CN111186816A - 一种等离子体固碳系统及固碳方法 - Google Patents

一种等离子体固碳系统及固碳方法 Download PDF

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Abstract

公开了等离子体固碳系统及固碳方法，其中，等离子体固碳系统中，等离子体反应器的第一通道和第二通道分别设有流量控制器，等离子体反应器经由高压电极连接高电压以及经由地电极接地，水、或氢气、或甲烷分别与二氧化碳混合，在流量控制器的控制下，以预定比例通入等离子体反应器，冷凝器连接等离子体反应器以冷凝来自等离子体反应器中的转化产物和未反应完全的反应物，并选择性的用于等离子体反应器中循环，从而通过常温等离子体技术、在免除催化剂的情况下实现环保治理。

Description

一种等离子体固碳系统及固碳方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳转化技术领域，特别是一种等离子体固碳系统及固碳方法。
背景技术
一方面，气候变暖和资源枯竭是亟需解决的全球性问题，化石能源的低效率滥用导致了化石能源的匮乏和CO2的过度排放，使大气中CO2浓度显著提高，造成全球平均气温上升。例如，挥发性有机污染物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是空气污染的一大污染源，长期暴露在其中也危害人体健康。
另一方面，俘获、收集工业废气和大气中的CO2资源，通过一定的技术手段将其转化为燃料进行贮存，对于改善目前的化石能源现状和减少大气CO2浓度具有重要的现实意义。
CO2分子结构十分稳定，高化学惰性使其难以活化，通常在高温、催化下才会使其分解，热能成本高，而CO2加氢燃料化过程则是放热反应，高温不利于反应的进行。
目前关于CO2转化利用的现有技术中，主要存在如下问题：
1)多数以实现CO2和CH4的同步资源化为目的，即同步处理CO2和CH4的混合气体，在一定条件下使其重整为含有CO和H2的合成气，将合成气作为原料被进一步加工成化工产品，但目前的技术导致重整反应温度较高，转化效率低，积碳严重，未达到工业化应用的阶段。
2)在一定条件下，CO2加氢可以直接转化为燃料，成为目前的研究热点，而现有的CO2加氢反应系统多采用催化剂为主，聚焦于改进催化剂结构、改善催化剂合成方法、合成新型高效催化剂和优化反应条件上，虽然CO2转化效率有所提高，转化产物趋于可控，但催化剂的失活问题和催化剂的二次处理问题仍未得到有效解决。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种等离子体固碳系统及固碳方法，利用等离子体技术在常温下实现CO2与CH4的重整或CO2的加氢燃料化，降低反应能耗。不同反应物在等离子体反应器中转化合成不同产物，通过对产物的冷凝分离，实现燃料分离，分离出的物质可以进行循环反应。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种等离子体固碳系统，包括，
等离子体反应器，第一分离器，冷凝器，和第二分离器；
所述等离子体反应器，包括第一通道、第二通道、高压电极、地电极且经由高压电极连接高电压以及经由地电极接地；其中，所述第一通道和第二通道分别设有对应的流量控制器；
所述等离子体反应器经由第一通道输入二氧化碳作为第一反应物，以及经由第二通道输入氢气或甲烷或水作为第二反应物，且：所述等离子体反应器用于在等离子体的作用下和流量控制器的控制下，将第一反应物与第二反应物进行反应以得到转化产物，并将所述转化产物与可能未反应完全的：第一反应物和/或第二反应物输出至所述冷凝器；
