專利名稱：用于生產(chǎn)合成烴化合物的系統(tǒng)、方法及組合物的制作方法
用于生產(chǎn)合成烴化合物的系統(tǒng)、方法及組合物
本申請為分案申請，其母案申請的申請日為2006年3月6日，申請?zhí)枮?200680012464. 8，發(fā)明名稱為“用于生產(chǎn)合成烴化合物的系統(tǒng)、方法及組合物”。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明大體上涉及烴化合物生產(chǎn)領(lǐng)域，并且更具體地，涉及生產(chǎn)烴化合物燃料的能量有效方法及系統(tǒng)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及將電能轉(zhuǎn)化成烴化合物燃料的設(shè)備和方法，所述烴化合物燃料尤其例如汽油、煤油、噴氣燃料和柴油，并且所述烴化合物燃料通過再循環(huán)燃燒產(chǎn)物-二氧化碳和水進(jìn)行生產(chǎn)。
背景技術(shù)：
雖然關(guān)于開發(fā)合成烴燃料的構(gòu)想已經(jīng)討論了至少30年，但是由于化石燃料的可得性、易于生產(chǎn)、運(yùn)輸和處理使得不需要生產(chǎn)烴燃料。然而，由于許多因素使得全世界的化石燃料市場正在發(fā)生變化，這些因素包括世界能源需求的穩(wěn)步增長、石油生產(chǎn)區(qū)域生產(chǎn)密集度的增加以及石油依賴國對(duì)于能量供應(yīng)重要性的強(qiáng)調(diào)增加。
使用化石燃料存在下述幾個(gè)不利之處。首先，可利用的化石燃料量有限，其一經(jīng)使用就不能再生。此外，由化石燃料制成的烴燃料可含有大量不希望的硫、氮和芳香化合物。 當(dāng)這些燃料燃燒時(shí)，硫、氮和顆粒物釋放入空氣中，其導(dǎo)致酸雨和煙霧的形成。最近，關(guān)注的焦點(diǎn)在于由化石燃料燃燒的二氧化碳排放為全球變暖的成因。
存在幾種用于直接氫化諸如一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w以生產(chǎn)烴燃料的成熟方法。 最成功的一種方法由Franz Fischer和Hans Tropsch于1920年在德國開發(fā)的。
1938年，早期的德國工廠使用費(fèi)-托法每年生產(chǎn)約5百萬桶的柴油和汽油，該費(fèi)-托法使一氧化碳與氫經(jīng)催化劑反應(yīng)而產(chǎn)生液態(tài)烴和水。這種方法和其它方法的問題在于它們使用了諸如煤或天然氣的化石燃料來生產(chǎn)一氧化碳。此類化石燃料作為最初原料的使用伴有多種與化石燃料生產(chǎn)相同的不足之處，例如有限的供應(yīng)和排放。
因此，可以看到長期需要一種將燃燒產(chǎn)物再循環(huán)成烴化合物燃料的生產(chǎn)系統(tǒng)。本發(fā)明主要涉及用于制備烴化合物的重在節(jié)能的這樣一種系統(tǒng)及其方法。
DE20320020U1公開了用于生產(chǎn)柴油燃料和水泥的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于發(fā)電的核電站、利用電來電解水的裝置、水泥裝置(其產(chǎn)生二氧化碳)、逆向水煤氣平衡反應(yīng)器(其由二氧化碳和氧產(chǎn)生一氧化碳和水)和費(fèi)-托反應(yīng)器(其由一氧化碳和氫產(chǎn)生柴油燃料)。 其中沒有教導(dǎo)如何改變進(jìn)入各反應(yīng)器的氣體的溫度和壓力以及如何在反應(yīng)器出口分離反應(yīng)物。其中沒有教導(dǎo)如何組合核電廠、電解器裝置、逆向水煤氣平衡反應(yīng)器和費(fèi)-托反應(yīng)器以應(yīng)用在一個(gè)裝置、反應(yīng)器或過程步驟中產(chǎn)生或需要的有待在另一個(gè)裝置、反應(yīng)器或過程步驟中供應(yīng)或輸送的熱能，其中唯一的例外是利用在費(fèi)-托合成中產(chǎn)生的低沸點(diǎn)的烴生產(chǎn)水泥。
DE19522083A1作為例證公開了由石頭和海水生產(chǎn)烴燃料。電能和熱能源為可再生能(風(fēng)能、水能和太陽能)。碳源為磁鐵礦，其在受熱達(dá)40 0°C以上時(shí)分離出二氧化碳。氫由海水通過電解產(chǎn)生。二氧化碳和氫被壓縮到85bar和在高于250°C的溫度下轉(zhuǎn)化成烴燃料。
US6306917B1公開了用于由重質(zhì)原料產(chǎn)生電、液態(tài)烴和二氧化碳的裝置和方法，即利用部分氧化反應(yīng)器產(chǎn)生合成氣、利用費(fèi)-托反應(yīng)器將所述合成氣轉(zhuǎn)化成烴產(chǎn)品和含有氫和二氧化碳的尾氣、以及利用組合循環(huán)裝置通過從反應(yīng)器及可燃燒尾氣回收熱量由蒸汽發(fā)電。更具體地，向氣化器供給原料、氧和水以及如果存在的天然氣。氣化器的出口經(jīng)管線與酸性氣體脫除單元相連，而所述酸性氣體脫除單元經(jīng)管線與費(fèi)-托反應(yīng)器相連。費(fèi)-托反應(yīng)器的出口經(jīng)管線與烴回收單元相連，該烴回收單元分離烴產(chǎn)品與費(fèi)-托尾氣。在費(fèi)-托反應(yīng)器內(nèi)在氣化器的出口和在費(fèi)-托反應(yīng)器的出口提供換熱器。在這些換熱器中產(chǎn)生的蒸汽供給用于發(fā)電的組合循環(huán)裝置，該組合循環(huán)裝置也進(jìn)料來自氣化器和烴回收單元的氣體，其中進(jìn)料至組合循環(huán)裝置的氣體的量取決于整個(gè)系統(tǒng)的控制參數(shù)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于高效生產(chǎn)烴化合物的方法和系統(tǒng)。
實(shí)現(xiàn)該目的的所述方法的一種方案通過權(quán)利要求1的方法實(shí)現(xiàn)。
實(shí)現(xiàn)該目的的所述系統(tǒng)的一種方案通過權(quán)利要求13的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
所附的從屬權(quán)利要求涉及各獨(dú)立權(quán)利要求的主題的有利的進(jìn)一步進(jìn)展。
本發(fā)明包括用于生產(chǎn)合成烴化合物、特別是可以作為燃料使用的烴化合物的系統(tǒng)、方法及組合物。通常，將碳氧化物、一氧化碳或二氧化碳轉(zhuǎn)化成一種或多種含有碳和氫的烴化合物，所述烴化合物包括但不限于柴油、汽油、噴氣燃料、液化石油氣或存在于天然氣中的化合物。一種特定的方法包括下述步驟使用電形成氫氣流，并且在來自所述氫氣流的至少一部分氫存在下，將存在于一氧化碳流中的至少一部分一氧化碳轉(zhuǎn)化成烴化合物。
在有二氧化碳輸入的系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，將二氧化碳轉(zhuǎn)化成高熱值的輸出烴化合物燃燒能量所需的電能輸入量在1. 4和1.1之間的范圍。在有一氧化碳輸入(由此消除對(duì)于二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳的需求)的系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)化一氧化碳所需的外部電能是在烴化合物的高熱值的O. 64和O. 84之間。換言之，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，使用二氧化碳作為輸入，將需要比所產(chǎn)生的烴化合物燃燒的高熱值更多的電能。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，使用一氧化碳作為輸入，將需要比所產(chǎn)生的烴化合物燃燒的高熱值更少的電能。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，在可獲得足夠的電能、一氧化碳和/或二氧化碳的情況下， 有可能在一個(gè)裝置內(nèi)每天生產(chǎn)五十萬加侖的燃料或者甚至更多。
本發(fā)明的一方面包括系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法包括電解器和費(fèi)-托反應(yīng)器， 并且在某些實(shí)施方式中，還包括用于生產(chǎn)烴化合物的逆向水煤氣變 換反應(yīng)器。本發(fā)明包括用于生產(chǎn)烴化合物的方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)包括下述步驟在至少一部分氫氣流存在下，將包括但不限于一氧化碳的碳氧化物中的一種的至少一部分經(jīng)費(fèi)-托法轉(zhuǎn)化成烴化合物；和將來自費(fèi)-托法的至少一部分過量熱量轉(zhuǎn)移至所述方法或系統(tǒng)中的其它過程步驟中的一個(gè)、轉(zhuǎn)移至需要能量的方法或系統(tǒng)的一部分、或者轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)中的其它的單元中的一個(gè)，例如轉(zhuǎn)移至電解器或逆向水煤氣變換反應(yīng)器。
在本發(fā)明中，有多處均需要由氣體混合物中分離出某些氣體，或者例如，必須改變氣體參數(shù)如溫度和壓力，以使這其中之一或兩者與上游或下游過程相兼容。在本發(fā)明中，這些針對(duì)氣體的分離或改變耗費(fèi)了大量的能量。本發(fā)明的新穎方面在于在本發(fā)明中可以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移使其滿足氣體分離和改變的能量需求。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢在于其能量有效的氣體處理。通常具有兩種用于氣體處理的能量有效的熱力學(xué)方法。第一種是當(dāng)所有外功轉(zhuǎn)化為氣體能量或者由氣體能量轉(zhuǎn)化時(shí)的絕熱方法。第二種是當(dāng)所有外功轉(zhuǎn)化為熱量或由熱量得到時(shí)的等溫方法。通過電分配管線再循環(huán)外功以及通過幾條熱量分配管線再循環(huán)熱量來充分降低氣體處理中的能量損耗。還可以通過使用熱量分配管線中工作流體的相變來接受或傳遞熱能從而有助于這一點(diǎn)。
具體地
本發(fā)明提供一種用于生產(chǎn)烴化合物的方法，其包括下述步驟
a)使用電能在電解器中由水產(chǎn)生氫氣；
b)將至少一部分所產(chǎn)生的氫氣和從任何來源外部提供的二氧化碳供應(yīng)至逆向水煤氣變換反應(yīng)器，以產(chǎn)生作為一氧化碳和氫與一些殘留二氧化碳的混合物的合成氣和作為副產(chǎn)物的水；和
c)將排出的合成氣由逆向水煤氣變換反應(yīng)器供料到費(fèi)-托反應(yīng)器，以產(chǎn)生烴化合物與水副產(chǎn)物的混合物；
特征在于
bl)所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的具有中間蒸汽分離的反應(yīng)器；和
將來自費(fèi)-托法的至少一部分過量熱能轉(zhuǎn)移至所述方法中需要能量的其它過程步驟中的一個(gè)。
按照本發(fā)明的方法，其還包括從至少一個(gè)逆向水煤氣變換反應(yīng)器的流出物流中分離至少一部分二氧化碳?xì)怏w，并將其返回至至少一個(gè)逆向水煤氣變換反應(yīng)器的入口。
按照本發(fā)明的方法，其中所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器的操作溫度在350-500°C之間。
按照本發(fā)明的方法，其中所述費(fèi)-托反應(yīng)器包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的具有至少中間蒸汽分離的費(fèi)-托反應(yīng)器。
按照本發(fā)明的方法，其中各費(fèi)-托反應(yīng)器在不同的溫度下進(jìn)行操作。
按照本發(fā)明的方法，其還包括在燃燒器發(fā)電機(jī)中燃燒一種或多種所述烴化合物以產(chǎn)生至少一部分所述電能的過程。
按照本發(fā)明的方法，其中使用熱泵將來自費(fèi)-托法的至少一部分過量熱能轉(zhuǎn)移至所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器。
按照本發(fā)明的方法，其還包括“絕熱地”改變所述方法中氣體的溫度，其結(jié)合理想絕熱過程的±10%范圍；和/或“等溫地”改變所述方法中氣體的壓力，其結(jié)合理想等溫過程溫度的±10%范圍。
按照本發(fā)明的方法，其還包括熱量分配過程，其中提供了連接兩個(gè)或多個(gè)所述過程步驟的熱量分配管線，用于接收來自所述過程步驟的熱量或者用于將熱量供應(yīng)至所述過程步驟以減少對(duì)外部供應(yīng)的此類熱量或熱能的余量的需求。
按照本發(fā)明的方法， 其中至少一些熱量分配管線穿過一個(gè)或多個(gè)所述過程步驟中使用的換熱器以進(jìn)行熱量或熱能的交換，其中熱量分配管線中傳遞熱量或熱能的工作流體在所述換熱器上游為氣態(tài)和在所述換熱器下游為液態(tài)。
本發(fā)明還提供一種用于生產(chǎn)烴化合物的系統(tǒng)，其包括下述單元
使用電能由水產(chǎn)生氫氣的電解器；
逆向水煤氣變換反應(yīng)器，向其中供應(yīng)至少一部分所產(chǎn)生的氫氣和從任何來源外部提供的二氧化碳，以產(chǎn)生作為一氧化碳和氫與一些殘留二氧化碳的混合物的合成氣和作為副產(chǎn)物的水；和
費(fèi)-托反應(yīng)器，向其中供料由逆向水煤氣變換反應(yīng)器排出的合成氣，以產(chǎn)生烴化合物與水副產(chǎn)物的混合物；
特征在于
所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的具有中間蒸汽分離的反應(yīng)器；和
將來自費(fèi)-托法的至少一部分過量熱能轉(zhuǎn)移至所述系統(tǒng)中需要能量的其它單元中的一個(gè)的管線。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其還包括用于從至少一個(gè)逆向水煤氣變換反應(yīng)器流出物流中分離至少一部分二氧化碳?xì)怏w并將其返回至至少一個(gè)反應(yīng)器入口的單元。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其中所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器的操作溫度在350-500°C之間。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其中所述費(fèi)-托反應(yīng)器包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的具有至少中間蒸汽分離的費(fèi)-托反應(yīng)器。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其中各費(fèi)-托反應(yīng)器在不同的溫度下進(jìn)行操作。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其還包括用于燃燒一種或多種所述烴化合物以產(chǎn)生至少一部分所述電能的燃燒器發(fā)電機(jī)。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其還包括用于將來自費(fèi)-托法的至少一部分過量熱能轉(zhuǎn)移至所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器的熱泵。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其還包括一個(gè)或多個(gè)用于“絕熱地”改變氣體溫度的單元，其結(jié)合理想絕熱過程的±10%范圍；和/或一個(gè)或多個(gè)用于“等溫地”改變氣體壓力的單元， 其結(jié)合理想等溫過程溫度的±10%范圍。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其還包括連接兩個(gè)或多個(gè)所述過程單元的熱量分配管線，所述熱量分配管線用于接收來自所述過程單元的熱量或者用于將熱量供應(yīng)至所述過程單元以減少對(duì)于外部供應(yīng)的此類熱量或熱能的余量的需求。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其中電力供應(yīng)至所述電解器，所述電力供應(yīng)包括與具有三相以上的多相電力供應(yīng)相連的整流器。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其中所述整流器由相位移變壓器供電。
