專(zhuān)利名稱(chēng)：二氧化碳固定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種回收大氣中存在的或從工廠排放的排放氣中含有的二氧化碳?xì)怏w的二氧化碳固定系統(tǒng)。
人們已經(jīng)知道全球變暖問(wèn)題主要是由二氧化碳?xì)怏w造成的，該氣體是由于人類(lèi)活動(dòng)從工廠，熱電廠，汽車(chē)等排放到大氣中的。當(dāng)今人們將減少二氧化碳?xì)怏w排放量或?qū)Υ髿庵卸趸細(xì)怏w的回收看作是環(huán)保工作最重要的措施。
人們已經(jīng)提出了許多系統(tǒng)用來(lái)減少二氧化碳?xì)怏w的排放量或含量。圖5示出了這些系統(tǒng)的一種情況。圖5中二氧化碳固定系統(tǒng)主要是由CO2分離器6，H2發(fā)生器8和反應(yīng)器9組成。CO2分離器6分離來(lái)自于CO2源1(典型地來(lái)自于工廠或熱電廠)的排放氣，并通過(guò)除去其中的雜質(zhì)而濃縮CO2氣體。H2發(fā)生器8通過(guò)已知方法，例如電解水的分解來(lái)產(chǎn)生氫氣。在反應(yīng)器9中，CO2氣和H2氣發(fā)生反應(yīng)從而生成固定CO2的產(chǎn)物，例如甲醇(CH3OH)。如此將從大氣中回收的CO2氣體固定為對(duì)全球變暖無(wú)害的形式，并且進(jìn)一步地將其轉(zhuǎn)變成可用作燃料的甲醇。
上述常規(guī)CO2固定系統(tǒng)具有嚴(yán)重的缺陷，即電解方法需要大量電能來(lái)產(chǎn)生氫氣。估計(jì)在氫氣發(fā)生器8中超過(guò)90％的常規(guī)CO2固定系統(tǒng)中的總操作能量被消耗掉。除了電費(fèi)很低的情況，這種CO2固定系統(tǒng)的運(yùn)行成本通常很高。該系統(tǒng)的其它缺點(diǎn)在于它沒(méi)有從整體上完全減少CO2的散發(fā)。在一些國(guó)家，熱力產(chǎn)生大量電能。在熱電廠，燃燒礦物燃料例如石油，煤或天然氣以產(chǎn)生高溫蒸汽，在此期間不可避免地產(chǎn)生大量的CO2氣體。
因此提出了如下系統(tǒng)。在某些地方(或國(guó)家)安裝配有氫氣發(fā)生器的一部分CO2固定系統(tǒng)，在這些地方(或國(guó)家)能穩(wěn)定地供給低價(jià)電并可通過(guò)除礦物燃料以外的燃燒方法例如通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)或通過(guò)太陽(yáng)能電池而產(chǎn)生電。將從大氣中回收的和在其它地區(qū)液化的CO2氣體通過(guò)罐或其它運(yùn)載工具運(yùn)往可使液態(tài)CO2與氫反應(yīng)生成甲醇的地方。然后通常將甲醇送回原CO2產(chǎn)地。
上述分離系統(tǒng)在實(shí)際中是很難看到的，這是因?yàn)椴皇菍O2在其排放源附近進(jìn)行加工而是必須將液態(tài)CO2和其固定產(chǎn)物送往遙遠(yuǎn)的地方，這將增加生產(chǎn)費(fèi)用。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能量充足、費(fèi)用低具有較高總CO2減少性能的CO2固定系統(tǒng)。
本發(fā)明的系統(tǒng)是用來(lái)固定大氣中或排放氣中CO2氣體的系統(tǒng)，它包括用于厭氧發(fā)酵有機(jī)廢物和分離甲烷氣體的發(fā)酵反應(yīng)器；用于分解由發(fā)酵反應(yīng)器產(chǎn)生的甲烷氣體和用于產(chǎn)生氫氣的氫氣發(fā)生反應(yīng)器；和用于在由氫氣發(fā)生反應(yīng)器生成的氫氣和大氣中或排放氣中的CO2氣體之間進(jìn)行反應(yīng)的和用于制備固態(tài)碳和水的固定反應(yīng)器。
在上述本發(fā)明的CO2固定系統(tǒng)中，固定CO2氣體所必需的氫氣不是通過(guò)電解裝置而是通過(guò)分解由厭氧發(fā)酵有機(jī)廢物得到的甲烷而制備的。于是可顯著地減少系統(tǒng)所需的電能，從而即便在該地區(qū)電費(fèi)較高的情況下，仍可將系統(tǒng)安裝到接近CO2源的地方。
由于大大減少了系統(tǒng)所耗的電能，從而極大地改進(jìn)了減少CO2的總效率。當(dāng)在產(chǎn)生電能中燃燒礦物燃料時(shí)，它也減少了由熱電廠排放的其它有害物質(zhì)。
CO2固定系統(tǒng)可進(jìn)一步包括回收排放氣熱量的第一熱交換器?？蓪⒋嘶厥盏臒崃克屯l(fā)酵反應(yīng)器以增強(qiáng)發(fā)酵反應(yīng)。
CO2固定系統(tǒng)可進(jìn)一步包括回收氫氣發(fā)生反應(yīng)器中熱量的第二熱交換器。也可將此回收的熱量送往發(fā)酵反應(yīng)器。
也可將在第一或第二熱交換器中所得熱量用來(lái)產(chǎn)生電能，該電能可用來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)。


