CN114765994A - 电化学还原二氧化碳以改质烃原料 - Google Patents

电化学还原二氧化碳以改质烃原料 Download PDF

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Abstract

一种具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统和方法，包括将二氧化碳和烯烃进料至SOEC以及从SOEC排出一氧化碳和烯烃氧化物，其中该烯烃氧化物对应于该烯烃。

Description

电化学还原二氧化碳以改质烃原料
优先权声明
本专利申请要求于2019年12月6日提交的希腊专利申请号20190100550和于2020年2月10日提交的美国专利申请号16/786,858的优先权，其全部披露内容通过引用并入本文。
技术领域
本披露内容涉及电化学还原二氧化碳以产生用于对原料改质的氧阴离子。
背景技术
二氧化碳(CO2)是通过人类活动排放的主要温室气体。二氧化碳可能在各种工业和化工厂设施中产生。在这样的设施处，利用CO2作为原料可以减少该设施处的CO2排放并且因此减小该设施的CO2足迹。温室气体CO2转化成增值产品会是有益的。
发明内容
一个方面涉及一种操作具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统的方法。该方法包括将二氧化碳和烯烃进料至SOEC、调节进料至SOEC的烯烃的量、并且从SOEC排出一氧化碳和烯烃氧化物，其中该烯烃氧化物对应于该烯烃。
另一个方面涉及一种操作具有SOEC的系统的方法。该方法包括在SOEC的阴极处接收电流并且经由电流的电子在阴极处电化学还原二氧化碳以产生一氧化碳和氧离子。该方法包括使氧离子通过包括固体氧化物的固体电解质扩散而到达SOEC的阳极并且在阳极处经由氧离子将烯烃氧化成烯烃氧化物。
又另一个方面涉及一种具有接收二氧化碳和烯烃并排出一氧化碳和烯烃氧化物的SOEC的系统。该系统包括用于向SOEC供应烯烃的导管。沿导管设置控制阀以调节供应至SOEC的烯烃的量。该系统包括用于向SOEC供应二氧化碳的第二导管。
又另一个方面涉及一种包括SOEC的SOEC系统。SOEC包括阴极，用于将二氧化碳电化学还原成一氧化碳和氧离子并且将氧离子排到SOEC的固体电解质中。SOEC包括阳极，用于经由固体电解质从阴极接收氧离子并且用氧离子将烯烃氧化成对应于烯烃的烯烃氧化物。SOEC系统包括用于向SOEC的阴极侧供应二氧化碳的进料导管。阴极侧包括阴极。SOEC系统包括用于向SOEC的阳极侧供应烯烃的第二进料导管。阳极侧包括阳极。
在以下附图和描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。其他特征和优点将是从说明书和附图以及从权利要求书中很明显的。
附图说明
图1是具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统的图。
图2是催化反应器的图。
图3是操作具有SOEC的系统的方法的流程框图。
具体实施方式
本披露内容涉及电化学还原二氧化碳(CO2)以产生用于对包括低价值原料在内的原料改质的氧阴离子。例如，实施例涉及电化学还原CO2以产生用于改质烯烃原料的氧阴离子。一些方面涉及电化学还原CO2以产生用于将烯烃氧化成烯烃氧化物的氧阴离子。烯烃氧化物可以用作产生更高价值烃的前体(或用来产生前体)。本技术可以将烯烃(典型地是商业化学品)改质成更增值的烃产物。
如所指出的，本技术的实施例涉及CO2的电化学还原。以电催化方式产生一氧化碳(CO)和烯烃氧化物。烯烃氧化物可以是例如环氧乙烷、酸性环己烯(acidcyclohexene)、环氧丙烷等。烯烃氧化物随后可以被催化转化成烃(例如，高价值烃)。
本技术可以电化学还原CO2(在阴极处)以提供用于将烯烃(在阳极处)氧化成烯烃氧化物的氧离子。因此，烯烃氧化物的产生涉及CO2。实施例可以包括在阴极处电化学还原CO2以提供氧离子，氧离子扩散至阳极而在阳极处将烯烃氧化成烯烃氧化物。