按照本發(fā)明的系統(tǒng)，其還包括產(chǎn)生電能的原子核發(fā)電裝置。本發(fā)明包括系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法提供生產(chǎn)多種烴化合物如用于不同燃料的化合物以及在生產(chǎn)一種或多種具體類型的烴燃料過程中的控制程度的能力，這在當(dāng)前可用于制備合成燃料的方法中還未發(fā)現(xiàn)。當(dāng)結(jié)`合附圖閱讀下述說明書，本發(fā)明這些和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。


圖1-4描述根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式的本發(fā)明的整體高級(jí)系統(tǒng)。
圖5-6描述結(jié)合圖1-4系統(tǒng)的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
圖7給出本發(fā)明能量分配管線的不同配置。
圖8給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的RWGS反應(yīng)器亞組件的操作原理。
圖9描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的具有二氧化碳再循環(huán)的三級(jí)RWGS反應(yīng)器。
圖10給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的具有加熱器的RWGS反應(yīng)器。
圖11給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的FT反應(yīng)器亞組件的操作原理。
圖12給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的二級(jí)FT反應(yīng)器。
圖13描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的具有水冷器的FT反應(yīng)器。
圖14給出根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的本發(fā)明電解器池的氫單元的一部分。
圖15描述根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的向本發(fā)明電解器供應(yīng)電力的實(shí)施例。
圖16描述相位移變壓器的不同繞組布置。
圖17是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的電解器的電壓圖。
圖18給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的燃料后處理器系統(tǒng)。
圖19描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的燃燒系統(tǒng)。
圖20描述能量有效的電-機(jī)械氣體分離方法的流程圖。
圖21給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的絕熱機(jī)。
圖22給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的等溫氣體混合物壓力變換器。
圖23描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的組合式冷凝器和蒸發(fā)器。
圖24描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的電能分配和再循環(huán)管線。
圖25-26描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的熱量分配和再循環(huán)管線。
圖27給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的用于FT反應(yīng)器的冷卻回路。
圖28給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的電解器的蒸汽/水進(jìn)料。
圖29給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的RWGS亞組件的主要回路控制。
圖30給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的FT亞組件的主要回路控制。
圖31給出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的RWGS亞組件的氫氣供應(yīng)控制。
圖32給出根據(jù)本 發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的FT亞組件的氫氣供應(yīng)控制。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明包括用于制備烴化合物的系統(tǒng)、方法和組合物。烴燃料比如煤、天然氣、液化石油氣、乙醇、甲醇、汽油、煤油、柴油及其它已知燃料的完全燃燒主要產(chǎn)生兩種基本的物質(zhì)一二氧化碳和水。當(dāng)燃燒此類燃料時(shí)，主要的反應(yīng)如下
CnH2n+2+ (η+ (2η+2) /2) *02 —燃燒的能量(高熱值)+
n*C02+ (2n+2) /2*H20 (水)(I)
例如，對(duì)于平均值n=10，產(chǎn)生的水比產(chǎn)生的二氧化碳多10%摩爾。在使用的氧的總摩爾數(shù)等于1. 55摩爾，其為用于碳的氧化的I摩爾和用于氫的氧化的O. 5摩爾外加10%的和。如此處所用，“高熱值”(HHV)是指當(dāng)所有的燃燒產(chǎn)物在冷卻至燃燒之前的溫度并且在燃燒過程中形成的水蒸汽冷凝時(shí)單位量燃料完全燃燒所產(chǎn)生的熱量。
在此處描述的本發(fā)明中，燃燒的產(chǎn)物一碳氧化物和氫重新結(jié)合成烴化合物，所述烴化合物的例子如運(yùn)輸用燃料，包括但不限于柴油和汽油。還有可能將碳氧化物和氫重新結(jié)合成其它的化合物和組合物，比如天然氣或液化石油氣。如此處所用，烴化合物包括可以作為能源如燃料使用的烴化合物。
可以使用費(fèi)-托法生產(chǎn)烴化合物。在這種方法和系統(tǒng)的這一部分中，一氧化碳 (CO)和氫理想地如下反應(yīng)
C0+2H2 — (-CH2-) +H2O (2)
其中(-CH2-)是用于聚合成較長碳鏈的構(gòu)成單元。這種聚合作用的主要產(chǎn)物是直鏈烷烴CnH2n，在末端加上兩個(gè)氫原子得到任何鏈。在該反應(yīng)中，I個(gè)氫分子用于形成烴，在末端加上約10%的氫獲得完整的鏈，以及另一個(gè)氫分子用于將一氧化碳還原成碳。
有多種由二氧化碳生產(chǎn)一氧化碳的方法。其中一種方法是稱為逆向水煤氣變換反應(yīng)(RWGS)的化學(xué)方法。該反應(yīng)如下
CO2+ ft# CO+ H2O(3)
在該反應(yīng)中，需要?dú)浞肿觼硎苟趸歼€原成一氧化碳。
對(duì)于此處給出的反應(yīng)，使用每I摩爾二氧化碳1. 1+1+1=3.1摩爾氫的比以便產(chǎn)生烴化合物。如果將水作為氫源，則可如下進(jìn)行計(jì)算
外部供應(yīng)的水1. 1*H20+
來自RWGS反應(yīng)的水H2O+(4)
來自費(fèi)托反應(yīng)的水H2O+
用于水電解的電能=3· 1*Η2+3· 1/2*02
在理想的狀態(tài)下，釋放的氧氣量與燃燒所消耗的氧氣量相同，從而完成了再循環(huán)過程。在此處教導(dǎo)的方法和系統(tǒng)中，所使用的全部或部分水也可以為外部來源。可以使用多種方法來由水產(chǎn)生氫，例如，可以使用水電解來產(chǎn)生氫，可以使用光合作用來產(chǎn)生氫，也可以對(duì)水進(jìn)行加熱來產(chǎn)生氫。在優(yōu)選的實(shí)施方式中選擇水電解，而其它產(chǎn)生氫的方法也為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知并且為本發(fā)明所考慮。
本發(fā)明的一方面包括系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法優(yōu)選包括電解器、逆向水煤氣變換反應(yīng)器以及費(fèi)-托反應(yīng)器用于產(chǎn)生烴化合物。本發(fā)明包括用 于產(chǎn)生烴化合物的方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)包括下述步驟在至少一部分氫氣流存在下，將碳氧化物(包括但不限于一氧化碳)中的一種的至少一部分經(jīng)費(fèi)-托法轉(zhuǎn)化成一種或多種烴化合物，并且將來自費(fèi)-托法的至少一部分過量熱能轉(zhuǎn)移至所述方法中需要能量的其它過程步驟中的一個(gè)， 或者轉(zhuǎn)移至所述系統(tǒng)中的其它單元中的一個(gè)，例如電解器或逆向水煤氣變換反應(yīng)器。
可以使用電解器將水分離成氫氣流和氧氣流。
該方法可進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)化碳氧化物，所說的碳氧化物包括二氧化碳。這一轉(zhuǎn)化一種或多種碳氧化物的步驟可以包括在逆向水煤氣變換(RWGS)過程中轉(zhuǎn)化二氧化碳。CO2的轉(zhuǎn)化在氫存在下進(jìn)行，并且氫可由來自電解器的氫氣流的至少一部分氫提供?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何方法來實(shí)現(xiàn)二氧化碳到一氧化碳的轉(zhuǎn)化，并且這樣的方法為本發(fā)明所考慮。
可以從任何的來源提供用于本發(fā)明的一氧化碳流，例如，所述來源可以是來自獨(dú)立于本發(fā)明并在本發(fā)明之外的來源的一氧化碳流。一氧化碳的第二種來源是將二氧化碳轉(zhuǎn)化成尤其是一氧化碳的任選反應(yīng)過程的排出物流的一部分。用于該過程的二氧化碳流可以來自例如本發(fā)明之外來源的二氧化碳廢氣。
費(fèi)-托法的排出物可以經(jīng)受提質(zhì)處理，從而將烴系列提質(zhì)處理成期望的烴組合物， 比如各種液態(tài)燃料。如此處所用，“提質(zhì)處理(upgrading) ”、“后處理(post-processing) ”和 “精制(refining) ”或“提質(zhì)處理(upgrade) ”、“后處理(post-process) ”和“精制(refine) ” 可互換使用，并且指通過化學(xué)或物理性能來分離、隔離、純化或以某種方式如分餾來區(qū)分費(fèi)-托反應(yīng)器內(nèi)合成反應(yīng)所提供的各種烴化合物，并且將所述化合物轉(zhuǎn)化成可用于其它方法的產(chǎn)物或原料。轉(zhuǎn)化方法的實(shí)例包括但不限于低聚作用、加氫裂解、異構(gòu)化作用、芳構(gòu)化、 氫化作用、加氫異構(gòu)化和烷基化。
如此處所用，“C3化合物”指具有三個(gè)碳原子的化合物。例如，丙烷為C3烴化合物。
如此處所用，“C4化合物”指具有四個(gè)碳原子的化合物。例如，丁烷為C4烴化合物。
如此處所用，“C5+化合物”指具有五個(gè)或更多碳原子的化合物。例如己烷、辛烷和諸如苯的化合物為C5+烴化合物。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，描述了由燃料燃燒的產(chǎn)物(碳氧化物)產(chǎn)生烴化合物的系統(tǒng)和方法，并且所述系統(tǒng)和方法包括將一定量的電，比如來自原子核反應(yīng)堆的電， 提供給使用一部分所述電量來由水形成氫氣流的裝置；和在至少一部分來自氫氣流的氫存在下，使至少一部分燃料燃燒產(chǎn)物、二氧化碳和一氧化碳發(fā)生反應(yīng)以形成烴化合物；其中通過將不同過程中消耗和釋放的能量進(jìn)行再循環(huán)而使電能的應(yīng)用最小化。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，當(dāng)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)將二氧化碳作為碳氧化物使用時(shí)，該方法和系統(tǒng)將輸入的電能轉(zhuǎn)化成范圍在1. 4和1.1之間的輸出烴化合物燃燒能量的高熱值，和當(dāng)該方法和系統(tǒng)將一氧化碳作為碳氧化物使用時(shí)，該方法和系統(tǒng)將輸入的電能轉(zhuǎn)化成范圍在O. 64和O. 84之間的輸出烴化合物燃燒能量的高熱值，或不存在二氧化碳到一氧化碳的轉(zhuǎn)化。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，使用電將二氧化碳和/或一氧化碳和水轉(zhuǎn)化成含有碳和氫的烴化合物，其中使用水電解器向轉(zhuǎn)化過程供應(yīng)氫?？梢杂赏獠肯蛟撨^程供應(yīng)二氧化碳，并且將其轉(zhuǎn)化成本發(fā)明方法和系統(tǒng)進(jìn)一步使用的一氧化碳。也可以由外部向該過程供應(yīng)一氧化碳，還可以供應(yīng)碳氧化物的混合物。
本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和裝置可以包括多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)有助于提高整個(gè)方法、系統(tǒng)或裝置的總效率和生產(chǎn)率。例如，本發(fā)明可以包括電能來源、電解器、RWGS反應(yīng)器、 FT反應(yīng)器和后處理裝置。
在本發(fā)明的一個(gè) 實(shí)施方式中，具有原子核反應(yīng)堆的熱量產(chǎn)生的電能來源。一個(gè)實(shí)例是快中子增殖反應(yīng)堆。這種反應(yīng)堆產(chǎn)生需要再處理的核廢物時(shí)可以被重置，并且隨后可以在再處理裝置中對(duì)其原子核進(jìn)行再處理。這具有下述優(yōu)勢將全世界鈾儲(chǔ)量的能量輸出擴(kuò)大至接近大約25倍。在為期五年的典型再處理間隔里，大量的初始燃料向本發(fā)明提供動(dòng)力直到物理裝置的使用壽命結(jié)束。替代地，可以通過原子核反應(yīng)堆廢物熱轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)方法或其它來源提供能量，包括非化石燃料的電力，例如氫、日光、海浪、風(fēng)、潮汐或氣流以及這些來源的任何組合。
可以使用電能來電解水產(chǎn)生氫和氧。在某些實(shí)施方式中，電解器需要大量的熱來操作。這種用于操作的熱和水一起可以由裝置中其它地方產(chǎn)生的蒸汽提供。
雖然可以通過使用電極常規(guī)電解水來產(chǎn)生氫，但是也可以采用其它的方法，包括水的熱解(例如使用來自原子核反應(yīng)堆的廢熱)、熱化學(xué)方法和這些方法的組合。電解器中產(chǎn)生的氧可以在裝置外部使用。
電解水產(chǎn)生氫的方法優(yōu)選包括電解器，所述電解器包括平均操作溫度超過100°C 或超過130°C的雙極性電極和池，其中池內(nèi)壓力超過IObar或超過20bar。其它的實(shí)施方式包括超過3，ΟΟΟΑ/m2的電流密度、具有超過60V電壓的池組和/或使用AC至DC電壓整流器以使輸出電壓波動(dòng)低于3%。
電解器內(nèi)產(chǎn)生的氫在所述裝置中具有許多用途。其中，可以在RWGS反應(yīng)器里一起使用氫和二氧化碳以產(chǎn)生一氧化碳與氫的混合物即合成氣。
用于本發(fā)明方法的二氧化碳來源是作為副產(chǎn)物排放碳氧化物如二氧化碳或一氧化碳的裝置，特別是需要減少碳氧化物排放的裝置的。此類裝置的實(shí)例包括用來生產(chǎn)鋼的高爐以及使用煤或氣體發(fā)電的化石燃料發(fā)電裝置。可以通過任何方法提供二氧化碳、一氧化碳或碳氧化物或它們的混合物，包括但不限于從任何來源外部提供的。
