用于清洁化石燃料发电的负排放、大规模碳捕获的制作方法

本揭示案是关于绿色电力生产技术，尤其处理二氧化碳及其他温室气体。更具体而言，本文所呈现的发明性概念是关于用于清洁化石燃料电力生产的高效碳捕获(其亦得到有用的基于碳的副产物)的技术，从而导致总体负排放谱(profile)。

背景技术：

1、一种应对全球气候变迁的途径涉及借由在全世界布署空气至二氧化碳的去除设备(air-to-carbon-dioxide removal plant)而自大气中分离二氧化碳，且接着将该二氧化碳封存在例如深地下贮层中。为了解达成碳减排目标所需的规模，将需要安装大约40,000台空气至二氧化碳的去除设备(其对应于全世界超过40,000台或更多的燃化石燃料的发电设备)来分离由该燃化石燃料的发电设备生成的二氧化碳。

2、即使该空气至二氧化碳的去除设备能够以每吨几百美元的经济效率水准操作，与将二氧化碳移至储存地点相关的重大问题亦使得二氧化碳封存途径几乎无法达成。在达成所拟议碳减排目标所需的规模上，仅对美国而言，将二氧化碳移至封存地点就需要估计65,000英里的管线。遗憾的是，地缘政治压力使得封存途径不切实际，即使管线成本由主权国家政府实体承担。因此，首先需要用于防止自燃化石燃料的发电设备处的燃烧生成的二氧化碳进入生物圈的系统及技术。本文所呈现的发明性概念在源头上解决了与温室气体相关的问题，而并非试图在该温室气体释放至生物圈中之后将其重新捕获。

技术实现思路

1、处理反应器接收流出排气流(例如，自燃煤或燃天然气的发电设施)。将流出排气流引导通过高频、大气压、非平衡的电浆，以分解靶分子，诸如二氧化碳、一氧化碳及未耗尽的烃。

2、自该裂解分子中释放的元素接着由电动势控制，以维持分离，调变离子生命期，且容许氧、氮及氢原子复合成o2、n2及h2o。该有利(或在氧的情况下，有益)所得气体接着可释放至周围环境中或用于其他目的。

3、同时，碳固体经捕获且收集用于工业及制造用途。值得注意的是，处理反应器促进电浆的调谐，使得期望种类的碳固体(例如，石墨烯)作为副产物产生。

4、该碳固体副产物可直接用于多种应用，包括但不限于生产高级复合材料、工业用金刚石、碳纤维、基于碳的建筑材料、聚合物及化学合成等，以及能量储存应用、感测器技术及航太应用等等。

5、根据一个方面，一种用于从二氧化碳气体及水产生固体碳的方法包括：在反应器中接收二氧化碳和水，该反应器经配置以生成电浆；使用该电浆解离该二氧化碳及该水以形成一或多种解离物质；将该解离物质暴露于电场，该电场经配置以促进一或多种化学反应；经由该化学反应生成固体碳；以及自该反应器输出该固体碳。

6、根据另一方面，一种系统包括：波导，该波导包含沿第一波导的长度延伸的电浆区；微波能源，其耦合至该波导；第一流入口，其经配置以使二氧化碳气体流入该电浆区中；及气固分离器系统，其耦合至微波电浆反应器。该微波能源经配置以将微波能传播至该波导中。该微波能经配置以在该电浆区内生成电浆。该电浆区内的该电浆经配置以将该二氧化碳气体解离成多种组分，包括氧气及固体碳粒子。该气固分离器(gss)系统经配置以接收该多种组分。

7、根据又一方面，一种系统包括：多个反应室，其中每一反应室直接或间接地耦合至至少一个微波能源、至少一个放大器及至少一个容器。每一反应室皆包括耦合至该微波能源的波导。每一波导分别包括电浆区，该电浆区经配置以因应该微波能而生成电浆；至少一个入口，其经配置以将原材料输送至该电浆区中；及出口，其经配置以输出基于该原材料的粉末。

8、根据再一方面，一种物质组成物包括具有从使用电浆及电场解离二氧化碳和水而形成的物理特性的碳质材料。

9、本文以及附图及申请专利范围中阐述了技术方面的方面、目标及优点的进一步细节。

技术特征：

1.一种从二氧化碳气体和水产生固体碳的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其包括自解离所述二氧化碳和所述水的一或多种副产物和/或自所述一或多种化学反应的一或多种副产物中分离所述固体碳。

3.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述电场促进所述化学反应包括调变由耦合至所述反应器的控制电路生成的控制信号的频率和/或工作循环。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述化学反应包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述二氧化碳和所述水是从耦合至所述反应器的发电设施接收的流出排气流的组分。

6.根据权利要求5所述的方法，其中生成所述固体碳减少所述发电设施的碳足迹。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电浆的特征在于大约100电子伏特(ev)的能量。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述电浆的特征在于约1吉赫至约5吉赫的范围内的频率。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体碳包含选自由以下组成的群的一或多种材料：碳黑、碳纳米洋葱(cnos)、颈状cnos、碳纳米球、石墨、热解石墨、石墨烯、石墨烯纳米粒子、石墨烯微片、富勒烯、杂化富勒烯、单壁纳米管和多壁纳米管。

