CN117597304A - 用于生产二氢的气化炉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过水‑气变换反应由CO和H2O生产二氢的设备和方法，其特征在于，包括CO和H2O的气体混合物在设置在气化反应器中的反应管(1)中循环，该反应管直径在5mm至500mm之间以及长度在50mm至10m之间，并且经受至少一种形式的辐射，该辐射选自：伽马射线到高于500kHz的无线电波范围内的电磁辐射、可见红外和紫外波、或伽马辐射、微波辐射和诸如α、β的核辐射和热辐射。
Description
技术领域
二氢(双氢，dihydrogen)(H2)的生产是对抗全球变暖的一大挑战。在这种情况下，允许水-气反应或气体与水反应并将产生的全部或部分CO2封存的溶液代表用于生产二氢的有竞争力的替代方案。该替代方案实现了管式反应器1，其内腔中可能排列有障碍物2，并使用气化的能量来启动气体与水的反应。
背景技术
对全球变暖和气候变化的关注已经引发了全世界的努力，通过限制化石燃料能源消耗来降低大气中二氧化碳(CO2)浓度。氢(氢气，Hydrogen)或二氢是一种替代能源，提供了与化石燃料相当的使用灵活性。提出的用于生产二氢的主要方法是水电解法。
使用淡水进行电解造成了淡水资源的问题，由于全球变暖，淡水资源在许多地区可能会变得更加稀缺。正在开发一些使用淡水进行电解的替代方法，特别是使用尿液或盐水作为水解溶液的来源。
这些替代电解解决方案造成电极过早磨损的问题，并且因此使用贵金属，诸如金或铂，这增加了设备的成本。
此外，包含盐和其他溶质的溶液的电解能够导致其他产物的产生，诸如苏打、氯等，这会造成各种环境问题。
但除了使用的水解溶液(电解液)之外，还有能源的问题。
水的水解是非常耗能的过程，具有正焓。水分解反应H2O→H2+1/2O2需要180kJ/mol的能量输入。
由于光能转化为电能的低效率，使用光伏能源大规模生产二氢需要较大的表面来产生必要的电能。事实上，尽管新一代光伏电池宣布最大产率为24％，但目前的产率仅勉强达到16％。此外，光伏电池的制造是高污染的，特别是在CO2排放方面。对于大多数光伏板，需要几年的运行时间才能抵消制造过程中产生的温室气体排放。此外，这种补偿将只采取避免排放气体的形式，而不是CO2排放捕获或温室气体封存。
由核电电解产生的氢气正越来越多地被推广。尽管核电站的制造成本、特别是建造核电站(混凝土、钢铁、土方)的CO2排放量的成本，在计算用于核能发电的CO2排放量时被忽略，但核燃料的制造以及废物的回收和储存在CO2排放方面代表着巨大的成本。铀提取是采矿活动的一部分，采矿活动占全世界温室气体排放量的53％。将核工业作为整体来考虑，似乎该工业并不像该领域的专业人士所声称的那样是碳中性的。
此外，核能基本上是持续的并以适应需求的方式生产电力，与需要储存才能满足需求的替代可再生能源不同。
因此，从核电转换为氢气以再次发电的相关性并不明显，根据所实施的技术，损失在66％至30％之间。
许多项目提出了利用风能通过电解生产氢气作为一种可行的替代方案。然而，为了满足需求，需要建设大量的项目，这将造成许多环境问题。特别是，由于风能资源的分散性质，为了用风力发电生产1kWh，需要安装比用核电生产1kWh多100倍的钢和金属的设施。
看起来，在技术、水和能源资源方面，电解生产氢气而不排放化石来源的CO2都是非常有限的。
使用各种热分解技术(诸如裂解、气化等)、包括高温、高压和/或氧化剂(诸如水)，从碳氢化合物或煤中生产二氢的技术造成温室气体(诸如甲烷和化石来源的CO2)大量排放的问题。
类似地，使用相同或类似技术的热分解技术从生物质中生产二氢或从生物质中生产碳，会排放CO2和其他温室气体，这些生物质当然是可再生的，但会将储存的碳从固体基质转化为CO2、CH4形式的大气碳，这在短期内对全球变暖做出了重大贡献。事实上，只要重新种植生物质并结束其生长，通过各种生物质的生长，可持续地储存相同质量的碳需要几个月或甚至几年。
此外，用于生产二氢的热解技术造成气体分离的问题。产生的二氢与其他气体(诸如CO2和CO)混合。
最后，这些热解技术需要大量能源，这造成了经济可行性的问题，因为高温意味着产生的氢气中有很大一部分必须用于生产所需的能源。
基于对气旋反应器的改进，其原理已经被描述(Ugolin 2007)，我们提出了新的气化循环，允许以固体形式捕获来自被处理的含碳底物(生物质煤、石油等)的全部或部分碳，同时分离产生的二氢。
已经提出的气化炉(gasifier)的原理最初是基于由根据模型连接在一起的旋风分离器系统组成的反应器。
每个旋风分离器将一种类型的气化反应限制在专用的反应空间内。碳颗粒形式的底物被纵向引入各种旋风分离器，而氧化剂被横向并切向地引入旋风分离器的圆柱体。氧化剂能够通过等离子体炬喷嘴引入，从而在旋风分离器中形成等离子体。气旋结构反应位置允许：
使颗粒在高温下与特定的氧化剂接触足够长的时间，以促进传质和传热，从而使选定的热化学反应大部分发生。
分离部分或全部气化的固体底物以通过翅片将其转移到下一级。
在上升柱中回收反应气体。
在设备的一些实施方案中，在每个步骤通过位于旋风分离器顶部位置的收集设备收集气体。在其他实施方案中，旋风分离器组件的收集管彼此对准，使得在旋风分离器中上升的气柱在上部旋风分离器中上升并与从上部旋风分离器上升的自身气柱合并，从而从反应器的所有旋风分离器上升的气体柱能够被从第一旋风分离器上升的气体捕获筒捕获。
在这些实施方案中，存在气体通过反应器之间的叶片组从一级泄漏到另一级的高风险。另一方面，将捕获通道定位在顶部位置会造成干扰旋风分离器运行的特殊空气动力学问题。
最后，如所述的反应器没有用于分离和净化产生的气体的装置，从而使得反应器产生选自CO、H2、CO2、H2O的至少两个分子的混合物。
具体地说，该设备不具有用于自动执行气水反应的元件
使得CO+H2O→CO2+H2
设备也不会自动将CO2从二氢H2中分离。
发明内容
本发明涉及一种根据以下气水反应由CO和H2O生产二氢的设备和方法：
(a)CO+H2O→CO2+H2，
其特征在于，包括CO和H2O的气体混合物在设置在气化反应器中的反应管(1)中循环，该反应管的直径在5mm至500mm之间以及长度在50mm至10m之间，并且该气体混合物经受至少一种辐射，该辐射选自：伽马射线到高于500kHz的无线电波范围内的电磁辐射、可见光红外和紫外波中的辐射、或伽马辐射、微波辐射、诸如α、β的核辐射或热辐射。
根据本发明的设备或方法可以包括以下特征或步骤中的一种或多种，这些特征或步骤彼此独立或彼此组合地采取：
-反应管包括优选地由以下制成的至少一个部分，：石英；硼硅酸盐玻璃；难熔金属(refractory metal)，诸如因康镍合金(inconel)、镍或任何其他难熔金属；陶瓷，诸如碳化物，例如碳化硅、碳化碘、碳化锆，并且其中该反应管部分地包括在气化反应器中；
-在反应管的内部包括在其内表面上的催化所述反应(a)的催化剂，使得这些催化剂包括选自以下的金属和这些金属的组合：氧化形式的铁、Fe+、Fe2+、Fe3+、氧化形式的钛、氧化形式的钴、氧化形式的镍、铂系金属(platinoid)和铂系金属氧化物；
-反应管在其内腔中包括障碍物组(a set of obstacles)(2)，该障碍物组优选垂直于反应管的主轴布置，使得通过在反应管的内腔循环，CO/H2O混合物与这些障碍物接触，促进气体与水的反应；
-反应管穿过至少一个波导，由磁控管产生的微波被注入该波导中，使得微波通过热作用在反应管上的作用和在反应管中通过热和分子搅动作用(molecular agitationaction)促进所述气体与水的反应(a)；
-所述反应(a)通过将紫外至红外范围内的电磁辐射施加到反应管表面或直接施加到反应管内部来通过提高反应管的温度来激活，所述辐射由至少一种光纤施加，光纤优选地包括石英或硼硅酸盐部；
-反应管经受由3至7匝的螺线管产生的可变电场和磁场，其中800kHz至20MHz的交流电在螺线管中循环，并且感应可变磁场在穿过反应管的CO/H2O气体中产生反应等离子体，促进所述反应(a)；
-反应管布置在组合了上述设备中的至少两个的设备中，允许对反应管施加微波、光波和感应磁场的任意组合；
