一种新型级联电厂工艺和在该电厂工艺中提供可逆使用的氢载体的方法

专利名称：一种新型级联电厂工艺和在该电厂工艺中提供可逆使用的氢载体的方法
技术领域：
背景技术：
二氧化碳是一种碳和氧构成的化合物。二氧化碳是一种无色无味气体。在低浓度 下，它是空气的自然组分，且在生物体的细胞呼吸中和在含碳物质与足够氧气的燃烧中出 现。自工业化以来，大气中的二氧化碳成分大幅度增加。主要原因是人类所造成的二氧化 碳的排放_称为人为二氧化碳排放量。大气中的二氧化碳吸收部分热辐射。这种性质使二氧化碳成为温室气体，是温室 效应的原因之一。由于这些以及其它原因，目前正在许多不同的方向进行研究和开发，以找到减少 人为二氧化碳排放量的办法。对减少二氧化碳有非常大的需求，特别是在能量生产方面，其 通常是通过燃烧矿物能量载体如煤炭或天然气，以及在其它燃烧过程例如垃圾燃烧过程中 来进行。这种过程每年有数亿吨的二氧化碳被释放到大气中。如开头所述，燃烧产生热量，也会生成二氧化碳。迄今为止，没有人提出过用含油 砂(Si02)、含油页岩(Si02+[C03]2)、铝土矿，或含焦油的砂或页岩，和其它混合物中的砂来 减少二氧化碳排放，此外，还获得新的原材料和最后从这种新方法的产品中获得能量。也可能在掺砂后使用含碳氢化合物的工业或自然废物，代替在这一新方法中使用 自然形成的砂子和油的混合物。利用天然浙青(也称为矿物浙青)代替石油的成分也是可 行的。尤其优选的是，浙青与纯砂或含砂的建筑毛石构成的混合物。然而，也可使用水玻璃，即砂与酸或碱的混合物，水玻璃掺入矿物油，以便提供本 发明(微乳状液法)所需的碳氢化合物成分。特别有利的是，本发明也可用于清洁在例如油轮发生事故后污染的沙滩和砂提。 运输工具最适合用于这一目的，尤其是配有按照本发明的一种或多种反应区的船舶。因此， 被污染的砂子，包括重油，可以在现场被处理和转换成有价值的产品，而不会加重环境污 染。同时还获得了能量。含油的砂(SiO2)和页岩(Si02+[C03]2)的储备已知超过世界石油储备许多倍。目 前用于分离石油和矿物的技术方法效率低下，且成本太高。天然浙青在地球的多个地方都 有存在，但目前商业规模的开采主要集中在特立尼达。砂在地球表面的任何地方都以或高或低的浓度存在。砂的主要存在形式包括石英(二氧化硅；SiO2)。然而，硅成分也存在于片麻岩、云母、花岗岩、板岩和铝土矿。因此，这些 岩石也可使用
发明内容
本发明的目的是提供这种可能的原材料及其技术生产方法。该方法中使用的化学 发现的特征在于，砂、页岩和其它混合物中的硅参加反应，并且提供可逆的氢载体。各个反应的级联次序(也称为能量材料级联耦合或EMC2)是本发明的特点。这些 单个的反应以这样一种方式相互耦合，即释放的能量随每一个反应步骤而增加，或者每个 反应步骤均提供其它的(最好是高价值的或高能量的)反应产物。为此，使进行部分反应 的个别反应区域/地区相互热连接和/或传递反应物。另外，本发明的另一个目的是，提供可能的替代方法，以产生和提供可逆的氢载体 形式的能量，其可安全地运输，并向用户提供氢。根据本发明，在电厂工艺过程的第一部分反应中，从以下一种或多种起始物料中 获得硅油砂、油页岩、铝土矿、片麻岩、云母、花岗岩或板岩。使用数字“第一”不是表示第 一部分反应首先被实施。在第一部分反应的范围中也可使用一种或多种上述起始物料的混 合物，其通过加入酸或碱被溶解，以提高例如通过管道的可运输性。在这种情况下，酸或碱 可使用初始能量供应物通过加热来回收。本发明的一个优选实施例特别利用，可以在点火后使硅(例如，作为在适宜温度 的粉末)与纯(冷)氮(如来自环境空气中的氮)直接反应，形成氮化硅，因为反应是强放 热的。所产生的热量可用于反应器，例如，在电厂的工艺中。这种从硅形成氮化硅的反应在 本文称为第二部分反应。根据本发明，在电厂工艺的第一部分反应中从油砂、油页岩、铝土矿、片麻岩、云 母、花岗岩和/或石板产生的硅是表面活性的，且可被催化(例如，使用镁和/或铝作为催 化剂)与氢气反应，从而得到甲硅烷。