利用有機(jī)廢棄物生產(chǎn)乙炔或乙烯的方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用有機(jī)廢棄物生產(chǎn)乙炔或乙烯的方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今處理城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物的常用方法為厭氧消化和氣化。這些方法的輸出 包括一氧化碳（C0)、氫氣（?)、甲燒（CH4)和二氧化碳（C02)。一氧化碳（C0)、氫氣（?)、甲燒 (CH4)通常用于發(fā)電。所發(fā)的電用作原位消耗或供給電網(wǎng)給公眾。然而，過去所發(fā)的電只能 提供少于本地電力消費(fèi)的1%。僅供給電網(wǎng)的電在很近的距離下，其價(jià)格是沒競爭力的， 這導(dǎo)致以這種方式處理有機(jī)廢物在經(jīng)濟(jì)上缺乏吸引力。通過一氧化碳（C0)、氫氣（?)、甲烷 (ch4)回收電能通常被認(rèn)為基本負(fù)荷較低，且比水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和核發(fā)電成本高。因此， 它們往往只是被釋放到大氣中。這些含碳?xì)怏w，即，甲烷這將增加大氣中的碳含量，并被認(rèn) 為是對(duì)全球氣候有害的。所以，我們的環(huán)境需要一種新方法以捕獲生命周期物質(zhì)中有機(jī)端 的碳以及重新捕獲已經(jīng)釋放到大氣中的碳。
[0003] 乙炔和乙烯是分別具有化學(xué)式C2H2和C2H4的烴。它們廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域中，其 遍布全球的生產(chǎn)超過任何其他有機(jī)化合物。在美國和歐洲，約90%的乙烯被用于生產(chǎn)環(huán)氧 乙烷、二氯乙烷、乙苯和聚乙烯。乙烯的主要生產(chǎn)包括通過聚合作用制備聚合物以及這些聚 合物均產(chǎn)生于750-950°C下的原油中蒸汽裂解。雖然利用化石能源來制造乙炔或乙烯效率 高，但是卻整造了大量的溫室氣體。
[0004] 由于有很大的乙炔或乙烯需求，而用于乙炔或乙烯生產(chǎn)的原料氣體的大量供給可 通過厭氧消化和氣化由有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為高能氣體提供，因此，大量的有機(jī)物完全有可能 在閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為乙炔或乙烯，以便下游的化學(xué)合成從而實(shí)現(xiàn)大氣中的碳再生。
[0005] 本發(fā)明的目的是更有效地和高效率地利用有機(jī)廢棄物生產(chǎn)乙炔或乙烯，以捕獲來 自生命周期中有機(jī)端的碳以及重新捕獲已經(jīng)被釋放到大氣中的碳，提供給公眾一種有用的 備選方案。此舉不單解決了廢棄物處理的問題，更開拓了利用廢棄物來制造化工下游的合 成，融合了兩個(gè)本來獨(dú)立的領(lǐng)域?yàn)橐粋€(gè)新的領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種生產(chǎn)乙炔或乙烯的方法，其利用有機(jī)廢棄物生 產(chǎn)乙炔或乙稀，包括以下步驟：a)提供氫氣、水、一氧化碳和/或二氧化碳的供給；b)提供甲 烷的供給；c)提供一種催化體系，其首先具有選自第VIII族過渡金屬氧化物的催化劑，其 次具有催化劑載體；d)使用該催化體系處理該甲烷的供給以制備第一反應(yīng)物；e)提供第二 反應(yīng)物；以及f)所述第一反應(yīng)物與第二反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生一中間體，其中所述中間體 是碳化1丐（CaC2)。
[0007] 優(yōu)選地，所述催化劑載體和所述第二反應(yīng)物可以是氧化鈣。
[0008] 在某些實(shí)施例中，所述催化劑可以是鎳、鈷、或鐵的氧化物、或它們的組合。
[0009] 在其他實(shí)施例中，所述催化劑可以選自第VIII族過渡金屬元素。所述催化劑可以 選自包括鐵、鎳、鈷、鉬及它們的混合物的組合。
[0010] 合適地，所述催化劑載體可以選自包括堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物、硅、氧化 硅、氧化鋁、碳化硅、碳及它們的混合物的組合。所述催化劑載體可具有管狀或片狀的形態(tài)， 以增加其表面積。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二反應(yīng)物可以選自包括堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物、 硅、氧化硅、氧化鋁、碳化硅、石墨及它們的混合物的組合。
