用于将碳氧化物转化为烯烃的方法和系统技术方案

提供了一种将碳氧化物转化为烯烃的方法。该方法可以包括将可再生氢气进料流和碳氧化物进料流引导至甲烷化反应器以生成包括甲烷的甲烷氧化偶联(OCM)进料流。OCM进料流和包括氧气的氧化剂进料流被引导至包含OCM催化剂的OCM反应器以产生包括乙烯的OCM流出物。还提供了一种用于将碳氧化物转化为烯烃的系统。该方法和系统以负碳排放产生包括乙烯的烯烃。法和系统以负碳排放产生包括乙烯的烯烃。法和系统以负碳排放产生包括乙烯的烯烃。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于将碳氧化物转化为烯烃的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年11月13日提交的美国临时专利申请第63/113,636号和2021年7月19日提交的美国临时专利申请第63/223,215号的优先权和权益，所述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
[0003]领域
[0004]本公开内容涉及用于将碳氧化物转化为烯烃的方法和系统。更具体地，本公开内容涉及用于以负碳排放将碳氧化物转化为乙烯的方法和系统。
[0005]背景
[0006]烯烃的产生通常导致非常大量的二氧化碳(CO2)释放到大气中。事实上，饱和烃的蒸汽裂化以产生烯烃是化学工业中最耗能的工艺中的一种。已经报道，一吨烯烃(即，乙烯和丙烯的混合物)的产生导致近一吨CO2的排放。世界各地对减少温室气体的排放，并且更具体地对减少CO2的排放存在增长的压力。
[0007]已经提出了若干种从CO2产生乙烯(C2H4)的方法。在一种方法中，第一步骤是使用Sabatier甲烷化反应以将CO2转化为甲烷(CH4)。下一步骤是对CH4进行蒸汽重整以产生合成气(即，CO和H2)。在随后的步骤中，合成气用于产生甲醇(CH3OH)。最后，使用沸石催化剂将CH3OH转化为轻质烯烃(例如C2H4)和水。这种产生C2H4的特殊方法涉及许多步骤，并且建造这样的工厂以进行该工艺将是成本高昂的。这种特殊方法的另一个问题涉及将用于甲烷化的氢气(H2)源。因为甲烷的蒸汽重整是主要的H2源，这种特殊方法将产生比它将消耗的更多的CO2。
[0008]从CO2产生C2H4的另一种方法在同一反应器中进行甲醇合成反应并且将合成的CH3OH转化为烯烃，这将绕过蒸汽重整步骤并降低工厂的成本(Gao等人,Catalysis Science and Technology(2017),第23卷,5602
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5607)。该方法涉及在反应器的上部催化剂床中使用甲醇合成催化剂，该甲醇合成催化剂将CO2和H2直接转化为CH3OH；以及在反应器的下部催化剂床中使用甲醇制烯烃催化剂(例如SAPO
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34)以将CH3OH转化为轻质烯烃和水。
[0009]此外，已经提出了一种电化学技术以将CO2转化为C2H4(参见Qin等人,Int.J.Electrochem.Sci.(2018),第13卷,10101
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10112)。另一种电化学技术涉及使用由碳、铜和氮制成的催化剂将CO2转化为乙醇(https://www.energy.gov/articles/scientists
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accidentally
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turned
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co2
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ethanol)。然后，乙醇可以经由脱水反应被转化为C2H4。
[0010]热化学循环也已经被提出作为一种将CO2转化为有用的产品的方法。美国专利第9,464,010号公开了使用铜
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氯(Cu
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Cl)热化学循环作为一种生成捕获CO2并将CO2转化为有用的产品所需的H2的方法。
[0011]虽然已经提出了用于将CO2转化为烯烃的若干种工艺，但是这些工艺通常太昂贵以至于不实用或者离商业化还有许多年。此外，这些工艺中的一些工艺生成的CO2比他们消耗的更多，而这些工艺中的涉及CH3OH作为中间体的一些工艺不使用所产生的O2。
[0012]概述
[0013]本文公开了用于将碳氧化物转化为烯烃，特别是乙烯的方法和系统，所述方法和系统利用可再生氢气并且减少温室气体排放。此外，用于将碳氧化物转化为烯烃的方法和系统具有高碳效率并且实现负碳排放。
