用于由二氧化碳和氢气直接生产液体燃料的改进的催化剂和工艺制造技术

本发明专利技术的实施方式涉及将二氧化碳和氢气直接转换成液体燃料的两种改进的催化剂和相关联工艺。催化转换器由两种串联的催化剂组成，所述两种催化剂在相同的压力下操作以直接产生合成液体燃料或合成天然气。CO2至液体燃料的碳转换效率大于45％。燃料被蒸馏成优质柴油燃料(约70体积％)和石脑油(约30体积％)，所述优质柴油燃料和石脑油不需要任何进一步处理就直接用作“即用型(drop

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于由二氧化碳和氢气直接生产液体燃料的改进的催化剂和工艺


[0001]本专利技术涉及能以两个主要步骤将CO2与H2的混合物有效且经济地直接转换成液体燃料的改进的催化剂和工艺。该催化工艺采用两种在相似压力下串联地有效起作用的增强催化剂，从而简化了从非石油原料生产燃料的整个过程。催化剂#1将H2与CO2的混合物转换成H2与CO的比率为约1.5
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2.5的合成气，并且催化剂#2直接从所述合成气生产合成液体燃料(和其他产品)。H2和O2是使用电解从水产生的。将来自所述催化工艺的尾气(C1‑
C
5 HC、H2、CO和CO2)用O2部分氧化，以产生附加的合成气和热量。这种商业规模的工艺适用于从发酵过程；水泥厂；发电厂；环境空气CO2捕获系统(直接空气捕获)；燃煤发电厂、天然气加工厂、天然气发电厂、制氨设施、化工设施和其他重要的CO2来源收集的CO2的转换(IPCC,2005；Schuetzle等人，2010；Wieclaw
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Solny等人，2013)。CO2中存在的轻质烃也会被转换成合成气。所生产的液体燃料包括优质煤油、柴油和喷气燃料，以及混调型精制汽油(gasoline blendstock)。取决于CO2来源和用于H2生产的功率的来源，液体燃料的温室气体排放量减少约50
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130％。除了减少温室气体排放量，合成柴油燃料还减少了标准污染物排放量，并且提高了燃料经济性。这种简化的两步催化工艺是耐用的、高效的，并且在长时间段内维持相对恒定水平的燃料生产率，而不需要催化剂重新活化或更换。