-反应管(1)通过至少一个气旋式化反应器，使得源自以下至少一个气化反应的气旋气化反应器的辐射热(radiative thermal heat)加热所述反应管：
(b)C+H2O→CO+H2
(c)C+CO2→2CO
(d)C+1/2O2→CO
-使得气旋气化反应器包括至少一个圆柱体，该圆柱体形成气化反应器的本体，圆柱体在气化反应器的底部变窄为锥体，诸如注入气化反应器的气体形成沿旋风分离器的圆柱壁下降的旋涡，所述旋涡在旋风分离器底部的圆锥形的作用下通过对流在旋风分离器的中心上升，以及在气旋气化反应器中包括气旋设备，气旋设备具有至少两个入口，其中一个为纵向入口以及另一个为切向入口，以及包括至少一个提取设备，用于提取旋风分离器底部处的圆锥部的材料；
-气旋气化反应器的至少一个纵向入口包括双组推进器，优选地，连接到反应管的可移动组推进器，用作气旋气化反应器的旋转中心轴，以及另一组为固定推进器，双组推进器通过限制在气旋气化反应器中循环的气体来允许材料进入气旋气化反应器；
-气旋气化反应器包括至少一个波导，波导允许将微波注入气旋气化反应器，使得波导的取向被优化，使得微波的轨迹与由至少一个等离子体炬注入到气旋气化反应器中的等离子体的轨迹交叉，允许微波与由等离子体炬注入的等离子体相互作用，同时最小化与旋风分离器中上升的气体柱的相互作用；
-提取设备包括蜗杆(endless screw)、中心轮毂机(central hub mill)、中空蜗杆、中空中心轮毂机的任意组合，可选地(alternatively)收集管(collector tube)和任选地(optionally)为中空的叶片，以及形成具有导管系统的塞子的盖子；
-在气旋气化反应器的壁的水平处引入元件，该元件优选地由陶瓷制成，并且具有以下系统，所述系统允许调节陶瓷的温度以便将陶瓷温度设定在确定水平从而将所述陶瓷转换成发射选定波长的红外辐射的可调节的黑体，并且其中通过加热设备和冷却热交换器控制黑体的温度来调节由黑体发射的波长；
-气旋气化反应器的至少一个壁包含至少一个热交换器，热交换器由诸如水的流体或诸如H2O、CO2、O2的气化氧化气体的混合物冷却。
-包括在气旋气化反应器的壁中的热交换器中产生的氧化蒸汽与来自反应(b)、(c)和(d)的气化产物注入到反应管，从而将产生的CO转化为CO2和H2；
-设备或方法允许将包括CO的气体注入到等离子体反应器以进行反应：
(e)2CO→CO2+C，
其特征在于，反应器为等离子体气旋管，包括：
-管，该管为对微波可穿透的，对电场和磁场可渗透的，同时为电绝缘的，诸如石英、氧化铝、氧化锆、硼硅酸盐或碘化物，该管的直径在1cm至10cm之间，优选为4cm，
-至少一个波导，允许在对微波可穿透的管内施加微波，
-在对微波可穿的管的下部的锥体，该锥体被穿孔，轴能够穿过该孔，
-可调节的导电轴，诸如再涂覆有(recoated with)铂金属或不锈钢的石墨，任选地被覆有金或银，
-由导电材料制成的精细推进器(fine propeller)，该精细推进器的直径等于在等离子体气旋管中上升的气柱的截面，通常为管内径的33％，该精细推进器暂时电连接到地，
-在管的顶部位置的盖，该盖的内缘与对微波可穿透的管的内壁相连，具有与盖的内壁相切的孔口(orifice)，允许气体切向注入到盖的所述壁，
-在盖的中心的中央收集管，中央收集管的内径等于上升气柱的尺寸，通常为对微波可穿透的管的内径的33％，
-螺线管，优选具有3至7匝，该螺线管连接到例如800kHz至20MHz之间的高频发生器的终端；
-气旋气化反应器的旋风分离器的收集管；中空蜗杆，收集管与位于第一旋风分离器上方的第二旋风分离器的提取器的中空蜗杆汇合，该蜗杆在其顶端通过盖子闭合，该盖子形成具有导管系统的塞子，也形成上部旋风分离器的底部；围绕管设置的叶片，该叶片与蜗杆的内腔汇合，该叶片为中空的并且在其一端打开进入管的内腔，并在其另一端打开到气旋气化反应器的外部，使得从下部旋风分离器上升的气体被捕获并且通过叶片被引导通过旋风分离器外部的储器以在储器被捕获；
-反应管固定在中空壁推进器或无芯蜗杆上，使得反应管形成推进器的轴，所述推进器和反应管嵌入线性管气化反应器，并且线性管气化反应器的外壁包括至少一个热交换器，以及使得传热流体、优选用于气化的氧化流体在至少一个交换器中循环、使得所述流体通过在线性气化反应器中发生的气化反应来加热，并且使得在优选实施方案中、在至少一个交换器的出口处的传热流体被注入推进器的中空壁中，推进器的中空壁被孔穿透、允许传热流体在气化反应器的由可穿透微波的材料制成的区域中在或多或少垂直于线性管气化反应器的主轴规则布置的波导的对面扩散，材料诸如是锆、氮化物或氧化铝的陶瓷石英，并且在优选实施方案中，形成推进器的轴的反应管也由可穿透微波的材料制成。
-光纤沿着线性管气化反应器、靠近波导规则地布置，以便将电磁辐射、优选为诸如UV、可见光或红外光的光优选注入到线性管气化反应器上、优选气化反应器内，并且注入到反应管上和反应管内；
-在每个波导和任选的每个光纤组之后，在线性管气化反应器中安装气体提取单元，使得每个气体提取单元包括至少一个圆柱形过滤器，圆柱形过滤器通过相对安装的特斯拉阀系统在上游和下游隔离。
本发明还涉及一种用于根据气水反应由CO和H2O生产二氢的设备：
(a)CO+H2O→CO2+H2，
其特征在于，该设备包括：
-反应管，旨在在反应管中循环包括CO和H2O的气体混合物，该反应管的直径在5mm至500mm之间，并且长度在50mm至10m之间，
-第一气化反应器，其中，设置反应管使得反应管经受由第一气化反应器在运行中产生的第一热能，以及
-用于使反应管经受至少一种第二电磁能的至少一个设备，电磁能选自从伽马射线到高于500kHz的无线电波范围内的电磁辐射、可见光红外和紫外波中的辐射、伽马辐射、微波辐射和诸如α和β的核辐射。
根据本发明的设备或方法可以包括以下特征或步骤中的一种或多种，这些特征或步骤彼此独立或彼此组合地采取：
-反应管包括优选地由以下制成的至少一个部分：石英；硼硅酸盐玻璃；难熔金属，诸如因康镍合金、镍或任何其他难熔金属；陶瓷，诸如碳化物，例如碳化硅、碳化碘、碳化锆；
-在反应管的内部包括在其内表面上的配置为催化所述反应(a)的催化剂，使得这些催化剂包括选自以下的金属和这些金属的组合：氧化形式的铁、Fe+、Fe2+、Fe3+、氧化形式的钛、氧化形式的钴、氧化形式的镍、铂系金属和铂系金属氧化物。
-反应管包括内腔，在内腔中布置障碍物组，障碍物组可能被覆有催化剂，优选垂直于反应管的主轴布置，使得通过在反应管的内腔循环，CO/H2O混合物与这些障碍物接触，促进气体与水的反应。
-设备包括至少一个波导，波导配置为将由磁控管产生的微波注入反应管中以便通过热和分子搅动作用促进所述气到水的反应(a)。
-设备包括至少一种光纤，该光纤优选包括石英或硼硅酸盐部，并且配置为将紫外线和红外线之间的电磁辐射施加到反应管的表面或直接施加到反应管内，以便通过提高反应管的温度来激活所述反应(a)。
-设备包括具有3至7匝的螺线管，在螺线管中旨在循环800kHz至20MHz之间的交流电，并且螺线管配置为使反应管经受感应电场和磁场，并且在穿过反应管的CO/H2O气体中产生反应等离子体，以促进所述反应(a)。
-反应管设置在组合选自以下的至少两个设备、且允许对反应管施加微波、光波和感应磁场的任意组合的设备中：
〇至少一个波导，该波导配置为将由磁控管产生的微波注入至反应管，
〇至少一个光纤，该光纤配置为将紫外线至红外线范围内的电磁辐射施加到反应管的表面或直接施加到反应管内，
〇具有3至7匝的螺线管，在所述螺线管中旨在循环800kHz至20MHz的交流电，并且配置为使反应管经受感应电场和磁场，并在穿过反应管的CO/H2O气体中产生反应等离子体。
-所述气化反应器是气旋反应器，其配置为使得源自以下至少一个气化反应的气旋气化反应器的辐射热加热所述反应管：
(b)C+H2O→CO+H2
(c)C+CO2→2CO
(d)C+1/2O2→CO
并且使得气旋气化反应器包括：
〇至少一个圆柱体，该圆柱体形成气化反应器的本体，该圆柱体在气化反应器的底部变窄为锥体，使得注入气化反应器的气体形成沿气旋气化反应器的圆柱壁下降的旋涡，所述旋涡在气旋气化反应器底部的圆锥形的作用下通过对流在气旋气化反应器的中心上升，
〇气旋设备，该气旋设备具有至少两个入口，一个纵向入口和一个切向入口，以及
