CN114746173A - 气体加热器 - Google Patents

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K·E·拉森
K·阿斯伯格-彼得森
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Abstract

本申请提供了一种用于加热加压原料气的加热系统和方法，其中通过电式电阻加热来提供用于反应的热量。

Description

气体加热器
技术领域
提供了一种用于对加压原料气进行加热的加热系统和方法，其中通过电阻加热提供热量。
背景技术
通常，气体热交换器的设计温度受到限制，因为它们也是压力裸露设备，这通常会限制这些设备的最高工作温度。热交换的经典配置是管壳式，其中在管侧流动的一种气体与在壳侧流动的另一种气体进行热交换，从而加热第一气体并冷却第二气体，反之亦然。需要开发一种加热系统，特别是气体预热器，它允许将气体系统加热到非常高的温度。还希望开发一种紧凑且操作简单的加热系统。本技术的另一个优点是二氧化碳的总排放量和对气候有害的其他排放物可以显著减少，特别是如果加热系统中使用的电功率(power)来自可再生能源。
在化学工艺设计的许多方面都需要对气体进行预热。气体预热器的例子包括用于活化催化剂床的还原气体的预热。气体预热器的另一种用途是CO2预热器到绝热后转换器(APOC)的示例。APOC反应器描述于WO2019/110267。在这两种情况下，都希望具有非常高的气体预热温度，以实现下游单元操作的相互作用。
发明概述
本技术因此提供了一种用于加热原料气的加热系统，所述加热系统包括：
-原料气的供应；
-用于加热所述原料气的结构体，所述结构体包括导电材料的宏观结构；
-容纳所述结构体的耐压壳，所述耐压壳包括用于引入所述原料气的入口和用于排出经加热的气体的出口，其中所述入口被定位成使得所述原料气在所述结构体的第一端进入所述结构体，并且经加热的气体从所述结构体的第二端离开所述结构体；
-所述结构体和所述耐压壳之间的热绝缘层；
-至少两个导体，其电连接到所述结构体和电连接到放置在所述耐压壳外部的供电电源，其中所述电源的尺寸设计成通过使电流通过所述宏观结构而将所述结构体的至少一部分加热到至少400℃的温度，其中所述至少两个导体在结构体上更靠近所述结构体的所述第一端而不是所述结构体的所述第二端的位置处连接到结构体，并且其中所述结构体被构造成引导电流从一个导体基本流向结构体的第二端并返回到所述至少两个导体中的第二个；和，
-经加热的气体的出口。
此外，一种用于加热本文所述的加热系统中的原料气的方法；所述方法包括以下步骤：
-加压所述原料气，
-将所述经加压的原料气供应到加热系统，
-经由将放置在耐压壳外部的供电电源与结构体连接的电导体供应电功率，允许电流流过电材料，从而加热结构体的至少一部分，
-加热原料气，和
-从加热系统中排出经加热的气体。
本技术的其他方面在从属权利要求、附图和以下描述文本中阐述。
附图的简要说明
图1a显示了本发明的加热系统的一个实施方案的横截面，该加热系统在横截面中具有包含宏观结构阵列的结构体；
图1b显示了图1a的加热系统，其中一部分耐压壳和热绝缘层被移除；
图2是加热系统的一部分的放大图。
图3和4分别显示了从上面和从侧面看的具有宏观结构阵列的结构体的实施方案；
图5显示了本发明的结构体的一个实施方案；
图6和7显示了具有连接器的结构体的实施方案；和
图8显示了包括加热系统和绝热后转换器的方法的实施方案。
图9显示了根据本发明的加热系统的实验数据和CO2工艺温度随电力输入的变化。
图10显示了根据本发明的加热系统的实验数据和CO2工艺温度随电力输入的变化。
图11显示了根据本发明的加热系统的实验数据和N2工艺温度随电力输入的变化。
发明详述
具体实施方案
本技术描述了电加热系统如何能够以按需方式促进在紧凑设计中加热气体的任务。
使用结构体的紧凑型电加热系统可以轻松操作，并在需要时使用易于启动的原理。这给出了相对便宜的设备。
因此提供了一种用于加热原料气的加热系统，所述加热系统包括：
-原料气的供应；
-用于加热所述原料气的结构体，所述结构体包括导电材料的宏观结构；
-容纳所述结构体的耐压壳，所述耐压壳包括用于引入所述原料气的入口和用于排出经加热的气体的出口，其中所述入口被定位成使得所述原料气在所述结构体的第一端进入所述结构体，并且经加热的气体从所述结构体的第二端离开所述结构体；
-所述结构体和所述耐压壳之间的热绝缘层；
-至少两个导体，其电连接到所述结构体和电连接到放置在所述耐压壳外部的供电电源，其中所述电源的尺寸设计成通过使电流通过所述宏观结构而将所述结构体的至少一部分加热到至少400℃的温度，其中所述至少两个导体在结构体上更靠近所述结构体的所述第一端而不是所述结构体的所述第二端的位置处连接到结构体，并且其中所述结构体被构造成引导电流从一个导体基本流向结构体的第二端并返回到所述至少两个导体中的第二个；和，
-经加热的气体的出口。
加热系统的布局允许在入口处将经加压的原料气供给到加热系统并将该气体引导到加热系统的耐压壳中。在耐压壳内部，布置了绝热层和惰性材料的构造，以引导原料气通过结构体。来自加热的结构体的经加热的气体被引导至加热系统出口。
因此，电阻加热过程的一个重要特征是能量是在物体本身内部提供的，而不是通过热传导、对流和辐射从外部热源提供。此外，加热系统最热的部分将位于加热系统的耐压壳内。优选地，电源和结构体的尺寸设计成使得结构体的至少一部分达到至少700℃、优选至少900℃、更优选至少1000℃的温度。导电材料的表面积，涂有-任选的-陶瓷涂层的导电材料的比例(fraction)，陶瓷涂层的类型和结构可以根据具体的操作条件进行调整。
由于在加热系统中不发生化学反应，在出口处离开加热系统的经加热的气体可以具有与原料气处基本相同的化学组成和摩尔流速。
在一个实施方案中，经加热的气体选自N2、H2、CO2、CH4、H2O、O2及其混合物。
导电材料适当地是宏观结构。如本文所用，术语“宏观结构”意在表示大到足以用肉眼看到的结构，而无需放大装置。宏观结构的尺寸通常在厘米或甚至米的范围内。有利地使宏观结构的尺寸至少部分地对应于容纳结构体的耐压壳的内部尺寸，为热绝缘层和导体留出空间。可以连接两个或更多个宏观结构以提供宏观结构阵列，其至少一个外部尺寸在米范围内，例如2m或5m。这样的两个或更多个宏观结构可以表示为“宏观结构阵列”。在这种情况下，有利地使宏观结构阵列的尺寸至少部分地对应于容纳结构体的耐压壳的内部尺寸(为热绝缘层留出空间)。可想象的宏观结构阵列可以占据0.1到10m3或甚至更大的体积。结构体可以包含单个宏观结构或宏观结构阵列，其中宏观结构(一个或多个)支撑任选的陶瓷涂层。在宏观结构阵列中，宏观结构可以彼此电连接；然而，可选地，宏观结构彼此不电连接。因此，结构体可以包含位置彼此相邻的两个或更多个宏观结构。宏观结构(一个或多个)可以是挤出和烧结的结构或者3D打印的结构。可以在有或没有后续烧结的情况下提供3D打印的宏观结构。在本文所述的加热系统中，陶瓷涂层不支撑催化活性材料。可施加陶瓷涂层以维持化学惰性环境，从而限制或甚至避免宏观结构的金属表面上的表面反应。
宏观结构的物理尺寸可以是任何合适的尺寸；因此，高度可以小于宏观结构的宽度，反之亦然。
宏观结构可支撑陶瓷涂层，陶瓷涂层可以在宏观结构上提供保护层。术语“宏观结构支撑陶瓷涂层”是指宏观结构在宏观结构的至少一部分表面被陶瓷涂层涂覆。因此，该术语并不意味着宏观结构的所有表面都被陶瓷涂层涂覆；特别地，至少宏观结构的与导体电连接的部分上没有涂层。涂层是一种在结构中具有孔的陶瓷材料。
