[发明专利]还原碳氧化合物生成固态碳的方法

说明书

相关申请

本申请要求保护2009年4月17日递交美国临时专利申请序列号61170199的优先权，其名称为《还原碳氧化合物制备固态碳的方法》。该申请的内容通过引用全部并入本文。

背景技术

一般情况下，本申请涉及一种催化转化过程，该催化转化过程通过还原碳氧化合物制备有价值的固态碳。具体是通过在现有的催化剂作用下，用还原剂(如，氢或烃)还原作为碳源的碳氧化合物(例如一氧化碳、二氧化碳)，来制备固态碳(如巴克敏斯特·富勒烯)的方法。此方法可用于多种形态的固体碳产品的商业生产，并可将提到的碳氧化合物催化转化为固态碳和水。

这些方法是通过碳氧化合物生产固态碳产品。本发明方法是用来制备如巴克敏斯特·富勒烯这样的固态碳产品，其中使用碳氧化作为主要的碳源。因此，本方法涉及通过催化碳氧化合物(主要是一氧化碳和二氧化碳)转化为固态碳和水的过程。本方法使用的碳氧化合物可来源于大气、燃烧气体、工艺尾气、井的天然气、其他自然的和工业的原料。通过分离上述原料，并从中收集得到需要的碳氧化合物。

固态碳具有许多商业应用。这些应用包括存在已久的用途，例如，炭黑的应用和在轮胎、油墨等中作为填充材料的碳纤维的使用，石墨的很多各种形式的使用(例如，使用热解石墨作为挡热板)，以及具有创新性的新兴的巴克敏斯特·富勒烯(包括巴氏碳球和布基管)的应用。各种形式的固态碳的制备，在合适的催化剂的作用下，以前通常是涉及多种烃类(大多是天然气)。使用烃类作为碳源是由于在历史上烃类丰富的可用性和低成本性导致的。在还原反应中使用碳氧化合物作为碳源制备固态碳产品很大程度上没有被利用。

本工艺流程使用2种丰富的原料、碳氧化合物(例如，二氧化碳(CO₂)和一氧化碳(CO))和还原剂。还原剂最好是烃类气体(如，天然气、甲烷等)，氢气(H₂)或以上的混合物。烃类气体提供同时作为额外的碳源以及作为碳氧化合物的还原剂的双重功能。合成气主要是由一氧化碳(CO)和氢气(H₂)组成，因此混合物种的气体同时具有碳氧化合物和还原气体。反应气体混合物的全部或是部分使用合成气可能是有利的。

碳氧化合物，尤其是二氧化碳，是含量丰富的气体，可以通过点源排放物(例如碳氢化物燃烧的废气)中提取，以及从某些脱气过程中提取。此外也可以从空气中提取二氧化碳。由于点源排放物中具有比大气更高浓度的二氧化碳含量，因而点源排放物往往作为获取二氧化碳的经济的原料。但是空气的直接可得到性可以降低成本，该成本的降低是通过应用本地空气中的二氧化碳生产固态碳产品从而消除运输成本产生的。

二氧化碳具有不断增加的可利用性和廉价性，由于二氧化碳是发电和化学过程的副产品，为了实现避免二氧化碳排放到大气中的目的，需要通过捕获二氧化碳以及随后的封存(通常通过注入的地层)来实现。例如，二氧化碳捕获和封存是“绿色”煤炭火力发电站的基础。在目前的实践中，二氧化碳的捕获和封存需要大量的费用。但是本申请中披露的工艺流程所关注的二氧化碳，是具有经济价值的副产品，而不是与无价值的废品的相关的处置费用。

这里公开的方法可以被纳入电力生产和工业过程中，用来封存碳氧化合物，以及将其转化为有价值的固态碳产品。例如，燃烧或工程废气中的碳氧化合物可以被分离和收集，作为本过程的原料。在某些情况下，这些方法可以直接纳入工艺流程中，不需要经过分离和收集，例如，作为多阶段燃气轮机发电站的一个中间步骤。该方法直接纳入到工艺流程中对于氧燃烧流程是十分合适的。

目前催化转化过程可以被纳入与化石燃料的燃烧过程。将催化转化过程与各种燃烧过程和电力生产循环结合的很多方法都将会在技术领域中出现。这些方法包括在电力生产循环的两个阶段中添加催化转化器，使燃烧气体通过催化转换器，并使其中至少部分的碳氧化合物转化为固态碳；或是分离出所有的、或是部分的燃烧过程流出的气体中的碳氧化合物，并将分离后的气体流经催还转化器。

将催化转化过程与分离过程结合起来可能是有益的，因为其将会提供一个比现有的分离封存方法更经济的碳分离封存单元。由于催化转化器可以使用低压碳氧化合物，操作效率可能会提升，因此与压缩、液化和运输相关的设备和成本会降低，以及使用催化转化器中产生的热量为分离过程提供至少一些过程热量将催化转化器与各种分离过程结合结合起来的具体方法，将会在技术领域中出现。例如，分离过程，如胺吸收，可能会从催化转化器接受到至少部分解析作用所需的热量，并为催化转化器提供给低压碳氧化合物气体。