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CN101605871B - 可靠的碳-中性发电系统 - Google Patents

可靠的碳-中性发电系统 Download PDF

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Abstract

公开提供可靠的，可控制的功率、不向环境释放温室气体二氧化碳(CO2)的系统。产生的所有CO2被捕集并转化为烃，烃可以用作烃原料或者作为另外的燃料。这些系统中一部分甚至可以降低大气中的二氧化碳。该系统可使用碳-中性能源。

Description

可靠的碳-中性发电系统
发明领域
本发明涉及提供可靠的、可控制的输出功率，不向大气释放温室气体二氧化碳的系统。所述系统的操作甚至可以降低大气中的二氧化碳。所述系统利用碳-中性能源，并且可以再生燃料以供以后使用。
相关申请
本申请涉及于2007年2月9日提交的共同拥有和目前待审批的专利申请“收集大气气体的设备和方法(Apparatus and Method for Collecting anAtmospheric Gas)”，美国专利申请60/900,564，代理案卷号DRLUTZ2，该申请的全文被结合于本文，与本文内容一致。
背景技术
由联合国在2007年2月7日发布的政府间专家小组关于气候变化(IPCC)的报告指出，很明确的是因全球变暖造成气候变化，并且至少90％肯定是人类造成的。气候变暖的一个主要原因是大气中“温室气体”二氧化碳(CO2)的浓度增大，主要是因为人类燃烧烃类矿物燃料产生运输用能量以及发电。参见图1，为解决全球变暖的问题，京都议定书(Kyoto Protocol agreement)的一些签署国家在它们的权限内立法以降低二氧化碳的排放速度。美国的一些州和地方政府也实施这些法规。在欧洲和其他地方采用的法定方法之一是“最高限额和交易(cap and trade)”制。采用这种方法，对各公司排放的二氧化碳总量设定减小的年度限额。超过其年度最高限额的公司可能被罚款。但是，排放量小于其最高限额的高效公司可赚得“碳排放额度(carbon credit)”，碳排放额度可以出售或与超量排放公司交易。根据2007年2月14日的文章(美国明尼苏达州圣保罗的圣保罗先锋新闻报刊登(edition of the Saint Paul PioneerPress newspaper of Saint Paul，Minnesota，USA))，目前有如以伦敦为基地的″Sindicatum Carbon Capital Ltd.之类的商行提出了出示排放额度的方案”。该文章还指出：“据世界银行在10月份所述，全球排放许可交易在2006年的前9个月中约为215亿美元的价值，几乎是上一年的全年110亿美元的两倍。″
Thomas H.Maugh II和Karen Kaplan在2007年2月3日的洛杉矶时报撰文指出：IPCC报道“据圣迭戈的斯克里普斯海洋学研究所(the ScrippsInstitution of Oceanography in San Diego)的Richard Somerville所述，即使在全球二氧化碳稳定在目前水平的极不可能的情况，所述的变暖仍会持续。而这样一种稳定化需要立即减少70-80％的排放。”二氧化碳水平继续存在并增大，原因是从大气“永久地”除去二氧化碳的主要的自然界作用过程是光合作用过程，该过程中植物利用从太阳光获得的能量将二氧化碳和水转化为植物组织材料如糖和纤维素。地球上所有植物群体不能以相当于目前人类活动产生的二氧化碳排放速率的速率消耗二氧化碳。二氧化碳溶解于水域如海洋形成碳酸时，能将二氧化碳从大气中“暂时”去除。碳酸可与水中的一些离子反应，形成相对不溶解的物质，如碳酸钙(石灰石)。珊瑚虫动物利用这一过程形成其珊瑚礁居所。但是，过量碳酸升高水的酸度，危及水域中生命形式的生物。近来珊瑚礁“变白”是海洋酸化造成的，同时因全球变暖使水温升高。但是，如果“充了碳酸气”的水升温或者水面上气压降低，则一部分碳酸分解，二氧化碳被释放返回到空气中。这种分解过程的一个例子是形成CO2气泡和“在液体中产生气泡”，这是由于在打开充碳酸气饮料的容器时压力释放的结果。