优选地，已通过将粉末金属颗粒和粘合剂的混合物挤出成挤出结构并随后将挤出结构烧结来制造宏观结构，从而提供每体积具有高几何表面积的材料。优选地，挤出结构在还原气氛中烧结以提供宏观结构。另选地，宏观结构是3D打印的，一种金属增材制造熔化工艺，即不需要后续烧结的3D打印工艺，例如粉末床融合或直接能量沉积工艺。这种粉末床融合或直接能量沉积工艺的实例是激光束、电子束或等离子体3D打印工艺。作为另一种选择，宏观结构可以借助于基于粘合剂的金属增材制造工艺制造为3D金属结构，然后在非氧化气氛中在第一温度T1下烧结，其中T1>1000℃，以提供宏观结构。
可以将陶瓷涂层提供到宏观结构上，然后在氧化气氛中进行第二次烧结，以便在陶瓷涂层和宏观结构之间形成化学键。
如本文所用，术语“3D打印(3D print和3D printing)”旨在表示金属增材制造工艺。这种金属增材制造工艺涵盖了3D打印工艺，其中材料在计算机控制下加入(join)到结构上以创建三维物体，其中该结构将被固化，例如通过烧结，以提供宏观结构。而且，这种金属增材制造工艺涵盖了不需要后续烧结的3D打印工艺，例如粉末床融合或直接能量沉积工艺。这种粉末床融合或直接能量沉积工艺的实例是激光束、电子束或等离子体3D打印工艺。
加热系统不需要熔炉，这大大减小了整体尺寸。
导电材料包含Fe、Ni、Cu、Co、Cr、Al、Si或其合金。这种合金可以包含另外的元素，例如Mn、Y、Zr、C、Co、Mo或其组合。优选地，导电材料包含Fe、Cr、Al或其合金。这种合金可以包含另外的元素，例如Si、Mn、Y、Zr、C、Co、Mo或其组合。优选地，导体和导电材料由与导电材料不同的材料制成。导体可以例如是铁、镍、铝、铜、银或其合金。陶瓷涂层是一种电绝缘材料，其厚度通常在100μm左右的范围内，比如说10-500μm。
导电材料有利地是连贯的或始终内连接的材料，以便实现整个导电材料内的导电性，从而实现整个结构体内的导热性。
通过连贯的或始终内连接的材料，可以确保电流在导电材料内的均匀分布，并因此确保热量在结构体内的均匀分布。在整个文本中，术语“连贯的(coherent)”意指是内聚(cohesive)的同义词，并因此是指始终内连接或始终耦合的材料。结构体是连贯的或始终内连接的材料的作用是控制结构体的材料内的连接性并因此获得导电材料的导电性。需要注意的是，即使对导电材料进行了进一步的修改，例如在导电材料的多个部分内提供狭缝或在导电材料内实施绝缘材料，仍然表示导电材料是连贯的或始终内连接的材料。
结构体上的气流可以与通过结构体的电流路径轴向或同轴、垂直于电流路径或具有相对于电流路径的任何其他适当方向。
原料可以是基本上纯的蒸汽和烃的流，另选地，它可以是纯CO2或纯H2。此外，加热过程的原料可包括来自加热系统下游单元操作的再循环流。
在一个实施方案中，原料气可以是基本上纯的CO2，其被加热到800℃，或甚至1000℃，或甚至1200℃。加热的CO2可以在从加热系统排出之后与热合成气混合并根据蒸汽甲烷重整、甲烷化和逆水煤气变换反应在绝热后转化器(APOC)中平衡，以在富含CO的合成气中生产CO。
由此，逆水煤气变换反应理解为：
Figure BDA0003671399220000061
甲烷化(和逆蒸汽重整)反应被理解为：
Figure BDA0003671399220000062
热合成气可由任何合适的重整技术提供，例如管式重整器、自热重整器或电重整器。
与例如独立的管式重整器相比，绝热后转化器(APOC)的使用使得能够在非常苛刻的条件和低的蒸汽添加量下进行合成气生产的整个工艺操作，因为这种方式的碳限制可以部分规避，否则将对所述反应器系统造成工艺限制。
富含CO的合成气流被理解为具有相对高CO含量的气流。在一个实施方案中，富含CO的合成气包含H2/CO比低于3，例如优选低于2，或甚至低于1的气体混合物.
在一个实施方案中，原料气是不同气体的混合物，例如N2和H2。
在一个实施方案中，包含N2和H2的经加热的原料气可用于还原氨催化剂，例如在随后的氨合成反应器中。可以将包含N2和H2的经加热的原料气加热到500℃。
在另一个实施方案中，经加热的气体包括纯H2。这种经加热的气体可用于还原镍催化剂，例如在蒸汽重整器中，因此在加热系统中被加热到至少700℃。
在不同的实施方案中，经加热的气体包括基本上纯的蒸汽。蒸汽可被加热至800至850℃的温度，并用作用于电解的固体氧化物电解槽(SOEC)的原料。在这种配置中，当向SOEC施加电势时，SOEC可用于从蒸汽中产生H2。
在类似的实施方案中，加热系统可用于加热纯CO2。CO2可用作SOEC的进料。在这种配置中，当向SOEC施加电势时，SOEC可用于从CO2产生CO。
术语“导电”意在表示20℃时的电阻率在10-5至10-8Ω·m范围内的材料。因此，导电材料是例如金属，如铜、银、铝、铬、铁、镍，或金属的合金。此外，术语“电绝缘”意在表示20℃时的电阻率高于10Ω·m的材料，例如20℃时的电阻率在109至1025Ω·m的范围内。
当反应器系统包括位于结构体和耐压壳之间的热绝缘层时，在结构体和耐压壳之间获得适当的热绝缘和电绝缘。在耐压壳和结构体之间存在热绝缘层有助于避免耐压壳的过度加热，并有助于减少向周围环境的热损失。结构体的温度可以达到约1300℃(至少在其某些部分)，但是通过使用结构体和耐压壳之间的热绝缘层，耐压壳的温度可以保持在显著较低的温度，比如说500℃或甚至100℃，这是有利的，因为典型的建筑钢材通常不适合高于1000℃的温度下的承压应用。此外，耐压壳和结构体之间的热绝缘层有助于控制反应器系统内的电流，因为热绝缘层也是电绝缘的。热绝缘层可以是一层或多层固体材料，例如陶瓷、惰性材料、纤维材料、砖或气体屏障或其组合。因此，也可以想到，吹扫气体或限制气体(confined gas)构成或形成热绝缘层的一部分。
而且，应当注意术语“热绝缘材料”是指具有约10W·m-1·K-1或以下的热导率的材料。热绝缘材料的实例是陶瓷、砖、氧化铝基材料、氧化锆基材料和类似物。
有利地，结构体、热绝缘层、耐压壳和/或加热系统内的任何其他部件之间的任何相关间隙都填充有惰性材料，例如呈惰性粒料的形式。这种间隙例如是结构体的下侧与耐压壳的底部之间的间隙以及结构体的侧面与覆盖耐压壳的内侧的绝缘层之间的间隙。惰性材料可以例如是粒料或瓦片形式的陶瓷材料。惰性材料有助于控制通过加热系统的气体分布和控制通过结构体的气体流动。而且，惰性材料通常具有热绝缘效果。
耐压壳适当地具有2bar至30bar的设计压力。实际操作压力将取决于设备尺寸等方面。由于加热系统最热的部分是导电材料，导电材料将被热绝缘层包围并位于加热系统的耐压壳内，因此耐压壳的温度可保持显著低于最高工艺温度。这允许耐压壳具有相对低的设计温度，例如耐压壳的设计温度为700℃或500℃或优选300℃或100℃，同时在结构体上具有400℃，或甚至900℃，或甚至1100℃，或甚至高达1300℃的最高工艺温度。在这些温度中较低的温度下，材料强度较高(对应于上述耐压壳的设计温度)。这在设计加热系统时提供了优势。适当地，耐压壳的设计压力为2bar至30bar或30至200bar。作为工艺经济性和热力学限制之间的折衷方案，优选30bar左右。
导电材料的电阻率适当地为10-5Ω·m至10-7Ω·m。具有该范围内电阻率的材料在用电源供电时提供结构体的有效加热。石墨在20℃时的电阻率为约10-5Ω·m，kanthal在20℃时的电阻率为约10-6Ω·m，而不锈钢在20℃时的电阻率为约10-7Ω·m。导电材料可以例如由20℃时的电阻率为约1.5·10-6Ω·m的FeCr合金制成。
通常，耐压壳包括用于让工艺气体进入的入口和用于让经加热的气体排出的出口，其中入口的位置靠近耐压壳的第一端并且出口的位置靠近耐压壳的第二端，并且其中至少两个导体都在结构体上更靠近入口而不是出口的位置处连接到结构体。因此，至少两个导体可以放置在加热系统的显著较冷的部分中，因为入口气体的温度将低于产物气的温度，由于加热进程消耗的热量，导电材料在材料的最上游部分将更冷，并且通过入口进料的原料气可以冷却至少两个导体，然后进一步沿着气体在加热的结构体上的路径被加热的结构体加热。有利的是，除了导电材料之外的所有导电元件的温度都保持较低，以保护导体和结构体之间的连接。当导体和除导电材料之外的其他导电元件的温度相对较低时，对适用于导体和除导电材料之外的其他导电元件的材料的限制较少。当导电元件的温度升高时，其电阻率增加；因此，希望避免对反应器系统内除导电材料之外的所有其他部件进行不必要的加热。术语“除了导电材料之外的导电元件”意在涵盖除了导电结构体本身之外，被布置成将电源连接到结构体的相关导电元件。
应当注意，本发明的系统可以包括任何适当数目的电源和任何适当数目的用于将电源(一个或多个)和结构体的导电材料(一种或多种)连接的导体。
适当地，至少两个导体在套筒中被引导通过耐压壳，使得该至少两个导体与耐压壳电绝缘。该套筒可以部分地由塑料和/或陶瓷材料制成。术语“套筒(fitting)”意在表示允许在承压配置中机械连接两件硬件的装置。因此，即使该至少两个导体被引导通过耐压壳，也可以保持耐压壳内的压力。套筒的非限制性实例可以是电绝缘套筒、介电套筒、动力压缩密封件、压缩套筒或法兰。耐压壳通常包括侧壁、端壁、法兰和可能的其他部分。术语“耐压壳”意在涵盖这些组件中的任何一个。
结构体与至少两个导体之间的连接可以是机械连接、焊接(welded)连接、钎焊(brazed)连接或其组合。结构体可以包含物理和电连接到该结构体的端子，以便促进导电材料和至少两个导体之间的电连接。术语“机械连接”意在表示两个组件以机械方式保持在一起的连接，例如通过螺纹连接或通过夹持，使得电流可以在组件之间流动。
放置在导电材料阵列中的导电材料可以彼此电连接。两种或更多种导电材料之间的连接可以是通过机械连接、夹持、锡焊(soldering)、焊接(welding)或这些连接方法的任意组合。每种导电材料可以包括端子(terminals)以便促进电连接。两种或更多种导电材料可以串联或并联连接到电源。两种或更多种导电材料之间的电连接有利地沿两种或更多种导电材料之间的连接表面是连贯且均匀的，使得两种或更多种导电材料充当单一连贯的或始终内连接的材料；因此，促进了贯穿两种或更多种导电材料的均匀导电性。另选地或另外地，结构体可以包括彼此不电连接的导电材料阵列。取而代之的是，两种或更多种导电材料一起放置在耐压壳内，但彼此不电连接。在这种情况下，结构体因此包括并联地与电源连接的导电材料。
可以通过洗涂将陶瓷涂层直接添加到导电材料的金属表面。金属表面的洗涂是众所周知的工艺；在例如Cybulski,A.,and Moulijn,J.A.,”Structured bodys andreactors”,Marcel Dekker,Inc,New York,1998，第3章和其中的参考文献中给出了描述。陶瓷涂层可以例如是包含Al、Zr、Mg、Ce和/或Ca的氧化物。示例性涂层是铝酸钙或镁铝尖晶石。这种陶瓷涂层可以包含另外的元素，例如La、Y、Ti、K或其组合。陶瓷涂层是一种电绝缘材料，其厚度通常在100μm左右的范围内，比如说10-500μm。
挤出和烧结的或者3D打印的宏观结构导致均匀且连贯的成型宏观结构，然后可以对其涂覆陶瓷涂层。
导电材料和陶瓷涂层可以在氧化气氛中烧结，以便在陶瓷涂层和导电材料之间形成化学键；这在导电材料和由陶瓷涂层支撑的催化活性材料之间提供了特别高的热导率。因此，结构体在热传递方面是紧凑的，并且容纳结构体的加热系统可以是紧凑的并且主要受加热速率的限制。
在一个实施方案中，结构体具有至少一个电绝缘部件，其被布置成将导体之间的电流路径增加到大于结构体的最大尺寸的长度。在导体之间提供大于结构体的最大尺寸的电流路径可以通过在导体间提供电绝缘部件(一个或多个)并防止电流流经结构体的某部分来实现。这种电绝缘部件被布置成增加电流路径并因此增加通过结构体的电阻。因此，通过结构体的电流路径可以比结构体的最大尺寸长例如50％、100％、200％、1000％或甚至10000％以上。
此外，这种电绝缘部件被布置成将电流从一个导体(该导体更靠近结构体的第一端而不是第二端)引导朝向结构体的第二端并回到更靠近结构体的第一端而不是第二端的第二导体。优选地，电流被布置成从结构体的第一端流向第二端并回到第一端。如附图所示，结构体的第一端是其顶端。图5-7中指示为“z”的箭头表示沿结构体长度的z轴。贯穿结构体的主电流路径将具有沿着电流路径的大部分长度的伴随电流密度向量的z坐标的正值或负值。主电流路径意指电子通过具有最高电流密度的结构体的宏观结构的路径。主电流路径也可以被理解为具有通过结构体的宏观结构的最小长度的路径。从几何学上看，主电流路径可以被量化为与宏观结构的连贯部分的气流方向垂直的平面内的最大电流密度向量。如附图所示，在结构体的底部，电流会转向，此处伴随的电流密度向量的z坐标将为零。
如本文所用，术语连贯部分意在表示宏观结构的横截面区域，其中连贯部分的所有壁在几何学上连接到同一平面内的连贯部分的一个或多个其他壁。
在一个实施方案中，结构体具有至少一个电绝缘部件，其被布置成引导电流通过结构体，以便确保对于所述结构体的至少70％的长度，主电流路径的电流密度向量具有平行于所述结构体的长度的非零分量值(non-zero component value)。因此，对于结构体的长度的至少70％，电流密度向量将具有平行于结构体的长度的正或负分量值。因此，对于结构体的长度的至少70％、例如90％或95％，即如图5至10中所见，沿结构体的z轴，主电流路径的电流密度向量将沿z轴具有正值或负值。这意味着电流从结构体的第一端被迫流向第二端，随后再次被迫流向第一端。进入结构体第一端的气体从结构体吸收热量。为此，结构体的第一端保持比第二端冷，并且通过确保主电流路径的电流密度向量具有平行于所述结构体长度的非零分量值，这伴随着基本上连续增加的温度曲线而发生，这给出了可控的反应前沿(controllable reaction front)。在一个实施方案中，电流密度向量在所述结构体的长度的70％、优选80％、更优选90％、甚至更优选95％中具有平行于所述结构体的长度的非零分量值。应当注意，术语“结构体的长度”意在表示结构体在气流方向上的尺寸。在如附图所示的结构体中，长度为纵向，即，其最长的尺寸。这在一些附图中由表示z的箭头示出。
绝缘部件的非限制性实例是结构中的切口、狭缝或孔。任选地，可使用结构中的切口或狭缝中的固体绝缘材料，例如陶瓷。切口或狭缝内的固体绝缘材料有助于使切口或狭缝侧面上的结构体的部分保持彼此分开。如本文所用，术语“结构体的最大尺寸”意在表示由结构体所占据的几何形式的最大内部尺寸。如果结构体是盒形的，则最大尺寸将是从一个角到最远角的对角线，也称为空间对角线。
应当注意，即使由于被布置成增加电流路径的电绝缘部件，通过结构体的电流可以被布置成使其通过结构体的路线曲折或弯曲，但是通过反应器系统的气体在加热系统的一端进入，在从加热系统中被排出之前在结构体上经过一次。惰性材料有利地存在于结构体和加热系统的其余部分之间的相关间隙中，以确保加热系统内的气体在结构体上经过。
通过结构体的气体通道的长度适当地小于电流从一个电极通过结构体并到达下一个电极的通道的长度。气体通道长度与电流通道长度之比可以小于0.6，或者0.3、0.1，或者甚至低至0.002。
通常，结构体具有被布置成使通过结构体的电流路径成为之字形路径的电绝缘部件。这里，术语“之字形路径”和“之字形途径”意在表示具有以可变角度跟踪从一个导体到另一个导体的路径的拐角的路径。之字形路径例如是向上、转弯并随后向下的路径。之字形路径可以具有许多转弯，向上并随后向下多次通过结构体，即使一个转弯足以使路径成为之字形路径。
应当注意，被布置成增加电流路径的绝缘部件不一定与导电材料上的陶瓷涂层有关；尽管这种陶瓷涂层也被认为是电绝缘的，但它不改变连接到导电材料的导体之间的电流路径的长度。
