專利名稱：再利用二氧化碳CO₂的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種再利用(再循環(huán))二氧化碳的方法，本發(fā)明還涉及實(shí)現(xiàn)所述方法的系統(tǒng)。本發(fā)明的領(lǐng)域是二氧化碳(CO2)再利用領(lǐng)域，更具體涉及通過碳元素(C)還原二氧化物。
背景技術(shù)：
CO是“氣態(tài)碳”的基本形式，并且是所有含碳結(jié)構(gòu)(物質(zhì))的化學(xué)基礎(chǔ)。它也是一種具有高熱能的燃料氣體，可轉(zhuǎn)換成所有目前使用的“傳統(tǒng)”能源。 通過Boudouard的工作，已經(jīng)徹底了解和確定了通過碳分子(C)還原CO2而成為2分子CO。因此，從轉(zhuǎn)化為兩分子CO的能量利益的視角來看，吸熱反應(yīng)的熱焓對于經(jīng)濟(jì)可行的運(yùn)用非常重要。事實(shí)上，還原CO2成為CO是一吸熱反應(yīng)，像我們將在以下解釋中看到的，其需要高溫。因此該反應(yīng)需要供應(yīng)能量以使反應(yīng)能夠發(fā)生。幾十年前，人們已經(jīng)進(jìn)行研究以確定提高這些反應(yīng)產(chǎn)量的技術(shù)，并且只有在環(huán)境的干預(yù)方面證明了某些“氣化”過程引起了一些關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到CO2還原反應(yīng)的高熱焓，濃縮/收集和存儲二氧化碳CO2的技術(shù)正在流行，并且優(yōu)于CO2再利用(再循環(huán))的方法，再利用方法還非常昂貴并且需要利用大量技術(shù)手段。本發(fā)明的一個目標(biāo)是為了避免這些不方便之處。本發(fā)明的另一個目標(biāo)是為了提出一種用以再利用(再循環(huán))二氧化碳的經(jīng)濟(jì)上可行的方法和系統(tǒng)。因此，本發(fā)明的一個目標(biāo)是提出一種與現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)前狀態(tài)的系統(tǒng)相比具有更高產(chǎn)量的用于再利用二氧化碳的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明允許通過再利用基本上含CO2分子的所謂的初始CO2氣流的方法實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，所述方法包括以下步驟-加熱所述CO2氣流到含碳物質(zhì)的熱解溫度；-針對所述氣流熱解含碳元素的含碳物質(zhì)的裝填物，所述熱解在高溫下通過所述碳兀素還原CO2分子，以生產(chǎn)基本上包括一氧化碳分子的第一氣流；-用氧元素氧化所述一氧化碳分子，所述氧化產(chǎn)生基本上包含CO2分子的第二氣流；-還原所述第二氣流中的所述CO2分子，所述還原提供基本上包含一氧化碳分子(CO)的第三氣流。本發(fā)明進(jìn)行CO2脫氧以獲得CO，CO氧化以獲得CO2以及CO2的第二次脫氧以再次
獲得CO。這三個反應(yīng)允許從再利用開始到再利用結(jié)束容易地轉(zhuǎn)移含碳物質(zhì)中的所有潛在能量，這允許我們在不同步驟中使用它們，而不需要外部能量。因此-第一個反應(yīng)是含碳物質(zhì)的熱解作用，其目的是使所述含碳物質(zhì)溫度升高到800/1000°C。這是使用碳(C)的CO2 “脫氧(oxyreductor)”反應(yīng)的溫度,碳通過交換一個來自CO2的氧(O)原子而被氧化成CO (—氧化碳)。此反應(yīng)是吸熱的，本發(fā)明方法的開始需要提供有效能源，通過已知的加熱裝置使CO2氣流的溫度升高到含碳物質(zhì)的熱解溫度。隨后，該能量通過重復(fù)利用隨后反應(yīng)產(chǎn)生的能量和為了補(bǔ)償系統(tǒng)能量損失的熱量補(bǔ)充來提供。在第一個反應(yīng)過程中，來自初始含碳物質(zhì)的碳被“氣化”為CO (—氧化碳)而CO2被還原為CO。在1000°c的溫度下制得的氣體流出物則基本上由CO (具有高熱能的燃料氣)組成，此溫度的維持通過如提供給初始CO2的最終供熱補(bǔ)充來控制。 -利用載氧元素(持氧元素，含氧元素，oxygenholding element)的第二 CO氧化反應(yīng)的目標(biāo)是均勻化熱容和氣流溫度，允許提供充足的能量以使載氧元素升高到800至1000°C之間的反應(yīng)溫度并保持此溫度，實(shí)現(xiàn)CO2的第二脫氧作用(去氧作用)并提高初始?xì)饬鞯臏囟鹊綗峤鉁囟?。