[发明专利]制造高纯度一氧化碳的装置

说明书

本发明涉及一种用于制造高纯度一氧化碳CO的装置(apparatus)，该装置基于二氧化碳CO₂的电解，并结合高纯度CO₂原料和高于-100℃温度下的气体净化(cleaning)操作。特别地，固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cells)SOEC被用于电解。

本发明涉及高纯度CO的制造，其中纯化依靠简单、低成本的纯化技术，且不涉及低温技术。

传统上，CO通过烃的重整进行商业规模制造，例如：

CH4+H2O→CO+4H2

或者

4CH4+O2+2H2O→10H2+4CO

然后，产物气体(CO+H2)通过不同的步骤纯化而得到高纯度CO(通常＞99％)，例如包括最后在低温状态下从CO中分离H2并且移除可能的杂质N2和Ar。

CO的沸点为-205℃，H2的沸点为-252.87℃，因此该低温步骤非常昂贵且必须在大型中心设施中进行。这导致CO的制造地点和最终用户间存在长的分配路径，且CO作为有毒气体，受制于处理、运输和储藏过程中的严格安全要求，该点显著地增加了成本。结果就是较小批量(例如＜100Nm3/h)高纯度CO的价格为相同重整过程制造的H2的5-10倍。

本发明的一个目的是提供制造CO的装置和方法以解决上述问题。

更具体地说，本发明的一个目的是提供SOEC装置和方法，用于在比已知技术更低的成本下制造CO。

本发明的进一步目的是提供SOEC装置和方法，用于在不使用低温技术下以低成本和高纯度制造CO。

本发明涉及一种CO制造和纯化方法，该方法基于CO2电解，结合简单且并不昂贵的‘室温’气体净化和气体分离方法。本发明使得小批量制造高纯度CO在技术和经济上是可行的，例如在消费地点或在当地分配中心。

由于CO2电解的可用技术较少，CO2电解相较水的电解较少为人知。其中一种非常有效的CO2电解技术为固体氧化物电解池。

CO2电解槽(electrolyser)的原理是，CO2(可能包括一些CO)被送入电解槽阴极。当施加电流时，CO2被转化为CO，从而提供具有高浓度CO的输出物流。

2CO2(阴极)→2CO(阴极)+O2(阳极)

如果纯的CO2被输入到SOEC，输出将为转化的CO和未转化的CO2。如果需要的话，未转化的CO2可以通过CO/CO2分离器去除从而产生最终的高纯度的CO，该分离器在高于-100℃的温度下工作。

已知的在高于-100℃下操作的气体分离器技术的一个特定问题是，他们通常只对一种或少数分子具有选择性，因而在从CO+CO2电解槽输出物流中去除如Ar或N2时存在困难。

因此，本发明的一个实施方式包括：

·使用高纯度CO2用作电解槽的原料

·通过SOEC电解槽的操作方案，使得即使电解槽堆栈发生泄漏，杂质也不会混入产品物流中。

此处纯度的定义为：浓度(CO2)+浓度(CO)。

气体分离

从气体物流中分离CO2或CO存在四种众所周知的技术。它们可以被定义为吸收、吸附、膜过滤和冷凝法，且均可用于本发明。

溶剂吸收法包括循环过程，其中CO2或CO直接被从气体物流中吸收至液体，通常是水或胺。通常情况下，CO2被去除，处理过的气体物流即为最终纯化的CO物流。吸收液可以被处理以去除CO2，其随后可以重新用于进一步的电解。所得的不含CO2的液体再次被用于吸收，从而使该过程持续进行。该技术相当广泛地用于一系列应用中，但它需要大量的能量来再生溶剂。

吸附法基于循环过程，其中CO2或CO被从气体物流中吸附至固体的表面，该固体通常为矿物沸石。通常情况下，CO2被去除，处理过的气体物流即为最终纯化的CO物流。然后固体在利用压力或温度差异的阶段中纯化以去除CO2。常见的吸附技术称为变压吸附(PSA)，其被广泛用于工业，但是小规模(＜2000Nm3/h)操作时可能相当昂贵。

聚合物或陶瓷制成的膜，可以用来有效地从气体物流中筛出CO2或CO。膜材料被特别设计以有倾向性地分离混合物中的分子。存在一系列配置，或为简单的气体分离设备(device)，或结合液体吸收阶段。该过程尚未以大规模应用，且往往受限于输入气体的组成和温度。进一步的，膜的选择性是有限的，获得高纯度的(如＞99.5％)气体输出往往需要多次循环。