[发明专利]使用藻类生物质的具有减少的CO2的煤到液体的整合方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及整合的煤到液体或电力，和特别地涉及整合的煤或煤和生物质到液体或电力的方法和系统，其中通过使用CO₂生产包括蓝细菌，和优选地包括另外的光合微生物的藻类生物质，以及将它们用作生物肥料和任选地用于生产合成气和氢气以显著降低CO₂排放。

发明背景

石油成本的增加和关于未来短缺的顾虑导致对另外的碳质能源来源例如煤、焦油砂、页岩及它们的混合物的关注增加。由于包括在全球数个部分中存在易于获得的煤沉积物且另外的来源含有高得多的比例的矿物物质和较低的碳含量的事实，煤是这些替代来源中是最重要的。已经提出了各种方法用于将这样的材料转化为包括汽油、柴油燃料、航空燃料和取暖用油的液体和气体燃料产物，以及在某些情况中，转化为另外的产物如润滑油和化学品。

许多问题妨碍了煤和另外的固体化石能源来源的广泛使用，包括间接的煤到液体(CTL)转化法如费托(FT)合成和甲醇到液体(MTL)转化的相对低的热效率。H/C比为约1:1的煤到烃类产物如H/C比稍微大于2：1的燃料的转化导致煤中至少一半的碳转化成CO₂，且因此被浪费。另外，迄今为止，在煤到有用产物的转化中大量温室气体(GHG)、尤其是以CO₂的形式作为废弃产物排放的事实，已经造成许多人从环境角度而不赞成CTL方法。

已经提出，通过将二氧化碳重新注入地下地层中以捕获并封存二氧化碳从而至少部分地克服GHG问题。这种安排具有以下缺点：昂贵，进一步降低该方法的能量效率，要求在转化设施附近的某处可获得合适的地下地层，关于二氧化碳随后逃逸进入大气中的顾虑，以及潜在的二氧化碳碳含量的能量浪费。

已经开发了用于将碳质材料例如煤液化的直接煤液化(DCL)方法，所述方法在许多应用中比通过FT合成的转化具有优势，该优势包括显著更高的热效率和更少的CO₂排放。这样的直接液化方法典型地包括在给体溶剂，及任选的催化剂存在下，在含氢气氛中将碳质材料加热至约700°-850°F的温度，以使煤结构断裂而成为自由基，将所述自由基猝灭而生产液体产物。催化剂可以典型地为非常细分的铁或钼或它们的混合物。该钼催化剂可以从磷钼酸(PMA)前体原位制备。已经提出了同时包括直接液化和FT合成、或直接液化和生物质转化的混合的煤液化系统，其中该FT合成或生物质转化为直接液化提供另外的氢气，从而降低二氧化碳的排放。还提出了包括直接液化、FT合成和生物质转化的所有三者的混合的煤液化系统。然而，这些提出的安排均未实现热效率、低成本和显著降低GHG排放的组合，而这对于它们在经济上和环境上有吸引力是需要的。对于具有降低的二氧化碳排放以及有效的使用碳资源的煤和生物质到液体的经济的转化方法仍然存在重要的需求。

燃煤发电厂产生约一半的美国电力，并且预期在未来继续提供国家电力的大部分。根据能源部(DOE)的能源情报署(EIA)，在2035年，煤将提供美国电力的44％。煤在供给电力中扮演的关键角色部分是由于美国的煤储藏量大，有人估计以目前的消耗水平和该能量供给的相对低成本其将持续约240年。然而，目前煤电厂也占约国家CO₂(最普遍的GHG)排放的约三分之一。在美国以及其它地方，在允许煤仍然为可行能量来源的同时，这些顾虑使得对发展和使用各种技术来限制来自煤电厂的CO₂排放的关注增加。

已经提出使用由煤转化设施生产的CO₂排放来制备藻类和氧。然后可将藻类中的脂质直接转化为液体燃料，和残余生物质，或者如果需要，可在例如费托的间接转化工艺中对全部藻类进行加工以生产氢气和液体燃料。

发明概要

根据本发明的一个方面，已经开发出高度有效的整合的煤和生物质到液体(ICBTL)的工艺方案以生产优质燃料，例如汽油，柴油，喷气燃料和化工原料，该工艺方案有利地使用产生的CO₂，其包括四个主要工艺步骤：1-CO₂碳捕获并转化为例如藻类的生物质材料;2-直接煤液化(DCL);3-生物质和/或煤间接转化为液体燃料，例如，通过气化和费托转化或通过催化加氢脱氧和异构化(CHI)；和4-氢气生产，例如，通过来自煤转化的底料的蒸汽加氢气化(SHG)或POX，通过进料例如天然气的蒸汽甲烷重整(SMR)，或通过水煤气变换反应。或者，氢气可以从外部来源供给。来自该系统不同组件的可燃的废物流可用于生产系统内部使用或供给到电力网的电力。