〇至少一个提取设备，该提取设备用于提取气旋气化反应器的圆锥部的材料；
-所述反应器包括至少一个纵向入口，纵向入口包括双组推进器，优选地，第一组为可移动推进器，该可移动推进器连接到反应管，并且配置为用作气旋气化反应器的旋转中心轴，以及另一组为固定推进器，双组推进器通过限制在气旋气化反应器中循环的气体来允许材料进入气旋气化反应器；
-气化反应器包括：
〇至少一个波导，该波导允许将微波注入气化反应器，以及
〇气化反应器中的至少一个等离子体炬，
使得至少一个波导的取向被优化，使得微波的轨迹与由至少一个等离子体炬注入到气化反应器中的等离子体的轨迹交叉，允许微波与由所述至少一个等离子体炬注入的等离子体相互作用，同时最小化与气化反应器中上升的气体柱的相互作用；
-设备还包括提取设备，该提取设备包括蜗杆、中心轮毂机、中空蜗杆、中空中心轮毂机的任意组合，以及可选地收集管和可能是中空的叶片的任意组合，以及形成具有导管系统的塞子的盖子；
-在气化反应器的壁的水平处引入元件，该元件优选地由陶瓷制成，并且具有以下系统，所述系统允许调节陶瓷的温度以便将陶瓷的温度设定在确定水平从而将所述陶瓷转换成发射选定波长的红外辐射的可调节的黑体，并且其中通过加热设备和冷却热交换器控制黑体的温度来调节由黑体发射的波长；
-气化反应器的至少一个壁包含至少一个热交换器，热交换器由诸如水的流体或诸如H2O、CO2、O2的气化氧化气体的混合物冷却；
-所述至少一个热交换器配置为产生氧化蒸汽，氧化蒸汽与来自所述反应(b)、(c)和(d)的气化产物一起注入到反应管，从而将产生的CO转化为CO2和H2；
-该设备允许将包括CO的气体注入到等离子体反应器以进行反应：
(e)2CO→CO2+C，
其特征在于，反应器为等离子体气旋管，并且包括：
〇管，该管对微波为可穿透的，对电场和磁场为可渗透，并且电绝缘的，诸如石英、氧化铝、氧化锆、硼硅酸盐、碘化物，该管的直径在1cm至10cm之间，并且优选为4cm，
〇至少一个波导，该波导允许在对微波可穿透的管内施加微波，
〇对微波可穿透的管的下部的锥体，该锥体被穿孔，使轴通过孔，
〇可调节的导电轴，诸如被覆有铂金属或不锈钢的石墨，并任选地被覆有金或银，
〇由导电材料制成的精细推进器，该精细推进器的直径等于在等离子体气旋管中上升的气柱的截面，并且通常具有对应于管内径的33％的直径，该精细推进器旨在暂时电连接到地，
〇在管的顶部位置的盖，该盖的内缘与对微波可穿透的管的内壁相连，该盖具有与盖的内壁相切的孔口，允许气体切向注入到盖的所述壁，
〇在盖的中心的中央收集管，该中央收集管的内径旨在等于上升气柱的尺寸，并且通常具有对应于对微波可穿透的管的内径的33％的直径，以及
〇螺线管，该螺线管优选具有3至7匝，该螺线管连接到例如800kHz至20MHz之间的高频发生器的终端。
-该设备包括：
〇收集管，该收集管在气化反应器中，
〇位于第一反应器上方的第二反应器的提取器的中空蜗杆，该中空蜗杆在其顶端通过盖子闭合，该盖子形成具有导管系统的塞子，也形成第二反应器的底部，
〇围绕管设置的中空叶片，该叶片与蜗杆汇合，并且在叶片的一端打开进入管内，并在叶片的另一端打开到第二反应器的外部，使得从第一反应器上升的气体被捕获并且通过叶片引导至外部的储器；
-反应管固定在中空壁推进器或无芯蜗杆上，使得反应管形成推进器或蜗杆的轴，推进器或蜗杆、和反应管嵌入气化反应器，并且气化反应器的外壁包括至少一个热交换器，使得传热流体、优选用于气化的氧化流体在所述至少一个交换器中循环、使得所述流体通过在气化反应器中发生的气化反应来加热，并且使得在优选实施方案中、在至少一个交换器的出口处的传热流体被注入推进器的中空壁中，推进器的中空壁被孔穿透、以允许传热流体在气化反应器的由可穿透微波的材料制成的区域中在或多或少垂直于气化反应器的主轴规则布置的波导的对面扩散，该材料诸如是锆、氮化物、氧化铝的陶瓷石英，并且在优选实施方案中，形成推进器或蜗杆的轴的反应管也由对微波可穿透的材料制成；
-光纤沿着气化反应器、靠近波导规则地布置，以便将电磁辐射(优选为诸如UV、可见光或红外光的光)注入到气化反应器上(优选气化反应器内)，并且注入到反应管上和反应管内；
-该设备包括气体提取单元，该气体提取单元在至少一个波导之后并且可能在光纤组之后被植入气化反应器中，每个气体提取单元包括至少一个圆柱形过滤器，圆柱形过滤器通过相对安装的特斯拉阀系统在上游和下游隔离。
附图说明
本发明的进一步的特征和优点将从下面的详细描述中变得明显，为了理解这些详细描述，参考附图，其中：
[图1]图1示出了具有使该管经受电磁辐射(微波、变化的磁场、紫外光、可见光红外)的设备的反应管，I)从侧面观察，II)从上面观察，其中两个波导以α角度交叉；
[图2]图2示出了穿过气旋气化反应器的反应管：I)侧视图，II)俯视图；
[图3]图3示出了I)波导和等离子体炬的植入，以及II)、III)、IV)分别设置在具有中心轮毂、蜗杆、叶片或翅片的在气旋气化反应器的锥体中的各种材料提取设备；
[图4]图4示出了I)集成到气旋气化反应器的旋风分离器中的可调节的黑体，II)从侧面观察的可调节的黑体，以及III)从正面观察的可调节的黑体；
[图5]图5示出了通过形成羟基金属来鼓泡和并捕获CO2的设备；
[图6]图6示出了具有三级和中心反应管的气旋气化反应器(气化炉)；
[图7]图7示出了用于将CO冷凝到其自身上的等离子体管设备；
[图8]图8示出了两级气旋气化反应器的示例，该反应器具有中空提取器，该中空提取器与中央收集管汇合用于收集上升气体；
[图9]图9示出了放置在气化炉的旋风分离器锥体内的气体回收塞；
[图10]图10示出了具有蜗杆或中空推进器和反应管的线性管气化反应器；
[图11]图11示出了气旋气化反应器的纵向入口的示例，具有滑动或可移动推进器形式的入口输送机和两组叶片或翅片，其中一组叶片或翅片是可移动的，并形成纵向入口；
[图12]图12示出了所涉及的化学方程式、用于中和CO2排放和可调整的气化循环的能量平衡，根据所涉及的能量限制或吸收CO2；
[图13]图13示出了根据本发明的设备，该设备包括气化反应器中的反应管；以及
[图14]图14示出了本发明如何工作的示例。
具体实施方式
1)实现气体与水的反应"a)"的方法：
a)CO+H2O→CO2+H2
放热反应ΔH＝-40kJ.Mol-1
特征在于，CO和H2O的混合物在反应管1中循环，该反应管1的直径在5mm至100mm之间，长度在100mm至10m之间，并且包括优选由以下制成的至少一部分：石英；硼硅酸盐玻璃；难熔金属，诸如因康镍合金、镍或任何其他难熔金属；陶瓷，诸如碳化物，例如碳化硅、碳化碘、碳化锆或任何其他陶瓷；或耐高温和耐氧化介质的材料，使得该反应管集成到气化反应器中并且经受辐射或选自以下辐射的组合：
-从伽马射线到高于500kHz的无线电波范围内的电磁辐射，包括可见光红外和紫外波、活性伽马射线和微波，
-核辐射，诸如α或β，
-热辐射，
允许反应"a”在高于750℃的温度下进行。
2)在特定实施方案中，反应管的内部在其内表面上包括能够催化反应“a”的催化剂，使得这些催化剂包括：
1)Fe+、Fe2+、Fe3+形式的铁氧化物，
2)钛氧化物、钴氧化物、镍氧化物，
3)铂系金属，诸如铂、钯…
这些氧化物的组合或任何其他能够在优选200℃至1000℃之间的温度下催化反应“a”的催化剂。
3)在特定实施方案中，可能被覆有催化剂的障碍物2组将沿垂直于反应管的主轴的方向布置在反应管的内腔，使得当其循环通过反应管的内腔时，CO/H2O混合物与这些障碍物接触，促进反应“a”。
在甚至更优选的实施方案中，障碍物2将由直径在100μm至5mm之间的杆(bar)组成。障碍物将由陶瓷制成，诸如锆、碳化硅或任何其他陶瓷。
在甚至更具体的实施方案中，障碍物2由诸如碳化硅、铂氧化物或其他被覆铂的金属的导电材料制成。
在一些实施方案中，障碍物2由导电材料制成，而反应管由电绝缘材料制成。
4)在一些实施方案中，障碍物2优选沿着沿反应管的螺旋母线图1-I.2植入。
在其他实施方案中，几个障碍物2组可以沿着几个重叠的螺旋母线布置在反应管的内腔中，各障碍物组遵循给定母线。
在其他实施方案中，障碍物2将被多种催化剂被覆(覆盖)，使得每个障碍物被给定的催化剂覆盖，这些催化剂在障碍物之间或给定的催化剂混合物之间是不同的。
