CN109563008A - 一种用于碳捕获和再循环的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于碳捕获和再循环的方法，所述方法包括以下步骤：(i)从至少一种含CO2的输入中捕获CO2；(ii)由捕获的CO2产生CO2进料流；和(iii)使CO2进料流与H2进料流反应以产生含甲烷的输出。

Description

一种用于碳捕获和再循环的方法和系统
发明领域
本发明涉及一种用于碳捕获和再循环的方法和系统，并且特别是用于捕获CO2和产生甲烷、乙炔和/或其他烃的方法和系统。
背景
在本说明书中对任何先前的出版物(或来源于其的信息)或对任何已知的事物的引用不是并且不应当被视为承认或确认或以任何形式暗示该先前的出版物(或来源于其的信息)或已知的事物形成本说明书涉及的所致力于的领域中的公知常识的一部分。
气候变化是世界各地政府议程上的重要的问题。提出的是，气候变化由人类产生的“温室气体”加速。温室气体是被捕集在大气中并增强“温室效应”的那些气体。在温室效应中，由于温室气体在大气中的累积，热被捕集免于从地球逃逸。因此，在寻求解决气候变化中，若干方法寻求减少温室气体排放。
二氧化碳(CO2)是一种温室气体，其中排放是有针对性的。若干方法已经被开发以捕获和/或减少CO2排放。一种这样的方法是碳捕获和碳储存，由此CO2被捕获(例如从空气、烟道气等中)并且然后储存在地球表面以下的选择的地质岩构造中。将理解，碳捕获和碳储存可以是昂贵的，并且此外，没有从捕获的CO2中产生可用的产品/输出，CO2仅被捕获和储存。
本发明寻求提供减少CO2排放的方法，所述方法还提供工业上可应用的产品。
发明概述
在一种宽泛的形式中，本发明提供了用于碳捕获和再循环的方法，所述方法包括以下步骤：(i)从至少一种含CO2的输入中捕获CO2；(ii)由捕获的CO2产生CO2进料流；和(iii)使CO2进料流与H2进料流反应以产生含甲烷的输出。
在一种形式中，所述方法还包括(iv)分离含甲烷的输出以便至少提供甲烷和第一废物输出的步骤。
在一种形式中，第一废物输出被热处理，以向用于步骤(i)的至少含CO2的输入中的一种提供CO2。
在一种形式中，至少一种含CO2的输入中的一种包括空气。
在一种形式中，H2进料流通过水电解工艺提供。
在一种形式中，在步骤(iii)期间产生的水被提供用于水电解工艺。
在一种形式中，在步骤(i)中，CO2使用基于氧化钙的捕获工艺来捕获。
在一种形式中，所述方法还包括以下步骤：(v)加工来自含甲烷的输出的甲烷以产生含乙炔的输出。
在一种形式中，所述方法还包括(vi)分离含乙炔的输出以便至少提供乙炔和第二废物输出的步骤。
在一种形式中，第二废物输出被热处理，以向用于步骤(i)的至少一种含CO2的输入中的一种提供CO2。
在一种形式中，步骤(v)包括用热等离子体反应器加热甲烷。
在一种形式中，所述方法还包括(vii)加工来自含甲烷的输出的甲烷以产生含烃的输出的步骤。
在一种形式中，所述方法还包括(viii)分离含烃的输出以便至少提供一种或更多种预选的烃产物和第二废物输出的步骤。
在一种形式中，第二废物输出被热处理，以提供用于步骤(i)的至少一种含CO2的输入中的一种。
在一种形式中，步骤(vii)包括加热甲烷，并且甲烷通过热等离子体反应器加热，所述热等离子体反应器被配置为使得等离子体与甲烷一起被提供在进料中。
在另外的宽泛的形式中，本发明提供了用于碳捕获和再循环的系统，所述系统包括：CO2捕获设备，所述CO2捕获设备被配置为从至少一种含CO2的输入中捕获CO2；和第一反应器，所述第一反应器被配置为由来源于CO2捕获设备的CO2进料流和H2进料流产生含甲烷的输出。
在一种形式中，所述系统还包括：第一分离器，所述第一分离器被配置为分离含甲烷的输出，以便至少提供甲烷和第一废物输出。
