专利名称：由碳氢化合物沉积物发电同时捕获二氧化碳的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及发电和/或从大气中除去二氧化碳。
背景技术：
已指出，二氧化碳(C02)在地球上产生了一条加温的毛毯，抵消全球暗化气体，在我们的气候中形成全面的变暖趋势。众所周知，变暖趋势威胁着地球上的人类生命。碳氢化合物燃烧动力出现后，循环意识变得历史性的重要。无论二氧化碳是否被视作污染物，循环作为原则需要应用到在地球上我们所进行的所有活动中，从而实现可持续的实践活动。循环再利用与可持续性密切相关，也是自然运行之道；例如，一些生命体呼入氧气，排出二氧化碳，而作为相反的平衡，一些生命体则刚好相反。在过去的150年内，世界上在机动车辆、固定式发电装置和移动式发电机内制造了超过了十亿台的产生二氧化碳的动力装置。自从卡诺于1820年代的成果问世以来，这些发动机的指导性原理仍停留在同样的认识领域内。传统的产生二氧化碳的动力装置通常向其周围环境中排出热量、噪音、CO2, Nox, SOx，使燃料与排放不平衡地联系起来，因为化石燃料来自地面，然而尾气排入空气中。产生能量和二氧化碳的基本化学反应如下CnH2n+2 [来自大地]+59. 5N2 [来自大气]+m02 [来自大气]—nC02+ (η+1) H2O+ 热量 +59. 5Ν2 [所有排至大气]2007年年初，美国最高法院大法官Stevens曾说过“温室气体非常符合《清洁空气法案(Clean Air Act)》中对空气污染物的宽泛定义。”美国联邦环保署(EPA) “不怀疑人造气体排放与全球变暖之间存在间或的联系”。Stevens说，马萨诸塞州，12个州起诉人其中之一，提出了以下诉讼全球变暖导致马萨诸塞州沿海岸线的海平面升高，使马萨诸塞州面临“灾难性危害的风险”，如果政府采取马萨诸塞州所寻求的规定，这种风险“在某种程度上可能会减少”。2007年，对于CO2对全球变暖的影响的评估发生了改变；可预见，在美国和其它国家，机动车辆、发电装置以及其它发动机的CO2排放在不久的将来将被管制。研究还表明，仅仅保持大气中温室气体(GHG)浓度的稳定不足以防止全球温度上升。这样的温度上升已在地球的两极开始。
参照以下附图，对非限制性和未穷尽的特征予以说明，其中贯穿各幅附图，相同的附图标记表示相同的部分。图I是根据实施方式将生物质转换为能量并收集二氧化碳的系统的示意图。图2和图3是根据实施方式在发电的同时封存二氧化碳的系统的示意图。图4和图5A是根据替代实施方式在发电的同时封存二氧化碳的系统的示意图。图5B是根据实施方式的图解二氧化碳的行为的焓-压力图。图6是根据实施方式的磁压辅助发电系统的示意图。图7A、7B和7C是根据一个或多个实施方式的由碳氢化合物沉积物发电并同时捕获二氧化碳的系统的示意图。图8是根据实施方式的在过程中消耗二氧化碳生成发电时燃烧所需氧气的系统的示意图。图9是根据实施方式的燃料电池的示意图，该燃料电池包含含有超氧化物的阳极。图10是根据替代实施方式的消耗二氧化碳产生热量以辅助发电的系统的示意图。图11是能够以固态可运输形式储存所捕获的二氧化碳的可拆卸式燃料电池模块的示意图。图12是根据实施方式的可捕获CO2的热-电过程的示意图
发明内容
整个本说明书中，提及“一个实施方式”、“一个实践”、“实施方式”、“实践”指的是连同该实施方式和/或实践所描述的具体特征、结构或者特性可以被包括在所要求保护的主题的至少一个实践和/或实施方式中。因此，本说明书中在各处出现“在一个实施方式中”、“实施方式”、“在一个实践中”或“特征”未必均指的是同一实施方式和/或实践。此外，可以将多个具体特征、结构或特性组合在一个或多个实践和/或实施方式中。传统的由化石燃料发电的手段通常导致CO2排入大气，从而造成之前所说的全球变暖问题。要在根源上解决全球变暖问题，本文举出的实施方式涉及使用不会造成CO2排入大气和/或可将CO2从大气中除去的方法来发电。在一个具体实施方式
