CN102553408A - 基于反应物质循环的热化学分解co2和h2o的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及CO2减排技术，旨在提供一种基于反应物质循环的热化学分解CO2和H2O的方法及装置。该方法是将H2O、I2和SO2送入Bunsen反应装置发生自发放热反应，通入CO2气体至固定床或流化床反应器与金属Zn或Ni发生放热反应；各反应过程中的产物通过各反应装置循环利用，最终的产物则为H2、CO和O2。本发明的最高热源温度较低(＜900℃)，可以采用太阳能、核能等其它多种形式的热源；在一定程度上减轻了Zn与CO2反应不完全带来的负面影响；反应温度适当，易于实现规模化工业应用。

Description

基于反应物质循环的热化学分解CO2和H2O的方法及装置
技术领域
本发明涉及基于反应物质循环的热化学分解CO2和H2O的新方法及工艺流程。
背景技术
目前，CO2排放问题越来越受到大家的重视，如何有效降低CO2排放已经成为了世界各国重要的政治经济议题。美国、英国和德国等国都研究制定了CO2排放制度，日本则加快了CO2综合利用方面的研究，计划用10年时间建立起以CO2为化工原料的独立工业体系。目前来看CO2减排能够采取的措施一方面是减排和控制增量：包括调整能源结构，使用低碳能源，大力发展核能、氢能、风能等清洁能源，提高能源的利用效率，发展节能技术以及改变人类的消费习惯，尽可能减少石化燃料的使用。另一方面则是加大CO2的处置和利用，这包括捕集和封存技术，进行油气开采，微藻利用以及化工利用等。在CO2利用方面，虽然经济和风险评估表明CO2的有机化工利用是一个值得大力发展的方面，但由于CO2是个不活泼分子，化学性质稳定，需采用高温、高压或使用催化剂才能使其反应。一般情况下，CO2催化加氢反应的转化率和收率都不太高，目前还难以经济规模地推广应用。而热化学循环分解和利用CO2系统由于有其独特的优越性，近些年来得到了不少科学研究者们的关注和研究，其中，基于金属-氧化物对氧化还原的热化学循环分解二氧化碳和水系统是主要的研究方向之一。
基于金属-氧化物对氧化还原的热化学分解二氧化碳和水循环通常由两步组成：第一步是金属氧化物在高温下分解产生氧气和金属单质或者较低化合价的金属氧化物；第二步是金属单质或者较低化合价的金属氧化物在较低温度下发生水解反应来制取氢气或者发生二氧化碳分解反应来制取一氧化碳。整个过程可以表示如下：
1/xMO2→1/x MO2-x+1/2O2        (1)
1/xMO2-x+H2O→1/xMO2+H2        (2)
1/xMO2-x+CO2→1/xMO2+CO        (3)
第一步分解反应是一个高温吸热的过程，通常需要很高的反应温度(＞1600℃)，因此必须采用太阳能聚光高温热源来驱动反应进行。第二步水解反应和二氧化碳分解反应是放热的过程，其反应温度相对较低。当反应(1)中的M为Fe、Zn或者Ce元素时能获得比较合理的反应速率，反应式(2)和(3)的反应温度在350～900℃之间。由式(1)、(2)和(3)很容易看出：整个过程的总反应就是H2O+CO2→H2+CO+O2。
两步式热化学循环最关键的问题在于选择合适的金属-氧化物对，而在选择中首先要考虑的就是金属氧化物的分解温度。但实验表明，常见的金属氧化物的分解温度都相对较高。表1-1列出了一些常见金属氧化物完全实现热分解(没有添加任何有用功)ΔGf 0＝0时的大概温度：
表1-1常见金属氧化物热分解温度
  金属氧化物   Fe2O3   Al2O3   MgO   ZnO   TiO2   SiO2   CaO
  ΔGf 0＝0   3430℃   ＞3700℃   3400℃   2058℃   ＞3700℃   4230℃   4130℃
注：Fe2O3，TiO2和SiO2在完全分解成金属单质前会先分解为低价的金属氧化物。
从表中我们可以看到，金属氧化物要实现直接热分解所需的温度比较高。到目前为止，Zn/ZnO是两步式热化学循环中研究最多的系统之一，这个系统已经得到了大力的研究和发展。整个过程如下步骤进行：
ZnO(s)→Zn(g)+0.5O2(g)     (1)