硅形成甲硅烷的反应在本文称为第三部分反应。该 甲硅烷可从反应室去除，并在另一个位置再一次经受催化压力反应(第四部分反应)。根据 以下反应式Si+SiH4 —(使用催化剂，如钼等)—Si (SiH4)+SiHn(SiH4)m+SinHm可制备长链硅烷，它可用于燃料电池和发动机的技术。该硅烷是可逆氢载体的一 种可能形式。然而，在根据本发明的工艺中，硅(如硅粉末)也可能在约1400°C的温度下、在氮 气(N2)气氛中被氮化形成氮化硅(Si3N4)15这种类型的反应是第二部分反应的一个变型。氮化硅然后可以例如利用水解转化成氨NH3。这种水解反应的一个例子如以下反 应式所示Si3N4+6H20 — 3Si02+4NH3因此，在这种反应中产生NH3和二氧化硅。氨是一种出色的氢载体。由于氮化硅水 解反应进行较慢，根据本发明，氮化硅以片状、粉状或以多孔状使用。这样得到相当大的表 面，这使得氮化硅的水解更有效和迅速。这种方法基于以下发现，在氮化硅的水解过程中， 表面水解起着本质的作用。因有意增大氮化硅的表面，因此水解变得更为有效。使用水解 从氮化硅形成NH3的反应在本文称为第五部分反应。使用氮化硅纳米结构或纳米晶体在这里是特别有效的，这可从例如溶胶-凝胶法(sol-gel)获得。溶胶-凝胶过程的能量可以 依次取自根据本发明的一个部分反应。硅、氨和硅烷是出色的能量供应物，它们可以安全地输送给用户，以分开其中的 氢。然而，过氧化氢更适合作为能量供应物。过氧化氢可以由根据本发明的进一步的部分 反应产生，其可以与电厂的工艺过程偶联或集成在该过程中。这也适用于硅、氨或硅烷的生 产，它们也可被集成在这样一个电厂工艺过程中或偶联到该过程中。下面基于示范的实施例描述本发明的进一步的细节与优点。本发明的各个方面由附图示意说明。附图简述

图1 显示根据本发明的第一部分反应的示意图；图2 显示根据本发明的第二部分反应的示意图；图3 显示根据本发明的第三部分反应的示意图；图4 显示根据本发明的第四部分反应的示意图；图5 显示根据本发明的第五部分反应的示意图；图6 显示根据本发明的第六部分反应的示意图；图7 显示根据本发明的第七部分反应的示意图；图8 显示根据本发明的第八部分反应的示意图；图9 显示根据本发明的第九部分反应的示意图；图10 显示根据本发明的第十部分反应的示意图；图11 显示根据本发明的第十一部分反应的示意图；图12 显示根据本发明的第十二部分反应的示意图；图13 显示根据本发明的第十三部分反应的示意图；图14 显示根据本发明的第十四部分反应的示意图；图15 显示根据本发明的第十五部分反应的示意图；图16 显示根据本发明的第一实施例的示意图；图17 显示根据本发明的第二实施例的示意图；图18 显示根据本发明的第三实施例的示意图；图19 显示根据本发明的第四实施例的示意图；图20 显示根据本发明的第五实施例的示意图；图21 显示根据本发明的第六实施例的示意图。
具体实施例方式以下将基于实施例对本发明进行描述。第一实施例涉及本发明在电厂运行中的运 用，以便减少或完全消除在其中得到能量时产生的二氧化碳排放。根据本发明，有一系列以预定方式实施的化学反应，其中从起始物料(也称为离 析物或反应物)得到新的化合物(称为产品)。根据本发明的(局部)反应以这样一种方 式设计，即二氧化碳被大量地消耗和/或结合。在第一实施例中，例如，掺有矿物石油、重油、焦油和/或浙青-作为初始能量供应 物-的砂子或油页岩用作起始物料。然而，以下一种或多种初始能量供应物也可使用褐煤或硬煤、泥炭、木、煤气。