5)在特定实施方案中，反应管经受微波，使得反应管垂直于波导3的主轴布置，例如由磁控管产生的微波被注入到波导3中。在该实施方案中，反应管由对微波可穿透的材料制成，例如具有锆、氧化铝、石英、硼硅酸盐玻璃等的陶瓷。
6)在特定实施方案中，波导3包括几个调谐元件，允许调谐入射波和反射波，以便在反应管中沉积最大功率。具体地说，调整元件包括可移动活塞8和调整杆7。
7)在一些实施方案中，反应管1将布置在以角度a隔开的至少两个波导图1.III.3的交叉处，波被注入该波导中，使得角度a允许微波在反应管的水平处交叉，并且使得调谐元件7-8的调节(特别是相位元件的调节)通过叠加来自至少两个源的波，允许在反应管内获得相干波(constructive wave)。微波的作用和可能的催化剂的作用允许促进反应“a”。特别地，通过诱导穿过反应管的CO/H2O混合物中的等离子体的形成。
在特定实施方案中，波导连接至反应管穿过的容纳筒(containment cylinder)4，使得容纳筒与反应管壁形成优选的密封外壳。通向容纳筒的波导可以在容纳筒的上游和下游被对微波可穿透的窗口阻挡，该窗口例如由石英、硼硅酸盐或任何其他对微波可穿透材料制成，使得微波能够施加到反应管。
在其他实施方案中，反应“a”将通过向反应管的表面或直接在反应管内部施加包括在紫外线至红外线范围内的电磁辐射来提高反应管的温度而被激活，该电磁辐射可能封装在包括石英或硼硅酸盐部的光纤6中。光纤6优选插入反应管1通过的密封容纳筒4中，使得光纤发出的光照射并加热反应管1或反应管的内部。
在一个特定实施方案中，容纳筒4的内表面将由诸如抛光或镜面金属的光反射材料制成。在该特定实施方案中，光纤6优选以与反应管的轴成90°角以外的角度植入，以便限制将光送回光纤中的反射。
在优选实施方案中，光纤6将通过太阳聚集来传输集中在光纤中的太阳光。
8)在一个实施方案中，反应管布置在螺线管5的中心，例如具有5匝的螺线管，800kHz至30MHz之间的交流电在该螺线管循环，以便产生能够在穿过反应管的CO和H2O气体中产生反应等离子体的可变感应磁场，从而促进反应“a”。
在特定实施方案中，螺线管将在金属管中制造，诸如铜、金合金、银合金或这些材料的混合物，其可以包括这些材料的镀层，并且使得热传递液体穿过螺线管以冷却所述螺线管。
在一个特定实施方案中，将微波、光波和感应磁场的任意组合施加到反应管。具体地说，容纳筒4能够包含波导和光纤两者，允许在同一水平处引入微波和可见光电磁波。
9)在特定实施方案中，反应管1穿过气旋式气化反应器9，使得气化反应的辐射热能允许启动反应“a”。
气旋气化反应器包括形成旋风分离器本体的圆柱体10，该圆柱体在反应器底部变窄为锥体11，使得注入到反应器中的气体沿着旋风分离器的圆柱体的壁形成向下的旋涡，该旋涡在旋风分离器底部的锥体形状11的作用下通过对流上升到旋风分离器的中心。
10)在特定实施方案中，气旋反应器包括具有两个纵向入口12和切向入口13的气旋设备。例如，由两组翅片14制成的纵向入口，其中可移动组15将优选附接到反应管1上，也用作气化炉的中心旋转轴，以及另一固定组16。双组推进器允许材料通过包含气化炉中循环的气体进入气化炉。至少一个横向入口13切向布置在气旋反应器的圆柱形部分10的顶部，允许气体或等离子体或多或少地切向注入到壁。例如，将使用等离子体炬来产生等离子体，等离子体炬使用形成等离子体产生入口流体的气体或气体混合物、液体或液体混合物、或液体和气体的任何混合物操作。在特定实施方案中，等离子体产生入口流体可以例如从包括水、油、碳氢化合物和焦油的混合物的混合液体中获得。
11)在特定实施方案中，该设备将在一个或多个等离子体炬的入口点下游包括用于注入待气化的流体的孔口，使得流体由水、碳氢化合物/油、混悬液或焦油中的颗粒的任何混合物组成，使得该流体的轨迹与等离子体的轨迹交叉，从而蒸发流体和/或雾化流体。
12)在特定实施方案中，气旋气化反应器包括允许将微波注入气旋气化反应器的至少一个波导17。在特定实施方案中，将优化波导图3-I.17的取向，使得微波的轨迹与等离子体图3-I.13的轨迹交叉，允许微波与等离子体炬注入的等离子体云相互作用，同时最小化与旋风分离器中上升的气柱的相互作用。在该实施方案中，进入反应器的波导的出口将通过由石英、锆、氧化铝或对微波可穿透的任何其他陶瓷制成的窗口关闭，使得集成到气旋反应器内壁中的窗口部分优选被成形为与所述反应器的壁形成连续性。
在一些实施方案中，窗口将从反应器的壁向后设置，诸如具有与窗口相对成形的狭缝的反应器，使得狭缝被间隔开(在9mm至2cm之间，允许微波穿过)，并且气体的切向通道通过文丘里效应(Venturi effect)产生真空。
13)在特定实施方案中，具有用于调节所述陶瓷元件的温度的系统的陶瓷元件将被引入到图4-I.18反应器的壁中，以便将该温度固定在预定水平，以便将该陶瓷元件变换为发射选定波长的红外辐射的可调节的黑体，使得通过控制黑体的温度来调节由黑体发射的波长，使得
λmax＝b/T
以及
νmax＝Tx58.8 Ghz K
其中，T＝绝对温度
b＝2.8977729 10 -3Km，
归功于加热设备和热交换器的拮抗作用。
在一个实施方案中，用于调节黑体的温度的设备将是包括在黑体中的散热器19，该散热器以气体20(例如O2或CO2、H2O蒸气或液体H2O液体)作为传热流体来操作。
在一些实施方案中，在冷却黑体之后，通过散热器将用于冷却黑体的冷却流体注入气旋气化反应器。
在其他实施方案中，黑体由诸如水的流体或在集成到黑体中的散热器中循环的任何其他传热流体来冷却。
在一些实施方案中，通过施加电磁辐射来加热黑体。在一个实施方案中，通过将经调节的太阳电磁辐射施加到光纤图3-II.6中来实现加热。
在一些实施方案中，黑体由诸如碳化硅、锆石(zircon)、锆或铂系金属的导电材料制成，并通过施加注入气旋反应器的微波或电磁波来加热。
在操作期间，黑体将通过来自气旋气化反应器中循环的流体和颗粒的热量、来自反应器内产生的化学反应的热量、任何微波的作用以及来自光纤的光的作用的任何组合的热量输入而被加热到所需温度。
通过黑体的散热器或交换器冷却黑体来平衡黑体的加热，黑体的温度将稳定在所需的电磁发射温度，拮抗剂的平衡将黑体保持在稳定的温度。
例如，连接至自动机(诸如Arduino、微控制器或任何其他自动机)的光学热探头或热电偶允许通过控制冷却流体的流速以及黑体将经受的照明和/或微波曝光的水平，来将黑体的温度保持在目标温度。温度控制一方面包括控制比例阀或开/关阀和/或泵和/或风扇的打开和关闭，以控制用于冷却黑体的流体的流速，以及另一方面包括控制微波和/或快门或膜片的功率；通常，是能够控制黑体所暴露的光功率和/或微波功率的所有装置。通过组合黑体加热/冷却的两种拮抗剂，得到可调节的黑体的目标温度。
14)在特定实施方案中，可调节的黑体用于使对称分子“无偶极矩”对磁场或电场(诸如微波产生的场)敏感。
通过使分子经受与它们的非对称模态的振动模式之一的吸收频率相对应的辐射，产生瞬时偶极子，实现对变化的磁场或电场的敏感性。在瞬时偶极子的使用寿命期间，分子对磁场变得敏感，并根据磁场定位自身，产生分子的动力学加热。
15)在气旋气化反应器中进行的主要反应将是：
b)C+H2O→CO+H2
c)C+CO2→2CO
d)C+1/2O2→CO
例如，在反应“c”中黑体用于使用微波加热对称的CO2分子，通过将黑体的发射调节到1500cm-1以通过拉伸使分子不对称，或调节到3000cm-1以通过结合使分子不对称。
可调节的黑体还能够用于在微波的作用下加热O2分子，通过使分子在2331cm-1处不对称。
通常，可调节的黑体能够根据不对称振动模式的振动频率调节到其他参与的分子的振动模式。
16)在特定实施方案中，在气旋气化反应器的底部、在圆锥部的顶端引入了图2-I.21的物料提取器图2-I.21，以便当下降的旋涡汇聚成上升的气柱时，通过限制或阻止气体通过旋风分离器的锥体离开，沉积的颗粒能够被排出反应器外。
在特定实施方案中，该提取器由图3-IV.22的倾斜叶片组构成，该倾斜叶片沿下降的旋涡气体旋转的相同方向。当其下降时，旋涡气体的动能阻止其通过叶片，而气化的颗粒(熔渣)或部分气化的颗粒(活性炭)能够通过叶片之间的空间离开反应器。
