CN102264949A - 合成物质、特别是合成燃料或原料的制备方法以及该方法的相关设备和应用 - Google Patents

合成物质、特别是合成燃料或原料的制备方法以及该方法的相关设备和应用 Download PDF

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Abstract

已知的是基本上由GTL(气转液)工艺制备合成燃料(synfuel)。本发明提出使用期望的能源在高温电解装置中使产生的氢气和CO2进行催化反应。由此将生成合成原料，特别是化学工业用的合成原料以及车辆用的燃料。除了合成物质外，所述方法适用于确保处理很多工业过程中产生的作为破坏气候的气体而具有全球性负面影响的CO2。

Description

合成物质、特别是合成燃料或原料的制备方法以及该方法的相关设备和应用
本发明涉及合成物质、特别是合成燃料或原料的制备方法。本发明还涉及用于实施该方法的相关设备以及该设备在不同的工业领域中的应用。
除了合成燃料(synfuel)的制备之外，本发明还涉及化学工业用的合成原料的制备。这些制备方法一方面需要能量，另一方面需要氢(H2)、氧(O2)和碳(C)作为物质基础。在这些情况中，风或其他可再生能源可特别用作能量基础，其中还可以利用其他工业过程中产生的CO2作为物质基础。
原油价格以及与其相关联的天然气价格的变化、停滞的石油生产以及中期日益耗竭的储量显示了这些原料的短缺现象日益严重，尤其体现在提高的价格上。这同样需要开发保护环境的能源，尤其是可再生的能源生产，例如风能和/或太阳能。具体地，对于风能而言，目前设计铺设了大量的风力发电场，特别还设计了近海风力发电设备。由此提供了其能量在一定时期不需要的电能来源。
到目前为止风能已经全部转化进入电网，其中也可以使用液力蓄能器(抽水蓄能或气动蓄能(压缩空气/气体蓄能)。在本文中感兴趣的是，在所谓氧化还原蓄能器中利用风能，其中化学蓄能器和电池/可充电电池可用于该目的。
如果考虑的是化学蓄能器，那么通过风能产生的电能转化成氢气(H2)或另外转化成甲烷(CH4)或最终转化成高级烃类(Kohlenwasserstoffe)是可能的。这包括合成燃料，其通常称为“synfuel”。
除了以上所述的内容，随着石油/天然气价格的提高，必然导致化学成本的增加。这将引起能源供应和原料供应之间的竞争。特别考虑到原料***格的提高，可以通过将风能成本经济地转化成化学原料从而提供新的前景。
对于风能-化学能转化，风是决定性能源，其中通过来自生物质的碳和/或源自二氧化碳再循环中的碳提供相关的物质来源。由于全球变暖，二氧化碳的利用具有特殊的意义。
从以上现有技术的大致说明出发，本发明的目的是提供一种方法以及相关的设备，通过所述方法能以合适的方式生成物质。另外提出了与工业实践相关的不同应用。
本发明通过权利要求1的措施实现该目的。在权利要求11中给出了实施本发明方法的相关设备。权利要求21、23和25给出了使用新设备的本发明方法的不同应用。方法的进展、相关设备和具体应用是从属权利要求的主题。
本发明提供了一种合适的方法，通过该方法可以由特别经风能产生的电能或电力制备合成物质。这些物质基本为气体，一方面其可以是合成燃料(“synfuel”)，类似于已知的GTL(气转液(Gas To Liquid))转化或蒸汽重整的逆过程(＝甲烷化作用)，但是另一方面其也可以是化学工业用的原料。制备所述这些物质需要碳基础，为此目的目前使用在工业过程中产生的CO2废气。在这个方面，本发明也适用作当前关于环境上正确处理CO2的实际问题以及缓和全球气候问题的解决方案。
本发明的特别优势在于，尤其是在使用环保地(即无单独的CO2负荷)产生的过量电能以及在利用其他的作为废气存在的CO2的情况中，本发明制备的合成物质的整体CO2平衡得到改善。