Zn+H2O(g)→ZnO(s)+H2(g)    (2)
Zn+CO2(g)→ZnO(s)+CO(g)    (3)
第一步：ZnO的热解是一个吸热过程，其ΔGf 0＝0时的温度为2058℃，其产物是锌蒸汽和氧气，最终需要进行分离或者骤冷以防止产物的再结合。第二步：CO2和H2O的分解反应，根据反应动力学，式(2)和(3)的反应必须在超过锌熔点(419℃，1atm)的温度下进行。然而，当熔化的锌与水蒸汽或者二氧化碳反应时，会形成一层ZnO(cr)浮在熔融物上，阻止反应的进一步发生。研究者们对ZnO热解过程的一些化学基础进行了大量的研究。研究发现，Zn的生产率极大程度上取决于分解反应的动力学过程以及对气态产物进行足够快的骤冷以防止其再结合的技术可行性。Steinfeld等人(文献Solarhydrogen progen production via a two-step water-splitting thermochemical cycle based onZn/ZnO redox reaction.International Journal of Hydrogen Energy，2002；27(6)：611-619)通过对太阳能Zn/ZnO循环制氢系统进行有用能和经济学分析，宣称该系统在没有回收任何热量的情况下，最高理论热效率可以达到29％(当太阳能系统聚光比5000，反应器运行温度为2027℃)，其主要的能量损失来自于太阳能反应器的高温辐射损失(占总能量的32％)以及Zn(g)和O2的骤冷损失(26％)。Venstrom等人(文献Splitting Water and CarbonDioxide via the Heterogeneous Oxidation of Zinc Vapor：Thermodynamic Considerations.Journal of Solar Energy Engineering，2011，133(011017)：1-8)通过对太阳能Zn/ZnO循环分解CO2和H2O系统进行热力学分析，该系统在没有回收热量的情况下，最高理论热效率为27％～31％。另外，William等人(文献High-Flux Solar-Driven ThermochemicalDissociation of CO2 and H2 Using Nonstoichiometric Ceria.Science，2010，330(6012)：1797-1801)通过太阳能CeO2/Ce2O3循环分解CO2和H2O系统进行热力学分析，宣称该系统在没有回收任何热量的情况下，最高理论热效率可以达到16～19％。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于反应物质循环的热化学分解CO2和H2O的方法及装置。
为实现发明目的，本发明提供了一种基于反应物质循环的热化学分解CO2和H2O的方法，其总的化学反应式为H2O+CO2→H2+CO+O2，包括以下步骤：
(1)将H2O、I2和SO2按物质的量比例14～16∶1.5～9∶1送入Bunsen反应装置，匀速搅拌反应液确保其混合均匀，在20～120℃和1～2atm条件下发生自发放热反应，产生多水的HI相和H2SO4相溶液，该反应的化学反应式如下：
I2+SO2+2H2O→2HI+H2SO4
反应中过量的碘确保了Bunsen反应生成的混合溶液发生液-液相分离，形成上下分层的HI相和H2SO4相溶液；
(2)在120～260℃、0.08～1.3atm和绝热条件下，对H2SO4相溶液实施多级硫酸浓缩处理；
(3)将浓缩后的H2SO4升温至800～900℃，催化分解生成SO2、H2O和最终产物O2，该反应的化学反应式如下：
H2SO4→SO2+H2O+0.5O2
SO2、H2O和最终产物O2返回到Bunsen反应装置重复利用；
(4)在350～900℃下，通入CO2气体至固定床或流化床反应器与金属M发生放热反应生成氧化物MO和最终产物CO，控制反应条件使反应后氧化物MO与金属M在固体混合物中的物质的量比例为1∶1，该反应的化学反应式如下：
2M+CO2→MO+M+CO
所述的M为金属元素Zn或Ni；