圖1為實(shí)施本發(fā)明的一種CO2固定系統(tǒng)的示意流程圖。
圖2為實(shí)施本發(fā)明的其它CO2固定系統(tǒng)的示意流程圖。
圖3為添加有用于防止催化劑變質(zhì)的CO2固定反應(yīng)器的系統(tǒng)示意流程圖。
圖4為其它這種系統(tǒng)的示意流程圖。
圖5為常規(guī)CO2固定系統(tǒng)的示意流程圖。
參照?qǐng)D1描述實(shí)施本發(fā)明的第一種CO2固定系統(tǒng)。該CO2固定系統(tǒng)包括熱交換器2，厭氧發(fā)酵罐3，甲烷分離器4，甲烷反應(yīng)器5，CO2分離器6和CO2固定反應(yīng)器7。
從CO2源1，例如熱電廠或工廠排放的氣體流經(jīng)熱交換器2。由于這種排放氣是通過(guò)燃燒礦物燃料成生的，其溫度通常很高例如約為350℃。在熱交換器2中，排放氣體的熱量被流經(jīng)熱交換器2的另一旁路的空氣帶走，由此回收了排放氣體大量的熱量。在熱交換之后，將現(xiàn)有溫度低至約50℃的排放氣引入CO2分離器6中，并將加熱的空氣送入?yún)捬醢l(fā)酵罐3中。
有機(jī)廢物主要來(lái)自污水的回收。將這種有機(jī)廢物，或其它來(lái)源的廢物時(shí)常投入?yún)捬醢l(fā)酵罐3內(nèi)，并向其中添加厭氧菌例如甲烷菌，從而使有機(jī)廢物發(fā)酵。當(dāng)在沒(méi)有氧存在下進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，幾乎不產(chǎn)生CO2氣體，而是產(chǎn)生大量甲烷氣體和硫化氫氣體。在大約60℃的溫度條件下進(jìn)行這種厭氧發(fā)酵是最有效的。這就是為什么在這種溫度下將在熱交換器2內(nèi)由排放氣回收的熱量或CO2固定反應(yīng)器7的反應(yīng)熱(將在以后描述)用來(lái)維持厭氧發(fā)酵罐3的原因。
將在厭氧發(fā)酵罐3內(nèi)產(chǎn)生的含有甲烷的氣體送入可使甲烷氣體完全分離并濃縮的甲烷分離器4中?？捎酶鞣N已知方法進(jìn)行這種分離和濃縮例如使用一種可選擇性地使氣體分子透過(guò)該膜的滲透膜和一種選擇性地吸附氣體分子的吸附劑等等。
將濃縮甲烷氣體送入甲烷反應(yīng)器5中，在該反應(yīng)器內(nèi)使用金屬催化劑例如鎳在較高溫度條件下分解甲烷，舉例如下。
將在這里產(chǎn)生的H2氣送入CO2固定反應(yīng)器7中，并得到另一固態(tài)產(chǎn)物，即粉末狀的碳。
同時(shí)在CO2分離器6中，與上述甲烷分離器4中相同，分離和濃縮CO2氣體。在CO2固定反應(yīng)器7中，從甲烷反應(yīng)器5來(lái)的H2氣和從CO2分離器6來(lái)的CO2氣體相遇，并且在催化劑存在下發(fā)生如下反應(yīng)。
為了進(jìn)行上述反應(yīng)，環(huán)境溫度應(yīng)設(shè)置在高于幾百攝氏度，但是，一旦反應(yīng)開(kāi)始之后，由于反應(yīng)放出熱量而不需加熱便可使反應(yīng)繼續(xù)。并且可從反應(yīng)中得到過(guò)量的熱量?？蓪姆磻?yīng)中得到的熱量供給如上所述的都需要熱量用來(lái)連續(xù)操作的甲烷反應(yīng)器5或厭氧發(fā)酵罐3內(nèi)。排出CO2固定反應(yīng)器7內(nèi)產(chǎn)生的水，并獲得細(xì)粉末狀的碳。
如此通過(guò)向系統(tǒng)中引入從CO2源1來(lái)的排放氣體來(lái)連續(xù)生產(chǎn)純碳?？蓪a(chǎn)品碳用作工業(yè)碳黑。
反應(yīng)中生成的細(xì)碳粉易于覆蓋催化劑(通常為顆粒)的表面而降低其催化效果。由于這也會(huì)降低整個(gè)CO2固定系統(tǒng)的功效，在CO2固定反應(yīng)器7內(nèi)優(yōu)選含有如下附加系統(tǒng)。圖3示出了這種系統(tǒng)的一種情況。在壓縮機(jī)15內(nèi)混合并壓縮從CO2分離器6來(lái)的CO2氣體和從甲烷反應(yīng)器5來(lái)的H2氣并將混合物送入反應(yīng)器12內(nèi)。在混合氣體進(jìn)入反應(yīng)器12之前，通過(guò)熱交換器13(下面將進(jìn)行描述)加熱混合氣體。在反應(yīng)器12內(nèi)含有催化劑顆粒21并將其置于多孔板20上面。當(dāng)通過(guò)壓縮機(jī)15將混合氣體從多孔板20的下方送入反應(yīng)器12內(nèi)，吹動(dòng)催化劑顆粒21并形成其中CO2氣體和H2氣進(jìn)行上述反應(yīng)的流化床。來(lái)自反應(yīng)器的水蒸氣產(chǎn)物，以及未反應(yīng)的CO2氣體和H2氣從反應(yīng)器12的上部排出并進(jìn)入可將其濃縮為液態(tài)水并排放的濃縮器14中。由于反應(yīng)熱造成水蒸氣的溫度很高，在熱交換器13內(nèi)利用該熱量來(lái)加熱CO2/H2混合氣體。在除去水后，再次將反應(yīng)器12中含有未反應(yīng)的CO2氣體和H2氣的排放氣通過(guò)壓縮機(jī)15送入反應(yīng)器12中。
