用于生产可再生燃料和化学品的系统和方法技术方案

一种可再生燃料生产系统包括用于从大气空气提取二氧化碳的二氧化碳捕获单元，用于将二氧化碳转化为一氧化碳的二氧化碳电解装置，用于将水转化为氢的水电解装置，用于将由二氧化碳电解装置产生的一氧化碳和由水电解装置产生的氢转化为燃料的合成燃料发生器。所生产的燃料可以是合成汽油和/或合成柴油。该系统还能够同时或备选地生产单独的工业化学品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生产可再生燃料和化学品的系统和方法专利
本专利技术涉及一种系统，其能够容易地从可再生燃料生产切换为可再生化学品生产并且使用使得CO2电解能够在高达120℃的温度完成的具有特殊膜的CO2电解装置。通常，该工艺将会涉及使用二氧化碳和水电解装置以生产有利于燃料生产或有利于化学品生产的一氧化碳和氢的混合物。该工艺之后将会使用一系列反应器以生产所需产品。专利技术背景经济的用于生产适量可再生化学品的方法已经探索了许多年。可再生化学品的生产将会使得美国能够变得更可持续，但是当前的生产成本过高。问题主要是规模的问题。如果以大规模制造产品，则可以降低成本。但是当前市场过小，而不能证明在大规模工厂中投资的合理性。情况对于可再生燃料来说则不同。美国已经使产生可再生燃料和化学品的系统和设施的部署成为主要的优先事项。2007年的能源独立与安全法案(EnergyIndependenceandSecurityAct,EISA)要求到2017年美国生产240亿加仑(乙醇当量)的可再生燃料。美国环保署(EnvironmentalProtectionAgency,EPA)已经提出将该量降低至188亿加仑，因为需要技术进步以生产额外52亿加仑的可再生燃料。在EISA已经将360亿加仑的可再生燃料作为生产目标的情况下，在2022年情况可能会甚至更差。逐渐增加纤维素乙醇的生产不能填补这个缺口，因为已经达到了“共混物墙(blendwall)”(在用于燃烧汽油内燃机的燃料中允许的最大乙醇浓度)。就此而言，为了仍然适合在内燃机中使用，乙醇的共混物最大值为10份乙醇比90份汽油，并且目前没有针对乙醇的实用备选方案。没有其他的现有商业规模技术能够填补这个缺口。因此需要新的技术方案。与可再生燃料的生产相关的经济性也是有利的。EISA建立了用于可再生标识号(RenewableIdentificationNumber,RIN)证书的交易系统，其中为所生产的每加仑“乙醇当量”燃料授予一个RIN。如果生产可再生汽油，则每加仑汽油将会被授予1.56个RIN。“D3”RIN目前售价为约$2.70/加仑。加州具有相关的低碳燃料证书(lowcarbonfuelcertificate,LCFS)，由此对于每个公吨(MT)转化为燃料的CO2授予制造商一个LCFS证书。加州LCFS证书目前售价为$70。计算表明，来自基于150兆瓦(MW)电解装置的可再生汽油工厂的证书的销售将会产生超过$42,000,000的收入($1.63/加仑)，从而降低使用当前系统生产汽油的净成本。净效果是生产可再生燃料的成本接近经济可行性。目前缺少的是利用增长的可再生燃料市场的优势以同时生产可再生化学品的方式。例如，可以想象建设能够生产可再生燃料或可再生化学品的大型工厂。以这种方式，工厂可以服务于两个市场，因此工厂建设的成本在两个市场中分摊。目前不存在这样的大规模工厂，但是如果可以建造，其将会服务于可再生燃料市场并且还将会降低可再生化学品的成本，以帮助该市场发展。专利技术概述通过使得能够在制造可再生化学品和制造可再生燃料之间方便切换的生产系统和方法克服了用于生产一定量的可再生燃料和化学品的现有系统和方法的缺点。所述系统包括：(a)用于将CO2转化为CO的CO2电解装置；(b)用于将H2O转化为H2的水电解装置；(c)将CO2电解装置和水电解装置的输出物合并的混合点；(d)用于根据正在生产何种产品改变CO2与H2的比例的控制单元；和(e)用于将由CO2电解装置产生的CO和由水电解装置产生的H2转化为燃料、化学品、或燃料和化学品的一系列反应器。优选地，CO2电解装置包括阴离子传导性聚合物膜。在一个实施方案中，阴离子传导性膜包含苯乙烯、乙烯基苄基-Rs和乙烯基苄基-Rx的三元共聚物，其中：(a)Rs是带正电的环胺基，(b)Rx是选自由Cl、OH以及OH或Cl与除简单胺或环胺外的物种之间的反应产物组成的组中的至少一种组分，并且(c)乙烯基苄基-Rx基团的总重量大于膜的总重量的0.3％。在备选的优选实施方案中，阴离子传导性膜包含基本上由苯乙烯和乙烯基苄基-Rs构成的共聚物与选自由下列各项组成的组中的至少一种聚合物组分的聚合物共混物或混合物：(a)直链或取代的非芳族聚烯烃；(b)包含环胺基的聚合物；(c)包含亚苯基和苯基中的至少一种的除聚苯乙烯外的聚合物；(d)聚酰胺；和(e)苯乙烯和乙烯基苄基-Rs单体与具有两个碳-碳双键的交联单体的反应产物。Rs优选是带正电的环胺基，并且在膜中的至少一种聚合物组分的总重量小于在膜中的共聚物的重量。Rs优选是四甲基咪唑由前述系统生产的燃料可以是合成汽油、柴油、喷气燃料和/或航空汽油(avgas)。由前述系统生产的化学品优选是醇、烯烃或醚，最优选乙烯、丙烯或其混合物。优选地，CO2电解装置在高于25℃、优选高于35℃、最优选高于40℃的温度运行。