用于回收热的工艺系统及用于操作其的方法技术方案

本发明专利技术涉及一种工艺系统(1,60,100,130,160,180,190)，包括热存储器(3,4,30,61,61a‑61d,62,62a‑62d,110,163‑165,181‑183,195‑198)，所述热存储器被设计成在较高温度(To)与较低温度(Tu)之间存储热量并且再次将热量排放，并且所述工艺系统包括管道布置结构(L)，以便用于将热传输介质传输到所述热存储器(3,4,30,61,61a‑61d,62,62a‑62d,110,163‑165,181‑183,195‑198)并且用于再次将热传输介质传输成远离所述热存储器，其中多个可操作工艺单元(2,63,63a‑63d,161‑162,184‑185,191‑193)设置在所述较高温度(To)与所述较低温度(Tu)之间并且各自通过所述管道布置结构(L)被布置成使得所述工艺单元能够在两个热存储器(3,4,30,61,61a‑61d,62,62a‑62d,110,163‑165,181‑183,195‑198)之间操作。这导致工艺系统的生产的减少的支出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于回收热的工艺系统及用于操作其的方法
本专利技术涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的具有可以在较高温度与较低温度之间操作的热存储器的工艺系统，以及一种根据权利要求13的前序部分所述的用于多个工艺单元的循环加热和冷却的方法。
技术介绍
在本技术中广泛使用在不同温度水平下发生的工艺。在此上下文中，一个工艺步骤在较高温度下发生，并且另一工艺步骤在较低温度下发生，或者工艺步骤在温度变化期间发生。许多应用与其中化学反应借助于催化剂发生的情况相关联。于是，通常实用的是：将工艺单元加热到较高温度范围并且然后将其冷却到较低温度范围，并且针对连续生产循环地重复此温度变化。许多应用中的一个应用是在制造太阳能燃料的领域中，针对其，当供应能量（具体来说，处于高温的热）时，源物质H2（氢气）和CO（一氧化碳）由H2O（水）和CO2（二氧化碳）形成。主要包含H2和CO以及其它气体的气体混合物被称为合成气体或简称为合成气。使用此合成气来生产液相或气相碳氢燃料。在PhilippFurler的ETH论文第21864号"SOLARTHERMALCHEMICALCO2ANDH2OSPLITTINGVIACERIAREDOXREACTIONS"中，描述了一种实验性太阳能铈反应器，借助于其，可以通过借助于集中太阳光（2865个太阳灯，即高达2865kW/m2的热辐射）的照射来生产合成气体。上述集中程度的太阳光可以在工业规模上生产，例如，借助于根据WO2011/072410的申请人的碟式集中器，使得使用可再生或可回收能量的合成气体的商业生产变成现实。根据上文引用的ETH论文，铈在高达1800K的较高温度的第一吸热工艺步骤中被还原，从而形成氧气；然后，在还原反应完成之后，铈被冷却到1100K的较低温度，并且在后续工艺步骤中通过放热再氧化来生产合成气体；在此工艺中，需要比所产生的放热热量多得多的吸热热量。可以针对合成气体的连续生产循环重复此工艺；为此，铈必须被持续定期加热到1800K并冷却到1100K。为了回收通过冷却去除的热，建议铈载体的双环结构。具有共同旋转轴线的两个反向旋转的邻接铈环以如下方式位于暖区(1800K)与冷区(1100K)之间：每一环的一部分在12点钟位置处位于暖区中，并且相对部分在6点钟位置处在冷区中。紧邻铈环的反向旋转移动使第一铈环的冷部分朝向暖区并且使暖部分朝向冷区顺时针方向移位，并且逆时针方向旋转的第二Ce环的冷部分也朝向热区迁移，而其暖部分朝向冷区移动，并且两个铈环彼此擦过，从而连续交换热能。因此，暖部分彼此冷却，并且冷部分彼此加热，从而实现一定量的热的回收。然而，由于设备的设计，回收效率低，并且为大约25%。强加于反向旋转的邻接铈环的设计和稳定性的要求（热传递、热耗散和机械成本）很高。当要在不同温度下操作工艺单元并且要回收在冷却期间提取的热时，在现有技术的其它领域中也遇到与上述那些问题类似的问题。在尚未公开的PCT申请PCT/IB2016/052000中描述包括可在较高温度与较低温度之间操作的工艺单元的工艺系统中的经改进热回收。根据PCT/IB2016/052000的本专利技术涉及一种工艺系统以及一种用于操作具有可以在较高温度与较低温度之间操作的工艺单元的系统的方法，其中第一和第二热存储器通过用于热传输介质的管道布置结构操作地彼此连接，并且其中工艺单元在第一与第二热存储器之间布置在管道布置结构的第一区段中。从而，可以有效回收用于使工艺单元从较高温度冷却到较低温度的热。另外，当使用分层热存储器时，工艺系统的所有切换元件都可以位于热存储器的冷侧上，而仅连接管线需要设置在暖侧上。工艺系统优选地循环操作，其中流动方向针对热传输流体循环反向。