CN118284679A - 用于由二氧化碳合成燃料的方法和*** - Google Patents
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Abstract
用于生产合成燃料的方法包括：用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳(CO2)，以形成收取的二氧化碳进料料流；从含氢原料中提取氢气(H2)，以产生氢气进料料流；通过以下方式在CO2还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流以产生一氧化碳(CO)料流：向CO2还原反应器施加电势，以及在催化剂上还原收取的二氧化碳进料料流的至少一部分，以形成一氧化碳料流和氧气(O2)料流；以及使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应，以产生合成燃料。
Description
技术领域
本公开一般涉及用于由二氧化碳(CO2)合成燃料的方法和***。
背景技术
全球减少CO2排放的激励措施的势头日益增大。捕获大气中的二氧化碳(CO2)(也称为直接空气捕获(DAC))是一种减轻温室气体排放且减缓气候变化的方法。然而，许多设计用于从点源(如工业设施的烟道气)捕获CO2的技术通常无法有效地从大气中捕获CO2，这是由于显著较低的CO2浓度且需要处理大量的大气空气。近年来，在寻找更适合直接捕获大气中的CO2的技术中已取得进展。这些技术包括使用固体吸附剂和液体吸附剂从大气空气等稀释源中提取和收取CO2。在捕获和收取CO2之后，存在着若干种有吸引力的CO2利用途径。一些受到高度激励的用途是使用来源于大气CO2的碳来合成低碳强度燃料(如运输燃料)以及化学品。
交通运输部门的减排被认为特别具有挑战性且昂贵。包括汽车、船舶、飞机和火车在内的绝大多数交通工具燃烧高能量密度烃燃料，并且全球存在大约$50万亿的基础设施来生产、分配和消耗这些燃料。DAC提供了一种生产合成烃燃料的途径，这种烃燃料具有与常规燃料类似的高能量密度，但使用已经排放的碳原子生产，由此具有相对较低的碳强度。当与可再生能源和最优化的热集成相结合时，这些合成燃料可以具有较低或零碳强度。由于这些合成燃料由清洁原料成分如大气CO2和氢气构建，它们产生比化石燃料更清洁的燃烧燃料产品。因此，对燃料的要求和对减排的需求两种均可以通过基于DAC的合成燃料和化学品得以解决。
发明内容
在示例性实施方式中，用于生产合成燃料的方法包括：用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳(CO2)，以形成收取的二氧化碳进料料流；从含氢原料中提取氢气(H2)，以产生氢气进料料流；通过以下方式在CO2还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流以产生一氧化碳(CO)料流：向CO2还原反应器施加电势，以及在催化剂上还原收取的二氧化碳进料料流的至少一部分，以形成一氧化碳料流和氧气(O2)料流；以及使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应，以产生合成燃料。
在可与示例性实施组合的方面，用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳以形成收取的二氧化碳进料料流包括使大气空气流中的二氧化碳与CO2捕获溶液反应，以形成贫CO2气体和富碳酸盐捕获溶液；使富碳酸盐捕获溶液与氢氧化钙料流反应，以形成CO2捕获溶液的至少一部分并沉淀碳酸钙固体；以及煅烧碳酸钙固体的至少一部分，以提取收取的二氧化碳进料料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使大气空气流中的二氧化碳与CO2捕获溶液反应包括使大气空气流中的二氧化碳与氢氧化钾或氢氧化钠中的至少一种反应。
在可与任何先前方面组合的另一方面，煅烧碳酸钙固体的至少一部分包括燃烧包括天然气或氢气中的至少一种的燃料。
在可与任何先前方面组合的另一方面，燃烧包括天然气或氢气中的至少一种的燃料包括燃烧氢气进料料流的至少一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，煅烧碳酸钙固体的至少一部分包括电加热碳酸钙固体。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括：在费希尔-特罗普希(FT)工艺中，使氢气进料料流与一氧化碳料流反应，以形成FT粗产物料流；精炼FT粗产物料流，以形成包括石脑油的精炼的粗产物料流；并且该方法进一步包括燃烧石脑油的至少一部分以生成热能，其中锻烧碳酸钙固体的至少一部分包括采用热能锻烧碳酸钙固体的至少一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从含氢原料中提取氢气包括电解水，以形成氢气进料料流和电解槽氧气料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从含氢原料中提取氢气包括蒸汽甲烷重整，以形成氢气进料料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括在费希尔-特罗普希(FT)工艺中，使氢气进料料流与一氧化碳料流反应，以形成FT粗产物料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，在CO2还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流包括仅将一氧化碳料流从CO2还原反应器输送至费希尔-特罗普希(FT)工艺；并且使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括使从CO2还原反应器输送的一氧化碳料流与氢气进料料流在FT工艺中反应，以形成FT粗产物料流。
可与任何先前方面组合的另一方面进一步包括在自热重整器中使用来自CO2还原反应器的氧气料流来氧化可燃气体的至少一部分，以形成合成气料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料反应包括使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流在费希尔-特罗普希(FT)工艺中反应，以形成FT粗产物料流和FT尾气料流；并且该方法进一步包括精炼FT粗产物料流，以产生精炼的尾气料流和精炼的粗产物料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，氧化可燃气体的至少一部分包括氧化FT尾气料流、精炼的尾气料流、或天然气料流中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括在费希尔-特罗普希(FT)工艺中，使来自自热重整器的合成气料流、一氧化碳料流以及氢气进料料流反应，以形成FT粗产物料流和FT尾气料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括：精炼FT粗产物料流，以形成精炼的粗产物料流和精炼的尾气料流；以及蒸馏精炼的粗产物料流，以形成合成燃料，该合成燃料包括液体燃料料流以及化学品料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从氢气原料中的氢化合物中提取氢气以产生氢气进料料流进一步包括在CO2还原反应器中，在催化剂上离解水料流，以形成氢气进料料流和氧气料流的另一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括：经由费希尔-特罗普希(FT)工艺，使氢气进料料流与一氧化碳料流反应，以形成FT尾气料流和FT粗产物料流；以及精炼FT粗产物料流，以形成精炼的尾气料流和精炼的粗产物料流；并且煅烧碳酸钙固体的至少一部分以提取收取的二氧化碳进料料流包括燃烧FT尾气料流或精炼的尾气料流中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，收取的二氧化碳进料料流包括过量氧气；并且该方法进一步包括移除收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气的至少一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，移除收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气的至少一部分包括用燃料燃烧过量氧气的至少一部分，其中燃料与过量氧气的摩尔比等于或大于燃烧化学计量比。
在可与任何先前方面组合的另一方面，移除收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气的至少一部分包括：用过量氧气的至少一部分催化氧化可燃气体，以形成包括二氧化碳和水的催化氧化产物料流；以及使催化氧化产物料流的二氧化碳与收取的二氧化碳进料料流合并，其中可燃气体包括天然气、费希尔-特罗普希尾气、或精炼的尾气中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，用过量氧气的至少一部分催化氧化可燃气体包括：在可燃气体的自燃温度下，用可燃气体燃烧过量氧气的至少一部分。
可与任何先前方面组合的另一方面进一步包括液化收取的二氧化碳进料料流；以及在CO2还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流之前，使液化的二氧化碳进料料流的至少一部分维持在液体储罐中。
在可与任何先前方面组合的另一方面，液化收取的二氧化碳进料料流包括在低温蒸馏单元、膜分离单元、或水去除单元中的至少一种中从收取的二氧化碳进料料流中分离污染物。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应生成热量；并且该方法进一步包括将热量的至少一部分传递到用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳以形成收取的二氧化碳进料料流的步骤。
在可与任何先前方面组合的另一方面，用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳以形成收取的二氧化碳进料料流包括用热量的至少一部分煅烧碳酸钙固体以提取收取的二氧化碳进料料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳以形成收取的二氧化碳进料料流包括将热量的至少一部分传递到CO2捕获溶液，以及使大气空气流中的二氧化碳与CO2捕获溶液反应。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从大气空气流中提取二氧化碳包括：在CO2还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流之前，使固体碳酸钙或固体氧化钙中的至少一种维持在固体缓冲储罐中。
可与任何先前方面组合的另一方面进一步包括通过操作单个压缩机组件来压缩气态工艺料流，该气态工艺料流包括收取的二氧化碳进料料流、蒸汽、一氧化碳、氢气、费希尔-特罗普希尾气、或精炼的尾气中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从大气空气流中提取二氧化碳包括：使大气空气流中的二氧化碳与包括金属氧化物或金属氢氧化物中的至少一种的固体吸附剂反应，以形成含碳酸盐的固体；以及煅烧含碳酸盐的固体的至少一部分，以提取收取的二氧化碳进料料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括通过费希尔-特罗普希(FT)工艺，使氢气进料料流与一氧化碳料流反应，以形成FT尾气料流和FT粗产物料流；以及精炼FT粗产物料流，以形成精炼的尾气料流和精炼的粗产物料流，其中煅烧含碳酸盐的固体的至少一部分包括燃烧FT尾气料流或精炼的尾气料流中的至少一种。
在另一示例性实施方式中，用于生产合成燃料的方法包括：用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳，以形成收取的二氧化碳进料料流；从含氢原料中提取氢气，以产生氢气进料料流；通过以下方式在二氧化碳(CO2)还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流以产生一氧化碳(CO)料流：将氢气进料料流的一部分和收取的二氧化碳进料料流的至少一部分输送至CO2还原反应器；以及向CO2还原反应器施加热能输入以使氢气进料料流的一部分与收取的二氧化碳进料料流在CO2还原反应器中的催化剂上反应，以产生一氧化碳料流和水料流；以及使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应，以产生合成燃料。
在可与任何先前方面组合的另一方面，用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳以形成收取的二氧化碳进料料流包括使大气空气流中的二氧化碳与CO2捕获溶液反应，以形成贫CO2气体和富碳酸盐捕获溶液；使富碳酸盐捕获溶液与氢氧化钙料流反应，以形成CO2捕获溶液的至少一部分并沉淀碳酸钙固体；以及煅烧碳酸钙固体的至少一部分，以提取收取的二氧化碳进料料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使大气空气流中的二氧化碳与CO2捕获溶液反应包括使大气空气流中的二氧化碳与氢氧化钾或氢氧化钠中的至少一种反应。
在可与任何先前方面组合的另一方面，煅烧碳酸钙固体的至少一部分包括燃烧包括天然气或氢气中的至少一种的燃料。
在可与任何先前方面组合的另一方面，煅烧碳酸钙固体的至少一部分包括电加热碳酸钙固体。
在可与任何先前方面组合的另一方面，燃烧包括天然气或氢气中的至少一种的燃料包括氢气进料料流的至少一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括：在费希尔-特罗普希(FT)工艺中，使氢气进料料流与一氧化碳料流反应，以形成FT粗产物料流；以及精炼FT粗产物料流，以形成包括石脑油的精炼的粗产物料流；并且该方法进一步包括燃烧石脑油的至少一部分以生成热能，其中锻烧碳酸钙固体的至少一部分包括采用热能锻烧碳酸钙固体的至少一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从含氢原料中提取氢气包括电解水，以形成氢气进料料流和电解槽氧气料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从含氢原料中提取氢气包括蒸汽甲烷重整，以形成氢气进料料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括在费希尔-特罗普希(FT)工艺中，使氢气进料料流与一氧化碳料流反应，以形成FT粗产物料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，施加热能输入以使氢气进料料流的至少一部分与收取的CO2进料料流在CO2还原反应器中反应包括执行逆水煤气变换反应。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从含氢原料中提取氢气包括电解水，以形成氢气进料料流和电解槽氧气料流；并且该方法进一步包括在自热重整器中使用电解槽氧气料流来氧化可燃气体的至少一部分以形成合成气料流，该可燃气体包括费希尔-特罗普希(FT)尾气料流、精炼的尾气料流、或天然气料流中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，向CO2还原反应器施加热能输入包括施加热能输入以使来自自热重整器的合成气料流在CO2还原反应器中反应，以形成一氧化碳料流和水料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括使一氧化碳料流与氢气进料料流的至少一部分在FT工艺中反应，以形成FT粗产物料流和FT尾气料流。
可与任何先前方面组合的另一方面进一步包括精炼FT粗产物料流，以形成精炼的粗产物料流和精炼的尾气料流；以及蒸馏精炼的粗产物料流，以形成合成燃料，该合成燃料包括液体燃料料流和化学品料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括：经由费希尔-特罗普希(FT)工艺，使氢气进料料流与一氧化碳料流反应，以形成FT尾气料流和FT粗产物料流；以及精炼FT粗产物料流，以形成精炼的尾气料流和精炼的粗产物料流；并且煅烧碳酸钙固体的至少一部分以提取收取的二氧化碳进料料流包括燃烧FT尾气料流或精炼的尾气料流中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，收取的二氧化碳进料料流包括过量氧气；并且该方法进一步包括移除收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气的至少一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，移除收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气的至少一部分包括：用燃料燃烧过量氧气的至少一部分，其中燃料与过量氧气的摩尔比等于或大于燃烧化学计量比。
在可与任何先前方面组合的另一方面，移除收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气的至少一部分包括：用过量氧气的至少一部分催化氧化可燃气体，以形成包括二氧化碳和水的催化氧化产物料流，其中可燃气体包括天然气、FT尾气、或精炼的尾气中的至少一种；以及使催化氧化产物料流的二氧化碳与收取的二氧化碳进料料流合并。
在可与任何先前方面组合的另一方面，用过量氧气的至少一部分催化氧化可燃气体包括：在可燃气体的自燃温度下，用可燃气体燃烧过量氧气的至少一部分。
可与任何先前方面组合的另一方面进一步包括液化收取的二氧化碳进料料流；以及在CO2还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流之前，使液化的二氧化碳进料料流的至少一部分维持在液体储罐中。