本发明以化学特殊方式利用了水电解作用。其中发生了以下化学过程：
2H2O→2H2+O2  (1)
电能用于电解分解水。然后进行催化反应，类似于GTL转化作用或蒸汽重整的逆过程(＝甲烷化作用)中使用的标准方法：
4H2+CO2→CH4+2H2O  (2)
可在催化过程中利用来自生物源的或由工业废气分离的二氧化碳：
(3n+1)H2+nCO2→CnH2n+2+2nH2O  (3)
后一过程的产物是适合作为液态烃的化学工业用的原料。根据催化过程的进行，也可以制备官能化的烃类，例如醇类、羧酸类、酮类、醛类、环状化合物或芳香族化合物等。
这些烃类可以在产物分子中具有脂肪族的(直链、支链的)和芳香族的(杂芳族和聚芳族体系)、饱和的和(一元/多元)不饱和(例如烯属等)的结构，以及通常通过杂原子(特别是O、N、S、卤素、Si)具有官能化结构单元，例如醇类、醛类、酮类、羧酸类、胺类、酰胺类、硫醇类、硫代羧酸类、酯类、氨基酸类、杂芳族化合物等，以及衍生自给定杂原子的多种官能团的组合。
通过本发明能以成本经济的方式获得上述材料转化方法(类似于GTL或甲烷化)，其中通过气化和已知的费-托合成作用(Fischer-Tropsch-Synthese)生成合成烃类，其可以例如用作柴油燃料或例如用作汽油。其中就经济方面而言是可以考虑的，因为实现了较低的碳利用度(Kohlenstoff-Ausnutzungsgrad)ηc。除此之外，就生态方面也是可以考虑的，因为CO2释放量高于精炼产物，并可以相应地进行利用。
在下文给出的基于附图并结合权利要求书的示例性实施方案的附图说明中可见本发明的其他细节和优势。
该单个附图示出了经高温电解作用转化电能从而生成合成物质例如合成燃料或其他原料的示意图。
附图中的标记1表示产生电能的单元。该电能特别通过风能转换器提供，相应于单元1a。然而它也可以以太阳能的形式提供，相应于单元1b，或者也以其他形式提供，例如一般通过向供电所购买，相应于单元1c。
将电能供给单元2以进行高温电解作用(也可以使用其他的电解装置(PEM/碱)，但是不是很有效)。单元2下游连接催化反应器3和另一单元4，用于调节所制备的材料。
在用于高温电解的单元2中，由水(H2O)产生氢(H2)和氧(O2)。现在将来自CO2-源5的CO2加入最终产物中。通过氢与所加入的CO2发生反应，根据以下反应方程式生成了CH4和水：
水电解：→2H2O→2H2+O2
电能用于电解分解水。
催化反应→甲烷化作用的标准方法：
4H2+CO2→CH4+2H2O
来自生物源的或由废气分离的二氧化碳在催化过程中再循环：
(3n+1)H2+nCO2→CnH2n+2+2nH2O
由此制备的产物是液态烃，但是也可为气态烃和固体烃，其为纯形式或官能化的形式，并且适合用作化学工业的原料。
因此，通过与已知的GTL过程进行比较(并进行区分)，可以发现得到了能够循环利用碳和减少/避免CO2释放的有利方法。与GTL方法不一样，本文所提出的方法中的CO2不是被释放出来而是被消耗了。
已经通过计算模拟证明了将风能转化成合成物质的经济前景。结果为，在当前高油价的形势下，可以在一定条件下以低成本将风能转化成合成物质。本文所述方法的经济效率极大地取决于主要能量载体、例如油和天然气的市场价格。
对于通过使用风能实现用于高温电解的能源的情况，可见在油价升高的形势下可以成本经济地将能量转化成新材料。由此，一方面实现了分离的二氧化碳的在能量/合成方面的利用目的，另一方面确保了化学工业用的原料。特别地，除了原料外，制备的材料也可以是燃料，其可以用作机动车辆等的燃料。
总体来说，与已知的GTL方法比较，在本文所提出的方法中CO2的释放量减少。CO2不是被释放出来而是被消耗了。除了制备合成物质外，该方法因此也适用于确保处理很多工业中产生的作为气候-破坏气体而具有全球性负面影响的CO2。

