CN105315124A - 利用有机废弃物生产乙炔或乙烯的方法及系统 - Google Patents

利用有机废弃物生产乙炔或乙烯的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用有机废弃物生产乙炔或乙烯的方法。该方法包括以下步骤：分别提供氢气、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的供给；提供一催化体系，其首先具有从第VIII族过渡金属氧化物中选择的催化剂，其次具有催化剂载体；使用所述催化体系处理所述甲烷的供给以制备第一反应物；提供第二反应物；以及所述第一反应物与第二反应物发生反应以产生一中间体，其中所述中间体是碳化钙（CaC2）。

Description

利用有机废弃物生产乙炔或乙烯的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种利用有机废弃物生产乙炔或乙烯的方法及系统。
背景技术
现今处理城市和工业有机废弃物的常用方法为厌氧消化和气化。这些方法的输出包括一氧化碳（CO）、氢气（H2）、甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。一氧化碳（CO）、氢气（H2）、甲烷（CH4）通常用于发电。所发的电用作原位消耗或供给电网给公众。然而，过去所发的电只能提供少于本地电力消费的1％。仅供给电网的电在很近的距离下,其价格是没竞争力的,这导致以这种方式处理有机废物在经济上缺乏吸引力。通过一氧化碳（CO）、氢气（H2）、甲烷（CH4）回收电能通常被认为基本负荷较低，且比水力发电、风力发电和核发电成本高。因此，它们往往只是被释放到大气中。这些含碳气体，即，甲烷这将增加大气中的碳含量，并被认为是对全球气候有害的。所以，我们的环境需要一种新方法以捕获生命周期物质中有机端的碳以及重新捕获已经释放到大气中的碳。
乙炔和乙烯是分别具有化学式C2H2和C2H4的烃。它们广泛应用于化工领域中，其遍布全球的生产超过任何其他有机化合物。在美国和欧洲，约90％的乙烯被用于生产环氧乙烷、二氯乙烷、乙苯和聚乙烯。乙烯的主要生产包括通过聚合作用制备聚合物以及这些聚合物均产生于750-950oC下的原油中蒸汽裂解。虽然利用化石能源来制造乙炔或乙烯效率高,但是却整造了大量的温室气体。
由于有很大的乙炔或乙烯需求，而用于乙炔或乙烯生产的原料气体的大量供给可通过厌氧消化和气化由有机物分解转化为高能气体提供，因此，大量的有机物完全有可能在闭环系统中转化为乙炔或乙烯，以便下游的化学合成从而实现大气中的碳再生。
本发明的目的是更有效地和高效率地利用有机废弃物生产乙炔或乙烯，以捕获来自生命周期中有机端的碳以及重新捕获已经被释放到大气中的碳，提供给公众一种有用的备选方案。此举不单解决了废弃物处理的问题,更开拓了利用废弃物来制造化工下游的合成,融合了两个本来独立的领域为一个新的领域。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种生产乙炔或乙烯的方法，其利用有机废弃物生产乙炔或乙烯，包括以下步骤：a）提供氢气、水、一氧化碳和/或二氧化碳的供给；b）提供甲烷的供给；c）提供一种催化体系，其首先具有选自第VIII族过渡金属氧化物的催化剂，其次具有催化剂载体；d）使用该催化体系处理该甲烷的供给以制备第一反应物；e）提供第二反应物；以及f）所述第一反应物与第二反应物发生反应以产生一中间体，其中所述中间体是碳化钙（CaC2）。
优选地，所述催化剂载体和所述第二反应物可以是氧化钙。
在某些实施例中，所述催化剂可以是镍、钴、或铁的氧化物、或它们的组合。
在其他实施例中，所述催化剂可以选自第VIII族过渡金属元素。所述催化剂可以选自包括铁、镍、钴、钼及它们的混合物的组合。
