[发明专利]通过使用膜技术的合成气生产

说明书

本申请要求2010年7月9日提交的美国临时申请序号61/362975的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及合成气(CO+H₂)的形成，更具体地，其涉及利用膜技术来控制和调节二氧化碳和甲烷的供给以提供用于合成气生产的合适进料流。还更具体地，其涉及在从经二氧化碳污染的气体分离二氧化碳中使用膜技术以提供具有甲烷的新颖混合物，所述具有甲烷的新颖混合物的二氧化碳与甲烷之比适合于重整并转化为合成气，其还涉及采用这样的合成气作为在费-托(Fischer-Tropsch，F-T)反应器中转变为液烃的原料。

背景技术

二氧化碳管理的主题在温室气体减少的总体策略中最为重要。在本文的上下文中，二氧化碳管理可以包括减少、遏制和转化，以及这些方法的组合。虽然新二氧化碳排放的减少在任何未来的抗气候变化环境策略中都是关键的，但其不解决生态系统中现有二氧化碳的庞大积存问题，也不解决产生新排放的当前动向问题。因此，着重强调的是开发这样的技术：能够高效地捕获二氧化碳(特别是在尖端放电点)并且将其用作新燃料源之再生循环的一部分。

使用半透膜进行气体分离已被广泛接受，并且各种聚合构造和无机构造的膜示出在气体和气体混合物的宽谱范围内的不同程度的分离。可以得到平板构造、管状构造、螺旋构造和中空纤维构造的这样的半透膜，并且许多膜示出良好的分离因子(即，就二氧化碳和甲烷而言为2.5-50比1，就CO₂和氮气而言为2.5-100比1)以及在相当低的净驱动压力下的高渗透性。如果这些策略要成功的话，那么其可能通常需要能够接受多种进料输入，然后对它们进行处理以控制和调节气体混合物从而获得二氧化碳、甲烷和/或氮气的期望混合物用于供给至后续工艺。

如上所述，二氧化碳捕获只是有效的二氧化碳管理策略的一部分；一个重要的部分是提供将二氧化碳转化为高值燃料(和非燃料)产物的有效方法，因为这样将减小对将新碳带入整个燃料循环的需要。一般地，二氧化碳转化已被证实是能量密集型过程，这样就可以否定能量效率的总体目标。但是，等离子体技术作为一种用于二氧化碳(特别是在其中存在氢气源的气体混合物中)的有效转化的方法而出现。微波等离子体在这些方法中特别高效，所报道的能量消耗为低至0.15kWh/cm³的由甲烷和二氧化碳转化而产生的氢气。

Dickman等的专利号7682718公开了一种用于氢气燃料单元的燃料管理系统；该系统包括能够若干容器，所述若干容器被受控地填充和混合作为燃料单元所需的燃料混合之一部分的多种进料。Adamopoulos等的专利号7637984使用吸附材料以首先从气流去除硫，然后用膜系统处理所述气流以从富含氢气的流分离二氧化碳。

Wei等的专利号7648566提到使用无机膜系统和聚醚膜系统从合成气流分离二氧化碳以生产强化氢气流作为预燃二氧化碳捕获方法的一部分。Muradov等的专利号7588746提到可能地使用膜系统、变压吸附系统或低温吸附单元来处理来自氢气燃烧的燃气从而将氢气与其它气体(包括甲烷)分离。

Hoffman等的专利号7634915建议可以使用沸石和陶瓷膜以从二氧化碳匮乏的流(其中二氧化碳匮乏的流可包含一氧化碳、氮气和未耗尽的燃料如甲烷)分离富含二氧化碳的流作为用于生产氢气和分离二氧化碳的涡轮系统的一部分。在该系统中，使用二氧化碳进行燃烧温度调节和涡轮冷却。Hemmings等的专利号7686856公开了采用水和燃料转化进行合成气生产的系统；在该系统中，使用氧迁移膜作为燃烧工艺的一部分以生产合成气产物。Murphy的专利5277773公开了一种用于转化反应(包括水和烃)的微波等离子体，其中等离子体反应初始使用一种或更多种金属丝段。

已知微波等离子体技术可用于将包含摩尔比为不大于约1.5比1的特定浓度之CO₂和CH₄(即二氧化碳(在40-60摩尔百分比的范围内)和甲烷(在60-40的摩尔百分比的范围内))的气流转化为一氧化碳和氢气(合成气)的混合物(参见美国专利号4975164和5,266,175)。这样的产物可用作常规的费-托(F-T)合成(参见美国专利号6596780和6976362，其公开内容通过引用并入本文)的原料，所述费-托合成将这样的气体混合物转化为液烃。但是，最重要的是所述策略可以在变为经济现实之前找到运行效率。