在可与任何先前方面组合的另一方面，液化收取的二氧化碳进料料流包括在低温蒸馏单元、膜分离单元、或水去除单元中的至少一种中从收取的二氧化碳进料料流中分离污染物。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应生成热量；并且该方法进一步包括将热量的至少一部分传递到用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳的步骤。
在可与任何先前方面组合的另一方面，用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳以形成收取的二氧化碳进料料流包括煅烧碳酸钙固体的至少一部分以提取收取的二氧化碳进料料流；并且该方法进一步包括将热量的至少一部分传递到碳酸钙固体。
在可与任何先前方面组合的另一方面，用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳以形成收取的二氧化碳进料料流包括使大气空气流中的二氧化碳与CO2捕获溶液反应；并且该方法进一步包括将热量的至少一部分传递到CO2捕获溶液。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从大气空气流中提取二氧化碳包括：在CO2还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流之前，使固体碳酸钙或固体氧化钙中的至少一种维持在固体缓冲储罐中。
可与任何先前方面组合的另一方面进一步包括通过操作单个压缩机组件来压缩气态工艺料流，该气态工艺料流包括收取的二氧化碳进料料流、蒸汽、一氧化碳、氢气、费希尔-特罗普希尾气、或精炼的尾气中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，从大气空气流中提取二氧化碳包括：使大气空气流中的二氧化碳与包括金属氧化物或金属氢氧化物中的至少一种的固体吸附剂反应，以形成含碳酸盐的固体；以及煅烧含碳酸盐的固体的至少一部分，以提取收取的二氧化碳进料料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气进料料流反应包括：经由FT工艺，使氢气进料料流与一氧化碳料流反应，以形成FT尾气料流和FT粗产物料流；以及精炼FT粗产物料流，以形成精炼的尾气料流和精炼的粗产物料流，其中煅烧含碳酸盐的固体的至少一部分包括燃烧FT尾气料流或精炼的尾气料流中的至少一种。
在另一示例性实施方式中，用于生产合成燃料的方法包括：用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳，以形成收取的二氧化碳进料料流；通过以下方式在二氧化碳(CO2)还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流以产生一氧化碳(CO)料流：向CO2还原反应器施加电势；以及在催化剂上还原收取的二氧化碳进料料流的至少一部分，以形成一氧化碳料流和氧气(O2)料流；以及使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气(H2)料流反应，以产生合成燃料。
在另一示例性实施方式中，用于生产合成燃料的方法包括：通过以下方式在二氧化碳(CO2)还原反应器中处理通过从大气空气中捕获CO2所生成的CO2进料料流以产生一氧化碳(CO)料流：向CO2还原反应器施加电势；以及在催化剂上还原CO2进料料流的至少一部分，以形成一氧化碳料流和氧气(O2)料流；以及使来自CO2还原反应器的一氧化碳料流与氢气料流反应，以产生合成燃料。
在另一示例性实施方式中，用于生产合成燃料的***包括：二氧化碳(CO2)捕获子***，该二氧化碳(CO2)捕获子***被配置为用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳，以产生收取的二氧化碳进料料流；氢气生产子***，该氢气生产子***被配置为从含氢原料中提取氢气，以产生氢气进料料流；以及烃生产子***，该烃生产子***包括被配置为处理收取的二氧化碳进料料流以产生一氧化碳(CO)料流的CO2还原反应器，该烃生产子***被配置为使氢气进料料流与来自CO2还原反应器的一氧化碳料流反应以产生合成燃料。
在可与任何先前方面组合的另一方面，吸附剂材料包括CO2捕获溶液；并且CO2捕获子***包括流体耦接到煅烧炉的粒料反应器，该粒料反应器被配置为使CO2捕获溶液反应以沉淀碳酸钙固体，并且煅烧炉被配置为煅烧碳酸钙固体的至少一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2捕获溶液包括氢氧化钾或氢氧化钠中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，煅烧炉被配置为燃烧包括天然气或氢气燃料中的至少一种的燃料。
在可与任何先前方面组合的另一方面，燃料包括氢气燃料，该氢气燃料为氢气进料料流的一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，煅烧炉包括电加热器。
在可与任何先前方面组合的另一方面，氢气生产子***包括水电解槽，该水电解槽被配置为形成氢气进料料流和氧气料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，氢气生产子***包括蒸汽-甲烷重整器，该蒸汽-甲烷重整器可运行为形成氢气进料料流和氧气料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，烃生产子***包括流体耦接到CO2还原反应器的费希尔-特罗普希(FT)反应器以接收来自CO2还原反应器的一氧化碳料流，该FT反应器被配置为形成FT粗产物料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括固体氧化物电解池，该固体氧化物电解池包括含氧化锆的电解质以及包括镍或铂的电极。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括熔融碳酸盐电解池，该熔融碳酸盐电解池包括含碳酸盐的电解质以及包括钛或石墨的电极。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括聚合物电解质膜燃料电池，该聚合物电解质膜燃料电池包括碱性水溶液或固体膜中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括气体扩散电极以及包括铂或非贵金属的催化剂。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器流体耦接到CO2捕获子***；并且烃生产子***包括流体耦接到费希尔-特罗普希(FT)反应器的自热重整器。
在可与任何先前方面组合的另一方面，自热重整器包括反应物入口，该反应物入口被配置为接收包括来自FT反应器的FT尾气、精炼的尾气、或天然气料流中的至少一种的可燃气体。
在可与任何先前方面组合的另一方面，FT反应器包括合成气入口，该合成气入口被配置为接收来自自热重整器的合成气料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，FT反应器包括FT催化剂，该FT催化剂包括镍、钴、铁、或钌中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括流体耦接到自热重整器的氧气出口，以及流体耦接到FT反应器的一氧化碳出口。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括：热能量源；至少一个反应物入口，该反应物入口被配置为接收收取的二氧化碳进料料流、氢气进料料流的一部分，以及来自自热重整器的合成气料流；出口，该出口被配置为使一氧化碳料流流向FT反应器；以及催化剂，该催化剂包括钴、铁、铜、锌、或铝中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器为固定床反应器或多管式固定床反应器。
在可与任何先前方面组合的另一方面，氢气生产子***包括水电解槽，该水电解槽被配置为向CO2还原反应器提供氢气进料料流并且被配置为向自热重整器提供氧气料流，该自热重整器包括：多个入口，该入口被配置为接收多种反应物，该多种反应物包括可燃气体以及来自水电解槽的氧气料流，该可燃气体包括来自FT反应器的FT尾气、精炼的尾气、或天然气料流中的至少一种；出口，该出口流体耦接到CO2还原反应器的至少一个反应物入口，该出口被配置为使合成气料流流向CO2还原反应器；以及负载包括镍的催化剂的重整炉，该重整炉被配置为用氧气料流来氧化可燃气体的至少一部分以形成合成气料流。
在可与任何先前方面组合的另一方面，FT反应器包括含有催化剂的反应器体积以及至少一个出口，该出口被配置为使FT尾气流向自热重整器以及使FT粗产物料流流动。
在可与任何先前方面组合的另一方面，FT反应器为固定填充床反应器、多管式固定床反应器、流化床反应器，以及浆相反应器中的一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，烃生产子***包括流体耦接到精炼单元的自热重整器，该精炼单元流体耦接到蒸馏单元，该精炼单元包括至少一个被配置为使精炼的尾气流向自热重整器并使精炼的粗产物流向蒸馏单元的出口，该蒸馏单元被配置为使精炼的粗产物分馏成合成燃料。
在可与任何先前方面组合的另一方面，精炼的粗产物包括石脑油；并且CO2捕获子***包括煅烧炉，该煅烧炉包括可运行为燃烧石脑油的燃烧器。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2捕获子***包括煅烧炉，该煅烧炉被配置为燃烧可燃气体以提供用于煅烧碳酸钙固体的热能，该可燃气体包括费希尔-特罗普希(FT)尾气或精炼的尾气中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，吸附剂材料包括CO2捕获溶液；并且CO2捕获子***包括燃烧器，该燃烧器被配置为燃烧可燃气体以提供用于加热CO2捕获溶液的热能，该可燃气体包括费希尔-特罗普希(FT)尾气或精炼的尾气中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，收取的二氧化碳进料料流包括过量氧气；并且该***进一步包括耦接到CO2捕获子***的催化氧化反应器，该催化氧化反应器可运行为移除过量氧气的至少一部分，该催化氧化反应器包括：含有含铂催化剂的催化氧化反应器体积；以及至少一个入口，该入口被配置为接收收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气并且接收包括天然气、费希尔-特罗普希(FT)尾气、或精炼的尾气中的至少一种的可燃气体，该催化氧化反应器体积被配置为使过量氧气与可燃气体在含铂催化剂上反应。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括固体氧化物电解池，该固体氧化物电解池包括含氧化锆的电解质以及含有镍或铂的电极。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括熔融碳酸盐电解池，该熔融碳酸盐电解池包括含碳酸盐的电解质以及含有钛或石墨的电极。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括聚合物电解质膜燃料电池，该聚合物电解质膜燃料电池包括碱性水溶液或固体膜中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括气体扩散电极以及包括铂或非贵金属的催化剂。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2还原反应器包括：热能量源，该热能量源热耦合到负载CO2还原催化剂的CO2还原反应容器；至少一个反应物入口，该反应物入口被配置为接收反应物，该反应物包括收取的二氧化碳进料料流、氢气进料料流的一部分，以及合成气料流；以及出口，该出口被配置为使产物流动，该产物包括一氧化碳料流，其中CO2还原反应容器被配置为使反应物在CO2还原催化剂上反应，并且CO2还原催化剂包括钴、铁、铜、锌、或铝中的至少一种。
可与任何先前方面组合的另一方面进一步包括流体耦接到液体缓冲储罐的CO2纯化和压缩***，该液体缓冲储罐被配置为加压到10巴至65巴范围内的压力，其中CO2捕获子***通过CO2纯化和压缩***以及液体缓冲储罐而流体耦接到烃子***。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2纯化和压缩***包括低温蒸馏单元、膜分离单元、或水去除单元中的至少一种。
在可与任何先前方面组合的另一方面，烃生产子***包括热耦合到CO2捕获子***的费希尔-特罗普希(FT)反应器。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2捕获子***包括煅烧炉、热耦合到煅烧炉的FT反应器。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2捕获子***包括流体耦接到至少一个固体缓冲储罐的煅烧炉，该固体缓冲储罐被配置为储存碳酸钙或氧化钙中的至少一种。
可与任何先前方面组合的另一方面进一步包括流体耦接到CO2捕获子***和烃生产子***的单个压缩机组件，该单个压缩机组件包括多级压缩机-电机或耦接到单个电机轴的至少两个压缩机。
在可与任何先前方面组合的另一方面，CO2捕获子***的吸附剂材料是包括金属氧化物或金属氢氧化物中的至少一种的固体吸附剂，并且CO2捕获子***包括：反应器，该反应器被配置为通过使大气空气流中的二氧化碳与固体吸附剂反应来形成含碳酸盐的固体；以及煅烧炉，该煅烧炉可运行为煅烧含碳酸盐的固体的至少一部分。
在可与任何先前方面组合的另一方面，烃生产子***包括：费希尔-特罗普希(FT)反应器，该反应器可运行为形成FT尾气和FT粗产物料流；以及流体耦接到FT反应器的精炼单元，该精炼单元可运行为形成精炼的尾气和精炼的粗产物料流；以及煅烧炉，该煅烧炉被配置为燃烧FT尾气或精炼的尾气中的至少一种。
在以下附图和说明书中阐述了本公开中描述的主题的一个或多个实施的细节。根据说明书、附图以及权利要求书，本主题的其它特征、方面和优点将变得显而易见的。
附图说明
图1是根据本公开的用于由氢气和二氧化碳生产合成燃料的示例性***的示意性框图，该***包括CO2捕获子***、氢气生产子***，以及合成燃料生产子***。
图2是用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的示例性***的示意图，该***采用电催化CO2还原反应器和自热重整器。
图3是用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的示例性***的示意图，该***采用热催化CO2还原反应器和自热重整器。
图4是用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的示例性***的示意图，该***采用电催化CO2还原反应器并且使FT尾气和精炼尾气再循环到CO2捕获子***。
图5是用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的示例性***的示意图，该***采用热催化CO2还原反应器并且使费希尔-特罗普希(FT)尾气和精炼尾气再循环到CO2捕获子***。
图6是用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的示例性***的示意图，该***采用缓冲容量和***内液体合成燃料的再循环。
图7是包括催化氧化反应器和煅烧炉燃烧控制***以从收取的CO2料流中移除过量氧气的至少一部分的示例性***的示意图。
图8是用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的示例性***的示意图，该***采用产生氢气料流和CO料流的CO2还原反应器。
图9A和图9B是示例性电催化CO2还原反应器的示意图。
图10A和图10B是示例性热催化CO2还原反应器的示意图。
图11A和图11B是示例性氢气生产子***的示意图。
图12是包括液体吸附剂的示例性CO2捕获子***的示意图。
图13是包括固体吸附剂的示例性CO2捕获子***的示意图。
图14是用于由氢气和二氧化碳生产合成燃料的***的控制***(或控制器)的示意图。
图15是采用电催化CO2还原反应器以产生合成燃料的示例性方法的流程图。
图16是采用热催化CO2还原反应器以产生合成燃料的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本公开描述了用于由CO2源，如稀释CO2源，例如，大气空气或含有少于约1v/v％CO2含量的其他流体源来合成燃料(“合成型燃料(synfuel)”)的***和方法。大气中CO2的浓度是稀释的，因为它们目前处于00-420份每一百万份(“ppm”)的范围内、或大约0.04-0.042％v/v，且低于1％v/v。这些大气CO2浓度比点源排放(如烟道气)中的CO2浓度低至少一个数量级，其中点源排放的CO2浓度可在5-15％v/v范围内，这取决于排放源。
当与使用可再生能源或使用常规蒸汽甲烷重整联合碳捕获而制得的氢气进行结合时，从大气空气中捕获CO2允许生产碳中性合成型燃料，如汽油、柴油和航空涡轮燃料，这些燃料与当今的燃料和交通基础设施兼容。这些合成型燃料还可克服基于脂肪和生物质的生物燃料的一些当下的局限，包括例如原料安全、规模局限性、燃料共混限制、土地利用，以及粮食作物替代。此外，通过本文所述的方法生产的合成型燃料可以有利地与其它可再生柴油选项在以下方面是相当的，因为它们可以例如具有更高的能量含量、更高的十六烷值、更低的NOx排放，以及无硫含量中的一者或多者。通过本文所述的方法生产的较高十六烷值合成柴油可以允许与较低品质的化石原料共混。
当***使用大气空气作为CO2原料并使用可再生的零和/或低碳动力源来操作***时，合成型燃料的碳强度可以尤其地降低。使用这样的低碳强度合成型燃料可以允许使其中电力、生物燃料或其它低碳选项不可行的交通应用中的排放降低，如为包括卡车、飞机、船舶和火车在内的长途交通工具提供动力。此外，通过本文所述的方法生产的低碳强度合成型燃料可能有资格获得许多政府政策收入和/或信贷计划，包括来自LCFS、RIN和RED项目的那些。