合适地，所述催化剂载体可以选自包括碱金属氧化物、碱土金属氧化物、硅、氧化硅、氧化铝、碳化硅、碳及它们的混合物的组合。所述催化剂载体可具有管状或片状的形态，以增加其表面积。
在一个实施例中，所述第二反应物可以选自包括碱金属氧化物、碱土金属氧化物、硅、氧化硅、氧化铝、碳化硅、石墨及它们的混合物的组合。
有利的是，所述方法可包括使用第VIII族过渡金属氧化物溶液的湿化学浸渍将所述催化剂沉积到所述催化剂载体上的步骤。在一个实施例中，所述催化剂可通过挥发性过渡金属前体络合物的分解沉积到所述催化剂载体上，其中包括通过挥发性过渡金属前体的分解将所述催化剂沉积到所述催化剂载体上的步骤。例如，金属前体络合物中的金属可具有零氧化态。
在一个实施例中，每个所述氢气、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的供给来自外部来源和内部来源，所述内部来源为所述乙炔或乙烯生产过程中产生的气体;所述外部来源和所述内部来源的组合作为所述氢气、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的供给以作所述生产方法的消耗。
该方法可以包括利用含有能量的第一种原料基质的步骤，其中，所述含有能量的第一种原料基质包括可发酵物。该可发酵物可包括污水污泥，食品和厨余垃圾或它们的组合。该方法可以包括使含有能量的第一种原料基质进行厌氧消化，以生产所述外部来源的供给的二氧化碳和甲烷。
该方法可以包括利用含有能量的第二种原料基质的步骤，其中,该含有能量的第二种原料基质包括可燃物。该可燃物可以包括垃圾衍生燃料、煤、生物质、发酵可消化物或它们的组合。
优选地，该含能量的第二种原料基质具有至少10GJ/t的输入热值。
该方法可以包括使含有能量的第二种原料基质进行热化学处理的步骤以分别生产甲烷、氢气、一氧化碳和二氧化碳和产生所述甲烷、所述氢气、所述一氧化碳和所述二氧化碳的外部来源。
该方法可以包括，在上述步骤d）过程中形成纳米碳及作为所述氢气的供给的一个内部来源的氢气。
该方法可以包括，在形成碳化钙（CaC2）的过程中，所述纳米碳与所述氧化钙发生反应以产生一氧化碳作为所述一氧化碳的供给的一个内部来源。
该方法可以包括使一氧化碳进行水煤气变换反应以产生氢气和二氧化碳作为所述氢气和所述二氧化碳的供给的内部来源的步骤。
该方法可以包括使氢气和二氧化碳进行Sabatier反应以产生甲烷为所述甲烷的供给的内部来源和产生水为所述水的供给的内部来源的步骤。
该方法可以包括使纳米碳和二氧化碳进行Boudouard反应的步骤，以产生提供一氧化碳的供给的一氧化碳的内部来源。
该方法可以包括裂解烃类气体并在烃类气体裂解中提供必需的加热的步骤，其中该加热是来自内部或外部的废热。
该方法可以包括重复使用外部烃类气体以生产提供甲烷的供给的甲烷的步骤。
根据本发明的第二方面，提供一种生产乙炔或乙烯的系统，其利用有机废弃物生产乙炔或乙烯，包括：a）用于氢气、水、一氧化碳和/或二氧化碳的供给的容器，b）用于甲烷的供给的容器，c）包括催化剂和用于所述催化剂的催化剂载体的催化体系，d）选自第VIII族过渡金属氧化物的催化剂，e）用于处理所述甲烷的供给以产生第一反应物的第一反应器，f）用于第二反应物与所述第一反应物反应以产生中间体的第二反应器，且其中所述催化剂载体和第二反应物均为氧化钙，中间体为碳化钙（CaC2）。
优选地，每个甲烷的供给和二氧化碳的供给可以来自所述生产方法的操作产生的外部来源和内部来源，外部来源和内部来源的组合分别形成氢气、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷，用于所述系统的消耗。
附图说明
本发明的一些实施例将通过参照附图进行说明，其中：
图1是根据本发明用于将可燃物和可发酵物转化为原料气体以生产乙烯的装置示意图;
图2是显示乙烯生产的系统示意图;
图3是显示图2的系统操作过程中发生的反应的概要；以及
