[发明专利]集成的煤液化方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成的煤液化方法和系统，特别地，涉及这样的集成的煤液化(ICTL)方法和系统，其中通过将在液化方法期间产生的CO₂转化为有用的化学品如碳酸二甲酯或高级醇而大大降低CO₂的排放。

背景技术

石油成本的增加和关于未来短缺的顾虑导致对其他碳质能源如煤、焦油砂、页岩及其混合物的关注增加。煤在这些替代资源中是最重要的，因为包括在全球几部分中存在大量、易于获得的煤沉积物且其余资源含有高得多的比例的矿物质和更低的碳含量的事实。已经提出了多种方法以将这种材料转化成液体和气体燃料产物，包括汽油、柴油燃料、航空燃料和加热油，在某些情况中，转化成其他产物如润滑剂和化学品。

许多问题阻碍了煤和其他固体化石能源的广泛使用，包括间接煤液化(CTL)转化法如费托(FT)合成和甲醇液化(MTL)转化的相对低的热效率。H/C之比为约1∶1的煤向烃产物如H/C之比稍微大于2∶1的燃料的转化导致煤中至少一半的碳转化成CO₂，由此造成浪费。因此，在煤向有用产物转化中排放大量作为废品的温室气体(GHG)、尤其是以CO₂的形式，会因许多源自环境的考虑而对CTL法不利。

已经提出，通过将二氧化碳重新注入地下地层中以捕获并隔绝二氧化碳可至少部分地克服GHG问题。这种安排的劣势在于昂贵，要求在转化设施附近的某处可获得适当的地下地层，二氧化碳随后逃逸进入大气中的顾虑，以及二氧化碳的碳含量的能源潜力的浪费。煤通过间接法向有价值的液体产物转化，涉及合成气的产生。能够将合成气用作生产广泛产物的原料，所述合成气为主要为一氧化碳和氢气的混合物，所述产物包含液体燃料、甲醇、乙酸、二甲醚、含氧醇、异氰酸酯等。由含碳材料如煤、或由生物质通过气化能够产生合成气。使用商购获得的气化器，从煤可生产H₂/CO之比为约0.5～约1的合成气。然而，当通过FT合成或MTL转化来制造液体产物时，期望H₂/CO之比为约2的合成气。利用水煤气变换反应，能够将煤产生的合成气的H₂/CO之比升至期望范围。然而，其会造成大量二氧化碳的排放。

向国家能源技术实验室提交的题目为“Increasing Security and Reducing Carbon Admissions of the US Transportation Sector：A Transformational Role for Coal with  Biomass”的报告DOE/NETL2007/1298提出，将煤与10-15％的具有更高H₂/CO比的生物质如木质生物质、柳枝稷、或玉米杆共同气化，可将用于FT合成的由煤气化而产生的CO₂的排放量降低约20％。然而，在提出的方法中存在大量问题。所述方法的热效率相对低，因为典型地通过部分氧化并使用间接FT合成对煤和生物质进行气化需要能量。用于生产生物质所需要的陆地面积和ICTL设施周围所需要的陆地面积也将经济上能够使用的生物质的量限制为最大每天约5000～10000桶当量。另外，相对于矿物含碳资源，生物质是显著更昂贵的合成气资源，由此提高了生产成本。

已经开发了直接煤液化(DCL)法以将含碳材料如煤液化，所述方法在许多应用中比通过FT合成进行转化具有优势，包括显著更高的热效率和稍微更少的CO₂排放。这种直接液化法典型地涉及在催化剂、典型地为非常精细分散的铁或钼或其混合物存在下，在含氢气的气氛中将含碳材料和溶剂加热至约775°F～850°F的温度，以使得煤结构断裂而成为自由基，所述自由基可猝灭而产生液体产物。已经提出了涉及直接液化和FT合成两者、或直接液化和生物质转化的混合煤液化系统，其中所述FT合成或生物质转化提供了另外的用于直接液化的氢气，由此降低了二氧化碳的排放。还提出了涉及直接液化、FT合成和生物质转化所有三者的混合煤液化系统。然而，这些提出的安排均未实现热效率、低成本和大大降低GHG排放的组合，对于经济上且环境上有吸引力，它们是必须的。还存在一种重要的需要，在二氧化碳排放下降且可有效使用碳资源的条件下，煤和生物质向液体转化的经济方法。

发明内容