专利名称：转化温室气体的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及按照权利要求1和6前序部分所述的将温室气体转化成为一种化学或工业上可用物质或者化学或工业上可用的物质混合物的方法和设备。
背景技术：
按照权利要求1和6的前序部分，与本发明有关的现有技术是DE4220865 A1。那里使二氧化碳CO2在混合含有氢原子的物质如氢气H2、水H2O或者硫化氢H2S的条件下在一个反应器中进行无声放电，由此形成燃料甲烷CH4和/或发动机燃料甲醇CH3OH。反应器含有一种催化剂作为反应加速剂，该催化剂含有铜和必要时的一或多种金属Zn、Al、Mn、Cr、Ag、Mo、Ni或V。该催化剂可以承载到电介质、电极、玻璃、石英、矿渣棉、ZrO2、Al2O3、沸石、硅胶或者粒状产物上。
DE 4332790 A1公开了一种由二氧化碳和氢气在热反应器中制备甲醇的方法，反应器下部含有一种铜基催化剂。反应区的温度为220℃至250℃，压力为100kPa至2MPa，其中反应混合物中氢气与二氧化碳的摩尔比为1∶1至1∶10，优选1∶3。反应混合物在反应区的停留时间为0.1秒至10秒，优选1秒。
该方法不够有效，而且用氢气作原料还比较昂贵。
N.Boukhalfa等在Conversion du CO2en CO par decharge couronne dansdes melanges air-CO2，Rev.int Hautes Temper.Refract 26(1990)，39-48页公开了通过在反应混合物中作为空气成分掺入的氮气的作用下加速CO2在电晕放电时转化成CO。其缺点是，电晕放电的装置需要比较大的地方，而且昂贵，因此在大工业上几乎不能采用。
有关的现有技术还可参考B.Eliasson和U.Kogelschatz，Modeling andAppliacation of Sillet Discharge Plasmas，IEEE Transaction on PlasmaScince，Vol.19，No.2，1991年4月，309-323页的公开出版物，其中公开了使用多个先后或上下安装的无声放电反应器经电介质产生臭氧，它可用于本发明中。
发明概述如权利要求1和6定义的本发明所解决的任务是，开发一种开头所述类型的转化温室气体的方法和设备，使得从不需要的温室气体中有效地获得燃料和/或发动机燃料成为可能。
本发明有利的实施方案由从属权利要求定义。
本发明的优点在于，可在大工业上用较低的能耗获得燃料/或发动机燃料。
按照本发明优选的实施方案，可在第一工艺步骤由温室气体获得CO和H2，然后在第二工艺步骤转化成所需的燃料和/或发动机燃料。因此不需要使用氢气作为原料。附图简要说明下面借助于实施例说明本发明。其中
图1表示一个由一个电反应器和一定随后的热反应器组成的混合反应器，图2表示一个合并到一个容器中的混合反应器的蜂窝结构，和图3表示带交流电电极的图2混合反应器的蜂窝结构。
图中，相同的部分使用相同的符号。
优选实施方案的说明如图1所示，将可能通过人们所不希望的温室效应而加热地球大气的至少一种温室气体例如CO2和/或CH4和/或N2O和/或臭氧，通过一个第一气体导管(1)送入一个带有耐压接地的金属容器或金属管(同时作为其外电极)的第一电反应器(4)。
通过第二气体导管(2)向第一反应器(4)送入作为反应加速剂的至少一种第二储能气体或者气体混合物，也即催化剂气体，它在一段松弛时间后将能量传送给至少一种温室气体反应物。作为加速反应的催化剂气体例如可用N2、N2O、空气或者惰性气体，但优选使用N2。
通过第三气体导管(3)向第一反应器(4)送入至少一种含氢气体作为温室气体的共反应剂，所述含氢气体例如为H2、H2S、CH4、空气或者含有氢气的蒸汽H2O或者氟氯化碳或氟氯烃FCKW。
在第一反应器(4)内，有至少一种电介质或介电空心体或者一个气体流入方向封闭的石英管(6)，它带有一个由导电良好、耐腐蚀的金属或者由导电层或金属合金优选由一层薄金制成的内电极(5)。为此，将一种含金流体涂到石英管(6)的内壁上，接着烘烤。该内电极(5)的端部与一个交流电源(7)成电连接，交流电压范围为5kv-50kv，频率范围为50Hz-1MHz，优选的交流电压范围为5kv-25kv，频率范围为1kHz-100kHz。
石英管(6)的圆筒状外表面和第一反应器(4)的钢管的圆筒状内表面之间的距离为0.5mm-3mm，优选约1mm。通过石英管(6)的圆筒状外表面和第一反应器(4)的钢管的圆筒状内表面之间的间隙，气体从左向右流过第一反应器(4)，同时进行所谓的无声放电，也就是弱电流气体放电，它由交流电源(7)经电介质(6)供给，此时气体原子被激发或电离，如开头所述在IEEETransaction on Plasma Science，Vol.19，No.2，1991年4月，309-323页的公开出版物所述。
尤其是气体放电所激发的氮分子可以实现对存在的CO2分子的特别有效的共振能量传递。氮分子的第一激发的振动能级(波长2331cm-1)几乎与CO2分子的非对称纵向振动的第一激发能级(波长2349cm-1)具有相同的能级。由于对于有效的氢化作用来说，CO2分子首先应该进入激发状态，甚至有时还要分解，也可以在该工艺中使用氮气或者类似形成的原子或分子作为反应加速剂。
第一反应器(4)的输出侧经第一个催化剂反应器(8)与一个减压阀(9)相连通，该阀的输出侧经一个气体导管或管线(10)与一个冷凝液分离器或液体容器(11)相连通。第一催化剂反应器(8)含有一种优选由含铜材料例如承载在玻璃或石英棉上的CuO和ZnO组成的第一催化剂(8’)，其温度范围为200-300℃，压力范围为100kPa-10MPa。由第一反应器(4)进入催化剂反应器(8)的激发原子和/或分子和/或游离基即使在较低的温度下也可以激活第一催化剂(8’)。同时将CO2转化成CO，将含氢化合物转化成H2和/或H，第一催化剂(8’)也可以装在第一反应器(4)内，从而不再需要单独的催化剂反应器(8)。在第一反应器(4)中无声放电产生的废热可以用来加热第一催化剂(8’)。
通过在减压阀(9)后使气体减压，在液体容器(11)中由反应产物分离出一种液体(13)，例如甲醇和烃化合物，它们可以用作燃料。由液体容器(11)经气体排出管(12)排出的气体送入第二即热反应器(14)，它含有第二催化剂(15’)，其组成可以与第一催化剂(8’)相应。该热反应器(14)的出口经一个减压阀(16)与一个液体容器(11’)相连通，在这里分离出反应液体(13’)，例如CH3OH。第二催化剂(15’)在200℃-300℃，优选在200℃-240℃的温度下和＜3MPa，优选100kPa-2MPa的压力条件下操作。经气体排出管(12’)经液体容器(11’)中不冷凝的气体放空；也可以将其送入一或多个带有后续减压阀(16)和液体容器(11’)的其它热反应器中(未示出)。可以理解，反应产物和气体可以借助于一个未示出的气相色谱和/或其它分析仪器监测。
由于激发和/或电离的反应物的寿命非常短，有利的是将第一和第二两个反应器(4)和(14)合并在一个带有多个先后或上下安装的反应室(19)的容器内，如图2所示。
其中，交流电源(7)经第一和第二交流电电线(17)和(18)与交流电极(17’)和(18’)连接，电极的不同侧伸入相邻的反应室(19)，参见图3。其中反应器(19)的壁含有催化剂，在第一和第二交流电极(17’)和(18’)之间起介电屏蔽作用。当然，其前提条件是催化剂由绝缘材料组成，许多氧化催化剂都符合该条件。
然而，如果使用导电的催化剂，则第一和第二交流电极(17’)和(18’)必须涂覆介电层。
在图3所示的两种装置中，激发的原子和/或分子在直接邻近催化剂壁处形成，所以可以在低得多的温度下操作，且催化剂具有很高的效率。
至少一种第二储能催化剂气体或气体混合物的体积占参加转化的气体总体积的0.1-5％，优选为0.1-1％。
图1的电反应器(4)可以具有一种蜂窝状结构，如图3所示。图1的热反应器(14)中的第二催化剂反应器(15)可以具有一种蜂窝状结构，如图2所示。
代之于将冷凝液分离器(11’)的废气由气体导管(12’)放空，也可以将其重新送回第一反应器(4)的入口。
符号表1-3气体导管4放电的第一反应器，金属容器，铜管，外电极54的内电极6石英管，4与5之间的介电层，电介质7交流电源，高压电源8第一催化剂反应器8’第一催化剂9，16减压阀10管线，气体导管11，11’液体容器，冷凝液分离器，捕集容器12，12’气体导管13，13’液体，反应产物，反应液体14第二反应器，热反应器15 14中的第二催化剂反应器15’第二催化剂17第一交流电电线17’17的第一交流电极18第二交流电电线18’18的第二交流电极19反应室