這避免了供應(yīng)過度的外部能量，其實(shí)現(xiàn)第二脫氧作用，其提高初始?xì)饬鞯臏囟取?第三個反應(yīng)包括通過可氧化元素(其已經(jīng)在第二個反應(yīng)中被還原)脫氧化(還原)CO2,以在1000°C的溫度下獲得基本上含CO的最終氣流，確保轉(zhuǎn)移該最終氣流到有機(jī)物質(zhì)的引入?yún)^(qū)的有用的穩(wěn)定性，在此引入?yún)^(qū)該最終氣流與所述物質(zhì)交換熱容，而不存在發(fā)生逆反應(yīng)的風(fēng)險(2C0在其溫度由1000°C到500°C的降低過程中，生成1C02+1C，在存在碳元素以作為“脫氧劑(氧還原劑，oxyreductor)”的情況下此反應(yīng)受到抑制),其很可能通過其它熱交換方式降低其溫度而發(fā)生逆反應(yīng)的風(fēng)險。本發(fā)明允許，由I摩爾的CO2獲得兩摩爾的一氧化碳CO，它是具有高能量的燃料氣體和對許多含碳分子排列有用的分子。根據(jù)本發(fā)明，再利用CO2成為CO實(shí)現(xiàn)固態(tài)燃料的熱轉(zhuǎn)移成為氣體(其由轉(zhuǎn)化所述固態(tài)成為幾乎純?nèi)剂蠚怏w而放出的)具有以下前景-與固體燃料相比，更好的產(chǎn)率和氣體燃燒管理；-更好的二手能源的整體產(chǎn)出；-大量減少熱設(shè)備的維護(hù)；-當(dāng)消耗Ikg固態(tài)碳時再利用3.66kg的CO2 :其主要為分子(CO), —種碳的基本氣態(tài)形式(允許其與其它元素鍵接以獲得工業(yè)常用分子，它們是用于任何熱系統(tǒng)的燃燒氣)。CO2可以所使用的一氧化碳?xì)饬魅紵笾貜?fù)利用多次。本發(fā)明的方法是一種經(jīng)濟(jì)上可行的方法。而且，與現(xiàn)有工藝水平的方法相比，本發(fā)明方法的產(chǎn)量更高。在一個本發(fā)明方法的有利方式中，氧化第一氣流中的一氧化碳分子的氧元素由載氧氧化物(持氧氧化物，oxygen holding oxide)提供,所述氧載體(持氧物,oxygen holder)在所述氧化后被還原。類似地，第二氣流中的CO2分子的還原可以受到得自一氧化碳分子氧化后被還原的氧載體的影響。因此，相同的氧載體用于本發(fā)明方法的每一次重復(fù)的閉合循環(huán)中，其中每個使用氧載體的循環(huán)最初包括用于氧化一氧化碳分子的反應(yīng)和隨后用于還原二氧化碳分子的反應(yīng)。因此氧載體首先被還原然后被氧化。氧載體的一個實(shí)例可以是基于鎳的氧載體，如NiO。在一氧化碳分子的氧化過程中，氧載體按照以下反應(yīng)被還原為Ni Ni0+C0 ^ Ni+CO2在一氧化碳分子的還原過程中，被還原的氧載體，即Ni，按照以下反應(yīng)被氧化Ni+CO2 — Ni0+C0被氧氧化的持有物，即NiO隨后被用于新的一氧化碳分子的氧化等。本發(fā)明的方法包括起始階段，在起始階段期間初始CO2氣流通過含碳物質(zhì)的裝填物(load)的燃燒來加熱。因此，最初需要的以啟動氧化和還原反應(yīng)的熱量由該燃燒提供。 該燃燒有利地在氧(存在)下進(jìn)行，最優(yōu)化所述燃燒的產(chǎn)熱量并產(chǎn)生基本上由CO2構(gòu)成的燃燒氣體。所述CO2立即混合到初始?xì)饬髦?，由此?shí)現(xiàn)了無能量損失的熱轉(zhuǎn)移。反應(yīng)開始之后，本發(fā)明的方法能夠有利地包括回收至少一部分所述第二氣流的熱能，其中至少一部分所述熱能被用于加熱初始?xì)饬?。另一方面，根?jù)一種有利的方式，本發(fā)明的方法能夠有利地包括回收至少一部分第三氣流的所述熱能，其中至少一部分所述熱能被用于加熱初始?xì)饬骱皖A(yù)熱含碳物質(zhì)。熱解溫度包括在800至1100°C之間，且優(yōu)選的是1000°C。而且，本發(fā)明的方法包括借助于構(gòu)造成避免外部空氣進(jìn)入的機(jī)械化的進(jìn)口室連續(xù)供應(yīng)干燥的含碳物質(zhì)。如所獲得的第三氣流可穿過該進(jìn)口室以便與含碳物質(zhì)交換至少一部分其熱能，以逆向流穿過含碳物質(zhì)。這樣，實(shí)現(xiàn)熱交換-上游，有益于含碳物質(zhì)，其接著通過再利用本發(fā)明方法中固有的熱能/化學(xué)反應(yīng)能預(yù)熱含碳物質(zhì)；-下游，對于第三最終氣流無損失。