为了符合目前或未来减少CO2排放目标的条例如根据京都议定书的条例，一些发电站在试验称为“碳封存(carbon sequestration)”方法。该方法中，在燃烧煤或其他矿物燃料时排放的CO2气体在源头被捕集并在地下泵送。在有利的地点，这种气体可以用来对地下石油储层加压，提高油回收。但是，无法保证CO2最终不会泄漏返回地面并再进入大气。这种封存方法是由David Keith在以下论文中提出的：David W.Keith，Minh Ha-Duong和Joshuah K.Stolaroff(2005)；从空气捕集CO2的气候对策(Climate strategy with CO2capture from the air)；气候变化(Climatic Change)，联机发表(publishedon line)，DOI：10.1007/sl0584-005-9026-x Keith博士提出的碳捕集是基于CO2气体与NaOH溶液反应，然后该溶液与CaO反应形成石灰(碳酸钙)，然后再加热石灰释放CO2气体。该加热过程需要大量的能量，因此降低了发电站的净能量输出。
目前社会动向是开发和展开产生能量的“碳-中性”技术，即不排放二氧化碳的技术。该技术的一个例子是风涡轮发电机。虽然在产生用于制造风涡轮的能量时可能排放大量CO2，但是当最终装置处于运行时，不释放额外的CO2。因此，该制造过程可以是“碳-正性”(净CO2排放)，但是制成的风涡轮的运行是“碳-中性”的。如果制造第二涡轮的过程使用的能量等于第一涡轮的使用期限能量输出，则第二涡轮的制造及其总能量输出都实际上将是是完全“碳-中性”的。对于本专利申请来说，将运行期间为“碳-中性”的技术称作“碳-中性”能源。其他“碳-中性”能源技术可以包括太阳能光电的，太阳能热的，水力发电的，潮汐水力发电的，波浪作用水力发电的(如SEADOGTM泵，美国专利第6,953,328号和第7,059,123号，可从美国明尼苏达州艾登普莱里，独立自然资源股份有限公司(Independent Natural Resources，Inc.(INRI)，EdenPrairie，MN，USA)获得)，核能和地热。不幸的是，一些碳-中性技术，特别是太阳能和风能都是间歇的。因此，这些技术不很好适合用作要求连续可靠性的应用的唯一能源，例如电力事业或车辆推进的能源。
在美国，电气公用事业的价格由政府委员会设定，并且任何的费用增加都必须征得该委员会同意。电气公用事业经常期望所有新的设备能持续使用50年。州和联邦政府正在讨论立法，要求电气公用事业减少其CO2的总排放，并且在几年内其总电能输出的最少几个百分点是从“可再生能源”获得的。电气公用事业公司执行官开始请求联邦政府尽早制定这些法规，使这些公司能够计划和设计在公司实施下一设备升级时能满足新标准的设备。如果下一设备能改型为发电设备的大型安装的基础，则对减少目前设备的温室气体排放将是重要的。如果新的系统能够提供灵活性，对于方便地将目前安装的基础转变为未来基于“可再生能源”的基础设施也是有用的并且是更可持续的系统。
虽然电气公用事业是目前正在开发的方法至少部分地利用这些方法达到降低CO2的目标，但是运输工业特别是飞机和远洋航船都面临更困难的挑战。车辆一般必须长距离携带其燃料或能源。电池或燃料电池可为汽车工作，曾经开发了这种技术和“加油”基础设施，但是这些能源往往是重的，并且有时是笨重的。航空系统特别要求重量轻、致密而有效的能源，很难看出矿物燃料和其伴随的CO2排放在这类产业中会很快被替代。因此，对于可预见的未来，航空业(和其他工业)强烈要求的是“碳-正性”。在“最高限额和交易”的国家，这类工业将被强制从其他公司购买增加量的日益昂贵的“碳排放额度”。如果开发“碳-负性”技术，该技术从大气收集CO2，然后将碳转化为有用的非气态形式，则被迫使用矿物燃料的工业可以使用这种CO2收集/补救技术以补偿它们的排放，因而满足它们的净CO2排放的最高限额目标。这种“碳-负性”技术已经在共同拥有的和目前待审批的专利申请“收集大气气体的设备和方法”(美国专利申请60/900,564，代理案卷号DRLUTZ2，于2007年2月9日提交，其内容参考结合于本文)中描述。
已经做了一些初步尝试开发利用可能被认为是“碳-负性”的方法将温室气体如CO2用化学方法转化为其他物质的技术。参见例如美国专利第7,140,181号，“用于太阳能处理稍微吸收性或透明的气体的反应器(Reactor for solarprocessing of slightly-absorbing or transparent gases)”，Jensen，等；和美国专利第6,066,187号，“CO2的太阳能还原(Solar reduction of CO.sub.2)”，也是Jensen等。但是，这些方法都是能量强度高、高温的方法，需要强集中阳光和相关的昂贵设备。此外，这些专利并没有解决从大气收集温室气体，并将这些气体富集使随后的化学反应过程更有效地进行的问题。
