JP2023532606A - 固体熱化学燃料装置 - Google Patents
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- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
Description
本出願は2021年2月1日に出願された米国仮特許出願第63/144120号、および2020年8月11日に出願された米国仮特許出願第63/064256号の優先権を主張し、その両方は、参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は一般に、固体熱化学燃料および固体熱化学燃料を生成するための装置に関する。
図1は、本開示に係る、固体燃料をチャージするために用いられるプラントの断面図である。
製造プラント100の実施形態、および当該プラント100によって生産されるゼロエミッション固体燃料102の形態での、高エネルギー密度の集光型太陽熱化学蓄積の解決策が、図1および2に示される。固体燃料(太陽光燃料またはソーフュエル(SoFuel))102は、長期間貯蔵することができ、パワーブロック(例えば発電所)から距離を置いて生成することができる、カーボンフリー燃料を提供する。固体燃料102の特徴は、通常の使用形態において固体であることである。固体燃料102は、例えば発電用のパワーブロックに1000℃の熱量を供給することができる。固体燃料102は、好ましくはマグネシウム対マンガンのモル比が1:1の高反応性マグネシウムマンガン酸化物(Mg-Mn-O)である。いくつかの実施形態において、固体燃料102は、2020年7月16日にミシガン州立大学理事会に公開され、本明細書に参照として組み込まれる「System and Operation for Thermochemical Renewable Energy Storage」と題された国際特許出願公開2020/146361号に記載されている反応性材料でもよい。固体燃料102は1~100MWの生産に対応する固有の拡張可能性のために、潜在的に変換価値を有する。
・熱還元
水素処理プラントは発電プラントにおける燃料電池、発電プラントのための水素動力タービン、またはアンモニア、塩酸、脂肪水素化、金属鉱石の化学還元、水素化脱アルキル化、水素化脱硫、石油化学水素化分解、および半導体を製造するためのシリコンまたは炭素結合の破壊などの化学処理プラントを含むことができる。代替的に、燃料使用プラントは、流体加熱器、セメント又はアスファルトキルン、ガラス又は鋼炉等における水素分離とは無関係の他の製造プロセスのために燃料ペレットを排出し得ることが想定される。別の構成では、低酸素燃料が代替プロセスに使用される場合、蒸気の代わりに、異なる対向流ガスまたは他の流体が酸化反応器に使用されてもよいが、好ましい水素分離の利点のいくつかは達成され得ない。
Claims (41)
- エネルギーを使用する方法であって、前記方法は、以下:
(a)入口から復熱領域へ固体のワークピースを供給する工程と、
(b)前記復熱領域から還元領域へ前記ワークピースを連続供給する工程と、
(c)前記還元領域から急冷領域へ前記ワークピースを供給する工程と、
(d)前記急冷領域から回収エリアへ前記ワークピースを供給する工程と、
(e)前記急冷領域内にガスを通流させる工程と、
(f)工程(c)の間、前記ガスを前記急冷領域から前記還元領域へ連続的に通流させる工程と、
(g)工程(b)の間、前記還元領域から前記復熱領域へ前記ガスを通流させる工程と、
(h)前記ワークピースおよび前記ガスが前記復熱領域にある場合、前記ワークピースを前記ガスにより予熱し、前記ガスを前記ワークピースにより冷却する工程と、
(i)前記ワークピースおよび前記ガスが前記還元領域にある間、前記ワークピースを前記エネルギーにより加熱し、前記ワークピースから前記ガスへ酸素を移動させる工程と、
(j)前記ワークピースと前記ガスが前記急冷領域にある間、前記ワークピースを前記ガスにより冷却し、前記ガスを前記ワークピースにより予熱する工程と、
