CN103782664B - 产生能量载体的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于产生能量和/或能量载体的系统(111)。对此，设有用于从电解质(8)中产生燃气(7)的装置(1)，燃气从储槽(10)被供给电解质(8)。电解质(8)基本上由水中碳的悬浮物组成。利用装置(1)所产生的燃气(7)可暂时存储在储存器(103)内。利用机构(104)，燃气(7)可被转化为非燃气的其它能量载体。系统(1)所产生的燃气(4)包含氢气(H2)、一氧化碳(CO)和/或气态碳氢化合物如甲烷(CH4)。

Description

产生能量载体的系统
技术领域
本发明涉及用于借助等离子体从电解质中产生能量和/或能量载体的系统。电解质基本上由水中碳的悬浮物组成。电解质储槽具有用于在水中将碳分散开的搅拌装置并且与用于产生燃气以供应电解质的装置相连。该能量载体例如可以是燃气，它尤其包含氢气(H2)、一氧化碳(CO)和或许气态碳氢化合物例如甲烷(CH4)。此外，所产生的燃气能储蓄在储存器中或者在机构中被转化为其它能量载体。
背景技术
氢气、一氧化碳和甲烷能作为燃气被用在产生例如加热能量以加热建筑或被用在例如产生电能以驱动机械尤其是车辆等中。所产生的燃气也可被转化为其它的能量载体。
德国公开文献DE 10 2009 018 126A1涉及一种包括用于再生产生可积蓄在供电网中的电能的电流产生机构的供能系统和用于这样的供能系统的工作方法。所产生的电能被用于获得氢气。借助电解所获得的氢气可随后通过与所输入的碳氧化物反应被转化为甲烷，其可被用作蓄能器。没有说明或者提到借助等离子体由碳悬浮物产生燃气。
RU 2 258 097C1描述了一种用于产生热能、氢气和氧气的装置。在这里，从一侧向反应室中输入溶液。该溶液侧向流入一个输送管中，该输送管平行于反应室内的溶液进口的流动方向布置。该输送管形成在杆状阳极一端上的扁平延长部和杆状阴极之间，阴极的一段朝向该阳极的扁平延长部和阳极的通孔。通过在阴极和阳极之间施加电压，溶液的分子和离子的化学结合在输送管内被破坏。由此生成了氢气和氧气还有热能，氢气和氧气在输送管的另一侧流出输送管并且在相对于输送管上下错开的反应室出口离开反应室。在此情况下，避免了当在输送管或阴极区内形成等离子体时的爆炸。
WO 2009/029292A1公开了一种在利用常规电解碳和天然气的发电站中的具有CO2和CO分离功能的氢气产生装置。在此，使用原料水、碳、NaCl(氯化钠)以及NaOH(氢氧化钠)来产生H2。
不过，在现有技术中从所用的原料获得燃气还是可以被优化的。另外，在上述现有技术中，所产生的燃气类型无法根据当前存在的要求来调节。即，该装置只能同时产生氢气，而尚无法产生其它燃气如一氧化碳和和/或甲烷。
另外，在现有技术中有许多由生物物质获取碳的尝试。在这里，公开了用于生物物质的水热碳化的各种不同方法，例如WO 2010/006881A1或者DE 10 2008 007 791A1所述的方法。在这样的方法中，碳可以通过烘干含水的碳悬浮物来获得。为了烘干，需要输入外界能量。能放弃烘干且将含水的碳悬浮物直接用作用于产生其它工业可用物质的原材料将是有利的。
另外，人们目前越来越努力地关注气候变化，以至少限制在世界范围内产生渐增的二氧化碳，所述二氧化碳产生发生在有机燃料燃烧以便例如驱动机械和/或产生电能和/或热能时。有机燃料是指碳、石油、煤气、生物物质(再生物质，尤其是木头、芦苇等，生物废料尤其是污水过滤后的淤泥等)、家庭垃圾和/或手工业垃圾等。作为限制二氧化碳产生的一个变型，目前考虑的是燃烧所释放的二氧化碳被集中在罐槽中并且在地面中储蓄二氧化碳。通过这种方式应减小进入大气中的二氧化碳量。但在地面中储蓄二氧化碳是有问题的，因为为此要先找到合适的存放场所并必须整理好。另外，随后要保证二氧化碳不会不小心地从存放场所逸失到大气中。就是说，至少在有机燃料燃烧时所产生的二氧化碳又被用作原材料用于产生能量或其它可用的能量载体将是一大优点。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种用于由电解质简单产生燃气和/或不同的能量载体的系统，其中，燃气的产生以消耗CO2或者中和CO2的方式进行。