在以下文献中讨论了其他感兴趣的相关技术：美国专利4,478,699，“光能合成的太阳能收集器及其使用方法(Photosynthetic solar energycollector and process for its use)”，Hallman等；美国专利4,240,882，“使用气体扩散半导体电极的气体稳定太阳能电池(Gas fixation solar cellusing gas diffusion semiconductor electrode)”，Ang等；和美国专利4,160,816，“以电化学产生的化合物的形式储存太阳能的方法(Process forstoring solar energy in the form of an electrochemically generatedcompound)”，Williams等。这些专利也未充分地解决从大气去除温室气体的问题。
因此，随着人类寻找控制大气中温室气体浓度和将其转化为可再生能源，和环境更可持续的发电基础设施，需要能够将现有的基于矿物燃料的能源技术改进为在没有净温室气体排放下运行，或者甚至在大气中温室气体浓度净减小下运行的技术。
发明概述
本发明使发电设施能以间歇方式收集碳-中性能源，利用该能源从大气提取CO2温室气体，并用化学方法减少CO2，以在当地产生用于基于矿物燃料的发电系统的燃料，该系统然后可以提供可靠的连续能源。如果基于矿物燃料的发电系统是常规发电厂，还优选装备能捕集燃料燃烧时产生的CO2的装置，并能通过同一过程将该CO2再循环。这种当地产生燃料的方法可以节省成本和从地球开采矿物燃料、对矿物燃料精选和将它们运输至发电厂相关的温室气体排放。因此，可以将从大气提取的一部分CO2在该系统中再循环，并用作间歇式收集的碳-中性能源的储存装置。提取的过量的CO2可转化为用于塑料和其他产品的烃类原料。碳-中性能源还可以用来从电解水产生H2气。产生的H2的一部分可用来将CO2化学还原为燃料。过量的H2气可用来向混合型车辆和燃料电池提供能量。当社会从矿物燃料转向可再生的碳-中性能源时，这种联合系统可以提供灵活的转化技术。提出的这种系统可以除去大气中CO2，产生用于混合型车辆和燃料电池的H2燃料，产生烃类原料，产生用于常规发电厂的燃料，所述发电厂优选具有CO2再捕集设备。这些不同功能可以按需要以不同比例实施。这类混合型发电系统可提供碳-中性，或者甚至碳-负性，具有目前基于矿物燃料发电技术的连续可靠性的技术。
本发明一个方面是发电系统，该系统具有碳-中性能源和由该碳-中性能源提供至少部分能量的燃料产生系统，其中，燃料产生系统可使用空气、水或这两者作为原料产生至少一种燃料。该系统还包括发电子系统，该子系统可利用产生的燃料的能量进行发电。
本发明还包括捕集装置，该装置捕集至少一种化学反应产物，如二氧化碳，所述产物是通过燃烧或使用燃料产生的。这种捕集到的反应产物可以用来产生另外的燃料。该燃料可以是氢或烃类。捕集装置可以包括用于冷凝气体为液体或固体的冷却装置。反应产物通过逆流热交换器到达冷却装置。
本发明可以是可移动系统的一部分，如部分由太阳能为能源的汽车、船或其他车辆。本发明的发电系统还可以包括至少一种燃料电池。
本发明的另一个方面是发电系统，该系统提供可靠的、可控制的功率，不向大气释放二氧化碳温室气体。这一实施方式具有发电子系统，该子系统使用燃料化学反应产生的能量；捕集装置，其捕集至少一种来自燃烧或使用燃料产生的化学反应产物(如CO2)；燃料产生系统，该系统利用捕集的反应产物作为主要原料产生另外的燃料。所述捕集装置可以包括冷却装置，用于将气体冷凝为液体或固体。反应产物可以通过逆流热交换器到达冷却装置。
附图简述
考虑以下结合附图对本发明各实施方式的详细描述，能更完全理解和评价本发明，附图中：
图1用示意图说明作为燃烧烃类燃料产生能量的结果大气中温室气体二氧化碳的净增加。
图2示出CO2转化系统的示意图，该系统包括本发明的CO2捕集装置。
图3示出基于水作为工作流体的封闭系统，该系统中，能量并不是越过系统边界的情况。
图4示出基于水和二氧化碳作为工作流体的封闭系统，该系统中能量并不是越过系统边界的情况。
图5用示意图说明一种系统，该系统中，使用空气、水、烃类燃料和碳-中性能源提供可靠的、可控制的输出功率，而不向大气释放二氧化碳。
图6示出太阳能为能源的气体捕集装置的截面图。
图7用示意图说明发电系统的截面，该系统具有两个气体捕集装置，接受来自燃料反应室通过逆流热交换器的反应产物气体。