例如在氧燃烧设备中使用的可再生电力和燃料对所生产的合成燃料的碳强度的影响已通过如表1所显示的实例得到展示。为简单起见，据假设合成燃料生产***的燃料和电力需求是***直接和间接排放的主要贡献者。由***中的氧燃烧设备中使用的燃料燃烧产生的排放属于直接排放，而与燃料/电力的生产、回收或运输/分配相关联的排放则属于间接排放。据假设对于所生产的每兆焦耳(MJ)的合成燃料，合成燃料生产***中的一个或多个氧燃烧过程利用0.4MJ的能量，并且0.6KWh电力用于***中的其它操作。
表1中的值清楚地指示，虽然燃煤厂的发电是碳密集型的并且显著增加了合成燃料的碳强度，但使用可再生能源如水力发电、太阳能和风能可以显著降低燃料的碳强度，在某些情况下至低于10g CO2e/MJ燃料。
表1——显示出燃烧器燃料类型和电力来源对合成燃料碳强度的影响的案例研究
替代生物柴油的碳强度在30-70g CO2e/MW生物柴油的范围内，并且对于常规汽油和柴油而言高达90-100g CO2e/MJ。如本文所述生产的合成燃料的碳强度可以小于典型生物燃料的一半，这意味着这些合成燃料从基于市场的排放规划获得高收入。
合成燃料(例如柴油和汽油产品)与目前的基础设施和发动机直接兼容，并且能量密度比电池高出最多至约30倍，以及对土地/水利用的影响比生物燃料低最多至约100倍。由于合成燃料***内描述的大多数(如果不是全部)单元均选择了市售设备，这些***可以高度扩展，并因此适用于一系列市场，包括交通(运输)燃料市场。
参考图1，图1所显示的示例性***10包括三个子***，亦即，用于从CO2原料中提取CO2分子的CO2捕获子***11(本文也称为“直接空气捕获***”或“DAC***”)、用于从氢气原料中提取氢分子的氢气生产子***13，以及用于使用氢气生产子***13所产生的氢分子以及来自CO2捕获子***11所产生的CO2分子的碳来生产合成型燃料的烃生产子***12。参考了标题为“Method and system for synthesizing fuel from dilute carbon dioxidesource”的美国专利申请16/472,379，其全文以引用方式并入本文。
参考图1，CO2捕获子***11从稀释源(如大气空气)中提取CO2，并且可包括设备，如空气接触器、气-液接触器、或涤气器形式的气-液接触器、喷雾塔、或其中气体与捕获溶液或吸附剂接触的任何其它设计。如本文所用，“吸附剂”是指经历目标物质吸着的材料。如本文所用，“吸着(sorption)”是指这样的过程，一种物质在一段时间内借以附着到另一种物质上的物理、化学或这两者的组合。吸着的具体类别的实例可包括吸附(离子和/或分子物理附着或粘结到另一种材料的表面上)、吸收(一种状态(气体、液体、固体)的物质引入到另一种不同状态的物质中)以及离子交换(电解质之间或电解质溶液与络合物之间的离子交换)。CO2捕获子***11可以用液体吸附剂(本文也称为“CO2捕获溶液”)操作，如下面参考图12更详细地描述。在一些实施方式中，CO2捕获子***11可以用固体吸附剂操作，如下面参考图13更详细地描述。
氢气生产子***13由含氢原料产生氢分子。含氢原料可以包括氢化合物，如水、甲烷、或短链烃，并且典型地呈流体状态。在一些实施方式中，可以使用电解在水电解槽中产生氢气，该水电解槽向电解质施加电势以提取氢分子，如下面参考图11A更详细地描述。电解存在多种制氢途径，如碱性电解、质子交换膜(也称为聚合物电解质膜(PEM))、电解制氢和燃料电池技术，以及固体氧化物电解池(SOEC)电解。在一些实施方式中，氢气可以通过含甲烷原料或可燃气体的蒸汽甲烷重整来生产，如下面参考图11B更详细地描述。蒸汽甲烷重整在重整单元中经由吸热反应采用甲烷与水的反应来产生氢气、一氧化碳和CO2。CO2产物可以经由CO2捕获子***11捕获并在下游进行处理，以用于生产合成燃料、封存、或提高石油采收率等用途。
烃生产子***12由氢气生产子***13所产生的氢气以及CO2捕获子***11从大气空气中提取的CO2中的碳生产合成燃料。如本文所用，“合成燃料”包括高品质石油产物，如交通(运输)燃料或石油化学品。术语“合成燃料”、“燃料合成产物”、“费希尔-特罗普希(FT)燃料”、“合成型燃料”，以及“太阳能燃料”在本公开中可互换使用。
烃生产子***12利用了燃料合成技术(本文也称为途径”)，该技术涉及使氢气与来源于大气空气中的CO2的碳反应，其中该配置中的大气空气为含碳原料。一些途径使用中间体如合成气(一氧化碳(CO)和氢气(H2)的混合物)来生产“费希尔-特罗普希(FT)粗产物”，其组成与轻质粗油相似。如本文所用，合成气是指CO和H2气体的混合物，但也可含有少量的CO2、甲烷和水蒸气，以及其它痕量气体。烃生产子***12包括可为电催化或热催化的CO2还原反应器，以由从大气空气中提取的收取的CO2产生CO。CO2还原反应器参考图9A至图10B在下面进行了更详细地描述。FT粗产物可经精炼以提供最终可销售合成燃料，如合成天然气、液化石油气(LPG)、汽油、喷气燃料、航空涡轮燃料、或柴油。在精炼步骤中，产生了精炼尾气和精炼粗产物。可能有利的是使用精炼尾气和精炼粗产物作为反应物或用于在***10的其它单元中生成热能(在可能的情况下)。烃生产子***12流体耦接到CO2捕获子***11，并且在本文所公开的一些配置中还流体耦接到氢气生产子***13以生产合成燃料，如下面参考图2至图5更详细地描述。在一些情况下，氢气可以通过氢气生产子***13外部的另一来源(例如，氢气管道)提供给烃生产子***12。
在一些情况下，可能有利的是从特定工艺料流中移除水以减少水对下游单元的影响或增加工艺料流的浓度或纯度。从料流中移除水可以经由化学或物理方法、或这些方法的组合来实现。用于移除水的示例性化学方法是使气态料流(例如，合成气产物料流、煅烧炉产物气体)与能够与水反应的材料例如CaO界面连接，以形成另一种产物如Ca(OH)2、或与某些类型的干燥剂界面连接。另一种移除水的示例性化学方法是使水裂解为H2和O2，作为氢气生产单元的一部分。用于提取水的示例性物理方法包括冷却、冷凝、过滤、或膜分离。水导管充当产物导管的一种形式，其包括水如蒸汽，并且可包括额外的气态物类如CO、H2、CO2和O2。一个子***中所产生的材料转移到另一子***或在子***内的单元之间转移可以充当材料转移耦合(耦接)。材料转移耦合的实例包括通过水导管、氧化剂导管或燃料导管转移材料。
虽然图1所显示的烃生产子***12的实施使用了涉及生成合成气的由CO2合成燃料的途径，但是烃生产子***12可以使用其它途径来合成燃料，包括使用可再生或低碳能源，例如，太阳能、风能、水力、地热、核能、或这些组分的组合由CO2合成燃料的途径。许多这些途径也利用合成气作为中间组分。然而，合成燃料也可以如下产生，使用由合成气合成甲醇，继之以甲醇至汽油(MTG)转化。MTG工艺在约400℃和约10-15巴下使用沸石催化剂。甲醇首先转化为二甲醚(DME)，然后转化为轻质烯烃的共混物。这些继而反应产生烃分子的共混物。
烃生产子***12还可以使用这样的途径，其中使用甲醇至烯烃(MTO)工艺来创建合成燃料，该工艺类似于MTG工艺但被优化成首先产生烯烃。然后将这些进料至另一沸石催化剂工艺，如美孚的烯烃至汽油和馏分工艺(olefin-to-gasoline and distillateprocess，MOGD)，以产生汽油。如本文所用，首字母缩略词“MTO”是指MTO和MOGD的组合。MTG和MTO产生比费希尔-特罗普希更紧凑的碳链长度分布，因为它们的催化剂更具选择性。这种选择性减少了后处理/提质的需求，并可能实现更能量有效的转化途径。
烃生产子***12还可以使用这样的途径，其中通过直接加氢创建合成燃料。此处，直接由CO2和氢气合成甲醇，继之以MTG转化。在使用甲醇合成工艺的情况下，则可使用如甲醇至汽油(MTG)或甲醇至烯烃(MTO)的工艺来生产合成燃料。在更进一步的实施方式中，由稀释源捕获的二氧化碳可以直接进料至加氢工艺，与氢气合并，然后进料至基于甲醇的燃料合成工艺。以上实例是本文所述的空气至燃料工艺的实施的说明性而非规定性实例。
表2示出了可以在CO2捕获过程(工艺)、H2生产过程，以及烃生产过程中发生的一些示例性化学反应以及近似反应热。这些途径表明热能和/或材料可以如何在执行这些过程的子***11、12和13之间交换。
表2：与空气至燃料过程相关联的化学反应和近似热量
由一个子***使用的至少一些能量(如图1中的黑色箭头所显示)和/或至少一些流体(如图1中的白色箭头所显示)可以从另一个子***获得。在一些实施方式中，由CO2捕获子***11和/或由烃生产子***12产生的水被氢气生产子***13用作氢气原料。在一些实施方式中，由CO2捕获子***11产生的热能用于烃生产子***12或氢气生产子***13中的过程中。在一些实施方式中，由烃生产子***12产生的热能用于预热流经CO2捕获子***11的材料料流。在一些实施方式中，CO2捕获子***11内发生的反应用于从烃生产子***12中的材料料流中移除水。在一些实施方式中，由氢气生产子***13产生的热量和氧气用于烃生产子***12和/或CO2捕获子***11内的燃烧过程中。
在这些实施的每者中，预期通过使一个子***使用另一个子***所产生的能量和/或流体，而非获得来自外部来源的能量和/或流体，可以改善总体***的成本效益、操作效率，以及操作灵活性中的一者或多者。而且，该***可用于其中提供这样的能量和/或流体的外部来源可能具挑战性的应用中，如缺乏水的地方。此外，与常规化石燃料相比，该***可以潜在地降低所生产的合成型燃料的碳强度。
如上所指出，来自一个子***11、12、13的热能可以被另一个子***11、12、13用作输入能量。烃生产子***12可以在执行燃料合成的同时生成中等热值热量(例如，费希尔-特罗普希～250-350℃)，这可以被***10中的各种机器使用。例如，烃生产子***12可包括对锅炉给水预热的CO2还原反应器，以及对反应器进料料流预热的费希尔-特罗普希反应器。CO2捕获子***11还可以生成可用于其它工艺单元的高热值热量(例如，煅烧炉-～850-950℃)。例如，CO2捕获子***11可包括用于对进料料流预热的煅烧炉，以及用于在消化反应中产生蒸汽的消化器。该中等和高热值热量还可用于生成动力，以及为下游精炼和蒸馏***提供蒸汽热。
类似地，由一个子***11、12、13产生或排出的流体可以被用作原料或用于另一个子***中的其它过程。例如，烃生产子***12生成蒸汽(例如，通过CO2还原反应器和费希尔-特罗普希反应器)，并且CO2捕获子***11生成水(例如，通过煅烧炉中的燃烧反应)，这些可以被***10中的各种机器使用。例如，由子***11、12、13中的一者或多者产生的水可用于：替换由蒸发所致的水损失，生产工艺材料如熟石灰，洗涤粒料以移除碱性内容物，在吸附剂再生单元中再生吸附剂并释放CO2，在氢气生产子***13中充当氢气原料，或它们的组合。
图2是用于由大气空气204中的CO2生产合成燃料的示例性***200的示意图。***200采用电催化CO2还原反应器222和自热重整器(ATR)220。在一些情况下，***200可以由来源于除大气空气之外的气体混合物的CO2生产合成燃料，其中其它气体混合物具有小于约1体积％的CO2含量。***200包括彼此流体耦接的CO2捕获子***280、氢气生产子***225，以及烃生产子***282。CO2捕获子***280从大气空气204中提取CO2，浓缩CO2，并产生收取的CO2料流254，该收取的CO2料流用于下游烃生产子***中用于燃料合成。氢气生产子***225从氢气原料202中提取氢分子用于烃合成。在一些实施方式中，代替或除了氢气生产子***225之外，烃生产子***282可流体耦接到氢源(例如，氢气管道)。烃生产子***282使用由氢气生产子***225产生的氢气258以及由CO2捕获子***280产生的收取的CO2254来生产合成燃料。
参考图2，CO2捕获子***280包括空气接触器212，该空气接触器采用CO2捕获溶液246作为吸附剂材料以从大气空气中捕获CO2。CO2捕获溶液的非限制性实例包括碱性水溶液(例如，KOH、NaOH、或它们的组合)、氨基酸盐水溶液、胺的非水溶液、碳酸盐和/或碳酸氢盐水溶液、苯氧化物/酚盐、离子液体、非水溶剂、或它们的组合。在一些情况下，CO2捕获溶液246可包括提高CO2吸收速率的促进剂和/或添加剂。促进剂的非限制性实例包括碳酸酐酶、胺(伯、仲、叔)，以及硼酸。添加剂的非限制性实例包括氯化物、硫酸盐、乙酸盐、磷酸盐、表面活性剂。
参考图2，CO2捕获溶液246包括碱性水溶液以从大气空气中捕获CO2。为了再生CO2捕获溶液246并收取CO2以供下游使用，CO2捕获子***280具有再生***，该再生***包括粒料反应器214、消化器216，以及煅烧炉218。在该实例中，空气接触器212的输入包括空气204(例如，大气、外部空气)以及来自粒料反应器214的CO2捕获溶液246。CO2捕获溶液246可以富含氢氧化物(例如，富含KOH)。来自空气接触器212的输出包括流向粒料反应器214的载有CO2的溶液240以及CO2浓度低于空气料流204的贫CO2空气206。载有CO2的溶液240可以富含碳酸盐(例如，K2CO3)。在该实例中，粒料反应器214的输入包括来自空气接触器212的载有CO2的溶液240以及来自消化器216的氢氧化钙(Ca(OH)2)料流244。来自粒料反应器214的输出包括流向煅烧炉218的碳酸钙(CaCO3)料流242以及流向空气接触器212的CO2捕获溶液246。在该实例中，消化器216的输入包括水料流202以及来自煅烧炉218的氧化钙(CaO)料流248。来自消化器216的输出包括流向粒料反应器214的氢氧化钙(Ca(OH)2)料流244。在***200的该实例中，煅烧炉218的输入包括天然气料流210、来自氢气生产子***225的氧气(O2)料流230a、来自粒料反应器214的CaCO3 242，以及任选的来自氢气生产子***225的氢气(H2)燃料料流258。来自煅烧炉218的输出包括提供给消化器216的CaO 248，以及收取的CO2料流254。在一些情况下，氧气料流230a是由水电解槽产生的电解槽氧气料流。
在一些实施方式中，CO2捕获子***280可包括多个空气接触器212、多个粒料反应器214、和/或多个消化器216，以形成相应单元的系列/组件。下面更详细地描述了CO2捕获子***280的所示实施方式中发生的操作和反应，例如参考图12。在一些实施方式中，CO2捕获子***280的空气接触器212可包括或采用不同的吸附剂以从大气空气中捕获CO2，和/或不同的再生单元以将CO2收取为收取的CO2料流254。CO2捕获子***280的其它配置是可能的。下面更详细地描述了可替代CO2捕获子***280的一些示例性实施方案。
尽管前述单元中的每者在图2中被示意性地示出为CO2捕获子***280的元件，但在一些方面，每个单元是独立的并且可以定位成距另一个单元相对靠近或相对远离。例如，可能有利的是将煅烧炉218定位在作为烃生产子***282的构成要素的特定单元附近。在一些方面，协同作用和意料不到的结果可以由将某些部件或单元定位成彼此相对靠近所致，因为单元之间的较小距离可以减少气体压缩的能量需求并减少流动的热交换介质(例如，料流、冷却水***等)的摩擦或热损失。在一些实施方式中，如果一个部件或单元与另一个部件或单元之间的距离为约250米或更小，则一个部件或单元相对靠近另一个部件或单元。能量需求和损失的减少可以显著降低操作成本。
在其实例显示于图2的一些实施方式中，收取的CO2料流254在流向烃生产子***282之前被送至CO2纯化和压缩单元238。在一些方面，一个或多个CO2纯化和压缩单元238可位于CO2捕获子***280的界区内、辅助工艺区域内、CO2捕获子***280与烃生产子***282之间、或烃生产子***282的界区内。界区是限定特定***的单元所在区域的边界。在所示的实施方式中，CO2纯化和压缩单元238可以从CO2捕获子***280接收收取的CO2料流254。CO2纯化和压缩单元238用于从收取的CO2料流254中移除杂质的至少一部分，以实现基本上不含污染物的收取的CO2进料料流256。在一些情况下，收取的CO2进料料流为至少99重量％CO2。杂质的实例可包括氧气、惰性气体(如氮气和氩气)、水蒸气、或它们的组合。在一些情况下，通过CO2纯化和压缩单元238从收取的CO2进料料流254移除的水蒸气可被送至水处理设施或需要水作为输入料流的另一单元。CO2纯化和压缩单元238可以包括变压吸附器、低温蒸馏单元、膜分离单元、单级或多级压缩机组以及水去除器、或它们的组合。收取的CO2进料料流256被送至烃生产子***282。
根据本公开，生产合成燃料需要氢气。在所示的实施方式中，氢气生产子***225包括或者是水电解槽，该水电解槽电解水202以形成电解槽氧气230a(为简洁起见，本文称为“氧气料流230a”)以及氢气料流258。至少一些氧气料流230a可被送至煅烧炉218以经由氧燃烧生成热能用于煅烧。在另一种可能的实施方式中，氢气生产子***225包括或者是蒸汽-甲烷重整器，该蒸汽-甲烷重整器使甲烷CH4与水在吸热反应中反应产生合成气，并且采用水煤气变换反应来主要产生氢气258。氢气生产子***225的示例性实施方案在下面参考图11A和图11B更详细地描述。在所示的实施方式中，由氢气生产子***225的水电解槽产生的氧气230a和氢气258的至少一部分被送至烃生产子***282。来自水电解槽的一些氧气230a被压缩并送至自热重整器220。在一些实施方式中，水202包括或者是被进料至水电解槽或***200中的其它单元的蒸汽料流。
在所示的实施方式中，CO2捕获子***280包括煅烧炉218，并且氢气生产子***225包括水电解槽。在一些实例中，水电解槽可以包括聚合物电解质膜(PEM)或固体氧化物电解池(SOEC)。在一些方面，***200可利用来自水电解槽的氧气O2料流230a以用于煅烧炉218氧燃烧。例如，来自水电解槽的氧气230a可被压缩成用作煅烧炉218的进料料流。在一些方面，CO2捕获子***280以及能够氧燃烧的煅烧炉218可以通过使用从水电解槽获得的基本上纯的氧气进行燃烧来更有效地操作。
在一些方面，***200可利用H2或H2-混合物部分或全部替换天然气210作为煅烧炉218的燃料。来自氢气生产子***225的氢气258的一部分可用于通过与氧气230a在煅烧炉218中反应来提供热能。例如，氢气258的一部分可与天然气210共混并在煅烧炉218中与氧气230a燃烧，以生成用于煅烧反应的热量。例如，仅氢气258的料流可以在煅烧炉218中被氧化以生成热量。通过使用氢气258为煅烧炉218提供燃料，可以减少或消除对天然气210的需求，这可以降低***200的总体碳强度。