中，比如，由包括大量CO2的处理的过程可以生成可用动力。譬如，如将生物质转化为可用能量等的如工业发电等过程中，都可能产生如此大量的co2。在处理来自生物质加工发电的CO2废气的具体情况中，包括生物质发电用植物物质的培育至通过处理所产生的CO2废气来发电在内的连续过程可以被视为在发电的同时从大气中抽取CO2的过程。在另一个实施方式中，通过在一个耐压的容器内对气体进行磁辅助加压，可以产生可用的动力。根据具体实践，如下所示，这样的对气体磁辅助加压可将加压过程与温度分离。例如，这可以有助于以无需排放CO2的方式通过使用处于较低温度的热源(例如，地热资源)进行热传递来发电。在另外一个实施方式中，利用将所产生的CO2捕获在碳氢化合物储层内的工艺，可以由地下碳氢化合物储层内的碳氢化合物沉积物生成可用动力。因此，这种技术可以使得能够开发碳氢化合物储量以生产可用能量并避免CO2排放所造成的有害影响。在另一个实施方式中，可以由热-电过程中燃料燃烧生成可用动力。作为燃烧的副产品而产生的二氧化碳可进一步进行放热反应，从而将额外的热量用于增加在热-电过程中生成的动力。在一个特定实践中，二氧化碳副产物可以以固态形式捕获后进行处理。在这个特定实践中，因此，可避免由燃烧生成的CO2逸出到大气中。一些实施方式涉及下述过程封存CO2，使得CO2保持在可避免CO2排入地球大气从而潜在地造成全球变暖的状态和/或形式。这样的封存状态可包括，例如，将CO2作为液体和/或加压流体保持在容器中或地下，和/或将CO2保持为如盐等化合物这样的固态。然而，这仅仅是CO2可以被封存的状态的实例，要求保护的主题不限于这一方面。在一个特定实施方式中，在CO2被封存之前，可以在能够实现CO2的封存的过程中捕获co2。在一个特定实施方式中，这样的CO2捕获可包括通过如光合作用等生命过程将CO2从地球大气中除去；在加工燃料用生物质和加工碳类燃料燃烧副产物时除去CO2,以避免CO2气体排入大气。然而，这些实例仅仅是按照特定实施方式可以如何捕获CO2的实例，要求保护的主题不限于这一方面。通过在贫化碳氢化合物储层内处理二氧化碳来产生动力根据实施方式，尽管要求保护的主题不限于这一方面，可以将基本上包含加压的CO2(例如液体CO2)注入与贫化碳氢化合物储层相连的井眼内。响应于钻井眼内的地热，该流体可膨胀为加压气体，这可反过来用于生成电流。然而，这仅仅是示例实施方式，要求保护的主题不限于这一方面。在目前所述的实施方式中，包含基本上液态的CO2的流体可由若干体相过程中的任一种提供，例如，处理生物质发电，由煤发电产生的工业废弃物CO2的收集，这仅仅列出几个实例。这样的基本上液态的CO2可在加压至大约73. Oatm且温度低于304. 2K的容器中例如以与少量成分H2O, NO2和/或SOx的混合物形式存储和/或传输，CO2液体混合物的温度可大于304. 2K。图I是根据实施方式将生物质转化为动力并收集二氧化碳的系统的示意图。此处，传输至生物质处理装置的生物质I可包含源于近期种植的植物的单糖和/或碳水化合物和/或木质素，这些植物以植物生命体的形式通过生命植物生长过程将大气中CO2固定。如图所示，该过程产生的副产物可包括C028、水、痕量的N02、SO2和S03。在这里，使用生命过程物质，如植物生命体或动物排泄物，使得能够通过一个动力为正的过程将CO2从大气中除去。在压缩和冷却过程之后，液态废弃物CO2以及痕量的其它化合物可从加工装置4运输出去，进行处理。在一个特定实施方式中，可以以如图2 图5B所示的也产生动力的方式捕获基本上液态的废弃物CO2并予以处理。应当理解的是，不过此处所说明的在发电的同时处理CO2的过程也可应用于其它过程产生的CO2的处理，要求保护的主题不限于这一方面。图2和图3中的系统100包含多个井眼102，井眼102可能已被钻开以提取碳水化合物沉积物，例如，原油和/或天然气。在各井眼102中形成和/或放置有热传递面，如井下热交换器(DHE) 104，其能够使地热Q·在CO2流体被向下引导通过相连的管道103时对CO2流体进行加热。随着CO2流体被热量QeE°加热，压缩流体继续经过相连的管道106，从而、驱动相连的燃气轮机108进行发电。在加压罐101内以基本上液态形式开始，包含加压CO2 (例如，也包含痕量化合物)的流体，被排放到第一个井眼102中，压力为P+，环境温度为T'随着流体在DHE 104处接受热量Qge°，并继续经过管道106，流体温度上升至T+。在经过位于地面109上方的涡轮108后，流体压力和温度分别降至Ps-和Ts_。在最后一个井眼处(未示出)，CO2可被沉积在贫化且耐压的碳氢化合物储层内，从而保持在大气之外。随着CO2填充贫化且耐压的储层，该碳氢化合物储层内压力可能上升。在封存过程中由于压力上升，可减少可用燃气轮机的数量。如图3所示，可使用旁通阀105，通过旁路107将连续的燃气轮机从工艺流程中除去。