图8示出图7的逆流热交换器在AA’线的截面图。
在多个附图中使用的相同附图标记表示具有相同或类似性质和功能的相同或类似的元件。
详细描述
本发明包括碳-中性能源，该能源提供了运行“空气捕集”装置所需的至少一部分能量，所述捕集装置可以从地球大气中收集CO2，如图2右上部所示。这种装置的一个例子是上述由David Keith教授在其论文“从空气捕集CO2的气候对策(Climate strategy with CO2 capture from the air)”中提出NaOH，CaCO3循环装置。另一个例子是在共同拥有和目前待审批的专利申请中公开(“用于收集大气气体的设备和方法(Apparatus and Method for Collecting anAtmospheric Gas)”，代理案卷号DRLUTZ2，于2007年2月9日提交)的发明，下面描述其中的一个实施方式。
此外，本发明还使用相同或不同的碳-中性能源，在例如电解池或可逆氢燃料电池中用水产生H2气，如图2左上部所示。H2气可以用作燃料，或者可以与捕集的CO2在还原室化学结合，产生烃类燃料或烃类原料，如图2下部所示。
本发明还包括发电子系统，该子系统接受来自能利用产生的H2气或烃类燃料的燃料反应室的能量来发电。燃料反应室任选与“空气捕集”装置连接，如果燃料反应室使用烃类燃料，该捕集装置可从燃料反应室产生的燃烧产物收集CO2。“空气捕集”装置可以和用来从地球大气收集CO2的装置相同，或者可以是单独的装置。发电子系统可以是例如基于矿物燃料的电力事业发电厂，内燃机，氢动力车辆的发动机，或氢燃料电池。
本发明的第一实施方式示于图3。这是一种“封闭系统”，其中，不需要将物料转移入该系统或从该系统转移出。水(H2O)用作该系统的“工作流体”。碳-中性能源可以是间歇的，使用该能源向氢提取器如电解池提供能量，电解池将水分离为氢气和氧气。将这些物质各自储存在氢气和氧气储器中。需要能量时，将氢气和氧气送至燃料反应室，在该室中氢气和氧气反应再形成水并产生连续或可控制的能量输出。水再返回氢提取器继续该循环。因此，该系统收集可从碳-中性源得到的间歇的不可靠的能量，将这些能量以分离的氢气和氧气的形式储存作为“潜在化学能”，按要求的速率释放该能量作为可控制的能量输出。图3中，封闭的物料系统示于由最大矩形标出的边界之内。来自碳-中性能源的能量按照短划线箭头所示在该图左部进入封闭系统。按第二短划线箭头所示，在该图的右侧，可控制的能量输出离开，或者由该系统产生。图3的系统可用于移动系统，如，太阳能为能源的汽车，利用太阳能或风能或者两者的远洋航船。
图4示出本发明第二“封闭系统”实施方式，其中，将水和二氧化碳两者看作为“工作流体”。如图3中所示，所示封闭物料系统在由最大矩形标出的边界之内。也使用碳-中性能源(可以是间歇的)向氢提取器，如电解池提供能量，电解池将水分离为氢气和氧气。将这些物料各自储存在氢气和氧气储器中。但是，氢气可以进一步与二氧化碳在碳还原室反应，产生各种烃类燃料，然后将烃类燃料储存在烃储器中。(称作碳还原室的原因是在这些反应中，二氧化碳中的碳发生化学反应还原为较低氧化态)。示例的化学反应包括Sabatier甲烷化反应和可逆水-煤气轮换反应(WGS)，如在太平洋西北国家实验室(PacificNortbwest National Laboratory)的D.P.VanderWeil等的“在微反应器中的二氧化碳转化(Carbon Dioxide Conversions in Microreactors)″的论文(可从美国政府网址的以下因特网网址获得：http://www.pnl.gov/microcats/aboutus/publications/microchemical/co2 -vanderwiel.PDE)中所述。在碳还原室中产生的烃可以是液体或者固体，因此需要的储存空间比氢气和二氧化碳气体的小得多。需要能量时，烃、氢气或者两者可以与氧气在燃料反应室混合，产生可控制的能量输出。燃料反应生成水(很可能为水蒸汽)和二氧化碳，在该系统中将它们收集并循环。来自碳-中性能源的能量在该图的左部进入该封闭系统，如短划线箭头所示。按第二短划线箭头所示，在该图的右侧，可控制的能量输出离开，或者由该系统产生。
