用于生产一氧化碳的系统和方法
【专利说明】用于生产一氧化碳的系统和方法
[0001]本发明涉及一种用于生产一氧化碳的系统，该生产作为碳中性燃料生产过程中的步骤。本发明也涉及一种用于生产一氧化碳的方法，该生产作为碳中性燃料生产过程中的一个步骤。
[0002]本文所使用的术语“系统”是指一种设备布置，虽然该设备的一些部件是完全常规的和/或本身已知的，但是特定组合是新颖和完全创新的。此外，本文所使用的短语“碳中性”是指在该过程中产生的二氧化碳量通过同等数量的二氧化碳的后续吸收或捕获进行平衡或补偿。化石燃料的燃烧产生了大量的温室气体和有害的排放。特别地煤的燃烧每年产生了大量的二氧化碳。在全世界使用煤作为用于发电的主要能源。随着由于温室气体而对气候变化的不断担忧，需要减少由煤燃烧和由工业生产过程所造成的空气污染量。
[0003]为了减少煤燃烧所造成的污染，越来越需要洁净煤技术用于生产碳中性燃料。已经形成的用于使用诸如二氧化碳和氢气等化合物和元素生产燃料的方法。几乎不可避免的是，这种方法不是碳中性的，由于直接从大气中获得二氧化碳不仅昂贵而且也有问题，因为提取过程就可以形成甚至更多的污染。本发明的主要目的是解决煤燃烧所造成的环境破坏，并提供用于从石灰石产生二氧化碳的设备和方法，所述设备和方法可用作一种用于生产碳中性燃料的方法的一部分。本发明旨在减少由于燃烧煤而释放到大气中的有害物质，从而对环境和气候变化具有较小影响。
[0004]根据本发明的第一方面，提供了一种用于生产一氧化碳的系统，该生产作为碳中性燃料生产方法中的步骤，所述系统包括:
[0005]一加热设备，所述加热设备被布置成加热煤以生产焦炭；
[0006]一石灰窑，所述石灰窑具有用于引入石灰石的入口，用于加热其中包含的石灰石的加热器，以及用于释放二氧化碳的出口 ；
[0007]一焦炭室，所述焦炭室可操作地连接到所述加热设备以从此接收焦炭，并且可操作地连接到所述石灰窖出口以从此接收二氧化碳；
[0008]其中，所述焦炭室被配置成使所接收的焦炭与所接收的二氧化碳反应，从而产生一氧化碳。
[0009]根据本发明的第二但密切相关的方面，提供了一种用于生产一氧化碳的方法，该生产作为碳中性燃料生产方法中的步骤，所述方法包括:
[0010]一加热煤以生产焦炭；
[0011]一加热石灰窑中的石灰石，所述石灰窑具有用于引入石灰石的入口，用于加热其中包含的石灰石的加热器，以及用于释放由加热的石灰石产生的二氧化碳的出口 ；以及
[0012]一在焦炭室中使来自所述加热设备的焦炭与来自石灰窑出口的二氧化碳结合以生产一氧化碳。
[0013]加热煤以生产焦炭不可避免地导致了除焦炭外的其它气体的产生。这些气体包括甲烷和氢气。由焦炭室产生的一氧化碳，当使用已知方法与这些额外气体结合时，形成了气体燃料(通常称为民用煤气)。当该气体性燃料燃烧时，二氧化碳将释放到大气中。通过加热对石灰石的煅烧释放二氧化碳并生产生石灰。所释放的二氧化碳转移到焦炭室以与焦炭反应，从而产生一氧化碳。从该窑中释放的生石灰将从大气中吸收二氧化碳。因此，本发明的系统和过程可用于产生碳中性燃料。
[0014]在本发明的优选布置中，该系统进一步包括水煤气变换反应器，所述水煤气转化反应器可操作地连接到焦炭室以从此接收一氧化碳并且具有用于引入水的入口，以及其中，所述水煤气转化反应器被配置成使所接收的一氧化碳与所引入的水反应，从而产生氢气。该布置需要使所述一氧化碳传递到水煤气转化反应器，供给水和一氧化碳到所述反应器，以及使用所述水煤气转化反应使所述水与一氧化碳反应产生氢气的进一步方法步骤。
[0015]本文所使用的术语“水”是指以液相、气相或汽相的水。所述水煤气转化反应是用于描述当一氧化碳与水蒸气反应时发生的化学反应的阶段。这是产生氢气和二氧化碳的已知反应。所得到的氢可用作碳中性燃料。所得到的二氧化碳可被封存或用于其他“碳中性”目的，如下更详细讨论的。
