用于将二氧化碳和电力转换成燃料和化学品的方法技术

本发明专利技术描述了用于将二氧化碳、水和电转换成低碳或零碳高品质燃料和化学品的方法、系统和催化剂。在一个方面中，本发明专利技术提供了一种用于将包含二氧化碳的进料流转换成包含长度介于5个碳原子与24个碳原子之间的烃的产物料流的集成方法。的集成方法。的集成方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于将二氧化碳和电力转换成燃料和化学品的方法


[0001]本专利技术描述了一种用于将二氧化碳、水和电(理想地，可再生或低碳的电)转换成低碳或零碳的高品质燃料和化学品的催化方法。通过结合当前领域中尚未描述的几种创新工艺，增强了工艺转换效率。第一改进是自热重整(autothermal reforming,ATR)，该工艺将来自燃料/化学品生产阶段的尾气(和潜在的其它烃原料)以及来自电解工艺的氧气转换成附加的合成气。第二改进是使用来自ATR工艺的热能来操作(CO2)RWGS(氢化)催化剂。第三改进是使用CO2氢化催化剂将来自ATR工艺的CO2分离和转换成附加的合成气。第四改进是使用独特的逆水煤气变换(Reverse Water Gas Shift,RWGS)催化剂、反应器和工艺将CO2和氢气转换成合成气，并且优选地在接近燃料/化学品生产工艺(该燃料/化学品生产工艺将合成气转换成燃料或化学制品)的压力的压力下操作此RWGS操作。最优选地，这些燃料或化学品是大部分在C5
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C24范围内的石蜡烃或烯烃液体。