图5示出本发明的“敞开系统”的实施方式，其中，物质还可以进入该系统和从该系统出来。最大的矩形标出该系统的边界。除了从碳-中性能源的能量输入(如该图上部所示)外，本系统还利用空气、水和任选烃类燃料的物料输入，如沿该图左侧由虚线箭头所示。该系统除了由该图下部的短划线箭头所示的可控制的能量输出外，还提供可能的氢气(对例如氢动力车辆)、纯化氧气(对可能的医疗用途，水下呼吸设备，焊接等)和任选的烃类原料(用于制备塑料、医药、食品等)的输出，如该图右侧的虚线输出箭头所示。应注意，这种系统可以从大气除去二氧化碳，并且还可以使用矿物燃料进行操作，在任何情况下都不向大气释放二氧化碳。可以调节对该系统的相对输入量，以生产所需比例的可控制的能量输出，从大气除去二氧化碳，并为例如氢动力车辆产生氢气。在社会提出气候变化和转向可更持续的基础设施时，可能以不同比例需要全部这三种功能。
下面更详细描述图5中的系统。一开始从系统外部将水供给氢提取器，例如电解池，电解池的能源至少部分由碳-中性能源提供。氢提取器将水分解为氢气和氧气，将这些物质储存在各自的储器中。此外，将来自空气的二氧化碳供给该系统，可能在由CO2捕集装置捕集并浓缩后供给，所述捕集装置将下面描述。然后，CO2与来自氢气储器的氢气在碳还原室中反应，生成烃，然后将烃储存在任选的烃储器中。这些烃可以用作该系统下一阶段的燃料，可提取用作烃类原料，或者进行这两项。然后，将烃、氢气或者两者的燃料送入燃料反应室，在该室中所述燃料与氧气(任选来自氧气储器)混合，产生能量，该能量可提供可控制的能量输出。燃料反应室将燃料转化为水和CO2(如果使用烃类燃料)。通过CO2捕集装置，如本申请所述的捕集装置，可回收水和CO2并再循环返回该系统中。产生的能量的一部分用来向该系统内的内部过程，如氢提取器，碳还原室，CO2捕集装置和燃料反应室本身提供能量。在系统启动时或使用碳-中性能源构成的燃料储备不足时，必须向该系统提供外部烃类燃料。但是，通过该系统运行，CO2捕集装置保证CO2温室气体不会释放到大气中。
图5的CO2捕集装置的一个实施方式是在共同拥有和目前待审批的专利申请“收集大气气体的设备和方法(Apparatus and Method for Collecting anAtmospheric Gas)”(美国专利申请60/900,564，代理人案卷号DRLUTZ2，于2007年2月9日提交)描述的发明，其一个实施方式示于图6。图6所示的CO2捕集装置利用大气中的气体和水蒸汽的冷凝温度之差从大气(或从气流)中除去CO2。在正常大气压下，水蒸汽通常在低于室温的某个温度(露点)冷凝为液体，并在0℃凝固为冰。CO2在-79℃直接凝结为固体(“干冰”)，并在加热超过该温度时转化为气体(升华)。O2和N2分别在-183℃和-196℃冷凝为液体。因此，如果空气与温度略低于-79℃的表面接触时，空气中所有的H2O和CO2会以冰和干冰的混合物的形式沉积在表面上。这两种组分可以采用2-段冷却方法分离。如果空气首先与温度在露点和0℃之间的的表面接触，则水蒸汽会冷凝为液体，可以将其排出，这时其余的空气将是“干的”。然后，如果该干空气与温度略低于-79℃的表面接触，相对纯的CO2在该表面凝结。然后将收集的CO2储存或者进行化学反应，从大气除去该温室气体。
图6图示说明利用本发明的CO2捕集装置100的第一实施方式。该图所示的CO2捕集装置100包括：任选“碳-中性”能源，这种情况是光伏太阳能板101，但是图5所示的CO2捕集装置不必与该碳-中性能源直接连接。合适的太阳电池板可以是一个SunPower SPR-90型(可从美国加利福尼亚州森尼韦尔太阳能公司(SunPower Corporation，Sunnyvale，CA，USA)获得)或者其一个阵列。太阳电池板101从能源104如太阳接受电磁能103。电池板101将电磁能103转变为电能，该电能提供冷却装置110能量。在此实施例中，冷却装置110通过太阳电池板101遮蔽直接的阳光，因此减小在冷却装置110上的热负荷，使该系统更有效。如果要收集的目标气体是CO2，在提供足够能量时，冷却装置110必须能够将冷凝器120冷却至低于-79℃。该冷却装置可选自各种技术中的任一种，例如Joule-Thomson冷却器，Peltier冷却器，Stirling冷却器，脉冲管低温冷却器，热电冷却器等。当冷凝器的温度低于-79℃时，来自空气的二氧化碳(和所有水蒸汽)与该冷凝器接触，在冷凝器表面形成沉积的干冰(和冰)的覆盖层。