可以使用固体氧化物电解池(SOEC)将CO2电化学还原并产生烯烃氧化物。在阴极上，CO2被还原成CO和氧离子物质(O2-)。O2-经由固体电解质扩散至阳极侧。固体电解质可以是氧化钇稳定化的氧化锆(YSZ)、氧化铈(IV)(CeO2)、或传导氧离子的其他材料。烯烃被进料至阳极侧并在阳极上被扩散的氧离子部分地氧化而形成烯烃氧化物(CxH2xO)。可以将产生的CO和CxH2xO进料至(多个)催化反应器以产生高价值烃，诸如丙烯酸、醇、醚、酯等。
为了在有机合成中利用CO2作为可再生的一碳(C1)结构单元，已经尝试通过使乙烯与CO2反应来合成环氧乙烷。然而，此种反应的热力学限制可能是成问题的。
尽管丙烯酸主要是由丙烯经由两阶段氧化来生产，但环氧乙烷生产的益处在于，环氧乙烷可以是生产丙烯酸的前体(或用来产生前体)。依赖乙烯产生环氧乙烷来生产丙烯酸可以降低丙烯酸的生产成本。依赖乙烯而不是丙烯来生产丙烯酸可以降低生产成本，尤其是当乙烯大量供应时。本文中某些实施例可以通过CO2的电化学还原将乙烯转化成环氧乙烷。然后环氧乙烷可以用于生产丙烯酸或其他烃。
如对于本发明的实施例所讨论的，通过CO2的电化学还原来生产烃。首先，将CO2和烯烃进料至SOEC以产生烯烃氧化物。接着，可以将所产生的烯烃氧化物进料至(多个)催化反应器以由烯烃氧化物生产一种或多种烃。
为了产生烯烃氧化物，将气态CO2进料到SOEC的阴极侧以产生CO和O2-离子。这些O2-离子扩散通过固体电解质(例如，超稳定化氧化锆或可以传导O2-离子的其他材料)而到达SOEC的阳极侧。将烯烃(CxH2x)进料至阳极侧以释放电子(每个烯烃分子)并形成相应的烯烃氧化物(CxH2xO)。
在某些实施例中，进料至SOEC阴极侧的CO2流可以主要是CO2，诸如大于50重量百分比(wt％)的CO2、大于80wt％的CO2、或大于90wt％的CO2。在其他实施例中，CO2可以是一种组分，占进料至SOEC的阴极侧的流的小于50wt％。
在一些实施例中，进料至阴极侧的流可以包括CO2和水(H2O)两者。H2O也可以在SOEC阴极处经历电化学还原而产生O2-离子，其迁移至阳极侧。在特别的实施方式中，供应至SOEC阴极侧的流可以是具有CO2和H2O以及另外的化合物的烟道气。
SOEC典型地具有与固体氧化物燃料电池(SOFC)相同或类似的组成部分(例如，阴极、阳极和电解质)，但与SOFC相比通常是可逆地操作。SOFC产生电。相比之下，SOEC依赖于电子源(外部电力源)。用于使SOEC运行的热和电可以由可再生资源(诸如太阳能、风力、地热、或水电)产生。可以向SOEC施加热以维持SOEC(包括电化学还原)的期望操作温度。可以例如通过电阻加热(例如，在SOEC电极处)、蒸汽夹套、太阳能加热系统等向SOEC施加热。在实施方式中，由SOEC进行的CO2电解可以在700℃至900℃范围内的温度下并且在大气压下进行。SOEC电极(阴极和阳极)的材料可以基于陶瓷材料，其通过还原-氧化(氧化还原)循环、电催化活性、以及在还原气氛中的混合性离子和电子传导性而展现出稳定性。SOEC电极的材料可以是基于金属或金属氧化物的材料(例如，基于Ni的电极)。
图1是用于电化学还原CO2以得到氧离子来将烯烃102氧化成烯烃氧化物104的系统100。系统100包括SOEC 106，其具有包括阴极108和阳极110的两个电极。阴极侧112包括在阴极侧空腔114中的阴极108。阳极侧116包括在阳极侧空腔118中的阳极110。固体电解质120设置在阴极108与阳极110之间。
电源122向阴极108供应电流(电子)，用于将CO2电化学还原成CO。电源122可以是电池、发电机、电网、可再生电源等。所施加的电流可以被调节或调整。所希望的电流量(或所供应的电流量的设定点)可以与阴极108或阳极110处的反应要求相关地确定。在实施方式中，电流输入量可以至少部分地基于阳极110处的氧化反应要求。由电源122所供应的电流量可以通过可变电阻器或电势计、或通过改变电压等调节。由电源122所供应的电流量可以经由引导或包括可变电阻器或电势计、或引导电压的变化的控制器等调节。