技术介绍

[0002]许多工业工艺和生物过程都会产生二氧化碳。二氧化碳通常被排放到大气中。然而，由于二氧化碳已经被认定是重要的温室气体，因此需要减少来自这些工艺的二氧化碳排放。尽管在有限的情况下这种二氧化碳可用于增强从油井的油气采收，但是这种捕获的二氧化碳中的大部分二氧化碳将被排放到大气中。处理二氧化碳的优选方法是有效地捕获和利用二氧化碳并将其转换成有用的产品，例如燃料(例如，柴油燃料、汽油、混调型精制汽油(gasoline blendstock)、喷气燃料、煤油等)和化学品(例如，溶剂、烯烃、醇、芳族化合物、润滑油、蜡、氨、甲醇等)，所述燃料和化学品可以替代由化石燃料来源(例如石油和天然气)产生的燃料和化学品并由此降低二氧化碳到大气中的总净排放量。这就是低碳、极低碳或零碳燃料和化学品的含义。
[0003]二氧化碳可以从几个来源获得。生产化肥用氨的工业制造工厂会产生大量的二氧化碳。将玉米或小麦转换成乙醇的乙醇工厂会产生大量的二氧化碳。从各种资源(例如天然气、煤、其他资源)发电的发电厂会产生大量的二氧化碳。化工厂(例如尼龙生产厂、乙烯生产厂、其他化工厂)会产生大量的二氧化碳。一些天然气加工厂产生CO2作为净化天然气以满足管道规格的工艺的一部分。如本文所述捕获CO2以用于利用往往涉及从烟道气流或二氧化碳不是主要组分的另一料流中分离二氧化碳。一些CO2源已经是相对较纯的，并且可以在本文所述的方法中以仅较小处理(其可以包括气体压缩)即可使用。一些工艺可能需要烷基胺或用于从烟道气流中去除二氧化碳的其他方法。在该工艺中使用的烷基胺包括单乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、二异丙胺、氨基乙氧基乙醇，或它们的组合。金属有机框架(Metal Organic Framework,MOF)材料也已经被用作使用化学吸附或物理吸附从稀释料流中捕获二氧化碳，以从该料流中分离二氧化碳的手段。其他获得浓缩二氧化碳的方法包括化学链燃烧，在所述化学链燃烧中循环的金属氧化物材料捕获在燃烧过程期间产生的二氧化碳。也可以在被称为二氧化碳的直接空气捕获(direct air capture,DAC)的过程中从大气捕获二氧化碳。
[0004]氢(H2)的可再生源可以经由电解从水产生。
[0005][0006]这个反应使用电将水分解成氢和氧。电解器由被电解质隔开的阳极和阴极组成。不同的电解器以稍微不同的方式工作，这主要是由于涉及不同类型的电解质材料。
[0007]然而，如果在环境压力和温度下将水进料到系统中并且所有的能量输入都以电形式提供，则每种电解技术的理论最小电能输入为39.4kWh/kgH2(氢气的HHV)。如果为系统提供合适的热能，则所需的电能输入可能降低到低于39.4kWh/kgH2。
[0008]除了电解，当前的重要研究还有使用光能和光催化剂将水分解成氢气和氧气。(Acar等人，Int.J.Energy Res.2016；40:1449
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1473)。
[0009]一种已经考虑利用二氧化碳的反应是逆水煤气变换(RWGS)反应。
[0010]CO2+H2＝CO+H2O
[0011]该反应将二氧化碳和氢气转换成一氧化碳和水。该反应在室温下是吸热的并且需要热量来进行，并且显著的二氧化碳转换需要升高的温度和良好的催化剂。已经公开了许多用于RWGS反应的催化剂。先前研究的主要催化剂是分散在金属氧化物载体上的Cu或Pt或Rh。(Daza&Kuhn,RSC Adv.2016,6,49675
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49691)。
[0012]使用来自逆水煤气变换反应的CO(一氧化碳)和来自水电解的氢气，通过一氧化碳至烃的催化剂氢化获得有用产品的潜力是存在的。H2和CO的混合物被称为合成气(syngas)。合成气可用作用于生产多种化学产品的原料，所述多种化学产品包括液体燃料、醇、乙酸、二甲醚、甲醇、氨和许多其他化学产品。
[0013]除了氧化的烃之外，还产生范围从甲烷至重质烃(C100和更高)的轻质气体、液体和蜡的一氧化碳催化氢化通常被称为费希尔特罗普希(或F
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T)合成。传统的低温(<250℃)F
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T工艺主要从催化转换过程产生高重量(或重量％)的F
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T蜡(C25及更高)。这些F
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T蜡然后被加氢裂化和/或进一步加工以产生柴油、石脑油和其他级分。在该加氢裂化过程期间，还产生了轻质烃，这可能需要额外的升级以产生可行的产品。通常用于F
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T的催化剂要么是基于钴(Co)的催化剂要么是基于铁(Fe)的催化剂，这些催化剂对于导致进料一氧化碳转换成二氧化碳的水煤气变换(WGS)反应来说也是有活性的。关于费希尔特罗普希的现有技术的更多细节请参阅(S.S.Ail,S.Dasappa/Renewable and Sustainable Energy Reviews 58(2016)267
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286)。
[0014]迄今为止，尚未开发出将二氧化碳转换成有用的燃料和化学品的有效且经济的方法、系统和催化剂。需要更好的方法、系统和催化剂。
附图说明
[0015]图1至图3示出了用于将二氧化碳、水和可再生电力转换成可再生燃料和化学品的集成高效方法。
[0016]图1示出了用于将H2和CO2转换成燃料和化学品的整体方法流程图的一部分。具体地，图1示出了用于从CO2生产CO的逆水煤气变换反应器系统。
[0017]图2示出了用于将H2和CO2转换成燃料和化学品的整体方法流程图的一部分。具体地，图2示出了液体燃料生产系统，其中CO和H2发生反应以产生可用作燃料或化学品的长链
烃，以及用于尾气转换的ATR。
[0018]图3示出了用于将H2和CO2转换成燃料和化学品的整体方法流程图的一部分。具体地，图3示出了用于从水和低碳电力生产氢气和氧气的电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于将包含二氧化碳的进料流转换成包含烃的产物料流的集成方法，所述方法包括：a.电解步骤，其中将包含水的电解器进料流转换成包含氢气和氧气的电解器产物料流，其中在所述电解步骤中使用的电力的至少一部分来自可再生或低碳的来源；b.逆水煤气变换步骤，其中使来自所述电解器产物料流的所述氢气的至少一部分与包含二氧化碳的料流反应，以产生包含一氧化碳的逆水煤气变换产物料流；c.烃合成步骤，其中使来自所述电解器产物料流的所述氢气的至少一部分与包含所述逆水煤气变换产物料流的至少一部分的料流反应，以产生包含烃的烃合成产物料流；d.自热重整步骤，其中使通过电解产生的所述氧气的至少一部分与一种或多种料流反应，所述一种或多种料流包含a)来自所述烃合成步骤的未反应的反应物和b)不是长度介于5个碳原子与24个碳原子之间的烃的来自所述烃合成步骤的产物。2.根据权利要求1所述的方法，其中反向水煤气变换步骤和所述烃合成步骤在彼此压力相差50psi内操作。3.根据权利要求1所述的方法，其中将逆水煤气变换反应器原料用电辐射炉加热至至少1500℉，并且反应器容器是绝热反应器，其中出口温度比反应器入口温度低至少100℉。4.根据权利要求3所述的方法，其中逆水煤气变换反应器进料具有使得氢气与二氧化碳的摩尔比为2.5至3.5的组成。5.根据权利要求1所述的方法，其中烃合成原料具有介于1.90与2.20之间的氢气与一氧化碳的摩尔比，并且烃合成催化剂包含钴，并且C4
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C24选择性大于70％，并且其中转换成比C24更重质的产物的一氧化碳的量小于10％。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述自热重整步骤包含蒸汽作为进料，其中蒸汽与碳的比率为0.40
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1.00。7.根据权利要求6所述的方法，其中ATR催化剂是固溶体催化...

【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：