一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳的方法是通過使用RWGS反應(yīng)器。本發(fā)明的一個(gè)方面包括方法和系統(tǒng)，其中將二氧化碳與氫供應(yīng)至RWGS反應(yīng)器，并且二氧化碳基本上完全轉(zhuǎn)化成一氧化碳，例如，轉(zhuǎn)化率超過70%，更優(yōu)選超過80%，甚至更優(yōu)選超過90%。RffGS反應(yīng)器的輸出或排出氣流包括H2/C0比例在O和3之間的一氧化碳和氫。此外，還包括在輸出部位分離一部分二氧化碳并且將二氧化碳再循環(huán)至輸入部位的裝置。其它優(yōu)選的實(shí)施方式可以包括350-50(TC之間的操作溫度，通過冷凝提供蒸汽分離，并且可以依次串聯(lián)連接一個(gè)以上的反應(yīng)器。實(shí)施方式可以包括串聯(lián)連接的RWGS反應(yīng)器之間蒸汽的中間分離。
作為RWGS反應(yīng)器操作的副產(chǎn)物形成的水可向電解器供料。
將排出的合成氣由RWGS反應(yīng)器供料至FT反應(yīng)器，所述合成氣通常是一氧化碳和氫與一些殘留二氧化碳的混合物。根據(jù)FT反應(yīng)器的期望輸出需求，可以將另外的氫加至合成氣，或者加至一氧化碳。也有可能使用一氧化碳，比如來自現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)方法的一氧化碳廢氣，并且將此一氧化碳與氫進(jìn)行組合來替代由R WGS反應(yīng)器產(chǎn)生的合成氣氣流，或者除 RWGS反應(yīng)器產(chǎn)生的合成氣氣流之外還將此一氧化碳與氫進(jìn)行組合。本發(fā)明各方面的裝置包括使用一氧化碳而無需將二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳的中間步驟的方法，從而省去了 RWGS 過程。
本發(fā)明的FT單元可以包括多于一個(gè)的FT反應(yīng)器，所述FT反應(yīng)器主要以期望的比率將一氧化碳與氫轉(zhuǎn)化成烴化合物，例如，轉(zhuǎn)化率超過70%，更優(yōu)選超過80%，甚至更優(yōu)選超過90%。在本發(fā)明中，這些方法和系統(tǒng)提供了在基本等溫條件下除去反應(yīng)熱。此外，如控制氫的供應(yīng)以使甲烷和乙烷的產(chǎn)量最小化。其它的實(shí)施方式包括提供使用由溫度和壓力兩者變化引起的冷凝來分離輸出的蒸汽和氣態(tài)烴，以及包括依次或串聯(lián)連接多于一個(gè)的FT反應(yīng)器，或者具有于基本上不同溫度和相關(guān)操作條件下操作多于一個(gè)的反應(yīng)器。
用于FT反應(yīng)的催化劑可以是金屬，如鐵、鈷、鎳及它們的組合；金屬氧化物，如氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化釕及它們的組合；負(fù)載型材料，如氧化鋁或沸石；負(fù)載金屬、混合的金屬、金屬氧化物、混合的金屬氧化物；和這些催化劑的組合，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它催化劑。
FT反應(yīng)器的主要輸出物是烴化合物與水副產(chǎn)物的混合物，該水副產(chǎn)物可以具有多種用途，比如可供料至電解器。FT反應(yīng)器大量放熱，并且可以通過多種方式來使用所述熱量。例如，至少一部分熱量可以通過將水流轉(zhuǎn)化成蒸汽而除去，隨后如果需要可以將蒸汽供料至電解器。
可以將流出FT反應(yīng)器的烴化合物的混合物供料至后處理裝置，所述后處理裝置可以與現(xiàn)有的烴燃料精制設(shè)備相似，或者由于不需要除去硫或氮化合物而在許多方面比現(xiàn)有的烴燃料精制設(shè)備更簡單。在這種后處理精制過程中可以使用一定量的氫化合物，以獲得含有可燃化合物的組合物。這樣的組合物可以作為燃料使用。
當(dāng)進(jìn)行后處理時(shí)，即可提供期望的運(yùn)輸級(jí)別的燃料組合物，其可以包括減少或者甚至消除車輛對(duì)后處理需求的組合物的高辛烷值汽油和柴油。由本方法產(chǎn)生的燃料組合物克服了原油處理的固有缺點(diǎn)，即這些組合物無硫含量、無氮含量和無芳香族含量。但是，這些組合物具有高容量和高重量的能量密度、對(duì)熱氧化過程極佳的耐受力、防火(即這些組合物很難點(diǎn)燃)以及優(yōu)良的低溫性能。
本系統(tǒng)還提供了使用分離器對(duì)氣體混合物中的氣體進(jìn)行分離的方法，如換熱器和壓縮機(jī)/膨脹器的新穎并富于創(chuàng)造性的組合。該系統(tǒng)可以包括壓縮機(jī)或膨脹器的使用，以通過加熱或冷卻調(diào)節(jié)氣體混合物用于冷凝混合物中所選的氣體，其中使用膨脹器和壓縮機(jī)調(diào)節(jié)氣體混合物達(dá)到期望的溫度。該系統(tǒng)可以使用換熱器以便冷凝或蒸發(fā)所選的氣體，其中使冷卻流體適當(dāng)?shù)叵嘧兂稍摿黧w的蒸氣或蒸汽。其它的實(shí)施方式包括用于加熱或冷卻的工作流體的相變和氣體壓縮或膨脹?？梢允褂脽釞C(jī)，例如使用壓縮機(jī)的熱泵，來將熱量由低溫區(qū)轉(zhuǎn)移至高溫區(qū)，并且可以利用具有膨脹器發(fā)電機(jī)(發(fā)電)的熱量去除器。
本發(fā)明提供了能量有效的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)使用能量，例如使用電能，將包括二氧化碳和一氧化碳的碳氧化物與水以生產(chǎn)規(guī)模轉(zhuǎn)化成烴燃料。本發(fā)明的系統(tǒng)還包括將內(nèi)部殘留的熱量用于發(fā)電，其中產(chǎn)生的電用于將二氧化碳、一氧化碳和水轉(zhuǎn)化成烴燃料。系統(tǒng)也可包括用于調(diào)節(jié)和分離氣體混合物組分的壓縮機(jī)和膨脹器。
本發(fā)明進(jìn)一步引入一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)，所述子系統(tǒng)的功能包括在系統(tǒng)的組件之間傳遞熱量或蒸汽、直接地或通過轉(zhuǎn)化成電能而將熱量由FT反應(yīng)器傳遞至電解器、供料來自FT反應(yīng)器的反應(yīng)蒸汽以用于電解器中的冷凝、通過使用熱量并經(jīng)使用熱交換方法將來自FT反應(yīng)器的熱量進(jìn)行傳遞以用于整個(gè)系統(tǒng)、和相關(guān)的輸入/輸出氣體處理一起將熱量由 FT反應(yīng)器傳遞至RWGS反應(yīng)器、加熱來自RWGS反應(yīng)器和/或FT反應(yīng)器的反應(yīng)水以在電解器中使用，并將熱量供給氣液相轉(zhuǎn)化以用于冷卻和加熱工藝氣體和液體。
本發(fā)明還包括將具有發(fā)電機(jī)的氣體膨脹器和具有電動(dòng)機(jī)的氣體壓縮機(jī)用于接收和供給電能，即進(jìn)行再循環(huán)，從而顯著減少裝置中使用的全部能量。
如圖1所示的本發(fā)明實(shí)際上包括本發(fā)明的方法100，本發(fā)明的方法100是一種使用電力作為能量輸入E的將一種或多種碳氧化物轉(zhuǎn)化成烴燃料F的方法。輸出的燃料F可以包括如汽油、柴油和噴氣燃料。圖1-4描述本發(fā)明的整體高級(jí)系統(tǒng)100，其分別體現(xiàn)了如下文所描 述的其本身的新穎性和創(chuàng)造性，并且一起形成如圖5和圖6所示的本發(fā)明的優(yōu)選方法 100。
雖然由煤和氣體生產(chǎn)烴燃料是已知的，但是在過去卻避免使用電來驅(qū)動(dòng)該轉(zhuǎn)化。 由于能量效率太低完全不足以證明成本有效，因此工業(yè)上已經(jīng)對(duì)使用電由碳氧化物生產(chǎn)燃料的方法的開發(fā)進(jìn)行了控制。但是，本發(fā)明的能量效率高于60%，換言之，燃料F的高熱值與驅(qū)動(dòng)該轉(zhuǎn)化所需的電量E的比值大于60%，并且更優(yōu)選大于80%。按反比計(jì)，電能的量低于燃料F的高熱值的約1. 7 (1/60%)倍，并且更優(yōu)選低于1. 25倍。
如圖2所示，在本發(fā)明的又一高級(jí)系統(tǒng)100的視圖中，本發(fā)明的方法包括向該方法提供能量的能量輸入步驟200、將一種或多種碳氧化物轉(zhuǎn)化成燃料F的轉(zhuǎn)化步驟300以及提供氫以有效驅(qū)動(dòng)碳氧化物向燃料F轉(zhuǎn)化300的氫輸入步驟400。
如圖3所示，參考將碳氧化物轉(zhuǎn)化成燃料F的轉(zhuǎn)化步驟300，其可以包括至少兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)子系統(tǒng)是用于將一氧化碳轉(zhuǎn)化成燃料F的一氧化碳轉(zhuǎn)化步驟320，另一個(gè)即二氧化碳轉(zhuǎn)化步驟360應(yīng)該是向其提供二氧化碳的本發(fā)明方法100。該轉(zhuǎn)化步驟360將二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳，并且隨后將一氧化碳供料至一氧化碳轉(zhuǎn)化步驟320。替代地，或者與來自轉(zhuǎn)化步驟360的一氧化碳相結(jié)合，可以將本發(fā)明系統(tǒng)100之外的一氧化碳供料至轉(zhuǎn)化步驟320，例如，可以將來自工廠的一氧化碳廢氣流或CO2和CO的混合物供料至步驟360， 從而將CO2轉(zhuǎn)化成CO。
兩個(gè)轉(zhuǎn)化步驟320、360均利用了至少一部分來自氫輸入步驟400的氫以驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)轉(zhuǎn)化步驟各自的轉(zhuǎn)化。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，向本發(fā)明100提供二氧化碳和一氧化碳，因此本發(fā)明的方法100利用了兩個(gè)轉(zhuǎn)化步驟320、360。
在圖4中，給出中間步驟500設(shè)置在轉(zhuǎn)化碳氧化物的轉(zhuǎn)化步驟300的輸出和最終產(chǎn)物燃料F之間。通常，轉(zhuǎn)化步驟300的輸出為一系列烴化合物HC，其中只有一些可用于燃料。因此，提供后處理步驟500以將它們提質(zhì)處理成期望的組合物，如燃料F。
圖5和圖6給出本發(fā)明100的不同子系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式，且所述優(yōu)選實(shí)施方式包括再循環(huán)過程及裝置以由烴燃料的燃燒產(chǎn)物形成烴燃料。本發(fā)明包括向該過程提供能量的能量輸入步驟200，包括使用核動(dòng)力反應(yīng)堆210來發(fā)電，優(yōu)選使用消耗現(xiàn)有核廢物的快中子增殖反應(yīng)堆來發(fā)電。一旦反應(yīng)堆210產(chǎn)生需要再處理的核廢物應(yīng)立即進(jìn)行設(shè)定，并且隨后可以在例如再處理裝置220中對(duì)其原子核進(jìn)行再處理以將來自全世界鈾儲(chǔ)量的能量輸出擴(kuò)大大約25倍或更多。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所應(yīng)理解的，在為期五年的典型再處理間隔里，具有足夠的初始燃料向本發(fā)明提供動(dòng)力直到其使用壽命結(jié)束。
向氫輸入步驟400供電，氫輸入步驟400可以包括在電解器410中電解水以形成氫氣流和氧氣流。可以將來自本發(fā)明100的方法的其它子系統(tǒng)的熱量(也稱為熱能)供應(yīng)給該步驟以便提高效率。當(dāng)需要時(shí)可以將熱能直接用于加熱水或者通過轉(zhuǎn)化成電而進(jìn)行電解。某些已知類型的電解器410可能需要一些熱量來進(jìn)行操作。這種熱量連同用于電解操作的水一起優(yōu)選地主要由本發(fā)明100的系統(tǒng)中其它地方產(chǎn)生的蒸汽供應(yīng)。盡管優(yōu)選地將所形成的大部分氧(如果不是全部)投入本發(fā)明系統(tǒng)100之外的產(chǎn)生收益的用途中，但是在整個(gè)系統(tǒng)中電解器410中形成的氫也具有許多用途。
將至少一部分氫供料至轉(zhuǎn)化步驟300，如果本發(fā)明的系統(tǒng)100同時(shí)處理一氧化碳和二氧化碳時(shí)，其是一個(gè)兩步過程。在第一個(gè)過程中，采用了二氧`化碳轉(zhuǎn)化步驟360以便將氫和二氧化碳進(jìn)行結(jié)合從而生產(chǎn)合成氣，所述合成氣為一氧化碳和氫的混合物，其中轉(zhuǎn)化步驟360包括逆向水煤氣變換過程，亦即逆向水煤氣變換(RWGS)反應(yīng)器362。供料給電解器410的蒸汽作為RWGS反應(yīng)器操作的副產(chǎn)物形成。
用于轉(zhuǎn)化步驟360的二氧化碳來源可以是作為副產(chǎn)物排放二氧化碳的裝置，特別是需要減少二氧化碳排放的裝置。此類裝置的主要例子是用來生產(chǎn)鋼的高爐以及使用煤或煤氣發(fā)電的化石燃料發(fā)電裝置。
二氧化碳可以與一氧化碳進(jìn)行混合。這種混合物可以分離成二氧化碳和一氧化碳或者作為混合物在實(shí)現(xiàn)二氧化碳到一氧化碳轉(zhuǎn)化的反應(yīng)器362中進(jìn)行處理。
然后將合成氣供料至一氧化碳轉(zhuǎn)化步驟320，包括將一氧化碳與氫結(jié)合以提供基于雙鍵原子團(tuán)的一系列烴的費(fèi)-托法。一氧化碳轉(zhuǎn)化步驟320可以包括費(fèi)-托(FT)反應(yīng)器322。雖然FT反應(yīng)器322可以使用來自步驟360的合成氣，但是其也可能使用來自現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的一氧化碳廢氣，并且將此一氧化碳廢氣與氫組合來替代RWGS反應(yīng)器362產(chǎn)生的合成氣或者除RWGS反應(yīng)器362產(chǎn)生的合成氣之外還將此一氧化碳廢氣與氫組合。如同已知的，有大量產(chǎn)生一氧化碳廢氣的過程，特別是產(chǎn)生一氧化碳與二氧化碳組合的廢氣的過程。
在本發(fā)明的本系統(tǒng)100的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，由于這種系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上消除了對(duì) RWGS過程360的需求，因此只對(duì)一氧化碳進(jìn)行處理(不對(duì)二氧化碳進(jìn)行處理)。本發(fā)明的系統(tǒng)100也可以使用二氧化碳與一氧化碳的混合物作為來自提供該混合物的工業(yè)生產(chǎn)過程的廢氣?？梢愿鶕?jù)需要將另外的氫加至步驟360輸出的合成氣中，和/或加至步驟320 輸入的一氧化碳中，以便將FT反應(yīng)器322的輸出調(diào)節(jié)至期望值。
FT反應(yīng)器322主要輸出的是 基于_ (CH2)-原子團(tuán)的烴化合物的混合物，和副產(chǎn)物是水，所述副產(chǎn)物水優(yōu)選供料至電解器410。FT反應(yīng)大量放熱，這些熱量至少通過將水轉(zhuǎn)化成蒸汽而除去，所述蒸汽可以作為能源直接或間接地用于電解器410。
由FT反應(yīng)器輸出的烴化合物可以作為原油型式表征為可以使用已知技術(shù)得到燃料化合物的烴化合物，比如原油。因此可在步驟500，包括燃料后處理步驟，對(duì)所述烴進(jìn)行提質(zhì)處理或精制以產(chǎn)生期望的燃料F的組合物。步驟500可以包括后處理(提質(zhì)處理)裝置 510，該后處理(提質(zhì)處理)裝置510與現(xiàn)有的原油精制設(shè)備相似，但通常較簡單，其中需要的處理步驟更少。這樣的精制技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知。此外，可以將一定量的來自步驟400的氫用于這種精制過程500。
本發(fā)明使用了多根能量分配管線、氣流再循環(huán)/反饋回路以及中間的過程熱量和電交換。在本發(fā)明100的每個(gè)子系統(tǒng)中和整個(gè)系統(tǒng)范圍的效率的各種改進(jìn)的總結(jié)果提供了這樣一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中輸入到該過程的能量(例如來自原子核發(fā)電裝置產(chǎn)生的電)優(yōu)選有至少60%最終包含在燃燒輸出燃料F的高熱值中。
在本發(fā)明100系統(tǒng)的輸出物為燃料和氧氣時(shí)，其同時(shí)產(chǎn)生了有益的副產(chǎn)物。此外， 由于本發(fā)明100的系統(tǒng)減少了二氧化碳，因此其提供了關(guān)鍵的外在經(jīng)濟(jì)效益。二氧化碳是一種溫室氣體，由于其是導(dǎo)致全球變暖的主要原因，因此成為了多種全球條約的主題，例如京都議定書和國家和地區(qū)實(shí)施條例。
如所描述的，本發(fā)明100這種再循環(huán)方法的最終輸出物是多種期望的運(yùn)輸燃料， 其可以包括組成減少或者甚至消除車輛對(duì)后處理需求的不含硫的高辛烷值汽油和不含硫的柴油燃料。本發(fā)明100這種系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢在于該系統(tǒng)生產(chǎn)多種烴化合物燃料的能力。 另一個(gè)優(yōu)勢是為裝置操作者所提供的經(jīng)調(diào)節(jié)該方法和系統(tǒng)的特定參數(shù)而改變所形成的烴化合物比例的控制能力，例如，對(duì)于供料給特定FT反應(yīng)器的一氧化碳與氫的比例的控制能力。通過改變供料至不同類型FT反應(yīng)器的合成氣的量，由合成氣輸入總量有可能獲得不同輸出比例的柴油、汽油、噴氣燃料以及其它燃料。
下文對(duì) 本發(fā)明100的系統(tǒng)，包括本發(fā)明不同子系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式，作出了更為詳細(xì)的描述。
能量分配管線
本發(fā)明100的系統(tǒng)引入了幾種能量分配管線，其中具有兩種特殊類型的能量管線一電和熱。圖7給出本系統(tǒng)采用的能量分配管線的實(shí)施例。使用至少一種配電管線 (EDL)。例如，一種EDL是在10-50kV范圍(常用的電力發(fā)電機(jī)實(shí)施的范圍)的常規(guī)相間電壓操作的常規(guī)三相交流電力分配管線。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員通常應(yīng)該理解可以根據(jù)具體的需求來使用其它的電壓。
在這種系統(tǒng)中，多個(gè)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)與EDL相連。發(fā)電機(jī)優(yōu)選為同步式，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行常規(guī)控制以便與頻率、相和電壓振幅相匹配，因而發(fā)電機(jī)均可并聯(lián)向EDL輸電。將這種類型的控制用于現(xiàn)有的電力網(wǎng)控制。為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，電動(dòng)機(jī)優(yōu)選為可控的同步式，但是也可以使用其它類型的電動(dòng)機(jī)。
在本發(fā)明100的優(yōu)選系統(tǒng)中，其它的能量分配管線、熱量或熱能(與電能相對(duì)比) 分配遍及整個(gè)裝置。這種系統(tǒng)中的熱量分配管線(HDL)可以接收來自熱源的熱并將熱傳遞給熱使用者。
在熱量分配管線中使用了工作流體的相變。每種管線分別使用兩個(gè)儲(chǔ)存器一一個(gè)是液體儲(chǔ)存器，另一個(gè)是這種液體的蒸汽儲(chǔ)存器，這兩個(gè)儲(chǔ)存器的溫度和壓力均接近于工作流體的沸騰溫度和壓力。當(dāng)需要熱傳遞時(shí)，蒸汽由一半管線采出、冷凝并遞送至另一半液體管線。冷凝熱釋放給熱使用者。當(dāng)需要采熱時(shí)，然后采出液體、蒸發(fā)并作為蒸汽遞送至另一半蒸汽管線。外部的熱為工作流體的蒸發(fā)所消耗。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，五種熱量分配管線分別使用了五個(gè)不同的溫度。
第一 HDL優(yōu)選在RWGS反應(yīng)器362的操作溫度下，優(yōu)選在280_800°C的范圍內(nèi)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，RWGS反應(yīng)器362的操作溫度約為400°C。在該溫度下，優(yōu)選使用乙二醇作為工作流體或者使用另一種在400°C具有類似氣化熱和類似沸騰壓力的流體。使用該第一 HDL至少加熱引入RWGS反應(yīng)器的氣體，并且當(dāng)RWGS反應(yīng)吸熱時(shí)，將熱遞送給RWGS 反應(yīng)器本身。在此處的進(jìn)一步描述中，該第一 HDL有時(shí)候稱為“RWGS-管線”，并將其蒸汽部分指定為“V”，液體部分指定為“L”。
第二 HDL優(yōu)選在FT反應(yīng)器322的操作溫度下，優(yōu)選在180_350°C的范圍內(nèi)。當(dāng)在燒煤的裝置和核發(fā)電裝置中使用時(shí)，該第二 HDL的工作流體優(yōu)選為水。也可能將單獨(dú)的冷卻回路用于使用其它工作流體如乙二醇的在更高溫度下操作的FT反應(yīng)器，并將其部分或全部的熱交換給該第二 HDL。在此處的進(jìn)一步描述中，該第三HDL有時(shí)候稱為“FT-管線”， 并將其蒸汽部分指定為“S”，水部分指定為“W”。
第三HDL在電解器410中水的溫度下。例如，其可以在100_150°C的范圍，優(yōu)選在 130-140°C的范圍內(nèi)。第三HDL的主要目的是向電解器410供水和/或蒸汽。第三HDL優(yōu)選使用水作為工作流體。在此處的進(jìn)一步描述中，該第三HDL有時(shí)候稱為“E管線”，并將其蒸汽部分指定為“S”，水部分指定為“W”。
第四HDL在室溫下，在所述系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的例子中為25°C，但是也可以是該系統(tǒng)不同位置和氣候條件的其它室溫。工作流體可以是在該室溫下通常使用的制冷劑。第四HDL的主要用途是對(duì)引入和輸出的物質(zhì)進(jìn)行處理。在此處的進(jìn)一步描述中，該第四HDL有時(shí)候稱為“A-管線”，并將其蒸汽部分指定為“V”，液體部分指定為“L”。
第五HDL優(yōu)選在圖8的二氧化碳分離器372的操作溫度下，優(yōu)選在_50至_55°C的范圍內(nèi)。在這種溫度下，優(yōu)選使用常用的制冷劑，比如乙烯。該第五HDL用于加熱和冷卻流入和流出二氧化碳分離器的氣體。在此處的進(jìn)一步描述中，該管線有時(shí)候稱為“C管線”，并將其蒸汽部分指定為“V”，液體部分指定為“L”。
可利用的熱能的另外來源是可以通過轉(zhuǎn)化成電能而使用的原子核發(fā)電裝置的廢熱。
能量分配管線的平衡
應(yīng)對(duì)能量分配管線進(jìn)行平衡，以使引入的能量等于輸出的能量。配電管線遞送電能以用于電解水和驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)及供料泵的多個(gè)電動(dòng)機(jī)。所述配電管線接收來自驅(qū)動(dòng)電力發(fā)電機(jī)的多個(gè)氣體膨脹器的電能，所述氣體膨脹器包括轉(zhuǎn)化FT反應(yīng)器釋放的熱能或轉(zhuǎn)化通過燃燒殘留氣體釋放的熱能的膨脹器。通過外部電源210遞送余量的電能。
通過熱泵由FT反應(yīng)器遞送能量從而以優(yōu)選的方式對(duì)RWGS-管線進(jìn)行平衡。在本發(fā)明100的整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，使用來自這種管線的熱能將其蒸汽轉(zhuǎn)化為液體。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過來自FT反應(yīng)器冷卻的熱來平衡FT管線。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過來自FT反應(yīng)器冷卻的熱來平衡E管線。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過將能量傳遞給環(huán)境而對(duì)A-管線進(jìn)行平衡。這種管線收集了該方法所不能消耗的或者轉(zhuǎn)化成電的過量熱能。主要的用途是通過使A-管線的蒸汽轉(zhuǎn)化成液體的空間加熱，特別是在寒冷的天氣。如果不需要這種熱，可以使用例如常規(guī)的換熱器將其散失到環(huán)境中。
對(duì)于經(jīng)濟(jì)的構(gòu)造，環(huán)境即空氣或水的溫度與該管線的溫度之間應(yīng)具有典型的溫差。通過調(diào)節(jié)壓力可以改變該管線的操作(沸騰)溫度。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過熱泵除去過量的熱并將其傳遞至A-管線從而平衡C管線。
能量輸入
能量輸入步驟200優(yōu)選包括使用核處理產(chǎn)生的熱的發(fā)電裝置210。當(dāng)可以使用多種類型的核處理時(shí)，如果不采用快中子增殖反應(yīng)堆，所述裝置則需要周期性地供應(yīng)核燃料。
本發(fā)明100的系統(tǒng)無需使用核反應(yīng)堆的原始熱量或廢熱，因?yàn)榭梢允褂闷渌鼇碓吹哪芰縼戆l(fā)電。例如，不僅可以通過核能來滿足本發(fā)明100的 系統(tǒng)效率和輸出需求，而且也可以通過例如水電或風(fēng)力發(fā)電機(jī)來滿足，因?yàn)榇藭r(shí)無需來自外部能源的廢熱。盡管化石燃料發(fā)電裝 置不是最佳的，但是也可以使用。
碳氧化物轉(zhuǎn)化
二氧化碳轉(zhuǎn)化
二氧化碳轉(zhuǎn)化優(yōu)選通過RWGS過程360進(jìn)行。如圖8所示，優(yōu)選的二氧化碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括RWGS反應(yīng)器362，其使用氫作為還原劑將引入的二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳。
該基礎(chǔ)反應(yīng)如下
CO2 + H2 <^C0 + H20(5)
該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，并且其轉(zhuǎn)化二氧化碳為一氧化碳的平衡系數(shù)較低。出于這種原因，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，使用過量的引入氣體二氧化碳與氫來增加一氧化碳的量。
氫的量足夠用于(i)在反應(yīng)器內(nèi)部轉(zhuǎn)化成水以及(ii)使％/0)混合物(合成氣) 達(dá)到期望濃度以供料給FT反應(yīng)器322。在這個(gè)實(shí)施方式中，該H2/C0比大約為2，因而氫的摩爾量多達(dá)輸入的二氧化碳摩爾量的約3倍。根據(jù)所使用的FT催化劑，也可以接受用于供料至FT反應(yīng)器的其它H2/C0值。
在所選擇的反應(yīng)器362操作溫度下，反應(yīng)器362入口處的二氧化碳量優(yōu)選足以實(shí)現(xiàn)所引入的二氧化碳的完全轉(zhuǎn)化。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，RWGS過程360具有400°C的操作溫度，并為具有中間蒸汽分離的三級(jí)RWGS反應(yīng)器。在這樣的設(shè)計(jì)中，反應(yīng)器入口處所需的二氧化碳量與通常所獲得的引入的二氧化碳量幾乎相同，條件是出口處的H2/C0比值接近2。因此，通過如圖8所示的該反應(yīng)器組件的再循環(huán)回路提供額外量的二氧化碳。這種額外供應(yīng)的二氧化碳并沒有在反應(yīng)器中消耗，而是通過該反應(yīng)器循環(huán)以改變平衡條件從而盡可能地使引入的二氧化碳接近完全轉(zhuǎn)化?？梢栽诔Ｒ?guī)的氣體混合器366中混合這兩種二氧化碳流(新鮮的以及再循環(huán)的)或者使用分離的合適設(shè)計(jì)的噴嘴或分配器將這兩種二氧化碳流供料至RWGS反應(yīng)器。
在循環(huán)回路中的二氧化碳量取決于供料氫的量、RWGS反應(yīng)的操作溫度以及在反應(yīng)器之間具有蒸汽分離的串聯(lián)連接的反應(yīng)器的數(shù)目。氫供料較少或者溫度較低或者串聯(lián)的反應(yīng)器較少時(shí)，在循環(huán)回路中具有明顯較大量的二氧化碳，反之亦然。在循環(huán)回路中存在少量氣體的一個(gè)優(yōu)勢在于需要較少的電和熱損耗來維持氣體的循環(huán)和分離。
RffGS反應(yīng)器362的輸出流首先通過蒸汽冷凝部分368，并且隨后通過二氧化碳分離器372。在一個(gè)實(shí)施方式中，蒸汽冷凝部分可以包括冷凝器(換熱器)，后面是分離罐。來自分離器368的冷凝水可以重新供料至電解器。將分離的二氧化碳遞送至氣體混合器366 的入口。二氧化碳分離器372直接輸出的是合成氣和殘留的二氧化碳(如果有的話)，其中合成氣的H2/C0比大約如FT反應(yīng)器322用于有效轉(zhuǎn)化而有利地需要的。
將二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳的其它公知的方法可以用于本發(fā)明，而不改變這種設(shè)備的功能性。
反應(yīng)器的操作壓力可以在4_30ba r范圍，優(yōu)選20_25bar。GHSV-STP (在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的氣體時(shí)空速度)為1，500-15, 000，優(yōu)選5，000-8, 000。
優(yōu)選在室溫或者接近室溫的條件下分離蒸汽，此時(shí)獲得高的分離比。
可以通過傳統(tǒng)和目前的方法來實(shí)現(xiàn)出口處二氧化碳的分離。除了其它方法之外， 目前普遍的方法包括下述多種胺吸收法以及碳酸鹽法、變壓吸收、吸附和氣體滲透。此外， 通過在適宜的處理?xiàng)l件如-50至-55°C和50-100bar壓力下降低溫度并提高壓力來使深冷分離成為可能，以使合成氣中可以只剩下與一氧化碳相比為15-35%m0l/m0l的二氧化碳。
更可能地是,可以將低溫溶劑介導(dǎo)法如Ryan-Holmes或者三相法如CFZ (控制凍結(jié)區(qū))用于進(jìn)一步降低二氧化碳的含量。殘留的二氧化碳將通 過上游處理循環(huán)，或者仍可以在某種操作條件下于FT亞組件中更好地有利消耗，且隨后或多或少地將其返回該亞組件的入口。此外，這些過程中的某些可以按順序使用，例如使用低溫液化來分離大量的二氧化碳，隨后使用CFZ或者胺吸收來調(diào)節(jié)合成氣以便得到期望的二氧化碳濃度，即與一氧化碳相比以mol/mol計(jì)量為3-10%的濃度。在低溫型分離器之前，必須徹底地除去水蒸汽?？梢匀绲蜏胤ㄖ型ǔ?shí)施的那樣使用吸附型干燥器。
圖9給出另一個(gè)優(yōu)選的二氧化碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，并且該轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括三級(jí)RWGS。如圖所示，具有三個(gè)蒸汽分離器部分，每個(gè)蒸汽分離器在每個(gè)反應(yīng)器之后，并且二氧化碳分離器在該過程的末端。
RffGS反應(yīng)沿形成一氧化碳的方向是弱的，因此需要除去至少一種反應(yīng)物。
為了盡可能地達(dá)到接近100%的轉(zhuǎn)化，本發(fā)明100的系統(tǒng)可以使用三級(jí)RWGS反應(yīng)， 并與下述步驟相結(jié)合(i)在每級(jí)出口除去蒸汽和(ii)提高入口的摩爾濃度。
首先，將氫的摩爾濃度提高到所得的合成氣將具有高達(dá)用于上游費(fèi)-托反應(yīng)器 322的恰當(dāng)?shù)腍2/C0比的程度。在一個(gè)實(shí)施例中，該比值為2或更高。
為了滿足RWGS反應(yīng)，在此實(shí)施方式中，與入口 384的二氧化碳摩爾含量相比以3:1 的摩爾比向第一 RWGS反應(yīng)器382供料。I摩爾用于還原二氧化碳為一氧化碳，和2摩爾留在排出的合成氣中。
