用于提高电力和其他工业过程工厂的效率的方法和系统技术方案

本发明专利技术描述了用于将液相、电化学和化学过程整合到发电、石化、金属、水泥和其他工业过程工厂中的方法和系统，其方式便于捕获所有输入碳并将其再循环到成本竞争性氢、氧和烃中。这些整合系统将回收内部产生的化学势损失(AG吉布斯自由能或可用能)以及废热(ΔH

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于提高电力和其他工业过程工厂的效率的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年2月10日提交的美国临时专利申请号62972323和2020年2月12日提交的美国临时专利申请号62972531的申请日的权益，其公开内容据此以引用方式并入本文。


[0003]本专利技术涉及工业过程工厂的领域，诸如发电、钢生产、铝生产、水泥生产、纸生产、石化生产等，所有这些都使用化石燃料、原料和电能来产生期望的输出。本专利技术描述了最初由Dr Patrick Grimes开发的新型液相电化学和化学过程的整合(Grimes过程)，其使用内部产生的废热(ΔH)，化学势的放热变化(ΔG)和/或电力来从输入化石碳、电力、水和/或大气二氧化碳合成具有成本竞争力的氢、高级烃和氧。这种对当前“浪费的”能量的捕获、整合和再循环将提高工业过程或电厂的热、碳和经济效率。

