專利名稱：由碳氫化合物沉積物發(fā)電同時捕獲二氧化碳的制作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及發(fā)電和/或從大氣中除去二氧化碳。
背景技術：
已指出，二氧化碳(C02)在地球上產(chǎn)生了一條加溫的毛毯，抵消全球暗化氣體，在我們的氣候中形成全面的變暖趨勢。眾所周知，變暖趨勢威脅著地球上的人類生命。碳氫化合物燃燒動力出現(xiàn)后，循環(huán)意識變得歷史性的重要。無論二氧化碳是否被視作污染物，循環(huán)作為原則需要應用到在地球上我們所進行的所有活動中，從而實現(xiàn)可持續(xù)的實踐活動。循環(huán)再利用與可持續(xù)性密切相關，也是自然運行之道；例如，一些生命體呼入氧氣，排出二氧化碳，而作為相反的平衡，一些生命體則剛好相反。在過去的150年內(nèi)，世界上在機動車輛、固定式發(fā)電裝置和移動式發(fā)電機內(nèi)制造了超過了十億臺的產(chǎn)生二氧化碳的動力裝置。自從卡諾于1820年代的成果問世以來，這些發(fā)動機的指導性原理仍停留在同樣的認識領域內(nèi)。傳統(tǒng)的產(chǎn)生二氧化碳的動力裝置通常向其周圍環(huán)境中排出熱量、噪音、CO2, Nox, SOx，使燃料與排放不平衡地聯(lián)系起來，因為化石燃料來自地面，然而尾氣排入空氣中。產(chǎn)生能量和二氧化碳的基本化學反應如下CnH2n+2 [來自大地]+59. 5N2 [來自大氣]+m02 [來自大氣]—nC02+ (η+1) H2O+ 熱量 +59. 5Ν2 [所有排至大氣]2007年年初，美國最高法院大法官Stevens曾說過“溫室氣體非常符合《清潔空氣法案(Clean Air Act)》中對空氣污染物的寬泛定義。”美國聯(lián)邦環(huán)保署(EPA) “不懷疑人造氣體排放與全球變暖之間存在間或的聯(lián)系”。Stevens說，馬薩諸塞州，12個州起訴人其中之一，提出了以下訴訟全球變暖導致馬薩諸塞州沿海岸線的海平面升高，使馬薩諸塞州面臨“災難性危害的風險”，如果政府采取馬薩諸塞州所尋求的規(guī)定，這種風險“在某種程度上可能會減少”。2007年，對于CO2對全球變暖的影響的評估發(fā)生了改變；可預見，在美國和其它國家，機動車輛、發(fā)電裝置以及其它發(fā)動機的CO2排放在不久的將來將被管制。研究還表明，僅僅保持大氣中溫室氣體(GHG)濃度的穩(wěn)定不足以防止全球溫度上升。這樣的溫度上升已在地球的兩極開始。


參照以下附圖，對非限制性和未窮盡的特征予以說明，其中貫穿各幅附圖，相同的附圖標記表示相同的部分。圖I是根據(jù)實施方式將生物質(zhì)轉換為能量并收集二氧化碳的系統(tǒng)的示意圖。圖2和圖3是根據(jù)實施方式在發(fā)電的同時封存二氧化碳的系統(tǒng)的示意圖。圖4和圖5A是根據(jù)替代實施方式在發(fā)電的同時封存二氧化碳的系統(tǒng)的示意圖。圖5B是根據(jù)實施方式的圖解二氧化碳的行為的焓-壓力圖。圖6是根據(jù)實施方式的磁壓輔助發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。圖7A、7B和7C是根據(jù)一個或多個實施方式的由碳氫化合物沉積物發(fā)電并同時捕獲二氧化碳的系統(tǒng)的示意圖。圖8是根據(jù)實施方式的在過程中消耗二氧化碳生成發(fā)電時燃燒所需氧氣的系統(tǒng)的示意圖。圖9是根據(jù)實施方式的燃料電池的示意圖，該燃料電池包含含有超氧化物的陽極。圖10是根據(jù)替代實施方式的消耗二氧化碳產(chǎn)生熱量以輔助發(fā)電的系統(tǒng)的示意圖。圖11是能夠以固態(tài)可運輸形式儲存所捕獲的二氧化碳的可拆卸式燃料電池模塊的示意圖。圖12是根據(jù)實施方式的可捕獲CO2的熱-電過程的示意圖
發(fā)明內(nèi)容