图4是显示采用金属络合物前体的方法沉积于纳米碳（或碳纳米管）的催化剂的SEM图像，包括A，B，C，D，E和F。
其中，术语汇总：
101过渡金属催化剂容器；
102催化剂载体容器；
103反应器I；
104反应器II；105反应器III；106反应器IV；
107反应器V；
108反应器VI；
109H2容器；
110CH4容器；
111反应器VII；
112反应器VIII；
113H2O容器；
114一氧化碳容器；
115二氧化碳容器；
116反应器IX；
201过渡金属催化剂原料；
201A反应器I之前的过渡金属催化剂；
202催化剂载体原料；
202A反应器I之前的催化剂载体
202B反应器III之前的催化剂载体
203反应器I之前的催化体系
204反应器II之前的甲烷气体进料
205自反应器II出料的氢气
206A反应器III之前的纳米碳
206B反应器IX之前的纳米碳
206C外部碳原料
207A自反应器III出料的一氧化碳
207B一氧化碳容器之后的一氧化碳
208自反应器出料的电石
209反应器IV之前的水
210自反应器IV出料的C2H2
211自反应器IV出料的Ca(OH)2
212反应器V之前的H2
213自反应器V出料的C2H4
214反应器VII之前的水
215A自反应器VII出料的二氧化碳
215B反应器VIII之前的二氧化碳
215C容器115之后的二氧化碳
216自反应器VII出料的H2
217反应器VIII之前的H2
218自反应器VIII出料的CH4
219自反应器VIII出料的H2O
220H2O原料
221催化剂载体再生器之后的CaO
222A气化炉之后的CH4原料
222B厌氧消化池之后的CH4原料
223气化炉之后的H2
224气化炉之后的一氧化碳
225A气化炉之后的二氧化碳原料
225B厌氧消化池之后的二氧化碳原料
226反应器IX之后的一氧化碳
800废弃物
801可燃物
802可发酵物
901气化炉
902厌氧消化池。
具体实施方式
为便于对本发明的结构及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。
本发明的一个方面是涉及利用有机废弃物生产乙炔和乙烯的系统。该系统利用可发酵废弃物和/或可燃废弃物。该可发酵废弃物包括具有高化学需氧量值的废弃物，例如污水污泥，食品和厨余垃圾。可燃废弃物由生化稳定性污泥残余物、不可回收的城市固体有机残留物、混合的废物、聚合物、不可堆肥（>10mm）的丰富生命周期的生物质，和/或差形态的煤组分构成。本发明提及的可燃废弃物具有至少10GJ/t的平均热值。
当使用所述可发酵废弃物时，该系统允许将该可发酵废弃物厌氧消化以产生包括甲烷和二氧化碳的气体。当使用该可燃废弃物时，该系统允许将该可燃废弃物气化以产生包括甲烷、二氧化碳、氢气和一氧化碳的气体。来自可发酵废弃物和可燃废弃物的气体一起提供二氧化碳、一氧化碳、氢气和甲烷的气体的供给。由于这些气体通过该废弃物的处理而形成，故此这些气体相对所述系统来说被认为是来自外部来源的气体。这些气体的供给作为用于生产更高附加值的乙炔或乙烯，而不是寻求使用这些气体作为例如天然气的替代品。
反应
甲烷的供给提供甲烷的来源，在催化体系存在下甲烷分裂产生氢气和纳米碳。该系统被配置为允许这些氢气和纳米碳分别提供氢气的供给，以及二氧化碳和一氧化碳的供给。所述催化体系包括催化剂和用于该催化剂的催化剂载体。在优选的实施例中，该催化剂选自包括镍、钴和铁的过渡金属的群组，并且催化剂载体选自碱土金属氧化物，例如氧化钙。本发明的研究表明，这些催化剂的选择可以产生具有不同纳米级形态的碳结构。这些结构的实例包括但不限于碳纳米管、碳黑、纳米洋葱、纳米锥和纳米纤维。以下反应（1）显示了通过使用镍作为催化剂以及氧化钙（CaO）作为催化剂载体，烃类气体催化裂解为氢气。催化体系的制备将在说明书后面进行说明。
(1)
在此反应中，生成了纳米碳例如碳纳米管。