在图4和图5A所示的替代实践中，一系列的燃气轮机212可以被置于地下，在一个井眼202内。加压CO2由加压罐201导出，压力值为P+，穿过一系列DHE 208，接收地热Qgeo,温度上升至T+。在各个燃气轮机212的入口处，现时温度为T+的流体流经燃气轮机212，从而发电，并冷却CO2流体，使之温度降至Τδ_。因此，正如当前所述实施方式所示，每个燃气轮机212配备有连续DHE 208，从而在相继的气体膨胀前捕获地热。在最后的燃气轮机212之后，可以将CO2通过无孔岩石210导入耐压的空腔206中，以永久存储。此处，耐压的空腔206可包括能够承受盛装加压流体的贫化的碳氢化合物储层(例如，原油和/或天然气沉积物贫化的)。如图5Α所示，用于燃气轮机212生成的电流的电缆207可将电传输至井眼202的顶部。随着CO2被加入到耐压的地下空腔206中，空腔206内的压力可以随着填充而上升。燃气轮机212可以使用相连的旁路管214而逐个被旁通，从而使最后一个燃气轮机(例如，最紧靠腔206的)的出口压力与空腔206的压力匹配。如上所述，根据特定实施方式，加压CO2在通过由地热源增加焓时，可作为地热燃气轮机的工作流体。由于CO2在低于室温时可凝固，所以低温井就可以提供有效的地热源。例如，在低于室温的条件下，CO2气体就可以膨胀而温度下降，但仍为气态，这可从室温源中吸收热量。熟井的井眼通常高于室温，常常大于140°c。通过等温涡轮或配有间歇交替热交换器的涡轮所获得的理想动力可以通过一个无穷系列的燃气轮机热交换器组合来近似。在一个步骤内，在加压CO2源部分膨胀后，在井的地热与膨胀的CO2之间发生热交换。钻开的井眼的较长的长度可使有足够的区域进行地热交换。 使用接触材料可促进地热源和间歇热交换器之间的热交换,这类接触材料有例如液态金属、伍德合金、和/或含有铋、铅、锡及铟的组合的金属，或者其它能够将井眼地热传导至间歇热交换器的壁上的适当的热交换材料。接近最大动力的多变涡轮和热交换器的η阶段的数量可以从总和为无穷的膨胀和热交换的无穷小阶段出发来导出。由在不同类型膨 胀期间的压力和体积之间的幂定律关系开始，取得动力的阶数可以确定如下
p+F+a = p—Va = pVa =常数α = I对于等温过程dU = dQ-dff令系统作功为W+,对系统作功为W-。热量dQ未立即设定为O,由于这是一般情况，并且热量可进入或离开系统。以密度P装入时的压力和体积可按理想气体定律来关联。
权利要求
1.一种方法，所述方法包括 从地上将一个或多个燃料电池插入到天然地下碳氢化合物储层中； 将所述燃料电池的阳极置于与所述碳氢化合物储层中的碳氢化合物沉积物接触，从而产生电流发电并放出二氧化碳；和 将至少一部分的所述放出的二氧化碳捕获在所述碳氢化合物储层中。
2.如权利要求I所述的方法，其中，所述碳氢化合物储层基本上保持在自然压力。
3.如权利要求I所述的方法，所述方法还包括在原位将至少一部分的所述碳氢化合物沉积物基本上脱硫。
4.如权利要求I所述的方法，所述方法还包括在原位降低至少一部分的所述碳氢化合 物沉积物的平均分子量，以降低碳氢化合物粘度。
5.如权利要求I所述的方法，其中，所述碳氢化合物沉积物包括天然气。
6.如权利要求I所述的方法，其中，所述碳氢化合物沉积物包括煤层气。
7.如权利要求I所述的方法，其中，所述碳氢化合物沉积物包括原油。
8.如权利要求I所述的方法，其中，所述碳氢化合物沉积物包括低硫原油。
9.如权利要求I所述的方法，其中，所述碳氢化合物储层沉积在海底下。
10.如权利要求I所述的方法，其中，所述捕获还包括将所述CO2以液状储存在所述碳氢化合物储层。
11.如权利要求I所述的方法，其中，所述捕获还包括将所述CO2以与水和未回收的碳氢化合物的液态混合物形式储存在所述碳氢化合物储层。
12.如权利要求I所述的方法，其中，所述捕获还包括将所述CO2以与水和未回收的碳氢化合物的非理想气体混合物形式作为加压气体储存在所述碳氢化合物储层。
13.如权利要求I所述的方法，其中，所述捕获还包括将所述CO2以与水和未回收的碳氢化合物的非理想混合物形式作为超临界流体储存在所述油气层。
14.如权利要求I所述的方法，其中，所述一个或多个燃料电池中至少一个为固态氧化物燃料电池(SOFC)。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述SOFC形成为细长的耐压管状。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述SOFC中的至少一个适用于在比所述地下碳氢化合物储层空腔的压力低的压力下在阴极接收空气。
