專利名稱：合成物質(zhì)、特別是合成燃料或原料的制備方法以及該方法的相關(guān)設(shè)備和應(yīng)用的制作方法
合成物質(zhì)、特別是合成燃料或原料的制備方法以及該方法
的相關(guān)設(shè)備和應(yīng)用本發(fā)明涉及合成物質(zhì)、特別是合成燃料或原料的制備方法。本發(fā)明還涉及用于實(shí)施該方法的相關(guān)設(shè)備以及該設(shè)備在不同的工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。除了合成燃料(synfuel)的制備之外，本發(fā)明還涉及化學(xué)工業(yè)用的合成原料的制備。這些制備方法一方面需要能量，另一方面需要?dú)?H2)、氧(O2)和碳(C)作為物質(zhì)基礎(chǔ)。 在這些情況中，風(fēng)或其他可再生能源可特別用作能量基礎(chǔ)，其中還可以利用其他工業(yè)過程中產(chǎn)生的CO2作為物質(zhì)基礎(chǔ)。原油價(jià)格以及與其相關(guān)聯(lián)的天然氣價(jià)格的變化、停滯的石油生產(chǎn)以及中期日益耗竭的儲量顯示了這些原料的短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重，尤其體現(xiàn)在提高的價(jià)格上。這同樣需要開發(fā)保護(hù)環(huán)境的能源，尤其是可再生的能源生產(chǎn)，例如風(fēng)能和/或太陽能。具體地，對于風(fēng)能而言，目前設(shè)計(jì)鋪設(shè)了大量的風(fēng)力發(fā)電場，特別還設(shè)計(jì)了近海風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。由此提供了其能量在一定時(shí)期不需要的電能來源。到目前為止風(fēng)能已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化進(jìn)入電網(wǎng)，其中也可以使用液力蓄能器(抽水蓄能或氣動(dòng)蓄能(壓縮空氣/氣體蓄能)。在本文中感興趣的是，在所謂氧化還原蓄能器中利用風(fēng)能，其中化學(xué)蓄能器和電池/可充電電池可用于該目的。如果考慮的是化學(xué)蓄能器，那么通過風(fēng)能產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化成氫氣(H2)或另外轉(zhuǎn)化成甲烷(CH4)或最終轉(zhuǎn)化成高級烴類(l^hereKohlenwasserstoffe)是可能的。這包括合成燃料，其通常稱為“ synfuel ”。除了以上所述的內(nèi)容，隨著石油/天然氣價(jià)格的提高，必然導(dǎo)致化學(xué)成本的增加。 這將引起能源供應(yīng)和原料供應(yīng)之間的競爭。特別考慮到原料成本價(jià)格的提高，可以通過將風(fēng)能成本經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化成化學(xué)原料從而提供新的前景。對于風(fēng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化，風(fēng)是決定性能源，其中通過來自生物質(zhì)的碳和/或源自二氧化碳再循環(huán)中的碳提供相關(guān)的物質(zhì)來源。由于全球變暖，二氧化碳的利用具有特殊的意義。從以上現(xiàn)有技術(shù)的大致說明出發(fā)，本發(fā)明的目的是提供一種方法以及相關(guān)的設(shè)備，通過所述方法能以合適的方式生成物質(zhì)。另外提出了與工業(yè)實(shí)踐相關(guān)的不同應(yīng)用。本發(fā)明通過權(quán)利要求1的措施實(shí)現(xiàn)該目的。在權(quán)利要求11中給出了實(shí)施本發(fā)明方法的相關(guān)設(shè)備。權(quán)利要求21、23和25給出了使用新設(shè)備的本發(fā)明方法的不同應(yīng)用。方法的進(jìn)展、相關(guān)設(shè)備和具體應(yīng)用是從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明提供了一種合適的方法，通過該方法可以由特別經(jīng)風(fēng)能產(chǎn)生的電能或電力制備合成物質(zhì)。這些物質(zhì)基本為氣體，一方面其可以是合成燃料(“synfuel”)，類似于已知的GTL(氣轉(zhuǎn)液位as Io Liquid))轉(zhuǎn)化或蒸汽重整的逆過程(=甲烷化作用)，但是另一方面其也可以是化學(xué)工業(yè)用的原料。制備所述這些物質(zhì)需要碳基礎(chǔ)，為此目的目前使用在工業(yè)過程中產(chǎn)生的CO2廢氣。在這個(gè)方面，本發(fā)明也適用作當(dāng)前關(guān)于環(huán)境上正確處理(X)2 的實(shí)際問題以及緩和全球氣候問題的解決方案。本發(fā)明的特別優(yōu)勢在于，尤其是在使用環(huán)保地(即無單獨(dú)的(X)2負(fù)荷)產(chǎn)生的過量電能以及在利用其他的作為廢氣存在的CO2的情況中，本發(fā)明制備的合成物質(zhì)的整體(X)2 平衡得到改善。本發(fā)明以化學(xué)特殊方式利用了水電解作用。其中發(fā)生了以下化學(xué)過程2H20 —2 + (1)電能用于電解分解水。然后進(jìn)行催化反應(yīng)，類似于GTL轉(zhuǎn)化作用或蒸汽重整的逆過程(=甲烷化作用)中使用的標(biāo)準(zhǔn)方法4H2+C02 — CH4+2H20 (2)可在催化過程中利用來自生物源的或由工業(yè)廢氣分離的二氧化碳(3n+l)H2+nC02 — CnH2n+2+aiH20 (3)后一過程的產(chǎn)物是適合作為液態(tài)烴的化學(xué)工業(yè)用的原料。根據(jù)催化過程的進(jìn)行， 也可以制備官能化的烴類，例如醇類、羧酸類、酮類、醛類、環(huán)狀化合物或芳香族化合物等。