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是进一步开发一种具有可在较高温度与较低温度之间操作的工艺单元的工艺系统，使得可以使用简化的便宜工艺系统更有效地回收热。工艺系统尤其还应该可用于高于1000K的温度，使得例如可以生产合成气体。此目的借助于权利要求1和13的特征来解决。由于提供数个工艺单元，因此可以减少每一工艺单元所需的热存储器的总体积，其中例如可以降低每一热存储器的回路的复杂性，并且特别是用于从另一热源输送在较高温度范围内的热的支出。本专利技术的优选实施例具有从属权利要求2至12以及14至18的特征。附图说明在下文中，将参考附图出于示例性目的解释本专利技术。一般来说，在附图中，用相同附图标记表示相同物品。在附图中：图1是具有串联布置的热存储器、工艺单元和另外的热存储器的简单工艺系统的示意性表示，图2是工艺单元中的温度分布，图3以在操作期间在其中占优势的温度分布的图示出分层热存储器的实施例，图4以在操作期间在工艺系统中占优势的温度分布的图示出由布置在两个分层热存储器之间的工艺单元组成的简单工艺组的实施例，图5以在替代操作模式中在组中占优势的温度分布的图示出图4的简单工艺组的实施例，图6是具有带有用于外部热的第三热存储器的工艺单元的简单工艺组的实施例的示意性表示，图7a至7d以四个不同切换状态示出图6的简单工艺组，图8a是具有四个并联切换的简单工艺组的工艺系统的示意图，图8b示出处于第一切换状态的图8a的工艺系统，图8c示出处于第二切换状态的图8a的工艺系统，图9示出具有组合工艺组的根据优选实施例的工艺系统，图10示出与图8中相同种类的工艺系统，但是其以替代温度分布操作，并且图11示出具有组合工艺组的另外的工艺系统。具体实施方式图1示出工艺系统的简单工艺组1，所述工艺系统自身由多个工艺组组成，例如如图8中表示的四个工艺组100a至100d。简单工艺组1具有可以在较高温度与较低温度之间操作的工艺单元2，其中第一热存储器3和第二热存储器4通过用于热传输介质的管道布置结构L操作地彼此连接，并且其中工艺单元2在第一热存储器3与第二热存储器4之间安置在管道布置结构的第一区段I中。此配置意味着，每一热存储器3,4具有面向工艺单元2的一端3a,4a和背离工艺单元的一端3b,4b，并且管道布置结构的第一区段I具有将热存储器3,4连接到工艺单元2的管线区段5a,5b。在所示本专利技术的实施例中，工艺单元2呈铈反应器的形式，其适于在ETH论文第21864号中所述的反应（当然，其它反应器也落入本专利技术的范围内）。为此目的，铈反应器的输入侧经由管线16a通过阀11连接到CO2罐8并且通过阀12连接到H2O罐9，并且其输出侧经由管线16b通过阀13和泵14连接到合成气罐10，在合成气罐10中，收集主要由CO和H2组成的气体混合物作为最终产物。进一步示出，第一热存储器3和第二热存储器4背离工艺单元2的相应侧面3b,4b经由其管道布置结构L管线6的第二区段II彼此连接。管道布置结构L的两个区段I和II形成用于在其中流动的热传输介质的回路，所述热传输介质可以例如是氩气，其也适于在高温下传输热。泵组件15用于在回路的两个方向上维持热传输介质的流动方向，并且视需要使其反向。为简单起见，在图中，泵组件15用两个泵15a和15b表示，其可以经由阀15c和15c切换到回路中或从其脱离。当然，本领域技术人员可以根据给定情况的要求设计泵组件15。此时，应注意，在另外的实施例（未示出）中，还可以省略管线区段II。例如，然后打开热存储器3,4背离工艺单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工艺系统(1,60,100,130,160,180,190)，包括热存储器(3,4,30,61,61a‑61d,62,62a‑62d,110,163‑165,181‑183,195‑198)，所述热存储器被设计成在较高温度(To)与较低温度(Tu)之间存储热量并且再次将热量排放，并且所述工艺系统包括管道布置结构(L)，以便用于将热传输介质传输到所述热存储器(3,4,30,61,61a‑61d,62,62a‑62d,110,163‑165,181‑183,195‑198)并且用于再次将热传输介质传输成远离所述热存储器，其特征在于：提供可在所述较高温度(To)与较低温度(Tu)之间操作的多个工艺单元(2,63,63a‑63d,161‑162,184‑185,191‑193)，并且每一工艺单元通过所述管道布置结构(L)各自操作地布置在两个热存储器(3,4,30,61,61a‑61d,62,62a‑62d,110,163‑165,181‑183,195‑198)之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.18 CH CH00640/161.