17)在另一优选实施方案中，提取器由图3-II.23的圆柱形磨机构成，该圆柱形磨机由配备有凹槽的梯形的图3-II.24的中心轮毂构成，凹槽的深度形成例如椭圆形，中心轮毂设置在图3-II.25的内表面上配备有凹槽的梯形互补圆柱体中，该凹槽的深度例如形成椭圆形。中心轮毂固定在图3-II.1的反应管上，使其与反应管一起旋转。
当它旋转时，轮毂粉碎气化的颗粒(熔渣)，或部分气化的活性炭，将它们从反应器中排出。
18)在优选实施方案中，提取器包括蜗杆输送机，使得气旋反应器底部的锥体顶部包括图3-III.26、图2-I.26的圆柱体，其中布置有蜗杆，图3-III.27、图2-I.27的蜗杆固定在反应管上，反应管充当蜗杆的旋转轴。随着蜗杆的转动，根据充当旋转轴的反应器的旋转速度，气化颗粒(熔渣)或部分气化颗粒(活性炭)被排放到反应器外取决于。
19)提取器可由倾斜叶片、中心轮毂机、蜗杆输送机的任意组合构成。
具体地说，提取器可以由以下组合构成：
-倾斜叶片，蜗杆输送机，22、27
-倾斜叶片，中心轮毂机22、23
-蜗杆输送机，中心轮毂机，27、23
-倾斜叶片，蜗杆输送机，中心轮毂机，22、23、27
20)在特定实施方案中，气旋气化反应器在前三分之一处具有图1-I.28的中心管，以捕获在旋风分离器的中心上升的气体。中心管将用作形成旋风分离器的纵向入口的翅片14组的轴，使得中心管优选被固定到第一组翅片14上，并且通过允许旋转的设备28用作第二组翅片15的旋转轴。第二组翅片15将通过允许气体通过的附件固定到反应管1上，使旋风分离器在中心管之间上升，第二组翅片的附件结构(例如双推进器29)将允许连接，同时允许气体通过，在旋风分离器的中心上升。连接的推进器将以这样的方式定位，当它旋转时，在反应管的驱动下，双推进器将使气柱中的气体上升到气旋反应器的中心出口。
21)在特定实施方案中，气旋气化反应器的壁将包括热交换器，优选用水冷却，但也能够由任何流体或气体混合物冷却，并且特别是气化中使用的氧化性气体的任何混合物，诸如CO、H2O、CO2。
22)在优选实施方案中，由于从气旋反应器中发生的化学反应中回收的热量，在气旋反应器的壁中包括的交换器中产生的水蒸气将：
与CO一起注入，该CO在气旋式气化反应器中由反应“c”和/或由反应“d”产生，任选地通过在H2的存在下通过反应“b”或通过反应“c”、“d”、“b”的组合而产生，使得反应“a”能够在反应管中发生，从而在水蒸气、热量和覆盖在管式反应器内部的催化剂的作用下将产生的CO转化为CO2和H2。
通过等离子炬注入气旋气化反应器。
24)在优选实施方案中，包括在气旋气化反应器中轴向位置的反应管可通过植入允许该辐射产生在气旋气化反应器的气旋部分的上游或下游的设备而经受辐射或微波、发光、热或放射性辐射的任何组合，或经受变化的电场和磁场。
25)在特定实施方案中，在反应管的出口处，例如使用ORC循环的换热器将气体混合物冷却至100℃以下，允许同时产生电力。
26)在优选实施方案中，冷却的混合物在饱和的羟基金属的储器中鼓泡，羟基金属诸如：X(OH)j以及可能包含X(HCO3)j形式，
冷却的混合物中包含的CO2溶解，以形成碳酸盐和碳氢酸盐，诸如：
G1)CO2+H2O→H2CO3
G2)CO3+OH→H-CO3 -
CO2+H2O→H-CO3 -+H+
以及使得
F3)X(OH)j+j(H2CO3)→X(HCO3)j+j H2O
或
F4)X(OH)j+j n(H-CO3 -)→Xn(CO3)j+j H2O
或
F5)X(OH)j+j(H-CO3 -)→X(CO3)j+j H2O
使得“X”取自n+、d2+，并且“j”在1至2之间。
“n”选自(Li、Na、K)
“d”选自(Mg、Ca、Be)。
27)在特定实施方案中，鼓泡设备是密封罐的形式图4.30，包括密封斜面图4.31，使得带有过滤夹板33的传送带32布置在储罐30的底部并在密封斜面31中上升。管34放置在斜面的末端，使得当传送带通过最后一个滚筒时，它能够将传送带携带的沉淀物排入管中。洗涤设备35在斜面末端用饱和了X(OH)j的溶液喷洒传送带，使得洗涤水和传送带携带的材料落入管34中。鼓泡系统37位于容器中的传送带上方，使得从管式反应器中冷却至低于100℃的温度的混合物从传送带上方的鼓泡进入储罐。由于与储罐39汇合的包含X(OH)j晶体的储器，储罐30中包含的溶液36被X(OH)j饱和，从而产生饱和溶液。在X(OH)j的作用下，形成沉淀，例如X＝Na、K、Li时为X(HCO3)j，或X为Ca或Mg时为X(CO3)j。然后，沉淀物由传送带驱动进入斜面，并溢出到管子中。然后，管子打开到压力机41的入口，压力机41压缩沉淀物并将其从溶液中分离出来。然后，溶液返回到包含晶体X(OH)j的储器39。鼓泡后释放的气体能够多次洗涤，以这种方式获得99.99％的纯化的H2。
28)在一个实施方案中，能够在同一气旋气化反应器中同时进行反应“b”、“c”和“d”的任何组合。然而，在优选实施方案中，三个反应中的每一个分别在多级气旋气化反应器中进行。
因此，反应“d”具体是通过使用图6-I-13的等离子体炬向图6-I-53的反应器注入纯氧来进行的。
通过使用1/2O2比1碳比例的氧缺陷，并且在高于700℃的温度下，优选高于950℃通过等离子体炬的作用和/或向反应器中注入微波或两者的组合而获得，基本上可以产生CO。
然后，CO将与产生的水蒸气一起注入反应管中，以产生二氢和CO2。
29)在另一实施方案中，CO中的一些被重定向到等离子体气旋管反应器图7，其允许进行反应“e”
e)2CO→CO2+C
反应“e”在微波的施加下被催化。
在特定实施方案中，图7的等离子体气旋管包括石英43、氧化铝、氧化锆、硼硅酸盐或任何其他对微波可穿透的材料或陶瓷的管，该管可透透电场和磁场，同时电绝缘，直径在1cm至10cm之间，优选4cm，通过图7.3的波导布置，允许在管内施加微波。波相设备布置在等离子体气旋管的上游和下游，特别是允许调制入射波的相位的可伸缩杆和允许修改反射波的相位的可移动波纹管。
在特定实施方案中，等离子体气旋管位于以角度隔开的两个波导的交叉处，使得来自每个波导管的磁控管的波以这样的方式叠加，即，在波导的交叉点处，在反应管的水平上产生谐波，该谐波被施加在反应管内的微波强度的平方放大。在该实施方案中，每个波导具有可移动的波纹管和杆，允许调节入射波和反射波的相位。
等离子体气旋管的下部由锥体44闭合，锥体44被穿孔，该孔通过可调节的、可伸缩的导电轴46。例如，轴将由被覆有铂金属的石墨、可能被覆有金或银或任何其他导电材料的不锈钢制成。轴的上方是薄推进器(thin propeller)45，该推进器45由与轴相同性质的导电材料或任何其他导电材料制成。
在特定实施方案中，轴和精细推进器可以连接到地47。在特定实施方案中，精细推进器的直径将等于上升气柱的横截面，从而当气体上升时，它能够旋转精细推进器。等离子体气旋管的顶端由盖子50形成，盖子的内缘与管的内面连续。孔口与盖的壁49切向布置，允许气体切向注入至盖子的壁和管的壁，从而形成下降的旋涡。在盖的中心是中央收集管48，其内径等于上升气柱的尺寸，通常为管内径的33％。
在优选实施方案中，等离子体气旋管布置在图7-I.4的容纳筒中，以便通过传输微波的图7-I.3的一个或多个波导。
在特定实施方案中，通常具有3-5匝或7匝的螺线管图7-I.5优选由诸如覆盖银或金的铜管的导电管的绕组形成，并且使得传热流体通过螺线管的管来冷却它，螺线管连接至例如800kHz至16MHz之间的高频发生器的终端。
气旋气化反应器中产生的全部或部分CO被注入到等离子体气旋管的塞子的切向入口，从而在等离子体气旋管中形成向下的旋涡。在等离子体气旋管的底部，在锥形形状的作用下，气体汇聚形成上升到等离子体气旋管的中心的气体柱。可调节的轴和精细推进器处于理想位置，使得精细推进器通过向上流动的气体旋转。由于轴连接到地时，螺线管产生的高频电场会点燃上升到管中心的气体柱中的等离子体，可能也会点燃旋涡中的等离子体。精细推进器的旋转拉伸了等离子体流的每条线，从而产生了滑动弧线或平滑弧线。然后，等离子体流线经受微波点燃管的区域内的强等离子体，从而诱导CO自身的缩合反应生成C和CO2。
然后，形成向上流动的碳粉和CO2被位于石英管中心的盖子的管捕获。
然后在旋风分离器中快速冷却CO2/碳颗粒流，旋风分离器包括布置在旋风分离器中心的收集管上的颗粒过滤器以捕获碳粉，以及旋风分离器壁上的交换器和管道以允许冷却传热流体通过。
过滤旋风分离器中心管的外部还将安装换热器。所使用的传热流体能够是ORC的传热流体。
30)在过滤旋风分离器的出口处，能够使用26部分描述的方法附着产生的CO2。
在另一实施方案中，根据图12.73所示的循环，能够使用CO2作为催化剂，用于以碳粉的形式存储来自C的碳，其中通过图12-71的组合方程式，由气旋气化反应器回收CO2。在这种情况下，气旋气化反应器将具有特定于反应a、b、c和d的气旋级。
在26)部分中的方程式的范围内，通过将方程式“c”和方程式“F3”与方程式“S”组合，能够认为CO2是用于储存CO2的碳的催化剂。
使得：
S1：X(HCO3)j→X(CO3)j/2+(H2O)j/2+CO2
S2：2X(HCO3)→X2CO3+CO2+H2O
使得“X”取自n+、d2+，并且“j”在1至2之间。
“n”选自(Li、Na、K)
“d”选自(Mg、Ca、Be)
使用相同的原理，能够通过组合不同的反应来创造混合的情况。
31)在特定实施方案中，气旋反应器能够是多级气旋反应器，通常是三级气旋反应器51、52、53，其中一级专用于每个反应：
b)C+H2O→CO+H2，Cf图7-I.51
c)C+CO2→2CO，对于Cf图7-I.52
d)C+1/2O2→CO，对于43图7-I.53
气体到水的反应“a”是由反应管图7-I.1通过旋风分离器形成的轴上产生的，并且该轴也作为旋转轴。
32)在该特定实施方案中，气旋气化反应器的两个气旋级之间的过渡是通过围绕管的翅片组来进行的，所述管是下部旋风分离器在上部旋风分离器的圆锥部中上升的收集管图3-IV.54，使得在下部旋风分离器中心上升的气体能够通过与上部旋风分离器上升柱的气体并置或混合而上升到上部旋风分离器的中央部分。
在这种结构中，图3-IV.22的翅片防止从气旋气化反应器的上部旋风分离器的旋涡下降的气体通过下部旋风分离器，而中心管允许向上流动的气体通过反应器的所有旋风分离器。
33)在特定实施方案中，将在气旋气化反应器的两个旋风分离器或级之间布置提取器。在本实施方案中，提取器图8-II.21的推进器或蜗杆和/或磨机的中心轮毂将是中空的，并固定到用于收集在下部旋风分离器中心上升的气体的中心管上，形成旋转轴的反应管图8-II.1固定到提取器的蜗杆和/或磨机的中央轮毂，使得从第二旋风分离器或下部旋风分离器上升的气体能够在反应管的外表面和蜗杆或蜗杆的内腔和/或磨机的中央轮毂之间穿过。被气化的材料和/或熔渣能够通过蜗杆的螺纹的作用从上部旋风分离器输送到下部旋风分离器。
34)在特定的实施方案中，在提取器的蜗杆的端部，将从蜗杆的边缘放置裙板图8-II.54、图6-I.54，距离气旋气化反应器的旋风分离器边缘最多1cm。该裙板允许来自上部旋风分离器的物料被引导至下部旋风分离器的外围，使得来自第一旋风分离器的物料被引导到下部旋风分离器的向下气体旋涡中。
在特定实施方案中，重复的垂直叶片图8-II.55被布置在裙板图8-II.54的边缘，以打破任何旋涡上涌。
35)在特定实施方案中，可以在收集管图6-I.57的端部布置收集锥体图6-I.56，用于收集上升到气旋气化反应器的旋风分离器中心的气流，该锥体的大小允许调节引入气化炉的颗粒的停留时间。
36)在其他实施方案中，下部旋风分离器的收集管图6-I.57、图8-II.57与上部旋风分离器的提取器图6-I.21、图8-II.21的蜗杆汇合，将下部旋风分离器的收集管在其上端通过盖子图6-I.58、图9-II.58、图9-I.59关闭塞子的叶片图9-II.60是中空的，并且一端打开到进入收集管图6-I.57、图8-II.57的内腔，以及另一端打开到气化炉的外部，使得从下部旋风分离器升起的气体被收集器图6-I.57、图8-II.57捕获，并通过叶片导向旋风分离器外的捕集点。
37)在特定实施方案中，尺寸在1m至10m之间、以及内径在5mm至50mm之间的线性反应管图10-I.1被固定到推进器或中空无芯蜗杆上图10.61，使得反应管形成无芯蜗杆的轴。然后将推进器和反应反应器封装在气化反应器管图10-I.62中。线性管气化反应器的外壁包括热交换器图10-I.63，使得传热流体、优选是用于气化的氧化性流体在交换器中循环，使得使所述流体通过在线性管气化反应器中发生的气化反应来加热。然后将传热流体注入蜗杆图10.64的中空壁中。在蜗杆图10-I.65的中空壁中按固定间隔穿透的孔允许氧化性流体均匀分布在管式气化反应器中。垂直于主轴的波导图10-I.3在管式气化反应器由对微波可穿透的材料(诸如锆、氧化铝的陶瓷石英)制成的区域沿线性管气化反应器规则地布置，可能形成无芯蜗杆的轴的反应管也由对微波可穿透的材料制成。例如，由磁控管产生的微波因此被注入到线性管气化反应器中，并且可能被注入到反应管中。波导可以伴随有具有可移动活塞和可伸缩圆柱体的调谐设备。
38)在特定实施方案中，光纤图10-I.6沿着线性管气化反应器规则地布置在靠近波导的位置，以便将电磁辐射(优选可见光、UV或红外光)注入到线性管气化反应器的壁上并且可能注入到反应管反应器中。在优选实施方案中，光纤不垂直于线性管气化反应器插入。在一个实施方案中，中空的蜗杆的壁上的孔或洞65布置为与波导相对，使得氧化性流体在蜗杆的出口处直接暴露在磁控管中。
39)在每个磁控管和光纤之后，在线性管反应器中植入气体提取单元图10-I.66，使得每个气体提取单元包括通过相对安装的特斯拉阀图10-I.6系统在上游和下游隔离的圆柱形过滤器图10-I.67。
每个特斯拉阀由一系列杯柄管组成，这些管子围绕线性管气化反应器的一部分环形布置在线性管气化反应器的壁上。几排杯形杯柄形成了特斯拉阀。在一些实施方案中，特斯拉阀的杯形管布置成一个或多个螺旋母线。使用杯柄管获得相对或拮抗性的阀，其中杯柄管的弯曲部分具有从一个阀到另一个阀的相反方向。以这种方式，氧化性气体在线性管气化反应器中的两个拮抗阀之间均匀扩散，扩散很少，并且在微波和可能的其他电磁辐射的作用下，与碳底物局部反应，产生气化反应，但产生的合成气(CO和H2的任何比例)和氧化性气体在相对的特斯拉阀的作用下缓慢扩散通过反应器，到达提取单元的过滤器，为所有氧化性气体留出反应的时间。在提取单元的水平上，特斯拉拮抗/相对阀将气体捕获在圆柱形过滤器的水平上，由于围绕圆柱形过滤器的两个特斯拉阀之间相对布置的杯形手柄，通过位移长度足以允许其被提取。合成气扩散在提取器的水平上大大减慢，使得它能够被泵送、通过圆柱形过滤器吸入或通过被动扩散收集。由无芯蜗杆输送的底物将沿着线性管气化反应器输送底物，依次经过引起连续气化的波导和光纤前面，然后在提取器前允许产生的气体被排空。
38)在某些实施方案中，在线性管气化反应器的换热器63中循环的流体可以是热水，特别是在核电站回路中循环的热水。例如，在通过驱动涡轮机的二次回路的热交换器后，来自非消耗尽REP或EPR核电站的一次水回路的加压水。
然后，水通过线性管气化反应器的交换器。加压水的余热仍然足以启动或减少启动气化反应所需的能量输入，特别是放热反应“d”，在这种几何构造中，来自交换器和氧化性气化流体的水将被分离。
由于自热和放热反应“d”，离开线性管气化反应器的换热器的水将比入口处的水更热，并可用于产生新的蒸汽循环或用于另一ORC循环。
在某些实施方案中，加热的加压水能够返回到核电站的一次回路和二次回路之间的交换器的入口，以改善蒸汽循环。
这种方法允许设计无污染的核能/生物质/煤组合系统，允许在不降低核电站电力生产性能的情况下开发煤或生产二氢。
用于实施本发明的模式的示例/描述：
图14和以下描述涉及实施例，该实施例说明了本发明并展示了本发明如何工作。
外径40mm、内径37mm、长500mm的石英管78与外径40mm、内径37mm、长1,000mm的碳化硅管77连接，两管由外径44mm、内径40mm、长10mm的锆环89结合在一起。
管的石英部78布置在品牌的聚焦设备(称为下游82)的中心，该聚焦设备包括例如直径为42mm且具有镜面滑动活塞类型的活动活塞8的黄铜管，以及例如称为刺针7的障碍物活塞类型的调节系统，该调节系统允许控制微波的相位，以便在石英管的中心产生微波的相干波(constructive wave)。
下游82耦合到最大功率为2mW的2.45GHz 83微波源，允许将微波施加到石英管78，活塞8和刺针7允许将微波集中在石英管的中心。