在一种形式中，所述系统还包括热处理设备，所述热处理设备被配置为处理第一废物输出，以便为CO2捕获设备提供含CO2的输入。
在一种形式中，CO2捕获设备被配置为从空气输入中捕获CO2。
在一种形式中，所述系统还包括用于产生H2进料流的水电解装置。在一种形式中，水电解装置被配置为接收在第一反应器中产生的用于电解的水。
在一种形式中，CO2捕获设备是基于氧化钙的捕获设备。
在一种形式中，所述系统还包括：第二反应器，所述第二反应器被配置为接收在第一反应器中产生的甲烷，并且由此产生含乙炔的输出。
在一种形式中，所述系统还包括：第二分离器，所述第二分离器被配置为分离含乙炔的输出，以便至少提供乙炔和第二废物输出。
在一种形式中，第二废物输出被进料至热处理设备。
在一种形式中，第二反应器是热等离子体反应器。
在一种形式中，所述系统还包括第二反应器，所述第二反应器被配置为接收在第一反应器中产生的甲烷，并且由此产生含烃的输出。
在一种形式中，所述系统还包括第二分离器，所述第二分离器被配置为分离含烃的输出，以便至少提供预选的烃产物和第二废物输出。
在一种形式中，第二废物输出被进料至热处理设备。
在一种形式中，第二反应器是热等离子体反应器，所述热等离子体反应器被配置为将等离子体与甲烷一起提供在进料中。
附图简述
参考本发明的实施方案的例证可以更好地理解本发明，其中：
图1是方法/系统的一个示例性的实施方式的概述布局；和
图2是在方法/系统的一个示例性的实施方式中使用的示例性反应的概述。
图3是方法/系统的示例性的实施方式的流程图概述。
图4是CO2捕获设备的实例。
详述
本发明的实施方案提供了用于碳捕获和再循环的方法和系统。通常，实施方案提供了用于由捕获的碳生产烃诸如例如甲烷或乙炔的方法/系统。目前描述的系统捕获CO2，减少排放，并且产生以普通的前体材料的形式的工业上可应用的输出，该前体材料还可以被加工以形成宽范围的材料。
在描述的方法和系统中，二氧化碳(CO2)从至少一种含CO2的输入/来源中捕获。将理解的是，CO2可以从大范围的来源回收/捕获，诸如例如从空气、焚化炉废气流或工业烟羽(plume)等。还将理解的是，CO2可以使用各种CO2捕获装置/系统来捕获。在目前描述的系统/方法中，CO2典型地使用基于氧化钙(CaO)的设备/系统来捕获。基于氧化钙(生石灰)的碳捕获装置/系统具有以下优点：氧化钙作为碳捕获剂是可重复使用的，并且允许根据下文的反应的连续环路加工。
CaO+CO2→CaCO3
CaCO3+ΔT→CaO+CO2
如上文，CaO与CO2反应以形成碳酸钙，并且随后碳酸钙的加热释放CO2，提供CaO用于重复使用(参见附录A)。
从捕获的CO2中，产生CO2进料流，并且与氢气(H2)进料流组合地进料至甲烷产生反应器。含甲烷的输出通过甲烷产生反应器来产生。典型地，甲烷产生反应器是常规的间歇反应器。将理解的是，H2进料流还可以从各种来源提供。在一种示例性的形式中，H2通过水电解工艺，即根据下文的反应提供。
2H2O+e-→2H2+O2
来自甲烷产生反应器的含甲烷的输出典型地包括甲烷、水和其他根据以下反应的部分产物。
CO2+4H2→CH4+2H2O
含甲烷的输出被分离，以便至少提供基本上纯的甲烷流和第一废物输出流/再循环流。还将理解的是，含甲烷的输出的分离可以通过改变分离装置/方法来进行。
然后，第一废物输出典型地通过热处理设备(例如焚化炉)加热，以提供另外的CO2，例如根据下文的反应。
然后，另外产生的CO2(例如通过焚化烟灰等)可以经由碳捕获被再进料到系统中，以驱动更多甲烷产生。此外，从甲烷的生产中产生的水可以被再进料至水电解工艺，以驱动另外的H2的产生。在一些实例中，过量的水还可以用于冷却，并且由此产生的蒸汽用于为涡轮机等提供动力。因此，将理解的是，在工艺的每个阶段，来自反应的副产物可以被再进料到系统中，以增加转化效率，最小化废物，并且最大化产生的甲烷。