该系统被配置为允许生成纳米碳以进一步与氧化钙（CaO）发生反应而生成碳化钙（CaC2）和一氧化碳（CO）。
该反应显示于以下反应（2）。
(2)
但应该指出的是，该反应中使用的氧化钙作为反应物，也是用于将来自甲烷的供给的甲烷转化为纳米碳和氢气的催化剂的催化剂载体。
碳化钙作为系统的中间体，并与来自水的供给的水发生反应以生产乙炔（C2H2）。氢氧化钙Ca(OH)2也在以下反应（3）中生成。
所产生的氢氧化钙，其被引导回该系统的氢氧化钙的供给。由于氢氧化钙产生是作为系统内的副产物生产的，它被认为是来自内部来源的氢氧化钙。来自氢氧化钙的供给的氢氧化钙在加热时被转化成氧化钙，如以下反应（4）所示。
(4)
此氧化钙提供氧化钙的供给。但应注意的是，来自氧化钙的供给的氧化钙作为催化剂体系的催化剂载体以生产反应（1）中的纳米碳，也可作为反应（2）中用于生产碳化钙和一氧化碳的反应物。由于反应（4）中的氧化钙是作为系统的副产物生产的，它被认为是来自内部来源。
一氧化碳的供给接收来自可燃物气化的一氧化碳和反应（2）中的一氧化碳。在该系统中，一氧化碳的供给提供一氧化碳进行水煤气变换反应（4）以产生如以下反应（5）所示更多的氢气和二氧化碳。
反应（5）中产生的二氧化碳和氢气被引导到二氧化碳的供给和氢气的供给。由于二氧化碳和氢气是作为系统的副产物生产的，它们被认为是内部来源。来自二氧化碳的供给和氢气的供给的二氧化碳和氢气进行Sabatier反应（6），以产生如下所示的产物。
然后，甲烷和水分别在系统中被引导回甲烷的供给和水的供给。由于反应（6）中的水和在甲烷是作为副产物生产的，它们被认为是内部来源。
上述步骤的反应（3）中产生的乙炔可进行加氢反应，以生产作为最终产物的乙烯。请参阅以下反应（7）。
来自氢气的供给的氢气来自可燃物气化的氢气和如反应（1）所描述的催化体系存在下的甲烷裂解。来自气化产生的氢气223被认为是外部来源的氢气，而作为系统的副产物生产的氢气216被认为是来自内部来源的氢气。
实施例
所述系统中第一途径的乙烯生产
图1是显示包括可燃物801和可发酵物802的废弃物800的示意图；所述可燃物可包括垃圾衍生燃料（RDF）的废弃物。可发酵物802可包括污水污泥、食品和厨余（F＆K）垃圾。
可燃物801和可发酵物802被分别进行处理。可燃物801被送入热化学处理反应器901中，以产生氢气223、一氧化碳224、二氧化碳225A和甲烷222A。反应器901可以例如是一个气化器。氢气223、一氧化碳224、二氧化碳225A和甲烷222A被分别引导到氢气的供给109、一氧化碳的供给114、二氧化碳的的供给115和甲烷的供给110。另请参阅图2。请注意，术语“供给”和“容器”在本文中可互换。
可发酵物802被送入厌氧反应器902，以产生二氧化碳225B和甲烷222B。厌氧反应器902可以是厌氧消化池。二氧化碳225B和甲烷222B被分别引导到二氧化碳的供给115和甲烷的供给110。另请参阅图2。
以下的表1显示了使用该系统的实验的输出量。基于在社区收集的日常废弃物的模型计算。
表1.图1中的给料量和气体产量
量 (kg) 化学能 CH4 (222A & 222B )产量(m3) H2 (223) 产量(m3) 一氧化碳 (224) 产量(m3) 二氧化碳 (225A & 225B) 产量(m3)
城市污泥 6,250 2.6MW 182 168
F&K 废物 625 1.6MW 112 103
RDF废物 1,275 6.1MW 123 613 305 347
合计(固体) 3,338 417 613 305 618