這些烴類可以在產(chǎn)物分子中具有脂肪族的(直鏈、支鏈的)和芳香族的(雜芳族和聚芳族體系)、飽和的和(一元/多元)不飽和(例如烯屬等)的結(jié)構(gòu)，以及通常通過雜原子(特別是0、N、S、鹵素、Si)具有官能化結(jié)構(gòu)單元，例如醇類、醛類、酮類、羧酸類、胺類、 酰胺類、硫醇類、硫代羧酸類、酯類、氨基酸類、雜芳族化合物等，以及衍生自給定雜原子的多種官能團(tuán)的組合。通過本發(fā)明能以成本經(jīng)濟(jì)的方式獲得上述材料轉(zhuǎn)化方法(類似于GTL或甲烷化)， 其中通過氣化和已知的費(fèi)-托合成作用(Fischer-Tropsch-Synthese)生成合成烴類，其可以例如用作柴油燃料或例如用作汽油。其中就經(jīng)濟(jì)方面而言是可以考慮的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了較低的碳利用度(Kohlenstoff-Ausnutzungsgrad) η。。除此之外，就生態(tài)方面也是可以考慮的，因?yàn)棣?釋放量高于精煉產(chǎn)物，并可以相應(yīng)地進(jìn)行利用。在下文給出的基于附圖并結(jié)合權(quán)利要求書的示例性實(shí)施方案的


中可見本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)和優(yōu)勢。該單個(gè)附圖示出了經(jīng)高溫電解作用轉(zhuǎn)化電能從而生成合成物質(zhì)例如合成燃料或其他原料的示意圖。附圖中的標(biāo)記1表示產(chǎn)生電能的單元。該電能特別通過風(fēng)能轉(zhuǎn)換器提供，相應(yīng)于單元la。然而它也可以以太陽能的形式提供，相應(yīng)于單元lb，或者也以其他形式提供，例如一般通過向供電所購買，相應(yīng)于單元lc。將電能供給單元2以進(jìn)行高溫電解作用(也可以使用其他的電解裝置(PEM/堿)， 但是不是很有效)。單元2下游連接催化反應(yīng)器3和另一單元4，用于調(diào)節(jié)所制備的材料。在用于高溫電解的單元2中，由水(H2O)產(chǎn)生氫(H2)和氧(O2)?，F(xiàn)在將來自0)2_源 5的CO2加入最終產(chǎn)物中。通過氫與所加入的CO2發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)以下反應(yīng)方程式生成了 CH4 和水水電解一2H20— 2H2+02電能用于電解分解水。催化反應(yīng)一甲烷化作用的標(biāo)準(zhǔn)方法4H2+C02 — CH4+2H20來自生物源的或由廢氣分離的二氧化碳在催化過程中再循環(huán)
(3n+l) H2+nC02 — CnH2n+2+2nH20
由此制備的產(chǎn)物是液態(tài)烴，但是也可為氣態(tài)烴和固體烴，其為純形式或官能化的形式，并且適合用作化學(xué)工業(yè)的原料。因此，通過與已知的GTL過程進(jìn)行比較(并進(jìn)行區(qū)分)，可以發(fā)現(xiàn)得到了能夠循環(huán)利用碳和減少/避免(X)2釋放的有利方法。與GTL方法不一樣，本文所提出的方法中的(X)2 不是被釋放出來而是被消耗了。已經(jīng)通過計(jì)算模擬證明了將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成合成物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)前景。結(jié)果為，在當(dāng)前高油價(jià)的形勢下，可以在一定條件下以低成本將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成合成物質(zhì)。本文所述方法的經(jīng)濟(jì)效率極大地取決于主要能量載體、例如油和天然氣的市場價(jià)格。對于通過使用風(fēng)能實(shí)現(xiàn)用于高溫電解的能源的情況，可見在油價(jià)升高的形勢下可以成本經(jīng)濟(jì)地將能量轉(zhuǎn)化成新材料。由此，一方面實(shí)現(xiàn)了分離的二氧化碳的在能量/合成方面的利用目的，另一方面確保了化學(xué)工業(yè)用的原料。特別地，除了原料外，制備的材料也可以是燃料，其可以用作機(jī)動(dòng)車輛等的燃料?？傮w來說，與已知的GTL方法比較，在本文所提出的方法中(X)2的釋放量減少。(X)2 不是被釋放出來而是被消耗了。除了制備合成物質(zhì)外，該方法因此也適用于確保處理很多工業(yè)中產(chǎn)生的作為氣候-破壞氣體而具有全球性負(fù)面影響的co2。
權(quán)利要求
1.合成物質(zhì)的制備方法，其包括以下方法步驟-在高溫電解中，水(H2O)在升高的溫度下經(jīng)歷電解并轉(zhuǎn)化成氫(H2)和氧(O2)，-在該過程中也形成了水蒸汽(H2Od),-將二氧化碳(CO2)加入含氫(H2)和水蒸汽(H2Od)的高溫廢氣中并發(fā)生催化反應(yīng)，-氫(H2)、水蒸汽(H2Od)和二氧化碳(CO2)通過該催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成合成氣體(H2/C0/C02/ H20/CH4)，-在轉(zhuǎn)化成合成氣體(H2/C0/C02/H20/CH4)時(shí)發(fā)生放熱過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述過程中釋放的熱量返回至電解過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述過程中釋放的熱量用于另外的用途。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述合成氣體基本上為甲烷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述合成氣體包含高級烴類。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述合成氣體通過適合的催化反應(yīng)液化成合成燃料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在高溫電解過程之前蒸發(fā)水并且預(yù)熱該氣體/蒸汽。