将这些起始物料供入到反应室，例如，加力燃烧室或燃烧室的形式。将二氧化碳吹 入该室中。在第一实施例中，该二氧化碳可以是从矿物燃料获得大量能量时产生的二氧化 碳废气，直到现在为止，其在许多情况下被排入大气中。优选地，但不是必需的，至少在第一 部分反应开始时，将(环境)空气补充供入反应室。替代环境空气，或除了空气之外，可将 水蒸汽或在407摄氏度以上的超临界H2O供给该方法。但是，为了能够把超临界H2O成功地 加入运行的工艺过程中，最好在相应的反应室/燃烧室中使用高压。150巴和以上的压力证 明是特别合适的。更优选的是大约300巴压力。此外，可在方法的另一时刻(例如，在第一部分反应过程中)吹入氮气或吹入燃烧 室。此外，可在一种或多种部分反应中使用多种催化剂或一种催化剂。铝是特别适合的。在 合适的环境条件下在反应室中发生还原反应，这可非常简化地描述如下
SiO2 red·. > Si (red.表示还原)即起始物料中存在的石英组分被转换为晶体硅(第一部分反应)。所用砂的矿物油砂起到初始能量供应物的作用，而其本身在根据本发明的方法中 (即在第一部分反应过程中)在超过1000°c的温度下被热解分解成氢气(H2)和类似石墨 (例如，焦炭的形式)的化合物。然而，其它初始能量供应物也可与起始物料一起类似地使 用。因此，在第一部分反应的进行中，氢是从初始能量供应物的碳氢化合物链中提取的。根 据本发明，氢可被偶合到已经提到的一种可逆的能量载体上(例如，在第三部分反应的范 围中)，如以下基于实施例所述。然而，氢，不论是被直接引入到本方法中，或是源自气态烷 烃或来自诸如水蒸汽的水，也可用于在一种或多种部分反应中。作为能量载体的氮化硅为了能够提供粉状或片状氮化硅，例如，工艺过程(例如，在第一部分反应期间或 结束时)中产生的硅可被注入或送入反应室，或者它也有可能从上面通过一个轨道滴下 来。氮气(如环境空气中的氮气)，最好是纯氮(含有90-100%体积百分比的氮)被吹入 到这个反应室或轨道中。硅与氮燃烧形成氮化硅，反应室中的温度高于1000°C，最好高于 1350°C。该反应(第二部分反应)是强放热的。该反应(第二部分反应)中产生的热量 (称为二次能量)，可用于加热另外的起始物料(在本实施例中，第二部分反应释放的热量 用于把足够的能量供给第一部分反应，例如，如果初始加入的初始供应物被消耗了)，或者， 上述热量可以与该第二个过程(第二部分反应)分隔，以级联地把能量供给另一些吸热过 程(例如，第六部分反应)。此外或作为一种代替的方法，所产生的热量也可用于加热一种 介质(如水)，以及由此驱动燃气轮机或汽轮机(常规获取的能量)。例如，可以在极端条件下通过干燥氮化硅产生多孔的硅氮化物。优选的一种办法 是使用高压锅来干燥，其中有高温和高压。所需的热量(称为二次能量)可能依次从上述 放热过程(例如第二部分反应)得到。压力和温度可以按这样一种方式选择，其中气体和 液体之间的相界在进行冷却和/或干燥之前达平衡了。在这一工艺过程中出现多孔氮化硅 (第六部分反应)。然而，第六部分反应也可按这样一种方式改变，其中氮化硅纳米结构或 纳米晶体在溶胶凝胶工艺中出现，它可用作可逆的能量积累器或用作提供NH3的起始物料。在第二个实施例中，本发明与瑞士 Pyromex公司的热解方法结合使用。然而，本发明也可作为全氧燃烧方法的一种补充或替代。因此，举例来说，可以按照以下方法使用本发 明进行能量材料级联耦合(EMC2)。在全氧燃烧方法的替换例子中，以加铝最好是液态或粉 末状的铝(例如可以用第十二部分反应来生产铝)，以及以油砂燃烧(而不是油或煤)，首 先是与氧气(O2)、然后优选地与氮气(N2)、并可能与铝(瓦克尔事故，Wacker Accident) 一 起燃烧产生补充热量(第七部分反应)。然而，由于放热的第七部分反应产生大量的热，油 和煤可能不需作为初始能量供应物再使用。 在第七部分反应，铝夺取二氧化硅中的氧和被氧化形成氧化铝。如果没有或只有 少量的氧气是从外面引入的，该部分反应进行得特别好，因为氧立即在铝表面生成一个薄 的氧化膜，从而使铝准钝化。因此，尤其优选的实施例是，其中氮气气氛至少暂时预定在反 应区域。如果需要氮与硅化合物结合，纯氮气氛最好是通过空气中的氧气成分与丙烷气 (称为丙烷硝化)燃烧而从环境空气中获得。然而，也有其它的方式来实现氧和氮的分离。 反渗透法、经典的林德(Linde)方法、或使用钙钛矿型致密膜操作的方法列为其它的可能 方法。