[发明专利]使煤炭成为环境上二氧化碳中性燃料和再生碳源

说明书

背景技术

能量和燃料是现代生活所必需的。最广泛使用的燃料类型是化石燃料。化石燃料包括煤炭，实质上是含各种比例的碳和氢的烃。

与任何含碳燃料一样，煤炭在其燃烧之后生成二氧化碳，因此不是在人类地质年代表可再生的。而且，因为二氧化碳是温室气体，煤炭燃烧导致全球变暖。尽管已经开发了清洁煤炭技术作为继续使用煤炭资源的解决办法，但目前仅用来减少由燃烧煤炭产生的有害污染物，例如氧化硫、氧化氮和重金属，并不解决二氧化碳排放问题。已经建议通过强加碳配额或通过捕获二氧化碳排放并将之隔离在地下或海底来减少有害的二氧化碳排放。然而，隔离成本高且只是临时解决方案，并且带来如下风险：隔离的二氧化碳可能在地质事件例如地震和滑坡的情况下突然释放，具有灾难性后果。

因此，期望通过捕获并以化学方法使二氧化碳排放再循环为有用的燃料和衍生产品而使煤炭的使用对环境友好且同时可再生。

发明概述

本发明提供了通过捕获和以化学方法再循环煤炭燃烧时产生的二氧化碳而使煤炭成为基本上环境上二氧化碳中性燃料和用于生产甲醇或二甲醚的再生碳源的方法。

在一个实施方案中，该方法包括：使煤炭经受足以产生二氧化碳的反应条件；捕获和纯化产生的二氧化碳；使二氧化碳与水和适合的烃源、优选甲烷或天然气混合，或者直接在足以产生甲醇或二甲醚的反应条件下与氢混合，使得从煤炭产生的二氧化碳不被排放到大气中，因此使煤炭成为二氧化碳中性燃料和再生碳源。

所述方法可以进一步包括：使从二氧化碳产生的甲醇再循环用作燃料或原料；使产生的甲醇燃料或产物经受产生二氧化碳的反应条件；并对产生的二氧化碳重复所述捕获、混合、再循环和经受步骤，使得从甲醇燃料或由甲醇原料制成的产物产生的二氧化碳也不排放入大气。

在一个实例中，二氧化碳、甲烷和水以约3∶2∶1的摩尔比混合并以分开步骤或一个步骤反应以产生甲醇。

在一个实施方案中，二氧化碳被电化学还原为甲酸和相关的中间体，该中间体随后经由甲酸甲酯中间体被转化为甲醇，如美国专利申请公开号2006/0235088和2007/0254969中公开的。

在另一实施方案中，所述方法包括：燃烧煤炭以产生二氧化碳；将产生的二氧化碳捕获在吸附剂上；并处理所述吸附剂以释放其中所捕获的二氧化碳用于产生甲醇或二甲醚。所述吸附剂用例如充足的加热、减少的压力、真空、气体清扫或其组合处理以释放捕获的二氧化碳。吸收剂可以是适合捕获二氧化碳的任何已知材料。优选地，吸附剂包括含多氨基的聚合物，例如聚乙烯亚胺，沉积在具有高表面积的纳米结构载体上，例如美国专利申请公开号2008/0293976中描述的纳米结构的热解二氧化硅或氧化铝。

在一个实施方案中，所述方法还包括使二氧化碳与合适的烃源、优选甲烷或煤层甲烷和蒸汽在足以形成氢和一氧化碳的混合物的蒸汽转化反应条件下反应，并使二氧化碳与甲烷或煤层甲烷在足以形成氢和一氧化碳的另一混合物的干转化反应条件下反应。然后，在蒸汽和干转化中产生的氢和一氧化碳被合并用于总的双转化过程以形成约2摩尔氢比1摩尔一氧化碳的摩尔比的氢和一氧化碳的混合物，用于反应生成甲醇或二甲醚。氢与一氧化碳混合物的摩尔比是至少2∶1，并优选2∶1和2.1∶1。

蒸汽转化和干转化可以在单一双转化步骤中同时进行。在一个实例中，双转化在约800℃至1100℃的温度下在催化剂上进行。合适的催化剂包括单一金属催化剂、单一金属氧化物催化剂、金属和金属氧化物的混合催化剂、或至少一种金属氧化物和另一种金属氧化物的混合催化剂。催化剂可以在氧化物载体上提供。在一个实例中，所述催化剂包括V、Ti、Ga、Mg、Cu、Ni、Mo、Bi、Fe、Mn、Co、Nb、Zr、La或Sn、或其氧化物。例如，所述催化剂可以是NiO、或NiO、V₂O₅:Ni₂O₃、Ni₂V₂O₇和Ni₃V₂O₅的混合催化剂。所述催化剂可以在高表面积纳米结构热解氧化铝或热解二氧化硅的载体上提供。在一个实例中，所述催化剂是负载于热解氧化铝上的NiO或者负载于热解二氧化硅上的NiO/V₂O₅。

用于本方法的合适的烃源，优选甲烷或天然气，可以获自任何可用来源，包括伴随煤矿开采的煤层甲烷或任何其他天然烃源。