[0014]根据本公开内容的专利技术，提供了一种将碳氧化物转化为包括乙烯(C2H4)的烯烃的方法。该方法包括将可再生氢气(H2)进料流和包含二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)或者CO2和CO两者的碳氧化物进料流引导至甲烷化反应器以生成包含甲烷(CH4)的甲烷氧化偶联(oxidative coupling of methane,OCM)进料流。OCM进料流和包含氧气(O2)的氧化剂进料流被引导至包含OCM催化剂的OCM反应器。进行OCM反应以生成OCM流出物，该OCM流出物包含(i)包括C2H4和乙烷(C2H6)的C
2+
化合物和(ii)包含CO、CO2、H2和CH4中的一种或更多种的非C
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杂质。该方法以负碳排放产生包括C2H4的烯烃。
[0015]根据本公开内容的专利技术，提供了一种将CO2转化为包括C2H4的烯烃的方法。该方法包括将包含CO2的天然气流引导至气体处理单元以生成CO2进料流和基本上不含CO2的天然气流。CO2进料流和可再生H2进料流被引导至甲烷化反应器以生成包含CH4的OCM进料流。OCM进料流和包含氧气O2的氧化剂进料流被引导至包含OCM催化剂的OCM反应器。进行OCM反应以生成OCM流出物，该OCM流出物包含(i)包括C2H4和C2H6的C
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化合物和(ii)包含CO、CO2、H2和CH4中的一种或更多种的非C
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杂质。该方法以负碳排放产生包括C2H4的烯烃。
[0016]根据本公开内容的专利技术，提供了一种用于将碳氧化物转化为包括C2H4的烯烃的系统。该系统包括可再生氢气(H2)子系统，该可再生氢气(H2)子系统被配置成生成可再生H2进料流。甲烷化子系统位于可再生H2子系统的下游并且被流体地联接至可再生H2子系统。甲烷化子系统被配置成接收可再生H2进料流和包含CO2、CO或者CO2和CO两者的碳氧化物进料流并且生成包含甲烷CH4的OCM进料流。OCM子系统位于甲烷化子系统的下游并且被流体地联接至甲烷化子系统。OCM子系统被配置成接收OCM进料流和包含O2的氧化剂进料流并且生成OCM流出物，该OCM流出物包含(i)包括C2H4和C2H6的C
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化合物和(ii)包含CO、CO2、H2和CH4中的一种或更多种的非C
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杂质。该系统还包括分离子系统，该分离子系统在OCM子系统的下游并且被流体地联接至OCM子系统。分离子系统被配置成接收OCM流出物并且将OCM流出物分离成至少(i)包含CO
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、H2和CH4的第一流和(ii)包含包括C2H4和C2H6的C
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化合物的第二流。该系统被配置成操作为使得包括C2H4的烯烃以负碳排放产生。
[0017]根据本公开内容的专利技术，提供了一种将CO2转化为包括乙烯(C2H4)的烯烃的方法。该方法包括将包含CO2的进料流引导至CO2电解单元以生成包含CO的第一可再生电解流和包含O2的第二可再生电解流。可再生H2进料流和第一可再生电解流被引导至甲烷化反应器以生成包含CH4的OCM进料流。OCM进料流和包含第二可再生电解流的氧化剂进料流被引导至包含OCM催化剂的OCM反应器。进行OCM反应以生成OCM流出物，该OCM流出物包含(i)包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种将碳氧化物转化为包括乙烯(C2H4)的烯烃的方法，所述方法包括：(a)将可再生氢气(H2)进料流和包含二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)或者CO2和CO两者的碳氧化物进料流引导至甲烷化反应器以生成包含甲烷(CH4)的甲烷氧化偶联(OCM)进料流；以及(b)将所述OCM进料流和包含氧气(O2)的氧化剂进料流引导至包含OCM催化剂的OCM反应器并且进行OCM反应以生成OCM流出物，所述OCM流出物包含(i)包括C2H4和乙烷(C2H6)的C
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化合物和(ii)包含CO、CO2、H2和CH4中的一种或更多种的非C