提供氮的反应称为第八部分反应。根据本发明，可使用铝。目前仅仅是从铝土矿获得铝是具有成本效益的。铝土矿 含有大约60%的氧化铝(Al2O3)，约30%氧化铁(Fe2O3的)、氧化硅(SiO2)和水。这意味着 铝土矿通常总是含有氧化铁(Fe2O3)和氧化硅(SiO2) “杂质”。氧化铝因为具有非常高的晶格能而在化学上不能被还原。然而，工业上用氧化铝 Al2O3的熔盐电解(冰晶石-氧化铝方法)来生产铝是有可能的。该氧化铝通过例如拜耳 (Bayer)法得到。在冰晶石-氧化铝方法中，氧化铝与冰晶石(盐Na3[AlF6]) —起融化和 电解。为了不必在氧化铝的2000°C的高熔化温度下工作，使氧化铝溶入冰晶石熔体中。因 此，该方法的工作温度仅为从940到980°C。在熔盐电解法中，铝液出现在阴极，而氧在出现Al2O3的阳极产生。炭块(石墨) 用作阳极。由于所得到的氧，这些阳极被燃掉，须不断更换。另外，导电性的等离子体可作为阳极。因此，传统的阳极将被能量性的阳极取代。 通过电极的适当配置和激活，可以优选地在槽上的一个区域中产生等离子体。冰晶石氧化铝的方法的一个明显缺点是，它是非常消耗能量的，因为铝的结合能 高。而有时会发生的氟的形成和排放，会造成环境问题。在根据本发明的该方法(第九部分反应)中，铝土矿和/或氧化铝可被添加到该 方法中，以实现工艺过程的冷却。系统中多余的热能可用铝土矿和/或氧化铝控制。这种 做法与以下的方法类似，其中当高炉中铁水温度态高时，向铁水中加入废铁来进行冷却。为 此目的，例如，可使用破碎机(碎石机)将块状铝土矿预先粉碎到适当大小，然后引入反应 室。如果一个用于测量反应室温度(例如，使用光学传感器)的适当控制回路判断反应室 温度超过所需的温度时，则可“投入”另外的铝土矿和/或铝氧化物。如果该方法有可能失控的话(见瓦克尔事故)，冰晶石可用作一种辅助材料，以便 通过一种新型的冰晶石紧急降温方法来降低系统的温度。然而，惰性气体紧急注入系统是 更为合适的，它在紧急情况下(或在发生这种情况之前)向反应室注入惰性气体(优选为 氩气)。惰性气体紧急注入系统可用于每一个部分反应。下面将指出关于所述的化学顺序 和能量过程的进一步细节。
石英砂可与液态或粉末铝进行放热反应形成硅和氧化铝(作为一种副产品)，根 据荷曼-温伯格(Hollemarm-Weiberg)教科书(第七部分反应)3Si02+4Al (1) — 3Si+2Al203ΔΗ = -618. 8kJ/Mol (放热的)硅与氮在1350°C燃烧形成氮化硅。该 反应也是放热(第二部分反应)T = 1350"C3Si+2N2(g) — Si3N4ΔΗ = -744kJ/Mo 1 (放热的)然后，硅与碳反应形成碳化硅，这是轻微放热的(第十部分反应)Si+C — SiC ΔΗ = -65. 3kJ/Mol (放热的)然而，在大约200(TC可直接从砂和碳得到碳化硅，这是吸热的(第i^一部分反 应)T = 2000 "CSi02+3C(g) — SiC+2C0ΔΗ = +625，3kJ/Mol (吸热)所述获得碳化硅的吸热过程可由例如二氧化硅与铝(第七部分反应)和/或氮 (第二部分反应)反应时所产生的热量(二次能量)来供给。碳化硅(第十或第十一部分 反应)可在相同的反应室或在下游或邻接的反应室获得。为了从铝土矿或氧化铝Al2O3副产品中回收铝(第十二部分反应)，在不加入冰晶 石的情况下，液态Al2O3 (熔点2045°C)电解形成铝和氧。第十二部分反应是强烈吸热的， 可用于冷却放热反应(例如，第九部分反应)。为此，相应的反应可以是彼此热耦合的。也 就是说，这个回收铝的吸热过程也可使用例如二氧化硅与铝和/或氮反应的过程中产生的 热量来供给。然而，除了热量，电流也是需要的以“克服”氧化铝Al2O3的高晶格能。