在图2所显示的***200中，烃生产子***282包括彼此流体耦接的电催化CO2还原反应器222、自热重整器220、费希尔-特罗普希(FT)反应器224、精炼单元226，以及蒸馏单元228。类似于CO2捕获子***280的单元，前述单元被示意性地示出为烃生产子***282的元件，但是可以受益于相对靠近另一单元定位以减少能量需求和摩擦或热损失，由此降低操作成本。
一氧化碳(CO)是烃生产子***中必不可少的反应物，因为它提供形成构成合成燃料的烃所需的碳原子。市售的FT反应器不适于将CO2直接转化为烃，并由此需要首先将CO2转化为可聚合的分子，如CO。一些电催化CO2还原反应器在高温下操作以有效发挥作用。与由CO2形成CO和/或合成气的常规方法不同，实施电催化反应器的电化学方法是电力驱动的并且没有燃烧器，因此避免了燃烧化石燃料以将反应器加热到其操作温度的需求。因此，电催化CO2还原反应器的碳强度可以低于需要燃烧的常规反应器的碳强度。
电催化CO2还原反应器222接收来自CO2捕获子***280的收取的CO2进料料流256。电催化CO2还原反应器222通过在催化剂上对收取的CO2进料料流256中的CO2执行电化学还原反应(CO2→CO+1/2O2)来产生一氧化碳(CO)262和氧气230b。在一些情况下，电催化CO2还原反应器222可以采用表2中所描述的一种或多种反应(参见针对电催化CO2还原反应器列出的反应)。在一些实施方式中，电催化CO2还原反应器222可以包括固体氧化物电解池、熔融碳酸盐电解池、聚合物电解质膜燃料电池、低温电解池、或它们的组合。电催化CO2还原反应器222的一些可能的配置在下面参考图9A和图9B更详细地描述。由电催化CO2还原反应器222产生的氧气230b可用于自热重整器220中，这可以减少或消除对其它氧气源的需求，如空气分离单元(ASU)。在一些方面，***200可利用来自水电解槽和/或来自CO2还原反应器222的氧气O2料流230a以用于煅烧炉218氧燃烧。
参考图2，FT反应器224接收来自电催化CO2还原反应器222的CO料流262以及来自氢气生产子***225的氢气料流258。FT反应器224还接收来自ATR 220的合成气260(主要由CO和氢气组成)。FT反应器224使进料料流中的氢气和CO在聚合反应(也称为“FT合成”)中反应，以形成FT尾气264和FT粗产物268料流，它们组合地包括直链和支链烃以及氧化产物的多组分混合物，涵盖气体、液体和蜡。在一些实施方式中，FT反应器224可在200℃至350℃以及10巴至60巴下操作。FT合成工艺产生轻质馏分烃和重质馏分烃的组合，其定义如下。在一些方面，FT尾气264和FT粗产物268的一部分可具有低芳香性以及低至零硫含量。FT反应器224的产物还可包括直链烷烃和烯烃，亦即：氢气和低分子量烃(C1-C4)、中等分子量烃(C4-C13)以及高分子量烃(C13+)。氢气和低分子量烃可用于制造燃烧燃料、聚合物，以及精细化学品。具有例如与汽油相似组成的中等分子量烃可用作润滑剂和柴油燃料的原料。高分子量烃是蜡或石蜡，并且可为润滑剂的原料，并且也可以进一步精炼或加氢裂化为柴油燃料。
一般来讲，FT尾气料流264主要构成轻质馏分烃，并且FT粗产物料流268主要构成重质馏分烃。FT反应器224还可以产生水236作为FT合成反应的产物。水236的一些或全部可以在水处理设施中进行处理并且/或者再循环为我们用于***200内的其它单元。
轻质馏分烃可以被认为是在标准环境温度和压力下以气相存在的烃。轻质馏分烃典型地包括具有相对低分子量的短链烃(C1-C4)。例如，甲烷、丁烷和丙烷被认为是轻质馏分烃。在一些情况下，含有轻质馏分烃的气态合成燃料料流还可包括氢气。氢气可使用膜分离，并作为原料单独地再循环到其它单元，例如到FT反应器224。在精炼之后，可由轻质馏分烃形成的一些合成燃料产物包括合成天然气和液化石油气(LPG)。
FT反应器224还产生重质馏分烃。重质馏分烃可以被认为是在标准环境温度和压力下以液相(液体)(例如，石脑油、馏分油)或固相(固体)(例如，蜡)存在的烃。重质烃典型地包括具有中等分子量的中链烃(C4-C13)以及具有高分子量的长链烃(C13+)。在精炼之后，可由重质馏分烃形成的一些合成燃料产物包括汽油、柴油、喷气燃料、航空涡轮燃料，以及蜡。本文所述的费希尔-特罗普希燃料合成产物可以进一步精炼成满足某些燃料标准(例如，ASTM规定的燃料标准规范)的要求的特定燃料类型。在某些情况下，合成燃料可进一步精炼成石油化学产物或石油产物，如塑料或聚合物。
参考图2，FT尾气264主要包括气态轻质馏分烃(C1-C4)，其对于需要燃烧或氧化来执行反应的单元而言是有用的输入。一种这样的单元是ATR 220。ATR 220包括包围(包封)燃烧器、燃烧室和催化反应区的容器。ATR 220可包括至少一个接收可燃气体、氧气230，以及蒸汽202的入口。可燃气体可为含甲烷原料，如FT尾气264。可燃气体可以通过在燃烧器中与蒸汽202和氧气混合来预热，并且反应可以在ATR 220的燃烧室中引发。催化反应区可包括催化剂床，该催化剂床负载有使反应物转化成合成气的含镍催化剂。
在所示实施方式中，ATR 220用于使FT尾气264和精炼的尾气266转化为合成气260。ATR 220接收FT尾气264、蒸汽202，以及氧气料流230a，230b。在一些实施方式中，如图2所描绘，ATR 220接收来自电催化CO2还原单元222和氢气生产子***225两者的氧气料流230a，230b。在一些情况下，ATR 220可接收仅来自电催化CO2还原单元222或氢气生产子***225之一的氧气230。ATR 220在蒸汽202的存在下用氧气230a，230b氧化FT尾气264，以产生合成气260用于在FT反应器224中经由表2所述的重整和变换反应进行FT合成。在一些实施方式中，FT尾气264的其它轻质馏分组分可以在ATR 220的燃烧室中部分转化成甲烷，然后在ATR 220的催化反应区中重整为合成气260。合成气260可被送至FT反应器224以产生FT粗产物268和FT尾气264，由此闭合FT尾气再循环回路。
在其它配置中，分别如图4和图5的***400和500，FT尾气和/或精炼的尾气可改为送至煅烧炉，然后燃烧成CO2。在一些情况下，可能需要增加氢气生产子***的容量，以适应源自尾气的额外CO2，这些尾气从烃生产子***送到CO2捕获子***中(经由煅烧炉)。在一些情况下，将尾气经由ATR再循环回到烃生产子***中以产生合成气可能是经济的，因为氢气生产子***的容量不太可能受到影响。
FT粗产物268主要包括液态或固态的重质馏分烃。在图2所示的实施方式中，FT粗产物268被送至包括多个精炼单元226和/或蒸馏单元228的精炼设施或精炼厂，其中FT粗产物268经受精炼和分离。精炼单元226执行如加氢裂化、加氢处理、加氢异构化、流化催化裂化、热裂化、重整、低聚、或它们的组合的过程以产生石油产物。构成精炼设施的工艺单元(即，精炼单元226和蒸馏塔228)的非限制性实例包括如下工艺单元：包括常压蒸馏单元、真空蒸馏单元、加氢裂化器、热裂化器、催化裂化器、重整器、加氢处理器、炼焦器、减粘裂化炉、或烷基化单元。这些工艺单元将FT粗产物268转化成多种精炼的产物270和精炼的尾气266。类似于FT尾气264，精炼的尾气266包括甲烷和其它轻质馏分，因此可以在ATR 220中氧化以产生合成气。精炼的产物270可主要包括液体和固体石油产物，如石脑油、汽油、煤油、喷气燃料、柴油、基础油、蜡以及其它化学品。精炼的产物270被送到蒸馏单元228，在其中它们通过蒸馏分离成单独或共混的产物，如液体燃料232和化学品234。液体燃料232的非限制性示例可以包括石脑油、汽油、煤油、喷气燃料、柴油、燃料油、或它们的组合。
在图2的烃生产子***282的实施方式中，FT粗产物268被送至精炼单元226，并从那里送至蒸馏单元228。在其它可能的实施方式中，FT粗产物268可以在精炼单元226中经历精炼过程之前首先被送至蒸馏单元228进行分离。例如，FT粗产物268可被送至常压蒸馏单元228以使FT粗产物268分离成精炼的尾气266、石脑油、馏分油，以及残渣/蜡。石脑油、馏分油，以及残渣/蜡然后可以经历精炼过程，如加氢异构化、流化催化裂化、热裂化、重整、低聚、或它们的组合，以生产合成燃料产物，包括液体燃料232和化学品234。精炼的尾气266可以流向ATR 220，并且ATR 220可以在蒸汽202的存在下使用氧气230料流来氧化精炼的尾气266中的甲烷CH4，以产生用于FT合成的合成气260。
在ATR 220中使用来自FT反应器224的FT尾气264和来自精炼单元226的精炼的尾气266有助于通过将碳原子再循环回***200中来减少碳排放，否则这些碳原子会排放到大气中。另外，在一些方面，可以减少或消除FT尾气264和精炼的尾气266的燃烧和排气，这降低了***200的总体碳强度。主要包括C1至C4范围内的气态烃的FT尾气264和精炼的尾气266(本文称为“尾气”)可以在自热重整器220中使用氧气和蒸汽重整以产生合成气260。在一些实施方式中，ATR 220可以在蒸汽202和CO2两者的存在下使用氧气230来氧化FT尾气264和/或精炼的尾气266中的甲烷以产生合成气260。例如，收取的CO2进料料流256的一部分可被送至ATR 220，并且ATR 220可以在收取的CO2进料料流256和蒸汽202的存在下氧化尾气以产生合成气260。
烃生产子***282产生液体燃料232和化学品234。液体燃料232的非限制性实例可以包括喷气燃料、航空涡轮机燃料、柴油、或汽油。与由常规化石燃料产生的类似产物相比，液体燃料232往往具有减少含量的污染物，如硫、SOx、NOx、芳香烃以及颗粒物，因为液体燃料232主要包括清洁燃烧的石蜡(产生较少的颗粒物和有害污染物)。由于***200的液体燃料232相对较纯，它们作为交通(运输)燃料源更加可取。此外，衍生自大气CO2源的合成燃料，如可由***200产生的那些，往往在中间处理步骤中要处理的杂质较少，因为大气CO2通常不具有与传统碳源(如，天然气、生物质或煤)相同的杂质。
在一些方面，***200可以利用CO2捕获子***280与烃生产子***282之间的热集成。例如，由FT反应器224和/或精炼单元226生成的蒸汽可用于CO2捕获子***280中。在一些方面，烃生产子***282可以产生可在CO2捕获子***280中利用的高压和/或中压蒸汽。例如，FT反应器224可以产生高压蒸汽。蒸汽可直接或间接地(例如，通过使用废热收取方法)用于加热工艺料流、蒸发工艺料流中的水、提供冰冻防护、预热和/或干燥CO2捕获子***280中的材料(例如，CaCO3固体或CaO固体)。利用废热可以降低***200及其产物如液体燃料232和化学品234的碳强度。热集成可以通过降低与能量需求相关联的成本来改善工艺经济性。
在一些方面，热集成还可以改善某些工艺单元和材料的功能。例如，加热CO2捕获溶液246可以改善捕获动力学，由此能够从以给定空气速度流经空气接触器212的大气空气中捕获更多CO2。例如，加热粒料反应器214的排放流出物可以改善下游分离单元如离心机和过滤单元的性能。在一些实施方案中，这可以通过使用废热来温热粒料反应器排出料流、来自粒料反应器214或过滤器/澄清器的滑流、和/或到过滤器/澄清器的进料料流来实现。例如，较温热的水具有允许更快沉降的特性，亦即，较低的密度和粘度，如以下斯托克斯定律所显示，该定律使液体特性(密度、粘度)与固体沉降速度关联起来：
其中V是球形粒子从悬浮液中沉降出来的速度，ρp是流体球形粒子的质量密度(kg·m-3)，ρf是流体的质量密度(kg·m-3)，g是重力加速度(m·s-1)，R是粒子半径(m)，并且μ是流体粘度(kg·m-1·s-1)。
在一些方面，***200可以利用冷却水***和来自CO2捕获子***280的工艺料流来冷却***200内的其它单元。例如，氢气生产子***225和烃生产子***282内的单元生成热量，并且该热量可被传递至构成闭合冷却水回路的冷却水。冷却水回路可为跨CO2捕获子***280、氢气生产子***225、和/或烃生产子***282的多个单元所共用，由此提供用于满足***200的冷却需求的集成方法。例如，从空气接触器212盆流出的载有CO2的捕获溶液240可被送至热交换器，在该处热量从冷却水传递到载有CO2的捕获溶液240。载有CO2的捕获溶液240然后可以流向粒料反应器214。因此，在一些方面，CO2捕获子***280操作可以提供满足构成***200的子***中的冷却要求的机会。这与常规热管理方法不同，在常规热管理方法中，特定子***(例如CO2捕获子***)外部的单元操作的冷却***典型地是独立的。通过跨***200集成冷却***，可以降低***200的资金和操作成本以及碳强度。
在一些方面，在寒冷气候中，通过利用来自***600中的其它单元如煅烧炉618、CO2还原反应器、自热重整器、FT反应器、精炼单元、或它们的组合的废热，可以向捕获溶液(料流646，640)提供辅助加热。热量可以经由共用冷却水***从一个工艺单元传递到另一个工艺单元。
在一些方面，***200可以使用来自烃生产子***282的废热来生成电力/能量。例如，来自烃生产子***282的废热可以通过采用如热收取蒸汽发电机(发生器)的单元用来发电，该热收取蒸汽发电机使用热能产生蒸汽，该蒸汽用于在蒸汽涡轮发电机中发电。通过使用来自该过程的废热来发电，可以减少该过程的引进电力需求，由此降低***200的资金和操作成本以及碳强度。
在一些方面，***200可以利用CO2捕获子***280与氢气生产子***225之间的热集成。例如，氢气生产子***225可以包括产生热量的水电解槽或蒸汽-甲烷重整器，该热量可用于CO2捕获子***280中。CO2捕获子***280具有使用低热值废热的多种应用，如用于加热工艺料流以改善工艺单元的性能。例如，加热浆液料流可以改善过滤器和/或离心机的性能。使用来自氢气生产子***225的废热可以降低***200的碳强度。
在一些方面，***200可以合并用于氢气生产子***225和CO2捕获子***280的水处理。在一些方面，氢气生产子***225可包括水电解槽，其中水源(例如，城市用水、地下水、废水等)在被进料至水电解槽之前在水处理设施或纯化***中纯化。纯化过程可减少水电解槽的结垢或劣化。例如，纯化过程可移除氯离子并产生盐水作为副产物。盐水副产物然后可以被收取并且在CO2捕获子***280中用作工艺用水补给。例如，盐水可经由消化器216引入CO2捕获子***280。使用副产物盐水可以减少工艺的净(net)水需求并降低水处置成本，同时合并用于CO2捕获子***280和氢气生产子***225的水处理。
在一些方面，***200可以在CO2捕获子***280中利用由FT反应器224产生的水236。来自FT反应器224的至少一些产物水236可以被收取并处理以满足CO2捕获子***280的水质要求。例如，在处理后，水236可在CO2捕获子***280中再利用以进行水补给，其中它可在消化器216中用于消化反应并且/或者洗涤从粒料反应器214排出的碳酸钙CaCO3固体。
在一些方面，***200可以在氢气生产子***225中利用由FT反应器224产生的水236。例如，来自FT反应器224的至少一些产物水236可以被收取并处理以满足氢气生产子***225的水电解槽的水质要求。在处理之后，代替或除了水202之外，水236可以用作用于通过水电解产生氢气258和氧气230的原料。在***200中使用别处产生的水236可以减少***200的总体水需求并减少水处置成本。
在一些方面，来自煅烧炉218废气料流的高温废气料流可以预热进料至CO2还原反应器222的收取的CO2进料料流256。例如，高温气-气热交换器可用于在煅烧炉218的废气料流与进料至CO2还原反应器222的收取的CO2进料料流256之间交换热量。在一些情况下，来自氢气生产子***225(其可包括蒸汽-甲烷重整器)、CO2还原反应器222、ATR 220、或它们的组合的废热可用于预热收取的CO2进料料流256。
一些电催化CO2还原反应器222在高温(例如，约600℃至900℃)下操作，因为这些反应器的某些电化学特性(例如，电流密度、电池电势等)在高温下是有利的。对于这些在高温下操作的电催化CO2还原反应器222，在将收取的CO2进料料流256进料到电催化CO2还原反应器222之前对其进行预热(例如，采用从煅烧炉218传递的热量)可以减少电催化CO2还原反应器222所需的能量负荷。例如，收取的CO2进料料流256可以处于环境温度至100℃之间，然后可以经由使用热交换器的预热步骤逐渐加热。
在一些方面，***200可以从CO2还原反应器222产物气体(例如，CO 262和氧气230)收取热量以预热收取的CO2进料料流256。例如，至少一级热交换器或至少一个热交换器可用于预热收取的CO2进料料流256。第一级可包括在较冷温度下操作的金属热交换器，并且第二级可包括陶瓷热交换器，这是由于在处理热合成气和/或CO 262时可能发生金属尘化。陶瓷热交换器可以减少或消除与工艺料流接触的金属，并因此消除金属尘化。在一些方面，从热合成气和/或CO 262收取热量以预热收取的CO2进料料流256可以降低***200的能量需求和操作成本。
在一些方面，***200可以从CaO 248收取热量以预热进料至CO2还原反应器122的收取的CO2进料料流256。例如，收取的CO2进料料流256可以接触CaO 248以在煅烧炉218的冷却机组中交换热量，由此预热收取的CO2进料料流256，同时冷却CaO 248。在一些方面，安装在煅烧炉218下游的高温袋滤室可以减少从煅烧炉218携带到CO2还原反应器222中的粉尘量。为了管理收取的CO2进料料流256和CaO 248多级回路的压力之间的较大压差，可以采用密封件来经由跨流化床的压降生成压差。从冷却的CaO 248收取热量以预热收取的CO2进料料流256还可以降低***200的能量需求和成本。由于重整单元如CO2还原反应器222典型地不与另一工艺单元(如在发生CO2还原反应的温度下排出固体的煅烧炉218)共同定位，这样的集成效率典型地在常规***中不可用。
在一些方面，***200可以利用工艺设施布局设计而促进热量和材料集成。例如，与CO2捕获子***280的占地面积相比，烃生产子***282的占地面积可以更加紧凑。***200的工艺单元可以战略性地定位，以获得热量和材料集成益处并减少总体设施占有面积。例如，使均在相似的高温度范围(800-950℃)下操作的CO2还原反应器222和煅烧炉218共同定位(例如，相对靠近，如在大约250m或更短乃至关于危险场地中电气安装的立法要求所允许的最短距离以内)可以实现紧密的热集成以及热损失和压降的最小化。由于DAC和燃料合成过程的集成，煅烧炉218和烃生产子***282的共同定位是可行的。