整個本說明書中，提及“一個實施方式”、“一個實踐”、“實施方式”、“實踐”指的是連同該實施方式和/或?qū)嵺`所描述的具體特征、結構或者特性可以被包括在所要求保護的主題的至少一個實踐和/或?qū)嵤┓绞街?。因此，本說明書中在各處出現(xiàn)“在一個實施方式中”、“實施方式”、“在一個實踐中”或“特征”未必均指的是同一實施方式和/或?qū)嵺`。此外，可以將多個具體特征、結構或特性組合在一個或多個實踐和/或?qū)嵤┓绞街小鹘y(tǒng)的由化石燃料發(fā)電的手段通常導致CO2排入大氣，從而造成之前所說的全球變暖問題。要在根源上解決全球變暖問題，本文舉出的實施方式涉及使用不會造成CO2排入大氣和/或可將CO2從大氣中除去的方法來發(fā)電。在一個具體實施方式
中，比如，由包括大量CO2的處理的過程可以生成可用動力。譬如，如將生物質(zhì)轉化為可用能量等的如工業(yè)發(fā)電等過程中，都可能產(chǎn)生如此大量的co2。在處理來自生物質(zhì)加工發(fā)電的CO2廢氣的具體情況中，包括生物質(zhì)發(fā)電用植物物質(zhì)的培育至通過處理所產(chǎn)生的CO2廢氣來發(fā)電在內(nèi)的連續(xù)過程可以被視為在發(fā)電的同時從大氣中抽取CO2的過程。在另一個實施方式中，通過在一個耐壓的容器內(nèi)對氣體進行磁輔助加壓，可以產(chǎn)生可用的動力。根據(jù)具體實踐，如下所示，這樣的對氣體磁輔助加壓可將加壓過程與溫度分離。例如，這可以有助于以無需排放CO2的方式通過使用處于較低溫度的熱源(例如，地熱資源)進行熱傳遞來發(fā)電。在另外一個實施方式中，利用將所產(chǎn)生的CO2捕獲在碳氫化合物儲層內(nèi)的工藝，可以由地下碳氫化合物儲層內(nèi)的碳氫化合物沉積物生成可用動力。因此，這種技術可以使得能夠開發(fā)碳氫化合物儲量以生產(chǎn)可用能量并避免CO2排放所造成的有害影響。在另一個實施方式中，可以由熱-電過程中燃料燃燒生成可用動力。作為燃燒的副產(chǎn)品而產(chǎn)生的二氧化碳可進一步進行放熱反應，從而將額外的熱量用于增加在熱-電過程中生成的動力。在一個特定實踐中，二氧化碳副產(chǎn)物可以以固態(tài)形式捕獲后進行處理。在這個特定實踐中，因此，可避免由燃燒生成的CO2逸出到大氣中。一些實施方式涉及下述過程封存CO2，使得CO2保持在可避免CO2排入地球大氣從而潛在地造成全球變暖的狀態(tài)和/或形式。這樣的封存狀態(tài)可包括，例如，將CO2作為液體和/或加壓流體保持在容器中或地下，和/或?qū)O2保持為如鹽等化合物這樣的固態(tài)。然而，這僅僅是CO2可以被封存的狀態(tài)的實例，要求保護的主題不限于這一方面。在一個特定實施方式中，在CO2被封存之前，可以在能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的封存的過程中捕獲co2。在一個特定實施方式中，這樣的CO2捕獲可包括通過如光合作用等生命過程將CO2從地球大氣中除去；在加工燃料用生物質(zhì)和加工碳類燃料燃燒副產(chǎn)物時除去CO2,以避免CO2氣體排入大氣。然而，這些實例僅僅是按照特定實施方式可以如何捕獲CO2的實例，要求保護的主題不限于這一方面。通過在貧化碳氫化合物儲層內(nèi)處理二氧化碳來產(chǎn)生動力根據(jù)實施方式，盡管要求保護的主題不限于這一方面，可以將基本上包含加壓的CO2(例如液體CO2)注入與貧化碳氫化合物儲層相連的井眼內(nèi)。響應于鉆井眼內(nèi)的地熱，該流體可膨脹為加壓氣體，這可反過來用于生成電流。然而，這僅僅是示例實施方式，要求保護的主題不限于這一方面。在目前所述的實施方式中，包含基本上液態(tài)的CO2的流體可由若干體相過程中的任一種提供，例如，處理生物質(zhì)發(fā)電，由煤發(fā)電產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物CO2的收集，這僅僅列出幾個實例。