2A1203 (1) — 4Al(l)+3 O2 (g)ΔΗ = +1676，8kJ/Mol (吸热的)硅烷的生产镁与硅反应形成硅化镁2Mg+Si —Mg2Si硅化镁与盐酸反应形成甲硅烷SiH4和氯化镁Mg2Si+4HCl (g) — SiH4+2MgCl2该合成途径也适用于铝。结果，硅化铝Al4Si3作为中间产品产生。如现有技术中 所记载的，高阶硅烷只能通过SiCl2与四氯化硅SiCl4聚合且随后与LiAlH4反应才可以获得。然而，根据本发明，最好按照称为第三部分反应的生产方法生产甲硅烷。通过硅化 铝或硅化镁的途径可以被理解为一种替代方案。本发明的另一些重要方面描述如下。为了更有效率地使用初始能量供应物，如果尚未与起始物料(砂、铝土矿、板岩、 片麻岩、云母和/或花岗岩)混合，则可分别地预热初始能量供应物。因此，举例来说，可先 使原油沸腾，然后才与起始材料混合。
替代初始能量供应物，或除了初始能量供应物之外，该炉可配备外部或内部加热 装置，以便能够提供发生反应(例如，第一部分反应)所需的热量。感应炉是特别适合的。 然而，也有可能将根据本发明的工艺过程(例如，第一部分反应)与使用矿物燃料(如硬 煤)工作的常规电厂的工艺过程偶联。在这种情况下，至少有一部分在常规电厂过程中产 生的废热被用来加热起始物料。 在本发明的另一个实施例中，起始物料的反应从将硅(例如粉状)与氮和/或铝 (粉状或液态)接触开始。这里用的硅可以在最初从第一部分反应获得。在第一部分反应 的结束，一部分所产生的硅可被储存，以便以后不必再使用初始能量供应物来启动根据本 发明的级联过程，而使用初始能量供应物会产生二氧化碳。为了不必再将二氧化碳释放到环境中，CO2是在该过程的开始时由初级能量供应 物与氧气燃烧所产生的，这一过程中出现的烟气可通过返回管线或返回导管送回到反应 室。特别合适的是以这样一种方式引导烟气，即烟气流经或沿着砂、铝土矿、板岩、片麻岩、 云母或花岗岩经过。当含有碳氢化合物的初始能量供应物在第一部分反应被“用完”时，烟 气可先送到一个冷却塔或下游的净化系统(如脱硫系统)或一个过滤器。然而，正如在开始时所述，也可使用水玻璃。水玻璃是水溶性碱金属硅酸盐。它们 呈玻璃状，即为无定形的非晶化合物，通常为以下组成物=M2O · IISiO2，其中η = 1-4。迄今 为止，工业上经常使用硅酸钾钠。根据本发明，也可使用硅酸钠、硅酸钾以及硅酸铝，或两种 或两种以上这些硅酸盐的混合物。由于铝有类似硅的化学性质，将其中使用硅化合物(以下称为硅产品)和铝化合 物的工艺过程相结合是特别是有利的。例如，尤其优选的是使用其中包括二氧化硅和三氧 化二铝的铝硅酸盐。提供相应的硅酸盐和/或生产水玻璃的过程被称为第十三部分反应。硅酸盐或水玻璃本身可用作根据本发明方法的起始物料，或者它们也可以与例如 砂或其它原料混合(第十四部分反应)，以获得更适用于例如第二部分反应的一种起始材 料(简称为起始物料I)。也可用硅酸盐或水玻璃与一种或一种以上的初始能量供应物(例如，矿物油)一 起制成混合物(第十五部分反应)，并用于提供启动根据本发明的工艺过程所必要的碳氢 化合物成分，以及提供促进或加速反应的反应物(简称为起始物料II)。如开始时所述的，电厂中燃烧的矿物燃料含有硫残留物。根据欧洲专利申请 06126325. 7，过氧化氢可用作基于矿物燃料的电厂工艺过程中的能量载体。由于纯(无水)过氧化氢是不稳定的，并且例如当它接触到金属时，可能会自爆， 根据本发明它在最多70%的水溶液(在水溶液中)循环提供。该70%的极限值这里被称 为临界浓度限量。按照本发明，这样选择溶液以使H2O2浓度低于临界浓度限量。然后将该溶液运送 到用户(罐装站，最终用户)。通过从该溶液分解出氢和/或氧，用户将氢和/或氧气作为 能量供应物和/或燃料而产生能量。氧最好用于与过氧硫酸的反应中，如上所述，氧来自(环境)空气、电厂工艺过程 中的二氧化碳废气或二氧化硅还原工艺过程(第一部分反应)。过氧化氢尤其适合作为能量供应物或燃料。按照本发明生产的可逆使用的氢载体可以不同的方式运送给用户(例如通过运输车辆)，这种运输绝对安全，因为氢载体相对于 处理是非临界的。在使用的位置，氢和/或氧可被从可逆使用的氢载体中分解。氢可被用于例如燃 料电池。