(k)少なくとも工程(i)によって前記ワークピースを低酸素燃料へ変換する工程と、を含む、方法。 - さらに、
(a)第2入口から第2復熱領域へ前記低酸素燃料を供給する工程と、
(b)前記低酸素燃料を、前記復熱領域から酸化領域に連続的に供給する工程であって、これにより、前記低酸素燃料は酸素を受け取り、前記還元領域より前と実質的に同じ量の酸素を含む前記ワークピースに再変換させる工程と、
(c)前記酸化領域から第2急冷領域へ前記ワークピースを供給する工程と、
(d)前記第2急冷領域から第2回収エリアへ前記ワークピースを供給する工程と、
(e)第2ガスまたは蒸気を前記第2急冷領域内に通流させる工程と、
(f)前記酸化領域から前記第2急冷領域へ前記ワークピースを供給する間、前記第2ガスまたは前記蒸気を、前記第2急冷領域から前記酸化領域へと連続的に通流させる工程と、
(g)前記低酸素燃料を第2復熱領域から前記酸化領域に供給する工程の間、前記第2ガスまたは前記蒸気を、前記酸化領域から前記第2復熱領域に通流させる工程と、
(h)前記低酸素燃料と、前記第2ガスまたは前記蒸気と、が前記第2復熱領域にある場合、前記低酸素燃料を前記第2ガスまたは前記蒸気により予熱し、前記第2ガスまたは前記蒸気を前記低酸素燃料により冷却する工程と、を含む、請求項1に記載の方法。 - 実質的に純粋な水素を生成するため、前記酸化領域および前記第2復熱領域のうちの少なくとも1つの中で前記蒸気を分解する工程をさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 前記ワークピースおよび前記ガスが前記還元領域内で1,300℃を超えて加熱された後に、前記復熱領域から高酸素ガスを実質的に室温で排気する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記急冷領域からの前記低酸素燃料を、前記回収エリア内において実質的に室温で受け取る工程をさらに含み、前記ガスが前記複数の領域間を上方に移動する間に、前記ワークピースおよび前記低酸素燃料は前記領域間を下方に移動する、請求項4に記載の方法。
- 前記低酸素燃料を、そのエネルギー含有量を失うことなく、実質的に室温で、2ヶ月を超えて貯蔵する工程をさらに含む、請求項5に記載の方法。
- さらに、
(a)前記回収エリアと前記急冷領域との間にある定流ガス吸気口へ、実質的に定流であるガスを供給する工程と、
(b)前記回収エリアと前記定流ガス吸気口との間の入口に脈流の前記ガスを供給する工程と、
(c)前記ガスの前記脈流を、前記複数の領域のうちの少なくとも1つを通って下方に移動する前記低酸素燃料の前記流れを制御するための、非機械的バルブとして作用させる工程と、を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記定流ガス吸気口は、前記低酸素燃料が移動する供給管を少なくとも部分的に取り囲むメッシュを備える、請求項7に記載の方法。
- 非一時的メモリに記憶されるソフトウェアをさらに含み、前記ソフトウェアは、以下:
(a)前記回収エリア内の前記低酸素燃料の重量または量を検知する処理と、
(b)前記複数の領域の少なくとも1つから移動する前記低酸素燃料の流量を取得する処理と、
(c)取得した前記低酸素燃料の前記流量に少なくとも部分的に基づいた脈流ガスの、空気脈流特性を自動的に制御する処理と、を含むプログラムされた命令を含む、請求項7に記載の方法。 - 前記ワークピースはマグネシウムマンガン酸化物であり、前記ガスは、前記ガスが前記還元領域に入る前の低酸素ガスである、請求項1に記載の方法。
- 前記ワークピースはマグネシウム鉄酸化物であり、前記ガスは、前記ガスが前記還元領域に入る前の低酸素ガスである、請求項1に記載の方法。
- 前記エネルギーは、前記還元領域内の炉に入る、集光太陽エネルギーである、請求項1に記載の方法。