SOEC壳体124可以是金属，诸如不锈钢。阴极108和阳极110各自可以是陶瓷或金属(或金属氧化物)。示例性的冶金方面是镍合金，以得到基于镍的电极。固体电解质120可以是固体氧化物或陶瓷。实例包括YSZ或CeO2。传导氧离子的其他材料适合用作固体电解质120。
尽管为了清楚起见仅描绘了一个SOEC 106，但是可以采用多于一个SOEC 106。系统100可以包括具有多个操作性并联的SOEC 106的SOEC堆叠体。SOEC 106(或SOEC堆叠体)的操作条件可以包括小于2个大气压(atm)的操作压力，诸如约为大气压(1atm)，以及在500℃与950℃(或700℃至900℃)范围内的操作温度。操作条件可以落在这些示例性范围之外。
在操作中，将CO2 126经由导管进料至阴极侧112。阴极侧112具有接收CO2 126的入口。阴极侧112和阳极侧116的相应的入口和出口可以穿过壳体124形成。在操作中，CO2在阴极108处经由电源122所提供的电子被电化学还原成CO。CO 128从阴极侧112的出口排出到导管中作为产物来分配，或者排出到集成在系统100内的催化反应器中，如以下所讨论的。在阴极108处CO2还原成CO时，产生氧离子(O2-)并且氧离子通过固体电解质120扩散至阳极侧116。在阴极侧112处发生的反应或半反应可以是CO2+2e-→CO+O2-。该反应或半反应(电化学还原)是吸热的。
将烯烃102经由导管供应至阳极侧116。阳极侧116具有接收烯烃102的入口。烯烃102在阳极110处经由从阴极108扩散的氧离子被氧化(成为烯烃氧化物104)。阳极110向电源122释放电子。阳极侧116通过出口将烯烃氧化物104排出到导管中作为产物来分配，或排出到集成在系统100内的催化反应器中。阳极侧116处可能发生的反应或半反应是CxH2x+O2-→CxH2xO+2e-。该氧化(或部分氧化)反应通常是放热的。
在阳极110处的氧化可以表征为产生烯烃氧化物104而不是CO2和水(H2O)的部分氧化。如所指示的，氧化或部分氧化反应可以是CxH2xO+O2-→CxH2xO+2e-。该反应不是单独的催化反应的结果，而是经由SOEC 106得到的结果。具有电催化阳极的SOEC可以用于烯烃部分氧化，具有例如从1伏至3伏范围内的指定施加电势。用于烃的阳极部分氧化的电催化剂的实例是银(Ag)和含Ag材料。
目标可以是将烯烃102流完全转化(经由部分氧化)成烯烃氧化物104。在未实现完全转化或接近完全的转化(例如，95％)的实施方式中，排出的烯烃氧化物104中残余的未转化(未氧化)烯烃可以被分离并再循环至阳极侧116。
控制阀130可以设置在输送烯烃102的导管上以调节烯烃102至阳极侧116的流速。控制阀130可以替代地设置在输送烯烃氧化物104的排出导管上。进料至阳极侧116的烯烃102的量可以取决于例如烯烃氧化物104的指定生产速率，其可以受到SOEC 106的烯烃氧化物生产能力和其他因素的影响。控制阀130可以是控制烯烃102流的质量速率或体积速率的流量控制阀。控制阀130可以是通过调节烯烃102流的流速来控制压力的压力控制阀。例如，可以在控制阀130的上游或下游控制压力。
对于CO2，可以设定或调节进料至阴极侧112的CO2 126的量(速率)以产生迁移至阳极侧116的氧离子的指定量(速率)。CO2 126的量(流速)可以通过设置在输送CO2 126的供应导管上的控制阀(未示出)调节或者通过上游CO2机械压缩机等调节。可以包括另外的化合物(例如，H2O)的CO2 126流的流速可以通过控制阀调节和控制。对于其中烟道气是CO2 126流的实施方式，控制阀可以调节进料至SOEC的阴极侧112的烟道气的流速。