17.如权利要求I所述的方法，所述方法还包括利用由所述燃料电池产生的热量来降低所述碳氢化合物沉积物的粘度。
18.如权利要求I所述的方法，其中，所述燃料电池中的至少一个的阴极适用于接收来自地上的空气并将富氮空气返至大气。
19.如权利要求I所述的方法，其中，所述燃料电池中的至少一个的阴极适用于在无阴极排气的情况下接收基本上纯的氧气。
20.如权利要求14所述的方法，其中，所述SOFC中的至少一个的阴极从盛装氧气且在海下碳氢化合物储层附近使用的加压容器中接收基本上纯的氧气。
21.如权利要求I所述的方法，所述方法还包括将所述电流传输到地面上。
22.如权利要求21所述的方法，所述方法还包括利用所述电流在插入所述燃料电池的附近产生氢气。
23.如权利要求21所述的方法，所述方法还包括利用所述电流来电解海水从而生成分离的氢气和氧气。
24.如权利要求21所述的方法，所述方法还包括利用所述生成的分离氢气作为燃料，并将所述氧气返回至所述燃料电池中的至少一个的阴极。
25.如权利要求I所述的方法，其中，所述一个或多个燃料电池包括一个或多个熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述MCFC中的至少一个在阴极接收来自碳捕获生物质发电装置的二氧化碳。
27.如权利要求26所述的方法，所述方法还包括将来自所述碳捕获生物质发电装置的所述二氧化碳的至少一部分封存于所述地下碳氢化合物储层，以便降低地球大气二氧化碳浓度。
28.如权利要求I所述的方法，所述方法还包括将原位酶促、催化和/或细菌药剂施加至所述碳氢化合物储层中的所述碳氢化合物沉积物。
29.如权利要求I所述的方法，所述方法还包括将所述电流传输至公用电网。
30.一种方法，所述方法包括 燃烧碳水化合物燃料，以生成热量和CO2 ;和 利用所述CO2来使得能够进行生成基本上纯的O2的反应， 其中，所述燃烧包括将所述碳水化合物燃料与所述基本上纯的氧气混合，所述基本上纯的氧气的生成量基本上等于所述燃烧所述碳水化合物燃料消耗的氧气量。
31.如权利要求30所述的方法，所述方法还包括响应于所述热量来驱动涡轮发电。
32.如权利要求30所述的方法，所述方法还包括从所述反应产生额外电流。
33.如权利要求30所述的方法，其中，所述碳水化合物包含单糖。
34.如权利要求30所述的方法，其中，所述生成氧气的反应包括将2K02+K202与所述CO2混合。
35.如权利要求30所述的方法，所述方法还包括利用来自所述反应的热量来产生额外的过程电能。
36.如权利要求30所述的方法，其中，所述利用来自所述反应的所述热量包括，利用所述热量来帮助在水/蒸汽涡轮能量循环中产生蒸汽。
37.如权利要求30所述的方法，其中，该过程仅有的排放物基本上为湿气。
38.如权利要求33所述的方法，所述方法还包括在所述燃烧之前，利用热蒸汽将固态单糖转化为CO和H2。
39.如权利要求35所述的方法，其中，生成基本上纯的O2的反应的热量和所述燃烧的热量基本上都传给了发电系统中所含的加压水。
40.如权利要求30所述的方法，其中，所述产生电流包括，在移动式发电装置产生所述电流。
41.一种发电系统,所述发电系统包含 用于存储碳水化合物燃料的储罐； 适用于燃烧所述燃料以产生热量和CO2的燃烧工段；和 响应于与所述CO2的反应而生成基本上纯的氧气的反应器，其中，所述燃烧工段适用于将所述碳水化合物燃料与所述基本上纯的氧气混合，响应于所述反应而生成的所述基本上纯的氧气的量基本上等于在所述燃烧工段燃烧所述碳水化合物燃料消耗的氧气量。
42.如权利要求30所述的方法，其中，所述燃烧还包括在较高压力下燃烧所述碳水化合物燃料，以生成热量和加压的CO2蒸汽。
43.如权利要求30所述的方法，所述方法还包括以固态形式捕获所述C02。
全文摘要
本发明公开的主题涉及不以有害方式产生二氧化碳和/或除去和/或捕获另外可能排放到大气中的二氧化碳的发电系统和方法。
文档编号F01K25/00GK102637886SQ20121011172
公开日2012年8月15日 申请日期2007年12月14日 优先权日2006年12月16日
发明者克里斯多佛·J·帕皮雷 申请人:克里斯多佛·J·帕皮雷