這樣的基本上液態(tài)的CO2可在加壓至大約73. Oatm且溫度低于304. 2K的容器中例如以與少量成分H2O, NO2和/或SOx的混合物形式存儲和/或傳輸，CO2液體混合物的溫度可大于304. 2K。圖I是根據(jù)實施方式將生物質(zhì)轉化為動力并收集二氧化碳的系統(tǒng)的示意圖。此處，傳輸至生物質(zhì)處理裝置的生物質(zhì)I可包含源于近期種植的植物的單糖和/或碳水化合物和/或木質(zhì)素，這些植物以植物生命體的形式通過生命植物生長過程將大氣中CO2固定。如圖所示，該過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物可包括C028、水、痕量的N02、SO2和S03。在這里，使用生命過程物質(zhì)，如植物生命體或動物排泄物，使得能夠通過一個動力為正的過程將CO2從大氣中除去。在壓縮和冷卻過程之后，液態(tài)廢棄物CO2以及痕量的其它化合物可從加工裝置4運輸出去，進行處理。在一個特定實施方式中，可以以如圖2 圖5B所示的也產(chǎn)生動力的方式捕獲基本上液態(tài)的廢棄物CO2并予以處理。應當理解的是，不過此處所說明的在發(fā)電的同時處理CO2的過程也可應用于其它過程產(chǎn)生的CO2的處理，要求保護的主題不限于這一方面。圖2和圖3中的系統(tǒng)100包含多個井眼102，井眼102可能已被鉆開以提取碳水化合物沉積物，例如，原油和/或天然氣。在各井眼102中形成和/或放置有熱傳遞面，如井下熱交換器(DHE) 104，其能夠使地熱Q·在CO2流體被向下引導通過相連的管道103時對CO2流體進行加熱。隨著CO2流體被熱量QeE°加熱，壓縮流體繼續(xù)經(jīng)過相連的管道106，從而、驅(qū)動相連的燃氣輪機108進行發(fā)電。在加壓罐101內(nèi)以基本上液態(tài)形式開始，包含加壓CO2 (例如，也包含痕量化合物)的流體，被排放到第一個井眼102中，壓力為P+，環(huán)境溫度為T'隨著流體在DHE 104處接受熱量Qge°，并繼續(xù)經(jīng)過管道106，流體溫度上升至T+。在經(jīng)過位于地面109上方的渦輪108后，流體壓力和溫度分別降至Ps-和Ts_。在最后一個井眼處(未示出)，CO2可被沉積在貧化且耐壓的碳氫化合物儲層內(nèi)，從而保持在大氣之外。隨著CO2填充貧化且耐壓的儲層，該碳氫化合物儲層內(nèi)壓力可能上升。在封存過程中由于壓力上升，可減少可用燃氣輪機的數(shù)量。如圖3所示，可使用旁通閥105，通過旁路107將連續(xù)的燃氣輪機從工藝流程中除去。在圖4和圖5A所示的替代實踐中，一系列的燃氣輪機212可以被置于地下，在一個井眼202內(nèi)。加壓CO2由加壓罐201導出，壓力值為P+，穿過一系列DHE 208，接收地熱Qgeo,溫度上升至T+。在各個燃氣輪機212的入口處，現(xiàn)時溫度為T+的流體流經(jīng)燃氣輪機212，從而發(fā)電，并冷卻CO2流體，使之溫度降至Τδ_。因此，正如當前所述實施方式所示，每個燃氣輪機212配備有連續(xù)DHE 208，從而在相繼的氣體膨脹前捕獲地熱。在最后的燃氣輪機212之后，可以將CO2通過無孔巖石210導入耐壓的空腔206中，以永久存儲。此處，耐壓的空腔206可包括能夠承受盛裝加壓流體的貧化的碳氫化合物儲層(例如，原油和/或天然氣沉積物貧化的)。如圖5Α所示，用于燃氣輪機212生成的電流的電纜207可將電傳輸至井眼202的頂部。隨著CO2被加入到耐壓的地下空腔206中，空腔206內(nèi)的壓力可以隨著填充而上升。燃氣輪機212可以使用相連的旁路管214而逐個被旁通，從而使最后一個燃氣輪機(例如，最緊靠腔206的)的出口壓力與空腔206的壓力匹配。如上所述，根據(jù)特定實施方式，加壓CO2在通過由地熱源增加焓時，可作為地熱燃氣輪機的工作流體。由于CO2在低于室溫時可凝固，所以低溫井就可以提供有效的地熱源。