在阴极108处产生用于阳极侧116上的氧化的足够数目的氧离子。对于阳极110上的部分氧化，每个烯烃102分子利用一个氧离子。氧离子从阴极108至阳极110的这种迁移可能受阴极108催化剂、固体电解质120的离子传导性和SOEC操作条件诸如温度和由电源所施加的电势的影响。阴极108催化剂可以是例如金属、金属氧化物、钙钛矿结构的陶瓷氧化物和合金。阴极108催化剂可以包括，例如，Li2MSiO4(LMS)、Li2CoSiO4(LCS)、Li2NiSiO4(LNS)、LiNi1-X-YCoXMnYO2、具有不同La-Sr比率的(La，Sr)CoO3(LSC)、La1-xSrxCr1-yMyO3(M＝Mn、Fe、Co、Ni)、(La，Sr)(Fe，Co)O3(LSCF)、(Sm，Sr)CoO3(SSC)、以及(Ba，Sr)(Co，Fe)O3(BSCF)。
系统100可以包括控制系统132，该控制系统具有处理器134以及存储由处理器134执行的编码138(例如，指令、逻辑等)的存储器136。控制系统132可以是或包括一个或多个控制器。控制系统132可以指示系统100的操作。在某些实施方式中，控制系统132或控制器调整从电源122供应至阴极108的电流的量。控制系统132可以经由计算或用户输入来指示和指定控制阀130以及还有CO2供应上的控制阀的设定点。
处理器134可以是一个或多个处理器并且每个处理器可以具有一个或多个核。一个或多个硬件处理器134可以包括微处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、控制器卡、或其他电路。存储器136可以包括易失性存储器(例如，高速缓存和随机存取存储器(RAM))、非易失性存储器(例如，硬盘驱动器、固态驱动器和只读存储器(ROM))和固件。控制系统132可以包括台式计算机、膝上型计算机、计算机服务器、可编程逻辑控制器(PLC)、分布式计算系统(DSC)、控制器、致动器或控制卡。在操作中，控制系统132可以促进系统的处理，包括指示SOEC 106的操作。控制系统132可以接收指定系统100中的控制部件的设定点的用户输入或计算机输入。控制系统132可以确定、计算和指定控制装置的设定点。该确定可以至少部分地基于系统100的操作条件(包括来自传感器和发射器等的反馈信息)。
在某些实施例中，进料至SOEC阴极侧的CO2 126流可以主要是CO2，诸如大于50重量百分比(wt％)的CO2、大于80wt％的CO2、或大于90wt％的CO2。CO2 126流可以是大于50体积百分比(vol％)的CO2、大于80vol％的CO2、或大于90vol％的CO2。在实施例中，CO2可以是进料至SOEC的阴极侧的CO2 126流的小于50wt％(或小于50vol％)的组分。
在一些实施例中，CO2 126进料还可以包括水(H2O)。进料至阴极侧112的流可以包括CO2和H2O两者。在特别的实施方式中，供应至SOEC阴极侧112的CO2 126流可以是具有CO2和H2O以及另外的组分的烟道气。
也可以使与CO2 126流一起进料的任何H2O在SOEC阴极108处经受电化学还原(成H2)以产生O2-离子。这些O2-离子也可以迁移至阳极110并用于在阳极110处烯烃102的氧化中。所产生的H2可以在从阴极侧112的出口离开的CO 128流中排出。在实例中，可以将所产生的具有H2的CO 128流进料至催化反应器(或一系列催化反应器)用于转化成化合物(例如，烃化合物)。
烟道气可以是燃烧的输出物并且包括燃烧产物CO2和H2O。在实例中，烟道气也可以被标记为废气或烟囱废气。烟道气的组成可以取决于燃烧的燃料或废物。燃烧的燃料可以包括基于化石的燃料，诸如天然气或煤。
除了CO2和H2O之外，烟道气中的组分可以包括氮气(N2)、氧气(O2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)和其他组分，以及微粒物质。在实施方式中，烟道气中CO2的体积浓度可以例如小于25％或小于15％。烟道气中H2O的体积浓度可以例如小于25％或小于20％。
如以下关于图2所讨论的，系统100可以包括用于将烯烃氧化物104或CO 128、或两者转化成有价值的烃的催化反应器或一系列催化反应器。阳极侧116可以通过排出导管将烯烃氧化物104排出至该催化反应器或一系列催化反应器(图2)。系统100可以包括沿从阳极侧116的排出导管设置的动力装置(例如，压缩机)，以提供用于使烯烃氧化物104流至催化反应器的动力。