技术介绍

[0002]本专利技术主要聚焦于有效且经济地将CO2与H2的混合物直接转换成减少温室气体排放量的液体燃料的改进的催化剂和相关联工艺。这些液体燃料往往被称为低碳液体燃料(low carbon liquid fuel,LCLF)、零碳燃料、超低碳燃料、或绿色燃料。
[0003]化石燃料保持如此受欢迎有几个原因(Fulkerson等人，1990)。
[0004]1.由于用于气体燃料和液体燃料分销的基础设施非常广泛，因此几乎全球所有地区都有这种或那种形式的供应。
[0005]2.它们可以有效地用于为各种规模的各种应用提供能量。
[0006]3.作为交通运输用燃料，它们是无与伦比的，因为它们是便携的并且且含有大量储存的化学能。因此，液体燃料将继续成为势不可挡的交通运输用能源。
[0007]然而，由于化石燃料的生产和燃烧会产生大量的温室气体CO2和CH4，全球目标是用低碳液体燃料(low carbon liquid fuel,LCLF)和/或低碳天然气(low carbon natural gas,LCNG)来替代化石燃料(Schuetzle,2018)。
[0008]虽然CO2可以被转换成低碳天然气(LCNG)(Marti等人，2016；Hill，2018)，但是将CO2转换成LCLF而不是LCNG有如下优点：
[0009]1.柴油燃料和汽油燃料的能量密度分别为约38.6MJ/升和34.2MJ/升。这些能量密度远高于以下物质的能量密度：CH4(在250巴下为9.0MJ/升)；H2(在690巴下为5.3MJ/升)；二甲醚(在5巴下为21.2MJ/升)；甲醇(15.6MJ/升)；锂离子电池(1.76MJ/升)和铅酸电池(0.56MJ/升)(Wikipedia，2019)。
[0010]2.从CO2生产CH4所需的H2是从CO2生产液体燃料所需的H2的约四倍。
[0011]3.与用于CH4的200
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400巴和用于H2的340
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690巴相比，柴油燃料和汽油燃料可以在大气压或接近大气压下储存。
[0012]4.液体燃料的全球分销基础设施是广泛的，并且它们可以容易地运输到地球上的几乎任何位置。
[0013]5.生产可满足天然气管道标准的合成CH4是挑战性的(Zhou等人，2010；Melaina等人，2013；Zaki等人，2016；SoCalGas，2019)。
[0014]因此，人们越来越关注开发高效且经济的用于将CO2转换成液体燃料的技术(Arakawa等人，2001；Olah等人，2005；Sakakura等人，2007；Centi等人，2009；Olah等人，2009；Mikkelsen等人，2010；Artz等人，2018；Li等人，2018)。
[0015]这种改进的催化剂和工艺提供了使用来自可再生的无碳来源(诸如来源于太阳能、风能、波浪能/潮汐能、水能或核能的电力)的一次能源将CO2与氢气一起转换成与我们当前的交通运输基础设施兼容的高密度车辆燃料的有趣可能性。此外，这种下一代技术将有助于扩大更高效的产生很少排放或没有排放的发电厂，例如氧燃烧发电厂。氧燃烧发电厂是指从天然气和氧气产生功率的发电厂，所述发电厂的流出物是几乎纯的CO2料流(而不是从传统发电厂产生的稀释的CO2料流)。
[0016]其真正的吸引力在于，这种方法提供了显著减少来自交通运输系统的碳排放的前景，而无需对车队电气化或转型成氢经济所需的基础设施进行范式转变(Pearson等人，2009)。
[0017]将CO2开发成液体燃料的大部分现有技术都已聚焦于生产汽油和柴油燃料作为“即用型”燃料。二甲醚(dimethyl ether,DME)是用于柴油发动机的潜在低排放燃料，但其不是“即用型”燃料，因为柴油发动机必须进行改造才能用于其使用，并且尚未开发出提供燃料的基础设施(Semelsberger，2006)。
[0018]尽管多年来一直建议将甲醇作为发动机的潜在液体燃料，但由于甲醇高度易燃、有毒并且其燃烧产生有毒和致癌的甲醛排放物，所以它还没有被认可作为燃料。相反，它主要用作生产液体燃料或化学品的中间化学产物。
[0019]从H2与CO2的混合物生产“即用型”液体燃料通常需要以下过程。
[0020]1.将H2/CO2混合物转换成合成气
[0021]2.将合成气转换成满足ASTM和其他燃料规范的燃料。这个过程通常需要两个或更多个主要转换过程。
[0022]为了使CO2转换成液体燃料的过程在商业上可行，重要的是用于将H2与CO2的混合物转换成合成气以及将这种合成气转换成液体燃料的所制造催化剂要满足下表1中列出的品质和性能规范中的一者或多者。
[0023]表1
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用于将H2/CO2混合物催化转换成合成气的品质和性能规范
[0024]·
催化剂包含低成本成分(无[或标称]稀有金属)。
[0025]·
它可以以数吨的量经济地制造。
[0026]·
催化剂是坚固的(例如，洛氏硬度大于Mohr 03
‑
04)。
[0027]·
它在高达2100℉下是化学和物理上稳定的。
[0028]·
它可以容易地装载到催化反应器(例如管式或填充床反应器)中。<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】1.一种用于将二氧化碳转换成液体燃料的工艺，其中所述工艺包括以下步骤：a)从水的电解产生氢气和氧气；b)将所述氢气与二氧化碳结合引入使用第一催化剂的第一催化反应器，其中来自所述第一催化反应器的输出是合成气，并且其中所述第一催化剂是过渡金属固溶体催化剂；c)将所述合成气引入第二催化反应器，所述第二催化反应器使用第二催化剂来产生尾气、水和液体燃料；d)将来自所述第二催化反应器的所述尾气引入尾气转换系统，所述尾气转换系统利用来自电解器的氧气来产生附加的合成气。2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第一固溶体催化剂中的所述过渡金属是镍。3.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第一固溶体催化剂包含Ni2Mg。4.根据权利要求1所述的工艺，其中所述尾气转换系统是部分氧化。5.根据权利要求1所述的工艺，其中所述尾气转换系统是自热重整。6.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第一催化反应器和所述第二催化反应器在彼此相差50psi内的压力下操作。7.根据权利要求1所述的工艺，其中将所述合成气引入热交换器，以在将所述合成气引入所述第二催化反应器之前降低所述合成气的温度。8.根据权利要求1所述的工艺，其中被引入到所述第一催化反应器中的所述二氧化碳是从来源获得的，其中所述来源选自由以下项组成的来源组：氧燃烧发电厂、环境空气CO2捕获系统、天然气井口、乙醇生产设施、化学生产设施和二次采油过程。9.根据权利要求1所述的工艺，其中使用电解生成氢气，其中用于所述电解的功率是由可再生或低碳来源生成的，并且其中所述可再生或低碳来源选自由以下项组成的来源组：风能、太阳能、地热、水能、洋流、生物质、火炬气、核能、来自化石燃料工厂的非高峰期功率和由氧燃烧工厂生产的功率。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二催化反应器在约50psi至约300psi、约50psi至约250psi、约50psi至约200psi、约50psi至约150psi、或约50psi至约100psi的压力下操作。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一催化剂是经浸渍的金属包覆的尖晶石，所述经浸渍的金属包覆的尖晶石包含约2重量份至约25重量份的表面积大于约50m2/g的镁，其中所述第一催化剂进一步包含约2重量％至约20重量％的镍。12.一种用于CO2氢化的催化剂，其中所述催化剂是通过包括以下步骤的工艺合...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特，
申请(专利权)人：英飞纳姆科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：