其次，通過由出口形成再循環(huán)管線386并在沒有轉(zhuǎn)化的情況下進(jìn)行循環(huán)而增加至第一 RWGS反應(yīng)器382的入口二氧化碳。需要將大約I摩爾以上的二氧化碳加至循環(huán)回路中以使I摩爾入口二氧化碳在三個(gè)串聯(lián)的RWGS反應(yīng)器382、388、394中實(shí)現(xiàn)約100%的轉(zhuǎn)化， 其中所述RWGS反應(yīng)器具有如圖9所示的構(gòu)造。
圖9的二氧化碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)依賴于蒸汽去除和二氧化碳分離。第一蒸汽分離器392 除去來自第一 RWGS反應(yīng)器382排出氣體的蒸汽，并且通過此操作在第二 RWGS反應(yīng)器388 中形成二氧化碳持續(xù)轉(zhuǎn)化的條件。當(dāng)一氧化碳尚未除去時(shí)，第二反應(yīng)器388的轉(zhuǎn)化率低于第一反應(yīng)器382。
第二蒸汽分離器392除去來自第二 RWGS反應(yīng)器388排出氣體的蒸汽，并且通過此操作在第三RWGS反應(yīng)器394中形成二氧化碳持續(xù)轉(zhuǎn)化的條件。當(dāng)一氧化碳尚未除去時(shí)，第三反應(yīng)器394的轉(zhuǎn)化率低于第二反應(yīng)器388。
第三蒸汽分離器392設(shè)置在第三RWGS反應(yīng)器394的出口處。在該分離器的出口處，排出的氣體包括具有期望C0/H2比的合成氣和二氧化碳。因此，使用分離器396分離二氧化碳并將分離的二氧化碳置入再循環(huán)管線386以便在氣體混合器398中與引入的二氧化碳384組合。
如果合成氣含有的氫量比上游必須供料至FT反應(yīng)器的氫少的話，隨后添加來自電解器410的另外的氫。
RWGS 反應(yīng)器
本發(fā)明100的本系統(tǒng)中使用的RWGS反應(yīng)器可以在大量的操作溫度下有效地運(yùn)行， 但是在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中使用400°C。示例性的催化劑是由Johnson Matthey生產(chǎn)的 KATALC0 71-5。操作壓力可以在4-30bar的范圍，優(yōu)選使用較高的壓力值以便減小組件的整個(gè)尺寸。使用的 GHSV-STP 為 I, 50 0-15，000，優(yōu)選為 5，000-8，000。
該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)并且需要外部的熱量。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明100 的系統(tǒng)使用了等溫操作(在以° K測量的理想操作溫度的±10%范圍內(nèi))，其中將來自外部來源的外熱傳遞至反應(yīng)區(qū)。圖10描述了整個(gè)熱遞送系統(tǒng)810的一個(gè)實(shí)例。特別是在 RWGS-管線中，使用工作流體的相變以等溫或接近等溫的狀態(tài)傳遞熱量。將RWGS-管線的蒸汽遞送至冷凝盤管812。蒸汽冷凝并釋放出冷凝熱，但是保持相變的溫度。將殘留的工作流體釋放入RWGS-管線的液體部分。釋放的熱量通過使反應(yīng)器內(nèi)部的氣體反應(yīng)經(jīng)換熱過程消耗。
雖然第二和第三反應(yīng)器可以比第一反應(yīng)器小，因?yàn)樗鼈冎恍鑼⒏倭康亩趸嫁D(zhuǎn)化成一氧化碳并且處理更小體積的氣體混合物，但優(yōu)選地，圖9的反應(yīng)器382、388、394均為相同的總體構(gòu)造。
這種RWGS亞組件不僅可以處理純的二氧化碳而且可以處理二氧化碳與一氧化碳的混合物。該混合物作為一氧化碳與二氧化碳比例的函數(shù)，可以通過一個(gè)、兩個(gè)或全部三個(gè)串聯(lián)連接的反應(yīng)器來處理。在純二氧化碳轉(zhuǎn)化的情況下，如果該比例低于第一反應(yīng)器出口的比例，則隨后將使用全部三個(gè)反應(yīng)器。不同之處在于降低的二氧化碳量需要降低的氫量。 將通過相同的規(guī)則來確定處理這種混合物是否需要兩個(gè)反應(yīng)器亦或是只需要一個(gè)反應(yīng)器。 最后，如果只供應(yīng)一氧化碳，則無需使用反應(yīng)器。
替代方案-二氧化碳轉(zhuǎn)化
如所討論的，優(yōu)選通過RWGS過程360來運(yùn)行二氧化碳的轉(zhuǎn)化。對(duì)于這種RWGS過程存在多種變化，這些變化不會(huì)顯著改變結(jié)果即合成氣中一氧化碳組分的產(chǎn)量。
例如，可以降低反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度。這種溫度的降低將使平衡常數(shù)減小，并由此造成再循環(huán)管線中二氧化碳量的增加或者使得串聯(lián)連接的反應(yīng)器數(shù)目增加，或者兩者均出現(xiàn)。
此外，可以提高反應(yīng)溫度，并且可能將一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中的反應(yīng)器數(shù)目由3個(gè)減少到2個(gè)或者減少到只剩下I個(gè)，其中循環(huán)的二氧化碳量足以使引入的二氧化碳達(dá)到 100%的轉(zhuǎn)化。
也可能減少供料至這種過程的氫氣量，以使循環(huán)回路中的二氧化碳隨后增加。也可能通過在相同溫度下使用3個(gè)以上的串聯(lián)反應(yīng)器來減少二氧化碳的循環(huán)量。
反應(yīng)熱不必等溫地傳遞，而是可以通過與除其它參數(shù)外具有合適溫度、流量的任何熱側(cè)流體換熱提供。
將二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳的其它方法是已知的，并且這些方法可以在本發(fā)明 100的本系統(tǒng)中使用。
一氧化碳轉(zhuǎn)化
優(yōu)選通過FT反應(yīng)器處理320來運(yùn)行一氧化碳的轉(zhuǎn)化。圖11給出反應(yīng)器組件。FT 反應(yīng)器322的操作如下
C0+2H2 — (-CH2-)+H2O (6)
在(-CH2-)處的點(diǎn)劃線指可用于加氫或用于聚合作用的鍵。費(fèi)-托反應(yīng)器中作為反應(yīng)器中所使用的催化劑類型和操作溫度、壓力以及氣體速度的函數(shù)產(chǎn)生了許多直鏈和氧化的烴化合物。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，作為實(shí)例，反應(yīng)器在220°C使用鈷催化劑進(jìn)行操作并產(chǎn)生烴混合物，該烴混合物在提質(zhì)處理后主要得到比例大約為 1:2的汽油與柴油的混合物。
在本發(fā)明的其它實(shí)施中，在比如約330-350°C的較高溫度下，產(chǎn)生了更多的汽油，其中汽油與柴油的比例約為4:1。因而通過在不同溫度下的組合操作，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將汽油與柴油的比例由1:2調(diào)節(jié)至4:1。通過本發(fā)明而獲得柴油的生產(chǎn)率，包括調(diào)節(jié)溫度、壓力和停留時(shí)間(氣體流量)。難以轉(zhuǎn)化成期望的液體燃料的殘留烴量是變化的，通常在較高的溫度下較高，在較低的溫度下較低。
在一個(gè)實(shí)施方式中使用了鈷催化劑，其中H2/C0比例為2. 15，操作溫度為220°C， 壓力為約20bar，且GHSV-STP為1,500。一氧化碳到烴的轉(zhuǎn)化率高達(dá)75%。壓力可以在 10-30bar 范圍內(nèi)改變且 GHSV 為 500-5，000。
圖11的FT反應(yīng)器322產(chǎn)生了排出后用于進(jìn)一步處理的液態(tài)烴和與蒸汽及輸入氣體(一氧化碳和氫)相混合的氣態(tài)烴。輸入氣體的存在是由于合成氣的不完全轉(zhuǎn)化。為了獲得更為完全的轉(zhuǎn)化，可以使用一個(gè)以上的串聯(lián)連接的FT反應(yīng)器，以便除去反應(yīng)器之間的蒸汽和一些烴的氣體。在優(yōu)選實(shí)施方式的實(shí)施例中，使用二級(jí)FT反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化效率。
在反應(yīng)器322的出口，利用蒸汽分離器324從排出的氣體中分離蒸汽，然后經(jīng)由分離器326分離出碳數(shù)C5-C6的氣態(tài)烴，并且最后經(jīng)由分離器328分離出碳數(shù)C3-C4的氣態(tài)烴。 這些分離過程可以在進(jìn)行分離前作為氣體混合物組成的函數(shù)進(jìn)行組合。殘留的氣體主要包括天然氣化合物、甲烷CH4、乙烷C2H6和殘留的一氧化碳與氫的合成氣，以及不同量的未分離的二氧化碳與C3和C4化合物。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，大部分的合成氣經(jīng)由再循環(huán)管線返回至FT反應(yīng)器322 的入口，從而提高了引入的合成氣轉(zhuǎn)化成烴燃料的轉(zhuǎn)化效率?？梢酝ㄟ^使用可控的節(jié)流閥或閥332來部分地實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化效率的提高。在再循環(huán)管線中設(shè)置這種節(jié)流閥以便用于排出氣體，并且使這種排出氣體的一部分以相同的摩爾比排出或燃燒。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，控制參數(shù)是在排出前天然氣化合物的量。將節(jié)流閥打開到恰好足以將該量保持在預(yù)定水平。可以將其它的氣體用于相同的目的。
可以在再循環(huán)管線中設(shè)置氣體調(diào)節(jié)器334以匹配來自RWGS組件360的合成氣的溫度與壓力。在氣體混合器336中組合合成氣，或者在類似地在氣體混合器384中組合合成氣。
可以通過將外部來源的一氧化碳廢氣(來自本發(fā)明100的系統(tǒng)之外)和來自電解器410的氫或者將這些氣體與合成氣的混合物供料至FT反應(yīng)器322而替代合成氣。將氫加入來自電解器410的輸入以對(duì)FT反應(yīng)器322所需的H2/C0比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，該H2/C0比例大約為2，并且更具體地在2和2. 2之間。
這種設(shè)備排出的氣體可以供料至燃燒器-發(fā)電機(jī)發(fā)電。
這種FT組件可以被多種常規(guī)的費(fèi)-托反應(yīng)器裝置取代，而不改變這種設(shè)備的功能。圖12給出更為詳細(xì)的優(yōu)選一氧化碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。所描述的是二級(jí)FT反應(yīng)器系統(tǒng)340。 在該組件中具有兩個(gè)FT反應(yīng)器342、344。將來自RWGS亞組件的合成氣和來自電解器的一定量的氫供料至第一 FT反應(yīng)器342。由反應(yīng)器形成并排出一定量的液體烴。將來自RWGS 組件的未轉(zhuǎn)化的合成氣、蒸汽、殘留的二氧化碳以及在反應(yīng)器342中形成的在反應(yīng)溫度和壓力下為氣態(tài)的所有烴供料至蒸汽分離器346。優(yōu)選在室溫下進(jìn)行分離，但是也可以使用其它溫度。有可能一些烴氣體連同水一起分離。然后可以通過如通常所實(shí)施的那樣，例如通過蒸餾或重量分析來分離殘留 的水和烴。
將具有一定量烴氣和殘留二氧化碳的殘留合成氣供料至第二 FT反應(yīng)器344。由反應(yīng)器形成并排出一定量的液體烴。將來自RWGS組件的未轉(zhuǎn)化的合成氣、蒸汽、殘留的二氧化碳以及在反應(yīng)器中形成的在反應(yīng)溫度和壓力下為氣態(tài)的所有烴供料至蒸汽分離器348。 優(yōu)選在室溫下進(jìn)行分離，但是也可以使用其它溫度。
在處理過程的這個(gè)位置，留下的合成氣的量比FT反應(yīng)器342出口處的合成氣量更少，因此碳數(shù)為C5或更高的烴氣的分壓很高，并且該烴氣在蒸汽與C5+分離器348中連同蒸汽一起冷凝。Cn是每摩爾具有η個(gè)碳原子的烴。Cn+指每摩爾具有η個(gè)或更多碳原子的烴。 將冷凝的液體排出，并且通過多種常用的處理來分離水，比如在水分離器352中進(jìn)行蒸餾或重量分析。
將來自分離器348的殘留氣體供料至另一個(gè)烴分離器354，這些烴包括碳數(shù)為C3 和C4的烴。所述烴可以在例如20-50bar壓力以及在大部分此類化合物冷凝的溫度下由這種殘留的混合物中冷凝和分離出來。這種溫度取決于排出氣體中其它氣體的量。當(dāng)這些氣體的量比可分離的氣體體積大時(shí)，可以使用低溫，比如用于二氧化碳分離的溫度。然后，不僅可以分離C3和Cn烴，也可以分離二氧化碳。通過改變壓力并將二氧化碳再循環(huán)至RWGS組件的入口從而容易地將這些氣體相互分離。將排出的合成氣、天然氣組分以及殘留的二氧化碳供料至可控的放空332(圖11)。在平衡條件下，該放空器中的合成氣量明顯比其它氣體少，因此無論放空的混合物量是多少，該混合物都將含有比循環(huán)回路中更少量的合成氣。 循環(huán)回路中合成氣的存在對(duì)引入合成氣的完成轉(zhuǎn)化的作用與RWGS亞組件的循環(huán)回路中二氧化碳的存在的作用相同。排放氣體中合成氣的量還可以用于控制排氣比。
在其它優(yōu)選的實(shí)施方式中，可以使用更多的反應(yīng)器來提高合成氣的轉(zhuǎn)化率，甚至在不同的操作參數(shù)，比如220°C的低溫和340°C的溫度下得到更期望形成的系列烴?？蓪⒉煌康暮铣蓺庖朐诓煌瑮l件下操作的反應(yīng)器，以對(duì)所形成的烴的組成進(jìn)行調(diào)節(jié)，其在提質(zhì)處理后反過來將影響燃料的組成，即汽油、噴氣燃料、柴油等的相對(duì)量。
FT反應(yīng)器
由于反應(yīng)器的輸出高度依賴于溫度，因此該反應(yīng)高度放熱并需要除去大量的熱量。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，如圖13所示，在FT管線使用水到蒸汽的相變以除去該熱量。上述步驟使得反應(yīng)器的操作接近等溫，因此輸出一致，因?yàn)樵摲磻?yīng)器的產(chǎn)物輸出高度依賴于溫度，例如在10°C內(nèi)。
替代方案一一氧化碳轉(zhuǎn)化
可以通過FT處理320來實(shí)現(xiàn)一氧化碳的轉(zhuǎn)化。對(duì)這種FT過程存在多種改進(jìn)，所述改進(jìn)不會(huì)改變由合成氣產(chǎn)生烴化合物的結(jié)果，但會(huì)明顯改變所形成的產(chǎn)物的組成。
例如，所述反應(yīng)器的溫度可以在150_350°C的范圍內(nèi)變動(dòng)。催化劑類型、催化劑床類型、壓力、停留時(shí)間以及合成氣速度的變化將改變所形成的產(chǎn)物的組成。在較高的溫度下，形成輕烴組合物。在一個(gè)實(shí)施例中，于310-340°C并利用循環(huán)催化劑的條件下，72%的輸出物`包括作為汽油基礎(chǔ)的碳數(shù)為C5-C11的組合物，包括6%的較重?zé)N、8%的烴氣以及14%的醇、酮和酸。
通過調(diào)節(jié)FT-管線中的水溫和壓力、FT反應(yīng)器的壓力以及調(diào)節(jié)其它影響蒸汽與烴氣分離的因素而使FT組件可以在不同的反應(yīng)器溫度下進(jìn)行操作。