权利要求
1.将至少一种温室气体转化成为一种化学或工业上可用物质或者化学或工业上可用的物质混合物的方法，a)其中该至少一种温室气体通过由一个交流电源(7)经一电介质(6)驱动的弱电流放电首先转化成激发能量和/或电离的温室气体反应物，和b)然后使该温室气体反应物转化成至少一种储能的第一燃料或发动机燃料或者成为储能的第一燃料或发动机燃料混合物(13，13’)，其特征在于，c)向至少一种温室气体中加入作为反应加速剂的至少一种氮气或者一种含氮气体作为第二储能催化剂气体或催化剂气体混合物，在一段松弛时间后将能量传送给至少一种温室气体反应物，和d)该至少一种第二储能催化剂气体或催化剂气体混合物在参加转化的气体总体积中的体积分数为0.1-5％。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征是，交流电源(7)的电压为5kv-25kv和频率范围为1kHz-100kHz。
3.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征是，a)温室气体含有CO2和/或b)CH4和/或c)N2O和/或d)臭氧和/或e)氟氯化碳和/或f)氟氯烃。
4.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征是，该至少一种第二储能催化剂气体或催化剂气体混合物在参加转化的气体总体积中的体积分数为0.1-1％。
5.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征是，向该至少一种第二储能催化剂气体或催化剂气体混合物中添加氢气和/或含有氢气的气体。
6.将至少一种温室气体转化成为一种化学或工业上可用物质或者化学或工业上可用的物质混合物的设备，a)有至少一个第一电反应器(4)来激发至少一种温室气体的能量，该气体供给到第一反应器(4)的入口侧，和b)有至少一个捕集容器(11，11’)来收集至少一种反应产物(13，13’)，其特征在于，c)该至少一个第一反应器(4)与至少一个热反应器(14)有效连接。
7.按照权利要求6所述的设备，其特征是，该至少一个热反应器(14)含有一种含铜的第二催化剂(15)。
8.按照权利要求6或7所述的设备，其特征是，a)该至少一个第一反应器(4)含有一种第一催化剂(8’)或者b)在第一反应器(4)和热反应器(14)之间设有一个装有第一催化剂(8’)的催化剂反应器(8)，c)特别是，该第一催化剂(8’)含有铜。
9.按照权利要求6-8中之一所述的设备，其特征是，a)该至少一个热反应器(14)的出口侧经一减压阀(16)与一个用于收集在热反应器(14)中形成的至少一种反应产物(13’)的捕集容器(11’)相连通，b)特别是，至少一个第一反应器(4)的出口侧经一减压阀(9)与一个用于收集在热第一反应器(4)或在一个位于其后的催化剂(8’)中形成的至少一种反应产物(13)的捕集容器(11)相连通。
10.按照权利要求6或7所述的设备，其特征是，a)该第一反应器(4)和热反应器(14)合并在一个混合反应器中，b)该混合反应器具有至少两个反应室(19)，c)在每个反应室(19)中装有至少一个交流电电极(17’，18’)，其中每两个直接相邻的反应室(19)的交流电电极(17’，18’)与交流电源(7)的相反的极相连，d)反应室(19)的壁具有或者含有至少一种催化剂物料，和e)与交流电源(7)相反的极相连的交流电电极(17’，18’)通过一个介电屏蔽相互隔开。
全文摘要
物料有效地由不需要的温室气体获得燃料和/或发动机燃料,使该气体与优选由氮气或笑气组成的催化剂气体和一种含氢气体或蒸汽在一个第一反应器(4)中进行无声放电。其中形成激发或电离的原子和/或分子,它们在一个装有含铜的第一催化剂(8’)的催化剂反应器(8)中转化成H
文档编号B01D53/32GK1181717SQ97190177
公开日1998年5月13日 申请日期1997年2月11日 优先权日1996年2月15日
发明者A·比尔, B·艾利尔松, E·基勒尔, U·科格尔查茨 申请人:Abb研究有限公司