事實(shí)上，Boudouard已經(jīng)顯示如果在1000°C下反應(yīng)完全是以2C0，另一方面，當(dāng)在1000°C時2C0與其介質(zhì)交換器熱容(熱量)時，則反應(yīng)逆轉(zhuǎn)為1C02+1C，直到溫度降低到碳平衡的穩(wěn)定水平，約450°C，并且在此溫度下轉(zhuǎn)移幾乎是平衡的50/50%。這樣，本發(fā)明的方法通過與如引入的含碳物質(zhì)交換CO的熱量(在1000°C下)抑制這個反應(yīng)的逆轉(zhuǎn)(含碳物質(zhì)是該方法中的“還原”碳的原料并在熱交換過程中作為還原碳反應(yīng))，如引入的含碳物質(zhì)通過利用裝置的即時反應(yīng)并將溫度平衡在一氧化碳的穩(wěn)定水平(<450°C)來抑制該逆轉(zhuǎn)。而且，本發(fā)明的方法可包括在熱解步驟之前研磨含碳裝填物的步驟。研磨含碳材料允許有利于熱解和在所述裂解期間必然的CO2分子的還原反應(yīng)。如獲得的第三氣流，基本上包含一氧化碳分子，代表一種重要的能源。本發(fā)明的方法可包括通過燃燒至少一部分此第三氣流產(chǎn)生電能或熱能的步驟。根據(jù)一個實(shí)施方式的實(shí)例，干燥的含碳材料裝填物可包括-植物或動物生物質(zhì)；-煤；-泥炭；-褐煤；-有機(jī)或無機(jī)釜液(殘余物)；
-破損輪胎；或-這些含碳物質(zhì)的任何組合。本發(fā)明的另一方面提出一種用于再利用所謂基本上包含CO2的初始?xì)饬鞯南到y(tǒng)，所述系統(tǒng)包括-用于加熱所述初始?xì)饬鞯胶嘉镔|(zhì)的熱解溫度的加熱裝置；-所謂第一熱解區(qū)，通過所述氣流在所述熱解溫度實(shí)現(xiàn)含碳材料裝填物的熱解，所述熱解還原CO2分子以產(chǎn)生基本上包含一氧化碳分子(CO)的第一氣流；-所謂第二氧化區(qū)，實(shí)現(xiàn)氧化所述一氧化碳分子，所述氧化產(chǎn)生基本上包含CO2分子的第二氣流；和
-所謂第三還原區(qū)，實(shí)現(xiàn)還原所述第二氣流中的所述CO2分子，所述還原提供基本上包含一氧化碳(CO)的第三氣流。在一有利方式中，第二區(qū)可以包含含氧氧化物(承氧化物，oxygen-bearingoxide)，為氧化第一氣流中的一氧化碳分子提供氧元素供應(yīng)，所述氧載體在所述氧化后被還原。仍根據(jù)一個有利方式，第三區(qū)可以包含以還原態(tài)的含氧氧化物，實(shí)現(xiàn)還原第二氣流中的CO2分子。根據(jù)一個優(yōu)選方式，本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括輸送裝置，其實(shí)現(xiàn)-從第二區(qū)到第三區(qū)輸送得自在氧化第一氣流中的一氧化碳分子之后的以還原態(tài)的含氧氧化物；和-從第三區(qū)到第二區(qū)輸送得自還原第二氣流中的CO2分子后的以氧化態(tài)的含氧氧化物。這些輸送裝置允許在第一氣流的一氧化碳分子的氧化反應(yīng)期間和第二氣流中的CO2分子的還原反應(yīng)期間使用和重復(fù)使用氧載體(載氧體，oxygen bearer),緊接在本發(fā)明方法每個重復(fù)處的封閉循環(huán)。初始?xì)饬鞯募訜嵫b置可包括至少一個熱交換器，其實(shí)現(xiàn)-從第二氣流轉(zhuǎn)移熱能到初始?xì)饬?；?或-從第三氣流轉(zhuǎn)移熱能到初始?xì)饬?。這樣的交換器允許回收和評估第二氣流和第三氣流的熱能。本發(fā)明的系統(tǒng)還可具有用于在熱解該材料之前研磨含碳裝填物的研磨裝置，該材料通過初始?xì)饬鳠峤庖蕴岣哂煤佳b填物中的碳元素實(shí)現(xiàn)的CO2分子脫氧反應(yīng)。另一方面，本發(fā)明的系統(tǒng)可包括將所述系統(tǒng)置于低氣壓(depression)的裝置，這有利于熱解區(qū)到第三區(qū)的不同氣流的流通(循環(huán))。本發(fā)明通過含碳(物質(zhì))的基礎(chǔ)反應(yīng)再利用二氧化碳以獲得CO :1C02+1C=2C0，其是一個CO2還原反應(yīng)。該還原可以在400/500°C的熱水平下部分進(jìn)行并可在1000°C下完全進(jìn)行。在此溫度下，所有的CO2都已與C交換了 1/202。這個還原反應(yīng)是吸熱的(283kJ/摩爾)，因此我們需要利用反應(yīng)裝置供應(yīng)它。通過引起兩個聯(lián)合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)用IC還原ICO2成為2C0 -通過對一個碳有益的1/202(O)的交換進(jìn)行的還原是吸熱的(283kJ/摩爾)。-對IC有益的CO2的1/202(O)的交換成為CO是放熱氧化(IllkJ/摩爾)。