在一些方面，***200可以通过采用多用途压缩机来组合一个或多个子***的压缩要求。例如，烃生产子***282的FT循环压缩可以与CO2压缩和纯化单元238组合。从ATR220流出的合成气260、从CO2捕获子***280流出的收取的CO2料流254，以及从氢气生产子***225流出的氢气258在流向它们相应的下游单元之前可能各自需要被压缩。可以使用单个压缩机组件239，而不是采用独立的压缩机来压缩这些料流中的每一种。单个压缩机组件239可以具有多级。例如，电催化CO2还原反应器222可以仅将收取的CO2进料料流256的一部分转化成CO 262。在一些情况下，未转化的CO2可再循环至电催化CO2还原反应器222的入口并且可能需要被压缩。CO2再循环物可被进料至压缩机组件239并在适当的压缩机级处与收取的CO2进料料流256合并。在需要压缩的料流与收取的CO2进料料流256保持分离的实施方式中，压缩机组件239可包括整体式齿轮压缩机，并且它们可以在整体式齿轮压缩机的单独的(分开的)级中被压缩。在料流与收取的CO2进料料流256保持分离的另一实施方式中，压缩机组件239可包括多级压缩机组件，其中第一压缩机由与第二压缩机(例如，主CO2压缩机)相同的电机轴驱动，并且收取的CO2进料料流256在第一压缩机中被压缩，而其它料流在第二压缩机中被压缩。在某些情况下，这可以降低资金成本，因为一台大型压缩机比两台单独的小型压缩机成本更低。
用于从大气空气中的CO2生产合成燃料的***的其它配置是可能的。在一些情况下，可以使用热催化CO2还原反应器代替电催化CO2还原反应器222，这与图2的***200相比可能需要工艺料流的流动的一些差异。在一些实施方式中，热催化CO2还原反应器可以利用更改的天然气液化(Gas-to-Liquids)平台，该平台可以在将合成气送至FT反应器以产生合成烃之前，通过称为逆水煤气变换(RWGS)的过程将CO2和氢气转化为合成气。这使得DAC(例如，CO2捕获子***280)与成熟的FT技术能够集成，这可以导致更容易地扩大用于由DAC衍生的CO2源生产合成燃料的***和方法。
图3是用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的示例性***300的示意图，该***采用热催化CO2还原反应器322和自热重整器320。***300包括彼此流体耦接的CO2捕获子***380、氢气生产子***325，以及烃生产子***382。上面提供的图2的***200的CO2捕获子***280、氢气生产子***225、烃生产子***282，以及其它部件的描述、特征、参考标号和相关联优点经必要的变更分别适用于图3的***300的CO2捕获子***380、氢气生产子***325、烃生产子***382，以及其它类似部件。
在图3的***300的所示实施方式中，氢气生产子***325使氢气料流358流向热催化CO2还原反应器322和FT反应器324。热催化CO2还原反应器322可以使多种原料，包括但不限于氢气、CO2、甲烷、天然气、氧气、蒸汽、轻质馏分烃，以及生物甲烷反应，以产生合成气。在一些情况下，热催化CO2还原反应器322可以采用表2中所描述的一种或多种反应(参见针对热催化CO2还原反应器列出的反应)。参考图3，热催化CO2还原反应器322通过对氢气358以及来自CO2捕获子***380的收取的CO2进料料流357执行RWGS反应来产生CO料流362和蒸汽336。在一些实施方式中，热催化CO2还原反应器322包括填充床反应器、多管式固定床反应器、或它们的组合中的催化剂床。在一些实施方式中，CO2热催化还原反应器322可以经由以上表2中所描述的反应中的一种或多种来生成CO和H2，并且可接收烃(例如，甲烷)料流作为原料。热催化CO2还原反应器322可在高温(例如高于500℃)下操作，可在大气压或最多至200巴的较高压力下操作，并且可引入多种催化剂来参与关键反应。热催化CO2还原反应器322的实施方案在下面参考图10A和图10B更详细地描述。与电催化CO2还原反应器形成对照，热催化CO2还原反应器322产生蒸汽336(即，水)而非氧气。
在一些方面，***300可以利用来自热催化CO2还原反应器322的水336作为CO2捕获子***380中的工艺用水补给。水336可以在用于CO2捕获子***380之前被收取和处理。水处理可包括移除溶解的物质(气体或颗粒物)和平衡酸度。在一些方面，再利用在***300中的别处所产生的水336可以减少总体水需求和水处置成本。
热催化CO2还原反应器322使CO 362流向FT反应器324。FT反应器324从氢气生产子***325接收氢气358，并使CO 362与氢气358在聚合反应中反应以形成FT尾气364和FT粗产物368。FT粗产物368流向精炼单元326，该精炼单元将FT粗产物368处理成精炼的尾气366和多种精炼的产物370。以上参考图2所提供的FT反应器224、FT尾气264、FT粗产物268、精炼单元226、精炼的尾气266、精炼的产物270、液体燃料232，以及化学品234的描述、特征、参考标号和相关联优点经必要的变更分别适用于图3的FT反应器324、FT尾气364、FT粗产物368、精炼单元326、精炼的尾气366、精炼的产物370、液体燃料332，以及化学品334。
在一些情况下，如果轻质烃污染了进料，则热催化CO2还原反应器322可能容易形成焦炭。当氢原子从烃中移除并致使形成元素碳层时，可出现焦炭。焦炭形成是成问题的，因为它可减少热催化CO2还原反应器322中催化剂床的活性面积，由此降低CO2转化为合成气的效率。可形成焦炭的一个示例性反应是3C2H4→2C+2C2H6。
在一些情况下，ATR 320可以减少热催化CO2还原反应器322中的焦炭形成，并且产生额外的合成气(即，除了由氢气生产子***325形成的氢气358以及由热催化CO2反应器322形成的CO 362之外)。FT尾气364和精炼的尾气366(为简洁起见，本文称为“尾气364，366”)主要包括轻质馏分烃(C1至C4)并流向ATR 320。在ATR 320中，在蒸汽302和氧气330的存在下，尾气364，366的至少一部分可重整为合成气361(CH4+1/2xO2+yCO2+(1-x-y)H2O←→(y+1)CO+(3-x-y)H2)，由此产生额外的合成气。合成气361可然后流向热催化CO2还原反应器322。尽管ATR 320可选地使尾气364，366反应形成合成气361并使合成气361流至热催化CO2还原反应器322，但它可为以下情况的替代方案：将尾气直接送至热催化CO2还原反应器322，这可导致焦炭形成，或者将尾气364，366燃烧/排气到大气中。另外，这使得尾气364，366中的轻质馏分烃(通常为价值低于目标产物如液体燃料332的石油产物)能够潜在地经由作为中间步骤的合成气形成而间接地加工成液体燃料。在一些情况下，合成气361可以从ATR 320直接流向FT反应器324，由此绕过热催化CO2还原反应器322。
热催化CO2还原反应器322可以接收来自电加热或通过燃料燃烧的热能输入。例如，热能可以由燃烧氢气358、天然气310、或它们的组合而生成。
在一些方面，热催化CO2还原反应器322可以在中等压力范围(约50-400psi)下操作以简化反应器设计和操作。例如，作为将热催化CO2还原反应器322的进料压缩至高压力范围(约400-500psi)并在类似较高压力下操作烃生产子***382的替代，可以将FT反应器324和热催化CO2还原反应器322的进料料流压缩至中等压力。压力可足够低，以通过降低与热催化CO2还原反应器的冶金限制相关的挑战来降低设备的资金成本，但可仍然足够高，以实现足够的反应动力学，同时还维持合理的占地面积。热催化CO2还原反应器322和/或自热重整器320可以在中等压力范围下操作。
在中等压力范围下操作热催化CO2还原反应器322可以具有其它益处。在一些情况下，从热催化CO2还原反应器322流出的CO料流362可被压缩(至中等压力范围)以除去可能残余的水蒸气的至少一部分，然后被压缩至FT反应器324所需的进料压力，该压力高于中等压力范围。这可以降低热催化CO2还原反应器322和/或自热重整器320的资金成本，因为高温(大约900℃)和压力操作可对重整器管和/或负载催化剂的管的冶金造成挑战。可以通过评估热催化CO2还原反应器322和/或自热重整器320的可用反应器构建材料参数(如设计应力、屈服应力，以及极限拉伸强度(UTS))来选择中等压力范围。例如，通过评价以下压力可以选择中等压力范围：在该压力下形成热催化CO2还原反应器322的较低等级钢可安全运行且从危险与可操作性研究来看被认为可接受的，同时保持大致相同比率的设计应力与屈服应力和/或UTS。在一些方面，中等压力范围或较低操作压力使得能够使用较低成本材料(例如，一些钢合金)而不是昂贵的材料(例如，不锈钢)来构造热催化CO2还原反应器322和/或自热重整器320。
热催化CO2还原反应器322和/或ATR 320的重整器管相对较大，这典型地增加它们的成本。如上所述，降低操作压力能够节省重整器管的材料的成本，这可以抵消与大尺寸相关联的一些增加的成本。在一些情况下，自热重整器320在中等压力范围内操作，因为这些压力有利于重整反应中的产物。
除了以上参考图2所描述的热集成方法之外，由热催化CO2还原反应器322生成的蒸汽可用于CO2捕获子***380。例如，热催化CO2还原反应器322可以产生可在ATR 220中使用的高压蒸汽。CO2捕获子***380与烃生产子***382之间的热集成的另一个实例是将在煅烧炉318中生成的热量传递至收取的CO2料流354。在一些方面，煅烧炉318可以流体耦接到移除灰尘(例如，CaCO3和CaO粒子)的陶瓷袋滤室。陶瓷袋滤室可以在约900℃下操作的煅烧炉318的二级旋风除尘器的排放处使用，以移除收取的CO2料流354中的灰尘。在移除灰尘的情况下，收取的CO2料流354可直接送至热催化CO2还原反应器322，而无需冷却和再加热，因此减少或消除热能需求并改善工艺能量效率。这与常规设计形成对照，常规设计可能需要将CO2料流从900℃冷却至50℃以供储存和运输，然后将CO2料流再加热至～900℃以进料至热催化CO2还原反应器322。在常规设计中处理CO2料流以满足这些波动的温度要求可以导致能源效率低下。
用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的***的其他配置是可能的。在一些情况下，烃生产子***中的尾气可用于CO2捕获子***中。例如，尾气可以在煅烧炉的燃烧器中燃烧以生成煅烧反应所需的热能的至少一部分。如果尾气被送至煅烧炉，则可能不需要自热重整器。在煅烧炉中使用尾气可以是将尾气排气到大气中或在大气中燃烧的替代方案，因为这种方法将碳再循环到***内的另一个工艺单元中，而非对排放作出贡献。图4和图5示出了示例性***，其中尾气在煅烧炉中使用而不是被排气，由此减少了每单位产生的合成燃料从***中排放的碳量(即，减少碳强度)。另外，由于使尾气从烃生产子***流向煅烧炉可以允许消除自热重整器，存在着节省资金成本的潜能。
图4是采用电催化CO2还原反应器422并且使FT尾气464和精炼的尾气466再循环到CO2捕获子***480的示例性***400的示意图。***400包括彼此流体耦接的CO2捕获子***480、氢气生产子***425，以及烃生产子***482。上面提供的图2和3的***200，300的CO2捕获子***280，380、氢气生产子***225，325、烃生产子***282，382，以及其它部件的描述、特征、参考标号和相关联优点经必要的变更分别适用于图4的***400的CO2捕获子***480、氢气生产子***425、烃生产子***482，以及其它类似部件。
参考图4，FT尾气464和/或精炼的尾气466(本文称为“尾气464，466”)分别从FT反应器424和FT精炼单元426流出，以在CO2捕获子***480的煅烧炉418中利用。尾气464、466主要包括C1至C4范围内的气态烃，并且可以在煅烧炉418中与氧气料流430a一起燃烧。在一些情况下，煅烧炉418可将天然气410料流以及尾气464，466两者与氧气430a一起燃烧。在一些情况下，氧气料流430a是电解槽氧气料流。
尾气464，466为煅烧炉418中的煅烧反应提供热能，这产生收取的CO2料流454以进料至电催化CO2还原反应器422。燃烧尾气464，466可以替代进料到煅烧炉418中的天然气410的至少一部分，由此减少相关联的基于化石燃料的CO2排放，同时仍然满足电催化CO2还原反应器422所需的CO2进料的规格。这可以降低***400以及由***400产生的液体燃料432或化学品434的碳强度。
用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的***的其他配置是可能的。上述在煅烧炉中再利用FT尾气和精炼的尾气(本文称为“尾气”)的方法也可适用于包括热催化CO2还原反应器的实施方式。如果将尾气送至煅烧炉而非自热重整器，则可能不需要自热重整器，因为尾气中的轻质馏分烃将不会处于在热催化CO2还原反应器中致使焦炭形成的风险。这是因为尾气将在煅烧炉中经历燃烧以产生热能，而非在热催化CO2还原反应器中经历重整反应以产生合成气。
图5是采用热催化CO2还原反应器522并且使FT尾气564和精炼的尾气566再循环到CO2捕获子***580的示例性***500的示意图。***500包括彼此流体耦接的CO2捕获子***580、氢气生产子***525，以及烃生产子***582。FT尾气564和精炼的尾气566以如下配置分别从FT反应器524和精炼单元526流向CO2捕获子***580的煅烧炉518，该配置类似于图4中FT尾气464和精炼的尾气466从FT反应器424和精炼单元426流向CO2捕获子***480的煅烧炉418。烃生产子***582包括与图3的热催化CO2还原反应器322类似的热催化CO2还原反应器522。热催化CO2还原反应器的实例参考图10A和10B进行了描述。上面提供的图2至4的***200，300，400的CO2捕获子***280，380，480、氢气生产子***225，325，425、烃生产子***282，382，482以及其它部件的描述、特征、参考标号和相关联优点经必要的变更分别适用于图5的***500的CO2捕获子***580、氢气生产子***525、烃生产子***582，以及其它类似部件。
操作灵活性和材料集成是基于DAC的燃料生产***的重要设计考虑因素。可能有利的是实施缓冲容量，使得某些单元可以继续操作，而其它单元不操作或以低于其设计容量操作。例如，第一工艺单元可以经由缓冲单元耦接到第二工艺单元。第二工艺单元可能由于周转或维护而需要离线，但只要缓冲单元具有存储第一工艺单元所生产的材料的容量，第一工艺单元就可以继续操作。缓冲容量使***能够继续(连续)稳态操作，并在工艺异常的情况下解耦单元，由此减少对离线单元上游或下游单元的影响。
图6是示例性***600的示意图，该***采用缓冲容量和***内液体合成燃料的再循环。***600包括彼此流体耦接的CO2捕获子***680、氢气生产子***625，以及烃生产子***682。上面提供的图2至图5的氢气生产子***225，325，425，525、CO2纯化和压缩单元238，338，438，538，以及烃生产子***282，382，482，582的描述、特征、参考标号和相关联优点经必要的变更分别适用于图6的氢气生产子***625、CO2纯化和压缩单元638，以及烃生产子***682。
参考图6，***600的CO2捕获子***680包括流体耦接到煅烧炉618的至少一个固体缓冲储罐690。固体缓冲储罐690可提供缓冲容量，其使煅烧炉618上游和/或下游的单元(例如，空气接触器612、粒料反应器614，以及消化器616)的操作解耦。例如，流体耦接到粒料反应器614和煅烧炉618的固体缓冲储罐690可收集碳酸钙CaCO3，以允许粒料反应器614以及粒料反应器614上游的单元在煅烧炉618需要以降低的容量操作或离线时继续操作。例如，流体耦接到煅烧炉618和消化器616的固体缓冲储罐690可以收集氧化钙CaO，以允许粒料反应器614和煅烧炉618在消化器616和/或空气接触器612需要以降低的容量操作或离线时继续操作。固体缓冲储存罐690可以减小***600内的单独单元操作的进料需求和中间生产之间的间断(gap)。因此，各工艺单元可以在最适合其相应设计的条件下操作，而受到***600中其它单元的影响最小乃至没有影响。
在一些方面，***600可以使得操作***的湿法和干法回路的独特模式成为可能。在一些实施方案中，CO2捕获子***680包括集成湿法和干法工艺回路。例如，空气接触器612、粒料反应器614，以及消化器616是利用和/或再生捕获溶液646且对温度波动敏感的单元操作。在长时间的冷期间，如在其中低环境空气温度使工艺溶液温度降低至-5℃以下的冬季，这些单元可经历操作挑战，而煅烧炉218和烃生产子***682对温度较不敏感。通过引入可容纳碳酸钙CaCO3或氧化钙CaO的固体缓冲储罐690，当空气接触器612、粒料反应器614，以及消化器616中的一者或多者处于降低的容量或离线时，煅烧炉618能够继续操作。
流体的缓冲容量与固体的缓冲容量可同等重要并且具有相似的益处。***600包括流体耦接到CO2纯化和压缩单元638以及烃生产子***682的液体缓冲储罐692。液体缓冲储罐692可以接收已在CO2纯化和压缩单元638中液化的收取的CO2料流656。液化CO2有时可称为“CO2流出物”。例如，CO2纯化和压缩单元638可包括液化CO2的低温蒸馏单元，并且CO2流出物可以流向体缓冲储罐692。液体缓冲储罐692被加压。液体缓冲储罐692可以在CO2捕获子***680与烃生产子***682之间提供临时缓冲。
关于材料集成，在一些情况下，在烃生产子***682中形成有某些非气态烃，这些非气态烃可与CO2捕获子***680兼容。
在一些方面，***600可以包括将石脑油料流684从烃生产子***682再循环到CO2捕获子***680的煅烧炉618。例如，烃生产子***682的FT反应器和精炼单元可以分别产生FT粗产物和精炼的产物料流，并且这些料流中每一者可以包括石脑油(例如，石脑油料流684)。石脑油的化学组成可以取决于形成其的工艺条件而变化，但典型地包括C5-C10烃链并且处于液相。在FT粗产物中，石脑油可以主要包括直链烯烃和含氧化合物。在由精炼单元加工成精炼的产物之后，石脑油可以包括支链烃并且可基本上不含含氧化合物。石脑油可以包括直链烯烃、含氧化合物、支链烃、或它们的组合。石脑油料流684可以从烃生产子***682流向CO2捕获子***680以供利用。例如，石脑油料流684可以从FT反应器和/或精炼单元流向煅烧炉618以进行燃烧。
