利用太阳辐射通过合成气制备单元将二氧化碳转化为烃类燃料的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及捕集废气以及将废气转化为烃类燃料的工艺和系统。更具体而言，本发明涉及捕集二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O),以及随后利用太阳能将COjPH2O转化为烃类燃料的工艺和系统。
【背景技术】
[0002]在发电中使用化石燃料变得越来越问题重重。首先，即使世界石油储量已经下降，石油消耗也发生增加。例如，预期沙特阿拉伯国内由于发电产生的石油消耗在2028年底将达到8百万桶/天，这意味着可供出口的数量减少。其次，对空气质量的担忧可能会导致严格的规定，例如旨在减少碳排放的碳税。
[0003]考虑到沙特阿拉伯具有大量的太阳辐射能，太阳能捕集以及太阳能储存提供了解决这两个问题的机会。传统的太阳能储存和捕集系统包括太阳能光电板和太阳能集热系统。
[0004]由于一些物质(如娃或有机太阳能材料)的光伏效应，太阳能光电板将太阳能转化为电流。太阳能光电板是资本密集的，但是非常适合小规模发电，例如家庭、室外照明、高速公路标志。对于更大的系统(如供应电网的那些)，更优选太阳能集热系统或聚光太阳能发电(CSP)系统。现有的CSP系统包括例如线性菲涅尔反射系统、槽式系统(troughsystem)、盘式系统(dish system)以及塔式系统(tower system)。
[0005]CSP系统利用定日镜将太阳辐射能转化为热能。定日镜通常是平面镜，安装定日镜使得它们沿着轴线移动从而在白天追踪太阳运动。定日镜将太阳辐射(日光)集中在接收器上，其利用来自太阳辐射的热能加热工作流体。所述工作流体(一种导热流体，如水(H2O)或熔融盐)离开定日镜/接收系统，其中该工作流体与水发生热交换以产生蒸汽。当水为工作流体时，直接从加热的工作流体产生蒸汽。所述蒸汽驱动汽轮机，从而驱动发电器发电。
[0006]所有CSP基于相同的原理运作，其差别在于定日镜的形状和布局以及定日镜与接收器的空间关系。例如在线性菲涅尔反射系统中，定日镜是扁长的镜子轨道。接收器是固定在镜子上方的管道。槽式系统使用抛物面反射镜和沿着反射镜聚焦线设置的管道，其需要大量的反射镜。盘式系统CSP也使用抛物面反射器；大型抛物面镜将阳光引向安装在沿着反射镜聚焦线的盘上的接收器。与其他CSP系统相比，盘式系统CSP发电量相对较少。塔式系统CSP采用大量的通常排成直线的定日镜。接收器位于高塔顶部，并且定日镜将太阳能集中到接收器上。塔式CSP能够产生高达200兆瓦的电力。
[0007]除了大量发电的能力，太阳能集热系统比太阳能光电板的另一个优势是在工作流体中存储热能的能力。工作流体可能存储在罐中直到需要热能发电。因此，能够在没有直射阳光的条件下发电，诸如夜间或在暴风雨天气。即使如此，由于用于储存的罐的尺寸和最终的热损失，储存工作流体并不是长期的解决方案。因此，太阳能热能转换为燃料是一个有吸引力的选择。
[0008]CO2排放到大气中越来越受到抨击。人们已经探索碳捕集技术作为从废气中移除并储存0)2的方式。碳捕集技术大致按照捕集技术是燃烧后、燃烧前或富氧燃烧归类。燃烧后的技术一般包括溶剂捕集系统，其利用溶剂从废气流中吸收CO2，然后加热从溶剂流中去除吸收的co2。由此得到的流几乎是纯净的CO2流。燃烧后技术通常是燃烧化石的发电站使用的。其它燃烧后技术包括例如，钙链式循环或化学链燃烧。
[0009]目前的储存(或封存)方案最普遍包括地质封存，其中将碳储存在地下岩层中。枯竭期油田、不可开采的煤矿床以及含盐地层为CO2的储存提供了天然存在的地层。然而，这些地层具有缺陷，包括例如，其位置、将0)2注入地下的成本、以及在晚些的某个时间从地层中泄露的担忧。
[0010]CO2封存的一个替代方式是将CO 2转化为其它可用成分。实现转化的一种方式是使用燃料电池转化CO2，并且还有发电的附加优点。燃料电池包括三部分:阳极、阴极、和电解质。在阳极和阴极发生氧化还原反应。在许多情况下，整体的效果是将H2O转化为氢气(H2)和氧气(O2) ο