宏观结构可以具有多个平行通道、多个非平行通道和/或多个迷宫式通道，其中通道具有限定通道的壁。因此，可以使用几种不同形式的宏观结构，只要暴露于气体的结构体的表面积尽可能大。在一个优选实施方案中，宏观结构具有平行通道，因为这种平行通道使结构体具有非常小的压降。在一个优选实施方案中，平行的纵向通道在宏观结构的纵向方向上倾斜。以这种方式，流经宏观结构的气体分子将大多倾向于撞击通道内的壁，而不是仅直接流过通道而不与壁接触。为了提供具有足够电阻率的宏观结构，通道的尺寸应该是适当的。例如，通道可以是正方形的(如在垂直于通道的横截面中所见)并且正方形的边长为1至3mm；然而，在横截面中具有高达约4cm的最大范围的通道是可以想象的。壁的厚度可以为例如0.2至2mm，例如约0.5mm，并且由壁支撑的陶瓷涂层的厚度为10μm至500μm，例如50μm至200μm，例如100μm。在另一个实施方案中，结构体的宏观结构是交叉波纹的。
通常，当宏观结构被挤出或3D打印时，与催化剂材料为粒料形式的反应器相比，加热系统从入口到出口的压降可以大幅降低。
宏观结构的几何表面积可以为100至3000m2/m3，例如500至1100m2/m3。通常，选择宏观结构的材料为通过材料的电阻加热来提供500W/m2至50000W/m2的热通量的材料。优选地，材料的电阻加热提供5kW/m2至12kW/m2、例如8kW/m2至10kW/m2的热通量。热通量以热量/暴露于气体的表面的几何表面积给出。
离开耐压壳/加热系统的气体的预定温度范围为200至1300℃。来自结构体的经加热的气体的出口温度直接在结构体的最下游表面下方或其上测量。测量技术可以是热电偶(通过电压降)、电阻温度检测器或红外检测。测量点可以与结构体分离并嵌入到下游的惰性材料中，或直接在具有绝缘表面覆盖的表面上。
所述加热系统内的结构体适当地具有在0.1至2.0的范围内的通过结构体的水平横截面的面积等效直径(area equivalent diameter)与结构体的高度之比。通过加热系统的横截面的面积等效直径被定义为与横截面面积具有等同面积的圆的直径。当面积等效直径与结构体的高度之比为0.1至2.0时，容纳结构体的耐压壳与用于吸热反应的其他加热系统相比可以相对较小。
通常，气体以向上流动或向下流动的方向流过加热系统，使得气体沿着结构体的高度流过其中的通道。当结构体包括许多宏观结构或宏观结构阵列时，阵列内的个体宏观结构可以并排、彼此叠置或以其组合放置。需要强调的是，当结构体包括多于一个宏观结构时，结构体的尺寸是多于一个宏观结构的尺寸。因此，作为一个实例，如果结构体包括彼此叠置的两个宏观结构，每个都具有高度h，则结构体的高度为2h。
考虑与导电材料的热产生能力相关的离开加热系统的期望温度来选择结构体的体积。
适当地，加热系统的高度为0.5至7m，更优选为0.5至3m。加热系统的高度的示例性值为小于5米、优选小于2m或甚至1m的高度。加热系统的尺寸和加热系统内的结构体的尺寸是相关的；当然，耐压壳和热绝缘层使加热系统比结构体本身略大一些。
上述加热系统不是隔离系统。由于热量不会通过承压壁传递，因此机械故障的风险并不高。这意味着启动比较快，实际上本发明可以通过施加给定电压来启动，然后系统将朝着热平衡工作以达到稳定状态，而无需任何额外的操作员输入。
一种用于加热本文描述的加热系统中的原料气的方法；
该方法包括以下步骤：
-加压所述原料气，
-将经加压的原料气供应到加热系统，
-经由将放置在耐压壳外部的供电电源与结构体连接的电导体供应电功率，允许电流流过导电材料，从而加热结构体的至少一部分，
-加热原料气，和
-从加热系统中排出经加热的气体。
上面给出的系统的所有细节——只要有可能——都与上述方法相关。
在一方面，原料气被加压到2至30bar的压力。原料气可以被加压到30至200bar的压力。适当地，将结构体的至少一部分加热到至少700℃、优选至少900℃的温度。结构体被加热到的最高温度为约1400℃。
因此，提供了一种用于在如本文所述的加热系统中将原料气从第一稳态加热条件(A)快速切换到第二稳态加热条件(B)或从第二稳态加热条件(B)快速切换到第一稳态加热条件(A)的方法。
达到稳态条件被定义为当中心工艺参数(例如进料流量、出口温度)在随后一小时内达到给定工艺参数的平均工艺值的±15％范围内的值。
本发明的条件A或B涉及这样的状态，其中通过平衡的电力加热系统，以在5barg至150barg之间的压力下，将来自结构体的气体出口温度加热到300至1300℃之间的温度，其中原料的总流量(total flow rate)为300Nm3/h至100000Nm3/h。
术语“反之亦然”用于表示该方法在从第一加热条件(A)切换到第二加热条件(B)时与从第二加热条件(B)切换到第一加热条件(A)时同样适用。值得注意的是，当系统的工艺值达到稳态条件的85％以内时，就认为从条件A到B的切换已完成。
加热系统如上所述；即，它包括容纳被布置成促进原料气加热的结构体的耐压壳，所述结构体包括导电材料的宏观结构，所述宏观结构支撑陶瓷涂层，并且其中所述加热系统在所述结构体和所述耐压壳之间设置有热绝缘层。上文关于加热系统所述的所有细节对于本技术都是相关的。
本发明该方面的方法包括以下步骤：
在所述第一稳态加热条件(A)中：
-以第一总流量向加热系统供应所述原料气，以及
-经由将放置在耐压壳外部的供电电源与结构体连接的电导体提供第一电功率，从而允许第一电流流过所述导电材料，
从而将结构体的至少一部分加热到第一温度，在所述第一温度下，使所述原料气在第一稳态加热条件(A)下，在所述结构体上进行加热；所述第一加热气体从加热系统中排出；
并且，在所述第二稳态加热条件(B)中：
-以第二总流量将所述原料气供应到加热系统，
-经由将放置在所述耐压壳外部的供电电源与结构体连接的电导体提供第二电功率，从而允许第二电流流过所述导电材料，
从而将结构体的至少一部分加热到第二温度；在所述第二温度下，使所述原料气在所述第二稳态加热条件(B)下，在所述结构体上进行加热；所述第二加热气体从加热系统中排出。
为了实现第一和第二稳态加热条件(A)和(B)，第二电功率高于所述第一电功率；和/或所述第二总流量高于所述第一总流量。
值得注意的是，总流量的增加将增加冷的原料气的输入，因此冷却结构体，并降低反应性，从而实现第二稳态加热条件(B)。流量的显著变化将改变该过程所需的能量。
总流量的变化可以包括总流量的变化而没有组成性变化或组成的变化，例如增加再循环流量或改变部分原料。
在一个实施方案中，所述第一加热条件A与所述第二加热条件B中的总气体进料流量的比(A:B)为至少1:10。因此，在条件A和B之间切换允许显著增加/减少经加热的气体的产量。当本发明用于例如能量存储时，这是有利的，其中来自能源网(energy grid)的过多电能可用，并且以这种方式可作为化学能储存，反之亦然，以在其他地方需要电能时增加电网中电能的可用性。此外，该实施方案允许使用本发明在下游工艺需要它的时期供应大量经加热的气体，而在其他情况下使本发明在备用条件下操作。如果对经加热的气体没有持续的需求，则这是有利的。
在另一个实施方案中，在加热条件B中来自结构体的经加热的气体的出口温度比在加热条件A中来自结构体的经加热的气体的出口温度高50℃至800℃，例如高100℃至500℃，优选高150℃至400℃。这允许将加热系统从冷状态快速启动到操作条件。这在系统启动的情况下是有利的，其中启动程序包括以下步骤：
·在非冷凝气体中将工艺设备加热到高于设施在全负荷运行下的稳态条件的冷凝点的温度，
·将原料气成分加压，
·将原料气成分进料到加热系统，同时施加第一电功率，
·通过施加第二电功率切换到更高的操作温度。
以这种方式，启动程序的所有步骤都相对较快。