10.根据权利要求1所述的方法，其包括从所述反应器中去除氧。

11.根据权利要求1所述的方法，其包括：使用耦合至所述反应器的多个电极生成所述电场。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个电极中的至少两个的特征在于大约180度的相位差。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述电场的特征在于沿所述反应器的长度的可变强度。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述电场包括交流电(ac)场和/或脉冲直流电(dc)场。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述解离是由碰撞所述二氧化碳和所述水的电子来驱动。

16.一种系统，包括：

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述波导还包括反应区，所述反应区经配置以促进用于将所述二氧化碳转化为所述多种组分的一或多种化学反应。

18.根据权利要求16所述的系统，其包括耦合至所述电浆区的电磁能源、欧姆加热器件、介电加热器件、微波能器件和/或声子加热器件，其中所述电浆区中的等温线是使用所述欧姆加热器件、所述介电加热器件、所述微波能器件和/或所述声子加热器件来控制。

19.根据权利要求16所述的系统，其中所述波导还包括第二流入口，所述第二流入口经配置以将二氧化碳输送至所述电浆区中。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述波导还包括：

21.根据权利要求16所述的系统，其中所述多种组分包括固体碳。

22.根据权利要求16所述的系统，其中所述二氧化碳气体从发电设施的排出排气流提供至所述第一流入口。

23.根据权利要求16所述的系统，其中所述气固分离器(gss)经配置以在输出所述固体碳粒子之前将气态组分与所述固体碳粒子分离。

24.根据权利要求16所述的系统，其包括耦合至所述气固分离器系统的至少一个容器，其中所述至少一个容器经配置以接收所述固体碳粒子。

25.根据权利要求16所述的系统，其包括耦合至所述波导的多个电极，其中所述多个电极经配置以协作地生成交流电(ac)场和脉冲直流电(dc)场中的一者或二者。

26.根据权利要求16所述的系统，其包括耦合至所述波导的多个电极，其中所述多个电极经配置以协作地生成所述电浆区内的电场，并且其中所述电场的特征在于沿所述电浆区的长度的可变强度。

27.根据权利要求16所述的系统，其中所述入口经配置以使所述二氧化碳气体在平行于所述波导的方向上流入所述电浆区中。

28.根据权利要求16所述的系统，其中所述电浆区内的所述电浆经配置以通过使电子碰撞所述二氧化碳气体以将所述二氧化碳气体解离成所述多个组分。

29.一种系统，包括：

30.根据权利要求29所述的系统，其中每一反应室是速调管的一部分。

31.根据权利要求29所述的系统，其中所述电浆经配置以经由电子碰撞化学物质来解离存在于所述电浆区的化学物质。

32.一种物质组成物，包括具有从使用电浆和电场解离二氧化碳和水而形成的物理特性的碳质材料。

33.根据权利要求32所述的物质组成物，其中从使用至少一种电浆解离二氧化碳和水而形成的所述物理特性包括：包含碳质聚集体的碳质材料。

34.根据权利要求33所述的物质组成物，其中所述碳质聚集体的特征在于具有约1微米至约1000微米的范围内的长度的主要尺寸。

35.根据权利要求32所述的物质组成物，其中从使用至少一种电浆解离二氧化碳和水而形成的所述物理特性包括：包含一或多种材料的碳质材料，所述一或多种材料选自由以下组成的群：碳黑、碳纳米洋葱(cnos)、颈状cnos、碳纳米球、石墨、热解石墨、石墨烯、石墨烯纳米粒子、石墨烯微片、富勒烯、杂化富勒烯、单壁纳米管和多壁纳米管。

36.根据权利要求32所述的物质组成物，其中所述电浆的特征在于约1吉赫至约5吉赫的范围内的频率。

37.根据权利要求32所述的物质组成物，其中所述电浆包括微波电浆。

38.根据权利要求32所述的物质组成物，其中所述电场包括交流电(ac)场和/或脉冲直流电(dc)场。

39.根据权利要求32所述的物质组成物，其中所述解离是由碰撞所述二氧化碳和所述水的电子来驱动。

技术总结本申请公开了一种用于消除二氧化碳及捕获固体碳的系统及方法。借由例如自燃化石燃料的电力生产设施的流出排气流中消除二氧化碳气体，本文所呈现的发明性概念代表了一种环境清洁的解决方案，该解决方案永久地消除温室气体，同时产生捕获的固体碳产物，其可用于各种应用，包括高级复合材料合成(例如，碳纤维、3D石墨烯)及能量储存(例如，电池技术)。在所揭示用于消除温室气体的方法期间捕获固体碳避免了与习用二氧化碳封存相关的低效率及风险。所揭示的反应器与燃化石燃料的电力生产设施同处一地(colocation)实现了一种环境有益且经济上可行的途径，用于自原本将释放至地球生物圈中的二氧化碳气体及其他温室气体中永久地捕获巨量固体碳。技术研发人员：M·W·斯托威尔,L·西恩科受保护的技术使用者：利腾股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2