微波发生器设置为1MW。
在下游82下方，四匝螺线管79围绕石英管78布置，该石英管由直径10mm的铜管和冷却液80构成，以便形成100mm高的螺线管。去离子水通过螺线管79的管循环，允许其冷却。
螺线管的端部连接到13.56MHz高频发电机，输送最大电流为4kV，最大电流为0.5A，功率为2MW。功率设置为1MW。
石英管和螺线管组件封装在400x 400x 400mm的调谐盒中，允许减少组件阻抗的变化。
碳化硅管77通过火炬81的火焰保持在800℃的温度，火炬81通过碳化硅管77的壁供应热能，模仿气旋气化炉76中心的作用(图6和图13)。
气旋气化炉的中心温度在500℃至2000℃之间，通过使用软件的热和流体建模来确定。
首先，将1/2水蒸气、1/2CO的气体混合物88以5至10L/min的流速在大气压下通过碳化硅管77的入口引入，以便通过碳化硅管，以及然后通过石英管。
然后，在螺线管79的水平上在石英管中形成有线等离子体炬，并在微波的作用下在下游82的水平上加强。
水冷却器84安装在石英管的顶部出口，允许在气体通过碳化物和石英管78之后冷凝残留在气体中的水蒸气。在冷却器的出口处布置烧瓶85，允许收集离开冰箱(refrigerator)的气体和任何液体。
在CO/H2O气体流速在5至10L/min之间时，在烧瓶中没有收集液体，并且由CO检测器86对在烧瓶中收集的气体的分析没有指示在排出气体中存在CO。所有的CO和H2O都发生了反应。
在高于10l/min，烧瓶中形成的冷凝液滴表示来自石英管78的流出物中存在水，并且通过CO检测器86对烧瓶中收集的气体的分析表明存在CO。
当磁控管83、在螺线管79中感应磁场的高频发生器和热加热炬81被关闭时，水和CO的存在也被揭示。
在实施方案的另一实施例中，将液体水88的喷雾引入碳化硅管内。喷雾形式的液体水由气体CO发动机驱动，流速为2.55l/min的和CO，雾化喷嘴设定在2.25g至4.5g水/min之间粉碎。
在该工作范围内，烧瓶85中没有收集液体，并且由CO检测器86收集在烧瓶中的气体的分析不指示CO的存在。
因此，发明人已经证明了根据本发明的设备的可行性、重复性和操作。
所有图的图例
1-反应管
2-反应管中的障碍物
3-波导
4-用于微波和可见光、UV和红外线辐射的容纳筒
5-交流电在其中循环的螺线管
6-光纤
7-用于调节波相位的调节杆
8-调谐波反射的可移动活塞
9-气旋气化反应器
10-形成气化炉的旋风分离器主体的圆柱体
11-形成气化炉的圆柱体的锥体
12-气旋反应器的纵向入口
13-用于等离子体炬的气旋反应器的切向入口
14-气旋反应器的具有双组翅片的纵向入口
15-气旋反应器的双足翅片可移动组
16-气旋反应器的双组翅片的固定间隙
17-用于向气旋气化反应器注入微波的波导
18-具有以下系统的陶瓷元件，所述系统使对温度进行调节从而形成可调节的黑体.
19-包括在黑体中的散热器
20-用于黑体的冷却流体
21-物料提取器
22-倾斜叶片组
23-圆柱形磨机
24-带凹槽的梯形中心轮毂
25-中心轮毂的补充圆柱体
26-于提取器的蜗杆圆柱体
27-物料提取器蜗杆
28-允许纵向入口的两组推进器之间旋转的设备
29-将纵向进口的可移动叶片连接到反应管的双推进器
30-包含饱和羟基金属溶液的密封罐
31-饱和羟基金属的罐的密封斜面
32-传送带
33-过滤器楔(filter cleat)
34-用于回收沉淀物的回收软管
35-用于洗涤传送带的洗涤设备
36-羟基金属饱和溶液
37-富含CO2的气体鼓泡系统
38-富含CO2的气体
39-饱和溶液中包含羟基金属晶体的加压储罐
40-过滤器
41-压滤机
42-泵
43-石英管
44-穿孔锥体
45-由导电材料制成的薄推进器
46-可调节和可伸缩的轴，导电
47-地
48-收集等离子体气旋管的盖子的收集管
49-等离子体气旋管盖壁上的切向孔口
50-等离子体气旋管盖
51-气化炉阶段
52-气化阶段
53-气化阶段
54-裙板
55-沿裙板边缘布置的竖直刀片
56-在收集管端部布置的收集锥体
57-收集管
58-盖子/塞子
59-盖子的导管
60-形成导管的中空叶片
61-推进器或中空壁无芯蜗杆
62-气化反应器管
63-线性管气化反应器的换热器
64-线性管气化反应器的蜗杆的中空壁
65-线性管气化反应器的蜗杆的中空壁中以固定的间隔穿透的孔
66-线性管气化反应器的提取单元
67-圆柱形过滤器
68-特斯拉阀，由一系列杯形管和两个圆柱形过滤器构成
69-中空蜗杆
70-中空中心轮毂机
71-反应a、b、c、d、e
72-反应组合(a、b、c、d、e)与EXT的能量平衡：外部能源：太阳能、核能、地热或任何其他能源
73-用于回收CO2和生产H2的碳的循环
74-用于供给切向入口的蜗杆或滑块，可能是可移动的并耦接到反应管1上
75-气旋气化炉的工作温度
76-气化反应器/气旋气化炉-热模拟
77-碳化硅反应管
78-石英反应管
79-螺线管冷却水
80-冷却水
81-热加热火焰
82-下流
83-磁控管
84-冷却器
85-烧瓶
86-CO检测器
87-气体出口
88-进气CO/H2O混合气体或用CO发动机气体喷洒H2O
89-锆-陶瓷接合
Claims (20)
1.一种用于根据以下气水反应由CO和H2O生产二氢的设备：
(a)CO+H2O→CO2+H2，
其特征在于，所述设备包括：
-反应管(1)，旨在在所述反应管中循环包括CO和H2O的气体混合物，所述反应管的直径在5mm至500mm之间，并且长度在50mm至10m之间，
-第一气化反应器(9、51、53、52)，其中，设置所述反应管使得所述反应管经受由所述第一气化反应器在运行中产生的第一热能，以及
-用于使所述反应管经受至少一个第二电磁能的至少一个设备，所述电磁能选自从伽马射线到高于500kHz的无线电波范围内的电磁辐射、可见光红外和紫外波中的辐射、伽马辐射、微波辐射和诸如α和β的核辐射。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述反应管(1)包括优选地由以下制成的至少一个部分：石英；硼硅酸盐玻璃；难熔金属，诸如因康镍合金、镍或任何其他难熔金属；陶瓷，诸如碳化物，例如碳化硅、碳化碘、碳化锆。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在所述反应管的内部包括在其内表面上的配置为催化所述反应(a)的催化剂，使得这些催化剂包括选自以下的金属和这些金属的组合：氧化形式的铁、Fe+、Fe2+、Fe3+、氧化形式的钛、氧化形式的钴、氧化形式的镍、铂系金属和铂系金属氧化物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述反应管包括内腔，在所述内腔中布置障碍物组(2)，所述障碍物组可能被覆有催化剂，优选垂直于所述反应管的主轴布置，使得通过在所述反应管的所述内腔循环，CO/H2O混合物与这些障碍物接触，促进气体与水的反应。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少一个波导(3)，所述波导配置为将由磁控管产生的微波注入至所述反应管中以便通过热和分子搅动作用促进所述水-气反应(a)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少一种光纤(6)，所述光纤优选包括石英或硼硅酸盐部，并且配置为将紫外线和红外线之间的电磁辐射施加到所述反应管的表面或直接施加到所述反应管的内部，以便通过提高所述反应管(1)的温度来激活所述反应(a)。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括具有3至7匝的螺线管(5)，在所述螺线管中旨在循环800kHz至20MHz之间的交流电，并且所述螺线管配置为使所述反应管经受感应电场和磁场，并且在穿过所述反应管的CO/H2O气体中产生反应等离子体，以促进所述反应(a)。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述反应管(1)设置在组合选自以下的至少两个设备(3、5、6)、且允许对所述反应管施加微波、光波和感应磁场的任意组合的设备中：