产生的甲烷还可以被进料到乙炔产生反应器中，以便例如根据以下反应产生含乙炔的输出。
CH4+ΔT→C2H2
典型地，反应需要加热至高温(7000℃-8000℃)。因此，乙炔产生反应器典型地是热等离子体型反应器，并且可以例如相似于或类似于如在出版物“Thermal Conversion ofMethane to Acetylene Final Report,J.R.Fincke,R.P.Anderson,T.Hyde,R.Wright,R.Bewley,D.C.Haggard,W.D.Swank,在2000年1月公布,Idaho National Engineering andEnvironmental Laboratory,Idaho Falls,Idaho 83415”中描述的反应器。
如同含甲烷的输出，含乙炔的输出可以被纯化/分离以提供纯的乙炔流和第二废物输出流/再循环流。第二废物输出流还可以被进料回到热处理设备(例如焚化炉)，以便提供待被系统再进料/再捕获的另外的CO2。
可选择地或另外地，产生的甲烷可以由反应器加工，以提供变化的/随机的含烃的输出。然后，变化的含烃的输出可以通过预配置的分离器分离以分离出预选的烃。未选择的输出可以作为废物输出流/再循环流被提供，然后所述废物输出流/再循环流可以被再进料至热处理设备，以便再次产生另外的CO2(例如通过焚化、气化)。产生的另外的CO2被返回用于由碳捕获装置/设备再捕获。废物输出流/再循环流基本上为碳捕获装置/设备提供含CO2的输入。再次，来自反应器的再循环流提供了甲烷加工是能量有效的，其中废物被最小化。
该变型中的反应器典型地是热等离子体类型的，其中等离子体与甲烷一起被提供在进料中。例如，合适的反应器可以如在出版物“Thermal Conversion of Methane toAcetylene Final Report,J.R.Fincke,R.P.Anderson,T.Hyde,R.Wright,R.Bewley,D.C.Haggard,W.D.Swank,在2000年1月公布,Idaho National Engineering andEnvironmental Laboratory,Idaho Falls,Idaho 83415”中描述的。
现在应当参照图1来描述系统和方法的一个示例性的实施方案。
提供了碳捕获设备(1)，其被配置为接收一种或更多种含CO2的输入/来源。如所示的，空气可以是含CO2的输入中的一种。还将理解的是，可以提供一系列可选择的含CO2的输入，诸如例如废物输出流/再循环流。
碳捕获设备(1)可以采取多种形式，然而，典型地，碳捕获设备是基于氧化钙的设备。此外，将理解的是，氧化钙可以在各种不同配置的设备中用于碳捕获。
碳捕获设备(1)还被配置为产生用于甲烷产生反应器(2)的CO2进料气体流。
典型地，用于与本系统/方法一起使用的基于氧化钙的碳捕获设备具有两种优选的配置。在两种配置中，设备典型地包括四个具有出口的室(例如运输管)，用于将产生的CO2进料运输至甲烷产生反应器(2)。
在第一种配置中，氧化钙在第一室中使用交替风扇经由空气经由大宗运输(masstransport)与空气(包含CO2)混合，以最大化分散和暴露于空气的表面。CO2从空气中被捕获。在第二室中，形成真空，并且在第三室中，现在的碳酸钙被烘烤到700℃，同时搅拌(以加速该过程)。二氧化碳被释放，并且通过出口流到甲烷产生反应器。在氧化钙在室1中被重复使用并再次通空气(air rated)之前，第四室维持室2、室3和室4之间的真空。这是一个连续的闭合环路。
在第二种配置中，氧化钙在第一室中用水水合，其中底部的空气射流使空气鼓泡通过混合物，同时经由螺旋配置被推进。室2产生真空，并且然后将温度升高到400℃，去除水，所述水被进料至室4。在室3中，产物被加热到700℃，同时被搅拌以将二氧化碳释放到甲烷产生反应器。氧化钙然后被送至室4，其中它在再次返回室1之前被再水合。再次，这是充满氧化钙的闭合环路。