還可以隨時(shí)改變催化劑及其催化劑床的類型以便與操作特性的改變相匹配?？梢允褂么?lián)連接的兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器并且在相同或不同的溫度、催化劑及其它操作條件下進(jìn)行操作。此外，可以具有兩個(gè)或多個(gè)并聯(lián)反應(yīng)器序列也在不同或相同的條件下操作。使用這種構(gòu)造，利用本發(fā)明100的系統(tǒng)構(gòu)建的裝置能夠在多年操作后滿足市場變化的需求。氫的產(chǎn)生本發(fā)明100的本系統(tǒng)進(jìn)一步包括氫輸入步驟400，氫輸入步驟400提供氫以便驅(qū)動(dòng)氧化碳到燃料F的轉(zhuǎn)化300。電解器是提供氫的優(yōu)選裝置。圖14給出電解器410實(shí)施方式的一部分。優(yōu)選將雙極性電極412用于高電壓和低電流的電解池組。電流414通過所有雙極性電極的表面流入電解液416，使每個(gè)池中的水發(fā)生電解?？梢酝ㄟ^氣體隔膜418將每個(gè)池分開。氫和氧在每個(gè)雙極性電極的相對(duì)側(cè)釋放，收集在電極和隔膜之間空間內(nèi)并將其排出以便用于本發(fā)明100的系統(tǒng)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式 中，使用了比如具有5_20kA/m2的高電流密度的電解器設(shè)計(jì)。與例如l_3kA/m2的低電流密度相比，這種電流密度的增加使得電解器的尺寸更小、重量更輕并且成本更低。但是由于在該增加的電流密度下電極上的過電壓大得多并且電解液中存在電阻損耗，因此存在不同的能量效率。高電流密度的電解器使用了下述的構(gòu)造和操作參數(shù) 操作溫度為130°C，并且可能達(dá)150°C，其減小電極上的過電壓電位并降低電解液的電阻率； 操作壓力在20_30bar范圍以便減少排放氣體的體積而有益于電解液電導(dǎo)率，并減少水的蒸發(fā)及其再循環(huán)； 電解液中KOH的濃度按重量計(jì)約為30% ;和 通過在130-150°C的溫度范圍下使用隔膜材料可以使電極之間的間隔更小。有可能在某種程度的高電流下獲得在熱中性(等溫)電壓附近的池電壓。這指的是如果具有電能供應(yīng)的話，可以實(shí)現(xiàn)該熱中性電位，而無需另外的冷卻或加熱池。如果該電位較低，則需要另外加熱，而如果較高，則需冷卻。高電流密度電解器池中的反應(yīng)水可以通過下述兩種方式進(jìn)行遞送以傳統(tǒng)的方式作為液體遞送，或者通過蒸汽恰好在池中冷凝成水或作為水與蒸汽的組合進(jìn)行遞送。這種選擇尤其作為電流密度、用于電解器的其它輔助子系統(tǒng)選擇、操作電壓的函數(shù)專門設(shè)計(jì)的。由于較低的溫度并且尤其是壓力差，使得高電流密度電解器的選擇導(dǎo)致整個(gè)裝置產(chǎn)生其它的效率。可以使用此處描述的現(xiàn)有裝置對(duì)電解器供電。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，圖15描述使用幾個(gè)串聯(lián)的整流器，每個(gè)整流器分別由相位移變壓器供電。這種電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生了高效率的整流器，所述整流器將第一 EDL中的AC (交流電)電壓轉(zhuǎn)化成電解器運(yùn)行所需的DC(直流電)。為了方便構(gòu)建、維護(hù)和安全起見，可以將高壓電解器組分成幾個(gè)并聯(lián)工作的組?？梢詫?duì)整流器進(jìn)行同樣的操作?？梢詫雽?dǎo)體整流器并聯(lián)以攜帶較高的電流，或者將這樣并聯(lián)的整流器中的每一個(gè)可以連接于單獨(dú)的電解器組?？梢詫?duì)變壓器進(jìn)行同樣的操作。參考圖15和圖16，使用了三個(gè)變壓器，但是這些變壓器不必具有任何的相位移，并且可以使用多個(gè)。如果發(fā)電裝置的輸出電壓與所述組需要的電壓相容的話，甚至可以向高壓電解器池組直接供電而無需任何的變壓器。如在三相配電中常見的，相位移變壓器在入口使用了一個(gè)以上的相，其中相間的相位移不是0°或180°，而通常是120°或240°。在一個(gè)實(shí)例中，通過配電管線(EDL)對(duì)具有三個(gè)輸入相的變壓器432供電。在矢量圖434給出相位關(guān)系。這是一種典型的5相排列。三相變壓器432的一個(gè)相的輸出(次級(jí))繞組通常包括兩個(gè)串聯(lián)的分隔開的繞組。一個(gè)繞組436纏繞在一個(gè)輸入相繞組上，另一個(gè)繞組438纏繞在另一個(gè)輸入相繞組上。每個(gè)次級(jí)繞組的相電壓與該次級(jí)繞組纏繞其上的繞組的輸入電壓同相。通過在這兩個(gè)繞組和極性之間選擇匝數(shù)比或變壓比，可以獲得多種期望的相位移。圖442給出由相同值及120°的相位移的基礎(chǔ)輸入相電壓變壓的變壓比和極性。與相XY中的輸入電壓比較，輸出相XY中的混合電壓產(chǎn)生了相位移。在此實(shí)例中，這種相位移發(fā)生了滯后。圖444給出輸出的極性變化，其使得該相位移領(lǐng)先。整流器本系統(tǒng)可以利用半導(dǎo)體整流器，所述半導(dǎo)體整流器為典型的三相整流器。也可以使用能夠整流更大電流的基于真空管的整流器來替代半導(dǎo)體整流器?？梢允褂靡阎木€圈來并聯(lián)半導(dǎo)體整流器以在并聯(lián)的半導(dǎo)體整流器中實(shí)現(xiàn)電流的合理分配。還可以通過加入更多的相腿和連接來自所有并聯(lián)的相位移變壓器的所有相以將整流器制作成更多的相。輸出電壓將此處描述的相位移變壓器與整流器組合成如圖15所示的電路。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，給出三個(gè)整流電路R為串聯(lián)，這三個(gè)整流電路R分別由相位移變壓器T供電。這種電路使得整流的DC電壓具有很輕微的電壓波動(dòng)、具有1. 5%的振蕩總振幅，其有益于確定電解器的電路中所有部件的尺寸。也有其它的連接方式，例如，將這些電路進(jìn)行并聯(lián)。另一個(gè)替代方案是使用不同數(shù)目的電路，在所述電路中具有或多或少的相和相應(yīng)的較低或較高的輸出電壓波動(dòng)。所產(chǎn)生的電壓是全部三個(gè)整流器電壓的總和。圖17按比例描述一個(gè)三相整流器的電壓線圖452。對(duì)于一個(gè)配電管線電壓周期(360° )，從每相正半周到負(fù)半周，具有六個(gè)正弦波形整流極點(diǎn)。電壓波動(dòng)的深度為cos (30° )=0. 866，或者為峰值電壓的13. 4%。在具有三個(gè)整流器的電路中，相位移維持在20°領(lǐng)先和滯后的相位間。在這種情況下，電壓波動(dòng)的深度為cos (10° )=0. 985，或者為電壓線圖454峰值的1.5%。這種波動(dòng)足夠用于電解器池中的低電流波動(dòng)，其反過來能夠更多地利用電解器池的表面和變壓器與整流器的較低的額定功率。除了其它問題之外，為了方便構(gòu)建、維護(hù)和安全起見，可以將電解器的高壓組分成幾個(gè)并聯(lián)工作的組?？梢詫?duì)整流器進(jìn)行同樣的操作?？梢詫雽?dǎo)體整流器進(jìn)行并聯(lián)以攜帶更強(qiáng)的電流，或者可以將這樣并聯(lián)的整流器分別連接于單獨(dú)的電解器組?？蓪?duì)變壓器進(jìn)行同樣的操作。后處理通常， 轉(zhuǎn)化步驟300輸出的是一系列烴。提供后處理步驟500對(duì)烴進(jìn)行提質(zhì)處理以便得到期望的燃料F混合物。該方法可以使用現(xiàn)有的技術(shù)把來自FT亞組件的烴流轉(zhuǎn)化成期望的燃料，并且如果需要的話，也可以轉(zhuǎn)化成其它產(chǎn)物。圖18給出這種設(shè)備的輸入和輸出。提質(zhì)處理通常包括下述步驟將FT的重質(zhì)餾分(潤滑油和蠟類)進(jìn)行加氫裂化得到主要在柴油和汽油范圍內(nèi)的燃料。應(yīng)注意的是對(duì)氫的精制需求可以優(yōu)選地利用來自電解器的氫滿足。燃燒器-發(fā)電機(jī)圖19給出了一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中的燃燒系統(tǒng)520。輸入到燃燒器的物質(zhì)可以是FT反應(yīng)器組件排出的氣體和/或來自精煉廠的殘留物和/或天然氣化合物。所有這些化合物均可在氣體渦輪發(fā)電機(jī)522中燃燒，其中相對(duì)少的一部分氧來自電解器。來自渦輪廢氣的輸出氣體是蒸汽和二氧化碳。蒸汽被分離成水和殘留物一二氧化碳，其與引入的二氧化碳一起重新供料至氣體混合器中。這是本發(fā)明100的系統(tǒng)的又一氣體再循環(huán)回路。由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力回饋至輸電管線并進(jìn)一步輸送至電解器。因此，系統(tǒng)只產(chǎn)生很少至不產(chǎn)生廢料，只有期望的燃料和燃燒所述燃料所需量的氧。由于所產(chǎn)生的電力被重新回饋至氫的形成，因此這種設(shè)備對(duì)FT亞組件中合成氣的不完全轉(zhuǎn)化不太敏感。此外，由于二氧化碳被重新循環(huán)至RWGS亞組件的入口，因此這種設(shè)備對(duì)RWGS亞組件中二氧化碳分離的分離效率不太敏感。氣體分離和一般處理在所給出的過程中，多個(gè)地方均需要從氣體混合物分離一些氣體，或者必須對(duì)氣體參數(shù)如溫度和壓力進(jìn)行簡單調(diào)節(jié)使其與上游處理相適合。本系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢在于其能量有效的氣體處理。通常有兩種用于氣體處理的能量有效的熱力學(xué)方法。第一種 方法是當(dāng)所有外功轉(zhuǎn)化為氣體能量或者由氣體能量轉(zhuǎn)化時(shí)的絕熱方法。第二種方法是當(dāng)所有外功轉(zhuǎn)化為熱量或由熱量得到時(shí)的等溫方法。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解的是這些均為理想的方法。在實(shí)際的應(yīng)用中，理想的等溫方法中存在一些溫度變化。這些變化使得該方法只是接近等溫。如此處所用，術(shù)語“等溫”應(yīng)包括“接近”、“近似”或其它此類術(shù)語以便對(duì)理想的等溫操作進(jìn)行調(diào)整的操作或處理，并且更具體地涉及以° K測量的在實(shí)際的等溫方法中在理想的等溫溫度±10%的范圍內(nèi)的絕對(duì)溫度的變化。類似地，在實(shí)際的絕熱方法中，除了主要施行的外功之外，還包括一些熱能。這些“實(shí)際”的絕熱方法與“接近”和/或“近似”的絕熱相似，并且所包括的熱能也在來自理想過程的外功能量的土 10%范圍內(nèi)。本發(fā)明優(yōu)選地包括一個(gè)或多個(gè)用于“等溫地”改變氣體壓力的單元，所述單元結(jié)合理想等溫過程溫度的±10%范圍。如上所述，本發(fā)明優(yōu)選地包括一個(gè)或多個(gè)用于“絕熱地”改變氣體溫度的單元，所述單元結(jié)合理想絕熱過程的土 10%范圍。如圖20所示，給出了使用這兩種過程的統(tǒng)一的氣體分離圖表。首先，610-614這三種過程對(duì)氣體混合物進(jìn)行調(diào)節(jié)以便經(jīng)由冷凝器616中的冷凝作用來分離該氣體混合物中的一種或多種組分。然后，618-622這三個(gè)過程過程對(duì)殘留的氣體混合物進(jìn)行調(diào)節(jié)以便作進(jìn)一步處理。分離的一種或多種氣體在冷凝器616的液相中。如果期望在氣相中作進(jìn)一步處理，則將某些氣體在蒸發(fā)器624中蒸發(fā)，且隨后通過626-630的過程進(jìn)行調(diào)節(jié)以便作進(jìn)一步處理。610-614或618-620或626-630的每組過程的主要作用均相同。所述過程均集中于以絕熱過程對(duì)氣體進(jìn)行調(diào)節(jié)以避免任何氣體混合物組分產(chǎn)生到液體或固體的相變。每種過程均由等溫地調(diào)節(jié)壓力開始。其次，對(duì)氣體或氣體混合物進(jìn)行絕熱處理從而改變溫度。經(jīng)該處理后，根據(jù)進(jìn)一步處理的需要，通過最后的等溫過程來改變壓力。總而言之，等溫地改變壓力，以及絕熱地改變溫度。圖21給出絕熱機(jī)，其中一個(gè)絕熱機(jī)通過使用來自配電管線的電力進(jìn)行壓縮而提升溫度和壓力，另一個(gè)絕熱機(jī)降低溫度和壓力及對(duì)所述配電管線產(chǎn)生電力。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，電力管線作為傳遞至或得自絕熱過程的電的來源接收者。壓縮機(jī)632優(yōu)選為通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦輪，并且膨脹器634也優(yōu)選為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)的渦輪。與電力網(wǎng)中使用的其它發(fā)電機(jī)很相似，該發(fā)電機(jī)必須與輸電管線中的電壓頻率和相位同步并且與電壓值相匹配。也可以使用除渦輪型之外的其它類型的壓縮機(jī)和膨脹器。圖22給出等溫機(jī)，其中一個(gè)用于提高壓力，另一個(gè)用于降低壓力。在提高壓力的等溫機(jī)中，使用了經(jīng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)636，并且接收來自輸電管線的電的所得氣體混合物被壓縮和冷卻。通過冷卻器638除去熱量。除去的熱量理論上與輸電管線輸送的電能相等。對(duì)于大的壓力變化，可以使用幾個(gè)串聯(lián)的等溫壓力變換器。在這種情況下，所述等溫壓力變換器稱為隔離壓縮機(jī)(interleaved compressor)。它們與冷卻器相互隔離。相反的過程用于等溫地降低壓力。在這種情況下，將氣體混合物進(jìn)行膨脹，此操作同時(shí)降低了氣體混合物的壓力和溫度。溫度的變化由加熱補(bǔ)償。此外，傳遞至混合物的熱量理論上與通過膨脹器640驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)傳遞至輸電管線的能量相等。優(yōu)選使用渦輪同時(shí)作為壓縮機(jī)和膨脹器，但是也可以使用其它類型。該系統(tǒng)在等溫機(jī)中使用冷卻器638和加熱器642。所述冷卻器638和加熱器642本質(zhì)上是換熱器。對(duì)于等溫操作，優(yōu)選使用工作流體的相變來將熱量傳遞至通過這些換熱器的氣體或者從通過這些換熱器的氣體除去熱量。上述操作使得該系統(tǒng)處理熱量時(shí)具有接近零的溫度變化。轉(zhuǎn)到圖7，其中給出的是本發(fā)明中使用的能量分配管線的幾個(gè)實(shí)例。第一管線是將電輸送至下述所有用途-電解 器和所有的電動(dòng)機(jī)的輸電管線，并接收來自下述所有來源-發(fā)電裝置和所有內(nèi)部發(fā)電機(jī)的電。其它管線是熱量分配管線。所述熱量分配管線輸送或接收來自不同來源的熱量并使用所述熱量。每個(gè)管線優(yōu)選包括兩部分，即液體部分和蒸汽部分。當(dāng)必須通過管線傳遞熱量時(shí)，將蒸汽引入專用來接收該熱量的換熱器，隨后在該換熱器中冷凝并釋放熱量，并且將冷凝液輸送至熱量分配管線的另一半。當(dāng)必須接收熱量時(shí)，使用相反的過程將液體蒸發(fā)成蒸汽。在本方法中，發(fā)生相變的溫度的例子是 a) RffGS反應(yīng)器的溫度-熱量分配管線RWGS (RffGS管線)；b) FT反應(yīng)器的溫度-熱量分配管線FT (FT管線)；c)電解器中水的溫度-熱量分配管線E (E管線)；d)室溫-熱量分配管線A (A管線)；和e) 二氧化碳分離的溫度-熱量分配管線C (C管線)。以下是用于這些管線的工作流體的例子a)用于RWGS管線的乙二醇；
b)用于FT管線的水，或者在較高溫度下的替代物，比如乙二醇；c)用于E管線的水；d)用于A管線的氨；和e)用于C管線的乙烯。圖23給出冷凝器和蒸發(fā)器、圖20的電機(jī)616和624的組合。冷凝器部件是換熱器652，其中氣體混合物通過該換熱器652。經(jīng)由蒸發(fā)器654蒸發(fā)工作流體而除去氣體混合物的熱量，并且該操作使為該冷凝預(yù)處理的期望的混合物組分在換熱器652的收集器部件656中發(fā)生了冷凝。收集液化氣并將其排入蒸發(fā)器中，在該蒸發(fā)器中發(fā)生相反的過程。從相同的熱量分配管線將熱量傳遞至蒸發(fā)換熱器。理論上，所分離的氣體的這種冷凝和蒸發(fā)過程屬于能量中性。圖24給出電能如何分配和再循環(huán)。管線I是三相的配電管線。其按照圖6的主要電源進(jìn)行供電，優(yōu)選通過快中子增殖反應(yīng)堆供電。其還可以通過圖27的發(fā)電機(jī)716在FT反應(yīng)器中釋放的殘留能量供電。圖14的電解器池是主要的電力使用者。在絕熱的溫度變化和等溫的壓力變化中使用的所有膨脹器發(fā)電機(jī)裝置均向該管線供電，并且在絕熱的溫度變化和等溫的壓力變化中使用的所有壓縮電動(dòng)機(jī)均由該管線進(jìn)行供電。實(shí)際上，所有其它附屬發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)均連接至該管線。我們給出了其中使用不同電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的一些區(qū)域。

