道的熱傳遞的上游。
80. 根據(jù)權(quán)利要求74至79中任一項所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，其中所述氣體運載管 道穿過適于產(chǎn)生蒸汽的熱交換設(shè)備。
81. 根據(jù)權(quán)利要求80所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，適于使得所述蒸汽可用于驅(qū)動蒸汽 輪機(jī)來發(fā)電。
82. 根據(jù)權(quán)利要求74至81中任一項所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，包含分離器，所述分 離器使離開所述電解設(shè)備的水分離于所述氫氣/氧氣并且使所述水返回至所述進(jìn)料管道。
83. 根據(jù)權(quán)利要求74至82中任一項所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，包含一個或更多個的 輔助加 熱器。
84. 根據(jù)權(quán)利要求74至83中任一項所述的電解/氫化聯(lián)合設(shè)備，包含至少一個蒸汽 橋，所述蒸汽橋可操作用于選擇性地將蒸汽導(dǎo)向通過蒸汽輪機(jī)或?qū)⑺稣羝麖乃稣羝?機(jī)的所述高壓側(cè)導(dǎo)向至用于電解的輸入水的所述進(jìn)料管道。
85. -種用于電解水并產(chǎn)生甲烷的方法，包括以下步驟： 氫化二氧化碳以形成甲烷； 使用在所述氫化反應(yīng)中產(chǎn)生的熱來加熱在電解前的水，以及 對所述水進(jìn)行高溫電解以形成氫氣和氧氣。
86. 根據(jù)權(quán)利要求85所述的方法，包括使用在所述電解工藝中產(chǎn)生的熱的氫氣和/或 氧氣以加熱所述在電解前的水。
87. 根據(jù)權(quán)利要求85或86所述的方法，包括使用所述熱的氫氣和/或氧氣來驅(qū)動發(fā) 電。
【文檔編號】F17D1/02GK104271807SQ201380020877
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月20日
【發(fā)明者】羅伯特·辛普森 申請人:熱氣動力有限公司