骤冷的冷凝器120封闭在收集室130中，该收集室具有至少一个气体进口134和任选的一个或多个气体出口135。收集室130还可以具有提取口138，以便于从收集室130去除收集的目标气体。气体进口134可起止回阀的作用，当收集室130外的压力大于其内部压力时该止回阀打开使空气流入该收集室130，但是当收集室130内部的压力大于外部空气压力时该止回阀关闭形成密封。当对冷却装置110供给能量，和冷凝器120被冷却时，收集室内的空气将被冷却和发生收缩，使收集室130内的压力下降至低于外部空气压力(假设阀135和138关闭)，使在气体进口134的止回阀打开，使更多的空气流入收集室130。添加的空气中的目标气体(如CO2)在冷凝器上将冷凝为液体或固体，继续该过程将进一步降低收集室130内部的压力。(或者，阀134和135可以保持打开，使连续气流通过该冷凝器以捕集CO2。)如果然后使冷凝器120升温至高于目标气体的冷凝温度，或用于有目的的吹扫循环或者因为对冷却装置110降低功率输入(例如，夜晚用于太阳能装置)，一部分的冷凝的目标气体会再蒸发，升高收集室130内的压力，夹紧气体进口134处的止回阀关闭，并将目标物料捕集在收集室130中。任选的提取口138可以包括止回阀，该止回阀在收集室130内部压力大于提取口138另一侧上压力时打开，因此将收集的目标物料导入可移动的容器或永久连接的管道(plumbing)系统。或者，如果目标气体冷凝为液体而不是固体，提取口138可以包括由“S”形管构成的液体“阱”密封，类似于在厕所洗涤盆的存水弯(plumbing trap)。
再参见图6，如果希望通过使连续空气流通过收集室130，通过冷凝器120来达到更大的目标气体收集速率，则可以使用具有气体进口134和至少一个气体出口135的实施方式。对于该实施方式，进口134和出口135在冷凝器120温度低于或等于要求的凝结温度时通常打开，在冷凝器120温度高于要求温度时密封。为使能量使用最少，进口134和出口135的阀可以包含双稳阀，所述双稳阀与阀执行机构和监测该冷凝器的温度的被动温度传感器相连。或者，进口134和出口135可以包含保持打开的阀(例如通过螺线管(solenoid))同时太阳能板101产生足够的电能，但是当电能输出下降至低于某一最小水平时阀关闭并密封。在图6中，收集室130在该室一侧下部设置有进口134，在该室另一侧上部设置有出口135，促进因自然对流而增加的空气流动。此外，出口135在比进口134更靠近太阳能板101的位置，太阳能板由直接阳光加热。通过使该室中靠近出口的上部的空气更热，这样进一步增强通过收集室130的自然对流。或者，CO2捕集系统100中可以包括风扇、空气泵或者其他空气流动增强装置。
图6还示出从大气(或从图5的燃料反应室的排出气体)收集水蒸汽，并将其与CO2分离的方法。为便于收集和分离水蒸汽，该CO2捕集装置还包括任选的辅助提取口139和预冷凝器140。部件139和140可位于收集室130内，或者它们都可以位于单独的预冷凝室150内。如果需要分开收集水蒸汽和CO2，或为了获得相对不含水的CO2，预冷凝器140可与冷却装置110相连，并保持温度在露点和-79℃之间，优选在露点和0℃之间。预冷凝器140可以是筛网或格栅结构，或者一系列挡板，提供用于冷凝水蒸汽的足够冷的表面积，但仍能使足够的空气流入并通过收集室130。将在预冷凝器140上冷凝为液体水的水蒸汽向下排到室130或150的底部，在此处通过提取口138或139将其除去。任选储器170和辅助储器171可以分别从提取口138接受和容纳CO2，从辅助提取口139接受和容纳水。如果使用辅助提取口139，则该口可以是具有液体“阱”的排放口，如上面对部件138所述。通过辅助提取口139去除的水可以送至图5的氢提取器，由同样或不同的无碳能源装置提供能量进行化学反应。
任选的储能装置160，如电池或氢燃料电池也示于图6。储能装置160可以收集并储存无碳能源产生的过多能量，然后，在主要的无碳能源输出低(如，对太阳能板，在部分多云天或者在夜晚)时可释放该能量使气体捕集系统100能连续运行。
图5中的燃料反应室可以产生显著量的热能，特别如果该反应室利用放热反应如燃烧的情况。在燃料反应室释放的能量例如可以通过沸水来运行发电子系统，产生蒸汽，然后当蒸汽重新变为水时使涡轮发电机转动产生电能，然后水按照热力学卡诺循环再次沸腾。产生的热能还可以用来帮助该系统的其他部分运行，如碳还原室。类似地，产生的电能可以用来向该系统的其他部分，如氢提取器，CO2捕集装置以及在该系统各部分之间输送物料所需的任何必需的传感器，泵，和阀提供能量。图6的CO2捕集装置需要致冷装置，以使CO2和任选的水蒸汽凝结。图6的CO2捕集装置可以设置成通过使热废气通过逆流热交换器(图7)至冷的预冷凝器140和冷凝器120，在冷凝器中水蒸汽和CO2可凝结并被收集来接受来自燃烧燃料反应室的废气。