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杂质，其中所述方法以负碳排放产生包括C2H4的烯烃。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可再生H2进料流由以下中的至少一个生成：(i)水电解；(ii)生物质气化；(iii)氨裂化；或(iv)硫化氢分解。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述可再生H2进料流由水电解生成，并且其中所述水电解生成可再生O2，所述可再生O2被用作所述氧化剂进料流的至少一部分。4.根据权利要求3所述的方法，还包括从所述OCM进料流中去除水，并且将所述水引导至电解单元用于进行所述水电解。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括将所述OCM流出物分离成至少(i)包含CO
x
、H2和CH4的第一流和(ii)包含包括C2H4和C2H6的C
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化合物的第二流。6.根据权利要求5所述的方法，还包括将所述第一流的至少一部分引导至所述甲烷化反应器。7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括从所述OCM流出物中去除CO2，并且将所去除的CO2的至少一部分引导至所述甲烷化反应器。8.根据权利要求5所述的方法，还包括将所述第二流分离以产生包含C2H4的第三流和包含C2H6的第四流。9.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述第四流引导至在所述OCM催化剂的下游的柱
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床式裂化单元。10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括将包含CH4的补充流引导至所述OCM反应器，其中所述补充流中的所述CH4与所述碳氧化物进料流中的所述CO2的摩尔比为从0.01:1至5:1。11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述碳氧化物进料流是在所述方法中使用的唯一碳源。12.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述碳氧化物进料流包含被捕获的CO2。13.一种将二氧化碳转化为包括乙烯(C2H4)的烯烃的方法，所述方法包括：(a)将包含二氧化碳(CO2)的天然气流引导至气体处理单元以生成CO2进料流和基本上不含CO2的天然气流；(b)将可再生氢气(H2)进料流和所述CO2进料流引导至甲烷化反应器以生成包含甲烷(CH4)的甲烷氧化偶联(OCM)进料流；以及(c)将所述OCM进料流和包含氧气(O2)的氧化剂进料流引导至包含OCM催化剂的OCM反应器并且进行OCM反应以生成OCM流出物，所述OCM流出物包含(i)包括C2H4和乙烷(C2H6)的C
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化合物和(ii)包含CO、CO2、H2和CH4中的一种或更多种的非C
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杂质，
其中所述方法以负碳排放产生包括C2H4的烯烃。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述可再生H2进料流由以下中的至少一个生成：(i)水电解；(ii)生物质气化；(iii)氨裂化；或(iv)硫化氢分解。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述可再生H2进料流由水电解生成，并且其中所述水电解生成可再生O2，所述可再生O2被用作所述氧化剂进料流的至少一部分。16.根据权利要求15所述的方法，还包括从所述OCM进料流中去除水，并且将所述水引导至电解单元用于进行所述水电解。17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，还包括将所述OCM流出物分离成至少(i)包含CO
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、H2和CH4的第一流和(ii)包含包括C2H4和C2H6的C
2+
化合物的第二流。18.根据权利要求17所述的方法，还包括将所述第一流的至少一部分引导至所述甲烷化反应器。19.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，还包括从所述OCM流出物中去除CO2，并且将所去除的CO2的至少一部分引导至所述甲烷化反应器。20.根据权利要求17所述的方法，还包括将所述第二流分离以产生包含C2H4的第三流和包含C2H6的第四流。21.根据权利要求20所述的方法，还包括将所述第四流引导至在所述OCM催化剂的下游的柱