在加热条件B中来自结构体的经加热的气体的出口温度通常比在加热条件A中来自结构体的经加热的气体的出口温度高不超过50℃。这允许在条件A和B之间快速改变。以这种方式，加热系统的下游工艺对经加热的气体的需求可以很容易地以不同的量供应，而不会显著干扰这些的化学环境。
在一个实施方案中，加热条件A和B之间的切换包括总气体进料流量从所述第一总流量逐渐变化到所述第二总流量，以及同时在所述导电材料上施加的电势从所述第一电功率逐渐变化到所述第二电功率。以这种方式，经加热的气体的组成在过渡阶段也可以保持几乎恒定。在一个实施方案中，以这样的方式进行逐渐变化，其中以小步长增加流量同时增加电功率以维持来自结构体的几乎恒定的经加热的气体出口温度。
在一个实施方案中，结构体包括被布置成产生第一热通量的第一部分和被布置成产生第二热通量的第二部分，其中第一热通量低于第二热通量，并且其中第一部分位于第二部分的上游。此处，术语“第一部分位于第二部分的上游”意在表示进料至加热系统的气体在气体到达第二部分之前到达第一部分。结构体的第一部分和第二部分可以是支撑陶瓷涂层的两种不同的宏观结构，其中两种不同的宏观结构可以被布置成对于给定的电流和电压产生不同的热通量。例如，结构体的第一部分可以具有大的表面积，而结构体的第二部分具有较小的表面积。这可以通过在横截面积小于第一部分的横截面积的第二部分中提供结构体来实现。另选地，通过结构体的第一部分的电流路径可以比通过结构体的第二部分的电流路径更直，从而使得电流比通过结构体的第一部分时更曲折地或弯曲地通过第二部分，由此电流在结构体的第二部分中比在第一部分中产生更多的热量。如前所述，宏观结构中的狭缝或切口可以使通过宏观结构的电流路径为之字形。应当注意，结构体的第一部分和第二部分可以经历不同的电流和电压，以便能够提供不同的热通量。然而，由于如上所述的第一和第二部分的不同物理性质，第一和第二部分的不同热通量也可以通过在第一和第二部分中/上提供相同的电流和电压来实现。在进一步的实施方案中，结构体包含被布置成产生第三热通量的第三部分，其中第三热通量低于第一和/或第二热通量，并且其中第三部分在第一和/或第二部分的下游。
在一个实施方案中，加热系统还包括控制系统，该控制系统被布置成控制供电电源以确保离开耐压壳的气体的温度处于预定范围内。对供电电源的控制是对来自电源的电输出的控制。对供电电源的控制可以例如作为对来自供电电源的电压和/或电流的控制、作为对供电电源是打开还是关闭的控制或者作为它们的组合来执行。提供给结构体的功率可以是交流电或直流电的形式。
根据一个实施方案，比例-积分-微分(PID)控制器基于来自结构体的经加热的气体的出口温度的工艺值的反馈读数来控制电势。
本文所述的方法允许在条件A和B之间快速切换。因此，适当地，加热条件A和B之间的切换发生在少于3小时、例如少于2小时、例如少于60min、优选少于30min、甚至更优选少于15min的时间段内。
在一个实施方案中，加热条件A和B之间的切换包括向结构体提供第二电功率。这适当地在保持总流量基本恒定的同时发生。
在一方面，加热条件A和B之间的切换包括所述加热条件A和B之间的过渡状态；所述过渡状态包括第一时间段，其中电力被切断；随后是第二时间段，其中向结构体供应条件B的所述第二电功率。这允许更快地建立稳定状态。
在一方面，加热条件A和B之间的转换包括所述加热条件A和B之间的过渡状态；所述过渡状态包括第一时间段，其中向结构体供应第三电功率；随后是第二时间段，其中向结构体供应条件B的所述第二电功率，所述第三电功率高于第二电功率。这允许更快地建立稳定状态。
该方法可以包括对产物气体进行例如纯化、加压、额外的加热、冷却等其他步骤，以提供用于本发明的加热系统下游的应用的最终经加热的气体。
应当注意，原料气可以包括单独的原料气，并且加压原料气的步骤可以包括单独地加压单独的原料气。而且，应当注意，书写方法步骤的顺序不一定是方法步骤发生的顺序，因为两个或更多个步骤可能同时发生，或者顺序可能与上面所示顺序不同。
在一个实施方案中，该方法包括将耐压壳上游的气体加压至高达至少2bar的压力的步骤。选择的操作压力由在周围方法步骤中的加热整合来确定。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，进入加热系统的原料气的温度为100℃至700℃，优选100℃至300℃。然而，在所有实施方案中，调节原料气的温度和压力以确保原料气高于露点。
在本发明方法的一个实施方案中，加热结构体，使得结构体的最高温度介于200℃至1300℃之间。结构体的最高温度取决于导电材料的材料；因此，如果导电材料是FeCr合金，其在1380℃至1490℃之间的温度下熔化(取决于实际合金)，如果导电材料的熔点为约1400℃，那么最高温度应当略低于熔点，例如为约1300℃，因为材料在接近熔点时将变得柔软和有延展性。最高温度可能另外受到涂层的耐久性的限制。
陶瓷涂层可以是Al2O3、ZrO2、MgAl2O3、CaAl2O3或其组合，因此可能与Y、Ti、La或Ce的氧化物混合。加热系统的最高温度可以在850-1300℃之间。原料气的压力可以是2-180bar，优选约35bar。在一个实施方案中，所述宏观结构由Fe CrAl合金制成，支撑ZrO2和Al2O3混合物的陶瓷涂层。
附图详细说明
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1a显示了通过根据本发明的加热系统100的一个实施方案的横截面。加热系统100包括结构体10，其被布置为宏观结构5的阵列。阵列中的每个宏观结构5都涂覆有陶瓷涂层。而且，加热系统100包括连接到电源(图中未示出)和结构体10(即，宏观结构的阵列)的导体40、40’。导体40、40’经由套筒50被引导穿过容纳结构体的耐压壳20的壁并穿过耐压壳内侧上的绝缘材料30。导体40’通过导体接触轨41连接到宏观结构5的阵列。
在一个实施方案中，供电电源26V的电压和1200A的电流。在另一个实施方案中，电源供应5V的电压和240A的电流。电流被引导通过电导体40、40’到导体接触轨41，并且电流从一个导体接触轨41，例如从图1a中左侧看到的导体接触轨，通过结构体10流向另一个导体接触轨41，例如图1a中右侧看到的导体接触轨。电流既可以是交流电，例如以两个方向交替运行，也可以是直流电并且以两个方向中的任何一个方向运行。
宏观结构5由导电材料制成。特别优选的是由铝、铁和铬组成的合金kanthal。涂覆在结构体5上的陶瓷涂层是例如氧化物。导体40、40’由诸如铁、铝、镍、铜或其合金的材料制成。
在操作期间，原料气如箭头11所示从上方进入加热系统100。经加热的气体如箭头12所示从其底部离开加热系统。
图1b显示了图1a的加热系统100，其中移除了耐压壳20和热绝缘层30的一部分，图2是加热系统100的一部分的放大图。在图1b和2中，导体40’和导体接触轨41之间的连接比图1a更清楚地示出。而且，可以看出导体40在套筒50中被引导穿过耐压壳的壁，并且一个导体40在耐压壳内被分成三个导体40’。应当注意，导体40’的数目可以是任何适当的数目，例如少于三个或甚至大于三个。
在图1a、1b和2所示的加热系统中，导体40、40’经由套筒50被引导穿过容纳结构体的耐压壳20的壁并穿过耐压壳内侧上的绝缘材料30。原料气如箭头11所示经由加热系统100上侧的入口进入加热系统100，而加热气体如箭头12所示经由加热系统100底部的出口离开加热系统100。
在图1a至2所示的加热系统100中，惰性材料(图1a-2中未显示)有利地存在于结构体10的下侧和耐压壳的底部之间。而且，惰性材料有利地存在于宏观结构5的结构体10的外侧和绝缘材料30之间。因此，绝缘材料30的一侧面向耐压壳20的内侧，而绝缘材料30的另一侧面向惰性材料。惰性材料是例如陶瓷材料并且可以是粒料的形式。惰性材料有助于控制跨过加热系统100的压降和控制通过加热系统100的气体的流动，使得气体在结构体10的表面上流动。