然后，将来自废气的任何残留的骤冷气体如氮气或未反应的氧气送回通过对流热交换器，使输入的废气冷却。逆流热交换器因不需要过多冷却能量来骤冷预冷凝器140和冷凝器120，可将余能减至最小。而且，在预冷凝器140低于环境温度的范围，通过使用来自预冷凝器的冷凝水作为卡诺循环发动机的吸热器，可以提高发电子系统的卡诺循环的能量效率。这里应提到，该系统中的每一内部过程和装置都将具有不够理想的效率，并会有一些能量损失。该损失必须由碳-中性能源补充，或者由可从供给该系统的任选外部烃类燃料获得的化学能补充。该系统并不是专心致志设计成从矿物燃料提取最大能量，而不顾环境后果。本系统的目的是可持续地提供可靠的、可控制的功率，而不向大气释放CO2温室气体，较好地，使大气中CO2量实际上达到净减小。该系统产生的可控变化量的有用副产物可以销售以补偿该系统增加的成本。例如，基于图5系统的“混合型”发电站不仅可产生电能，而且能销售用于车辆的氢气和烃燃料，烃类原料和用于焊接或医疗用途的氧气。
本发明使用逆流热交换器的发电厂实施方式的图示于图7。在该系统中，燃料反应室275接受氧气和燃料，所示燃料可以是氢气、烃或者两者。氧气和氢气由氢提取器提供，如图3-5所示。该燃料与氧化学反应(例如通过燃烧)产生热量和反应产物，例如水蒸汽和二氧化碳。还可以存在稀释剂或载气如氮气。热反应产物离开燃料反应室，从蒸汽发生室280中通过，在蒸汽发生室280中反应产物的一部分热能用来使水沸腾产生水蒸汽。该水蒸汽可用作卡诺循环过程中的工作流体，如由包括蒸汽发生器280、涡轮281、蒸汽冷凝器282和泵283的闭合回路所示。蒸汽将其一部分热能供给涡轮叶片作为动能，使涡轮轴旋转，使该涡轮向发电器或机械驱动轴提供能量。通过涡轮281的蒸汽然后在蒸汽冷凝器282中冷却并再冷凝为液体水，因此降低蒸汽冷凝器中的压力，并因为经过涡轮的压差，使更多蒸汽吹入通过该涡轮。然后用泵283将冷凝的水泵送返回到蒸汽发生器280中，重复该循环。
在图7中，反应产物在蒸汽发生器280中放出其部分热能后，然后将反应产物输送通过逆流热交换器285至CO2捕集装置200，200’，所述捕集装置类似于图6中所示装置。图7中的CO2捕集装置也包括预冷凝器，以收集并去除反应产物气体中的水蒸汽。图7示出并联的两个CO2捕集装置200，200’，使一个捕集装置的冷凝器220的温度保持低于-79℃，以凝结并捕集CO2，同时另一捕集装置处于关闭，不输入反应产物，并升温至高于-79℃，以释放收集的CO2，迫使CO2向前通过逆流热交换器285至碳还原室290。气流可通过各种阀，例如气体出口阀235’控制，并由温度和压力传感器例如压力传感器273监测。因为释放的CO2仍是冷的，使该CO2通过逆流热交换器将有助于升高CO2温度至碳还原室的温度，同时将通向另一CO2捕集装置的反应产物气体预冷却。图7示出的CO2捕集装置200，200’还具有旁路出口，通过该旁路出口的任何过量的氧气、未反应的燃料、未冷凝的反应产物或稀释气体也可以通过逆流热交换器返回燃料反应室中。这种逆流设置将对该方法的下面步骤的物料冷却或加热所需的能量减至最小。图7中的逆流热交换器285沿AA’线的截面图示于图8。多种管，或者不同形状的管可替代热交换器中承载CO2和返回气体的内管中的任一种管或两种管，以增加传热面积，因此提高了热交换器的效率。
碳还原室290中的化学过程通常是吸热的。因此，所示碳还原室290与燃料反应室275相邻，这样使碳还原室中过程可以利用在燃料反应室中产生的热量和高温(或许还有高压)。
在图7的碳还原室290中，收集的CO2与氢气反应产生烃类，然后将烃储存在烃储器295中。根据碳还原室中发生的化学反应，还产生部分H2O。希望将该水与烃类分离。但是，如果水与烃类留下，并泵送至燃料反应室，则最终在CO2捕集装置的预冷凝器中收集该水，并从该系统的这一部分除去。因为收集在预冷凝器处的水温度相对较低，因此能为卡诺循环发电子系统的蒸汽冷凝器282提供优良的吸热物料。
图7的系统可以与碳-中性能源和氢提取器组合，如图5所示。这种系统可以用来发电，从大气去除温室气体二氧化碳，或者进行这两项。此外，这种系统能提供烃类原料、用于氢动力车辆的氢气、用于医疗或焊接用途的氧气等的经济上重要的来源。
虽然上面详细描述了本发明的具体实施例，以便于说明本发明的各方面，但是应理解，其目的是本发明并不限于这些实施例的细节。其目的而是覆盖在由所附权利要求书限定的精神和范围之内的所有修改、实施方式和替代物。

Claims (18)

1.一种发电装置，所述发电装置包括：