通過IC還原ICO2成為2C0的吸熱是283kJ/摩爾-IllkJ/摩爾=172kJ每摩爾CO2。Ikg的CO2由22. 73摩爾組成(44g/摩爾)以將其還原為CO，這需要等當(dāng)量的碳如22. 73摩爾的C (12g/摩爾)或272. 76g的碳(C)。這個反應(yīng)產(chǎn)生45. 46摩爾的CO (28g/mol),即 I. 273kg 的一氧化碳(CO)。在這些條件下，本發(fā)明的通過C再利用CO2成為兩個CO的能量平衡如下大約需要1，644kJ以提高Ikg的CO2+等當(dāng)量的碳(272. 76g或6/700g含50%碳的含碳材料)到還原反應(yīng)的基礎(chǔ)溫度(400/500°C)以及大約需要2，220kJ以提高到其完全(還原)溫度
IOOO0O0 另一方面，Ikg 的 CO2 還原吸熱是172kJ x 22. 73 摩爾=3，909. 56kJ。再利用的全部熱焓是5，554kJ到6，130kJ/kg CO2。l，273kg的CO的熱能是83kJ/摩爾X 45. 46摩爾=12，865kJ，S卩，有限的(熱量) 獲得在 7，31 IkJ 至 6，735kJ/kgC02 之間。用于CO2還原的272. 76g碳的熱量是22. 73摩爾x 394kJ/摩爾=8，956kJ。結(jié)論-CO2再利用成為CO的能量平衡消耗能量有助于調(diào)節(jié)二手材料(反應(yīng)焓1644/2220kJ))。如將在本方法的順序中所解釋的，在開始通過碳氧化(燃燒)提供能量，并且隨后通過再利用/回收反應(yīng)流出物的潛熱和顯熱提供能量。-再利用CO2成為CO的熱平衡生成一種瞬時能量(瞬時動力勢，instantaneouspower potential),在“完全(perfect)”氣態(tài)燃料形式下,對于用作還原劑燃燒的能量相當(dāng)?shù)奶?固態(tài)燃料)而言高于約4，000kJ/kgC02。此種狀態(tài)允許最優(yōu)化燃燒，產(chǎn)量和燃燒溫度，以及總體產(chǎn)能量。再利用CO2成為CO的總體效果顯著-由轉(zhuǎn)化所述固態(tài)燃料成為(幾乎純的)燃料氣而實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)的固態(tài)燃料到氣態(tài)燃料的熱量轉(zhuǎn)移，具有以下前景-比固態(tài)燃料更好的產(chǎn)量和氣態(tài)燃燒管理；-更好的二手能源的總體產(chǎn)量；-極大減少熱設(shè)備的維護(hù)；-每消耗Ikg固態(tài)碳再利用3.66kg的CO2,且CO2可以在氣溶體(gas solution)燃燒后被再利用多次。本發(fā)明可以用于生產(chǎn)CO、構(gòu)建用于分子組合的含碳鏈以及各種工業(yè)用途。連接到一個氫(H2)生產(chǎn)系統(tǒng)，本發(fā)明，通過生產(chǎn)CO，允許生產(chǎn)所有碳?xì)浠衔?烴，hydrocarbide)的分子組合,如甲燒(CH4)。則可在通用的精煉設(shè)備中生產(chǎn)具有更復(fù)雜合成的碳?xì)?烴)組合物。同樣本發(fā)明也可用于將能量/能源(對于固態(tài)燃料為“熱”能勢)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)化成可燃性氣態(tài)能源(CO)，為了轉(zhuǎn)變成有多種用途的新能量熱能、冷能、電能、機(jī)械能(motorpower)。氧載體(持氧物，oxygenholder)可包括 NiO、Fe203、Mg0、CaO 等。本發(fā)明的其它優(yōu)勢和特點(diǎn)將通過查看具體實(shí)施方式
而顯而易見，但是并不局限于具體實(shí)施方式
和附圖