石脑油料流684通过与氧气630燃烧可以为煅烧反应提供热能，这产生收取的CO2料流654以进料至CO2还原反应器。煅烧炉618包括燃烧器***，其可能需要调整以使用石脑油料流684作为燃料。例如，煅烧炉618的燃烧器***可包括耦接到燃烧器的喷雾器，并且喷雾器可将燃料(例如，石脑油684)雾化成液体燃料液滴以将其递送至煅烧炉618的燃烧器。燃烧石脑油料流684可以替换在煅烧炉618中燃烧的天然气的至少一部分，由此减少相关联的基于化石燃料的CO2排放以及***600和由此产生的烃产物的碳强度。
出于安全和产物品质考虑，可能重要的是由CO2生产子***产生的收取的CO2料流基本上不含杂质或残余气体(例如，过量氧气、水蒸气、惰性气体等)。例如，收取的CO2料流的目标产物组成可以由至少99重量％CO2组成。可以移除这些杂质或残余气体，使得收取的CO2料流满足合成气生产中储存、传输以及使用的CO2品质要求。
图7是示例性***700的示意图，该***包括催化氧化反应器741和煅烧炉燃烧控制***720以从包括收取的CO2料流754的煅烧炉废气料流740中移除过量氧气的至少一部分。在一些实施方式中，包括催化氧化反应器741或煅烧炉燃烧控制***720中的一者或两者。***700包括彼此流体耦接的CO2捕获子***780、氢气生产子***725，以及烃生产子***782。上面提供的图2至图6的CO2捕获子***280，380，480，580，680、氢气生产子***225，325，425，525，625、CO2纯化和压缩单元238，338，438，538，638，以及烃生产子***282，382，482，582，682的描述、特征、参考标号和相关联优点经必要的变更分别适用于图7的CO2捕获子***780、氢气生产子***725、CO2纯化和压缩单元738，以及烃生产子***782。
在一些方面，煅烧炉废气料流740可以包括收取的CO2料流754、过量氧气745，以及惰性物755。过量氧气745包括在煅烧炉718中的燃烧反应中保持未反应的氧气。惰性物755的非限制性实例可以包括氮气、水蒸气，以及氩气。过量氧气745和惰性物755可以与收取的CO2 755混合并作为煅烧炉废气料流740从煅烧炉718中排出。
***700包括通信地耦接到控制***999的煅烧炉燃烧控制***720以及煅烧炉718中的燃烧器719。煅烧炉燃烧控制***720可包括温度指示器、流量指示器、流量发送器、流量比指示器，以及耦接到运载流向煅烧炉燃烧器719的工艺料流的管道的其它仪器。例如，运载天然气、空气、氧气、流化气体、或它们的组合的管道可以与与控制***999连通的温度指示器和流量发送器流体连通。煅烧炉燃烧控制***720还可包括燃烧器或燃烧指示器、用于燃烧器719内的火焰的压差指示器。在一些情况下，煅烧炉燃烧控制***720中还可包括开关、警报装置，以及测压孔喷嘴。煅烧炉燃烧控制***720减少了煅烧炉废气料流740中以及由此流向烃生产子***782的收取的CO2料流754中的过量氧气745的量。例如，煅烧炉燃烧控制***720向燃烧器719和耦接到煅烧炉718的流量控制***发送信号，从而以富燃料且缺氧的方式操作煅烧炉718。富燃料且缺氧的方式中进料气体摩尔比(例如，燃料与氧气的摩尔比)等于或大于燃烧反应所需的化学计量比。由于氧气含量低于燃烧所需的氧气含量(即，存在过量燃料)，煅烧炉废气料流740中过量氧气745的量减少(与在进料气体摩尔比低于燃烧所需的化学计量比的情况下操作的煅烧炉相比)。通过用这种方法操作，减少或消除了对CO2纯化和压缩单元738的需求。
在一些实施方式中，***700可以包括催化氧化反应器741。催化氧化反应器741可以包括催化氧化反应器体积内的催化剂床，以及接收可燃气体、氧气、CO2、水、或它们的组合的入口。在一些情况下，催化剂床负载包括铂的催化剂。煅烧炉废气料流740进入催化氧化反应器741并在催化剂床上与可燃气体742(例如，来自烃生产子***782的尾气743或天然气)反应。煅烧炉废气料流740中的过量氧气745可以与可燃气体742或尾气743反应形成CO2和水736。通过实施催化氧化反应器741，可以减少或消除对CO2纯化和压缩单元738的需求。这可以提供桥联来自CO2捕获子***780的CO2产物与烃生产子***782的进料气体规格的品质的有效手段。
在一些方面，***700的催化氧化反应器741可以利用烃生产子***782中所产生的FT尾气和/或精炼的尾气(本文称为“尾气743”)、或低价值可燃产物(即，不是目标产物的可燃烃)，以消耗煅烧炉废气料流740中的过量氧气745。在一些实施方式中，CO2捕获子***780能够以燃料与氧气比率低于燃烧所需的化学计量比(即，氧气745过量)的方式操作。为了移除煅烧炉废气料流740中的过量氧气745(使得进料至CO2还原反应器的收取的CO2产物进料料流756满足所需规格)，可以燃烧尾气743或其它低价值的可燃产物中的至少一些。在一些实施方式中，过量的尾气743和低价值可燃产物可以被进料到催化氧化反应器741中，以确保过量氧气745在反应中被消耗。在一些实施方式中，将包括煅烧炉废气料流740和尾气743或低价值可燃气体的进料气体的至少一部分预热至高于尾气和/或其它可燃气体的自燃温度的温度。预热进料气体可以改善CO2还原反应器的性能，由此降低操作成本。
在一些方面，***700可以利用用于管理惰性物积聚的方法。烃生产子***782可包括闭合气体回路，其中来自FT反应器和/或精炼单元的尾气743(C1-C4)返回到CO2还原反应器或自热重整器以转化成CO和H2。烃生产子***782中的尾气743可含有惰性气体746，如在CO2还原反应器、费希尔-特罗普希合成以及后续精炼步骤中不反应的氮气和氩气。由于闭合气体回路设计，惰性物755可能会在工艺料流中积聚并置换反应物，由此降低生产率。解决惰性物积聚的常规方法是定期清除***中的尾气和惰性气体。在常规化学工艺中，经由向大气排气(采用或不采用燃烧)进行定期清除是惯常的，但由于尾气含有烃，清除可以增加***的排放和碳强度。
在一些方面，为了减少或消除对碳排放清除循环的需求，含有尾气743和惰性物755的工艺料流可替代地被送至催化氧化反应器741，并且/或者经由煅烧炉718(尾气743可在其中燃烧以产生CO2)再循环至CO2捕获子***780。在一些情况下，燃烧的CO2可以被捕获。惰性气体743可携带来自催化氧化反应器741和/或煅烧炉718的CO2，并在CO2纯化和压缩***738中移除。含有很少乃至不含碳的移除的惰性气体746可以然后排气到大气中，而不会显著对***700的碳强度作出贡献。
用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的***的其他配置是可能的。如果在***中实施能够产生氢气和一氧化碳两者的CO2还原反应器，则可能不需要氢气产生子***。这也可以消除对自热重整器的需求，因为合成气可以在单一单元中产生，而不需要集成多个(种)工艺单元。这可以降低资金成本并简化***的操作。
图8是示例性***800的示意图，该***采用产生氢气858料流和CO 862料流的CO2还原反应器822。***800包括彼此流体耦接的CO2捕获子***880和烃生产子***882。上面提供的图2和7的***200，300，400，500，600，700的CO2捕获子***280，380，480，580，680，780、氢气生产子***225，325，425，525，625，725以及其它部件的描述、特征、参考标号和相关联优点经必要的变更分别适用于图8的***800的CO2捕获子***880、烃生产子***882，以及其它类似部件。
烃生产子***882包括CO2还原反应器822，其使水料流802和收取的CO2进料料流856反应以形成氢气858、CO862，以及氧气料流830。在一些实施方式中，CO2还原反应器822包括固体氧化物电解池(SOEC)，并因此是本文所公开的电催化CO2还原反应器的可能配置。SOEC是一种可采用固体材料作为电解质的电化学单元，并且可以在约800℃的高温下操作。SOEC通过电解水并在催化剂上还原CO2来产生氢气858和CO 862。在一些情况下，催化剂包括氧化锆。SOEC的实施方案在下面参考图9A更详细地描述。在一些实施方式中，CO2还原反应器822产生足够量的合成气(即，氢气858、CO 862)以进料至FT反应器824。
FT反应器824和多个精炼单元826可分别形成FT尾气864和精炼的尾气866。在一些方面，FT尾气864和精炼的尾气866(本文称为“尾气”)从烃生产子***882流向CO2捕获子***880的煅烧炉818。在一些实施方式中，不需要自热反应器，因此尾气可以替代地用于煅烧炉818中。
使CO2还原成CO的电化学方法可用于由大气空气中的CO2生产合成燃料的***中。例如，如果可再生或低碳排放能源可用于在DAC到燃料***中实现电化学CO2还原，则可降低***的总体碳强度。
图9A和图9B是包括阳极902、阴极904和电解质906的示例性电催化CO2还原反应器900，901的示意图。一般来讲，阳极902和/或阴极904将负载促进发生还原反应的催化剂材料。
参考图9A，电催化CO2还原反应器900包括通过电解质906流体且电耦接至阴极904的阳极902。在一些实施方式中，电催化CO2还原反应器900可以在约800℃的温度下操作。
在一些情况下，电催化CO2还原反应器900可为固体氧化物电解池(SOEC)，其中电解质906包括来自CO2捕获子***280，480，680，780，880的收取的CO2进料料流256，456，656，756，856的固体CO2，其可在阴极侧进入电催化CO2还原反应器900。向阳极902和阴极904(本文中称为“电极”)施加电势，这致使CO2还原成CO分子和氧离子。在一些实施方式中，所施加的电势可以包括0.95V至1.35V范围内的电压。氧离子然后在阳极902侧被氧化成氧分子。在一些情况下，还可以在固体氧化物电解池中通过在阴极904处将水裂解成分子氢和氧离子来产生氢气。在一些实施方式中，电解质906可以包括氧化锆。在一些实施方式中，阳极902和/或阴极904可以包括镍或铂。
在一些情况下，电催化CO2还原反应器900可为熔融碳酸盐电解池，其中电解质906包括碳酸盐。来自CO2捕获子***的收取的CO2进料料流的CO2可用于补充电解质906中的碳酸根离子。向阳极902和阴极904施加电势，这致使来自电解质906的碳酸根离子还原为CO分子和氧离子。氧离子然后在阳极902侧氧化成氧分子。在一些实施方式中，阳极902和/或阴极904可以包括钛或石墨。
参考图9B，电催化CO2还原反应器901包括通过电解质906流体且电耦接至阴极904的阳极902。电极的两侧可为流体通道910，该流体通道允许反应物和产物流进和流出电催化CO2还原反应器901。在一些实施方式中，电催化CO2还原反应器901可以在低于100℃的温度下操作。
在一些情况下，电催化CO2还原反应器901可为低温电解池或聚合物电解质膜电池，其中电解质906包括水溶液或膜并且流体通道910a、910b可使液体电解质流动。例如，电解质906可为碱性液体电解质、阳离子交换聚合物膜、或阴离子交换聚合物膜。向阳极902和阴极904施加电势，这致使来自收取的CO2进料料流的CO2还原成CO分子和氧离子。氧离子可以通过电解质906移动到阳极902侧，在该处它们被氧化成氧分子。电解质906可以使得电荷载流子如氢氧根OH-离子能够从阴极904移动或转移到阳极902，以使得能够产生CO和氧气。在一些情况下，阳极902或阴极904可为气体扩散电极。例如，阴极904可为允许CO扩散出反应器的气体扩散电极。在这样的情况下，流体通道910b可为允许CO2流入和CO流出的气体通道。在一些情况下，CO2还原反应器901可包括催化剂，该催化剂包括铁、铂、非贵金属、或它们的组合、
在一些实施方式中，电催化CO2还原反应器900，901中的任一者可与本文所述的元件中的任一者是组合的。例如，图2、4和8的***200，400，800可以包括图9A和9B的电催化CO2还原反应器900，901。
由CO2生成CO的热催化方法可以用于由大气空气中的CO2生产合成燃料。在某些情况下，热催化方法可能比电化学方法更成熟，因为它们基于常规FT合成工艺改造而来的改良技术。例如，热催化方法可实施如表2所描述的RWGS反应以由CO2产生CO。
图10A和图10B是示例性热催化CO2还原反应器1000，1001的示意图。热催化CO2还原反应器1000，1001各自包括CO2还原反应容器，其中负载有CO2还原催化剂1006。CO2还原反应容器具有多个开口，其构成入口和出口的组合。热催化CO2还原反应器1000，1001包括反应物入口1008和产物出口1010，该反应物入口1008可使包括从大气空气中收取的CO2和氢气的进料气体混合物1002流动，该产物出口1010可使包括CO和水的产物混合物1004流动。在一些情况下，进料气体混合物1002的成分被混合，然后在流入反应物入口1008之前被预热。在一些实施方式中，可存在超过一个接收相应气体物质的反应物入口1008。进料气体混合物1002可以进入CO2还原反应容器并在CO2还原催化剂1006上反应以产生产物气体混合物1004。在一些实施方式中，催化剂1006可包括钴、铁、铜、锌、铝、或它们的组合。RWGS反应可能需要由热能量源1012产生的热能，如天然气燃烧器、电加热器、热交换器、或它们的组合，构成冷却/加热***的一部分。在一些情况下，进料气体混合物1002可在进入CO2还原反应容器之前由热能量源1012预热。在一些情况下，传热介质如水蒸气或氮气可用于将热量(直接或间接地)从热能量源1012传递至进料气体混合物1002。在一些情况下，传热介质可为包围CO2还原反应容器外壳的加热夹套。传热介质可通过热能输入1014进入热催化CO2还原反应器1000，1001并通过热能输出1016离开。
参考图10A，热催化CO2还原反应器1000是示例性填充床反应器。CO2还原催化剂1006可填充到CO2还原反应容器内的固定催化剂床中。通过热能量源1012将催化剂床加热到足够的反应温度(例如，范围从180℃到850℃，取决于催化剂)。当包括从大气空气中收取的CO2的进料气体混合物1002流经CO2还原反应容器的腔体并流经催化剂1006时，产生包括CO的产物混合物1004并从反应器排出。
参考图10B，热催化CO2还原反应器1001是示例性多管式固定床反应器。CO2还原催化剂1006可填充催化剂管1018束，这些催化剂管1018束构成CO2还原反应容器内的催化剂床。通过热能量源1012将催化剂床加热到足够的反应温度(例如，范围从180℃到850℃，取决于催化剂)。在一些情况下，传送来自热能量源1012的热量的传热介质可以流经CO2还原反应容器的腔体(即，在热催化反应器1001的“壳”侧)。包括从大气空气中收取的CO2的进料气体混合物1002流入催化剂管1018束中，并且当其流经催化剂管1018的长度时形成产物混合物1004。包括CO的产物混合物1004从反应器中排出。
在一些实施方式中，热催化CO2还原反应器1000，1001中的任一者可与本文所述的元件中的任一者组合。例如，图3和5的***300，500可以包括图10A和10B的热催化CO2还原反应器1000，1001。
生产合成燃料需要氢气。存在可用于生产氢气的不同原料。这样的原料的非限制性实例包括水、甲烷，以及轻质烃。为了降低由大气CO2生产合成燃料的***的碳强度，可以使用由可再生能源提供动力和/或与碳捕获***结合的氢气生产方法。
图11A和图11B是示例性氢气生产子***1100，1101的示意图。可以使用电化学方法、与碳捕获结合的重整方法、或它们的组合来生产氢气。这些方法在制氢行业中通常分别称为“绿氢”和“蓝氢”。
参考图11A，氢气生产子***1100可为水电解槽，该水电解槽包括定位在阳极1102与阴极1104之间的膜1106。膜1106可渗透并传导氢离子(质子)并且可以包括聚合物电解质膜。将水进料到水电解槽中，并且向阳极1102和阴极1104施加电势。电势差将水分解成氧气和质子。膜1106将质子传导到阴极1104侧，在该处从质子中产生氢分子。氢气可以然后被送至烃生产子***以生产合成燃料，并且氧气可以在***中的其它工艺单元中被利用。
参考图11B，氢气生产子***1101可为蒸汽-甲烷重整器，该蒸汽-甲烷重整器包括热耦合到重整炉1120内的多个重整器管1114的燃烧器1112。燃烧器接收并燃烧包括天然气和氧气的气体混合物1110以生成热能。包括甲烷和蒸汽的进料气体1108以3至5范围内的蒸汽与甲烷比率流入重整器管1114中，并且热能被传递以引发蒸汽-甲烷重整反应(CH4+H2O←→CO+3H2)，如表2所述。重整器管1114可负载包括镍的催化剂。例如，催化剂可包括Ni/MgA12O4。当反应沿着管1114的长度发生时，产生氢气料流1116并从蒸汽-甲烷重整器中排出。蒸汽-甲烷重整器可以在600℃至950℃范围内的温度下操作。在一些情况下，可以实施其它反应和单元操作以增加所产生的氢气量。例如，可实施水煤气变换反应(CO+H2O←→CO2+3H2)和变压吸附器。变压吸附器移除CO2的至少一部分以及杂质，由此产生相对纯的氢气料流。来自由燃烧器1112引发的燃烧反应的CO2可以流经烟囱1122。在一些实施方式中，烟囱1122流体耦接到碳捕获和封存***1124，该***提取CO2，将其压缩并冷却成超临界流体，并将其注入永久存储位置(例如，盐水地层、枯竭储存器(矿层)等)。这可以降低氢生产子***1101的碳强度。
在一些实施方式中，氢生产子***1101可以包括处理生物质、煤、或焦炭的气化单元，其中该气化单元流体耦接到碳捕获和封存***1124。在一些实施方式中，氢气生产子***1100，1101可以包括使液态或气态氢气流动的氢气管道。在一些情况下，氢气管道可以使来自位于CO2捕获子***和烃生产子***的界区之外的来源的氢气流动。
在一些实施方式中，图11A的氢气生产子***1100可与本文描述的任何元件组合。例如，图2的***200可以包括图11A的氢气生产子***1100。在包括图11B的氢气生产子***1101的一些实施方式中，可能需要氧源来为需要氧气作为反应物的单元操作进料。例如，氧源可包括空气分离单元、提供氧气的电解池、或它们的组合。在一些情况下，氧源可位于CO2捕获子***和烃生产子***的界区之外。
在一些实施方式中，用于由CO2源合成燃料的***的CO2捕获子***可以通过使大气空气与从大气空气中提取CO2的液体吸附剂接触来起作用。例如，液体吸附剂可以包括碱性水溶液、胺水溶液、氨基酸水溶液、碳酸盐和/或碳酸氢盐水溶液，含有或不含促进剂如碳酸酐酶。图12显示出采用液体吸附剂(本文也称为“CO2捕获溶液”)的示例性CO2捕获子***1200。CO2捕获子***1200可以在用于由稀释CO2源(如大气空气)合成燃料的***(和相关联的过程)中操作，类似于***100。
