用于从空气中捕获二氧化碳并将二氧化碳直接转换成燃料和化学品的工艺制造技术

本发明专利技术涉及用于通过从大气中直接捕获二氧化碳并使用电解水产生的氢气将所述二氧化碳转换成燃料和化学品，来将可再生的电力、空气和水转换成低碳或零碳燃料和化学品的工艺、催化剂和材料。催化剂和材料。催化剂和材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于从空气中捕获二氧化碳并将二氧化碳直接转换成燃料和化学品的工艺


[0001]本专利技术涉及用于通过从大气中直接捕获二氧化碳并使用电解水产生的氢气将所述二氧化碳转换成燃料和化学品，来将可再生的电力、空气和水转换成低碳或零碳燃料和化学品的工艺、催化剂和材料。

技术介绍

[0002]许多工业和生物工艺都会产生二氧化碳。二氧化碳通常被排放到大气中，自工业革命开始以来，全球大气中的二氧化碳水平一直在增加。二氧化碳被认为是导致全球气候变化的重要温室气体。在生成的源头减少二氧化碳已经特别困难，并且通常不成功。大气中的二氧化碳持续增加。处理二氧化碳的更优选方法是有效地从环境空气中捕获二氧化碳并将所述二氧化碳转换为有用的产品，例如燃料(例如柴油燃料、煤油、喷气燃料、汽油或混调型精制汽油(gasoline blendstock)、或其他燃料)和化学品(甲醇、氨、溶剂、蜡、烯烃、或其他化学品)，所述燃料和化学品可以替代由化石来源(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、超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。从天然气或煤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。从天然气或煤发电的发电厂会产生大量的二氧化碳。天然气矿藏也可能含有大量的二氧化碳，使得某些地方的天然气加工厂必须处理大量的二氧化碳。捕获CO2以利用往往涉及从烟气流(flue gas stream)或二氧化碳不是主要组分的另一料流中分离二氧化碳。使用烷基胺来从烟气流中取出二氧化碳。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。
[0004]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。从空气中捕获二氧化碳的挑战不同于从烟气或其他来源捕获二氧化碳的挑战，因为空气中的二氧化碳浓度非常低，为约415ppm。液体烷基胺在这些低浓度下不能很好地工作，因为胺的损失通常太高。基于二氧化碳物理吸收的MOF化合物通常具有太低的二氧化碳吸收量。出版物Sanz
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Perez等人，“Direct Capture of CO
2 from Ambient Air”,Chem.Rev.2016,116,11840
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11876详细介绍了CO2直接空气捕获的历史发展。已经尝试了许多材料来从稀释的空气料流中捕获二氧化碳。
[0005]在过去的十年中，两种主要类型的材料和工艺被认为是最有前途的。第一组有前途的材料和工艺是使用胺系留的固体吸附剂。这涉及胺(如上面提到的液态胺)的CO2捕获能力，但是这些类型的材料在化学上系留至固体。与上述基于金属氧化物的化学吸附剂不
同，负载型胺吸附剂在接近环境条件下操作，并且可以理想地通过温和的温度波动再生。Choi等人，“Application of Amine
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Tethered Solid Sorbents for Direct CO
2 Capture from Ambient Air”,Environmental Science&Technology,2011,45,2420
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2427详细描述了这些材料。然而，这些化学吸附剂需要温度波动来释放二氧化碳以及需要惰性气体来清除二氧化碳。在实验室中，使用氮气、氩气或其他惰性气体。然而，在商业上，使惰性气体与二氧化碳分离成为几乎与最初捕获二氧化碳一样重要的问题。为了克服惰性气体问题，对于这些负载型吸附剂中的某些，已经表明可以使用蒸汽来释放二氧化碳并使吸附剂再生。参阅Wen Li等人，“Steam Stripping for Regeneration of Supported Amine
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Based CO
2 Adsorbents”,ChemSusChem 2010,3,899
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903。如US 9,555,365中所述的由Global Thermostat开发的技术落入用于DAC的方法的这种一般类别中。
[0006]第二材料和工艺是使用含水金属氢氧化物与空气中的CO2反应以产生金属碳酸盐，然后煅烧所述金属碳酸盐以释放捕获的CO2并重新生成金属氢氧化物。这个循环可以在一系列连续的化学反应器中进行。这是通过碳工程成比例放大的技术。在Keith等人，“A Process for the Capture of CO
2 from the Atmosphere”,Joule 2,1573
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1594,2018年8月15日中详细讨论了它们的工艺。将从它们的工艺得到的二氧化碳从900℃冷却，并压缩至大于100个大气压，以进行地质封存或进入CO2管线。氢(H2)的可再生源可以经由电解从水产生。
[0007][0008]这个反应使用电将水分解成氢气和氧气。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。
[0009]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。与所有能量都通过电力提供相比，如果电解器与低成本或废热源共定位，则高温电解，例如PEM蒸汽电解，特别是固体氧化物电解，可以具有较低的操作成本。(Study on development of water electrolysis in the EU Final Report,E4tech Sari with Element Energy Ltd for the Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking,2014年2月)。考虑到电解所需的高能量，如本专利技术所设想的零碳燃料和化学品设备的放置必须位于或靠近具有廉价的可再生电力的位置。
[0010]除了电解，重要的当前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)。
[0011]液体有机氢载体(Liquid Organic Hydrogen Carrier,LOHC)的最新发展已表明，可以使氢与甲苯在电解或水分解位置反应以产生甲基环己烷，然后甲基环己烷可以作为液体被输送至另一个位置，在该位置处甲基环己烷被脱氢成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于将包含空气、电力和水的进料流转换成包含烃的产物料流的集成工艺，所述工艺包括：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所述电力的至少一部分来自可再生来源；b.直接空气捕获步骤，其中使空气与吸附剂接触并且从所述空气料流中取出二氧化碳；c.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来自所述直接空气捕获步骤的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；d.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，以产生烃合成产物料流；e.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包含来自所述烃合成步骤的未反应的反应物的一种或多种料流反应。2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述直接空气捕获使用固体负载型胺吸附剂。3.根据权利要求2所述的工艺，其中使用包含在所述电解器中产生的氢气的料流来使所述固体负载型胺吸附剂再生。4.根据权利要求1所述的工艺，其中所述直接空气捕获使用...

【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：