的方式，附圖是本發(fā)明的通過含碳(物質(zhì))的基礎(chǔ)(反應(yīng))的第一種方式的CO2再利用系統(tǒng)的原理圖示。如圖I代表的系統(tǒng)100包括第一區(qū)102。第一區(qū)102是在高溫下(高于1000°C通過初始CO2氣流106熱解含碳物質(zhì)104的區(qū)域。為了均勻反應(yīng)成為CO，含碳物質(zhì)優(yōu)選是干燥的，但如果目標(biāo)是為了獲得不同的氣態(tài)化合物(混合物)的合成，含碳物質(zhì)可以是潮濕的。第一區(qū)102具有多個水平層(level) 108，并配置其以允許-逐步升高含碳物質(zhì)的溫度并維持CO2在最佳的熱解溫度。-通過含碳材料實(shí)現(xiàn)CO2的脫氧反應(yīng)，更特別地通過碳元素。
初始CO2氣流106和含碳物質(zhì)104以逆向流連續(xù)引入第一區(qū)102。在確定的大約1000°C反應(yīng)溫度下引入C02106。事實(shí)上，初始CO2氣流106通過如專業(yè)人士已知的裝置101在開始階段預(yù)先加熱到反應(yīng)溫度。一旦反應(yīng)開始，CO2氣流的加熱是自給的，得益于以下公開的如由系統(tǒng)100所使用的能量再利用。為了進(jìn)行CO2的還原反應(yīng)(根據(jù)由Boudouard定義的和前面解釋的碳平衡)并優(yōu)化此反應(yīng)，CO2在以同包含在粗含碳物質(zhì)104中的碳比例相關(guān)的受控比例引入之前，被預(yù)熱到>100(TC的溫度，引入其以與裝置即時反應(yīng)，加速含碳物質(zhì)升溫和抑制任何反應(yīng)逆轉(zhuǎn)。只要本方法中的開始階段達(dá)到熱量自給的水平，則中斷或減少所述外部預(yù)熱。如引入的CO2比例應(yīng)該和含碳材料中的碳(C)的比例相等，即，I摩爾的CO2對I摩爾的碳(C)。含碳物質(zhì)104可以是不限于植物和/或動物生物質(zhì)、碳、泥炭、褐煤、殘余物(釜液，residues)、破損輪胎等。為了更好地與CO2相互作用，優(yōu)選將其研磨。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的反應(yīng)，優(yōu)選將其“干燥”。含碳材料在其儲存溫度通過室103 (通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的設(shè)備機(jī)械地)引入到第一區(qū)102熱解。在該室103中，含碳材料與最終氣流120以逆向流交叉。所述相互作用允許氣流120的剩余熱容與含碳物質(zhì)104交換，允許含碳材料預(yù)熱和氣流120冷卻。隨后含碳材料被引入到區(qū)域108，在此含碳材料與CO2的初始?xì)饬?06在大約1000°C的熱解溫度以逆向流相遇，升高裝置溫度到CO2脫氧(還原)反應(yīng)所需水平。熱解持續(xù)進(jìn)行，一水平層接著一水平層，作為為本系統(tǒng)建立的配制的函數(shù)。隨后CO2與含碳物質(zhì)104中的過熱的碳交換一個O。所獲得的氣態(tài)混合物通過穿越一個中間區(qū)通過一個水平層108到另一水平層，伴隨本發(fā)明的系統(tǒng)中的所有區(qū)域，在中間區(qū)中不同氣流也通過不同的交換器穿越。因此，氣態(tài)混合物保持對反應(yīng)的有效和高效進(jìn)行而言是足夠的溫度和熱容。在高溫(< 900°C)下生成CO分子以匯集成基本上包含CO的第一氣流并最終形成如在區(qū)域109中限定的通道，在區(qū)域109中包含的初始碳的剩余物質(zhì)和剩余的CO2被完全轉(zhuǎn)化成為CO。此第一氣流110從第一區(qū)102抽取到第二區(qū)112，因?yàn)橄到y(tǒng)100通過已知的抽吸裝置處于低壓狀態(tài),未示出。第二區(qū)112使用載氧物質(zhì)(持氧物質(zhì)，oxygen-holding material)如在圖I中以MeO指示的金屬氧化物。通過與載氧物質(zhì)MeO相接觸，基本上包含CO的第一氣流110將在高溫下通過為其完全燃燒而從載氧物質(zhì)中脫除失去的氧原子而氧化。所述放熱反應(yīng)在無火焰下進(jìn)行并通過如在區(qū)域102中的室103引入的每kg含碳物質(zhì)104產(chǎn)生的I. 273kg的CO(即45. 46摩爾的CO)而生成12，865KJ。該第二區(qū)112可以是產(chǎn)汽鍋爐或任何其它已知的產(chǎn)熱裝置。在一個給定的實(shí)施例中，所述第二區(qū)112是一個熱交換器，其中初始CO2氣流106在引入到第一區(qū)102之前穿過熱交換器并獲得一部分其熱容。