图3和4分别显示了从上方和从侧面看的包括宏观结构阵列的结构体的一个实施方案。图3显示了从上方看到的包括宏观结构5的阵列的结构体10，即如从图1a和1b中的箭头11所看到的。该阵列具有6排(即图1a、1b、1c、1d、1e和1f)的5个宏观结构5。每排中的宏观结构5与其在同一排中的(一个或多个)相邻的宏观结构相连接，每排中最外面的两个宏观结构与导体接触轨41相连接。一排宏观结构中相邻的宏观结构5借助于连接件3彼此连接。
图4显示了从侧面看到的图3的具有宏观结构5的阵列的结构体10。从图4可以看出，每个宏观结构5垂直于图3所示的横截面纵向延伸。每个宏观结构5具有沿其纵向方向切入其中的狭缝60(参见图4)。因此，当通过电源通电时，电流经由导体接触轨41进入宏观结构5的阵列，被向下引导通过第一宏观结构5直到狭缝60的下限，随后被向上引导朝向连接件3。电流经由相应的之字形路径被向下和向上引导通过阵列10中宏观结构5的每排1a-1f中的每个宏观结构5。这种配置有利地增加了结构体10上的电阻。
图5以透视图显示了根据本发明的结构体10。结构体10包括宏观结构，其涂覆有陶瓷涂层。在结构体内是通道70，通道70沿宏观结构5的纵向方向(由图5中标示‘h’的箭头所示)延伸；通道由壁75限定。在图5所示的实施方案中，当从箭头12所示的流动方向看时，壁75限定了多个平行的正方形通道70。当从上方看时，结构体10具有基本呈正方形的周边，由边长e1和e2限定。然而，周边也可以是圆形或其他形状。
结构体10的壁75由挤出的或3D打印的材料制成，该材料涂覆有陶瓷涂层，例如氧化物，该陶瓷涂层已被涂覆到宏观结构上。在图中，没有显示陶瓷涂层。陶瓷涂层存在于结构体10内的每个壁上，在操作期间气流在其上流动并且与结构体的加热表面相互作用。
在图5所示的结构体10中，已在结构体10中切出狭缝60。在这种情况下，该狭缝60迫使电流在宏观结构内向下并随后向上采取之字形路线，从而增加电流路径，并因此增加电阻，因此增加在宏观结构内消散的热量。宏观结构内的狭缝60可以设置有嵌入的绝缘材料，以便保证在狭缝60的横向方向上没有电流流动。
结构体10中的通道70在两端开口。在加热系统中使用结构体时，原料气沿图1a和1b中箭头11和12所示的方向流动通过该单元，并经由与通道70的壁75接触以及通过热辐射而被加热。通道70的壁75可以例如具有0.5mm的厚度，并且涂覆在壁75上的陶瓷涂层可以例如具有0.1mm的厚度。尽管箭头11和12(参见图1a和1b)表明原料气的流动是向下流动的，但是相反的流动方向，即，向上流动，也是可想到的。
图6以透视图显示了附接有连接器7的图1a和1b的结构体10。连接器7各自将结构体10的一部分连接到导体40。导体40都连接到电源(未示出)。每个连接器7连接到结构体的上部。当导体40连接到电源时，电流经由导体被引导到相应的连接器7并流过结构体10。狭缝60在其沿结构体10的高度h的整个长度上阻碍电流以横向方向(图6的水平方向)流动。因此，电流在该部分结构体中沿狭缝60以如图6所示的向下的方向运行，随后如图6所示在狭缝60下方横向运行至纵向方向，最后电流沿结构体的纵向方向向上运行至另一个连接器7。图6中的连接器7借助于机械紧固装置例如螺钉和螺栓等机械紧固到结构体上。然而，另外的或替代的紧固装置是可想到的。在一个实施方案中，电源产生3V的电压和400A的电流。连接器7例如由诸如铁、铝、镍、铜或其合金的材料制成。
如上所述，结构体10涂覆有陶瓷涂层，例如氧化物。然而，连接到连接器7的结构体10的部分不应涂覆有氧化物。相反，结构体的宏观结构应当暴露于或直接连接到连接器7，以便在宏观结构和连接器之间获得良好的电连接。
当连接器7和因此的导体40连接到结构体10的同一端时，即连接到如图6所示的上端时，进入到容纳结构体10的加热系统中的原料气将能够冷却连接器7和导体40。例如，进入这种加热系统的原料气可以具有200℃或400℃的温度，因此将防止连接器7和导体40达到远高于该温度的温度。
图7显示了具有连接器7”’的结构体10”’的另一个实施方案。结构体10”’例如是如图6所示的结构体。每个连接器7”’在其上侧具有三个用于连接导体(未示出)的孔。一块电绝缘材料61位于结构体10”’的狭缝60(参见图5)内。
应当注意，即使图中所示的结构体被显示为具有正方形横截面的通道，如垂直于z轴所见，但通道横截面的任何适当形状都是可想到的。因此，结构体的通道可以可选地是例如三角形、六边形、八边形或圆形，其中三角形、正方形和六边形形状是优选的。
图8显示了方法的一个实施方案，其中通过将来自重整反应器的合成气与CO2原料混合来提供原料，其中CO2在根据本发明的加热系统100中被加热。加热的CO2在绝热后转换器150之前或在其中与合成气混合。这产生了比所述第一产物气更富含CO的产物气。
图9显示了来自使用根据本发明的加热系统的实施方案的实验的实验数据。使用长度为12cm、外边缘长度为3cm乘以3cm的类似于图5的整料作为结构体，在50Nl/h的流速和大约5barg下，纯CO2原料的温度从约150℃的入口温度升高并随输入功率变化，如图9所示。输入功率显示为相对于整料表面积，传递到系统的能量，其在图的x轴上显示为热通量。如数据所示，在实验中达到了非常高的工作温度，说明了本发明的高温能力。
图10显示了来自类似于图9的实验的实验的实验数据。图10显示了另一个数据系列，其中在2.5barg下加热CO2和热输入更高以实现超过1000℃的温度。
图11显示了来自使用根据本发明的加热系统的实施方案的实验的实验数据。使用长度为12cm、外边缘长度为3cm乘以3cm的类似于图5的整料作为结构体，在250Nl/h的流速和大约3.2barg下，纯N2原料的温度从约150℃的入口温度升高并随输入功率变化，如图11所示。如数据所示，在实验中达到了超过1000℃的非常高的工作温度，说明了本发明的高温能力。
尽管已经通过对各种实施方案和实例的描述来说明本发明同时已经相当详细地描述了这些实施方案和实例，但是申请人的意图不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式局限于这样的细节。对于本领域的技术人员来说，另外的优点和修改将很容易出现。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示和描述的具体细节、代表性方法和说明性实例。因此，在不背离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离这些细节。
实施例
比较例1
作为比较例，考虑了合成气(synthesis gas module)调整的案例，其中首先使用传统的加热系统进行CO2预热，例如放置在化工厂的火焰加热器中的管式换热器，其给出的典型工艺气体预热温度为650℃。表1显示了合成气的组成，在这种情况下，合成气是在管式重整器中生产的。同时，CO2进料在管式热交换器中被预热至650℃。然后将这些物流混合并送入APOC，在绝热反应期间发生甲烷化/蒸汽重整和水煤气变换反应，以产生富含CO的合成气，在特定情况下，固定原料的CO产率提高了36％。
表1
Figure BDA0003671399220000231
比较例2
与比较例1相比，根据本发明的加热系统可以实现CO2预热器以达到更高的温度。使用与表1中相同的合成气和CO2的组成和量，但是将CO2预热到1070℃，实现了根据表2的过程。将CO2和合成气混合并将其送至APOC，其中在绝热反应期间发生甲烷化/蒸汽重整和水煤气变换反应，产生富含CO的合成气。在这种情况下，固定原料的CO产率增加了50％，与之相比，表1中增加了36％。此外，CH4的逸出量从表1中的689Nm3/h减少到表2中的548Nm3/h。
表2
Figure BDA0003671399220000241