圖25給出如何使用熱量分配和再循環(huán)管線。在RWGS管線中，通過圖27所示的熱泵710傳遞熱量，所述熱量得自FT反應(yīng)器中釋放的能量。如圖10所描繪的，該熱量用于加熱RWGS反應(yīng)器。圖22所給出的所有的加熱器和冷卻器，所述加熱器和冷卻器在這些反應(yīng)器的引入與流出氣體的等溫壓力變化中使用，它們使用或傳遞來自或進(jìn)入該管線的熱量。在FT管線中，經(jīng)由圖27的換熱器714傳遞熱量，所述熱量得自FT反應(yīng)器中釋放的能量。圖22給出所有的加熱器和冷卻器，所述加熱器和冷卻器在這些反應(yīng)器的引入與流出氣體的等溫壓力變化中使用，它們使用或傳遞來自或進(jìn)入該管線的熱量。在電解器管線中，經(jīng)由圖27的換熱器712傳遞熱量，所述熱量得自FT反應(yīng)器中釋放的能量。主要使用熱的是圖28用于電解器水的加熱器/蒸發(fā)器。圖22給出所有的加熱器和冷卻器，所述加熱器和冷卻器在這些反應(yīng)器的引入與流出氣體的等溫壓力變化中使用，它們使用或傳遞來自或進(jìn)入該管線的熱量。圖26給出另外兩種熱量分配和再循環(huán)管線。其中一種是在室溫下操作的管線。圖22給出所有的加熱器和冷卻器，所述加熱器和冷卻器在室溫下引入與流出氣體的等溫壓力變化中使用，它們使用或傳遞來自或進(jìn)入該管線的熱量。圖23給出氣體分離器的所有蒸發(fā)器和冷凝器，如蒸汽分離器由該管線獲取熱量或者將熱量傳遞至該管線。還有攜帶來自二氧化碳分離管線的熱泵的過量熱量收集端。整個(gè)裝置中所有未使用的熱量將傳遞至該管線并主要作為廢熱散失掉。圖26中的另一種管線是二氧化碳分離管線。圖22給出所有的加熱器和冷卻器，所述加熱器和冷卻器在接近二氧化碳液化分離的溫度下于引入與流出氣體的等溫壓力變化中使用，它們使用或傳遞來自或進(jìn)入該管線的熱量。圖23給出用于二氧化碳分離的所有蒸發(fā)器和冷凝器，所述蒸發(fā)器和冷凝器由該管線獲取熱量或者將熱量傳遞至該管線。二氧化碳分離管線不僅用于從RWGS反應(yīng)器出口的流出氣體中分離二氧化碳，而且用于分離FT反應(yīng)器流出氣體中的C3和C4烴以及殘留二氧化碳。還有將來自二氧化碳分離管線的過量熱量帶入周圍管線的熱泵的過量熱量收集端。優(yōu)選的氣體分離和處理通常通過具有50bar氣體管線壓力并且在室溫下的管線將二氧化碳輸送至該設(shè)備。為了輸入RWGS亞組件中，應(yīng)將二氧化碳加熱至RWGS的溫度，在此實(shí)施方式中為400°C，且操作壓力如25bar。為了達(dá)到這一點(diǎn)，可以使用圖20中610-614的全部或部分過程。來自電解器的氫在130_150°C的溫度和20_30bar的壓力下產(chǎn)生，并且必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以便輸入到RWGS亞組件中。為了達(dá)到這一點(diǎn)，可以使用圖20中610-614的全部或部分過程。在每個(gè)RWGS反應(yīng)器的出口處，必須分離蒸汽。為了除去大部分的蒸汽，必須在低溫下進(jìn)行此操作。在此實(shí)施方式中，所述低溫為室溫。為了實(shí)現(xiàn)這種分離，可以使用圖20中610-614以及616的全部或部分過程。此外,過程614-616可以組合在一臺(tái)機(jī)器中。在分離后，必須使用圖20的618-622的全部或部分過程對(duì)氣體重新調(diào)整以便作進(jìn)一步處理?？梢允褂枚喾N過程來分離RWGS亞組件中第三蒸汽分離器出口流出物流中存在的二氧化碳，所述過程如胺吸收、碳酸鹽吸收、變壓吸收、吸附、氣體滲透和添加劑輔助的低溫技術(shù)(例如Ryan-Holmes)或三相低溫技術(shù)(CFZ)。當(dāng)使用液化作用來分離大部分二氧化碳后，則可以使用圖20的全部或部分過程。在此實(shí)施方式中，溫度T1是室溫，冷凝溫度T3在_55°C范圍，溫度T4與FT反應(yīng)器溫度相等，在此實(shí)施方式中，F(xiàn)T反應(yīng)器溫度為220°C，以及溫度T6與RWGS反應(yīng)器的溫度相等，在此實(shí)施方式中，RffGS反應(yīng)器溫度為400°C。進(jìn)入FT反應(yīng)器亞組件的氫在130_150°C的溫度與20_30bar的壓力下來自電解器，并且必須調(diào)節(jié)至如此實(shí)施方式中所優(yōu)選的220°C和20bar。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以使用圖20的610-614的全部或部分過程。

如果將一氧化碳供應(yīng)至FT亞組件，有可能是在50bar的典型壓力和室溫下經(jīng)由管線輸送。為了輸入到FT亞組件中，應(yīng)將一氧化碳加熱至FT的溫度，在此實(shí)施方式中，F(xiàn)T的溫度為220°C，并且膨脹至操作壓力如20bar。為了達(dá)到這一點(diǎn)，可以使用圖20的610-614的全部或部分過程。在此實(shí)施方式中，在室溫下于各FT反應(yīng)器出口處分離蒸汽。為了實(shí)現(xiàn)該分離，可以使用圖20的610-614和616的全部或部分過程。此外，過程614-616可以組合在一臺(tái)機(jī)器中。在第二 FT反應(yīng)器之前分離之后，必須使用圖20的618-622的全部或部分過程對(duì)氣體重新調(diào)整以便作進(jìn)一步處理。在第二 FT反應(yīng)器之后，蒸汽連同殘留的重質(zhì)烴一起也在室溫下進(jìn)行分離。為了實(shí)現(xiàn)該分離，可以使用圖20的610-614和616的全部或部分過程。此外，過程614和616可以組合在一臺(tái)機(jī)器中。繼該分離之后，必須使用圖20的610-616的全部或部分過程來分離C3和C4烴氣。在二氧化碳和合成氣的含量較低時(shí)，可以在室溫下進(jìn)行冷凝。否則，必須在較低的溫度下進(jìn)行而不是在較高的壓力下進(jìn)行。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，具有用于二氧化碳冷凝的C管線，并且該管線用于該混合物中C3、CdP CO2的冷凝。因此，通過改變分離的液體的壓力，CO2將首先蒸發(fā)并通過圖20的過程624-630進(jìn)行處理以便輸入RWGS組件中。C3和C4化合物的冷凝物可以以液體形式使用，或者如果需要，可以使用圖20的624-630的全部或部分過程進(jìn)行蒸發(fā)并調(diào)整成氣體。最后，必須再次使用618-622的全部或部分過程對(duì)殘留的C1和C2烴、合成氣及其它氣體進(jìn)行調(diào)整以便輸入到可控的釋放322。然后，在FT亞組件的循環(huán)回路中，氣體必須由可控釋放的室溫和壓力的輸入條件轉(zhuǎn)化至第一 FT反應(yīng)器的輸入條件-在此實(shí)施方式中為220°C和20bar。此外，可以使用圖20的610-614的全部或部分過程。最后，如果將來自電解器的氧進(jìn)行輸送以在該裝置的外部使用，也必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。所述氧在130-150°C的溫度和20-30bar的壓力下來自電解器。對(duì)于通過管線的輸送，必須將氧調(diào)整至50bar的一般管線壓力以及室溫。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以使用圖20的610-614的任何或全部過程。 類似地，對(duì)于到燃燒器-發(fā)電機(jī)的氧輸送、燃燒器-發(fā)電機(jī)的蒸汽分離以及二氧化碳重新返回入口的輸送而言，可以使用此處描述的用于此類目的的過程以及圖20中所給出的過程。類似地，可以以所描述的相同方式對(duì)精制中使用的氫進(jìn)行處理，但是針對(duì)的是不同的輸出溫度和壓力。

來自費(fèi)-托亞組件的熱量的再循環(huán)費(fèi)-托反應(yīng)器中反應(yīng)放出的熱是該裝置中驅(qū)動(dòng)所有氣體處理的主要能量來源和用于水電解的另外的電能來源。如圖27所示，我們給出了用于FT反應(yīng)器的冷卻回路。在此實(shí)施方式中，分配用于冷卻反應(yīng)器的工作流體的蒸汽以在幾個(gè)熱機(jī)中進(jìn)行冷凝。第一機(jī)器710是熱泵，其將蒸汽冷凝產(chǎn)生的熱量泵送至RWGS熱量分配管線。在冷凝器的出口處，于冷凝溫度下工作流體為液相。第二機(jī)器是換熱器，其將水加熱至電解器的溫度。此外，該熱量通過工作流體的冷凝進(jìn)行傳遞。該過程可以使用圖20的610-616的全部或部分過程，并且所產(chǎn)生的電力通過配電管線輸送至電解器。將由FT管線流出的液體重新加熱并進(jìn)行壓縮以使其與FT反應(yīng)器的溫度和壓力相匹配。如果需要這樣的熱量來平衡該管線中的熱流，則第三機(jī)器通過冷凝將熱量傳遞至FT熱量分配管線。殘留的蒸汽驅(qū)動(dòng)電力發(fā)電機(jī)716，其中出口溫度優(yōu)選為室溫水平。將電能傳遞至配電管線并經(jīng)由該管線傳遞至電解器以便加入到通過電力裝置傳遞的能量中。將液化的工作流體再壓縮和再加熱至來自其它冷凝器的該種流體的壓力和溫度，并通過蒸發(fā)重新返回至FT反應(yīng)器以便冷卻所述流體。使用來自FT熱量分配管線的熱量對(duì)水進(jìn)行再次加熱。所述工作流體的例子是水。在較高的FT操作溫度下，可以使用其它流體如乙二醇。供料至電解器的水發(fā)明人于圖28給出了供料至電解器的水的處理。水來自多種來源。優(yōu)選在該裝置中將來自其它過程的等量的水進(jìn)行再循環(huán)，特別是來自RWGS反應(yīng)器蒸汽分離器的水、來自FT反應(yīng)器蒸汽分離器的水、來自燃燒器-發(fā)電機(jī)蒸汽分離器的水以及任何在精制中收集的水。所有這些水和引入水的物流處于不同的溫度，其中大部分約在室溫，但是電解器的水處于130-150°C，并被壓縮至20-30bar。此外，在超過一定高電流密度時(shí)，必須對(duì)電解器進(jìn)行冷卻，并且在低于一定電流密度時(shí)，必須對(duì)電解器進(jìn)行加熱。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，我們使用水的加熱/沸騰和壓縮將這種水調(diào)整至所述溫度和電解器壓力，即該水吸收電解器過量的熱或者傳遞所述過量的熱。當(dāng)以熱量傳遞的方式進(jìn)行時(shí)，所述水的一部分甚至可以被蒸發(fā)以經(jīng)由冷凝作用將更多的熱量傳遞至電解器的水。當(dāng)以熱量吸收的方式進(jìn)行時(shí)，水溫低于電解器中的溫度。對(duì)于蒸汽壓縮，可以使用圖20的610-614的全部或部分過程。對(duì)于水的加熱，使用E管線的熱量。主要控制電子控制是本發(fā)明100的系統(tǒng)所固有的。所述控制包括物理層和控制計(jì)算機(jī)，所述控制計(jì)算機(jī)具有結(jié)合控制算法的軟件。所述物理層包括傳感器和驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明100的每個(gè)功能性模塊均具有傳感器，所述傳感器涉及下述函數(shù)一比如尤其是氣體流量或者氣體或液體流量密度、壓力、溫度、速度。所述驅(qū)動(dòng)器是用于冷凝器和蒸發(fā)器的泵、由膨脹渦輪驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)、氣體和液體流節(jié)流閥或閥、機(jī)械調(diào)節(jié)器如渦輪中的輪葉以及施行某種功能所需的其它部件。優(yōu)選使用分配計(jì)算機(jī)具有冗余的處理來確?？刂频陌踩图皶r(shí)。本發(fā)明100的主要控制功能包括 控制RWGS組件中引入二氧化碳到一氧化碳的完全轉(zhuǎn)化； 控制費(fèi)-托組件輸出氣體的排放以將該輸出物流中的烴或其它氣體維持在預(yù)定的濃度； 控制供應(yīng)至RWGS組件入口的氫； 控制供應(yīng)至FT組件入口的氫；
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圖29-32描述本發(fā)明100控制過程1500的不同系統(tǒng)。圖29描述RWGS組件的控制。RWGS組件控制的主要目的在于使用反饋控制將引入的二氧化碳盡可能充分地轉(zhuǎn)化成一氧化碳。引入二氧化碳的流量經(jīng)由節(jié)流裝置1502進(jìn)行控制，所述節(jié)流裝置1502具有由電力驅(qū)動(dòng)器1504驅(qū)動(dòng)的調(diào)節(jié)元件。在節(jié)流閥1502之后設(shè)置用于引入二氧化碳的流量計(jì)1506。在RWGS組件的出口處設(shè)置用于一氧化碳的第二流量計(jì)1508。將兩個(gè)流量計(jì)的輸出物供料至如圖所示的誤差放大器1512的入口，并且那些輸入以摩爾速度進(jìn)行校準(zhǔn)。這種放大器的輸出驅(qū)動(dòng)電力驅(qū)動(dòng)器1504。如果一氧化碳的量變得低于二氧化碳的量，則誤差放大器的輸出減少節(jié)流閥的驅(qū)動(dòng)并且降低二氧化碳的流量，從而造成兩個(gè)流量之間的差異較小，并帶有這種負(fù)反饋回路
誤差帶寬。圖30給出FT組件的控制。控制FT組件的主要目的在于將組件出口處的烴或其它氣體如合成氣維持在一定的水平，以達(dá)到使FT組件循環(huán)回路流出的合成氣排放最小的最終目的。將FT亞組件出口處的控制氣體流量計(jì)1522設(shè)置在分流器322之前。來自該流量計(jì)的信號(hào)供入誤差放大器1526，在誤差放大器1526中，來自流量計(jì)的信號(hào)與參比水平進(jìn)行比較。這種放大器的輸出供至電力驅(qū)動(dòng)器1528，所述電力驅(qū)動(dòng)器1528控制分流器322的流量控制元件1532。這是負(fù)反饋回路并且處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，流量控制裝置1532提供了足夠的流出氣體以便將控制氣體的量保持在如參比水平所規(guī)定的穩(wěn)態(tài)。如果控制的氣體較多，隨后將流量控制裝置打開得更大并減少該過量，反之亦然。圖31給出對(duì)RWGS亞組件的氫供應(yīng)的控制。這種控制的主要目的在于針對(duì)RWGS亞組件出口處期望的h2/co比供應(yīng)足夠的氫。通過同一流量計(jì)1506來測量引入二氧化碳的流量。還有另一個(gè)氫流量計(jì)1544。二氧化碳流量計(jì)的輸出供入倍增器1546，所述倍增器1546通過RWGS亞組件入口處期望的氫與二氧化碳的比值來放大信號(hào)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述比值在1. 5與3. 2之間。來自放大器和氫流量計(jì)的信號(hào)反饋至誤差放大器1548，并且以摩爾速度校準(zhǔn)那些輸入值。這種放大器的輸出值供給驅(qū)動(dòng)器1552以控制氫流量調(diào)節(jié)器1554，所述調(diào)節(jié)器1554可以如節(jié)流閥一樣簡單。氫由電解器供應(yīng)。電解器是負(fù)反饋回路。當(dāng)放大器1548的輸出值為零時(shí)，電解器的靜態(tài)條件允許氫流動(dòng)。如果供應(yīng)的二氧化碳量降低，則放大器1548的輸出信號(hào)將減小經(jīng)由1554的流量。反之亦然。圖32給出對(duì)FT亞組件入口處氫供應(yīng)的控制。這種控制的主要目的在于調(diào)節(jié)分離器328與分流器332之間的氫與一氧化碳的比值以便在FT亞組件中所需的烴產(chǎn)量。通過流量計(jì)1562測量一氧化碳的流量以及通過流量計(jì)1564測量氫的流量。這兩個(gè)流量計(jì)以摩爾速度進(jìn)行校準(zhǔn)。來自流量計(jì)1562的信號(hào)供至倍增器1566，其中放大系數(shù)代表出口處氫與一氧化碳的期望比值。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述比值約為2，其與FT亞組件入口處的比值相似，并且作為據(jù)此描述的具體類型FT反應(yīng)器的操作條件的函數(shù)進(jìn)行變化。倍增器1566和流量計(jì)1564的輸出值供至誤差放大器1568。該放大器的輸出值供至控制驅(qū)動(dòng)器1572，所述控制驅(qū)動(dòng)器1572電力驅(qū)動(dòng)可以與節(jié)流閥一樣簡單的氫流量控制裝置1574的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。氫由電 解器通過該流量控制器1574供料至FT亞組件的入口。這是負(fù)反饋回路。當(dāng)放大器1568的輸出值為零時(shí)，輸送至FT亞組件的氫量恰好可以獲得期望的放大器系數(shù)。如果在FT亞組件出口處檢測到更多的氫，則流量控制裝置1574將進(jìn)行調(diào)節(jié)以通過較少的氫，反之亦然。在池區(qū)還有水位控制器。所述水位控制器調(diào)節(jié)安裝在排水管中的排水機(jī)構(gòu)。所述水位控制器是通過排水來維持貯罐內(nèi)液面的常規(guī)控制器。電能的使用表I總結(jié)地描述了此處所描述的效率和電能使用的計(jì)算。