图2显示了根据本发明的系统的一具体实施方式。该系统包括添加有催化剂201的腔室101，并在优化后提供催化剂201A以在系统中使用。催化剂201是过渡金属催化剂。该系统包括添加有金属催化剂载体202的腔室102，并提供优化的催化剂载体202A以在系统中使用。金属催化剂201A和金属催化剂载体202A被注入腔室103以用于混合和优化，形成作为输出的催化剂203。此催化剂203被用于来自甲烷气体容器或供给110的甲烷气体204的催化裂解。在一个优选的实施方式中，该系统被配置为允许腔室104中的甲烷在560℃-850℃的升高温度范围内进行裂解。腔室104中，甲烷的催化裂解产生氢气205和纳米碳206A、206B，氢气205被引导至容器109。
发生在反应器104内的反应：
表2.反应器104内部的给料量和产量
CH4 (204) 417 m3
纳米碳 (206A和206B) 208 kg
H2 (205) 764 m3
发生在反应器105内的反应：
反应器104产生的纳米碳与另一种反应物202B发生反应，以生成一氧化碳207A和碳化钙208。反应物202B由腔室102提供，并作为反应物202B和催化剂载体202A。一氧化碳207A被引导至所述一氧化碳的供给或容器114。
以下反应（8）显示了反应器105中的反应。
(8)
表3.反应器105的给料量和产量
纳米碳 (206A) 208 kg
氧化钙 (202B) 324kg
碳化钙 (208) 370kg
一氧化碳 (207A) 162m3
用于反应器105中反应所需的的热能可以通过H2的燃烧实现，其所述的H2由烃裂解产生或来自容器109内的部分原料。最后，反应（8）所需的热能可以是内部提供，并可能达到很高的能源效率。用于生产碳化钙的所需的热能输入是~3kWh/kg，如表3所示，370kg电石可以由208kg纳米碳生产，因此，需要1,111kWh来自H2的热量，等价于375m3H2。
发生在反应器106内的反应
腔室105中产生的碳化钙208进入反应器106。水容器113供给的水209也被提供到反应器106。碳化钙208和水209反应形成乙炔气体210，其接收在反应器107中，请参阅以下的反应（9）。
来自腔室106的另一种产品是氢氧化钙211。然后，此氢氧化钙211通过催化剂载体再生器108以形成氧化钙221。请参阅以下的反应（10）。
此氧化钙221被引导到催化剂载体供给/容器102，以在系统中连续使用和流通，从而实现了系统中乙烯213的闭环生产。
发生在反应器107内的反应
反应器106中的乙炔气体210可与来自氢气供给/容器109的氢气212在反应器107中发生反应。乙烯气体213是作为系统的最终产物形成的。请参阅以下的反应（11）。
在本实施例中，162kg乙烯是由原始的原料废弃物800生产的。以下的表4总结了该系统中的主要的乙烯生产。
表4：主要乙烯生产和其它气体产物
800 给料/hr 质量(kg) 化学能(MWchem) CH4产量(m3) H2产量(m3) 一氧化碳产量(m3) 二氧化碳产量(m3)
城市污泥 6,250 2.6
F & K 废物 625 1.6
RDF废物 1,275 6.1 305
产量
纳米碳 208 -417 764
CaO 324
CaC2 370 -375 141
C2H4 162 -129
共计 417 873 446 618
基于碳纳米碳生产的二氧化碳分解
如图2所示，反应器104中产生的纳米碳，部分纳米碳206B可以与系统中产生的部分二氧化碳215C在反应器116中进行反应。这一过程被称为Boudouard反应，所述反应显示如下：
通过二氧化碳的分解，闭环过程中产生的二氧化碳可以重新使用。参照表4，从废弃物产生的二氧化碳具有618m3，而根据Boudouard反应也可能产生大约16000m3一氧化碳。此分解可以通过外部的碳原料206C或从反应器104中产生的纳米碳来实现。
实验室规模的催化体系制备
催化体系包含催化剂和催化剂载体。催化剂载体上的催化剂的沉积的步骤，可以通过使用第Ⅷ族过渡金属氧化物溶液的湿化学浸渍或通过具有零金属氧化态的挥发性过渡金属前体络合物的沉积来进行。
湿浸渍
优选地，催化剂选自第VIII族过渡元素组成的组。优选的元素是铁、镍、钴、钼或它们的混合物，尤其是MoCo。