所述冷凝器连接所述等离子体反应器的输出，以确保可能未反应完全的二氧化碳和可能获得的转化产物中的氢气、以及可能未反应完全的氢气在不被冷凝的情况下，对来自等离子体反应器中的所有转化产物和可能未反应完全的甲烷或水进行冷凝，以实现气液分离；并且，所述冷凝器将冷凝得到的液体物质通入所述第一分离器，而未被冷凝的那部分气体物质通入所述第二分离器，其中，所述未被冷凝的那部分气体物质包括：可能未反应完全的二氧化碳和可能获得的转化产物中的氢气、以及可能未反应完全的氢气；
所述冷凝器通过所述第一分离器以将冷凝后的液体物质逐一分离，分离后的燃料和化工原料储存备用，且在有需要的情况下将可用于第二反应物的甲烷或水的那部分经由第二通道循环反应到等离子体反应器；
所述冷凝器通过所述第二分离器以将所述未被冷凝的那部分气体物质分离为二氧化碳和其他气体，且二氧化碳经由所述第一通道循环反应到等离子体反应器，所述其他气体经由第二通道循环反应到等离子体反应器，其中，所述其他气体包括：所述可能获得的转化产物中的氢气、以及所述可能未反应完全的氢气。
根据本发明另一方面，一种所述等离子体固碳系统的固碳方法，包括以下步骤，
S100、以二氧化碳作为第一反应物，以氢气或甲烷或水作为第二反应物，且：在等离子体的作用下和对第一反应物以及第二反应物的反应量的控制下，将第一反应物与第二反应物进行反应以得到转化产物，并将所述转化产物与可能未反应完全的：第一反应物和/或第二反应物输出并冷凝以实现气液分离；其中，
在确保可能未反应完全的二氧化碳、可能获得的转化产物中的氢气、可能未反应完全的氢气在不被冷凝的情况下，对所述转化产物和可能未反应完全的甲烷或水进行冷凝，以实现气液分离；
S200、将冷凝得到的液体物质进行第一次分离，分离后的燃料和化工原料储存备用，且在有需要的情况下将可用于第二反应物的甲烷或水的那部分再次迭代到步骤S100中作为第二反应物；
S300、未被冷凝的那部分气体物质进行第二次分离，并将可用于第一反应物的二氧化碳再次迭代到步骤S100中作为第一反应物，以及将可用于第二反应物的氢气再次迭代到步骤S100中作为第二反应物。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用等离子体固碳对反应物无选择性，可以实现CO2与CH4(即二氧化碳与甲烷)的重整反应、或者：CO2与H2(即二氧化碳与氢气)、CO2与H2O(即二氧化碳与氢气)的加氢反应，由于无需催化剂，所以本发明可以解决目前CO2转化中使用催化剂带来的问题，如避免催化剂的积碳失活问题；
此外，本发明利用等离子体固碳，这使得其可以在常温下进行，解决了现有技术中CO2分解和加氢转化对温度有所需求的问题，从而大幅降低反应温度，避免消耗大量热能。
换言之，本发明所揭示的基于等离子体的固碳技术，能够高效地将CO2减少并有效利用，是节能减排的高新技术手段，将大幅降低碳排放，改善环境质量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本发明的一个实施例中的等离子体固碳系统结构示意图；
图2是本发明的另一个实施例中的等离子体固碳系统结构示意图；
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1所示，一种等离子体固碳系统包括中，
等离子体反应器11，第一分离器15，冷凝器14，和第二分离器17；
所述等离子体反应器，包括第一通道、第二通道、高压电极12、地电极13且经由高压电极连接高电压以及经由地电极接地；其中，所述第一通道和第二通道分别设有对应的流量控制器10；