(5)对于步骤(1)所得HI相溶液进行电渗析处理，在电渗析池阴极侧获得浓缩的HI溶液，阳极侧获得的稀释HI溶液返回到Bunsen反应装置重复利用；浓缩后的HI溶液在浓缩精馏装置中进行精馏，获得纯净的HI蒸汽；将所得HI蒸汽与步骤(4)中的氧化物MO和金属M的混合物在20～90℃的水溶液中发生自发放热反应，得到MI2、H2O和最终产物H2，该反应的化学反应式如下：
4HI+M+MO→H2+H2O+2MI2
(6)通过蒸馏得到MI2固体后置于固定床或流化床反应器内，通入载气Ar或N2，于600～900℃条件下进行热分解，最终得到单质M和I2；该反应的化学反应式如下：
MI2→M+I2
冷却后的单质M返回到步骤(4)中作为CO2分解反应的还原剂重复利用；I2作为反应物返回到步骤(1)中的Bunsen反应装置循环利用。
本发明进一步提供了一种用于实现前述方法的装置，包括Bunsen反应装置，其特征在于，还包括：液相分离装置、HIx浓缩精馏装置、H2SO4浓缩装置、浓H2SO4催化分解装置、CO2分解反应器、MI2生成反应器和MI2催化分解反应器；所述Bunsen反应装置连接液相分离装置，液相分离装置分别连接HIx浓缩精馏装置和H2SO4浓缩装置，H2SO4浓缩装置、浓H2SO4催化分解装置、Bunsen反应装置依次连接，HIx浓缩精馏装置连接MI2生成反应器，MI2生成反应器分别再与CO2分解反应器和MI2催化分解反应器相连接，MI2催化分解反应器分别再与Bunsen反应装置和CO2分解反应器连接；所述的M是指金属元素Zn或Ni。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、两步式太阳能热化学Zn/ZnO循环等各类系统的最高热源温度都较高(＞1600℃)，一般采用太阳能聚光，而本系统的最高热源温度较低(＜900℃)，可以采用太阳能、核能等其它多种形式的热源；
2、由于Zn和ZnO均能和氢碘酸完全反应，本系统在一定程度上减轻了Zn与CO2反应不完全带来的负面影响；
3、本系统各部分都属于化工流程，反应温度适当，易于实现规模化工业应用。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图中的附图标记为：1为Bunsen反应装置、2为液相分离装置、3为HIx浓缩精馏装置、4为H2SO4浓缩装置、5为浓H2SO4催化分解装置、6为CO2分解反应器、7为ZnI2生成反应器、8为ZnI2催化分解反应器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。
用于实现本发明所述方法的设备包括：Bunsen反应装置1、液相分离装置2、HIx浓缩精馏装置3、H2SO4浓缩装置4、浓H2SO4催化分解装置5、CO2分解反应器6、ZnI2生成反应器7、ZnI2催化分解反应器8。Bunsen反应装置1连接液相分离装置2，液相分离装置2分别连接HIx浓缩精馏装置3和H2SO4浓缩装置4，H2SO4浓缩装置4、浓H2SO4催化分解装置5、Bunsen反应装置1依次连接，HIx浓缩精馏装置3连接ZnI2生成反应器7，ZnI2生成反应器7分别再与CO2分解反应器6和ZnI2催化分解反应器8相连接，ZnI2催化分解反应器8分别再与Bunsen反应装置1和CO2分解反应器7连接。
具体实施例1：
(1)将14molH2O、1.5molI2和1molSO2送入Bunsen反应装置1，通过电机装置匀速搅拌反应液，确保其混合均匀，在20℃、1atm时发生自主放热反应，产生多水的HI相(HIx)和H2SO4相溶液，其中HI相主要包含碘化氢溶液及过量碘，H2SO4相主要包含H2SO4溶液，该反应的化学反应式如下：
I2+SO2+2H2O→2HI+H2SO4
(2)将Bunsen反应装置1中的两项溶液在液相分离装置2中分离，H2SO4相在H2SO4浓缩装置4中浓缩后进入浓H2SO4催化分解装置5中，在350℃时先分解为SO3和H2O，生成的SO3在800℃下进行催化分解生成SO2和O2，最终产物O2伴随SO2和H2O返回到Bunsen反应装置1分离得到，该反应的化学反应式如下：
H2SO4→SO2+H2O+0.5O2
(3)同时，将CO2送入CO2分解反应器6，在350℃下与Zn发生反应，控制反应条件产生ZnO和Zn(物质的量比例1∶1)混合物及最终产物CO，其中ZnO和Zn(物质的量比例1∶1)进入ZnI2生成反应器8，其化学反应方程式如下：
Zn+CO2→ZnO+CO
(4)液相分离装置2中分离所得的HIx相在HIx浓缩精馏装置3中进一步浓缩、提纯及分离，全部的HI蒸汽进入ZnI2生成反应器7与来自CO2分解反应器6的ZnO和Zn(物质的量比例1∶1)混合物在20℃的水溶液中发生自发放热反应，得到ZnI2、H2O和最终产物H2，其中生成的ZnI2送入ZnI2催化分解反应器8，其化学反应方程式分别如下：
4HI+Zn+ZnO→H2+H2O+2ZnI2
(5)生成的ZnI2送入ZnI2催化分解反应器8，在600℃下进行催化分解反应，其中反应的生成的I2均返回Bunsen反应装置1重复利用，生成的Zn均返回CO2分解反应器7中重复利用，其化学反应方程式如下：
ZnI2→Zn+I2。
具体实施例2：
(1)将15molH2O、5molI2和1molSO2送入Bunsen反应装置1，通过电机装置匀速搅拌反应液，确保其混合均匀，在70℃、1.5atm时发生自主放热反应，产生多水的HI相(HIx)和H2SO4相溶液，其中HI相主要包含碘化氢溶液及过量碘，H2SO4相主要包含H2SO4溶液，该反应的化学反应式如下：
I2+SO2+2H2O→2HI+H2SO4
(2)将Bunsen反应装置1中的两项溶液在液相分离装置2中分离，H2SO4相在H2SO4浓缩装置4中浓缩后进入浓H2SO4催化分解装置5中，在350℃时先分解为SO3和H2O，生成的SO3在850℃下进行催化分解生成SO2和O2，最终产物O2伴随SO2和H2O返回到Bunsen反应装置1分离得到，该反应的化学反应式如下：
H2SO4→SO2+H2O+0.5O2
(3)同时，将CO2送入CO2分解反应器6，在600℃下与Zn发生反应，控制反应条件产生ZnO和Zn(物质的量比例1∶1)混合物及最终产物CO，其中ZnO和Zn(物质的量比例1∶1)进入ZnI2生成反应器8，其化学反应方程式如下：
Zn+CO2→ZnO+CO
(4)液相分离装置2中分离所得的HIx相在HIx浓缩精馏装置3中进一步浓缩、提纯及分离，全部的HI蒸汽进入ZnI2生成反应器7与来自CO2分解反应器6的ZnO和Zn(物质的量比例1∶1)混合物在60℃的水溶液中发生自发放热反应，得到ZnI2、H2O和最终产物H2，其中生成的ZnI2送入ZnI2催化分解反应器8，其化学反应方程式分别如下：
4HI+Zn+ZnO→H2+H2O+2ZnI2
(5)生成的ZnI2送入ZnI2催化分解反应器8，在750℃下进行催化分解反应，其中反应的生成的I2均返回Bunsen反应装置1重复利用，生成的Zn均返回CO2分解反应器7中重复利用，其化学反应方程式如下：
ZnI2→Zn+I2。
具体实施例3：
(1)将16molH2O、9molI2和1molSO2送入Bunsen反应装置1，通过电机装置匀速搅拌反应液，确保其混合均匀，在120℃、2atm时发生自主放热反应，产生多水的HI相(HIx)和H2SO4相溶液，其中HI相主要包含碘化氢溶液及过量碘，H2SO4相主要包含H2SO4溶液，该反应的化学反应式如下：
I2+SO2+2H2O→2HI+H2SO4
(2)将Bunsen反应装置1中的两项溶液在液相分离装置2中分离，H2SO4相在H2SO4浓缩装置4中浓缩后进入浓H2SO4催化分解装置5中，在350℃时先分解为SO3和H2O，生成的SO3在900℃下进行催化分解生成SO2和O2，最终产物O2伴随SO2和H2O返回到Bunsen反应装置1分离得到，该反应的化学反应式如下：
H2SO4→SO2+H2O+0.5O2
(3)同时，将CO2送入CO2分解反应器6，在900℃下与Zn发生反应，控制反应条件产生ZnO和Zn(物质的量比例1∶1)混合物及最终产物CO，其中ZnO和Zn(物质的量比例1∶1)进入ZnI2生成反应器8，其化学反应方程式如下：
Zn+CO2→ZnO+CO