该任务将通过一种具有如下所述的本发明的特征的用于产生能量和/或能量载体的系统来完成。
所述用于产生能量和/或能量载体的系统的特点是，用于从电解质中产生燃气的装置是本发明系统的组成部分。电解质基本上由水中碳的悬浮物组成。所述装置具有阴极、阳极和等离子体发生电压源，用于借助等离子体从电解质中产生燃气。另外，设有电解质的储槽，其与所述装置相连以供应电解质。储槽具有用于在水中将碳分散开的搅拌装置。设有储存器用于在所述装置内产生的燃气，其中该燃气在耗用或进一步处理之前被暂时存储。另外，设有在此可将燃气转化为除燃气之外的其它能量载体的装置。
用于产生燃气的装置与火力发电站的废气净化装置和/或储蓄装置相连。CO2能自废气净化装置和/或储蓄装置被供给用于产生燃气的装置。
火力发电站的废气净化装置分离出CO2并且将其直接供给用于产生燃气的装置。CO2连同电解质一起被输入。用于CO2的储蓄装置能以地下储蓄装置的形式构成。CO2从储蓄装置连同电解质一起被直接供给用于产生燃气的装置。
能量载体可被供给负载。根据一个实施方式，负载可以是能量获取机构。在这里，例如可通过透平由燃气或由燃气所产生的能量载体产生电能。
负载也可以是内燃机驱动车辆，能够供应在所述机构内由燃气产生的燃料。除了内燃机驱动车辆外，用于将燃气转化为其它能量载体的机构可以与能量获取机构相连。
由所述装置所产生的燃气优选包含氢气、一氧化碳和/或气态的碳氢化合物。
另外，在随后的燃气燃烧时所释放的二氧化碳或者还有在其它的有机物质或化石物质燃烧时作为废气所释放的二氧化碳能够作为原材料被用于借助上述系统产生燃气。作为其它原材料，可以采用由碳和水构成的含水的碳混合物，即，碳悬浮物，在其中或许还加入了氢氧化钠或氯化钠以提高导电能力。
作为其它优点，可以通过将化石燃料转为用该系统产生的能量载体而形成循环回路，所述循环回路简单且低成本地消除了对化石燃料的依赖。
附图说明
以下将结合实施例并参照附图来明确描述本发明，其中：
图1是用于本发明系统的燃气产生装置的示意性结构；
图2是用于产生能量和/或能量载体的系统的一个实施方式的框图；
图3是用于产生能量和/或能量载体的系统的一个实施方式的框图，其中，CO2由发电站供应；
图4是用于产生能量和/或能量载体的系统的一个实施方式的框图，其中，CO2由地下储蓄装置来供应；
图5是用于产生能量和/或能量载体的系统的一个实施方式的框图，其中，由发电站供应CO2并且能量载体被用在机动车中；以及
图6是图5所示实施方式的变型方式，其中，能量载体用于机动车并且用于产生电能。
具体实施方式
针对本发明的相同的或者作用相同的零部件，在附图中采用了相同的附图标记。另外，为了概览起见，只在一些图中示出了描述各自附图所需要的附图标记。所示的实施方式只是用于产生能量和/或能量载体的本发明系统可如何构成的一个例子，因而不是排他性限定本发明。
在附图中的一些零部件的相互尺寸比例不总是对应于真正的尺寸比例，因为一些形状被简化了，另一些形状与其它零部件相比被放大示出以便更好说明。
图1示出了根据本发明的一个实施例的、用于借助由碳(C)和水(H2O)构成的电解质8产生燃气7的装置1，在电解质8中或许还添加有在水溶液中分解成离子的化合物以提高导电性，例如氢氧化钠(NaOH)、氯化钠(NaCl)、硫酸钠(Na2SO4)、氢氧化钾(KOH)、氯化钾(KCl)、硝酸钾(KNO3)等等。为此，装置1具有储槽10用于储存电解质8。在储槽10中，也可以设有未示出的搅拌装置用于搅拌由碳和水构成的混合物，从而碳分散在水中。用于沿箭头方向将电解质8排出至电解质输送泵30的管路20和用于回输电解质8的回输管路25通至储槽10。电解质输送泵30用于经管路20输送电解质8至用于冷却电解质8的电解质冷却装置40(如果应当要冷却的话)。电解质8自电解质冷却装置40借助管路20被输送至电解质供应管50，它将电解质8输入反应炉60。多余的电解质8可以自反应炉60利用回输管路25又被送回储槽10。电极70伸入反应炉20中，电极的一端朝向供应管50的一端。