在一些实施方式中，阴极侧112可以将CO 128流(包括任何H2)排出至催化反应器或一系列催化反应器。系统100可以包括沿输送CO 128的导管设置的动力装置(例如，压缩机)，以提供用于使CO 128从阴极侧112流至催化反应器的动力。
图2是催化反应器200，其可以从SOEC 106(图1)接收所产生的烯烃氧化物104和CO128(以及与CO一起的任何H2)以产生丙烯酸(C3H4O2)或其他烃。图1的系统100可以包括催化反应器200。催化反应器200可以是单步骤或多步骤催化反应器。催化反应器200可以表示一系列反应器或一系列反应器中的初始反应器。催化反应器200通常具有催化剂202。催化剂202的类型可以取决于催化反应器200中的一种或多种反应。所采用的催化剂202可以取决于在一个或多个催化反应器200中产生并作为排出流中的烃204离开的烃(例如，前体、中间体或产物)。
在操作中，可以将烯烃氧化物104和CO 126中的一种或两种进料至催化反应器200中。进料经由催化剂202催化地反应以得到204，其可以是所产生的烃、聚合物、或塑料。产物204可以是丙烯酸、醇、醚、酯等。例如，在作为催化剂202的酸催化剂的存在下，烯烃氧化物104的水解可以产生作为产物204的二醇。可以使作为烯烃氧化物104的环氧乙烷或环氧丙烷经受水解以分别得到作为产物204的乙二醇或丙二醇。在其他实例中，作为产物204的聚醚橡胶可以衍生自烯烃氧化物104。在又另一实例中，产物204可以是由作为烯烃氧化物104的环氧乙烷所产生的双酚A二缩水甘油醚。在其他实施方式中，可以使烯烃氧化物104(例如，环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷等)与氨反应以产生相应的烷醇胺(含有羟基)作为烃产物204。此外，环氧乙烷作为烯烃氧化物104可以用于通过乙氧基化产生洗涤剂或表面活性剂作为产物204。另外的实例是适用的。
产物204可以是用于聚合物或塑料的前体。例如，环氧树脂(epoxy)可以由产物204作为基于环氧乙烷的前体来形成。产物204本身可以是聚合物或塑料。
在烯烃氧化物104作为环氧乙烷(C2H4O)的一些实施方式中，催化反应器200将环氧乙烷和CO转化成为丙内酯(C3H4O2)(例如，β-丙内酯)的前体，用于生产乙酸。在这些实施方式中，在作为钴催化剂体系的催化剂202[例如，Co(CO)4]的存在下用CO将环氧乙烷羰基化以产生前体C3H4O2。羰基化反应可以是C2H4O+CO→C3H4O2。前体丙内酯可以从催化反应器200排出作为烃204来分配。
可替代地，前体丙内酯可以从催化反应器200排出至第二催化反应器200，该第二催化反应器将丙内酯转化成丙烯酸作为从第二催化反应器200排出的烃204流。在一个实例中，用于将β-丙内酯转化成丙烯酸的该第二反应器中的催化剂202是磷酸催化剂。用于将烯烃氧化物104(和CO 128)转化成丙烯酸的其他合成和配置(configuration)也是适用的。
图3是操作具有SOEC的系统的方法。在一些实施方式中，SOEC可以是操作性并联布置的多个SOEC的堆叠体中的一个SOEC。
在框302，该方法包括将CO2和烯烃供应(进料)至SOEC。特别地，将CO2供应至SOEC的阴极侧，并将烯烃供应至SOEC的阳极侧。该方法可以包括调节进料至阳极侧的烯烃的量。也可以控制和改变进料至阴极侧的CO2的量。
该方法可以包括将H2O与CO2一起供应至阴极侧。该方法包括将具有H2O和CO2的烟道气供应至阴极侧。如果利用烟道气，则可以调节和控制进料至阴极侧的烟道气的量。在至阴极侧的CO2的进料中存在水的实例中，阴极处的电化学还原反应可以包括：(1)CO2+2e-→CO+O2-；以及(2)H2O+2e-→H2+O2-。