在反應(yīng)器12內(nèi)反應(yīng)得到的細(xì)碳粉產(chǎn)物附著在催化劑顆粒21的表面上。正確操作壓縮機(jī)15，可控制進(jìn)入反應(yīng)器12的CO2/H2混合氣的流速，從而催化劑顆粒21的一部分落入反應(yīng)器12中，并將該流體送入碳分離器16。在碳分離器16內(nèi)，通過(guò)離心或過(guò)濾使碳粉與催化劑顆粒21分離，并且在反應(yīng)器12內(nèi)反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)17使催化劑顆粒21返回反應(yīng)器12內(nèi)。
圖4表示該系統(tǒng)的另一實(shí)施例。在該系統(tǒng)中，沒(méi)有使用原有系統(tǒng)的碳分離器16，而是鼓風(fēng)機(jī)30與催化劑顆粒21的流化床的下面和反應(yīng)器12的頂部相連。通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)30引起的催化劑顆粒21和氣體的循環(huán)流攪動(dòng)反應(yīng)器12內(nèi)的流化床，由此將附著在催化劑顆粒21表面上的碳粉通過(guò)離心力除去并將其從反應(yīng)器12的底部排出。
顯而易見(jiàn)地，在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行本發(fā)明的各種改變和改進(jìn)。因此可以認(rèn)為在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，實(shí)際上可以實(shí)施除了上述的具體描述外的本發(fā)明。下面是這種變化的一個(gè)實(shí)施例。
由于系統(tǒng)包括氣流泵和其它運(yùn)行機(jī)器，它消耗由外界供應(yīng)的電能?？赏ㄟ^(guò)系統(tǒng)本身產(chǎn)生系統(tǒng)所需的一部分電能和可通過(guò)利用熱交換器2回收的或在CO2固定反應(yīng)器7內(nèi)獲得的反應(yīng)熱減少外界供應(yīng)的電能。圖2示出了這種系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中在該系統(tǒng)中包括用來(lái)產(chǎn)生電能的熱力發(fā)生器10，這通過(guò)使用由熱交換器2產(chǎn)生的或在CO2固定反應(yīng)器7內(nèi)獲得的高溫蒸汽流而獲得。
權(quán)利要求
1．一種固定大氣或排放氣中二氧化碳?xì)怏w的二氧化碳(CO2)固定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于厭氧發(fā)酵有機(jī)廢物和用于產(chǎn)生甲烷氣體的發(fā)酵裝置；用于分解由發(fā)酵裝置產(chǎn)生的甲烷氣體和用于產(chǎn)生氫氣的氫氣產(chǎn)生裝置；和用于在由氫氣產(chǎn)生裝置生成的氫氣和大氣中或排放氣中的CO2氣體之間進(jìn)行反應(yīng)的和用于制備固態(tài)碳和水的固定裝置。
2．按照權(quán)利要求1的CO2固定系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)還包括用于回收排放氣熱量并由此將回收的熱量送往發(fā)酵裝置的第一熱交換器。
3．按照權(quán)利要求1的CO2固定系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)還包括用于回收固定裝置的熱量并由此將回收的熱量送往發(fā)酵裝置的第二熱交換器。
4．按照權(quán)利要求2的CO2固定系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)還包括用回收的熱量來(lái)產(chǎn)生電并用該電來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)的電力發(fā)生器。
5．按照權(quán)利要求3的CO2固定系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)還包括用回收的熱量來(lái)產(chǎn)生電并用該電來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)的電力發(fā)生器。
全文摘要
一種用于固定大氣中或由工廠和其它燃燒場(chǎng)所排出的排放氣中CO
文檔編號(hào)C01B31/20GK1209418SQ9810350
公開(kāi)日1999年3月3日 申請(qǐng)日期1998年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月10日
發(fā)明者加藤三郎, 大島裕之, 大田昌昭 申請(qǐng)人:株式會(huì)社島津制作所