例如，在低于室溫的條件下，CO2氣體就可以膨脹而溫度下降，但仍為氣態(tài)，這可從室溫源中吸收熱量。熟井的井眼通常高于室溫，常常大于140°c。通過等溫渦輪或配有間歇交替熱交換器的渦輪所獲得的理想動力可以通過一個無窮系列的燃氣輪機熱交換器組合來近似。在一個步驟內(nèi)，在加壓CO2源部分膨脹后，在井的地熱與膨脹的CO2之間發(fā)生熱交換。鉆開的井眼的較長的長度可使有足夠的區(qū)域進行地熱交換。 使用接觸材料可促進地熱源和間歇熱交換器之間的熱交換,這類接觸材料有例如液態(tài)金屬、伍德合金、和/或含有鉍、鉛、錫及銦的組合的金屬，或者其它能夠?qū)⒕鄣責醾鲗е灵g歇熱交換器的壁上的適當?shù)臒峤粨Q材料。接近最大動力的多變渦輪和熱交換器的η階段的數(shù)量可以從總和為無窮的膨脹和熱交換的無窮小階段出發(fā)來導出。由在不同類型膨 脹期間的壓力和體積之間的冪定律關系開始，取得動力的階數(shù)可以確定如下
p+F+a = p—Va = pVa =常數(shù)α = I對于等溫過程dU = dQ-dff令系統(tǒng)作功為W+,對系統(tǒng)作功為W-。熱量dQ未立即設定為O,由于這是一般情況，并且熱量可進入或離開系統(tǒng)。以密度P裝入時的壓力和體積可按理想氣體定律來關聯(lián)。
權利要求
1.一種方法，所述方法包括 從地上將一個或多個燃料電池插入到天然地下碳氫化合物儲層中； 將所述燃料電池的陽極置于與所述碳氫化合物儲層中的碳氫化合物沉積物接觸，從而產(chǎn)生電流發(fā)電并放出二氧化碳；和 將至少一部分的所述放出的二氧化碳捕獲在所述碳氫化合物儲層中。
2.如權利要求I所述的方法，其中，所述碳氫化合物儲層基本上保持在自然壓力。
3.如權利要求I所述的方法，所述方法還包括在原位將至少一部分的所述碳氫化合物沉積物基本上脫硫。
4.如權利要求I所述的方法，所述方法還包括在原位降低至少一部分的所述碳氫化合 物沉積物的平均分子量，以降低碳氫化合物粘度。
5.如權利要求I所述的方法，其中，所述碳氫化合物沉積物包括天然氣。
6.如權利要求I所述的方法，其中，所述碳氫化合物沉積物包括煤層氣。
7.如權利要求I所述的方法，其中，所述碳氫化合物沉積物包括原油。
8.如權利要求I所述的方法，其中，所述碳氫化合物沉積物包括低硫原油。
9.如權利要求I所述的方法，其中，所述碳氫化合物儲層沉積在海底下。
10.如權利要求I所述的方法，其中，所述捕獲還包括將所述CO2以液狀儲存在所述碳氫化合物儲層。
11.如權利要求I所述的方法，其中，所述捕獲還包括將所述CO2以與水和未回收的碳氫化合物的液態(tài)混合物形式儲存在所述碳氫化合物儲層。
12.如權利要求I所述的方法，其中，所述捕獲還包括將所述CO2以與水和未回收的碳氫化合物的非理想氣體混合物形式作為加壓氣體儲存在所述碳氫化合物儲層。
13.如權利要求I所述的方法，其中，所述捕獲還包括將所述CO2以與水和未回收的碳氫化合物的非理想混合物形式作為超臨界流體儲存在所述油氣層。
14.如權利要求I所述的方法，其中，所述一個或多個燃料電池中至少一個為固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)。
15.如權利要求11所述的方法，其中，所述SOFC形成為細長的耐壓管狀。
16.如權利要求14所述的方法，其中，所述SOFC中的至少一個適用于在比所述地下碳氫化合物儲層空腔的壓力低的壓力下在陰極接收空氣。
17.如權利要求I所述的方法，所述方法還包括利用由所述燃料電池產(chǎn)生的熱量來降低所述碳氫化合物沉積物的粘度。
18.如權利要求I所述的方法，其中，所述燃料電池中的至少一個的陰極適用于接收來自地上的空氣并將富氮空氣返至大氣。
19.如權利要求I所述的方法，其中，所述燃料電池中的至少一個的陰極適用于在無陰極排氣的情況下接收基本上純的氧氣。
20.如權利要求14所述的方法，其中，所述SOFC中的至少一個的陰極從盛裝氧氣且在海下碳氫化合物儲層附近使用的加壓容器中接收基本上純的氧氣。