在框304，该方法包括向SOEC的阴极施加电流。供应电流的电源可以是电池。供应电流以向阴极提供电子，用于阴极处的电化学还原。可以调节和调控所施加的电流的量。
在框306，该方法包括在阴极处将CO2电化学还原成CO并经由电化学还原产生氧离子。电化学还原依赖于从电源供应至阴极的电子。在阴极处发生的反应或半反应可以是CO2+2e-→CO+O2-。
该方法可以另外地包括在阴极处将H2O电化学还原成H2并经由电化学还原产生氧离子。该电化学还原(如果发生的话)也依赖于从电源供应至阴极的电子。在阴极处发生的反应或半反应因此也可以包括H2O+2e-→H2+O2-。
在框308，该方法包括使所产生的氧离子(在阴极处)通过SOEC的固体电解质从阴极扩散而到达阳极。固体电解质通常是固体氧化物或陶瓷。氧离子(O2-)从阴极至阳极的这种迁移可能受阴极催化剂、固体电解质的离子传导性和SOEC操作条件诸如温度和由电源所施加的电势的影响。
在框310，该方法包括在阳极处用氧离子将烯烃氧化(例如，经由部分氧化)成烯烃氧化物。阳极可以向电源放出(释放)电子。所产生的烯烃氧化物通常可以对应于烯烃。例如，如果烯烃是乙烯，则烯烃氧化物可以是环氧乙烷。在另一实例中，如果烯烃是丙烯，则所产生的烯烃氧化物可以是环氧丙烷。
在框312，该方法包括从SOEC排出烯烃氧化物和CO(以及任何所产生的H2)。特别地，烯烃氧化物从阳极侧排出并且CO从阴极侧排出。烯烃氧化物和CO(以及任何所产生的H2)均可以收集，作为产物来分配。对于具有所产生的H2的CO流，可以收集具有CO和H2两者的流作为产物(例如，在一些情况下被标记为合成气)来分配。
烯烃氧化物和CO(以及任何所产生的H2)可以排出至催化反应器或一系列催化反应器中，如以下关于框314所讨论的。在一些实施方式中，一个或多个催化反应器可以集成在具有SOEC的系统内。
在框314，该方法可以包括将烯烃氧化物和CO(以及任何所产生的H2)催化转化成具有比烯烃氧化物更高价值的烃。该催化转化可以在催化反应器或一系列催化反应器中进行。来自烯烃氧化物的转化的烃产物可以是例如丙烯酸、醇、醚、或酯。在丙烯酸的情况下，从SOEC进料至催化反应器用于转化的烯烃氧化物可以是环氧乙烷。在某些实施方式中，环氧乙烷可以首先被转化成用于丙烯酸的前体(例如，丙内酯)，并且然后将前体转化成丙烯酸。
实施例是操作具有SOEC的系统的方法。该方法包括将CO2和烯烃进料至SOEC、调节进料至SOEC的烯烃的量、以及从SOEC排出CO和烯烃氧化物，其中该烯烃氧化物对应于该烯烃。该方法可以包括将电流供应至SOEC的阴极并在阴极处将CO2电化学还原成CO，其中电化学还原CO2产生氧离子。该方法可以包括调节供应至阴极的电流的量。该方法可以包括使氧离子通过SOEC的固体电解质扩散而到达SOEC的阳极并经由氧离子在阳极处将烯烃氧化成烯烃氧化物。在实施方式中，该方法可以包括将H2O进料至SOEC，在阴极处将H2O电化学还原成H2(其中电化学还原H2O产生氧离子)，以及从SOEC排出H2。在这些实施方式中，进料CO2和进料H2O(组合或一起)可以包括将烟道气进料至SOEC。
烯烃氧化物的排出可以包括将烯烃氧化物排出至催化反应器中。该方法可以包括经由催化反应器将烯烃氧化物转化成丙烯酸、醇、醚、酯、或用于丙烯酸的前体中的至少一种。在一些实施方式中，催化反应器是一系列催化反应器，并且烯烃氧化物被转化成丙烯酸。将烯烃氧化物转化成丙烯酸可以包括将烯烃氧化物转化成前体，该前体被转化成丙烯酸，并且其中烯烃氧化物是环氧乙烷。
另一实施例是操作具有SOEC的系统的方法。该方法包括在SOEC的阴极处接收电流以及经由电流的电子在阴极处电化学还原CO2以产生CO和氧离子。该方法包括通过固体电解质(包括固体氧化物)将氧离子扩散而到达SOEC的阳极以及在阳极处经由氧离子将烯烃氧化成烯烃氧化物。该方法可以包括调节在阴极处所接收的电流的量。在某些实施方式中，该方法可以包括经由电流的电子在阴极处电化学还原H2O以产生氢气和氧离子。该方法可以包括将具有CO2和H2O的烟道气供应至SOEC的阴极侧。该方法可以包括调节在阳极处所接收的烯烃的量。在一些实施方式中，该方法可以包括将烯烃氧化物从SOEC的阳极侧排出至催化反应器中，并经由催化反应器将烯烃氧化物转化成包括烃的化合物。催化反应器可以是一系列催化反应器。催化反应器可以是一系列催化反应器中的第一反应器。在具体实施方式中，进料至SOEC的烯烃是乙烯，并且所产生的烯烃氧化物是环氧乙烷，其被转化成作为丙烯酸的烃。