根据用于空气接触器1204的用途的非限制性实例，CO2捕获子***1200可以包括空气接触器1204，该空气接触器采用CO2捕获溶液1212来直接从大气空气1202中提取CO2。空气接触器1204使用CO2捕获溶液1212从大气空气1202吸收一些CO2以形成富CO2溶液1208。在一些实施方式中，CO2捕获溶液1212可以包括氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、或它们的组合的溶液。含氢氧化物的CO2捕获溶液可与来自大气空气的CO2反应以形成富CO2溶液1208，该富CO2溶液包括碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸氢钾(KHCO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、或它们的组合的溶液。
CO2捕获溶液1212可能需要由富CO2捕获溶液1208再生，这可以在作为CO2捕获子***1200的一部分的再生***1230中进行。再生***1230用于处理富CO2捕获溶液1208(例如，用过的捕获溶液)以收取和/或浓缩富CO2捕获溶液1208中载有的CO2内容物(含量)。
在示例性再生***1230中，富CO2溶液1208从空气接触器1204流向CO2捕获子***1200的粒料反应器1210。粒料反应器1210可包括如流化床反应结晶器的设备。将氢氧化钙(Ca(OH)2)1224注入粒料反应器1210中。富CO2溶液与氢氧化钙1224之间的反应发生在粒料反应器1210中。来自氢氧化钙1224的Ca2+与来自富CO2溶液1208的CO3 2-在粒料反应器1210中反应，形成碳酸钙(CaCO3)固体和氢氧化物溶液作为CO2捕获溶液，由此再生CO2捕获溶液1212。例如，K2CO3可以与Ca(OH)2反应形成CaCO3和KOH，由此再生包括KOH的CO2捕获溶液1212。
富CO2溶液与Ca(OH)2的反应致使CaCO3沉淀到粒料反应器1210中的碳酸钙粒子上以生长碳酸钙固体1214。可以进行对碳酸钙固体1214的进一步处理，包括但不限于过滤、洗涤、脱水或干燥。将碳酸钙固体1214从粒料反应器1210传输至CO2捕获子***1200的煅烧炉1216。
煅烧炉1216煅烧来自粒料反应器1210的碳酸钙固体1214以收取气态CO2料流1218(本文也称为“收取的二氧化碳进料料流”)并形成氧化钙(CaO)1220。煅烧反应在高温(典型地在约550-1150℃的范围内)下执行。煅烧所需的热能可以通过煅烧炉1216中燃料源的氧燃烧来生成。在一些实施方式中，用于煅烧的热能可以电生成，并且/或者煅烧炉1216可以热耦合到电加热器。收取的CO2料流1218在下游单元如压缩和纯化***中进行处理。收取的CO2 1218可用于在烃生产子***(如本公开的烃生产子***)中合成燃料。氧化钙(CaO)的料流1220在CO2捕获子***1200的消化器1222中经由水合反应用水消化，以产生提供给粒料反应器1210的氢氧化钙1224。消化器1222可以包括滞留消化器(detention slaker)、高温水化器、蒸汽消化器、浆料消化器、石灰水化器、或它们的组合。CO2捕获子***1200可包括构成空气接触器1204的系列/组件的多个空气接触器1204。CO2捕获子***1200还可以包括从材料料流中移除水和/或杂质的固体移除和净化单元，并且可以包括袋滤室、静电除尘器、冷却器、热交换器、冷凝器、或它们的组合。
在一些实施方式中，CO2捕获溶液1212可使用不同的再生***再生。再生***1230可为空气接触器1204的一部分或者与其分开。在示例性再生***1230中，富CO2溶液1208可流向包括电池堆的电化学***，电池堆可包括一组一个或多个膜以及一组电极。电化学***可以通过向包括富CO2溶液1208的电解质施加电势来由富CO2溶液1208再生CO2捕获溶液1212。电势差致使离子交换，由此形成收取的CO2 1218并再生CO2捕获溶液1212。在示例性再生***1230中，富CO2溶液1208可流向热汽提塔，该热汽提塔采用蒸汽从富CO2溶液1208中解吸CO2，由此形成收取的CO2料流1218并再生CO2捕获溶液(例如，贫CO2液体)。
再生***1230可以包括液体分配管、固体输送设备、过滤***、中间部件如储存容器、和/或协同地用于再生CO2捕获溶液1212的部件的组件。再生***1230还包括使液体流入和流出再生***1230的泵。
在一些实施方式中，图12的CO2捕获子***1200可与本文所公开的任何CO2捕获子***组合或可替代本文所公开的任何CO2捕获子***。
固体吸附剂可用于从大气空气中提取CO2。固体吸附剂的捕获机制可能与某些液体吸附剂的捕获机制不同。解吸/收取CO2和再生固体吸附剂的方法可以利用不同的化学物质和单元操作。下面描述了固体吸附剂的一些非限制性实例。
图13是包括固体吸附剂的示例性CO2捕获子***1300的示意图。载有CO2的空气1302(例如，大气空气)可以流入负载固体吸附剂的空气接触器1304中。载有CO2的空气1302可以将CO2的至少一部分经由吸收或吸附转移到固体吸附剂以形成贫CO2空气料流1306，该贫CO2空气料流从空气接触器1304排出。空气接触器1304可以流体耦接到再生***1318，该再生***将CO2解吸为收取的CO2料流1320并再生固体吸附剂。在一种可能的实施方式中，再生***1318包括煅烧炉以产生收取的CO2料流1320并再生固体吸附剂。收取的CO2料流1320然后可以被送至烃生产子***的CO2还原反应器以加工成合成燃料，如上所述。
多种固体吸附剂示出于图13。它们通常彼此独立地使用，但在一些情况下，CO2捕获子***1300可以使用多种吸附剂的组合。在一些实施方式中，CO2捕获子***1300的空气接触器1304可以使大气空气1302与固体吸附剂材料接触，该固体吸附剂材料包括但不限于非碳质来源的(沸石1316、二氧化硅、金属有机骨架材料1314和多孔聚合物、碱金属，以及金属氧化物碳酸盐)以及碳质来源的(活性炭和/或碳纤维、石墨烯、有序多孔碳、纤维)、具有化学吸附剂材料的固体结构(包括含或不含纤维素的官能胺基材料1308)，固体聚合物基材料(包括聚乙烯亚胺二氧化硅)，离子交换树脂1312、或任何上述的组合。在一些实施方式中，CO2捕获子***的再生***1318可以包括变温解吸单元、变压解吸单元、变湿解吸单元、真空泵、热或蒸汽汽提器、煅烧炉、电化学电池、或它们的组合。例如，载有CO2的空气1302可以在空气接触器1304中接触包括氧化钙CaO或氢氧化钙Ca(OH)2的固体吸附剂，以形成碳酸钙CaCO3作为中间材料。CaCO3可以然后流向再生***1318中的煅烧炉并经历煅烧反应，由此形成从CO2捕获子***1300排出的收取的CO2料流1320。收取的CO2料流1320可以然后经由烃生产子***加工成合成燃料。
在一些实施方式中，图13的CO2捕获子***1300可与本文所公开的任何CO2捕获子***组合或可替代本文所公开的任何CO2捕获子***。
***200，300，400，500，600，700，800也可以包括控制***(或流量控制***)999，该控制***与相应***200，300，400，500，600，700，800的一个或多个部件集成和/或可通信地耦接。例如，***200中的工艺料流可以使用在整个***200中实施的一个或多个流量控制***(例如，控制***999)来流动。流量控制***可以包括用于移动工艺料流的一个或多个流量型泵、风扇、鼓风机、或固体传送装置、工艺料流所流经的一个或多个流管道，以及用于调节通过管道的料流的流量的一个或多个阀门。本文所述的配置的每一种可以包括联接到相应泵的至少一个变频驱动器(VFD)，该变频驱动器能够控制至少一个液体流速。在一些实施方式中，液体流速由至少一个流量控制阀控制。
在一些实施方案中，流量控制***可手动操作。例如，操作员可以设定每个泵或转运装置的流速，并设定阀门打开或关闭位置以调节通过流量控制***中的管道的工艺料流的流量。一旦操作员已经为分布在***上的所有流量控制***设定了流速以及阀门打开或关闭位置，流量控制***就可以使料流在恒定流量条件下流动，例如恒定体积流率或其它流量条件。为了改变流动条件，操作员可手动操作流量控制***，例如，通过改变泵流速或者阀门打开或关闭位置。
在一些实施方案中，流量控制***可自动操作。例如，流量控制***可连接至计算机或控制***(例如，控制***999)以操作流量控制***。控制***可包括存储可由一个或多个处理器执行的指令(如流量控制指令和其它指令)的计算机可读介质，以执行操作(如流量控制操作)。操作员可以使用控制***为分布在设施上的所有流量控制***设定流速以及阀门打开或关闭位置。在这样的实施方案中，操作员可以通过控制***提供输入来手动改变流量条件。而且，在这样的实施方案中，控制***可以例如使用连接到控制***的反馈***来自动地(即，无需手动干预)控制一个或多个流量控制***。例如，传感器(如压力传感器、温度传感器或其它传感器)可以连接到工艺料流所流经的管道。传感器可以监测并向控制***提供工艺料流的流动状况(如压力、温度、或其它流动状况)。响应于超过阈值(如压力阈值、温度阈值、或其它阈值)的流量状况，控制***可以自动执行操作。例如，如果管道中的压力或温度分别超过压力阈值或温度阈值，则控制***可以向泵提供减小流速的信号、打开阀门以释放压力的信号、关闭工艺料流流量的信号、或其它信号。
图14是用于生产合成燃料的***，如图2所显示的***200的控制***(或控制器)1400的示意图。***1400可以用于结合先前所述的任何计算机实施的方法进行描述的操作，例如作为本文所述的控制***999或其它控制器或者作为其一部分。
***1400旨在包括各种形式的数字计算机，如膝上型电脑、台式电脑、工作站、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型主机，以及其它适当的计算机。***1400也可包括移动设备，如个人数字助理、蜂窝电话、智能电话，以及其它类似的计算设备。另外，该***可包括便携式存储介质，如通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)闪存驱动器。例如，USB闪存驱动器可以存储操作***和其它应用程序。USB闪存驱动器可包括输入/输出组件，如可***另一计算设备的USB端口中的无线发射器或USB连接器。
***1400包括处理器1410、存储器1420、存储设备1430，以及输入/输出设备1440。组件1410、1420、1430和1440各自使用***总线1450互连。处理器1410能够处理用于在***1400内执行的指令。处理器可以使用多种架构中的任一种来设计。例如，处理器1410可为CISC(Complex Instruction Set Computers，复杂指令集计算机)处理器、RISC(ReducedInstruction Set Computer，精简指令集计算机)处理器、或MISC(Minimal InstructionSet Computer，最小指令集计算机)处理器。
在一个实施方式中，处理器1410是单线程处理器。在一些实施方式中，处理器1410是多线程处理器。处理器1410能够处理存储在存储器1420中或存储设备1430中的指令，以在输入/输出设备1440上显示用户界面的图形信息。
存储器1420存储***1400内的信息。在一个实施方式中，存储器1420是计算机可读介质。在一个实施方式中，存储器1420是易失性存储器单元。在一些实施方式中，存储器1420是非易失性存储器单元。
存储设备1430能够为***1400提供大容量存储。在一个实施方式中，存储设备1430是计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储设备1430可为软盘设备、硬盘设备、光盘设备、或带设备。
输入/输出设备1440为***1400提供输入/输出操作。在一个实施方式中，输入/输出设备1440包括键盘和/或指向设备。在一些实施方式中，输入/输出设备1440包括用于显示图形用户界面的显示单元。
参考图15，公开了用于生产合成燃料的方法1500。在1501处，方法1500包括用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳(例如，分别为图2和4的料流204，404)，以形成收取的二氧化碳进料料流(例如，分别为图2和4的收取的二氧化碳进料料流256，456)。在1502处，方法1500包括从含氢原料中提取氢气以产生氢气进料料流(例如，分别为图2和4的氢气进料料流258，458)。方法1500包括在CO2还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流以通过使用电催化CO2还原反应器产生CO料流。在1504处，方法1500包括向CO2还原反应器(例如，分别为图2和4的CO2还原反应器222，422)施加电势。在1506处，方法1500包括在催化剂上还原收取的CO2进料料流的至少一部分，以形成CO料流(例如，分别为图2和4的CO料流262，462)和氧气料流(例如，分别为图2和4的氧气料流230，430)。在1508处，方法1500包括使来自CO2还原反应器的CO料流与氢气进料料流反应，以产生合成燃料。
参考图16，公开了用于生产合成燃料的方法1600。在1601处，方法1600包括用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳(例如，分别为图3和5的料流304，504)，以形成收取的二氧化碳进料料流(例如，分别为图3和5的收取的二氧化碳进料料流356，556)。在1602处，方法1600包括从含氢原料中提取氢气以产生氢气进料料流(例如，分别为图3和5的氢气进料料流358，558)。方法1600包括在CO2还原反应器中处理收取的二氧化碳进料料流以通过使用热催化CO2还原反应器产生CO料流。在1604处，方法1600包括将氢气进料料流的一部分输送到CO2还原反应器(例如，分别为图3和5的CO2还原反应器322，522)。在1606处，方法1600包括向CO2还原反应器施加热能输入，以使氢气进料料流的一部分与收取的CO2进料料流在CO2还原反应器中的催化剂上反应以产生CO料流(例如，分别为图3和5的CO料流362，562)以及水料流(例如，图3和5的水料流336，536)。在1608处，方法1600包括使来自CO2还原反应器的CO料流与氢气进料料流反应，以产生合成燃料。
所描述的某些特征可以在数字电子电路中，或在计算机硬件、固件、软件中，或它们的组合中实施。该装置能够以有形地体现在信息载体中的计算机程序产品(例如，用于由可编程处理器执行的机器可读存储设备)来实施；并且方法步骤可以由执行指令程序的可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行所描述实施的功能。所描述的特征能够有利地以可在可编程***上执行的一个或多个计算机程序来实施，该可编程***包括至少一个可编程处理器，该可编程处理器被耦合成从数据存储***、至少一个输入设备，以及至少一个输出设备接收数据和指令以及向这些传输数据和指令。计算机程序是可以在计算机中直接或间接使用以执行特定活动或产生特定结果的一组指令。计算机程序可以用任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)编写，并且其能够以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子程序、或其它适用于计算环境的单元。
用于执行指令程序的合适的处理器包括例如通用和专用微处理器，以及任何种类计算机的单独处理器或多个处理器之一。一般来讲，处理器从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器，以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器。一般而言，计算机还包括一个或多个用于存储数据文件的大容量存储设备，或者被可操作地耦合成与一个或多个大容量存储设备通信；这样的设备包括磁盘，如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；以及光盘。适于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，包括例如半导体存储设备，如EPROM、EEPROM和闪存存储器设备；磁盘，如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM磁盘。处理器和存储器可以由ASIC(专用集成电路)补充或引入ASIC中。
为了提供与用户的交互，这些特征可以在具有用于向用户显示信息的显示设备(如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器)以及用户可借以向计算机提供输入的键盘和指向设备(如鼠标或轨迹球)的计算机上实施。另外，这样的活动可以经由触摸屏平板显示器和其它适当的机构来实施。
这些特征可以在控制***中实施，该控制***包括后端组件，如数据服务器，或者包括中间件组件，如应用服务器或互联网服务器，或者包括前端组件，如具有图形用户界面或互联网浏览器、或它们的任何组合的客户端计算机。***的组件可以通过任何形式或介质的数字数据通信如通信网络来连接。通信网络的实例包括局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)、对等网络(具有自组织或静态成员)、网格计算基础设施，以及互联网。
除非另外指明，如本说明书中所用，术语“耦接(couple)”及其变体，如“耦接(coupled)”、“耦接(couples)”和“耦接(coupling)”旨在包括间接和直接连接。例如，如果第一设备耦接到第二设备，则该耦接可以通过直接连接或者通过经由其它设备和连接的间接连接。类似地，如果第一设备通信地耦接到第二设备，则通信可以通过直接连接或者通过经由其它设备和连接的间接连接。具体地，流体耦接意味着为流体提供直接或间接路径以在两个流体耦接的装置之间流动。而且，热耦合意味着为热能提供直接或间接路径以在热耦合的装置之间流动。