一种工艺系统(1,60,100,130,160,180,190)，包括热存储器(3,4,30,61,61a-61d,62,62a-62d,110,163-165,181-183,195-198)，所述热存储器被设计成在较高温度(To)与较低温度(Tu)之间存储热量并且再次将热量排放，并且所述工艺系统包括管道布置结构(L)，以便用于将热传输介质传输到所述热存储器(3,4,30,61,61a-61d,62,62a-62d,110,163-165,181-183,195-198)并且用于再次将热传输介质传输成远离所述热存储器，其特征在于：提供可在所述较高温度(To)与较低温度(Tu)之间操作的多个工艺单元(2,63,63a-63d,161-162,184-185,191-193)，并且每一工艺单元通过所述管道布置结构(L)各自操作地布置在两个热存储器(3,4,30,61,61a-61d,62,62a-62d,110,163-165,181-183,195-198)之间。2.根据权利要求1所述的工艺系统，其中，提供用于热传输介质的馈送管线(115c,117b,133a-133d,134a-134d,175)，并且所述馈送管线通向所述热存储器(61a-61d,62,62a-62d,110,163-165)和/或工艺单元(63,63a-63d,161-162)中的一者或更多者，所述馈送管线继而连接到另外的热源(110,111)，所述另外的热源优选地以To或更高的温度输送热量。3.根据权利要求1所述的工艺系统，其中，所述热存储器(3,4,30,61,61a-61d,62,62a-62d,110,163-165,181-183,195-198)被设计成以波状温度分布接受和排放热量，优选地是分层热存储器。4.根据权利要求1所述的工艺系统，其中，所述系统包括其中提供至少两个工艺单元(161-162,184-185)和至少三个热存储器(163-165,181-183)的组合工艺组(160,180)，所述至少两个工艺单元(161-162,184-185)和至少三个热存储器(163-165,181-183)以如下方式通过所述管道布置结构(L)彼此交替地串联连接：两个工艺单元(161,162,184,185)在其之间包围一个热存储器(164,182)。5.根据权利要求4所述的工艺系统，其中，三个工艺单元(191-193)以如下方式通过所述管道布置结构(L)与四个热存储器(195-198)交替地串联连接：两个工艺单元(191,192以及192,193)各自包围一个热存储器(196,197)。6.根据权利要求3和4所述的工艺系统，其中，所包围的热存储器(164,182,196,197)具有在温度波WK的四分之一的范围内的长度。7.根据权利要求4所述的工艺系统，其中，所述工艺单元(161-162,184-185,191-193)以如下方式与热存储器(163-165,181-183,195-198)串联连接：一个热存储器(163,165,181,183,195,198)位于组合工艺组(160,180,190)的两端中的每一者处，其中，每一工艺单元本身位于两个热存储器(163-165,181-183,195-198)之间。8.根据权利要求3和4所述的工艺系统，其中，位于组合工艺组(160,180,190)的端部处的所述热存储器(163,165,181,183,195,198)具有在温度波WK的一半的范围内的长度。9.根据权利要求4所述的工艺系统，其中，在操作期间，所述管道布置结构(L)具有其中热传输介质在一个方向上流动通过所述组合工艺组(160,180,190)的第一切换状态和其中热传输介质在相反方向上流动通过所述组合工艺组(160,180,190)的第二切换状态，并且其中，提供控制器，以便在操作期间在所述第一切换状态与所述第二切换状态之间循环地来回切换所述管道布置结构(L)。10.根据权利要求7所述的工艺系统，其中，所述控制器被设计成致使温度波在操作期间在所述组合工艺组(160,180,190)的整个长度上循环地来回传播。11.根据权利要求1所述的工艺系统，其中，多个简单工艺组(100a-100d)通过所述管道布置结构(L)并联连接，每一简单工艺组各自包括工艺单元(63a-63d)和在其之间包围所述工艺单元的两个热存储器(61a-61d,62a-62d)，并且其中，所述热存储器(61a-61d,62a-62d)在操作中具有冷侧和暖侧，每一工艺组(100a-100d)的所述热存储器(61a-61d,62a-62d)的所述暖侧经由所述管道布置结构(L)连接到相关联的工艺单元(63a-63d)，并且所述冷侧跨组互连到其它冷侧。12.根据权利要求3或11所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：A佩德瑞蒂罗迪，
申请(专利权)人：信赫利恩有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH