从通过还原碳氧化物来产生固体碳材料的过程中回收热能的方法和系统技术方案

一种从至少一种固体碳材料的产生过程中回收热能的方法包括在大于或等于约400℃的温度下、在大于或等于约1x105帕的压力下，并且在至少一种催化剂材料的存在下使至少一种碳氧化物材料与至少一种气态还原材料反应以产生至少一种固体碳材料和包含水蒸汽的气态流出物流。从包含水蒸汽的气态流出物流中提取热能。公开产生可回收热能的其它方法，以及具有热能回收的固体碳产生系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权声明本申请要求2012年4月16日提交的美国临时专利申请序列号61/624,573“Methods and Systems for Thermal Energy Recovery from Production of Solid Carbon Materials by Reducing Carbon Oxides”申请日的权益，其公开内容全部通过引用方式并入本文。
本公开的实施方案总体上涉及产生固体碳材料的方法和系统。更具体地说，本公开的实施方案涉及利用热能回收和转化来产生固体碳材料的方法和系统。
技术介绍
公开内容全部通过引用方式并入本文的2012年2月9日公布的美国专利公布号2012/0034150A1公开与本文有关的背景信息。另外的信息在以下文件中公开，在以下文件中将Dallas B.Noyes列为专利技术人，并且每个文件的公开内容全部通过引用方式并入本文：1.与上述公布相同日期提交的国际申请号___(代理人案号3525-P10945.1PC)，“Methods and Structures for Reducing Carbon Oxides with Non-Ferrous Catalysts”，其要求2012年4月16日提交的U.S.S.N.号61/624,702的权益；2.与上述公布相同日期提交的国际申请号___(代理人案号3525-P10947.1PC)，“Methods for Producing Solid Carbon by Reducing Carbon Dioxide”，其要求2012年4月16日提交的U.S.S.N.61/624,723的权益；3.与上述公布相同日期提交的国际申请号___(代理人案号3525-P11001.1PC)，“Methods and Reactors for Producing Solid Carbon Nanotubes,Solid Carbon Clusters,and Forests”，其要求2012年4月16日提交的U.S.S.N.61/624,753的权益；4.与上述公布相同日期提交的国际申请号___(代理人案号3525-P11002.1PC)，“Methods for Treating an Offgas Containing Carbon Oxides”，其要求2012年4月16日提交的U.S.S.N.61/624,513的权益；5.与上述公布相同日期提交的国际申请号___(代理人案号3525-P11248.1PC)，“Methods for Using Metal Catalysts in Carbon Oxide Catalytic Converters”，其要求于2012年4月16日提交的U.S.S.N.61/624,848的权益；6.与上述公布相同日期提交的国际申请号___(代理人案号3525-P11249.1PC),“Methods and Systems for Capturing and Sequestering Carbon and for Reducing the Mass of Carbon Oxides in a Waste Gas Stream”，其要求2012年4月16日提交的U.S.S.N.61/624,462的权益；7.与上述公布相同日期提交的国际申请号___(代理人案号3525-P11361.1PC)，“Methods and Systems for Forming Ammonia and Solid Carbon Products”，其要求2012年7月13日提交的U.S.S.N.61/671,464的权益；并且8.与上述公布相同日期提交的国际申请号___(代理人案号3525-P11771PC)，“Carbon Nanotubes Having a Bimodal Size Distribution”，其要求2012年4月23日提交的U.S.S.N.61/637,229的权益。固体碳具有许多商业应用。这些应用包括例如碳黑和碳纤维在轮胎、油墨等中用作填充剂材料的长期用途、各种形式石墨的许多用途(例如，电极、热防护屏中的热解石墨)以及巴克敏斯特富勒烯和碳纳米管的创新性和新兴应用。制造各种形式固体碳的常规方法通常涉及在合适催化剂的存在下进行烃的热解。烃用作碳来源是归因于烃的历史上丰富的可获得性和低成本。在固体碳的生产中使用碳氧化物作为碳来源在很大程度上未得到利用。碳氧化物，尤其二氧化碳，是可从点源排放物如烃燃烧的排出气体或从一些过程废气中提取的丰富气体。二氧化碳还可从空气中提取。因为点源排放物具有比空气高得多的浓度的二氧化碳，所以其通常是收获二氧化碳的经济来源。然而，通过从空气中的二氧化碳来本地制造固体碳产物，可消除运输成本，因此空气的直接可获得性可提供成本抵消。当目标是通过捕捉和后续封存二氧化碳(例如，通过注入地质岩层中)来减少或消除二氧化碳排放至大气中时，二氧化碳作为发电和化学过程的副产物日益变得可获得和廉价。举例来说，捕捉和封存二氧化碳是一些“环保”烧煤发电站的基础。在当前实践中，捕捉和封存二氧化碳需要大量成本。存在碳、氧和氢可反应的有限数量的方法。存在其中已经识别各种平衡的涉及这些三种元素的一系列反应。烃热解涉及有利于固体碳产生的氢与碳之间的平衡，其中通常几乎没有氧存在。鲍多尔德(Boudouard)反应，也称为“一氧化碳歧化反应”是有利于固体碳产生的碳与氧之间的平衡范围，其中通常几乎没有氢存在。波许(Bosch)反应处于所有碳、氧和氢在也有利于固体碳产生的反应条件下都存在的平衡范围内。烃热解、鲍多尔德和波许反应之间的关系可根据如图1展示的C-H-O平衡图来理解。图1的C-H-O平衡图展示固体碳，包括碳纳米管(“CNT”)的各种已知途径。烃热解反应在连接氢(H)与碳(C)的平衡线上(即，三角形的左边缘)。鲍多尔德，或一氧化碳歧化反应，在连接氧(O)和C的平衡线上(即，三角形的右边缘)发生。横贯此图的不同温度的平衡线展示固体碳将会形成的大致区域。对于每个温度，固体碳可在相关平衡线上方的区域中形成，但是总体上不会在平衡线下方的区域中形成。美国专利7,794,690(Abatzoglou等人)教导封存来自有机材料的碳的干式重整过程。Abatzoglou公开了利用2D碳封存催化剂以及任选地3D干式重整催化剂的过程。举例来说，Abatzoglou公开有机材料(例如，甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从至少一种固体碳材料的产生过程中回收热能的方法，其包括：在大于或等于约400℃的温度下、在大于或等于约1 x 105帕的压力下，并且在至少一种催化剂材料的存在下使至少一种碳氧化物材料与至少一种气态还原材料反应以产生至少一种固体碳材料和包含水蒸汽的气态流出物流；以及从所述气态流出物流中提取热能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.16 US 61/624,5731. 一种从至少一种固体碳材料的产生过程中回收热能的方法，其包括：
在大于或等于约400℃的温度下、在大于或等于约1 x 105帕的压力下，并且在至少一种催化剂材料的存在下使至少一种碳氧化物材料与至少一种气态还原材料反应以产生至少一种固体碳材料和包含水蒸汽的气态流出物流；以及
从所述气态流出物流中提取热能。
2. 如权利要求1所述的方法，其中在至少一种催化剂材料的存在下使至少一种碳氧化物材料与至少一种还原材料反应包括在大于或等于约500℃的温度下和约1 x 105帕至约1 x 109帕范围内的压力下使所述至少一种碳氧化物材料与所述至少一种还原材料反应。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种气态还原材料包括氢和含氢化合物中的至少一种。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种催化剂材料包括选自元素周期表的第5至10族的至少一种元素。
5. 如权利要求1所述的方法，其中从所述气态流出物流中提取热能包括将来自所述气态流出物流的热能转移至至少一种其它材料。
6. 如权利要求5所述的方法，其中将来自所述气态流出物流的热能转移至至少一种其它材料包括将来自所述气态流出物流的热能转移至所述至少一种碳氧化物材料和所述至少一种还原材料中的至少一种。
7. 如权利要求5所述的方法，其中将来自所述气态流出物流的热能转移至至少一种其它材料包括将热能转移至至少一种交换流体以形成至少一种高压蒸气。
8. 如权利要求7所述的方法，其进一步包括使所述高压蒸气膨胀以产生功率并且生成电力。
9. 如权利要求1所述的方法，其中从所述气态流出物流中提取热能包括以至少一种冷却材料来冷却所述气态流出物流以产生包含液态水的冷却气态流出物流并且将热能提供至所述至少一种冷却材料。
10. 如权利要求9所述的方法，其进一步包括电解所述液态水以产生氢气和氧气。
11. 如权利要求10所述的方法，其进一步包括将所述氢气的至少一部分再循环至所述气态还原材料。
12. 一种产生可回收热能的方法，其包括：
将包含至少一种碳氧化物和至少一种气态还原材料的来源气体流引入其中具有至少一种催化剂材料的反应器中；
使所述至...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·B·诺伊斯，
申请(专利权)人：赛尔斯通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US