(4)液相分离装置2中分离所得的HIx相在HIx浓缩精馏装置3中进一步浓缩、提纯及分离，全部的HI蒸汽进入ZnI2生成反应器7与来自CO2分解反应器6的ZnO和Zn(物质的量比例1∶1)混合物在90℃的水溶液中发生自发放热反应，得到ZnI2、H2O和最终产物H2，其中生成的ZnI2送入ZnI2催化分解反应器8，其化学反应方程式分别如下：
4HI+Zn+ZnO→H2+H2O+2ZnI2
(5)生成的ZnI2送入ZnI2催化分解反应器8，在900℃下进行催化分解反应，其中反应的生成的I2均返回Bunsen反应装置1重复利用，生成的Zn均返回CO2分解反应器7中重复利用，其化学反应方程式如下：
ZnI2→Zn+I2。
具体实施例4：
将具体实施例3中的金属元素Zn换成Ni，其它所有步骤及条件均不变。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本发明可用其他的不违背本发明的精神和主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明。权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (2)

1.一种基于反应物质循环的热化学分解CO2和H2O的方法，其总的化学反应式为H2O+CO2→H2+CO+O2，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将H2O、I2和SO2按物质的量比例14～16∶1.5～9∶1送入Bunsen反应装置，匀速搅拌反应液确保其混合均匀，在20～120℃和1～2atm条件下发生自发放热反应，产生多水的HI相和H2SO4相溶液，该反应的化学反应式如下：
I2+SO2+2H2O→2HI+H2SO4
反应中过量的碘确保了Bunsen反应生成的混合溶液发生液-液相分离，形成上下分层的HI相和H2SO4相溶液；
(2)在120～260℃、0.08～1.3atm和绝热条件下，对H2SO4相溶液实施多级硫酸浓缩处理；
(3)将浓缩后的H2SO4升温至800～900℃，催化分解生成SO2、H2O和最终产物O2，该反应的化学反应式如下：
H2SO4→SO2+H2O+0.5O2
SO2、H2O和最终产物O2返回到Bunsen反应装置重复利用；
(4)在350～900℃下，通入CO2气体至固定床或流化床反应器与金属M发生放热反应生成氧化物MO和最终产物CO，控制反应条件使反应后氧化物MO与金属M在固体混合物中的物质的量比例为1∶1，该反应的化学反应式如下：
2M+CO2→MO+M+CO
所述的M为金属元素Zn或Ni；
(5)对于步骤(1)所得HI相溶液进行电渗析处理，在电渗析池阴极侧获得浓缩的HI溶液，阳极侧获得的稀释HI溶液返回到Bunsen反应装置重复利用；浓缩后的HI溶液在浓缩精馏装置中进行精馏，获得纯净的HI蒸汽；将所得HI蒸汽与步骤(4)中的氧化物MO和金属M的混合物在20～90℃的水溶液中发生自发放热反应，得到MI2、H2O和最终产物H2，该反应的化学反应式如下：
4HI+M+MO→H2+H2O+2MI2
(6)通过蒸馏得到MI2固体后置于固定床或流化床反应器内，通入载气Ar或N2，于600～900℃条件下进行热分解，最终得到单质M和I2；该反应的化学反应式如下：
MI2→M+I2
冷却后的单质M返回到步骤(4)中作为CO2分解反应的还原剂重复利用；I2作为反应物返回到步骤(1)中的Bunsen反应装置循环利用。
2.一种用于实现权利要求1所述方法的装置，包括Bunsen反应装置，其特征在于，还包括：液相分离装置、HIx浓缩精馏装置、H2SO4浓缩装置、浓H2SO4催化分解装置、CO2分解反应器、MI2生成反应器和MI2催化分解反应器；所述Bunsen反应装置连接液相分离装置，液相分离装置分别连接HIx浓缩精馏装置和H2SO4浓缩装置，H2SO4浓缩装置、浓H2SO4催化分解装置、Bunsen反应装置依次连接，HIx浓缩精馏装置连接MI2生成反应器，MI2生成反应器分别再与CO2分解反应器和MI2催化分解反应器相连接，MI2催化分解反应器分别再与Bunsen反应装置和CO2分解反应器连接；所述的M是指金属元素Zn或Ni。
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