- 前記還元領域における封止炉の内部の加熱エレメントに、再生可能発電機から電力を送る工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- エネルギーを使用する方法であって、前記方法は、以下:
(a)ホッパーから反応器の上部熱交換エリアに粒子を下向きに供給する工程であって、前記材料は、マグネシウムマンガン酸化物、マグネシウム鉄酸化物、またはマグネシウムフェライトのうち、少なくともいずれか1つである工程と、
(b)前記上部熱交換エリアから炉へ、前記粒子を下方に供給する工程と、
(c)前記炉から下部熱交換エリアへ、前記粒子を下方に供給する工程と、
(d)前記下部熱交換エリアへガスを通流させる工程であって、前記ガスは、前記下部熱交換エリアにあるとき、低酸素である工程と、
(e)前記下部熱交換エリアから前記炉へ前記ガスを上向きに流す工程と、
(f)前記炉から前記上部熱交換エリアへ前記ガスを上向きに流す工程と、
(g)前記ガスが前記上部熱交換エリア内の前記粒子を通流するときに、前記ガスによって前記粒子を予熱する工程と、
(h)前記ガスが前記炉内の前記粒子を通流するときに前記粒子から前記ガスに酸素を移動させる工程と、
(i)前記ガスが前記下部熱交換エリア内の前記粒子を通流するときに、前記ガスによって前記粒子を冷却する工程と、を含む方法。 - 前記粒子および前記ガスが、太陽光炉である前記炉内に配置された少なくとも1つの実質的に垂直に細長いセラミック供給管を通って連続的に移動し、前記粒子およびガスが対向流方向を有する場合、前記粒子および前記ガスが、前記太陽光炉内で加熱されるときに、前記粒子を低酸素燃料に変換する工程をさらに含む、請求項14に記載の方法。
- さらに、
(a)前記低酸素燃料を、入口から復熱領域へ移動させる工程と、
(b)前記低酸素燃料を、前記復熱領域から酸化領域へ移動させる工程であって、当該工程において、前記低酸素燃料は、酸素を受け取り、還元前の量の酸素を含む粒子に再変換される、工程と、
(c)前記粒子を、前記酸化領域から急冷領域へ移動させる工程と、
(d)前記粒子を、前記急冷領域から出口へ移動させる工程と、
(e)第2ガスまたは蒸気を、前記急冷領域に流す工程と、
(f)前記酸化領域から前記急冷領域へ前記粒子を前記移動させる間に、前記第2ガスまたは前記蒸気を、前記急冷領域から前記酸化領域へ流す工程と、
(g)前記復熱領域から前記酸化領域へ前記低酸素燃料を前記移動させる間に、前記第2ガスまたは前記蒸気を、前記酸化領域から前記復熱領域へ流す工程と、
(h)前記低酸素燃料と、前記第2ガスまたは前記蒸気とが、前記復熱領域にあるときに、前記低酸素燃料を前記第2ガスまたは前記蒸気によって予熱する工程と、を含む、請求項15に記載の方法。 - 実質的に純粋な水素を生成するために、前記酸化領域および前記復熱領域のうちの少なくとも1つの中で前記蒸気を分離する工程をさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 実質的に室温で前記上部熱交換エリアから高酸素ガスを排気する工程をさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 実質的に室温で前記下部熱交換エリアから前記粒子を受け取る工程をさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 低酸素である前記粒子を、そのエネルギー含有量を失うことなく実質的に室温で2ヶ月以上貯蔵する工程と、前記低酸素粒子が後続の反応器を通って移動するにつれて、前記エネルギーが前記粒子から除去された後に、前記粒子を複数回再利用する工程とをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- さらに、
(a)前記下部熱交換エリアに接続された定流ガス吸気口へ、実質的に定流の前記ガスを供給する工程と、
(b)前記下部熱交換エリアの底部及び前記定流ガス吸気口の入口に脈流の前記ガスを供給する工程と、