提供以下编号的项目：
第1项.一种用于加热原料气的加热系统，所述加热系统包括：
-原料气的供应；
-用于加热所述原料气的结构体，所述结构体包括导电材料的宏观结构；
-容纳所述结构体的耐压壳，所述耐压壳包括用于引入所述原料气的入口和用于排出经加热的气体的出口，其中所述入口被定位成使得所述原料气在所述结构体的第一端进入所述结构体，并且所述经加热的气体从所述结构体的第二端离开所述结构体；
-所述结构体和所述耐压壳之间的热绝缘层；
-至少两个导体，其电连接到所述结构体和电连接到放置在所述耐压壳外部的供电电源，其中所述供电电源的尺寸设计成通过使电流通过所述宏观结构而将所述结构体的至少一部分加热到至少400℃的温度，其中所述至少两个导体在结构体上更靠近所述结构体的所述第一端而不是所述结构体的所述第二端的位置处连接到结构体，并且其中所述结构体被构造成引导电流从一个导体基本流向结构体的第二端并返回到所述至少两个导体中的第二个；和，
-经加热的气体的出口。
第2项.根据第1项所述的加热系统，其中所述供电电源的尺寸设计成将所述结构体的至少一部分加热到至少700℃、优选至少900℃、更优选至少1000℃的温度。
第3项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述原料气在所述耐压壳外壳的入口处具有与在所述出口处基本相同的化学组成。
第4项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述宏观结构支撑陶瓷涂层。
第5项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述耐压壳的设计压力为2-30bar。
第6项.根据第1-5项中任一项所述的加热系统，其中所述耐压壳的设计压力为30-200bar。
第7项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述导电材料的电阻率在10-5Ω·m至10-7Ω·m之间。
第8项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述至少两个导体在套筒中被引导通过所述耐压壳，使得所述至少两个导体与所述耐压壳电绝缘。
第9项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述结构体与所述至少两个导体之间的连接为机械连接、焊接连接、钎焊连接或其组合。
第10项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述导电材料包括3D打印或挤出或烧结的宏观结构。
第11项.根据第4-10项中任一项所述的加热系统，其中所述陶瓷涂层选自ZrO2、Al2O3、MgAl2O3、CaAl2O3或它们的混合物。
第12项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述结构体包括彼此电连接的宏观结构阵列。
第13项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述结构体具有至少一个电绝缘部件，所述电绝缘部件被布置成引导电流通过所述结构体，以确保对于所述结构体的至少70％的长度，主电流路径的电流密度向量具有平行于所述结构体长度的非零分量值。
第14项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述宏观本体具有多个平行通道、多个非平行通道和/或多个迷宫式通道。
第15项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述宏观结构的材料选择为通过材料的电阻加热产生500至50000W/m2的热通量的材料。
第16项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中结构体包括被布置成产生第一热通量的第一部分和被布置成产生第二热通量的第二部分，其中第一热通量低于第二热通量，并且其中第一部分位于第二部分的上游。
第17项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述结构体包括被布置成产生第三热通量的第三部分，其中第三热通量低于第一热通量和/或第二热通量，并且其中第三部分在第一部分和/或第二部分的下游。
第18项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述加热系统还包括控制系统，所述控制系统设置为控制所述供电电源以确保离开所述耐压壳的气体的温度处于预定范围内。
第19项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述加热系统内的结构体具有在0.1至2.0的范围内的通过结构体的水平横截面的面积等效直径与结构体的高度之比。
第20项.根据前述项中任一项所述的加热系统，其中所述加热系统的高度高度为0.5至7m，更优选为0.5至3m。
第21项.一种用于加热根据前述权利要求中任一项所述的加热系统中的原料气的方法；所述方法包括以下步骤：
-加压所述原料气，
-将经加压的原料气供应到加热系统，
-经由将放置在耐压壳外部的供电电源与结构体连接的电导体供应电功率，允许电流流过导电材料，从而加热结构体的至少一部分，
-加热结构体上的原料气，和
-从加热系统中排出经加热的气体。
第22项.根据第21项所述的方法，其中将所述原料气加压到2至30bar的压力。
第23项.根据第21项所述的方法，其中将所述原料气加压至30至200bar的压力。
第24项.根据第21-23项中任一项所述的方法，其中将所述结构体的至少一部分加热至至少700℃、优选至少900℃、更优选至少1000℃的温度。
第25项.根据第21-24项中任一项所述的方法，其中来自加热系统的经加热的气体为基本上纯的CO，且其与合成气一起被提供给绝热后转化器；并且在所述绝热后转化器中，经加热的气体与合成气反应，从而提供第二产物气体，所述第二产物气体是富含CO的合成气流。
第26项.一种用于在根据第1-20项中任一项所述的加热系统中将原料从第一稳态加热条件(A)快速加热到第二稳态加热条件(B)或反之亦然的方法；所述方法包括以下步骤：
在所述第一稳态加热条件(A)中：
-以第一总流量向加热系统供应所述原料，以及
-经由将放置在耐压壳外部的供电电源和结构化催化剂连接的电导体提供第一电功率，从而允许第一电流流过所述导电材料，
从而将结构化催化剂的至少一部分加热到第一温度，在所述第一温度下，使所述原料在第一稳态加热条件(A)下，在所述结构化催化剂上进行加热；所述第一加热气体从加热系统中排出；
并且，在所述第二稳态加热条件(B)中：
-以第二总流量将所述原料供应到加热系统，
-经由将放置在所述耐压壳外部的供电电源和结构化催化剂连接的电导体提供第二电功率，从而允许第二电流流过所述导电材料，
从而将结构化催化剂的至少一部分加热到第二温度；在所述第二温度下，使所述原料在所述第二稳态加热条件(B)下，在所述结构化催化剂上进行加热；所述第二加热气体从加热系统中排出；
其中所述第二电功率高于所述第一电功率；和/或所述第二总流量高于所述第一总流量。
第27项.根据第26项所述的方法，其中所述至少两个导体在结构化催化剂上更靠近所述结构化催化剂的所述第一端而不是所述结构化催化剂的所述第二端的位置处连接到结构化催化剂，并且其中结构化催化剂被构造成引导电流从一个导体基本上流向结构化催化剂的第二端并回到所述至少两个导体中的第二个。
第28项.根据第26-27项中任一项所述的方法，其中所述第一加热条件A与所述第二加热条件B中的总气体进料流量之比(A:B)为至少1:10。