图4中描述的碳捕获的另一种示例性的配置。
如图1中所示，H2气体被提供至甲烷产生反应器，以与CO2进料组合，用于根据下文的反应式产生甲烷。
CO2+4H2→CH4+2H2O
将理解的是，反应器(2)为从CO2和H2生产甲烷和水提供了适当的条件(例如，在1个大气压下在>600℃加热)。典型地，反应器被加热到约800℃。典型地，甲烷产生反应器是常规的间歇反应器。还将理解的是，此工艺的效率可以通过调节反应条件，诸如例如通过增加系统的压力和温度来改进。
H2进料流可以来自各种来源。在图1的实例中，H2进料流由水电解装置(7)提供，水电解装置(7)根据以下反应式提供H2。
2H2O+e-→2H2+O2
当水在甲烷的生产中作为副产物产生时，水可以被重新引导回到水电解装置(7)用于重复使用(如所示的)。在其他形式中，水可以在随后的工艺步骤中或在系统的其他部分用于冷却和/或猝灭。在电解中产生的氧气可以用于在系统的其他部分中的更清洁的燃烧或被释放到环境中。在一些形式中，电解反应在具有简单的屏障的U形反应器中进行，其中可能添加电解质以加速反应并降低能量成本。
第一分离器(3)被提供以分离甲烷、水和在甲烷产生反应器(2)中产生的其他部分产物。典型地，分离经由蒸馏实现，然而将理解的是，可以使用其他方法。任何非甲烷和非水产物被分离成第一废物输出，并且被进料至热处理设备(4)。热处理设备典型地是焚化炉，然而，将理解的是，它可以采取其他形式，诸如例如气化器。热处理，例如焚化，导致另外的CO2产物，然后另外的CO2产物可以被再进料至碳捕获装置。
来自第一分离器(3)的纯化的甲烷被引导到乙炔产生反应器(5)用于进一步加工。乙炔产生反应器(5)提供适当的反应条件以由进入的甲烷进料流产生乙炔。典型地，乙炔根据以下反应经由加热产生。
CH4+ΔT→C2H2
在一种形式中，反应器是热等离子体型反应器。在一种形式中，反应器利用氩气等离子体以提供约8000℃的温度，并且随后快速猝灭以产生乙炔。示例性的反应器/工艺在出版物“Thermal Conversion of Methane to Acetylene Final Report,J.R.Fincke,R.P.Anderson,T.Hyde,R.Wright,R.Bewley,D.C.Haggard,W.D.Swank,在2000年1月公布,Idaho National Engineering and Environmental Laboratory,Idaho Falls,Idaho83415”中被描述。典型的乙炔的收率在附录B中描述。在一个实例中，石墨管被用于反应器中，所述反应器由热交换包围以再捕获能量以为氩气等离子体射流提供动力。
第二分离器(6)用于纯化含乙炔的输出，并且提供第二废物输出流/再循环流(9)。典型地，分离经由温度梯度和/或蒸馏实现，然而将理解的是，可以利用一系列适当的分离方法。如同第一废物输出流，第二废物输出流(包括烟灰等)被进料至热处理设备(4)用于再循环。然后在热处理设备(例如通过焚化)产生的CO2被进料回到碳捕获设备(1)中。将理解的是，在一些形式中，由热处理设备(4)产生的热可以用于加热甲烷产生反应器和/或乙炔产生反应器。应注意的是，这些反应器中的反应过程是放热的。
在纯化后，由系统/工艺产生的乙炔和/或甲烷可以经由常规工艺容易地转化成不同的聚合物、苯并芳族化合物(aromatics)和其他有机化合物，用于在各种各样的工业应用中使用。
在可选择的形式中，乙炔产生反应器可以被配置为使得氩气等离子体(或类似物)可以与甲烷一起被提供在进料中。这典型地导致形成变化的烃产物，而不主要是乙炔。将理解的是，在这样的实例中，第二分离器(6)将被配置为过滤预选的烃产物。剩余的未选择的产物将被再进料至热处理设备(例如焚化炉)用于再循环。再次，来自燃烧/气化的任何产生的CO2可以被再捕获用于进一步的甲烷生产。