(c)前記脈流のガスを、少なくとも1つの前記領域を通って下方に移動する前記粒子の前記流れを制御するための非機械的バルブとして作用させる工程と、を含む、請求項14に記載の方法。 - 前記エネルギーは前記炉に入る集光太陽エネルギーである、請求項14に記載の方法。
- 再生可能発電機から、前記炉内部の加熱エレメントに電力を送る工程をさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 蒸気から水素を製造する方法であって、以下:
(a)低酸素燃料状態における固体粒子を、入口から第1熱交換領域に供給する工程と、
(b)前記第1熱交換領域から酸化領域へ前記粒子を連続供給する工程と、
(c)前記酸化領域から第2熱交換領域へ前記粒子を供給する工程と、
(d)前記第2熱交換領域から回収エリアへ前記粒子を供給する工程と、
(e)前記粒子の供給方向と実質的に反対の方向へ、前記第2熱交換領域に前記蒸気を流す工程と、
(f)前記低酸素粒子を、前記酸化領域において前記蒸気と共に少なくとも1350℃に加熱し、前記蒸気が前記酸化領域において実質的に反対方向に前記粒子を通って流れるときに、前記蒸気から前記低酸素粒子に酸素を移動させる工程と、
(g)前記第1熱交換領域において前記粒子を予熱するために、前記第1熱交換領域から前記酸化領域へ粒子を供給する間に、前記酸化領域から前記第1熱交換領域に前記蒸気を流す工程と、
(h)前記第2熱交換領域において、前記蒸気を用いて前記粒子をほぼ周囲温度まで冷却する工程と、
(i)前記粒子と前記蒸気との相互作用により、前記蒸気から水素を分離する工程と、を含む、方法。 - 前記粒子は、マグネシウムマンガン酸化物またはマグネシウム鉄酸化物である、請求項24に記載の方法。
- 前記粒子は、高酸素状態と低酸素状態との間で複数回、再チャージおよび再ディスチャージ可能であり、前記状態間でエネルギーポテンシャル損失が実質的にない状態で、少なくとも2ヶ月間貯蔵可能である、請求項24に記載の方法。
- 前記複数の領域は、前記粒子および前記蒸気が連続的に流れる少なくとも1つの実質的に垂直に細長い管に沿って垂直に配置される、請求項24に記載の方法。
- 固体燃料を製造するための装置であって、前記装置は、以下:
(a)ディスチャージされた固体燃料を貯蔵するように構成されたホッパーと、
(b)反応器チャンバとアパーチャとを備える還元反応器であって、前記アパーチャはエネルギーを受け取るように構成されている還元反応器と、
(c)前記ホッパーに接続された導入口と、復熱領域と、還元領域と、急冷領域と、排出口とを有する反応器管であって、前記還元領域は前記反応器チャンバを通貫している、反応器管と、
(d)前記反応器管の前記排出口に接続された回収タンクであって、前記回収タンクは、チャージされた固体燃料を回収するように構成されている回収タンクと、
(e)前記反応器管の前記排出口に近接して前記反応器管と流体的に接続されたガス吸気口であって、前記ガス吸気口は、低酸素ガスを前記反応器管に送達するように構成され、
(f)前記反応器管の前記導入口に近接して前記反応器管と流体的に接続されたガス排気口であって、前記ガス排気口は、前記反応器管から高酸素ガスを排出するように構成されているガス排気口と、を備え、
(i)前記ディスチャージされた固体燃料は、前記導入口から前記排出口まで前記反応器管を下って供給されるように構成され、
(ii)前記低酸素ガスは、前記反応器管を流れるように構成され、
(iii)前記ディスチャージされた固体燃料は、前記還元領域において高吸熱性還元反応を受けるように構成され、前記ディスチャージされた固体燃料中の酸素は、前記ディスチャージされた固体燃料から除去され、前記低酸素ガス中に混合され、前記高酸素ガスおよび前記チャージされた固体燃料を形成する、装置。 - さらに、
(a)実質的に定流の前記ガスを、前記急冷領域に接続された定流ガス吸気口に流入させ、
(b)脈流の前記ガスを、前記回収タンクと前記定流ガス吸気口との間の入口に流入させ、