虽然本说明书含有许多具体的实施细节，但这些细节不应解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是解释为对特定发明的特定实施特定的特征的描述。在本说明书中单独实施的上下文中描述的某些特征也可在单个实施方式中组合实施。相反，在单个实施的上下文中描述的各种特征也可在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合实施。此外，尽管特征可在以上描述为在某些组合中起作用并甚至最初被如此要求保护，但来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可从组合中删除，且所要求保护的组合可针对子组合或子组合的变化。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应理解为要求以所显示的特定次序或按顺序次序执行这些操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施方式中的各种***部件的分离不应理解为在所有实施方式中都需要这样的分离，并且应理解，所描述的程序组件和***通常可以一起集成在单个软件产品中或打包成多种软件产品。
已经描述了多种实施。然而，应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，本文所述的示例性操作、方法、或过程可包括比所描述的那些更多的步骤或更少的步骤。此外，这种示例性操作、方法、或过程中的步骤可以以不同于附图中描述或示出的顺序来执行。因此，其它实施在以下权利要求书的范围之内。
Claims (65)
1.用于生产合成燃料的方法，所述方法包括：
用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳(CO2)，以形成收取的二氧化碳进料料流；
从含氢原料中提取氢气(H2)，以产生氢气进料料流；
通过以下方式在CO2还原反应器中处理所述收取的二氧化碳进料料流以产生一氧化碳(CO)料流：
向所述CO2还原反应器施加电势；以及
在催化剂上还原所述收取的二氧化碳进料料流的至少一部分，以形成所述一氧化碳料流和氧气(O2)料流；以及
使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流反应，以产生所述合成燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用所述吸附剂材料从所述大气空气流中提取二氧化碳以形成所述收取的二氧化碳进料料流包括：
使所述大气空气流中的二氧化碳与CO2捕获溶液反应，以形成贫CO2气体和富碳酸盐捕获溶液；
使所述富碳酸盐捕获溶液与氢氧化钙料流反应，以形成所述CO2捕获溶液的至少一部分并沉淀碳酸钙固体；以及
煅烧所述碳酸钙固体的至少一部分，以提取所述收取的二氧化碳进料料流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中使所述大气空气流中的二氧化碳与所述CO2捕获溶液反应包括使所述大气空气流中的二氧化碳与氢氧化钾或氢氧化钠中的至少一种反应。
4.根据权利要求2所述的方法，其中煅烧所述碳酸钙固体的至少一部分包括燃烧包含天然气或氢气中的至少一种的燃料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中燃烧包含天然气或氢气中的至少一种的所述燃料包括燃烧所述氢气进料料流的至少一部分。
6.根据权利要求2所述的方法，其中煅烧所述碳酸钙固体的至少一部分包括电加热所述碳酸钙固体。
7.根据权利要求2所述的方法，其中使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流反应包括：
在费希尔-特罗普希(FT)工艺中，使所述氢气进料料流与所述一氧化碳料流反应，以形成FT粗产物料流；
精炼所述FT粗产物料流，以形成包含石脑油的精炼的粗产物料流；并且
所述方法还包括燃烧所述石脑油的至少一部分以生成热能，其中锻烧所述碳酸钙固体的至少一部分包括采用所述热能锻烧所述碳酸钙固体的至少一部分。
8.根据权利要求1所述的方法，其中从所述含氢原料中提取氢气包括电解水，以形成所述氢气进料料流和电解槽氧气料流。
9.根据权利要求1所述的方法，其中从所述含氢原料中提取氢气包括蒸汽甲烷重整，以形成所述氢气进料料流。
10.根据权利要求1所述的方法，其中使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流反应包括在费希尔-特罗普希(FT)工艺中，使所述氢气进料料流与所述一氧化碳料流反应，以形成FT粗产物料流。
11.根据权利要求1所述的方法，其中：
在所述CO2还原反应器中处理所述收取的二氧化碳进料料流包括仅将所述一氧化碳料流从所述CO2还原反应器输送至费希尔-特罗普希(FT)工艺；并且
使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流反应包括使从所述CO2还原反应器输送的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流在所述FT工艺中反应，以形成FT粗产物料流。
12.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
在自热重整器中使用来自所述CO2还原反应器的所述氧气料流来氧化可燃气体的至少一部分，以形成合成气料流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料反应包括使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流在费希尔-特罗普希(FT)工艺中反应，以形成FT粗产物料流和FT尾气料流；并且
所述方法进一步包括精炼所述FT粗产物料流，以产生精炼的尾气料流和精炼的粗产物料流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中氧化所述可燃气体的至少一部分包括氧化所述FT尾气料流、所述精炼的尾气料流、或天然气料流中的至少一种。
15.根据权利要求12所述的方法，其中使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流反应包括在费希尔-特罗普希(FT)工艺中，使来自所述自热重整器的所述合成气料流、所述一氧化碳料流以及所述氢气进料料流反应，以形成FT粗产物料流和FT尾气料流。
16.根据权利要求15所述的方法，其中使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流反应包括：
精炼所述FT粗产物料流，以形成精炼的粗产物料流和精炼的尾气料流；以及
蒸馏所述精炼的粗产物料流，以形成所述合成燃料，所述合成燃料包含液体燃料料流以及化学品料流。
17.根据权利要求1所述的方法，其中从所述氢气原料中的氢化合物中提取氢气以产生所述氢气进料料流进一步包括：
在所述CO2还原反应器中，在所述催化剂上离解水料流，以形成所述氢气进料料流和所述氧气料流的另一部分。
18.根据权利要求2所述的方法，其中：
使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流反应包括：
经由费希尔-特罗普希(FT)工艺，使所述氢气进料料流与所述一氧化碳料流反应，以形成FT尾气料流和FT粗产物料流；以及
精炼所述FT粗产物料流，以形成精炼的尾气料流和精炼的粗产物料流；并且
煅烧所述碳酸钙固体的至少一部分以提取所述收取的二氧化碳进料料流包括燃烧所述FT尾气料流或所述精炼的尾气料流中的至少一种。
19.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述收取的二氧化碳进料料流包含过量氧气；并且
所述方法进一步包括移除所述收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气的至少一部分。
20.根据权利要求19所述的方法，其中移除所述收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气的至少一部分包括：
用燃料燃烧过量氧气的至少一部分，其中所述燃料与过量氧气的摩尔比等于或大于燃烧化学计量比。
21.根据权利要求19所述的方法，其中移除所述收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气的至少一部分包括：
用过量氧气的至少一部分催化氧化可燃气体，以形成包含二氧化碳和水的催化氧化产物料流；以及
使所述催化氧化产物料流的所述二氧化碳与所述收取的二氧化碳进料料流合并，
其中所述可燃气体包含天然气、费希尔-特罗普希尾气、或精炼的尾气中的至少一种。
22.根据权利要求21所述的方法，其中用过量氧气的至少一部分催化氧化所述可燃气体包括：
在所述可燃气体的自燃温度下，用所述可燃气体燃烧过量氧气的至少一部分。
23.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
液化所述收取的二氧化碳进料料流；以及
在所述CO2还原反应器中处理所述收取的二氧化碳进料料流之前，使所述液化的二氧化碳进料料流的至少一部分维持在液体储罐中。
24.根据权利要求23所述的方法，其中液化所述收取的二氧化碳进料料流包括在低温蒸馏单元、膜分离单元、或水去除单元中的至少一种中从所述收取的二氧化碳进料料流中分离污染物。
25.根据权利要求1所述的方法，其中：
使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与所述氢气进料料流反应生成热量；并且
所述方法进一步包括将所述热量的至少一部分传递到用所述吸附剂材料从所述大气空气流中提取二氧化碳以形成所述收取的二氧化碳进料料流的步骤。
26.根据权利要求25所述的方法，其中用所述吸附剂材料从所述大气空气流中提取二氧化碳以形成所述收取的二氧化碳进料料流包括用所述热量的至少一部分煅烧碳酸钙固体以提取所述收取的二氧化碳进料料流。
27.根据权利要求25所述的方法，其中用所述吸附剂材料从所述大气空气流中提取二氧化碳以形成所述收取的二氧化碳进料料流包括将所述热量的至少一部分传递到CO2捕获溶液，以及使所述大气空气流中的二氧化碳与所述CO2捕获溶液反应。
28.根据权利要求1所述的方法，其中从所述大气空气流中提取二氧化碳包括：
在所述CO2还原反应器中处理所述收取的二氧化碳进料料流之前，使固体碳酸钙或固体氧化钙中的至少一种维持在固体缓冲储罐中。
29.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
通过操作单个压缩机组件来压缩气态工艺料流，所述气态工艺料流包含所述收取的二氧化碳进料料流、蒸汽、一氧化碳、氢气、费希尔-特罗普希尾气、或精炼的尾气中的至少一种。
30.用于生产合成燃料的方法，所述方法包括：
用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳，以形成收取的二氧化碳进料料流；
通过以下方式在二氧化碳(CO2)还原反应器中处理所述收取的二氧化碳进料料流以产生一氧化碳(CO)料流：
向所述CO2还原反应器施加电势；以及
在催化剂上还原所述收取的二氧化碳进料料流的至少一部分，以形成所述一氧化碳料流和氧气(O2)料流；以及
使来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流与氢气(H2)料流反应，以产生所述合成燃料。
31.用于生产合成燃料的***，所述***包含：
二氧化碳(CO2)捕获子***，所述二氧化碳(CO2)捕获子***被配置为用吸附剂材料从大气空气流中提取二氧化碳，以产生收取的二氧化碳进料料流；
氢气生产子***，所述氢气生产子***被配置为从含氢原料中提取氢气，以产生氢气进料料流；以及
烃生产子***，所述烃生产子***包含被配置为处理所述收取的二氧化碳进料料流以产生一氧化碳(CO)料流的CO2还原反应器，所述烃生产子***被配置为使所述氢气进料料流与来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流反应以产生所述合成燃料。
32.根据权利要求31所述的***，其中：
所述吸附剂材料包含CO2捕获溶液；并且
所述CO2捕获子***包含流体耦接到煅烧炉的粒料反应器，所述粒料反应器被配置为使所述CO2捕获溶液反应以沉淀碳酸钙固体，并且所述煅烧炉被配置为煅烧所述碳酸钙固体的至少一部分。
33.根据权利要求32所述的***，其中所述CO2捕获溶液包含氢氧化钾或氢氧化钠中的至少一种。
34.根据权利要求32所述的***，其中所述煅烧炉被配置为燃烧包含天然气或氢气燃料中的至少一种的燃料。
35.根据权利要求34所述的***，其中所述燃料包含所述氢气燃料，所述氢气燃料为所述氢气进料料流的一部分。
36.根据权利要求32或33所述的***，其中所述煅烧炉包含电加热器。
37.根据权利要求31所述的***，其中所述氢气生产子***包含水电解槽，所述水电解槽被配置为形成所述氢气进料料流和氧气料流。
38.根据权利要求31所述的***，其中氢气生产子***包含蒸汽-甲烷重整器，所述蒸汽-甲烷重整器可运行为形成所述氢气进料料流和氧气料流。
39.根据权利要求31所述的***，其中所述烃生产子***包含流体耦接到所述CO2还原反应器的费希尔-特罗普希(FT)反应器以接收来自所述CO2还原反应器的所述一氧化碳料流，FT反应器被配置为形成FT粗产物料流。
40.根据权利要求31所述的***，其中所述CO2还原反应器包含固体氧化物电解池，所述固体氧化物电解池包含含氧化锆的电解质以及包含镍或铂的电极。
41.根据权利要求31所述的***，其中所述CO2还原反应器包含熔融碳酸盐电解池，所述熔融碳酸盐电解池包含含碳酸盐的电解质以及包含钛或石墨的电极。
42.根据权利要求31所述的***，其中所述CO2还原反应器包含聚合物电解质膜燃料电池，所述聚合物电解质膜燃料电池包含碱性水溶液或固体膜中的至少一种。
43.根据权利要求31所述的***，其中所述CO2还原反应器包含气体扩散电极以及包含铂或非贵金属的催化剂。
44.根据权利要求31所述的***，其中：
所述CO2还原反应器流体耦接到所述CO2捕获子***；并且
所述烃生产子***包含流体耦接到费希尔-特罗普希(FT)反应器的自热重整器。
45.根据权利要求44所述的***，其中所述自热重整器包含反应物入口，所述反应物入口被配置为接收包含来自FT反应器的FT尾气、精炼的尾气、或天然气料流中的至少一种的可燃气体。
46.根据权利要求44所述的***，其中FT反应器包含合成气入口，所述合成气入口被配置为接收来自所述自热重整器的合成气料流。
47.根据权利要求44所述的***，其中FT反应器包含FT催化剂，所述FT催化剂包含镍、钴、铁、或钌中的至少一种。
48.根据权利要求44所述的***，其中所述CO2还原反应器包含流体耦接到所述自热重整器的氧气出口，以及流体耦接到FT反应器的一氧化碳出口。
49.根据权利要求44所述的***，其中FT反应器包含含有催化剂的反应器体积以及至少一个出口，所述出口被配置为使FT尾气流向所述自热重整器以及使FT粗产物料流流动。
50.根据权利要求49所述的***，其中FT反应器为固定填充床反应器、多管式固定床反应器、流化床反应器，以及浆相反应器中的一种。
51.根据权利要求31所述的***，其中所述烃生产子***包含流体耦接到精炼单元的自热重整器，所述精炼单元流体耦接到蒸馏单元，所述精炼单元包含至少一个被配置为使精炼的尾气流向所述自热重整器并使精炼的粗产物流向所述蒸馏单元的出口，所述蒸馏单元被配置为使精炼的粗产物分馏成所述合成燃料。
52.根据权利要求51所述的***，其中：
所述精炼的粗产物包含石脑油；并且
所述CO2捕获子***包含煅烧炉，所述煅烧炉包含可运行为燃烧所述石脑油的燃烧器。
53.根据权利要求31所述的***，其中所述CO2捕获子***包含煅烧炉，所述煅烧炉被配置为燃烧可燃气体以提供用于煅烧碳酸钙固体的热能，所述可燃气体包含费希尔-特罗普希(FT)尾气或精炼的尾气中的至少一种。
54.根据权利要求31所述的***，其中：
所述吸附剂材料包含CO2捕获溶液；并且
所述CO2捕获子***包含燃烧器，所述燃烧器被配置为燃烧可燃气体以提供用于加热所述CO2捕获溶液的热能，所述可燃气体包含费希尔-特罗普希(FT)尾气或精炼的尾气中的至少一种。
55.根据权利要求31所述的***，其中：
所述收取的二氧化碳进料料流包含过量氧气；并且
所述***进一步包含耦接到所述CO2捕获子***的催化氧化反应器，所述催化氧化反应器可运行为移除过量氧气的至少一部分，所述催化氧化反应器包含：
含有含铂催化剂的催化氧化反应器体积；以及
至少一个入口，所述入口被配置为接收所述收取的二氧化碳进料料流中的过量氧气并且接收包含天然气、费希尔-特罗普希(FT)尾气、或精炼的尾气中的至少一种的可燃气体，
所述催化氧化反应器体积被配置为使过量氧气与所述可燃气体在所述含铂催化剂上反应。
56.根据权利要求55所述的***，其中所述CO2还原反应器包含固体氧化物电解池，所述固体氧化物电解池包含含氧化锆的电解质以及含有镍或铂的电极。
57.根据权利要求55所述的***，其中所述CO2还原反应器包含熔融碳酸盐电解池，所述熔融碳酸盐电解池包含含碳酸盐的电解质以及含有钛或石墨的电极。
58.根据权利要求55所述的***，其中所述CO2还原反应器包含聚合物电解质膜燃料电池，所述聚合物电解质膜燃料电池包含碱性水溶液或固体膜中的至少一种。
59.根据权利要求55所述的***，其中所述CO2还原反应器包含气体扩散电极以及包含铂或非贵金属的催化剂。
60.根据权利要求31所述的***，所述***进一步包含流体耦接到液体缓冲储罐的CO2纯化和压缩***，所述液体缓冲储罐被配置为加压到10巴至65巴范围内的压力，其中所述CO2捕获子***通过所述CO2纯化和压缩***以及所述液体缓冲储罐而流体耦接到所述烃子***。
61.根据权利要求60所述的***，其中所述CO2纯化和压缩***包含低温蒸馏单元、膜分离单元、或水去除单元中的至少一种。
62.根据权利要求31所述的***，其中所述烃生产子***包含热耦合到所述CO2捕获子***的费希尔-特罗普希(FT)反应器。
63.根据权利要求62所述的***，其中所述CO2捕获子***包含煅烧炉、热耦合到所述煅烧炉的FT反应器。
64.根据权利要求31所述的***，其中所述CO2捕获子***包含流体耦接到至少一个固体缓冲储罐的煅烧炉，所述固体缓冲储罐被配置为储存碳酸钙或氧化钙中的至少一种。
65.根据权利要求31所述的***，所述***进一步包含流体耦接到所述CO2捕获子***和所述烃生产子***的单个压缩机组件，所述单个压缩机组件包含多级压缩机-电机或耦接到单个电机轴的至少两个压缩机。
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