电解质供应管50和电极70的、彼此远离的另一端被连接至等离子体发生电压源80。如果借助等离子体发生电压源80通过如图1虚线所示的电线在电解质供应管50(阳极)和电极70(阴极)之间施加电压，则可以在电极70(阴极)和由电解质供应管50(阳极)所供应的电解质8之间产生等离子体。在等离子体上的电流限制可借助前置电阻90来获得，该前置电阻接设在电解质供应管50和等离子体发生电压源80之间。通过等离子体中的发热，由电解质8形成燃气7，确切说是氢气(H2)和一氧化碳(CO)以及气态碳氢化合物例如甲烷(CH4)，就像随后还要详述的那样。燃气7从反应炉60被输入用于冷却燃气7的燃气冷却装置100，在燃气冷却装置中该燃气7被除湿。此时出现的水回流或者滴回到反应炉60中。燃气7的组成成分H2+CO也被称为合成煤气或者城市煤气。燃气7可以被供应给其它装置，这些装置能燃烧该燃气7以产生热能。为此，燃气7也可以根据需要至少部分被分解成其组成部分，即，氢气(H2)、一氧化碳(CO)以及气态碳氢化合物如甲烷(CH4)。
图1中的装置1还具有冷却管路系统110，其借助冷却剂输送泵120将来自冷却剂输入管路K输入的冷却剂沿箭头方向经过用于冷却管路系统电压源130的前置电阻140、前置电阻90、电极70、反应炉60、电解质冷却装置40、气体冷却装置100供给冷却剂输出管路K输出，其中该冷却剂输送泵120由冷却管路系统电压源130来供电。在冷却管路系统110中，在冷却剂输入管路K输入和前置电阻140之间设有体积流量测量计F1，可借此来测量流过它的冷却剂体积或者说冷却剂体积流量，进而测量在冷却管路系统内的冷却剂量。在冷却管路系统110上设有多个温度传感器T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7，它们布置在冷却管路系统110中的不同位置处，用于分别测量冷却管路系统110内的冷却剂温度。温度传感器T1用于测量在冷却管路系统110的入口处的冷却剂温度或者说在前置电阻140和前置电阻90之间的冷却剂温度。温度传感器T2用于测量在冷却管路系统110内在前置电阻90和电极70之间的冷却剂温度。温度传感器T3用于测量在冷却管路系统110内在电极70和反应炉60之间的冷却剂温度。温度传感器T4用于测量在冷却管路系统110内在反应炉60和电解质冷却装置40之间的冷却剂温度。温度传感器T5用于测量在冷却管路系统110内在电解质冷却装置40和气体冷却装置100之间的冷却剂温度。温度传感器T6用于测量在冷却管路系统110内在气体冷却装置100和冷却剂输出管路K输出之间的冷却剂温度。温度传感器T7用于测量装置1的温度。
在图1的冷却管路系统110中，可以借助阀门V来控制冷却剂至电解质冷却装置40的输送。阀门V在冷却管路系统110内安装在反应炉60和气体冷却装置100之间。在阀门V打开时，冷却剂经阀门V流过电解质冷却装置40。因而该阀门V作为旁通阀。在阀门V关闭时，冷却剂仅流过电解质冷却装置40并且流过阀门V。在阀门V仅部分开启或关闭时，冷却剂根据开阀门V的开度或闭合度部分流过阀门V且部分流过电解质冷却装置40。
如果现在根据此实施例的装置1被投入运行，则能够产生水煤气或者说合成煤气和例如气态碳氢化合物尤其是甲烷等。电解质8包含碳(C)和水(H2O)，在其中或许还如上所述地添加有在水溶液中分解成离子的化合物以提高导电性。如果现在在电极70尤其是其杆状元件75和电解质供应管50(阳极)之间施加电压以在电极70(阴极)和电解质8之间形成等离子体，则产生了燃气7。在等离子体中温度高达水能分解成氢和氧。
在反应炉60内(在电解质供应管50(阳极)和电极70(阴极)之间)，尤其进行以下反应：
反应：
H2O→2H+1/2O2
其中，水分解成氢和氧。
反应：
2H→H2
其中，两个氢原子重组成一个氢分子。
反应：
其为平衡反应，此时生成水煤气，即，一氧化碳(CO)和氢气(H2)的混合物。
反应：
2C+O2→2CO
其中，产生发生炉气体(一氧化碳(CO))。
反应：
CO+1/2O2→CO2
其中，一氧化碳(CO)燃烧成二氧化碳(CO2)。