能够提供可控能量输出的发电子系统；
燃料反应室，其中通过氧化至少一种烃类燃料可获得将要提供给所述发电子系统的能量，所述氧化至少产生二氧化碳；
能够捕集至少一部分二氧化碳的CO2捕集装置，所述二氧化碳是通过所述燃料反应室中至少一种烃燃料的氧化形成的；
从CO2捕集装置获得CO2并将所获得的CO2中碳的化学氧化态还原的碳还原室；以及
碳-中性能量源；
其中在所述碳还原室中，使用来自所述碳-中性能量源的能量来还原碳还原室中的至少一部分二氧化碳中碳的化学氧化态。
2.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述碳还原室能够从CO2形成至少一种烃，所述至少一种烃能够用作烃类燃料。
3.如权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述发电装置还包括烃储器，其中存储有至少一种烃，以随后用作燃料反应室的燃料。
4.如权利要求3所述的发电装置，其特征在于，所述碳-中性能量源是间歇式源，且所述发电系统能够在基本上不向环境释放二氧化碳的条件下工作。
5.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述碳还原室能够进行Sabatier甲烷化反应或可逆水-煤气轮换反应中的至少一种。
6.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述发电系统还包括能够向所述碳还原室提供氢的氢提取器。
7.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述发电装置还包括至少一种电解池。
8.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述CO2捕集装置包括冷却气体冷凝器。
9.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述发电装置还包括燃料电池。
10.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述燃料反应室邻近所述碳还原室，使得所述燃料反应室能够在碳还原室中二氧化碳的氧化态发生还原时向碳还原室提供燃料反应室中氧化至少一种烃类原料产生的热量、高温或高压中的至少一种。
11.如权利要求1-10中任一项所述的发电装置，其特征在于，所述发电子系统是基于矿物燃料的电力事业电厂的一部分。
12.如权利要求1-10中任一项所述的发电装置，其特征在于，所述发电装置还包括适合接受在该装置内化学形成的水或氧气中至少一种的装置。
13.如权利要求1-10中任一项所述的发电装置，其特征在于，所述装置能够产生烃类原料。
14.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述CO2捕集装置包括冷却气冷凝器，并且所述CO2捕集装置通过逆流换热器连接到燃料反应室。
15.一种提供可控能量输出的方法，该方法向环境释放的二氧化碳明显降低或者释放最少，所述方法包括以下步骤：
提供上述权利要求中任一项所述的发电装置；
向所述燃料反应室提供一定量的氧气以及至少一种第一发电烃类燃料；
在所述燃料反应室中氧化所述至少一种烃类燃料，以形成二氧化碳和向所述发电子系统提供能量；
通过CO2捕集装置捕集大部分所形成的二氧化碳；
将一部分二氧化碳输送到所述碳还原室；
从所述碳-中性能量源获得能量；以及
在所述碳还原室中，使用从所述碳-中性能量源获得的能量还原二氧化碳中碳的化学氧化态，从而形成至少一种还原的碳化学物质。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述燃料反应室中由氧化至少一种烃类燃料产生的热量或压力中的至少一种用于帮助还原所述碳还原室中的二氧化碳的氧化态。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述至少一种还原的碳化学物质包括烃类燃料或可逆水-煤气轮换反应的产物中的至少一种。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括向所述燃料反应室提供一定量的所述至少一种还原的碳化学物质，并氧化所述至少一种还原的碳化学物质的步骤，所述至少一种还原的碳化学物质用作另一种烃燃料。
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