21.如權利要求I所述的方法，所述方法還包括將所述電流傳輸?shù)降孛嫔稀?br> 22.如權利要求21所述的方法，所述方法還包括利用所述電流在插入所述燃料電池的附近產(chǎn)生氫氣。
23.如權利要求21所述的方法，所述方法還包括利用所述電流來電解海水從而生成分離的氫氣和氧氣。
24.如權利要求21所述的方法，所述方法還包括利用所述生成的分離氫氣作為燃料，并將所述氧氣返回至所述燃料電池中的至少一個的陰極。
25.如權利要求I所述的方法，其中，所述一個或多個燃料電池包括一個或多個熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。
26.如權利要求25所述的方法，其中，所述MCFC中的至少一個在陰極接收來自碳捕獲生物質(zhì)發(fā)電裝置的二氧化碳。
27.如權利要求26所述的方法，所述方法還包括將來自所述碳捕獲生物質(zhì)發(fā)電裝置的所述二氧化碳的至少一部分封存于所述地下碳氫化合物儲層，以便降低地球大氣二氧化碳濃度。
28.如權利要求I所述的方法，所述方法還包括將原位酶促、催化和/或細菌藥劑施加至所述碳氫化合物儲層中的所述碳氫化合物沉積物。
29.如權利要求I所述的方法，所述方法還包括將所述電流傳輸至公用電網(wǎng)。
30.一種方法，所述方法包括 燃燒碳水化合物燃料，以生成熱量和CO2 ;和 利用所述CO2來使得能夠進行生成基本上純的O2的反應， 其中，所述燃燒包括將所述碳水化合物燃料與所述基本上純的氧氣混合，所述基本上純的氧氣的生成量基本上等于所述燃燒所述碳水化合物燃料消耗的氧氣量。
31.如權利要求30所述的方法，所述方法還包括響應于所述熱量來驅(qū)動渦輪發(fā)電。
32.如權利要求30所述的方法，所述方法還包括從所述反應產(chǎn)生額外電流。
33.如權利要求30所述的方法，其中，所述碳水化合物包含單糖。
34.如權利要求30所述的方法，其中，所述生成氧氣的反應包括將2K02+K202與所述CO2混合。
35.如權利要求30所述的方法，所述方法還包括利用來自所述反應的熱量來產(chǎn)生額外的過程電能。
36.如權利要求30所述的方法，其中，所述利用來自所述反應的所述熱量包括，利用所述熱量來幫助在水/蒸汽渦輪能量循環(huán)中產(chǎn)生蒸汽。
37.如權利要求30所述的方法，其中，該過程僅有的排放物基本上為濕氣。
38.如權利要求33所述的方法，所述方法還包括在所述燃燒之前，利用熱蒸汽將固態(tài)單糖轉化為CO和H2。
39.如權利要求35所述的方法，其中，生成基本上純的O2的反應的熱量和所述燃燒的熱量基本上都傳給了發(fā)電系統(tǒng)中所含的加壓水。
40.如權利要求30所述的方法，其中，所述產(chǎn)生電流包括，在移動式發(fā)電裝置產(chǎn)生所述電流。
41.一種發(fā)電系統(tǒng),所述發(fā)電系統(tǒng)包含 用于存儲碳水化合物燃料的儲罐； 適用于燃燒所述燃料以產(chǎn)生熱量和CO2的燃燒工段；和 響應于與所述CO2的反應而生成基本上純的氧氣的反應器，其中，所述燃燒工段適用于將所述碳水化合物燃料與所述基本上純的氧氣混合，響應于所述反應而生成的所述基本上純的氧氣的量基本上等于在所述燃燒工段燃燒所述碳水化合物燃料消耗的氧氣量。
42.如權利要求30所述的方法，其中，所述燃燒還包括在較高壓力下燃燒所述碳水化合物燃料，以生成熱量和加壓的CO2蒸汽。
43.如權利要求30所述的方法，所述方法還包括以固態(tài)形式捕獲所述C02。
全文摘要
本發(fā)明公開的主題涉及不以有害方式產(chǎn)生二氧化碳和/或除去和/或捕獲另外可能排放到大氣中的二氧化碳的發(fā)電系統(tǒng)和方法。
文檔編號F01K25/00GK102637886SQ20121011172
公開日2012年8月15日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權日2006年12月16日
發(fā)明者克里斯多佛·J·帕皮雷 申請人:克里斯多佛·J·帕皮雷