含氧物質(zhì)(承氧物質(zhì)，oxygen-bearing material) MeO的脫氧通常是吸熱反應(yīng)且，為了補(bǔ)償該吸熱，第一 CO氣流110在本方法的再利用和熱交換期間處于很高溫度。另一方面，在本方法中的熱再利用期間同樣預(yù)熱含氧物質(zhì)(承氧物質(zhì))MeO0在一個給定的實(shí)施例中，含氧物質(zhì)MeO可以包括基于鎳“Ni”的以氧化物狀態(tài)“NiO”的制劑。在這種情況下，全部反應(yīng)NiO的還原和CO的氧化是放熱的Ni0+C0=Ni+C02-38 . 7kJ/ 摩爾 CO。這個反應(yīng)生成基本上包含CO2的第二氣流114。然而，第二區(qū)112中的溫度應(yīng)保持在或低于1000°C以保持含氧物質(zhì)的耐久性。放熱反應(yīng)的熱量轉(zhuǎn)移到穿過第二區(qū)112的初始?xì)饬?06允許保持第二區(qū)的溫度處于或低于1000°C。通過熱交換器118實(shí)現(xiàn)熱轉(zhuǎn)移，其為兩個區(qū)域112和116或任何其它熱回收裝置共用，使得能量轉(zhuǎn)移，從反應(yīng)到初始?xì)饬?06，通過保持如認(rèn)為的這些區(qū)域、“含氧(承氧， oxygen bearing)”物質(zhì)和氣流的最佳溫度而逐步實(shí)現(xiàn)。在CO在第二區(qū)112中全部氧化成為CO2時，初始CO2還原的吸熱(在含碳物質(zhì)熱解期間172kJ/摩爾CO2)通過以下再利用.-“含氧(承氧)”物質(zhì)MeO失活(或還原)成為Me，并且通過重力(和/或機(jī)械地)從第二區(qū)取出到包括在800和1000°C之間的溫度；這些物質(zhì)Me通過運(yùn)輸轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)100的第三區(qū)116 ;和-基本上包含CO2的第二氣流114在900°C或低于此的溫度下離開第二區(qū)112。此第二氣流在900°C或低于此溫度下引入第三區(qū)116，在此CO2與來自于第二區(qū)112并引導(dǎo)到第三區(qū)116的脫氧或還原的含氧(承氧)物質(zhì)Me接觸而被再次還原成為CO。在第三區(qū)116，來自于第二區(qū)112的第二氣流114將穿過失活或還原的含氧(承氧)物質(zhì)Me，CO2化合物如根據(jù)反應(yīng)將與其交換一個氧原子C02+Me=C0+Me0另一方面，這個反應(yīng)生成-基本上含CO的在800°C或低于此溫度的第三氣流120;和-活化或氧化的含氧(承氧)物質(zhì)MeO，其可以在第二區(qū)112再利用。在當(dāng)前實(shí)施例中，這個反應(yīng)如下書寫C02+Ni=C0+Ni0+38. 7kJ/ 摩爾 CO2。反應(yīng)的吸熱抵消了第一區(qū)中的一個有效放熱。用于轉(zhuǎn)移初始?xì)饬?06的熱交換器118也用于此第三區(qū)116。初始CO2氣流106在這個熱交換器118中從第三區(qū)到第一區(qū)循環(huán)，逆流地，以達(dá)到最大熱容和對于如公開的一組反應(yīng)有用的約1000°C的溫度。第三氣流120通過室103從系統(tǒng)100中抽出，其中第三氣流穿過連續(xù)引入其中的含碳物質(zhì)。第三氣流120和含碳物質(zhì)104以逆向流相遇并相互作用，預(yù)先加熱含碳物質(zhì)并通過抑制所有的CO分子逆轉(zhuǎn)成為1C02+1C而冷卻(致冷，refrigerate)第三氣流120。所述反應(yīng)的熱平衡是不足的(deficit)。其需要對應(yīng)于系統(tǒng)中的各種損失(根據(jù)公開的實(shí)施例約10%)和流120的剩余熱容(如果將其從本發(fā)明的系統(tǒng)中取出后沒有“像這樣”使用)來提供熱量。所述熱量補(bǔ)充可在上游通過嚴(yán)格控制的熱供應(yīng)來提供，在設(shè)備101中消耗(以氧燃燒)CO為起始C02106預(yù)熱，所述CO分子被轉(zhuǎn)化成為C02，隨后CO2將在系統(tǒng)中再利用(循環(huán))。