又另一实施例是具有SOEC以接收CO2和烯烃并排出CO和烯烃氧化物的系统。该系统包括用于向SOEC供应烯烃的导管。沿导管设置控制阀以调节供应至SOEC的烯烃的量。该系统可以包括指示控制阀的设定点的控制器。该系统包括向SOEC供应CO2的第二导管。SOEC可以包括：(1)阴极，用于电化学还原CO2并产生氧离子和CO，其中阴极被联接至电源以向阴极供应电流；(2)固体电解质，用于使氧离子从阴极扩散而到达阳极，其中固体电解质包括固体氧化物；以及(3)该阳极，用于经由氧离子将烯烃氧化成烯烃氧化物。该系统可以包括调节供应至阴极的电流的量的控制器，其中阴极经由电流将CO2电化学还原成CO。该系统可以包括用于向阴极供应电流的电源(例如，电池)。该系统可以包括将烯烃氧化物转化成不同于烯烃氧化物的烃的催化反应器，其中催化反应器具有接收烯烃氧化物的入口。
又另一实施例是具有SOEC的SOEC系统。SOEC包括阴极，用于将二氧化碳电化学还原成一氧化碳和氧离子并且将氧离子排到SOEC的固体电解质中。SOEC包括阳极，用于经由固体电解质从阴极接收氧离子并且用氧离子将烯烃氧化成对应于烯烃的烯烃氧化物。SOEC系统包括用于向SOEC的阴极侧供应二氧化碳的进料导管。阴极侧包括阴极。在一些实施方式中，进料导管将具有二氧化碳以及还有水的烟道气供应至阴极侧。SOEC系统包括用于向SOEC的阳极侧供应烯烃的第二进料导管。阳极侧包括阳极。在实施方式中，SOEC系统可以包括沿第二进料导管设置以调节供应至阴极侧的烯烃的量的控制阀。SOEC系统可以联接至或包括用于向阴极供应电流的电源。电源可以是例如电池、发电机、或电网、或其任何组合。SOEC系统可以包括调节在阴极处接收(或供应至阴极)的电流的量的控制器。SOEC可以包括用于将烯烃氧化物排出至催化反应器的导管。SOEC可以包括用于将一氧化碳排出至催化反应器的第二导管。
已经描述了许多实施方式。然而，应当理解，在不脱离本披露内容的精神和范围的情况下可以进行各种修改。

Claims (33)

1.一种操作具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统的方法，包括：
将二氧化碳和烯烃进料至该SOEC；
从该SOEC排出一氧化碳和烯烃氧化物，其中该烯烃氧化物对应于该烯烃；以及
调节进料至该SOEC的该烯烃的量。
2.如权利要求1所述的方法，包括：
向该SOEC的阴极供应电流；以及
在该阴极处将该二氧化碳电化学还原成该一氧化碳，其中电化学还原该二氧化碳产生了氧离子。
3.如权利要求2所述的方法，包括调节供应至该阴极的电流的量。
4.如权利要求2所述的方法，包括：
使这些氧离子扩散通过该SOEC的固体电解质而到达该SOEC的阳极；以及
在该阳极处经由这些氧离子将该烯烃氧化成该烯烃氧化物。
5.如权利要求1所述的方法，包括：
将水(H2O)进料至该SOEC；
在该SOEC的阴极处将该水电化学还原成氢气(H2)，其中电化学还原该水产生了氧离子；以及
从该SOEC排出该氢气。
6.如权利要求5所述的方法，其中，进料该二氧化碳和进料该水包括将烟道气进料至该SOEC。
7.如权利要求1所述的方法，其中，排出该烯烃氧化物包括将该烯烃氧化物排出至催化反应器，并且其中，该方法包括经由该催化反应器将该烯烃氧化物转化成丙烯酸、醇、醚、酯、或用于丙烯酸的前体中的至少一种。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该催化反应器包括一系列催化反应器，并且其中，将该烯烃氧化物转化成丙烯酸。
9.如权利要求8所述的方法，并且其中，将该烯烃氧化物转化成丙烯酸包括将该烯烃氧化物转化成该前体，该前体被转化成丙烯酸，并且其中，该烯烃氧化物包括环氧乙烷。