催化剂载体，作为催化剂的承载体，有利于纳米催化剂的制备。候选的催化剂载体可以选自包括碱金属氧化物、碱土金属氧化物、硅、氧化硅、氧化铝、碳化硅、如碳纳米管和石墨的碳材料和/或它们的混合物组成的组合。实例是硅酸盐、橄榄石和钛铁矿。优选地，催化剂为具有高或更高的表面积比的物理形状，例如假定为管状或薄片状的形态。
作为一个实例，镍也可以用作催化剂，二氧化硅（SiO2）可以用作催化剂载体。在这样的实例中，氢氧化镍（Ni(OH)2）是通过在pH9条件下混合氨水和硝酸镍溶液制得,此pH值可以通过加入适量的氨水实现。在该反应中，氢氧化镍是作为沉淀物形成的，并可被观察到。然后此沉淀物通过使用过滤漏斗分离，然后使用去离子水和丙酮洗涤滤出物。之后将该滤出物在烘箱中干燥过夜。
然后，将4.5g滤出物，Ni(OH)2分散于100mL丙酮中。之后将加入2mL硅酸四乙酯（TEOS）、5mL去离子水和2mL氢氧化铵（25％）并对该混合物剧烈搅拌。在这样的制备中，Ni(OH)2将作为沉淀物形成于SiO2的表面。最后过滤的沉淀在烘箱中干燥。
金属络合物前体
将0.5g原始碳纳米管放置入一个500mL的两口圆底烧瓶中。通过电动泵使烧瓶保持真空15min，然后将该烧瓶另外用N2清洗15分钟。重复清洗2次，然后将该圆底烧瓶置于真空条件下。然后准备另一个50mL的两口圆底烧瓶，并采用上述的清洗方法直到其保持真空。将0.1mL的Fe(CO)5注入50mL的圆底烧瓶中，并逐步升温至75℃。准备一个双头针管，将一个针头注入50ml的圆底烧瓶中，而将另一的针头注入500mL的圆底烧瓶中。在系统空转15分钟后，将双头针管切断。将500mL的圆底烧瓶于150℃加热30分钟。样品的SEM照片如图4所示。
系统的第二途径中的乙烯生产
从表4可以看出，446m3一氧化碳是由图2的系统生产的。请参阅提供一氧化碳气体207A、224的容器114。来自容器114的一氧化碳207B被输出，并在反应器111中进行水煤气变换（WGS）反应。上述量的一氧化碳生产了408m3氢气216。请参阅以下的反应（12）。
该系统产生的氢气和来自容器115的二氧化碳215B一起，充入反应器112，用于Sabatier反应（13）。这个反应生成额外的345m3甲烷。
(13)
此生成的额外的甲烷提供给反应器104，以提供系统中所需的甲烷气体供给。以下的表5总结了系统中各种气体的生产量。该第二途径利用该第一途径中产生的二氧化碳，可生产108kg额外的乙烯。
表5：第二途径乙烯生产和其它气体产物
质量 (kg) CH4产量(m3) H2产量(m3) 一氧化碳产量(m3) 二氧化碳产量(m3)
WGS 408 -466 438
Sabatier 345 -1,280 -344
纳米碳 139 -345 513
CaO 215
CaC2 249 -248 94
C2H4 108 -86
系统中第三途径的乙烯生产
表5显示，从图2的系统的乙烯生产的第二途径生成了94m3一氧化碳。来自容器114的一氧化碳207B被引导至反应器111进行水煤气变换反应，上述量的一氧化碳产生86m3氢气。
来自容器109的部分氢气充入反应器112以进行Sabatier反应，其中额外的甲烷218被收集并引导到甲烷供给容器110。本实施例中的该反应产生71m3甲烷。
额外的甲烷218提供甲烷供给容器110，以进行如上所述的纳米碳的催化生成。以下的表6总结了由于使用来自第三途径的甲烷218的乙烯生产。该第三途径利用该第二途径中产生的一氧化碳，可生产22kg额外的乙烯。
表6：第三途径的乙烯和其它气体产物的生产
质量 (kg) CH4 产量(m3) H2产量(m3) 一氧化碳产量(m3) 二氧化碳产量(m3)
WGS 86 -94 92
Sabatier 71 -263.4 -71
纳米碳 29 -71 106
CaO 44
CaC2 51 -51 19.3
C2H4 22 -18