反应：
CO2→CO+1/2O2
其中，二氧化碳被分解成一氧化碳和氧气。
反应：
CO2+H2→CO+H2O
其中，产生一氧化碳和水。
反应：
m C+n H→CmHn
其中，反应产物视链长是气态(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等)或液态(较高的烷)而定。
反应：
CO+3H2→CH4+H2O
其中，产生甲烷(CH4)。
视施加到电解质供应管50和电极70上的电压程度而定以及借助电解质供应管50来供应的电解质8的成分而定，燃气7可以具有不同的组成。就是说，上述反应过程虽然是并行的，但是按照相对于其它反应的不同比例。
如果根据需要可给储槽10或者说电解质8又供应水，那么电解质8应当通过多余电解质8自反应炉60的回输而不再是含有充分的水。
图2是用于产生能量和/或能量载体的系统100的一个实施方式的框图。在所有以下所示的实施方式中，该系统总是包括用于由碳(C)和水(H2O)构成的电解质8产生燃气7的装置1。电解质8自储槽10被供给装置1。来自装置1的燃气7可以在可能的进一步处理之前被暂时储存在储存器103内。还给装置1供应来自CO2源102的CO2。根据上述反应，CO2在生成燃气7时转化为一氧化碳和氧气或者转化为一氧化碳和水。来自储存器103的燃气7可在其它机构104内被转化为其它形式的能量载体。如通过箭头121所示地，该能量载体能被直接供给负载，或者可以自该能量载体获得电能。
图3是用于产生能量和/或能量载体的系统111的一个实施方式的框图，在这里，CO2自发电站105被供给用于产生燃气7的装置1。发电站105配备有废气净化装置106，其减少废气中的CO2含量。来自废气的CO2可以被直接供给用于产生燃气7的装置1。废气净化装置106因此构成用于本发明系统111的CO2源102。如已在针对图2的说明中所述地，可以在其它机构104内将燃气7转化为其它形式的能量载体。但也可以想到燃气7也被直接供给(未示出)能量获得机构113。该机构113例如可以是透平。
图4是用于产生能量和/或能量载体的系统100的一个实施方式的框图，其中，来自火力发电站105的CO2被供给用于产生燃气7的装置1。发电站105配备有包含随后的储蓄装置122的CO2分离装置(废气净化装置106)。储蓄装置122通过喷射和无容器且无时间限制地存放在地下岩层(CO2暂时保管)来实现。根据本发明，CO2可从储蓄装置122被取出并被供给用于产生燃气7的装置1。在其它方面，该系统111的结构和输出基本对应于图3的系统1。
图5示出了用于产生能量载体的系统111的一个实施方式，其适用于驱动机动车133(内燃机驱动车辆)。从发电站105的废气净化装置106获得的CO2被直接输入用于产生燃气7的装置1。在本发明系统111的其它机构104内，由燃气7制成用于驱动机动车133的燃料。因此，在发电站105内产生的CO2又被用于获得能量载体，因而无助于温室效应。
图6示出了用于产生能量载体的系统111的另一实施方式(类似于图5)，其适用于驱动机动车133。在此实施方式中，用于产生燃气7的装置1可以被供给来自发电站105废气的CO2并且还有来自地下储蓄装置122的CO2。已如图5所示，在本发明系统111的其它机构104内，可以由燃气7制造用于驱动机动车133的燃料。另外，燃料可以被供给能量获取机构113。
在图2至图6所示的实施方式中被供给用于产生燃气7的装置1的二氧化碳(CO2)可以是形成于其它燃料(化石燃料)燃烧时的废气。
因此，在用于产生燃气7的装置1工作时还进行以下反应：
此时，也生成一氧化碳(CO)，其也称为发生炉煤气。在此反应中，在装置1工作时出现了碳素溶解损失平衡，此时的二氧化碳(CO2)和碳(C)被完全转化为一氧化碳(CO)。
将二氧化碳(CO2)输入该装置1据此能够提高CO在合成气体(H2+CO)中的比例。另外，在装置1中也产生气态碳氢化合物(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等)，其如上所述被包含在所产生的燃气7中。