[0016]在一种优选布置中，所述加热装置包括将水转化为蒸汽的锅炉，所述锅炉具有用于引入水的入口和用于蒸汽的出口。以这种方式，所述石灰窑的所述加热器可与锅炉出口连通，使得来自所述锅炉的蒸汽直接供给到所述加热器以促进在所述石灰窑内的石灰石的加热。当所述加热设备操作以产生具有在900°C到1000°C的区域中温度的蒸汽时，这种布置是特别有利的，对于所述加热设备来生产焦炭是最有效的。这种高温可能有利地协助从系统洗涤诸如硫磺和水银等微粒。
[0017]在一种替代布置中，所述石灰窑的所述加热器可以是电阻加热元件，并且该系统可包括蒸汽涡轮机和发电器，所述蒸汽涡轮机和发电器与所述锅炉出口连通并被布置成驱动所述石灰窑的所述加热器，使得来自所述锅炉的蒸汽直接地供给到所述涡轮机以驱动发电机。如果由所述锅炉产生的蒸汽低于900°C，这种布置特别地有利，由于它允许为所述石灰窑供给用于煅烧石灰石的足够热量。在这种步骤中，由所述锅炉产生的所有蒸汽可被引导到所述涡轮机用于生产电力以驱动所述加热器。
[0018]以上所讨论的两种布置可一起使用，使得所述石灰窑的所述加热器能够从所述锅炉直接地接收蒸汽，并且还包括电加热元件以给石灰窑中提供额外热量。在这种布置中，如果由所述锅炉产生的蒸汽低于900°C，由所述锅炉产生的蒸汽的一部分可直接地供给到所述加热器以在所述石灰窑内用剩余的蒸汽促进石灰石的加热，所述剩余的蒸汽被引导到所述涡轮机用于生产电力以进一步驱动所述电加热元件以加热在所述石灰窑内的石灰石。
[0019]通过燃烧在环境上不可接受的化石燃料来实施在常规窑中石灰石的加热。通过使用由锅炉蒸汽产生的热以在回转窑中加热石灰石，本发明的设备解决了该问题。为了最有效地从石灰石中释放二氧化碳，该窑所需的热处于900°C到950°C的区域中，尽管当然，二氧化碳能够在更低的温度下释放。
[0020]在本发明的系统包括锅炉的情况下，来自锅炉的蒸汽输出可能主要用于发电。在这种情况下，该系统可包括一种被连接到锅炉的涡轮机驱动的发电机组，并且用于引导来自所述锅炉的大部分(如果不是全部)蒸汽到发电机组的涡轮机的装置，用于生产电力以供给到电力分配系统和/或加热器(其中设置有电阻加热元件)。为了从离开涡轮机的废气中回收水，蒸汽冷凝器可被设置与涡轮机驱动的发电机组连通，用于供给冷凝水到所述水煤气转化反应器的入口。以这种方式，水可能重复使用。
[0021]在本发明的优选布置中，该系统还包括一个萨巴蒂埃(Sabatier)反应室，所述Sabatier反应室可操作地连接到所述水煤气转化反应器以从此接收二氧化碳和氢气。所述反应室被配置成使用所述Sabatier反应使二氧化碳和氢气反应以生产甲烷。以这种方式，来自所述水煤气转化反应器的二氧化碳和氢气可用于生产甲烷作为碳中性燃料。使用这种方法所产生的甲烷可使用已知的常规方法处理以生产其他类型的燃料，如甲醇、丁烷或丁醇，后者是对内燃机中燃料的直接替代。可以利用该系统中的热和压力来处理甲烷以生产甲醇，丁烷或丁醇。
[0022]通过在石灰窑中加热石灰石所产生的生石灰可在车辆排气过滤器中或沿高速公路或高二氧化碳污染的其他区域使用以吸收二氧化碳。此外或另外，生石灰可被制成能够在海洋防御、新码头等利用的砂浆状板。当被放置在水中时，生石灰特别地擅长吸收二氧化碳，并且这可在沿海项目中特别地有益。
[0023]在本发明中，所述加热设备用于加热煤以生产焦炭。有利地，所述加热设备可包括气化器，并且在缺氧环境中煤由气化作用加热。另外，煤可能受到高温分解或分解蒸馏或在缺氧环境中简单地加热。在煤的加热过程中产生的各种其他气体可在本发明的方法中使用。特别地残留过量的二氧化碳可从该加热设备传递到焦炭室；一氧化碳可从该加热设备传递到所述水煤气转化反应器(如果设置的话)；氢气可能传递到该Sabatier反应器(如果设置的话)；并且甲烷可用作燃料或被进一步处理以生产甲醇，丁烷或丁醇，如之前所讨论的。
[0024]优选地，所述石灰窑是一种包括用于包含所述石灰石的