二氧化碳固定系统 本发明涉及一种回收大气中存在的或从工厂排放的排放气中含有的二氧化碳气体的二氧化碳固定系统。
人们已经知道全球变暖问题主要是由二氧化碳气体造成的，该气体是由于人类活动从工厂，热电厂，汽车等排放到大气中的。当今人们将减少二氧化碳气体排放量或对大气中二氧化碳气体的回收看作是环保工作最重要的措施。
人们已经提出了许多系统用来减少二氧化碳气体的排放量或含量。图5示出了这些系统的一种情况。图5中二氧化碳固定系统主要是由CO2分离器6，H2发生器8和反应器9组成。CO2分离器6分离来自于CO2源1(典型地来自于工厂或热电厂)的排放气，并通过除去其中的杂质而浓缩CO2气体。H2发生器8通过已知方法，例如电解水的分解来产生氢气。在反应器9中，CO2气和H2气发生反应从而生成固定CO2的产物，例如甲醇(CH3OH)。如此将从大气中回收的CO2气体固定为对全球变暖无害的形式，并且进一步地将其转变成可用作燃料的甲醇。
上述常规CO2固定系统具有严重的缺陷，即电解方法需要大量电能来产生氢气。估计在氢气发生器8中超过90％的常规CO2固定系统中的总操作能量被消耗掉。除了电费很低的情况，这种CO2固定系统的运行成本通常很高。该系统地其它缺点在于它没有从整体上完全减少CO2的散发。在一些国家，热力产生大量电能。在热电厂，燃烧矿物燃料例如石油，煤或天然气以产生高温蒸汽，在此期间不可避免地产生大量的CO2气体。
因此提出了如下系统。在某些地方(或国家)安装配有氢气发生器的一部分CO2固定系统，在这些地方(或国家)能稳定地供给低价电并可通过除矿物燃料以外的燃烧方法例如通过水轮发电机或通过太阳能电池而产生电。将从大气中回收的和在其它地区液化的CO2气体通过罐或其它运载工具运往可使液态CO2与氢反应生成甲醇的地方。然后通常将甲醇送回原CO2产地。
上述分离系统在实际中是很难看到的，这是因为不是将CO2在其排放源附近进行加工而是必须将液态CO2和其固定产物送往遥远的地方，这将增加生产费用。
因此，本发明的目的是提供一种能量充足、费用低具有较高总CO2减少性能的CO2固定系统。
本发明的系统是用来固定大气中或排放气中CO2气体的系统，它包括：
用于厌氧发酵有机废物和分离甲烷气体的发酵反应器；
用于分解由发酵反应器产生的甲烷气体和用于产生氢气的氢气发生反应器；和
用于在由氢气发生反应器生成的氢气和大气中或排放气中的CO2气体之间进行反应的和用于制备固态碳和水的固定反应器。
在上述本发明的CO2固定系统中，固定CO2气体所必需的氢气不是通过电解装置而是通过分解由厌氧发酵有机废物得到的甲烷而制备的。于是可显著地减少系统所需的电能，从而即便在该地区电费较高的情况下，仍可将系统安装到接近CO2源的地方。
由于大大减少了系统所耗的电能，从而极大地改进了减少CO2的总效率。当在产生电能中燃烧矿物燃料时，它也减少了由热电厂排放的其它有害物质。
CO2固定系统可进一步包括回收排放气热量的第一热交换器。可将此回收的热量送往发酵反应器以增强发酵反应。
CO2固定系统可进一步包括回收氢气发生反应器中热量的第二热交换器。也可将此回收的热量送往发酵反应器。
也可将在第一或第二热交换器中所得热量用来产生电能，该电能可用来运行系统。
图1为实施本发明的一种CO2固定系统的示意流程图。
图2为实施本发明的其它CO2固定系统的示意流程图。
图3为添加有用于防止催化剂变质的CO2固定反应器的系统示意流程图。
图4为其它这种系统的示意流程图。
图5为常规CO2固定系统的示意流程图。
参照图1描述实施本发明的第一种CO2固定系统。该CO2固定系统包括热交换器2，厌氧发酵罐3，甲烷分离器4，甲烷反应器5，CO2分离器6和CO2固定反应器7。
从CO2源1，例如热电厂或工厂排放的气体流经热交换器2。由于这种排放气是通过燃烧矿物燃料成生的，其温度通常很高：例如约为350℃。在热交换器2中，排放气体的热量被流经热交换器2的另一旁路的空气带走，由此回收了排放气体大量的热量。在热交换之后，将现有温度低至约50℃的排放气引入CO2分离器6中，并将加热的空气送入厌氧发酵罐3中。