第一、第二和第三途径中的乙烯生产
上述表表明，由原始原料800在本实验中生产乙烯的总量约为292kg。由于是由乙炔的氢化生产乙烯，因此，上述实施例不应被视为对乙炔生产的限制。
要注意的是，系统中所需要的反应物给料实质上是可燃物和/或可发酵物、催化剂、催化剂载体和水。一旦操作时，就输入成分而言该系统是自我维持的。系统中所需的许多其它反应物的实际上是来自于该系统中的中间体。换句话说，系统可以被认为是来自丰富有机物的分解如厌氧消化和气化的高能的产物气体,将其利用生产乙烯气体的闭环系统。因为废物处理便于平时内置于分散式建筑，因此我们的系统可以通过分散的方式来生产乙烯。在经济上，它减少了建立大型集中的工厂过程中的额外基础设施费用，对于乙烯生产在物流上更经济，如非集中式工厂中可以节约乙烯或乙炔的物流成本，更因为地理位置的便近,减少了地下管道泄漏的风险。
此方法和装置的另一优点是重复使用来自社区或工业中产生的大气中的碳废弃物为原料的潜力。因为现有的能量回收水平的二氧化碳和一氧化碳释放量大于取代能源所产生的减碳排放强度或没有目的使用的不同步能源需求。
应当理解的是，本发明的某些特征是为清楚起见，以不同的实施例的内容中进行描述，可以与单一的实施例进行组合而提供。相反地，本发明的各种特征是为简洁起见，以单一的实施例的内容进行描述，可以单独地或以任何适当的子组合提供。但应该指出的是，所述实施例的某些特征是通过非限制性实例的方式说明的。此外，本领域的普通技术人员将意识到为了简明目的，现有技术未在上文中进行说明。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种利用有机废弃物生产乙炔或乙烯的方法，包括以下步骤：
a)提供氢气、水、一氧化碳和/或二氧化碳的供给；
b)提供甲烷的供给；
c)提供一催化体系，其首先具有选自第VIII族过渡金属氧化物的催化剂，其次具有催化剂载体；
d)使用所述催化体系处理所述甲烷的供给以制备第一反应物；
e)提供第二反应物;以及
f)所述第一反应物与所述第二反应物发生反应以产生一中间体，其中所述中间体是碳化钙（CaC2）。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂载体和所述第二反应物是氧化钙。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一反应物是纳米碳。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂是镍、钴、或铁的氧化物，或它们的组合。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂选自第VIII族过渡元素，其中所述催化剂包括铁、镍、钴、钼和它们的混合物的组合。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中所述催化剂载体是选自包括碱金属氧化物、碱土金属氧化物、硅、氧化硅、氧化铝、碳化硅、碳及它们的混合物的组合；和/或其中所述催化剂载体具有管状或片状的形态，以增加其表面积。
7.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第二反应物是选自碱金属氧化物、碱土金属氧化物、硅、氧化硅、氧化铝、碳化硅、石墨和它们的混合物的组合。
8.如前述权利要求任一项所述的方法，其中包括使用第VIII族过渡金属氧化物溶液的湿法化学浸渍将所述催化剂沉积到所述催化剂载体上的步骤。
9.如前述权利要求任一项所述的方法，其中所述催化剂可通过挥发性过渡金属前体络合物的分解沉积到所述催化剂载体上，其包括通过挥发性过渡金属前体的分解将所述催化剂沉积到所述催化剂载体上的步骤；其中所述金属前体络合物中的金属具有零氧化态。