以下参照附图描述实施本发明的各种优选技术方案。需指出的是，对以燃烧室或 炉形式的反应区的举例说明应完全理解为例子。很显然，根据本发明的方法也可用于设计 不同的燃烧室或炉。第一个实施例如图16所示。如图16所示，两座垂直燃烧炉10和20(如高炉)相 互邻近布置。第一燃烧炉10具有出口区11，和第二燃烧炉20具有出口区21，两者都用于 排出在每一种情况下产生的废气(烟气)。第一燃烧炉10装入矿物燃料12 (例如硬煤)， 利用氧(如空气氧气)燃烧该矿物燃料。这一方法会释放大量的热量，这本身是已知的，该 热量通过热交换器13部分转移至介质(例如水)，以驱动涡轮，并使用所产生的水蒸汽获得 电流。根据本发明，各个反应级联运行。在所示的实施例中，热量与第二燃烧炉20耦合， 即两个炉10和20直接或间接地彼此热耦合，如图16的箭头Wl所示。热耦合可在该实施例和其它实施例以在两座炉墙靠墙地立着的方式实现。耦合也 可以是，通过适当的被动热桥(例如利用热导体)或主动热桥(例如使用换热器和相应的 传输介质)来进行。在第二燃烧炉20中，一种含有氧化硅的起始物料22由第一炉10提供的热量Wl 加热。即，在第一炉10中进行的反应或多或少被用作本发明第一部分反应的初始能量供应 物。在这第一部分反应中，二氧化硅转化为硅。例如，具有通常氮气成分的空气(或纯氮) 可通过喷枪24或类似装置引入炉20中。很明显，引入的位置也可以有不同的选择。硅与 氮反应形成氮化硅(见第二部分反应)。这是强放热的反应，所产生的热量可部分或全部通 过热交换器23传递至介质(例如水)以驱动涡轮，由此使用所产生的水蒸汽获得电流。尤其优选的是第一实施例的一种变型，其中上述的二次热量依次用来支持或允许 另一部分反应。例如，如图16所示，提供了反应室30，其吸收第二部分反应产生的氮化硅， 并将其转换成多孔氮化硅、片硅或硅粉，其体积和表面积均很大，同时为反应物供热和/或 压力。通过适当的热耦合，第六部分反应可被第二部分反应的二次热量支持或成为可能，如 图16的箭头W2所示。如图16所示氮化硅可被货车31运走。二氧化碳可引入炉20 (这一步是可选的)。二氧化碳可从第一炉10的排气区11 引入第二炉20，或者二氧化碳可从环境空气中弓丨入和减少，即变得“无害”。图17所示第二个实施例。如图17所示，提供了垂直操作的燃烧炉20。一种含有 二氧化硅的起始物料22在燃烧炉20中通过燃烧初始能量供应物(例如矿物燃料，如石油 和/或焦油)被加热。除其它外，硅在本发明第一部分反应中产生。类似于第一实施例，由 于氮的引入，产生了氮化硅和热量。然而，在该工艺的替换方式中，硅也可能与碳反应形成 碳化硅(见第10部分反应)。碳可能来自于矿物燃料或从二氧化碳，它可被任选地引入炉 20中(例如通过供给口 25)。该部分反应也是放热的，但供给的热量比第二部分反应供给 的热量显著减少。
如上所述，在第二实施例中二氧化碳也可引入炉20。尤其优选的是第二实施例的一种变型，其中二次热量W2依次用来支持或允许另 一部分反应。例如，如图17所示，所提供的反应区30吸收从第十部分反应产生的碳化硅，且 对其干燥、烧结或精制，同时提供热量和/或进一步的反应物和/或压力。通过适当的热耦 合，进一步的反应可由第十部分反应的二次热量支持或成为可能，如图17的箭头W2所示。 如图17所示，碳化硅或精制的碳化硅可被货车31运走。图18显示第三实施例。由图18可以看出，提供了垂直操作的燃烧炉20。一种含 有二氧化硅的起始物料22在燃烧炉20中通过燃烧初始能量供应物(例如矿物燃料，如石 油和/或焦油)被加热。除其它外，硅在本发明第一部分反应中产生。类似于第一实施例， 由于氮的引入，产生了氮化硅和热量。该部分反应是强放热的。为了将炉20冷却从而能够 控制第二部分反应，氧化铝42 (加或不加冰晶石)被用作在分开的反应区40的制冷剂，该 反应区至少部分环绕炉20。该氧化铝42可从上面倒入，且由于炉20释放的巨大热量而转 化为液态铝43，它可以例如向下排出。如果反应区40装有(熔盐)电解的电极，这个转换 (还原过程)会进行。反应区40包括例如钢槽，它衬有用于(熔盐)电解的碳材料。这些细节在图18 中没有示出。液态电解质(加或不加冰晶石的氧化铝)位于此槽中。阳极(例如碳块)连 接到电源的正极，并浸入电解质中。槽用作阴极，并连接到负极。第十二部分反应中还原的 铝(见下面的方程式)比电解质重，因此，收集在槽的底部。其可以使用例如吸管从底部抽