Claims (26)

1.合成物质的制备方法，其包括以下方法步骤：
-在高温电解中，水(H2O)在升高的温度下经历电解并转化成氢(H2)和氧(O2)，
-在该过程中也形成了水蒸汽(H2OD)，
-将二氧化碳(CO2)加入含氢(H2)和水蒸汽(H2OD)的高温废气中并发生催化反应，
-氢(H2)、水蒸汽(H2OD)和二氧化碳(CO2)通过该催化反应转化成合成气体(H2/CO/CO2/H2O/CH4)，
-在转化成合成气体(H2/CO/CO2/H2O/CH4)时发生放热过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过程中释放的热量返回至电解过程。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过程中释放的热量用于另外的用途。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合成气体基本上为甲烷。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合成气体包含高级烃类。
6.根据权利要求1和权利要求5所述的方法，其特征在于，所述合成气体通过适合的催化反应液化成合成燃料。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在高温电解过程之前蒸发水并且预热该气体/蒸汽。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述用于高温电解过程的能量通过风力发电提供。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用所谓的电解装置进行所述高温电解，通过该电解装置引入包括蒸发的热量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将化学工业中使用的标准方法如费-托法等用于所述催化反应，并由此生成合成产物。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分离所述合成产物，并将其用于进一步的物质利用。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，制备烃类作为合成产物；这些烃类在产物分子中可以具有脂肪族(直链、支链的)和芳香族的(杂芳族和聚芳族体系)、饱和与(一元/多元)不饱和(例如烯属等)的结构以及具有通常通过杂原子(特别是O、N、S、卤素、Si)而官能化的结构单元，例如醇类、醛类、酮类、羧酸类、胺类、酰胺类、硫醇类、硫代羧酸类、酯类、氨基酸类、杂芳族化合物等以及多个衍生自给定杂原子的官能团的组合。
13.用于实施根据权利要求1或权利要求2～12中任一项所述的方法的设备，其包含能量发生器/储能器(1a-1c)、高温电解装置(2)、催化反应器(3)以及终端用户单元。
14.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述能量发生器是风-电流转换器(1a)。
15.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述风-电流转换器(1a)是风力发电场的组成部分。
16.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述高温电解装置是用于在高温进行电解的金属和/或陶瓷设备(2)。
17.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述催化反应器是物质-物质转换器(3)。
18.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，在电解装置(2)和物质-物质转换器(3)之间设置注入CO2用的单元(5)；如果需要过程控制，CO2可以在电解装置之前就加入蒸汽中或可以进入催化过程中。
19.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，除了注入纯CO2外，还注入CO2和其他物质(杂原子、其他烃类等)的混合物。
20.根据权利要求1或权利要求2～12中任一项所述的方法使用根据权利要求11或权利要求12～19中任一项所述的设备用于确保化学工业用合成原料的用途。
21.根据权利要求20所述的用途，其特征在于，所述合成原料是脂肪族的、芳香族的和官能化的烃类(例如丙烯＝＞聚丙烯的制备)。
22.根据权利要求1或权利要求2～13中任一项所述的方法利用根据权利要求11或权利要求12～19中任一项所述的设备用于向车辆(机动车辆)、船只和飞机提供合成燃料的用途。
23.根据权利要求22所述的用途，其特征在于，所述合成燃料是柴油/汽油/煤油/LPG。
24.根据权利要求1或权利要求2～13中任一项所述的方法利用根据权利要求11或权利要求12～19中任一项所述的设备用于在能量/合成上利用对环境有负担的二氧化碳(CO2)的用途。
25.根据权利要求24所述的用途，其特征在于，所述二氧化碳是工业过程中产生的二氧化碳(CO2)。
26.根据权利要求25所述的用途，其特征在于，所述二氧化碳是发电所产生的废气/烟道气中的部分。
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