10.如前述权利要求任一项所述的方法，其中每个所述氢气、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的供给来自外部来源和内部来源，所述内部来源为所述乙炔或乙烯生产过程中产生的气体;所述外部来源和所述内部来源的组合作为所述氢气、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的供给以作所述生产方法的消耗。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述氢气、水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷的外部来源供给包括来自有机废弃物。
12.如权利要求10或11所述的方法，包括利用具有能量的第一种原料基质的步骤，其中，所述的第一种原料基质包括可发酵物，所述可发酵物可包括污水污泥，食品和厨余垃圾或它们的组合;所述方法包括使所述具有能量的第一种原料基质进行厌氧消化，以生产所述外部来源的供给的二氧化碳和甲烷。
13.如权利要求10或11所述的方法，包括利用具有能量的第二种原料基质的步骤，其中,所述的第二种原料基质包括可燃物,所述可燃物可以包括垃圾衍生燃料、煤、生物质、发酵可消化物或它们的组合；和/或优选地，所述含有能量的第二种原料基质的输入热值具有至少10GJ/t。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述的第二种原料基质进行热化学处理的步骤以分别生产甲烷、氢气、一氧化碳和二氧化碳作为所述甲烷、所述氢气、所述一氧化碳和所述二氧化碳的所述外部来源的供给。
15.如前述权利要求任一项所述的方法，其中包括：在权利要求1所述步骤d）的过程中形成纳米碳及作为所述氢气的供给的一个内部来源的氢气；进一步包括，如在权利要求1所述步骤f）形成所述碳化钙的过程中，所述纳米碳与所述氧化钙发生反应以产生一氧化碳作为所述一氧化碳的供给的一个内部来源。
16.如前述权利要求任一项所述的方法，其中包括使所述一氧化碳的供给用作水煤气变换反应以产生氢气和二氧化碳作为所述氢气和所述二氧化碳的供给的内部来源；和/或包括使所述氢气的供给和所述二氧化碳的供给进行Sabatier反应以产生甲烷为所述甲烷的供给的内部来源和产生水为所述水的供给的内部来源的步骤；和/或包括使所述纳米碳和所述的二氧化碳的供给进行Boudouard反应的步骤，有助于产生一氧化碳为所述一氧化碳的供给的内部来源;和/或包括裂解烃类气体并在烃类气体裂解中提供必需的加热的步骤，其中所述加热是来自内部或外部的废热；和/或包括重复使用外部烃类气体以生产有助于所述甲烷的供给的甲烷的步骤。
17.一种利用有机废弃物生产乙炔或乙烯的系统，其中包括：
a）用于氢气、水、一氧化碳和/或二氧化碳的供给的容器；
b）用于甲烷的供给的容器；
c）包括催化剂和用于所述催化剂的催化剂载体的催化体系；
d）选自第VIII族过渡金属氧化物的催化剂；
e）用于处理所述甲烷的供给以产生第一反应物的第一反应器；
f）用于所述第二反应物与所述第一反应物反应以产生中间体的第二反应器；且其中所述催化剂载体和第二反应物均为氧化钙，所述中间体为碳化钙；
其中每个所述甲烷的供给和二氧化碳的供给来自所述生产方法的操作产生的外部来源和内部来源，所述外部来源和所述内部来源的组合分别形成氢气、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷，用于所述系统的消耗。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述外部来源的氢气、水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷的供给包括来自有机废弃物。
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