出ο2A1203 — 4Α1+302用于电解(也称为熔盐电解)的起始物料是铝土矿，一种粘土质矿物如氧化铝和 氢氧化铝(Al(OH)3)的混合物。二氧化硅也常常存在于铝土矿中。迄今为止，通常首先使 铝土矿与所包含的氧化铁分开(例如，利用拜耳法)。此外，“污染”了铝土矿的氧化硅然后 通常被分离。根据本发明，完全没有必要进行这种复杂的对混合物成分的分离，因为在工艺 过程中有足够的能量，且纯铝的制备不是首要关注的问题。还有，迄今为止，在工业上生产铝的工艺中，铝土矿(加或不加上述的混合物成 分)可用水来稀释以生产氢氧化铝。铝土矿也可与水蒸汽或超临界水(超过407°C和高压 下)混合，以便产生氢氧化铝。将氢氧化铝加热到大约1200°C到1300°C (例如，利用二次能量)来生产氧化铝2A1 (OH) 3 — A1203+3H20这种氢氧化铝然后经受(熔盐)电解，加或不加冰晶石，如上所述。通过可控制地加入铝土矿和/或氧化铝，可增强或减弱冷却效果。在该实施例中， 除了在第二部分反应的产品之外，还产生了优质的铝。在另一个的优选实施例中，如图19所示，将液态或粉状的铝43添加到在一个反应 区(例如，炉20的反应区)中的二氧化硅22中。该铝的添加如图19的箭头46所示。还 可以在该实施例中在第十二部分反应中通过使用(熔盐)电解来获得铝，该工艺在槽形反 应区40中进行，该槽衬有碳材料44。当大电流施加到阳极和作为阴极的碳材料44时，由该 槽中的氧化铝42 (加或不加冰晶石)形成铝43。铝43沉底和可用吸管从底部抽出，或可通 过下降管45向下取出。液态铝也可从该取出处再引入炉20的反应区，以便从二氧化硅中去除氧。在工艺过程的这个阶段，炉20中最好为氮气氛。类似于已知的铝热反应(例如氧化还原反应，其中铝作为还原剂氧化铁还原成铁)，铝在这里用作还原剂以去除二氧化硅中的氧。该反应(第七部分反应)是强放热的， 并提供巨大的热量。该热量可能依次被耦合到平行进行的生产铝的过程(第十二部分反 应)和/或该热量可用于产生电流(用换热器23)。另外两个可能的实施例由图20和21表示。在这两种情况下使用水平或略微对角 安装的炉。根据本发明的能量材料级联耦合(EMC2)的区别在于，工艺过程进行如在超越热平 衡的耗散结构中，好像在细胞和生物体的活结构中。根据本发明的，有一个向氮燃烧过程的转换，而不是迄今为止使用氧的燃烧过程。根据本发明，生产了所谓硅产品。术语“硅产品”用来表示如下(中间_)产品 氮化硅(如粉状，片状或多孔状)；硅(如片状或粉状)，碳化硅；甲硅烷或更长链的硅烷； 硅化镁，SiCl2;SiCl4;硅与其它元素如铝、钙或镁的化合物(硅酸盐)。迄今为止，在例如 半导体工业中使用的这些硅产品仅以化学上非常纯净的形式生产。例如，纯硅的纯度为 98-99. 5 %，甚至达到 99. 9999999 %。到目前为止，人们尚未认识到这些材料作为能量载体(或供应物)的潜力。如果 这些硅产品能够在电厂或以类似电厂工艺过程的方法进行生产，那么它们能够在相对廉价 的条件下大量地生产。这被上述硅产品的一个特别的优点，即与反应的参与物有关的这些 硅产品可转化为二氧化硅，二氧化硅材料是绝对环保和便于处理的。根据本发明在电厂中 或以类似电厂工艺过程的方法生产的硅产品的纯度最好在50-97%范围内。纯度在75%和 97%之间的硅产品已证明特别有价值。这些硅产品都可以在工厂中以低价和大批量地生 产，同时适合作为能量载体(或供应物)。