目前描述的系统/方法相比于常规的碳捕获和碳储存方法具有显著的优点，用于减少CO2排放。特别地，存在最少的废物产物，因为再循环进料(即废物输出流)将转化率推向100％。
此外，在纯化后，乙炔具有许多工业应用，并且还可以被加工和转化成例如不同的聚合物、苯并芳族化合物和其他有机化合物。甲烷还可以从系统中提取，以产生除通过使乙炔反应产生的化合物之外的化合物。
将理解的是，用于各种组件/反应的动力可以由市电、可再生能源和废物燃烧提供/补充。
特别地，将理解的是，由于系统的配置，有机废物材料可以直接燃烧(例如在热处理设备中)并过滤以提供用于碳捕获的CO2。此外，来自燃烧的热还可以被供应至甲烷产生反应器和乙炔产生反应器。
此外，当甲烷产生反应器和乙炔产生反应器运行放热过程时，在加热后，来自于此的过量的能量可以用于进一步向系统提供电能，而能量再循环还可以在用于氩气等离子体射流的冷却剂上使用。过量的能量还可以由蒸汽涡轮机收获，以为氩气等离子体反应提供动力。
本发明的任选的实施方案还可以被认为广泛地包括在本文中单独地或以两个或更多个部件、元件或特征的任何或所有组合共同地提及或指示的部件、元件和特征，并且其中在本文中提到在本发明涉及的领域中具有已知等效物的特定的整数，这样的已知等效物被认为并入本文，如同单独地陈述一样。
虽然已经详细地描述了优选的实施方案，但应当理解的是，本领域普通技术人员可以作出各种变化、替代和改变，而不偏离本发明的范围。
将理解的是，本发明的各种形式可以单独地或组合地使用。
附录A
氧化钙通常由在石灰窑中包含碳酸钙(CaCO3；矿物方解石)的材料，例如石灰石或贝壳的热分解来制造。这通过将材料加热到高于825℃(1,517℉)来实现，[6]一种被称为煅烧或石灰燃烧的过程，以释放二氧化碳(CO2)的分子，留下生石灰。
CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g)
生石灰不稳定，并且当冷却时，将自发地与来自空气的CO2反应，直到在足够的时间之后，它将完全转化回碳酸钙，除非用水熟化以设置为石灰膏或石灰砂浆。
附录B

Claims (30)

1.一种用于碳捕获和再循环的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)从至少一种含CO2的输入中捕获CO2；
(ii)由捕获的CO2产生CO2进料流；和
(iii)使所述CO2进料流与H2进料流反应以产生含甲烷的输出。
2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
(iv)分离所述含甲烷的输出，以便至少提供甲烷和第一废物输出。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一废物输出被热处理，以向用于步骤(i)的所述至少含CO2的输入中的一种提供CO2。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述至少一种含CO2的输入中的一种包括空气。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述H2进料流通过水电解工艺提供。
6.如权利要求5所述的方法，其中在步骤(iii)期间产生的水被提供用于所述水电解工艺。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤(i)中，CO2使用基于氧化钙的捕获工艺来捕获。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
(v)加工来自所述含甲烷的输出的甲烷以产生含乙炔的输出。