第29项.根据第26-28项中任一项所述的方法，其中在加热条件B中来自结构化催化剂的经加热的气体的出口温度比在加热条件A中来自结构化催化剂的经加热的气体的出口温度高50℃至600℃，例如高100℃至500℃，优选高150℃至400℃。
第30项.根据第26-29项中任一项所述的方法，其中加热条件A和B之间的切换包括总气体进料流量从所述第一总流量逐渐变化到所述第二总流量以及同时在所述导电材料上施加的电势从所述第一电功率逐渐变化到所述第二电功率。
第31项.根据第26-30项中任一项所述的方法，其中在加热条件B中来自结构化催化剂的经加热的气体的出口温度比在加热条件A中来自结构化催化剂的经加热的气体的出口温度高不超过50℃。
第32项.根据第26-31项中任一项所述的方法，其中比例-积分-微分(PID)控制器基于来自结构化催化剂的经加热的气体的出口温度的工艺值的反馈读数来控制电势。
第33项.根据第26-32项中任一项所述的方法，其中直接在结构化催化剂的最下游表面下方或其上测量来自结构化催化剂的经加热的气体的出口温度。
第34项.根据第26-33项中任一项所述的方法，其中加热条件A和B之间的切换发生在少于3小时、例如少于2小时、例如少于60min、优选少于30min、甚至更优选少于15min的时间段内。
第35项.根据第26-34项中任一项所述的方法，其中加热条件A和B之间的切换包括向结构化催化剂供应第二电功率。
第36项.根据第26-35项中任一项所述的方法，其中所述加热条件A和B之间的切换包括所述加热条件A和B之间的过渡状态；所述过渡状态包括第一时间段，其中电力被切断；随后是第二时间段，其中向结构化催化剂供应条件B的所述第二电功率。
第37项.根据第26-36项中任一项所述的方法，其中所述加热条件A和B之间的切换包括所述加热条件A和B之间的过渡状态；所述过渡状态包括第一时间段，其中向结构化催化剂供应第三电功率；随后是第二时间段，其中向结构化催化剂供应条件B的所述第二电功率，所述第三电功率高于第二电功率。

Claims (16)

1.一种用于加热原料气的加热系统，所述加热系统包括：
-原料气的供应；
-用于加热所述原料气的结构体，所述结构体包括导电材料的宏观结构；
-容纳所述结构体的耐压壳，所述耐压壳包括用于引入所述原料气的入口和用于排出经加热的气体的出口，其中所述入口被定位成使得所述原料气在所述结构体的第一端进入所述结构体，并且经加热的气体从所述结构体的第二端离开所述结构体；
-所述结构体和所述耐压壳之间的热绝缘层；
-至少两个导体，其电连接到所述结构体和电连接到放置在所述耐压壳外部的供电电源，其中所述供电电源的尺寸设计成通过使电流通过所述宏观结构而将所述结构体的至少一部分加热到至少400℃的温度，其中所述至少两个导体在结构体上更靠近所述结构体的所述第一端而不是所述结构体的所述第二端的位置处连接到结构体，并且其中所述结构体被构造成引导电流从一个导体基本流向结构体的第二端并返回到所述至少两个导体中的第二个；和，
-经加热的气体的出口。
2.根据权利要求1所述的加热系统，其中所述供电电源的尺寸设计成将所述结构体的至少一部分加热到至少700℃、优选至少900℃、更优选至少1000℃的温度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统，其中所述原料气在耐压壳外壳的入口处具有与在所述出口处基本相同的化学组成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统，其中所述原料气选自N2、H2、CO2、CH4、H2O、O2及其混合物。
5.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统，其中所述宏观结构支撑陶瓷涂层。
6.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统，其中所述导电材料的电阻率在10-5Ω·m至10-7Ω·m之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统，其中所述至少两个导体在套筒中被引导通过所述耐压壳，使得所述至少两个导体与所述耐压壳电绝缘。
8.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统，其中所述结构体具有至少一个电绝缘部件，所述电绝缘部件被布置成引导电流通过所述结构体，以确保对于所述结构体的至少70％的长度，主电流路径的电流密度向量具有平行于所述结构体长度的非零分量值。
9.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统，其中所述宏观结构的材料选择为通过材料的电阻加热产生500至50000W/m2的热通量的材料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的加热系统，其中所述加热系统内的结构体具有在0.1至2.0的范围内的通过结构体的水平横截面的面积等效直径与结构体的高度之间的比。
11.一种用于加热根据前述权利要求中任一项所述的加热系统中的原料气的方法；所述方法包括以下步骤：
-加压所述原料气，
-将经加压的原料气供应到加热系统，
-经由将放置在耐压壳外部的供电电源与结构体连接的电导体供应电功率，允许电流流过导电材料，从而加热结构体的至少一部分，
-加热结构体上的原料气，和
-从加热系统中排出经加热的气体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述结构体的至少一部分加热至至少700℃、优选至少900℃、更优选至少1000℃的温度。
13.根据权利要求11-12中任一项所述的方法，其中来自所述加热系统的经加热的气体为基本上纯的CO2，且其与合成气一起被提供给绝热后转化器；并且在所述绝热后转化器中，经加热的气体与合成气反应，从而提供第二产物气体，所述第二产物气体是富含CO的合成气流。
14.一种用于在根据权利要求1-10中任一项所述的加热系统中将原料从第一稳态加热条件(A)快速加热到第二稳态加热条件(B)或反之亦然的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述第一稳态加热条件(A)中：
-以第一总流量向加热系统供应原料，以及
-经由将放置在耐压壳外部的供电电源和结构化催化剂连接的电导体提供第一电功率，从而允许第一电流流过所述导电材料，
从而将结构化催化剂的至少一部分加热到第一温度，在所述第一温度下，使所述原料在所述第一稳态加热条件(A)下，在所述结构化催化剂上进行加热；所述第一加热气体从加热系统中排出；
并且，在所述第二稳态加热条件(B)中：
-以第二总流量将所述原料供应到加热系统，
-经由将放置在所述耐压壳外部的供电电源和结构化催化剂连接的电导体提供第二电功率，从而允许第二电流流过所述导电材料，
从而将结构化催化剂的至少一部分加热到第二温度；在所述第二温度下，使所述原料在所述第二稳态加热条件(B)下，在所述结构化催化剂上进行加热；所述第二加热气体从加热系统中排出；
其中所述第二电功率高于所述第一电功率；和/或所述第二总流量高于所述第一总流量。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一加热条件A与所述第二加热条件B中的总气体进料流量之比(A:B)至少为1:10。
16.根据权利要求14-15中任一项所述的方法，其中在加热条件B中来自结构化催化剂的经加热的气体的出口温度比在加热条件A中来自结构化催化剂的经加热的气体的出口温度高50℃至600℃，例如高100℃至500℃，优选高150℃至400℃。
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