优选地，用于CO2电解装置的适合的膜满足以下试验：(1)如下制备阴极：(a)如下制备银墨。将2mg炭黑(例如，来自FuelCellEarth的VulcanXC72RXC72)、0.2ml的膜聚合物的1％溶液和0.5ml乙醇(SigmaAldrich，美国)的混合物超声处理5分钟。加入100mg的银纳米粒子(例如，20-40nm，45509,AlfaAesar,WardHill,MA)和1.5ml乙醇，然后再超声处理5分钟。(b)然后将银墨手工涂抹至覆盖5cmx5cm的面积的气体扩散层(例如，Sigracet35BCGDL,IonPowerInc.,NewCastle,DE)上。将其在80℃烧结15分钟，接着在120℃烧结15分钟。之后将其在涂抹侧朝下的情况下在1MKOH浴中浸泡1小时。(2)如下制备阳极：(a)通过将100mg的IrO2(AlfaAesar)与1ml去离子水(18.2Mohm,Millipore)、2ml异丙醇(3032-16,Macron)和0.101ml的5％Nafion溶液(1100EW,DuPont,Wilmington,DE)混合来制备IrO2墨。(b)之后将IrO2墨手工涂抹至覆盖6cmx6cm的面积的5％防湿碳纤维纸(例如，来自FuelCellEarth的TGP-H-1205％特氟隆(Teflon)处理的东丽纸(TorayPaper))上。然后，将碳纸在80℃烧结30分钟。(3)通过常规手段如流延或挤出来制备50-300微米厚的“试验”材料的膜。(4)将膜夹在3x3cm的阳极材料件和2.5x2.5cm的阴极材料件之间，在阳极和阴极上的金属层朝向膜。(5)将膜电极组件安装在具有蛇形流场的FuelCellTechnologies(Albuquerque,NM)5cm2燃料电池硬件组件中。(6)以20sccm的速率将在65℃加湿的CO2供给至阴极中并且以3ml/分钟的流动速率将10mMKHCO3供给至阳极流场中。(7)将电池加热至50℃，并且连接电源。(8)将电池在3V保持2小时，之后切换为在200mA/cm2的恒电流模式。(9)将电池以恒电流模式保持至少100小时。(10)如下计算选择性：其中以离开电解装置的标准立方厘米/分钟(sccm)测量CO和H2生产率。如果选择性大于90％并且用于维持200mA/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造可再生燃料和/或可再生化学品的系统，所述系统包括：(a)用于将CO2转化为CO的CO2电解装置；(b)用于将H2O转化为H2的水电解装置；(c)用于将所述CO与所述H2混合的混合器；(d)用于根据正在生产何种产品改变CO2与H2的比例的控制单元；和(e)用于将CO/H2混合物转化为燃料和/或化学品的一系列反应器，其中所述CO2电解装置在40℃至120℃的温度范围内运行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.29 US 62/380,917;2017.01.06 US 15/400,7751.一种用于制造可再生燃料和/或可再生化学品的系统，所述系统包括：(a)用于将CO2转化为CO的CO2电解装置；(b)用于将H2O转化为H2的水电解装置；(c)用于将所述CO与所述H2混合的混合器；(d)用于根据正在生产何种产品改变CO2与H2的比例的控制单元；和(e)用于将CO/H2混合物转化为燃料和/或化学品的一系列反应器，其中所述CO2电解装置在40℃至120℃的温度范围内运行。2.权利要求1所述的系统，其中所述CO2电解装置包括阴离子传导性聚合物膜，所述阴离子传导性聚合物膜包含苯乙烯、乙烯基苄基-Rs和乙烯基苄基-Rx的三元共聚物，其中Rs是带正电的环胺基，其中Rx是选自由Cl、OH以及OH或Cl与除简单胺或环胺外的物种之间的反应产物组成的组中的至少一种组分，其中所述乙烯基苄基-Rx基团的总重量是所述三元共聚物的总重量的1-25％，并且其中所述乙烯基苄基-Rs基团的总重量是所述三元共聚物的总重量的至少30％。3.权利要求2所述的系统，其中Rs是四甲基咪唑4.权利要求1所述的系统，其中所述系统能够生产至少一种燃料和至少一种化学品。5.权利要求4所述的系统，其中所述燃料是合成汽油、合成柴油、合成航空汽油及其调和原料中的至少一种。6.权利要求4所述的系统，其中所述化学品是甲醇、二甲醚、乙醇和丙烯中的至少一种。7.权利要求1所述的系统，其中所述一系列反应器包括至少3个反应器。8.权利要求7所述的系统，其中所述一系列反应器中的第一反应器将所述CO和H2转化为甲醇，其中第二反应器将甲醇转化为二甲醚，并且其中第三反应器将二甲醚转化为合成燃料和化学品中的至少一种。9.权利要求8所述的系统，其中将二甲醚转化为合成燃料或化学品的反应器包含沸石催化剂。10.权利要求9所述的系统，其中所述沸石催化剂是微孔沸石催化剂。11.权利要求10所述的系统，其中所述沸石催化剂具有2至9的SiO2/Al2O3重量比，250至500m2/g的BET表面积，和低于200ppm的Na含量。12.权利要求1所述的系统，其中所述CO2电解装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：理查德·I·马塞勒，
申请(专利权)人：二氧化碳材料公司，
类型：发明
国别省市：美国,US