权利要求
一种在电厂工艺过程中提供能量的方法，所述方法包括下列步骤 将起始物料加入到反应区中，起始物料包括一种或多种以下组分砂、含二氧化硅的铝土矿、石英、片麻岩、云母、花岗岩、板岩； 提供初始能量供应物以使反应开始，其中加热起始物料和从起始物料得到硅 所得到的贵用于第一部分反应，该反应是放热的，并能释放热量； 上述热量用作二次能量，以便在加热起始物料时取代初始能量供应物和/或供给至少另一部分反应或一系列要求能量的部分反应，反应完成时得到硅产品。
2.根据权利要求1的方法，特征在于，将初始能量供应物加入到起始物料中，或起始物 料已经包含初级能量供应物。
3.根据权利要求1的方法，特征在于使用含有碳氢化合物的初始能量供应物，优选的 是一种或多种下列物质石油、焦油、浙青、煤。
4.根据权利要求1、2或3的方法，特征在于，在第一部分反应中，使硅与氮反应形成氮 化硅并释放一定量的能量。
5.根据权利要求1、2或3的方法，特征在于，在第一部分反应中，使硅与碳反应形成碳 化硅并释放一定量的能量。
6.根据权利要求1、2或3的方法，特征在于，将液态或粉末状的铝加入到起始物料中， 以便从起始物料的二氧化硅中去除氧。
7.根据权利要求1、2或3的方法，特征在于，加入CO2和液态或粉末状的铝，所述铝变 为氧化铝内部并从二氧化碳去除氧。
8.根据前述权利要求中一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，所述部分反应 顺序地或同时进行。
9.根据前述权利要求中一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，上述硅产品的 纯度为50-97%，优选为75%和97%。
10.一种供能装置，所述装置包括-用于接受至少一种起始物料的第一反应区，-用于使用初始能量供应物加热起始物料的装置；-用于接受至少一种第一材料和将第一材料转化为第二材料的第二反应区，所述第二 反应区以这样一种方式与第一反应区热耦合，即上述第一反应区产生的热可供给第二反应 区。
11.根据权利要求10的装置，其特征在于，第一反应区设计为接受一种或多种下列含 有二氧化硅的起始物料-砂、片麻岩、云母、花岗岩、板岩、建筑毛石；以及接受一种或多种以下初始能量供应物石油、焦油、浙青、煤。
12.根据权利要求11的装置，其特征在于，在第一个反应区中设有用于供给氧和/或氮 气的装置。
13.根据权利要求10、11或12的装置，其特征在于，所述装置提供了主动或被动的热耦
14.根据权利要求10、11或12的装置，其特征在于，所述装置设有从含氧气氛转换到含 氮气氛的装置。
15.根据权利要求10、11或12的装置，其特征在于，所述设有冷却装置，以便在通过加 入铝土矿和/或氧化铝进行一个放热的部分反应期间或之后起冷却作用。
16.根据权利要求15的装置，其特征在于，所述冷却装置包括容纳区，最好是槽，它以 这样一种方式设计和布置，即铝土矿和/或氧化铝通过被引入该容纳区可以从第一或第 二反应区吸取热量。
17.根据权利要求15的装置，其特征在于，该冷却装置以这样一种方式设计和布置， 即使铝土矿和/或氧化铝可直接放入第一或第二反应区。
18.根据权利要求10-17中的一项或多项权利要求的装置，其特征在于，该装置包括一 个惰性气体紧急注入系统，以便能够把惰性气体引入到第一或第二反应区中。
19.根据权利要求10-18中的一项或多项权利要求的装置，其特征在于_第一材料是以下的一种或多种材料油砂、油页岩、铝土矿、片麻岩、云母、花岗岩、页 岩；和-第二材料是硅或硅产品。
全文摘要
预测表明，原油的储量随着时间会越来越少，根据本发明，含硅的起始物料被用作原料。
文档编号C01B13/02GK101970346SQ200780051350
公开日2011年2月9日 申请日期2007年12月7日 优先权日2006年12月18日
发明者F·克拉斯 申请人:硅之火股份公司