[发明专利]高能量效率的二氧化碳转换系统及方法

说明书

本发明涉及一种二氧化碳转换系统及方法，在包括通过逆水煤气变换反应生成一氧化碳的一氧化碳生成部以及通过费‑托合成反应生成碳氢化合物的碳氢化合物生成部的二氧化碳转换系统中，可以通过向上述一氧化碳生成部的内部同时填充逆水煤气变换反应用催化剂以及费‑托合成反应用催化剂而与仅使用逆水煤气变换反应用催化剂的情况相比提升在一氧化碳生成部中的CO的收率并借此最终提升在碳氢化合物生成部中的碳氢化合物的收率，而且可以利用费‑托合成发热反应的能量充当逆水煤气变换的吸热反应时所需要的能量，从而提升能量效率以及工程收率并借此节省运行以及维护费用。

技术领域

本发明涉及一种用于将二氧化碳转换成更加有用的化合物的系统及方法，尤其涉及一种可以在通过对二氧化碳的氢化而转换成碳氢化合物的二氧化碳的转换反应中有效地节省所需能量并以高收率获得生成物的系统及其方法。

背景技术

煤炭以及石油是占据所有能量的50％以上的化石能源，在过去的几个世纪以来一直作为人类的重要能源来源使用，而人类在各种能量变换工程中并不会对热力学稳定的二氧化氮进行单独的后处理工程，而是直接对其进行排放。

但是，最近随着人们意识到二氧化氮是在导致全球变暖的各类因素中占据55％的主要的温室气体以来，提出了用于对二氧化碳进行去除的多种技术，其中最受关注的是利用催化剂将二氧化碳转换成高附加价值的化学燃料或者气态或液态燃料的技术。

在这些二氧化碳的化学转换技术中最受欢迎的，是与原有产业工程的技术联系容易、所生成出的产品已经形成大规模的市场且可以轻易地对大量的二氧化碳进行处理的通过利用催化剂对二氧化碳进行氢化而生产出如α-烯烃等碳氢化合物的方法。

目前为止，与通过利用氢的二氧化碳的转换反应而合成碳氢化合物相关的反应机理并没有完全得到明确，但通常是通过两个阶段的连续反应实现。具体来讲，二氧化碳的转换反应，包括：第1阶段，被供应到反应物中的二氧化碳通过逆水煤气变换(reverse watergas shift，RWGS)反应转换成一氧化碳；以及，第2阶段，所生成的一氧化碳通过费-托合成(Fischer-Tropsch，FTS)反应与氢结合而转换成碳氢化合物(烯烃等)。上述第1阶段反应和第2阶段反应分别在不同的反应器中实施，在上述第1阶段反应之后将执行对所生成的水进行去除的过程。

上述第1阶段的逆水煤气变换反应为吸热反应，可以通过下述公式1表示。

如上所述的第1阶段的逆水煤气变换反应为可逆反应，其逆反应(从CO以及H₂O变换成CO₂以及H₂的反应)为水煤气变换反应(water gas shift reaction)。上述你水煤气变换反应可以在提供CO₂以及H₂的部分转换的条件下执行，借此可以生成包含一氧化碳(CO)以及H₂O的整体生成混合物。接下来，在第1阶段中生成的一氧化碳将经过第2阶段的费-托合成(Fischer-Tropsch，FTS)反应。上述费-托合成(FTS)反应为发热性，可以通过下述公式2表示。

在上述公式2中，“CH₂”是指可以混入到如乙烯(C₂H₄)或丙烯(C₃H₆)等较大分子的一般的碳氢化合物部分。

此外，逆水煤气变换反应术语吸热反应，温度越高就对反应越有利，实际上很多反应也是在高温下进行。在通常所采用的300℃、1MPa的反应条件下，逆水煤气变换反应的平衡转换率(Equilibrium conversion)只有13.8％(CO₂:H₂＝1:1)，因此为了加快反应速度或提升平衡转换率，通常需要通过600℃以上的反应温度提供足够的能量(韩国注册专利第1706639号、韩国国公开专利第2018-0004165号)。