9.如权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：
(vi)分离所述含乙炔的输出，以便至少提供乙炔和第二废物输出。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述第二废物输出被热处理，以向用于步骤(i)的所述至少一种含CO2的输入中的一种提供CO2。
11.如权利要求8所述的方法，其中步骤(v)包括用热等离子体反应器加热所述甲烷。
12.如权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
(vii)加工来自所述含甲烷的输出的甲烷以产生含烃的输出。
13.如权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：
(viii)分离所述含烃的输出，以便至少提供一种或更多种预选的烃产物和第二废物输出。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第二废物输出被热处理，以提供用于步骤(i)的所述至少一种含CO2的输入中的一种。
15.如权利要求12所述的方法，其中步骤(vii)包括加热所述甲烷，并且所述甲烷通过热等离子体反应器加热，所述热等离子体反应器被配置为使得等离子体与所述甲烷一起被提供在进料中。
16.一种用于碳捕获和再循环的系统，所述系统包括：
CO2捕获设备，所述CO2捕获设备被配置为从至少一种含CO2的输入中捕获CO2；
第一反应器，所述第一反应器被配置为从来源于所述CO2捕获设备的CO2进料流和H2进料流产生含甲烷的输出。
17.如权利要求16所述的系统，还包括：
第一分离器，所述第一分离器被配置为分离所述含甲烷的输出，以便至少提供甲烷和第一废物输出。
18.如权利要求17所述的系统，还包括热处理设备，所述热处理设备被配置为处理所述第一废物输出，以便为所述CO2捕获设备提供含CO2的输入。
19.如权利要求16至18中任一项所述的系统，其中所述CO2捕获设备被配置为从空气输入中捕获CO2。
20.如权利要求16至19中任一项所述的系统，还包括用于产生所述H2进料流的水电解装置。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述水电解装置被配置为接收在所述第一反应器中产生的用于电解的水。
22.如权利要求16至21中任一项所述的系统，其中所述CO2捕获设备是基于氧化钙的捕获设备。
23.如权利要求16至22中任一项所述的系统，还包括：
第二反应器，所述第二反应器被配置为接收在所述第一反应器中产生的甲烷，并且由此产生含乙炔的输出。
24.如权利要求23所述的系统，还包括：
第二分离器，所述第二分离器被配置为分离所述含乙炔的输出，以便至少提供乙炔和第二废物输出。
25.如权利要求24所述的系统，当从属于权利要求18时，其中所述第二废物输出被进料至所述热处理设备。
26.如权利要求23至25中任一项所述的系统，其中所述第二反应器是热等离子体反应器。
27.如权利要求16至22中任一项所述的系统，还包括：
第二反应器，所述第二反应器被配置为接收在所述第一反应器中产生的甲烷，并且由此产生含烃的输出。
28.如权利要求27所述的系统，还包括：
第二分离器，所述第二分离器被配置为分离所述含烃的输出，以便至少提供预选的烃产物和第二废物输出。
29.如权利要求28所述的系统，当从属于权利要求18时，其中所述第二废物输出被进料至所述热处理设备。
30.如权利要求27至29中任一项所述的系统，其中所述第二反应器是热等离子体反应器，所述热等离子体反应器被配置为将等离子体与所述甲烷一起提供在进料中。
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