10.一种操作具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统的方法，包括：
在该SOEC的阴极处接收电流；
经由该电流的电子在该阴极处电化学还原二氧化碳以产生一氧化碳和氧离子；
使这些氧离子扩散通过包括固体氧化物的固体电解质而到达该SOEC的阳极；以及
在该阳极处经由这些氧离子将烯烃氧化成烯烃氧化物。
11.如权利要求10所述的方法，包括调节在该阴极处所接收的电流的量。
12.如权利要求10所述的方法，包括经由该电流的电子在该阴极处电化学还原水以产生氢气和氧离子。
13.如权利要求12所述的方法，包括向该SOEC的阴极侧供应包括该二氧化碳和该水的烟道气。
14.如权利要求10所述的方法，包括调节在该阳极处所接收的该烯烃的量。
15.如权利要求10所述的方法，包括将该烯烃氧化物从该SOEC的阳极侧排出至催化反应器，并经由该催化反应器将该烯烃氧化物转化成包括烃的化合物。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该催化反应器包括一系列催化反应器中的第一反应器。
17.如权利要求15所述的方法，其中，该催化反应器包括一系列催化反应器。
18.如权利要求17所述的方法，其中，该烯烃包括乙烯，其中，该烯烃氧化物包括环氧乙烷，并且其中，该烃包括丙烯酸。
19.一种系统，包括：
用于接收二氧化碳和烯烃并排出一氧化碳和烯烃氧化物的固体氧化物电解池(SOEC)；
用于向该SOEC供应该烯烃的导管；
沿该导管设置以调节供应至该SOEC的该烯烃的量的控制阀；以及
用于向该SOEC供应该二氧化碳的第二导管。
20.如权利要求19所述的系统，其中，该SOEC包括：
阴极，用于电化学还原该二氧化碳并产生氧离子和一氧化碳，其中该阴极联接至电源以将电流接收至该阴极；
固体电解质，用于使这些氧离子从该阴极扩散而到达阳极，其中该固体电解质包括固体氧化物；以及
该阳极，用于经由这些氧离子将该烯烃氧化成该烯烃氧化物。
21.如权利要求20所述的系统，包括用于调节在该阴极处接收的电流的量的控制器，其中该阴极经由该电流将该二氧化碳电化学还原成一氧化碳。
22.如权利要求20所述的系统，包括该电源，用于向该阴极供应电流，其中该电源包括电池。
23.如权利要求19所述的系统，包括用于指示该控制阀的设定点的控制器。
24.如权利要求19所述的系统，包括催化反应器，用于将该烯烃氧化物转化成不同于该烯烃氧化物的烃，其中该催化反应器包括接收该烯烃氧化物的入口。
25.一种固体氧化物电解池(SOEC)系统，包括：
SOEC，其包括：
阴极，用于将二氧化碳电化学还原成一氧化碳和氧离子并且将这些氧离子排到该SOEC的固体电解质中；以及
阳极，用于从该阴极经由该固体电解质接收这些氧离子并且用这些氧离子将烯烃氧化成对应于该烯烃的烯烃氧化物；
用于将该二氧化碳供应至该SOEC的阴极侧的进料导管，该阴极侧包括该阴极；以及
用于将该烯烃供应至该SOEC的阳极侧的第二进料导管，该阳极侧包括该阳极。
26.如权利要求25所述的SOEC系统，其中，该阴极联接至电源以从该电源接收电流。
27.如权利要求26所述的SOEC系统，其中，该电源包括电池、发电机、或电网、或其任何组合。
28.如权利要求26所述的SOEC系统，包括用于向该阴极供应电流的电源。
29.如权利要求26所述的SOEC系统，包括用于调节供应至该阴极的电流的量的控制器。
30.如权利要求25所述的SOEC系统，包括沿该第二进料导管设置以调节供应至该阴极侧的该烯烃的量的控制阀。
31.如权利要求25所述的SOEC系统，包括用于将该烯烃氧化物排出至催化反应器的导管。
32.如权利要求31所述的SOEC系统，包括用于将该一氧化碳排出至该催化反应器的第二导管。
33.如权利要求25所述的SOEC系统，其中，该进料导管用于将包括该二氧化碳和水的烟道气供应至该阴极侧。
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