從第三區(qū)116中抽出的第三CO氣流120是一種可燃?xì)怏w其可“像這樣”用于任何熱設(shè)備中和/或在馬達(dá)和/或燃?xì)鉁u輪中轉(zhuǎn)化為電能。CO分子構(gòu)成的該第三氣流120可用于含碳分子復(fù)合物的合成化合和，涉及以碳?xì)浠衔锓肿庸┙o和/或生產(chǎn)氫(H2)的組合的基本分子。結(jié)論-在系統(tǒng)100的入口處引入I摩爾CO2和I摩爾碳(以各種含碳物質(zhì)的形式，其可以是煤)。-CO2作為熱量擁有者(thermal owner)(“熱靈敏性”能量載體)用于在第一區(qū)102熱解；-碳的潛在能量(能量勢)是394kJ/mol； -在出口處，系統(tǒng)產(chǎn)生2摩爾CO，其具有283kJ/摩爾X2=566kJ的潛在能量(能量勢)，即，172kJ的能量增益，用于通過還原初始CO2成為2C0的C的能量轉(zhuǎn)移。在反應(yīng)開始通過供應(yīng)外部能源提供該能量，并在開始階段之后在系統(tǒng)的反應(yīng)循環(huán)中被回收。只有最低的基本反應(yīng)消耗和所用設(shè)備固有熱損失的補(bǔ)償需要保留。因此，本發(fā)明方法的整體產(chǎn)量高于90%。認(rèn)為約510kJ，從C到CO2轉(zhuǎn)化中的總能量轉(zhuǎn)移，自這里每摩爾初始CO2Iiekj的潛在能量增益(用以生產(chǎn)Co并且該方法限定所述Co作為熱能使用)以及節(jié)省的116/394kJ/摩爾C02=29. 44%的回收補(bǔ)充能量，得益于產(chǎn)生的能量的再利用，即，少于29. 44%的大氣CO2排出(GES)。認(rèn)為每摩爾的碳再利用(再循環(huán))I摩爾二氧化碳(C02，GES)用以生產(chǎn)兩摩爾的工業(yè)CO，沒有氣體排出到大氣中?？梢匀菀椎乩斫獗景l(fā)明并不限于上面討論的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.再利用所謂基本上包含CO2分子的CO2氣流(106)的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 -加熱所述CO2氣流到含碳物質(zhì)(104)的熱解溫度； -通過所述氣流熱解含碳元素的含碳物質(zhì)(104)的裝填物，所述熱解在高溫下通過所述碳元素還原CO2分子以生產(chǎn)基本上包含一氧化碳分子(CO)的第一氣流(110)； -用氧元素(O)氧化所述一氧化碳分子(CO)，所述氧化產(chǎn)生基本上包含CO2分子的第二氣流(I 14)； -還原所述第二氣流(114)中的所述CO2分子，所述還原提供基本上含一氧化碳分子(CO)的第三氣流(120)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于氧化所述第一氣流(110)中的一氧化碳分子的所述氧元素由載氧氧化物(MeO)提供，在所述氧化后所述氧載體(MeO)被還原。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于通過還原在氧化一氧化碳分子(CO)之后獲得的氧載體(Me)實(shí)現(xiàn)還原第二氣流(114)中的CO2分子。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于包括起始階段，在所述起始階段期間通過含碳物質(zhì)裝填物的燃燒實(shí)現(xiàn)對CO2初始?xì)饬鞯募訜帷?br> 5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于包括回收至少一部分所述第二氣流(114)的熱量，且至少一部分所述熱量用于加熱所述初始?xì)饬?106)。
6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的方法，其特征在于包括回收至少一部分所述第三氣流(120)的熱量，且至少一部分所述熱量用于加熱所述初始?xì)饬?106)和/或預(yù)熱所述含碳物質(zhì)(104)。
7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的方法，其特征在于所述熱解溫度包括在800至1100° C 之間。
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的方法，其特征在于包括以一摩爾碳(C)對一摩爾二氧化碳(CO2)的比例，在熱解區(qū)(102)中引入含碳物質(zhì)(104)的連續(xù)的和逆向流以及所述初始?xì)饬?106)。
9.如權(quán)利要求1-8任一項所述的方法，其特征在于包括在所述熱解步驟之前研磨所述含碳裝填物的步驟。
10.如權(quán)利要求1-9任一項所述的方法，其特征在于包括通過燃燒至少一部分所述第三氣流(120)產(chǎn)生電能或熱能。