技术介绍

[0004]根据国际能源机构(TEA)，2018年全世界总能源供应的81％由化石燃料(煤、天然气和石油)提供。这些资源向能量和其他可用产品的热和热化学转化产生了超过335亿吨(33.5千兆吨或Gt)的二氧化碳(CO2)排放物。单独的能源领域贡献了总共15.6Gt(46.5％)，而工业和运输领域分别排放了6.2Gt和8.3Gt(18.4％和24.6％)。单独的电力占1.9Gt(19.3％)。通过能源，煤贡献14.7Gt(总量的44.1％)，油贡献11.4Gt(34.1％)并且天然气贡献7.1Gt(21.2％)。
[0005]实际上所有这些排放物都产生，因为大多数将化学反应物转化为商业合成产物的这些当前过程是热驱动的。将反应物在反应器中混合并加热至特定温度直至反应器输出具有足够的量或纯度以满足商业产品规格。通常，在反应器内添加催化剂可加速这些热驱动过程。处理时间的减少通常意味着成本的降低和大量的产品准备上市。通常，热驱动过程需要使过程加热温度远高于理论反应温度，以确保产品输出始终满足最低质量水平。过程温度需要过高以解决从反应器到大气的热损失、催化剂反应性随操作时间推移的损耗和以及通过诸如蒸汽或废气之类的排出产物的热损失。
[0006]通常，由热驱动过程产生的产物是期望产物和不需要的副产物的混合物。在一些过程中，期望产物与不需要的副产物的比率高达50％。由于原料过热，不需要的化学反应可能与主反应并行发生。这些反应可能需要一些热能输入，使得所需反应的热能供应不足。来自反应器的产物流需要额外的步骤以便从不需要的副产物中分离或纯化期望的产物。有时必须采取特殊措施来阻断或减缓与期望过程并行发生的其他反应，以满足可出售产品的规格。一个或多个分离过程步骤通常需要附加热输入以促进该过程。而且，纯化步骤可能需要附加热输入。分离和纯化步骤还可产生附加量的废热或其他类型的能量。
[0007]当今生产用于化学和能源工业的可销售产品的热驱动过程使用由反应器、分离器和纯化子系统组成的系统。考虑到与从每个子系统排出的废热能的总量相比，操作每个子
系统所需的过量热能输入，表明能源效率低下。
[0008]能源效率是国家能源战略的重要组成部分。在当今日益减少的能源供应、替代燃料、气候变化和污染的世界中，效率是日益增长的需求。效率的改进将有助于减轻这些问题中的一些。用于能量和化学领域的大多数过程是热驱动的。对于常规的热过程，热力学能量效率被定义为；
[0009][0010]或者就用化学燃料的热力发动机而言，将其与具有相同温度极限的卡诺循环的效率进行比较；
[0011][0012]根据与从燃料的外部燃烧供应的热量的等效闭合循环，我们倾向于考虑用化学燃料的热力发动机。这个观点导致接受等效卡诺发动机的效率作为标准，相对于该标准来判断设计。然后根据燃料的燃烧热(H
c
)和功产生子系统的温度极限来计算最大理论功。最大功(W)的这种表达式为：
[0013]W＝H
C
(T1‑
T2)/T1ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]本专利技术基于吉布斯自由能方程从明显不同的观点进行操作。在用化学燃料的热力发动机的设计和分析中发现了其中之一：接受等效闭合循环系统作为评价的基础。我们倾向于忽略卡诺效率未被定义用于开放循环的事实。
[0015]还表明，这样的发动机的理论效率受到燃料的化学势的限制，对温度极限具有次要依赖性。与该卡诺观点相反，最大功的吉布斯表达式基于反应物和产物的焓(H)，熵(S)和温度(T)的变化。最大理论功等于吉布斯函数(G)变化的负值，有时称为热力学势或吉布斯自由能。
[0016]W＝
‑
ΔG＝ΔT*S
‑
ΔH
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]这些表达式之间不存在矛盾。它们是指具有不同约束的系统。吉布斯能量是指势能到功的可逆转化。假设燃料的所有热燃烧都被供应到原动机，则卡诺表达式指的是热能(显热)到功的可逆转化。由于显热是势能的形式，对于相同的系统，吉布斯表达式必须等效于卡诺表达式。
[0018]由于卡诺发动机是闭合循环系统，因此焓、熵或温度没有净变化。因此，T*S产物的总和必须为零
[0019]T*ΔS
‑
S*ΔT＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]认识到T*ΔS是热传递项并且S*ΔT是功传递项，我们可以推导出卡诺表达式，所产生的净功必须等于所添加的净热量。因此，最大功被给定为：
[0021]W＝T1*ΔS1‑
T0*ΔS0ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0022]我们已经说过，实际上：ΔS1＝ΔS0。我们还假设热量输入等于燃料的燃烧热量。从上述表达中消除AS产生卡诺表达式，作为吉布斯表达式的特殊情况。
[0023]本专利技术提出了将这种废热的化学回收整合到现有过程中的概念。这表明将化学能转化为功的最大理论效率不限于热力发动机子系统的卡诺效率。对于实际的用化学燃料的热力发动的最大效率，建立了对卡诺效率的部分依赖性。用化学燃料的发动机的热力学分
析更合乎逻辑地基于J.Willard Gibbs的功。吉布斯函数降低表示燃料氧化能量转化系统的最大功能力。
[0024]化学和能源工业需要更节能的过程来产生期望产物并最小化或消除所产生的废物。在未回收的分子和对环境的损害的情况下，诸如温室气体排放物的情况下，这些废物产物代表失去了利润机会。正如所有研究都指出的那样，减少这些排放物对世界上所有人口的未来经济健康和大部分人的身体健康至关重要。