有机废物主要来自污水的回收。将这种有机废物，或其它来源的废物时常投入厌氧发酵罐3内，并向其中添加厌氧菌例如甲烷菌，从而使有机废物发酵。当在没有氧存在下进行发酵时，几乎不产生CO2气体，而是产生大量甲烷气体和硫化氢气体。在大约60℃的温度条件下进行这种厌氧发酵是最有效的。这就是为什么在这种温度下将在热交换器2内由排放气回收的热量或CO2固定反应器7的反应热(将在以后描述)用来维持厌氧发酵罐3的原因。
将在厌氧发酵罐3内产生的含有甲烷的气体送入可使甲烷气体完全分离并浓缩的甲烷分离器4中。可用各种已知方法进行这种分离和浓缩：例如使用一种可选择性地使气体分子透过该膜的渗透膜和一种选择性地吸附气体分子的吸附剂等等。
将浓缩甲烷气体送入甲烷反应器5中，在该反应器内使用金属催化剂例如镍在较高温度条件下分解甲烷，举例如下：
。
将在这里产生的H2气送入CO2固定反应器7中，并得到另一固态产物，即粉末状的碳。
同时在CO2分离器6中，与上述甲烷分离器4中相同，分离和浓缩CO2气体。在CO2固定反应器7中，从甲烷反应器5来的H2气和从CO2分离器6来的CO2气体相遇，并且在催化剂存在下发生如下反应：
。
为了进行上述反应，环境温度应设置在高于几百摄氏度，但是，一旦反应开始之后，由于反应放出热量而不需加热便可使反应继续。并且可从反应中得到过量的热量。可将从反应中得到的热量供给如上所述的都需要热量用来连续操作的甲烷反应器5或厌氧发酵罐3内。排出CO2固定反应器7内产生的水，并获得细粉末状的碳。
如此通过向系统中引入从CO2源1来的排放气体来连续生产纯碳。可将产品碳用作工业碳黑。
反应中生成的细碳粉易于覆盖催化剂(通常为颗粒)的表面而降低其催化效果。由于这也会降低整个CO2固定系统的功效，在CO2固定反应器7内优选含有如下附加系统。图3示出了这种系统的一种情况。在压缩机15内混合并压缩从CO2分离器6来的CO2气体和从甲烷反应器5来的H2气并将混合物送入反应器12内。在混合气体进入反应器12之前，通过热交换器13(下面将进行描述)加热混合气体。在反应器12内含有催化剂颗粒21并将其置于多孔板20上面。当通过压缩机15将混合气体从多孔板20的下方送入反应器12内，吹动催化剂颗粒21并形成其中CO2气体和H2气进行上述反应的流化床。来自反应器的水蒸气产物，以及未反应的CO2气体和H2气从反应器12的上部排出并进入可将其浓缩为液态水并排放的浓缩器14中。由于反应热造成水蒸气的温度很高，在热交换器13内利用该热量来加热CO2/H2混合气体。在除去水后，再次将反应器12中含有未反应的CO2气体和H2气的排放气通过压缩机15送入反应器12中。
在反应器12内反应得到的细碳粉产物附着在催化剂颗粒21的表面上。正确操作压缩机15，可控制进入反应器12的CO2/H2混合气的流速，从而催化剂颗粒21的一部分落入反应器12中，并将该流体送入碳分离器16。在碳分离器16内，通过离心或过滤使碳粉与催化剂颗粒21分离，并且在反应器12内反应发生的同时，通过鼓风机17使催化剂颗粒21返回反应器12内。
图4表示该系统的另一实施例。在该系统中，没有使用原有系统的碳分离器16，而是鼓风机30与催化剂颗粒21的流化床的下面和反应器12的顶部相连。通过鼓风机30引起的催化剂颗粒21和气体的循环流搅动反应器12内的流化床，由此将附着在催化剂颗粒21表面上的碳粉通过离心力除去并将其从反应器12的底部排出。
显而易见地，在上述技术的基础上可以进行本发明的各种改变和改进。因此可以认为在所附权利要求的范围内，实际上可以实施除了上述的具体描述外的本发明。下面是这种变化的一个实施例。
由于系统包括气流泵和其它运行机器，它消耗由外界供应的电能。可通过系统本身产生系统所需的一部分电能和可通过利用热交换器2回收的或在CO2固定反应器7内获得的反应热减少外界供应的电能。图2示出了这种系统的一个实施例，其中在该系统中包括用来产生电能的热力发生器10，这通过使用由热交换器2产生的或在CO2固定反应器7内获得的高温蒸汽流而获得。