所述等离子体反应器11经由第一通道输入二氧化碳作为第一反应物，以及经由第二通道输入氢气或甲烷或水作为第二反应物，且：所述等离子体反应器用于在等离子体的作用下和流量控制器10的控制下，将第一反应物与第二反应物进行反应以得到转化产物，并将所述转化产物与可能未反应完全的：第一反应物和/或第二反应物输出至所述冷凝器14；
所述冷凝器14连接所述等离子体反应器的输出，以确保可能未反应完全的二氧化碳和可能获得的转化产物中的氢气、以及可能未反应完全的氢气在不被冷凝的情况下，对来自等离子体反应器中的所有转化产物和可能未反应完全的甲烷或水进行冷凝，以实现气液分离；并且，所述冷凝器14将冷凝得到的液体物质通入所述第一分离器15，而未被冷凝的那部分气体物质通入所述第二分离器17，其中，所述未被冷凝的那部分气体物质包括：可能未反应完全的二氧化碳和可能获得的转化产物中的氢气、以及可能未反应完全的氢气；需要说明的是，现有的冷凝器即可确保：可能未反应完全的二氧化碳和可能获得的转化产物中的氢气、以及可能未反应完全的氢气不被冷凝的同时，对来自等离子体反应器中的所有转化产物和可能未反应完全的甲烷或水进行冷凝，以实现气液分离，这方面可以选择的型号非常广泛。
所述冷凝器14通过所述第一分离器15以将冷凝后的液体物质逐一分离，分离后的燃料和化工原料储存备用，且在有需要的情况下将可用于第二反应物的甲烷或水的那部分经由第二通道循环反应到等离子体反应器11；
所述冷凝器14通过所述第二分离器17以将所述未被冷凝的那部分气体物质分离为二氧化碳和其他气体，且二氧化碳经由所述第一通道循环反应到等离子体反应器11，所述其他气体经由第二通道循环反应到等离子体反应器11，其中，所述其他气体包括：所述可能获得的转化产物中的氢气、以及所述可能未反应完全的氢气。
能够理解，该实施例在常温下实现CO2与CH4的重整和CO2的加氢转化对于实现CO2高效燃料化，降低能量损耗具有重要意义。典型的，充分利用过剩的分布式电力能源，在高电压作用下放电产生等离子体，在常温下活化CO2分子，将CO2与CH4或CO2与H2O或CO2与H2的混合气体以一定比例通入等离子体反应器能够实现CO2的燃料转化，获得新型化学燃料并进行贮存利用，实现高效固碳，有效改善环境质量，对于快速达到低碳排放目标和实现CO2燃料化应用具有显著的实际意义。
为了进一步理解本发明，如图1所示，图中标记为：1-H2O；8-CO2；9-CH4；16-CO、CH4、CH3OH、或O2等其他转化产物，下面详细说明反应原理：
1)在高电压所形成的等离子体的作用下，CO2和H2可以发生如下转化反应：
CO2+3H2→CH3OH+H2O
H2和CO2发生上述转化反应后生成CH3OH和H2O，经冷凝器14冷凝和第一分离器分离后，分别得到CH3OH和H2O，分离的CH3OH可以作为燃料储存备用，H2O则可以循环反应或者用于电离得到氢气和氧气。如果存在未反应完的二氧化碳或氢气，则可以循环使用。
能够理解，对于上述反应，最好H2和CO2以3∶1的比例通入等离子体反应器11。
2)在高电压所形成的等离子体的作用下，CO2和H2可以发生如下转化反应：
CO2+4H2→CH4+2H2O
能够理解，对于上述反应，最好H2和CO2以4∶1的比例通入等离子体反应器11。产物CH4和H2O，经冷凝器14冷凝和第一分离器分离后，分别得到CH4和H2O，分离的CH4可以储存备用或者再次循环反应(详见下文第4种反应)，而H2O则可以循环反应或者用于电离得到氢气和氧气。至于未反应完的二氧化碳或氢气，则可以继续循环。
3)在高电压所形成的等离子体的作用下，CO2和H2可以发生如下转化反应：
CO2+H2→CO+H2O