11.如權(quán)利要求ι- ο任一項所述的方法，其特征在于干的所述含碳裝填物包括 -植物或動物生物質(zhì)； -煤； -泥炭； -褐煤； -釜液； -破損輪胎；或 -這些含碳物質(zhì)的任何組合。
12.再利用所謂基本上含CO2的氣流(106)的系統(tǒng)(100)，所述系統(tǒng)(100)特征在于包括-用于加熱所述初始?xì)饬?106)到含碳物質(zhì)(104)的熱解溫度的加熱裝置(118/101)；-所謂第一熱解區(qū)(102)，通過所述氣流(106)在所述熱解溫度實(shí)現(xiàn)含碳物質(zhì)(104)的裝填物的熱解，所述熱解還原CO2分子以產(chǎn)生基本上包含一氧化碳分子(CO)的第一氣流(110);和 -所謂第二氧化區(qū)(112)，實(shí)現(xiàn)氧化所述一氧化碳分子，所述氧化產(chǎn)生基本上包含CO2分子的第二氣流(114);和 -所謂第三還原區(qū)(116)，實(shí)現(xiàn)還原所述第二氣流(114)中的所述CO2分子，所述還原提供基本上包含一氧化碳分子(CO)的第三氣流(120)。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第二區(qū)(112)包含含氧氧化物(MeO)，其為氧化第一氣流(110)中的一氧化碳分子提供氧元素供應(yīng)，所述氧載體在所述氧化后被還原。
14.如權(quán)利要求12或13任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第三區(qū)(116)包含以還原態(tài)(Me)的含氧氧化物，實(shí)現(xiàn)還原所述第二氣流(114)中的CO2分子。
15.如權(quán)利要求13或14所述的系統(tǒng)，其特征在于包括輸送裝置，其實(shí)現(xiàn) -從所述第二區(qū)(112)到所述第三區(qū)(116)輸送得自在氧化所述第一氣流(110)中的一氧化碳分子(CO)之后的以還原態(tài)(Me)的含氧氧化物；和 -從所述第三區(qū)(116)到所述第二區(qū)(112)輸送得自在還原所述第二氣流(114)中的CO2分子后的以氧化態(tài)(MeO)的含氧氧化物。
16.如權(quán)利要求13-15任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于所述氧載體是基于鎳的。
17.如權(quán)利要求12-16任一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述初始?xì)饬鞯募訜嵯到y(tǒng)包括至少一個熱交換器(I 18)，其實(shí)現(xiàn) -從所述第二氣流(114)轉(zhuǎn)移熱能到所述初始?xì)饬?106);和/或 -從所述第三氣流(120)轉(zhuǎn)移熱能到所述初始?xì)饬?106)。
18.如權(quán)利要求12-17任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于包括用以研磨所述含碳裝填物的裝置。
19.如權(quán)利要求12-18任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于包括用以使所述系統(tǒng)處于低氣壓的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及再利用所謂基本上由CO2分子組成的所述初始CO2氣流(106)的方法，所述方法包括以下步驟將CO2氣流加熱到含碳物質(zhì)(104)的熱解溫度；通過所述氣流熱解含碳元素的含碳物質(zhì)(104)的裝填物，由此所述熱解通過所述碳元素還原CO2分子以在高溫下生產(chǎn)基本上包含一氧化碳分子(CO)的第一氣流(110)；用元素氧(O)氧化所述一氧化碳分子(CO)，所述氧化產(chǎn)生基本上包含CO2分子的第二氣流(114)；還原所述第二氣流(114)中的所述CO2分子，所述還原提供基本上含有一氧化碳分子(CO)的第三氣流(120)。本發(fā)明還涉及實(shí)現(xiàn)這樣方法的系統(tǒng)。
文檔編號C01B31/18GK102869607SQ201180013693
公開日2013年1月9日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者雷蒙德·弗朗索瓦·古約馬奇 申請人:能源與環(huán)境解決方案參考有限公司