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床式裂化单元。22.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，还包括将包含所述基本上不含CO2的天然气流的至少一部分的补充流引导至所述OCM反应器，其中所述补充流中的CH4与所述CO2进料流中的CO2的摩尔比为从0.01:1至5:1。23.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中所述CO2进料流是在所述方法中使用的唯一碳源。24.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，还包括将被捕获的CO2源添加到所述CO2进料流中。25.一种用于将碳氧化物转化为包括乙烯(C2H4)的烯烃的系统，所述系统包括：(a)可再生氢气(H2)子系统，其被配置成生成可再生H2进料流；(b)甲烷化子系统，其被流体地联接至所述可再生H2子系统，其中所述甲烷化子系统被配置成接收所述可再生H2进料流和包含二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)或者CO2和CO两者的碳氧化物进料流，并且生成包含甲烷(CH4)的甲烷氧化偶联(OCM)进料流；(c)OCM子系统，其在所述甲烷化子系统的下游并且被流体地联接至所述甲烷化子系统，其中所述OCM子系统被配置成接收所述OCM进料流和包含氧气(O2)的氧化剂进料流以生成OCM流出物，所述OCM流出物包含(i)包括C2H4和乙烷(C2H6)的C
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化合物和(ii)包含CO、CO2、H2和CH4中的一种或更多种的非C
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杂质；以及(d)分离子系统，其在所述OCM子系统的下游并且被流体地联接至所述OCM子系统，其中所述分离子系统被配置成接收所述OCM流出物并且将所述OCM流出物分离成至少(i)包含CO
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、H2和CH4的第一流和(ii)包含包括C2H4和C2H6的C
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化合物的第二流，其中所述系统被配置成操作为使得包括C2H4的烯烃以负碳排放产生。26.根据权利要求25所述的系统，其中所述可再生H2子系统包括由可再生能源供电的电解单元，其中所述电解单元在所述OCM子系统和所述甲烷化子系统的上游并被流体地联接
至所述OCM子系统和所述甲烷化子系统，并且其中所述电解单元被配置成接收水并且将所述水转化为可再生H2和可再生O2，并将所述可再生H2作为所述可再生H2进料流引导至所述甲烷化子系统以及将所述可再生O2作为所述氧化剂进料流的至少一部分引导至所述OCM子系统。27.根据权利要求25或权利要求26所述的系统，还包括CO2去除单元，所述CO2去除单元被流体地联接至所述OCM子系统、所述甲烷化子系统和所述分离子系统，其中所述CO2去除单元被配置成从所述OCM流出物中去除CO2，以将所去除的CO2的至少一部分引导至所述甲烷化子系统并且将基本上不含CO2的OCM流出物引导至所述分离子系统。28.根据权利要求25或权利要求26所述的系统，其中所述分离子系统包括脱甲烷塔单元和C2纯化单元；其中所述脱甲烷塔单元被流体地联接至所述甲烷化子系统和所述C2纯化单元；其中所述脱甲烷塔单元被配置成：(i)接收所述OCM流出物；(ii)将所述OCM流出物分离成所述第一流和所述第二流；(iii)将所述第一流的至少一部分引导至所述甲烷化子系统；以及(iv)将所述第二流引导至所述C2纯化单元；并且其中所述C2纯化单元被流体地联接至所述OCM子系统，并且被配置成接收所述第二流并将所述第二流分离成至少包含C2H4的第三流和包含C2H6的第四流。29.根据权利要求28所述的系统，其中所述OCM子系统包括(i)包含OCM催化剂的OCM反应器和(ii)在所述OCM催化剂的下游的柱
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床式裂化(PBC)单元，并且其中所述PBC单元被配置成接收所述第四流并生成C2H4。30.根据权利要求25或权利要求26所述的系统，其中所述碳氧化物进料流的至少一部分由被捕获的CO2源提供。31.根据权利要求25或权利要求26所述的系统，还包括气体处理单元，所述气体处理单元在所述甲烷化子系统的上游并且被流体地联接至所述甲烷化子系统，其中所述气体处理单元被配置成：(i)接收包含CO2的天然气流；(ii)从所述天然气流中去除CO2；以及(iii)将所去除的CO2作为所述碳氧化物进料流的至少一部分引导至所述甲烷化子系统。32.一种将二氧化碳转化为包括乙烯(C2H4)的烯烃的方法，所述方法包括：(a)将包含二氧化碳(CO2)的进料流引导至CO2电解单元以生成包含一氧化碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：加里，
申请(专利权)人：鲁玛斯技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：