[0012] 有利的是，所述方法可包括使用第VIII族過渡金屬氧化物溶液的濕化學(xué)浸漬將 所述催化劑沉積到所述催化劑載體上的步驟。在一個(gè)實(shí)施例中，所述催化劑可通過揮發(fā)性 過渡金屬前體絡(luò)合物的分解沉積到所述催化劑載體上，其中包括通過揮發(fā)性過渡金屬前體 的分解將所述催化劑沉積到所述催化劑載體上的步驟。例如，金屬前體絡(luò)合物中的金屬可 具有零氧化態(tài)。
[0013] 在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)所述氫氣、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的供給來自外部 來源和內(nèi)部來源，所述內(nèi)部來源為所述乙炔或乙烯生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體；所述外部來源 和所述內(nèi)部來源的組合作為所述氫氣、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的供給以作所述生產(chǎn) 方法的消耗。
[0014] 該方法可以包括利用含有能量的第一種原料基質(zhì)的步驟，其中，所述含有能量的 第一種原料基質(zhì)包括可發(fā)酵物。該可發(fā)酵物可包括污水污泥，食品和廚余垃圾或它們的組 合。該方法可以包括使含有能量的第一種原料基質(zhì)進(jìn)行厭氧消化，以生產(chǎn)所述外部來源的 供給的二氧化碳和甲烷。
[0015] 該方法可以包括利用含有能量的第二種原料基質(zhì)的步驟，其中，該含有能量的第 二種原料基質(zhì)包括可燃物。該可燃物可以包括垃圾衍生燃料、煤、生物質(zhì)、發(fā)酵可消化物或 它們的組合。
[0016] 優(yōu)選地，該含能量的第二種原料基質(zhì)具有至少10GJ/t的輸入熱值。
[0017] 該方法可以包括使含有能量的第二種原料基質(zhì)進(jìn)行熱化學(xué)處理的步驟以分別生 產(chǎn)甲烷、氫氣、一氧化碳和二氧化碳和產(chǎn)生所述甲烷、所述氫氣、所述一氧化碳和所述二氧 化碳的外部來源。
[0018] 該方法可以包括，在上述步驟d)過程中形成納米碳及作為所述氫氣的供給的一個(gè) 內(nèi)部來源的氫氣。
[0019] 該方法可以包括，在形成碳化鈣（CaC2)的過程中，所述納米碳與所述氧化鈣發(fā)生 反應(yīng)以產(chǎn)生一氧化碳作為所述一氧化碳的供給的一個(gè)內(nèi)部來源。
[0020] 該方法可以包括使一氧化碳進(jìn)行水煤氣變換反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣和二氧化碳作為所 述氫氣和所述二氧化碳的供給的內(nèi)部來源的步驟。
[0021] 該方法可以包括使氫氣和二氧化碳進(jìn)行Sabatier反應(yīng)以產(chǎn)生甲烷為所述甲烷的 供給的內(nèi)部來源和產(chǎn)生水為所述水的供給的內(nèi)部來源的步驟。
[0022] 該方法可以包括使納米碳和二氧化碳進(jìn)行Boudouard反應(yīng)的步驟，以產(chǎn)生提供一 氧化碳的供給的一氧化碳的內(nèi)部來源。
[0023] 該方法可以包括裂解烴類氣體并在烴類氣體裂解中提供必需的加熱的步驟，其中 該加熱是來自內(nèi)部或外部的廢熱。
[0024] 該方法可以包括重復(fù)使用外部烴類氣體以生產(chǎn)提供甲烷的供給的甲烷的步驟。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種生產(chǎn)乙炔或乙烯的系統(tǒng)，其利用有機(jī)廢棄物生 產(chǎn)乙炔或乙烯，包括：a)用于氫氣、水、一氧化碳和/或二氧化碳的供給的容器，b)用于甲烷 的供給的容器，c)包括催化劑和用于所述催化劑的催化劑載體的催化體系，d)選自第VIII 族過渡金屬氧化物的催化劑，e)用于處理所述甲烷的供給以產(chǎn)生第一反應(yīng)物的第一反應(yīng) 器，f)用于第二反應(yīng)物與所述第一反應(yīng)物反應(yīng)以產(chǎn)生中間體的第二反應(yīng)器，且其中所述催 化劑載體和第二反應(yīng)物均為氧化鈣，中間體為碳化鈣（CaC2)。
[0026] 優(yōu)選地，每個(gè)甲烷的供給和二氧化碳的供給可以來自所述生產(chǎn)方法的操作產(chǎn)生的 外部來源和內(nèi)部來源，外部來源和內(nèi)部來源的組合分別形成氫氣、水、一氧化碳、二氧化碳 和甲烷，用于所述系統(tǒng)的消耗。
【附圖說明】
[0027] 本發(fā)明的一些實(shí)施例將通過參照附圖進(jìn)行說明，其中： 圖1是根據(jù)本發(fā)明用于將可燃物和可發(fā)酵物轉(zhuǎn)化為原料氣體以生產(chǎn)乙烯的裝置示意 圖； 圖2是顯示乙烯生產(chǎn)的系統(tǒng)示意圖； 圖3是顯示圖2的系統(tǒng)操作過程中發(fā)生的反應(yīng)的概要；以及 圖4是顯示采用金屬絡(luò)合物前體的方法沉積于納米碳(或碳納米管)的催化劑的SEM圖 像，包括A，B，C，D，E和F。
[0028] 其中，術(shù)語匯總： 101 過渡金屬催化劑容器； 102 催化劑載體容器； 103 反應(yīng)器I;