-至少一个波导(3)，所述波导配置为将由磁控管产生的微波注入至所述反应管，
-至少一个光纤(6)，所述光纤配置为将紫外线至红外线范围内的电磁辐射施加到所述反应管的表面或直接施加到所述反应管的内部，
-具有3至7匝的螺线管(5)，在所述螺线管中旨在循环800kHz至20MHz的交流电，并且配置为使所述反应管经受感应电场和磁场，并在穿过所述反应管的CO/H2O气体中产生反应等离子体。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于，所述气化反应器(9、51、53、52)是气旋反应器，所述气旋反应器配置为使得源自以下至少一个气化反应的所述气旋气化反应器的辐射热加热所述反应管(1)：
(b)C+H2O→CO+H2
(c)C+CO2→2CO
(d)C+1/2O2→CO
并且使得所述气旋气化反应器包括：
-至少一个圆柱体(10)，所述圆柱体形成所述气化反应器的本体，所述圆柱体在所述气化反应器的底部变窄为锥体(11)，使得注入所述气化反应器的气体形成沿旋风分离器的圆柱壁下降的旋涡，所述旋涡在所述旋风分离器的底部(1)的圆锥形的作用下通过对流在所述旋风分离器的中心(57)上升，
-气旋设备，所述气旋设备具有至少两个入口，一个纵向入口(12)和一个切向入口(11)，以及
-至少一个提取设备(21)，所述提取设备用于提取所述旋风分离器底部处的所述圆锥部中的材料。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述反应器包括至少一个纵向入口(12)，所述纵向入口包括双组推进器(14)，优选地，第一组为可移动推进器(15)，所述可移动推进器连接到所述反应管(1)，并且配置为用作所述气旋气化反应器的旋转中心轴，以及另一组为固定推进器(16)，所述双组推进器通过限制在所述气旋气化反应器中循环的气体来允许所述材料进入所述气旋气化反应器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其特征在于，所述气化反应器包括：
-至少一个波导(17)，所述波导允许将微波注入所述气化反应器，以及
-所述气化反应器中的至少一个等离子体炬，
使得所述至少一个波导(图3-I)的取向被优化，使得所述微波(17)的轨迹与由至少一个等离子体炬注入到所述气化反应器中的所述等离子体(1)的轨迹交叉，允许所述微波与由所述至少一个等离子体炬注入的所述等离子体相互作用，同时最小化与所述气化反应器中上升的气体柱的相互作用。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括提取设备，所述提取设备包括蜗杆(26)、中心轮毂机(23)、中空蜗杆(69)、中空中心轮毂机(70)的任意组合，以及可选地收集管(57)和叶片(22)的任意组合、所述叶片(22)任选地为中空的(60)，以及形成具有导管系统(59)的塞子的盖子(58)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，其特征在于，在所述气化反应器的壁的水平处引入元件(18)，所述元件(18)优选地由陶瓷制成，并且具有以下系统，所述系统允许调节所述陶瓷(6、19)的温度以便将所述陶瓷的温度设定在确定水平从而将所述陶瓷转换成发射选定波长的红外辐射的可调节的黑体，并且其中通过加热设备和冷却热交换器控制所述黑体的温度来调节由所述黑体发射的波长。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备，其特征在于，所述气化反应器的至少一个壁包含至少一个热交换器，所述热交换器由诸如水的流体或诸如H2O、CO2、O2的气化氧化气体的混合物冷却。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述至少一个热交换器配置为产生氧化蒸汽，所述氧化蒸汽与来自所述反应(b)、(c)和(d)的气化的产物一起注入到所述反应管(1)，从而将产生的CO转化为CO2和H2。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的设备，该设备允许将包括CO的气体注入到等离子体反应器以进行反应：
(e)2CO→CO2+C，
其特征在于，所述反应器为等离子体气旋管，并且包括：
-管(43)，所述管对微波为可穿透的，对电场和磁场为可渗透的，并且电绝缘的，诸如石英、氧化铝、氧化锆、硼硅酸盐、碘化物，所述管的直径在1cm至10cm之间，并且优选为4cm，
-至少一个波导(3)，所述波导允许在对微波可穿透的所述管的内部施加微波，
-在对微波可穿透的所述管的下部的锥体(44)，所述锥体被穿孔，轴(46)能够穿过所述孔，
-可调节的导电轴，诸如涂覆有铂金属或不锈钢的石墨，并任选地涂覆有金或银，
-由导电材料制成的精细推进器(45)，所述精细推进器的直径等于在所述等离子体气旋管中上升的所述气柱的截面，并且通常具有对应于所述管的内径的33％的直径，所述精细推进器旨在暂时电连接到地(47)，
-在所述管的顶部位置的盖(50)，所述盖的内缘与对微波可穿透的所述管的所述内壁相连，所述盖具有与所述盖的所述内壁相切的孔口(49)，允许气体切向注入到所述盖的所述壁，
-在所述盖的中心的中央收集管(48)，所述中央收集管的内径旨在等于所述上升气柱的尺寸，并且通常具有对应于对微波可穿透的所述管的所述内径的33％的直径，以及
-螺线管(5)，所述螺线管优选具有3至7匝，所述螺线管连接到例如800kHz至20MHz之间的高频发生器的终端。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括：
-所述气化反应器的收集管(57)，
-位于所述第一反应器上方的第二反应器的提取器的中空蜗杆(69)，所述蜗杆在其顶端通过盖子闭合，所述盖子形成具有导管系统(59)的塞子(58)，也形成所述第二反应器的底部，
-围绕所述管设置的中空叶片(60)，所述叶片与所述蜗杆汇合，并且在所述叶片的一端打开进入所述管中，并在所述叶片的另一端打开到所述第二反应器的外部，使得从所述第一反应器上升的气体被捕获并且通过所述叶片引导至外部的储器。
18.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述反应管(1)固定在中空壁推进器(64)或无芯蜗杆(61)上，使得所述反应管形成所述推进器或所述蜗杆的轴，所述推进器(61)或蜗杆、和所述反应管(1)嵌入所述气化反应器(62)，并且所述气化反应器的外壁包括至少一个热交换器(63)，使得传热流体、优选用于气化的氧化流体在所述至少一个交换器中循环、使得所述流体通过在所述气化反应器中发生的气化反应来加热，并且使得在优选实施方案中、在所述至少一个交换器的出口处的所述传热流体被注入所述推进器的中空壁中，所述推进器的中空壁被孔(63)穿透、以允许所述传热流体在所述气化反应器的由可穿透微波的材料制成的区域中在或多或少垂直于所述气化反应器的主轴规则布置的波导(3)的对面扩散，所述材料诸如是锆、氮化物、氧化铝的陶瓷石英，并且在优选实施方案中，形成所述推进器或所述蜗杆的轴的反应管也由可穿透微波的材料制成。
19.根据权利要求1至7和18中任一项所述的设备，其特征在于，所述光纤(6)沿着所述气化反应器(62)、靠近波导(3)规则地布置，以便将电磁辐射、优选为诸如UV、可见光或红外光的光注入到所述气化反应器上、优选所述气化反应器中，并且注入到所述反应管上和所述反应管中。
20.根据权利要求1至7、18和19中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括气体提取单元(66)，所述气体提取单元(66)在至少一个波导之后并且任选地在光纤组之后被植入所述气化反应器中，每个气体提取单元包括至少一个圆柱形过滤器(67)，所述圆柱形过滤器通过相对安装的特斯拉阀系统(68)在上游和下游隔离。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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