能够理解，对于上述反应，最好H2和CO2以1∶1的比例通入等离子体反应器11。产物CO和H2O冷凝、分离后，分别得到分离的CO和H2O，分离的CO可以作为合成其他化工产品的原料储存备用，而H2O则可以循环反应或者用于电离得到氢气和氧气。至于未反应完的二氧化碳或氢气，则可以继续循环。
4)在高电压所形成的等离子体的作用下，CO2和CH4可以发生如下转化反应：
CO2+CH4→2CO+2H2
能够理解，对于上述反应，最好CH4和CO2以1∶1的比例通入等离子体反应器11。产物CO和H2冷凝、分离后，分别得到分离的CO和H2，分离的CO可以作为合成其他化工产品的原料储存备用，而H2则可以循环反应或者作其他用途。至于未反应完的二氧化碳或甲烷，则可以继续循环。
5)在高电压所形成的等离子体的作用下，CO2和H2O可以发生如下转化反应：
CO2+2H2O→CH4+2O2
能够理解，对于上述反应，最好H2O和CO2以2∶1的比例通入等离子体反应器11。产物CH4和O2冷凝、分离后，分别得到分离的CH4和O2，分离的O2可以储存备用或者直接排放到大气，而CH4则可以循环反应或者作其他用途。至于未反应完的二氧化碳或水，则可以继续循环。
需要说明的是，对于以上参与反应的二氧化碳，其可以来自于工业废气或者大气捕捉，此方面可以采用现有技术。上述各种反应中右侧的物质即属于所有的转化产物的主流可能情况，这是因为，在等离子体反应器中，虽然本发明可以通过上述流量控制器和上述反应控制初始的比例，但是由于等离子体反应器中的反应条件并不能精确的控制，所以：尽管主流产物是甲醇、甲烷、一氧化碳、水、氧气、氢气等，但是不排除获得其他烃类或醇类，例如乙烷、乙醇等等多种烃类或醇类。至于本发明所述的第二反应物，即水或氢气或甲烷，也有多种获取来源，不论是单独购买的还是经由其他方式获得的。
在另一个实施例中，二氧化碳和/或水此种反应物，还可以优选来自于VOCs，典型的，所述系统还包括：
VOCs降解系统5，其配置成生成含有二氧化碳和水的降解产物，
第三分离器4，其连接所述降解系统5以从所述降解产物中分离二氧化碳和水；结合前文所述，所述二氧化碳、水可以直接作为反应物去按照前述5)所述反应进行固碳。
能够理解，通过收集空气或工业废气中的CO2或者降解VOCs的CO2，来参与上述固碳系统的转化反应，正是本发明的应有之义，如此即可一定程度解决环保方面的碳排放的问题。况且，降解VOCs所得的H2O同样可以参与固碳的反应。
在另一个实施例中，所述水被进一步电离，为了进一步理解本发明，如图2所示，图中标记为：1-H2O；2-O2；6-VOCs；7-H2；8-CO2；9-CH4；16-CO、CH4、CH3OH和其他转化产物：
结合图2，所述系统还可以包括：
水电离反应器3，其连接所述第三分离器4以电离所述水生成氧气和氢气；能够理解，氧气可以直接排放到大气中或备用，而氢气则可以直接作为前述第一反应物，与二氧化碳按照前文有关反应式进行固碳；
也就是说，结合前文所述：
来自第三分离器4的水、或来自水电离反应器3的氢气、或来自第一分离器15的甲烷，可以和二氧化碳，在流量控制器10的控制下，以预定比例通入等离子体反应器11。
能够理解，以上各个分离器和反应器均包括一定的内部空间。
在另一个实施例中，所述等离子体反应器包括表面放电、介质阻挡放电、脉冲放电、电晕放电、等离子体射流、填充床反应器、电弧放电或滑动弧放电产生等离子体的结构。
在另一个实施例中，高电压为交流电压、直流电压、脉冲电压或其他任意波形高压。
在另一个实施例中，所述VOCs降解系统采用如下任一技术或其任意技术的组合将VOCs气体降解为含有二氧化碳和水的降解产物：催化、燃烧、等离子体技术、生物技术。