所有上述的实施例特征不仅可以单独应用，也可以按照任意组合形式来应用。在此情况下，例如也还可以想到以下特殊的实施方式和/或变型。

Claims (9)

1.一种用于产生能量和/或能量载体的系统(111)，其具有：
装置(1)，其包括作为阴极的电极(70)和作为阳极的电解质供应管(50)以及反应炉(60)，其中，所述电极(70)的端部和所述电解质供应管(50)的端部彼此面对，其中，电解质(8)由水中碳的悬浮物组成并且能够被供给所述反应炉(60)，并且其中，借助等离子体发生电压源(80)能够在所述电极(70)和所述电解质供应管(50)之间产生等离子体，因而能够由所供给的电解质(8)生成燃气(7)；
电解质(8)的储槽(10)，其为了将电解质(8)供入所述反应炉(60)而与所述电解质供应管(50)相连并且具有用于在水中分散开碳的搅拌装置；
用于在所述装置(1)内产生的燃气(7)的储存器(103)；和
机构(104)，在所述机构中所述燃气(7)被转化为除燃气之外的能量载体，
其中，由所述装置所产生的燃气包含氢气、一氧化碳和/或气态的碳氢化合物，
其中，用于产生燃气(7)的所述装置(1)与火力发电站(105)的废气净化装置(106)和/或储蓄装置(122)相连，并且CO2能自所述废气净化装置(106)和/或储蓄装置(122)被供给用于产生燃气(7)的所述装置(1)，
其中，所述火力发电站(105)的废气净化装置(106)能将分离出的CO2连同所述电解质(8)一起直接供给用于产生燃气(7)的所述装置(1)。
2.根据权利要求1所述的系统(111)，其中，所述储蓄装置(122)是地下储蓄装置，CO2能从所述地下储蓄装置连同电解质(8)一起被直接供给用于产生燃气(7)的所述装置(1)。
3.根据权利要求1或2所述的系统(111)，其中，所述能量载体能被供给负载(121)。
4.根据权利要求3所述的系统(111)，其中，所述负载(121)是用于获取能量的机构(113)。
5.根据权利要求3所述的系统(111)，其中，所述负载(121)是内燃机驱动的车辆(133)，能够给所述内燃机供应在所述机构(104)内由燃气(7)所产生的燃料。
6.根据权利要求5所述的系统(111)，其中，除了与所述内燃机驱动的车辆(133)相连外，用于将所述燃气(7)转化为除燃气之外的能量载体的所述机构(104)与用于获取能量的机构(113)也相连。
7.一种用于产生能量和/或能量载体的方法，其特征在于如下步骤：
将来自储槽(10)的电解质(8)通过作为阳极的电解质供应管(50)供给反应炉(60)，其中，所述电解质(8)由水中碳的悬浮物组成并且作为阴极的电极(70)与所述电解质供应管(50)相对设置；
在彼此面对的所述电极(70)的端部和所述电解质供应管(50)的端部之间，借助等离子体发生电压源(80)能够在所述电极(70)和所述电解质供应管(50)之间产生等离子体，从而由所输入的电解质(8)生成燃气(7)；
利用所述储槽(10)中的搅拌装置分散碳和水组成的悬浮物；
所产生的燃气(7)储蓄在储存器(103)中；和
在机构(104)中，燃气(7)被转化为除燃气之外的能量载体，
其中，所产生的燃气包含氢气、一氧化碳和/或气态的碳氢化合物，
其中，为了产生燃气(7)，火力发电站(105)的废气净化装置(106)和/或储蓄装置(122)如此相连，即，CO2自所述废气净化装置(106)和/或所述储蓄装置(122)被供给用于产生燃气(7)，
其中，将在所述火力发电站(105)的废气净化装置(106)中分离出的CO2连同所述电解质(8)一起直接供给所述反应炉(60)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在作为地下储蓄装置的所述储蓄装置(122)中存储的CO2是连同电解质(8)一起被直接供给所述反应炉(60)的。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述能量载体被供给负载(121)。
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