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述用于高溫電解過程的能量通過風(fēng)力發(fā)電提供。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用所謂的電解裝置進(jìn)行所述高溫電解，通過該電解裝置引入包括蒸發(fā)的熱量。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將化學(xué)工業(yè)中使用的標(biāo)準(zhǔn)方法如費(fèi)-托法等用于所述催化反應(yīng)，并由此生成合成產(chǎn)物。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，分離所述合成產(chǎn)物，并將其用于進(jìn)一步的物質(zhì)利用。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，制備烴類作為合成產(chǎn)物；這些烴類在產(chǎn)物分子中可以具有脂肪族(直鏈、支鏈的)和芳香族的(雜芳族和聚芳族體系)、飽和與(一元/多元)不飽和(例如烯屬等)的結(jié)構(gòu)以及具有通常通過雜原子(特別是0、N、S、鹵素、Si)而官能化的結(jié)構(gòu)單元，例如醇類、醛類、酮類、羧酸類、胺類、酰胺類、硫醇類、硫代羧酸類、酯類、氨基酸類、雜芳族化合物等以及多個(gè)衍生自給定雜原子的官能團(tuán)的組合。
13.用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2 12中任一項(xiàng)所述的方法的設(shè)備，其包含能量發(fā)生器/儲能器(Ia-Ic)、高溫電解裝置O)、催化反應(yīng)器(3)以及終端用戶單元。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述能量發(fā)生器是風(fēng)-電流轉(zhuǎn)換器 (Ia)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述風(fēng)-電流轉(zhuǎn)換器(Ia)是風(fēng)力發(fā)電場的組成部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述高溫電解裝置是用于在高溫進(jìn)行電解的金屬和/或陶瓷設(shè)備(2)。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述催化反應(yīng)器是物質(zhì)-物質(zhì)轉(zhuǎn)換器⑶。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，在電解裝置( 和物質(zhì)-物質(zhì)轉(zhuǎn)換器 (3)之間設(shè)置注入0)2用的單元(5)；如果需要過程控制，0)2可以在電解裝置之前就加入蒸汽中或可以進(jìn)入催化過程中。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，除了注入純(X)2外，還注入(X)2和其他物質(zhì)(雜原子、其他烴類等)的混合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2 12中任一項(xiàng)所述的方法使用根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12 19中任一項(xiàng)所述的設(shè)備用于確保化學(xué)工業(yè)用合成原料的用途。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用途，其特征在于，所述合成原料是脂肪族的、芳香族的和官能化的烴類(例如丙烯=>聚丙烯的制備)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2 13中任一項(xiàng)所述的方法利用根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12 19中任一項(xiàng)所述的設(shè)備用于向車輛(機(jī)動(dòng)車輛)、船只和飛機(jī)提供合成燃料的用途。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的用途，其特征在于，所述合成燃料是柴油/汽油/煤油/LPG。
24.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2 13中任一項(xiàng)所述的方法利用根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12 19中任一項(xiàng)所述的設(shè)備用于在能量/合成上利用對環(huán)境有負(fù)擔(dān)的二氧化碳 (CO2)的用途。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的用途，其特征在于，所述二氧化碳是工業(yè)過程中產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的用途，其特征在于，所述二氧化碳是發(fā)電所產(chǎn)生的廢氣/煙道氣中的部分。
全文摘要
已知的是基本上由GTL(氣轉(zhuǎn)液)工藝制備合成燃料(synfuel)。本發(fā)明提出使用期望的能源在高溫電解裝置中使產(chǎn)生的氫氣和CO2進(jìn)行催化反應(yīng)。由此將生成合成原料，特別是化學(xué)工業(yè)用的合成原料以及車輛用的燃料。除了合成物質(zhì)外，所述方法適用于確保處理很多工業(yè)過程中產(chǎn)生的作為破壞氣候的氣體而具有全球性負(fù)面影響的CO2。
文檔編號C25B1/04GK102264949SQ200980152345
公開日2011年11月30日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者喬基姆.霍夫曼 申請人:西門子公司