[0025]除了热效率之外，本专利技术还解决了碳效率问题。直到最近，对该问题几乎没有关注。地球上的所有碳都以大气二氧化碳开始。数十亿年来，自然界通过称为风化的过程从大气中去除碳，其中它与水结合并将它转化成碳酸盐矿物。这永久地封存了总量的99.9％，剩下的是煤、石油、天然气、水合物、植物动物和大气CO2。这些大气CO2水平保持相对恒定，在过去几百万年在峰值刚好低于300ppm的窄带内循环。从19世纪初开始，人本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种将用化石燃料的电厂与以下各项整合的系统：i)碳化酸性、碱性或缓冲液体电解质溶液的燃烧后二氧化碳捕获子系统，ii)再生碳化电解质溶液的脱碳化子系统，iii)将电厂废热和/或外部热源与其他子系统的热需求整合的热管理子系统，iv)将所有内部电需求与外部供应源和负载整合并优化的功率管理子系统，以及v)用以管理所有上文列出的子系统，并且对改变的内部和外部需求、中断和事件做出响应的控制系统。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述二氧化碳捕获在碳酸盐到碳酸氢盐的一个阶段中进行。3.根据权利要求1所述的系统，其中碳捕获以两个阶段进行，第一阶段将50％的氢氧化物捕获为碳酸盐，并且第二阶段将新形成的碳酸盐中的剩余物捕获为碳酸氢盐。4.根据权利要求1所述的系统，其中使用蒸汽的热脱碳化将所述碳酸氢盐再生为碳酸盐和二氧化碳，所述碳酸盐和二氧化碳能够被排出、收集、销售和/或封存。5.根据权利要求1所述的系统，其中在电化学电池中使用电和/或热输入进行所述脱碳化以在一个电极处从所述碳酸氢盐中汽提氧，而在另一个电极处汽提烃和/或氧化烃，这些物质中的一者或两者被输出用于场外销售或使用。6.根据权利要求1所述的系统，其中在电化学电池中使用电和/或热输入进行所述脱碳化以在一个电极处从所述碳酸氢盐中汽提氧，而在另一个电极处汽提烃和/或氧化烃，这些物质中的一者或两者被再循环用于内部工厂用途。7.根据权利要求5所述的系统，其中所产生的烃的一部分用于产生驱动过程所需的电力，并且将结存输出用于场外销售或使用。8.根据权利要求5所述的系统，其中所产生的烃的一部分用于产生驱动过程所需的电力，并且将结存再循环用于内部工厂用途。9.根据权利要求5所述的系统，其中电厂输出的一部分提供驱动过程所需的电力，并且将产物输出用于场外销售或使用。10.根据权利要求5所述的系统，其中所述电厂输出的一部分提供驱动过程所需的电力，并且将产物再循环用于内部工厂用途。11.根据权利要求5所述的系统，其中导入的电力提供驱动过程所需的电力，并且将产物输出用于场外销售或使用。12.根据权利要求5所述的系统，其中导入的电力提供驱动过程所需的电力，并且将产物再循环用于内部工厂用途。13.一种将用化石燃料的电厂与以下各项整合的系统：i)燃烧前碳捕获子系统，所述燃烧前碳捕获子系统使用含碳化石输入物来使ECR中的酸性、碱性或缓冲液体电解质溶液碳化，从而产生将用于代替化石燃料来发电的氢，ii)再生碳化电解质溶液的脱碳化子系统，iii)将电厂废热和/或外部热源与其他子系统的热需求整合的热管理子系统，iv)将所有内部电需求与外部供应源和负载整合并优化的功率管理子系统，以及v)用以管理所有上文列出的子系统，并且对改变的内部和外部需求、中断和事件做出响应的控制系统。14.根据权利要求13所述的系统，其中所述二氧化碳捕获在碳酸盐到碳酸氢盐的一个阶段中进行。15.根据权利要求13所述的系统，其中捕获以两个阶段进行，第一阶段将50％的氢氧化物捕获为碳酸盐，并且第二阶段将新形成的碳酸盐中的剩余物捕获为碳酸氢盐。
16.根据权利要求13所述的系统，其中使用蒸汽的热脱碳化将所述碳酸氢盐再生为碳酸盐和二氧化碳，所述碳酸盐和二氧化碳能够被排出、收集、销售和/或封存。17.根据权利要求13所述的系统，其中在电化学电池中使用电和/或热输入进行所述脱碳化以在一个电极处从所述碳酸氢盐中汽提氧，而在另一个电极处汽提烃和/或氧化烃，这些物质中的一者或两者被输出用于场外销售或使用。18.根据权利要求13所述的系统，其中在电化学电池中使用电和/或热输入进行所述脱碳化以在一个电极处从所述碳酸氢盐中汽提氧，而在另一个电极处汽提烃和/或氧化烃，这些物质中的一者或两者被再循环用于内部工厂用途。19.根据权利要求17所述的系统，其中所产生的烃的一部分用于产生驱动过程所需的电力，并且将结存输出用于场外销售或使用。20.根据权利要求17所述的系统，其中所产生的烃的一部分用于产生驱动过程所需的电力，并且将结存再循环用于内部工厂用途。21.根据权利要求17所述的系统，其中所述电厂输出的一部分提供驱动过程所需的电力，并且将产物输出用于场外销售或使用。22.根据权利要求17所述的系统，其中所述电厂输出的一部分提供驱动过程所需的电力，并且将产物再循环用于内部工厂用途。23.根据权利要求17所述的系统，其中导入的电力提供驱动过程所需的电力，并且将产物输出用于场外销售或使用。24.根据权利要求17所述的系统，其中导入的电力提供驱动过程所需的电力，并且将产物再循环用于内部工厂用途。25.一种将用化石燃料或化石供应的工业过程工厂(即，钢、铝、水泥、纸、肥料、石化、氢等)与以下各项整合的系统：i)碳化酸性、碱性或缓冲液体电解质溶液的燃烧后或使用后二氧化碳捕获子系统，ii)再生碳化电解质溶液的脱碳化子系统，iii)将电厂废热和/或外部热源与其他子系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫，
申请(专利权)人：约瑟夫，
类型：发明
国别省市：