[0011]燃料电池按照其电解质分类。一类燃料电池使用固体氧化物电解质。固体氧化物燃料电池在阴极侧还原氧，在阴极施加电流使其带负电荷且导电。氧离子扩散通过阴极、固体氧化物电解质和阳极，使阳极侧发生氧化反应。氧化反应产生电子，该电子可通过阳极输送，以产生电力供应源。固体氧化物燃料电池的阳极、阴极和固体氧化物电解质由陶瓷材料构成，并且在500°C以上的温度下运行以保证陶瓷材料的正常功能。陶瓷材料可以是多孔的。使氧离子从电极到达电解质的孔隙度没有要求。阳极的孔隙率影响电解质/电极/气体界面面积(三相边界)，从而影响氧离子形成速率。孔隙率也增强了分子氧从气相到三相边界的扩散率。固体氧化物燃料电池已被证明具有较高的效率。
[0012]以“再生”模式运作的固体氧化物燃料电池通常称为固体氧化物电解池。固体氧化物电解池通过阴极侧的还原过程电解组分，从而捕集氧离子，氧离子扩散通过阴极、固体氧化物电解质和阳极从而在该电解池的阳极侧形成氧分子。H2O的电解是吸热的，因而固体氧化物电解池的高工作温度使得电解反应是热力学有利的。此外，高温电解提高了反应的动力学。高温电解具有转换效率高的优点，根据一些估计CO2的转化率高于90%。
【发明内容】
[0013]本发明涉及捕集废气以及将废气转化为烃类燃料的工艺和系统。更具体而言，本发明涉及捕集二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O),以及随后利用太阳能将COjPH2O转化为烃类燃料的工艺和系统。
[0014]在本发明的一个方面，提供了利用太阳能将二氧化碳转化为烃类燃料的工艺。该工艺包括以下步骤:用多个定日镜接收直射阳光，并且将所述直射阳光以反射阳光的形式由所述定日镜反射到塔接收器上，其中所述反射阳光加热所述塔接收器内的导热流体；在蒸汽发生器内将水流转化为所得蒸汽流，其中所述导热流体为所述蒸汽发生器供热。将所得蒸汽流供入汽轮机中，所述汽轮机将所得蒸汽流中的热能转化为机械能，从而驱动发电机发电；所述方法还包括下列步骤:通过转移来自所述导热流体的热能来加热燃料原料流从而产生加热的燃料原料流，使得所述加热的燃料原料流达到650°C至800°C之间的温度；将所述加热的燃料原料流供入合成气制备单元，其中所述加热的燃料原料流包含二氧化碳和水，其中所述二氧化碳是从烟道气流中捕集的；在合成气制备单元中将所述加热的燃料原料流中的二氧化碳和水转化为一氧化碳和氢气以制备合成气流，其中所述合成气制备单元包括固体氧化物电解质；将所述合成气流供入催化反应器，其中所述催化反应器在催化剂的存在下运行；以及在所述催化反应器中将所述合成气流转化为烃类燃料流。
[0015]在本发明的某些实施方案中，所述合成气制备单元包括固体氧化物电解池，其中所述固体氧化物电解池包括多孔阴极、所述固体氧化物电解质和多孔阳极。在本发明的某些实施方案中，在所述合成气制备单元中将所述加热的燃料原料流中的二氧化碳和水转化为一氧化碳和氢气的步骤还包括以下步骤:向所述固体氧化物电解池的所述多孔阴极供电；使所述多孔阴极与燃料原料流接触；还原所述二氧化碳以产生一氧化碳和氧离子，其中所述氧离子通过所述多孔阴极到达所述固体氧化物电解质，还原所述二氧化碳以产生一氧化碳和氧离子；其中所述氧离子通过所述多孔阴极到达所述固体氧化物电解质；还原水以产生氢和氧离子，其中所述氧离子通过多孔阴极到达固体氧化物电解质；所述氧离子扩散通过所述固体氧化物电解质到达所述多孔阳极；氧离子在所述多孔阳极释放电子，从而形成氧分子以产生氧气流。在本发明的某些实施方案中，所述合成气制备单元包括固体氧化物燃料电池，其中所述固体氧化物燃料电池包括多孔阳极、所述固体氧化物电解质和多孔阴极。在本发明的某些实施方案中，在所述合成气制备单元中将所述加热的燃料原料流中的二氧化碳和水转化为一氧化碳和氢气的步骤还包括以下步骤:向所述加热的燃料原料流中加入气态烃；将所述加热的燃料原料流供应至所述固体氧化物燃料电池的多孔阳极；重整所述加热的燃料原料流中的水和气态烃以产生一氧化碳和氢气；重整所述加热的燃料原料流中的二氧化碳和气态烃以产生一氧化碳和氢气；对来自所述固体氧化物燃料电池的多孔阴极上的氧供应源的氧进行还原以产生氧离子；所述氧离子扩散通过所述固体氧化物电解质到达所述多孔阳极；在所述多孔阳极用氧离子氧化氢气产生水和电子；在所述多孔阳极用氧离子氧化甲烷以产生一氧化碳、氢气和电子；以及将所述电子供应至变电站，其中所述变电站被构造为将来自所述合成气制备单元的电子与由所述发电机产生的电结合。在本发明的某些实施方案中，所述气态烃包括甲烷。在本发明的某些实施方案中，该工艺还包括以下步骤:将所述烃类燃料供应至发电厂供其消耗。
[0016]在本发明的第二个方面，提供了一种利用太阳能将二氧化碳转化为烃类燃料的系统。该系统包括:太阳能热发电系统，该系统被构造为将太阳能转化为热能和电，所述太阳能热发电系统与合成气制备单元热连通