(c)前記脈流の前記ガスを、前記領域のうちの少なくとも1つを通って下方に移動する前記固体燃料の流れを制御するための、非機械的バルブとして作用させる、請求項28に記載の装置。 - 前記定流ガス吸気口は、前記固体燃料が移動する前記反応器管を少なくとも部分的に取り囲むメッシュを備える、請求項29に記載の装置。
- 反応器をさらに含み、前記反応器は、以下:
(a)前記チャージされた燃料が供給される、反応器復熱領域と、
(b)前記チャージされた燃料が、前記反応器復熱領域から連続的に供給される反応器酸化領域であって、前記反応器酸化領域において、前記チャージされた燃料は、反応器ガスまたは蒸気が前記反応器酸化領域内の前記燃料を通流するときに、酸素によってディスチャージされる、反応器酸化領域と、
(c)前記ディスチャージされた燃料が前記反応器酸化領域から供給される反応器急冷領域と、含む、請求項28に記載の装置。 - 前記反応器復熱領域に接続された、酸素排気口と、水素排気口とをさらに備え、
前記蒸気は、前記反応器酸化領域内で分離され、実質的に純粋な水素および酸素を生成し、
前記生成された水素は、前記水素が前記チャージされた燃料を流通するときに前記反応器復熱領域内で冷却され、前記水素排気口を介して前記反応器から排出され、
前記蒸気から分離された前記酸素は、前記酸素が前記チャージされた燃料を流通するときに前記反応器復熱領域内で冷却され、前記酸素排気口を介して前記反応器から排出される、請求項31に記載の装置。 - 前記固体燃料は、マグネシウムマンガン酸化物またはマグネシウム鉄酸化物のうちの少なくとも1つを含む、請求項28に記載の装置。
- 前記エネルギーは、前記反応器に入る集光太陽エネルギーである、請求項28に記載の装置。
- 前記反応器の内部の加熱エレメントに電力を送る再生可能発電機をさらに備える、請求項28に記載の装置。
- 固体粒子流量制御バルブ装置は、
(a)固体粒子運搬管と、
(b)前記管に接続された定流ガス吸気口と、
(c)前記定流ガス吸気口の下流で前記管に接続された脈流ガス吸気口と、
(d)ガスを供給するように構成された圧縮ガス供給部と、
(e)脈流制御バルブと、
(f)前記脈流制御バルブを前記ガス供給部および前記脈流ガス吸気口に接続する少なくとも1つの第1導管と、
(g)前記ガス供給部を前記定流ガス吸気口に接続する少なくとも1つの第2導管と、
(h)前記管を通る固体粒子の運動を制御するように構成された、非機械的固体粒子流量制御バルブとして作用する、前記管に流入する前記ガスの脈流・底流同時流と、を備える。 - 前記定流ガス吸気口は、前記管を少なくとも部分的に取り囲むメッシュを含む、請求項36に記載の装置。
- 前記管は、太陽光炉を通って実質的に垂直に延在し、前記固体粒子から酸素を除去することによって前記固体粒子をチャージする集光太陽エネルギー反応器の一部である、請求項36に記載の装置。
- 前記管が延在する炉の内部の加熱エレメントに電力を送る再生可能発電機をさらに含む、請求項36に記載の装置。
- 非一時的メモリに記憶されるソフトウェアをさらに含み、前記ソフトウェアは、以下:
(a)固体粒子が炉を通過した後、回収エリア内の前記固体粒子の重量または量を検知するように構成された処理と、
(b)前記炉から前記回収エリアに移動する前記固体粒子の流量を取得するように構成された処理と、
(c)前記得られた固体粒子の流量に少なくとも部分的に基づいて前記脈流ガスの空気脈流特性を自動的に制御するように構成された命令と、を含むプログラムされた処理と、を含む、請求項36に記載の装置。 - 固体ペレットを含み、前記固体ペレットは、
(a)マグネシウムマンガン酸化物または、マグネシウム鉄酸化物の少なくとも一方を含み、
(b)前記ペレットは、チャージされると低酸素になり、
(c)前記ペレットは、1,300℃以上に加熱されると酸素を加えることによってディスチャージされ、
(d)前記ペレットは、少なくとも5回、チャージおよびディスチャージされ、空気に曝されている間、少なくとも2ヶ月間はチャージされたエネルギーポテンシャルを実質的に失うことなく室温で貯蔵される、燃料。
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