能量流量的概括表(kJ)
氧化敵進(jìn)料CO2 CO CO CO
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)烴化合物的方法，其包括至少下述步驟a)在供應(yīng)有電能的電解池中由水產(chǎn)生氫氣；b)將外部供應(yīng)的二氧化碳?xì)怏w和至少一部分所述氫氣進(jìn)料到逆向水煤氣變換反應(yīng)器， 以產(chǎn)生包括至少水物流和合成氣的氣態(tài)物流，所述合成氣為氫氣和一氧化碳?xì)怏w的混合物；特征在于bl)所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器包括串連連接的反應(yīng)器，其中第一反應(yīng)器供應(yīng)有化學(xué)計(jì)量量大于二氧化碳?xì)怏w的氫氣；b2)水物流在所述串連連接的反應(yīng)器之間分離；Cl)將來自所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器的合成氣和如果存在的剩余二氧化碳?xì)怏w供應(yīng)給費(fèi)-托反應(yīng)器，以產(chǎn)生烴化合物；和d)將來自費(fèi)-托過程步驟的至少一部分過量熱能轉(zhuǎn)移至需要能量的過程步驟。
2.權(quán)利要求1的方法，其中來自所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器和/或所述費(fèi)-托反應(yīng)器的至少一部分二氧化碳?xì)怏w返回至所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器的入口。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中在步驟bl)內(nèi)進(jìn)行如下步驟bll)將所述氫氣和所述二氧化碳?xì)怏w進(jìn)料到第一逆向水煤氣變換反應(yīng)器，以產(chǎn)生第一合成氣物流以及二氧化碳和水物流；bl2)通過與所述第一物流冷凝分離至少一部分水物流產(chǎn)生第二合成氣物流以及二氧化碳；bl3)將所述第二合成氣物流以及二氧化碳進(jìn)料到第二逆向水煤氣變換反應(yīng)器，以產(chǎn)生第三合成氣物流以及二氧化碳和水物流；bl4)通過與所述第三物流冷凝分離至少一部分水物流產(chǎn)生第四合成氣物流以及二氧化碳；bl5)將所述第四合成氣物流以及二氧化碳進(jìn)料到第三逆向水煤氣變換反應(yīng)器，以產(chǎn)生第五合成氣物流以及二氧化碳和水物流；bl6)通過與所述第五物流冷凝分離至少一部分水物流產(chǎn)生第六合成氣物流以及二氧化碳；bl7)通過與所述第六物流分離至少一部分二氧化碳產(chǎn)生最后的合成氣物流； bl8)將分離出來的二氧化碳進(jìn)料到所述第一逆向水煤氣變換反應(yīng)器的入口 ；和 bl9)將所述最后的合成氣物流以及如果存在的剩余二氧化碳供應(yīng)至所述費(fèi)-托反應(yīng)器的入口。
4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)的方法，其中所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器的操作溫度在 350-500°C之間。
5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的方法，其中所述費(fèi)-托反應(yīng)器包括具有中間水物流分離的串連連接的反應(yīng)器。
6.權(quán)利要求5的方法，其中各費(fèi)-托反應(yīng)器在不同溫度下操作。
7.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其中將包含在費(fèi)-托反應(yīng)器出口物流中的至少一部分氣體返回至其入口。
8.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的方法，其中來自費(fèi)-托反應(yīng)器的出口氣體和/或烴化合物在燃燒器-發(fā)電機(jī)中燃燒以產(chǎn)生至少一部分電能，從燃燒器發(fā)電機(jī)的廢氣中分離出蒸汽和將所述廢氣中的二氧化碳返回至RWGS反應(yīng)器的入口。
9.權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)的方法，其中來自費(fèi)-托過程的至少一部分過量熱能通過熱泵過程傳遞給逆向水煤氣變換反應(yīng)器所需要的熱量。
10.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)的方法，其中所述方法中氣體的溫度至少接近絕熱地變化和/ 或所述方法中氣體的壓力至少接近等溫地變化，其中通過使用來自電力管線的電能/向電力管線產(chǎn)生電能在壓縮機(jī)/膨脹器中壓縮/膨脹引入的氣體而至少接近絕熱地提高或降低所述溫度，從而使所涉及的熱能少于所應(yīng)用/產(chǎn)生的電能的10%，和通過使用來自電力管線的電能/向電力管線產(chǎn)生電能在壓縮機(jī)/膨脹器中壓縮/膨脹引入的氣體和通過向熱量分配管線傳遞熱量/從熱量分配管線吸取熱量冷卻/加熱被壓縮/膨脹的氣體而至少接近等溫地提高或降低所述壓力，從而使被處理氣體的絕對(duì)溫度。K與引入氣體的絕對(duì)溫度。K 的偏差少于10%。
11.權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)的方法，還包括熱量分配過程，其中提供了連接兩個(gè)或多個(gè)所述步驟的熱量分配管線，用于接收來自所述步驟的熱量或者用于將熱量供應(yīng)至所述步驟以減少對(duì)外部供應(yīng)的此類熱量或熱能的余量的需求。
12.權(quán)利要求11的方法，其中熱量分配管線中傳遞熱量或熱能的工作流體在所述換熱器上游為氣態(tài)和在所述換熱器下游為液態(tài)，或者其中熱量分配管線中吸收熱量或熱能的工作流體在所述換熱器上游為液態(tài)和在所述換熱器下游為氣態(tài)。
13.一種用于生產(chǎn)烴化合物的系統(tǒng)，其包括至少下述單元 a)電解器(410)，適用于由水和電能產(chǎn)生氫氣；b)逆向水煤氣變換反應(yīng)器(360)，適用于向其中供應(yīng)所述氫氣和外部供應(yīng)的二氧化碳?xì)怏w以產(chǎn)生包括至少水物流和合成氣的氣態(tài)物流，所述合成氣為氫氣和一氧化碳?xì)怏w的混合物；和c)費(fèi)-托反應(yīng)器(320)，適用于向其中供應(yīng)包含在所述合成氣中的一氧化碳?xì)怏w和氫氣以產(chǎn)生烴化合物；特征在于bl)所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器(360)包括串連連接的反應(yīng)器，其中第一反應(yīng)器適用于供應(yīng)化學(xué)計(jì)量量大于二氧化碳?xì)怏w的氫氣；b2)提供用于在所述串連連接的反應(yīng)器之間分離水物流的裝置；Cl)費(fèi)-托反應(yīng)器(320)適用于向其中供應(yīng)來自所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器的合成氣和如果存在的剩余二氧化碳?xì)怏w；和d)提供用于將費(fèi)-托反應(yīng)器組件中產(chǎn)生的至少一部分過量熱能傳遞至需要熱能的其它單元的裝置。
14.權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中提供適用于將來自所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器(360)和 /或所述費(fèi)-托反應(yīng)器(320)的至少一部分二氧化碳返回至所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器的入口的裝置(386)。
15.權(quán)利要求13或14的系統(tǒng)，其中所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器包括bll)第一逆向水煤氣變換反應(yīng)器(382)，適用于向其中供應(yīng)化學(xué)計(jì)量量大于二氧化碳?xì)怏w的氫氣，以產(chǎn)生第一合成氣物流以及二氧化碳和水物流；bl2)冷凝單元(392)，用于與所述第一合成氣物流冷凝分離至少一部分水物流以產(chǎn)生第二合成氣物流以及二氧化碳；bl3)第二逆向水煤氣變換反應(yīng)器(388)，適用于向其中供應(yīng)所述第二合成氣物流以及二氧化碳以產(chǎn)生第三合成氣物流以及二氧化碳和水物流；bl4)冷凝單元(392)，用于與所述第三合成氣物流冷凝分離至少一部分水物流以產(chǎn)生第四合成氣物流以及二氧化碳；bl5)第三逆向水煤氣變換反應(yīng)器(394)，適用于向其中供應(yīng)所述第四合成氣物流以及二氧化碳以產(chǎn)生第五合成氣物流以及二氧化碳和水物流；bl6)冷凝單元(392)，用于與所述第五合成氣物流冷凝分離至少一部分水物流以產(chǎn)生第六合成氣物流以及二氧化碳；bl7)分離單元(396)，用于分離所述第六物流中包含的至少一部分二氧化碳以產(chǎn)生最后的合成氣物流以及剩余二氧化碳；用于將所述最后物流供應(yīng)至費(fèi)-托反應(yīng)器組件(320) 以產(chǎn)生至少烴化合物的混合物的裝置；和bl8)進(jìn)料返回管線(386)，用于將由第六物流中分離出來的二氧化碳進(jìn)料到所述第一逆向水煤氣變換反應(yīng)器(382)的入口。
16.權(quán)利要求13-15任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述逆向水煤氣變換反應(yīng)器(382，388，394)適用于在350-500°C之間的操作溫度。
17.權(quán)利要求13-16任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述費(fèi)-托反應(yīng)器包括具有中間水物流分離的串連連接的反應(yīng)器(342，334)。
18.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中各費(fèi)-托反應(yīng)器適用于在不同溫度下操作。
19.權(quán)利要求13-18任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括適用于將包含在費(fèi)-托反應(yīng)器(320)出口物流中的至少一部分氣體返回至其入口的裝置。
20.權(quán)利要求13-19任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括適用于燃燒來自費(fèi)-托反應(yīng)器的出口氣體和 /或烴化合物以產(chǎn)生一部分所述電能的燃燒器/發(fā)電機(jī)(520)、用于從燃燒器/發(fā)電機(jī)的廢氣中分離出蒸汽的裝置和將所述燃燒器/發(fā)電機(jī)的廢氣中的二氧化碳返回至逆向水煤氣變換反應(yīng)器入口的裝置。
21.權(quán)利要求13-20任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括適用于傳遞來自費(fèi)-托反應(yīng)器(320)產(chǎn)生的熱量以提供逆向水煤氣變換反應(yīng)器(360)所需要的至少一部分熱量的熱泵(710)。
22.權(quán)利要求13-21任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括適用于使所述系統(tǒng)中處理的氣體的溫度至少接近絕熱地變化和/或使所述系統(tǒng)中處理的氣體的壓力至少接近等溫地變化的至少一個(gè)單元，其中通過使用來自電力管線的電能/向電力管線產(chǎn)生電能在壓縮機(jī)/膨脹器中壓縮/膨脹引入的氣體而至少接近絕熱地提高或降低所述溫度，從而使所涉及的熱能少于所應(yīng)用/產(chǎn)生的電能的10%，和通過使用來自電力管線的電能/向電力管線產(chǎn)生電能在壓縮機(jī) /膨脹器中壓縮/膨脹引入的氣體和通過向熱量分配管線傳遞熱量/從熱量分配管線吸取熱量冷卻/加熱被壓縮/膨脹的氣體而至少接近等溫地提高或降低所述壓力，從而使被處理氣體的絕對(duì)溫度。K與引入氣體的絕對(duì)溫度。K的偏差少于10%。
23.權(quán)利要求13-22任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括連接兩個(gè)或多個(gè)所述單元的熱量分配管線， 所述熱量分配管線適用于接收來自所述單元的熱量或者將熱量供應(yīng)至所述單元以減少對(duì)外部供應(yīng)的此類熱量或熱能的余量的需求。
24.權(quán)利要求13-23任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述電解池(410)的電能供應(yīng)(200)包括與具有三相以上的多相電力供應(yīng)相連的整流器。
25.權(quán)利要求24的系統(tǒng)，其中所述多相電力供應(yīng)使用在三相電能供應(yīng)和所述整流器之間的一個(gè)或多個(gè)相位移變壓器(432)。
26.權(quán)利要求13-25任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括產(chǎn)生電能的原子核發(fā)電裝置(210)。
全文摘要
一種用于生產(chǎn)烴化合物或燃料的方法及系統(tǒng)，所述方法及系統(tǒng)再循環(huán)烴化合物燃燒的產(chǎn)物—二氧化碳或一氧化碳、或兩者和水。用于再循環(huán)的能量是電，其優(yōu)選地來自非化石基燃料，比如來自核燃料或來自可再生能。所述方法包括下述步驟電解水，然后使用氫將外部供應(yīng)的二氧化碳還原成一氧化碳，隨后在費(fèi)-托反應(yīng)器中與任何外部供應(yīng)的一氧化碳及氫一起使用如此產(chǎn)生的一氧化碳，以在上游提質(zhì)處理至期望規(guī)格的燃料—例如汽油、噴氣燃料、煤油、柴油燃料及其它。在這些方法的某些過程中所釋放的能量為其它方法所使用。使用絕熱溫度變化和等溫壓力變化來進(jìn)行氣體處理和分離，并使用配電管線和熱量分配管線將大量所需能量進(jìn)行內(nèi)部再循環(huán)。將工作流體的相變用于熱量分配管線以提高能量效率。在本發(fā)明中，當(dāng)二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳時(shí)，最終使用的電能低于如此產(chǎn)生的烴化合物燃燒的高熱值的量的1.4倍，并且當(dāng)使用一氧化碳作為能源時(shí)最終使用的電能低于如此產(chǎn)生的烴化合物燃燒的高熱值的量的0.84倍。
文檔編號(hào)C10J1/00GK103059899SQ20121028178
公開日2013年4月24日 申請日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月16日
發(fā)明者A·J·賽韋林斯奇 申請人:弗爾科有限責(zé)任公司