在另一个实施例中，所述VOCs降解系统连接含有VOCs气体的工业废气。
更广泛的，由于等离子体反应器中的反应环境无法精确控制，因此，
所述的等离子体固碳系统的优选实施例中，转化产物可能包括甲醛或其他醛类或其他的含碳化合物。
此外，在另一个实施例中，本发明还揭示了一种等离子体固碳方法，包括以下步骤，
S100、以二氧化碳作为第一反应物，以氢气或甲烷或水作为第二反应物，且：在等离子体的作用下和对第一反应物以及第二反应物的反应量的控制下，将第一反应物与第二反应物进行反应以得到转化产物，并将所述转化产物与可能未反应完全的：第一反应物和/或第二反应物输出并冷凝以实现气液分离；其中，
在确保可能未反应完全的二氧化碳、可能获得的转化产物中的氢气、可能未反应完全的氢气在不被冷凝的情况下，对所述转化产物和可能未反应完全的甲烷或水进行冷凝，以实现气液分离；
S200、将冷凝得到的液体物质进行第一次分离，分离后的燃料和化工原料储存备用，且在有需要的情况下将可用于第二反应物的甲烷或水的那部分再次迭代到步骤S100中作为第二反应物；
S300、未被冷凝的那部分气体物质进行第二次分离，并将可用于第一反应物的二氧化碳再次迭代到步骤S100中作为第一反应物，以及将可用于第二反应物的氢气再次迭代到步骤S100中作为第二反应物。
本发明能够在常温下实现CO2的分解和转化，将CO2转化为燃料或化工原料，节约大量热能，降低反应能耗，并且无需催化剂，这对于实现CO2的治理具有工程实际意义。
工业实用性
本发明所述的等离子体固碳系统及固碳方法可以在二氧化碳转化领域制造并使用。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种等离子体固碳系统，包括，
等离子体反应器，第一分离器，冷凝器，和第二分离器；
所述等离子体反应器，包括第一通道、第二通道、高压电极、地电极且经由高压电极连接高电压以及经由地电极接地；其中，所述第一通道和第二通道分别设有对应的流量控制器；
所述等离子体反应器经由第一通道输入二氧化碳作为第一反应物，以及经由第二通道输入氢气或甲烷或水作为第二反应物，且：所述等离子体反应器用于在等离子体的作用下和流量控制器的控制下，将第一反应物与第二反应物进行反应以得到转化产物，并将所述转化产物与可能未反应完全的：第一反应物和/或第二反应物输出至所述冷凝器；
所述冷凝器连接所述等离子体反应器的输出，以确保可能未反应完全的二氧化碳和可能获得的转化产物中的氢气、以及可能未反应完全的氢气在不被冷凝的情况下，对来自等离子体反应器中的所有转化产物和可能未反应完全的甲烷或水进行冷凝，以实现气液分离；并且，所述冷凝器将冷凝得到的液体物质通入所述第一分离器，而未被冷凝的那部分气体物质通入所述第二分离器，其中，所述未被冷凝的那部分气体物质包括：可能未反应完全的二氧化碳和可能获得的转化产物中的氢气、以及可能未反应完全的氢气；
所述冷凝器通过所述第一分离器以将冷凝后的液体物质逐一分离，分离后的燃料和化工原料储存备用，且在有需要的情况下将可用于第二反应物的甲烷或水的那部分经由第二通道循环反应到等离子体反应器；
所述冷凝器通过所述第二分离器以将所述未被冷凝的那部分气体物质分离为二氧化碳和其他气体，且二氧化碳经由所述第一通道循环反应到等离子体反应器，所述其他气体经由第二通道循环反应到等离子体反应器，其中，所述其他气体包括：所述可能获得的转化产物中的氢气、以及所述可能未反应完全的氢气。
2.如权利要求1所述的等离子体固碳系统，其中，优选的，所述二氧化碳来自于工业废气或从大气中捕捉、采集，或来自于VOCs降解系统。
3.如权利要求1所述的等离子体固碳系统，其中，
1)H2和CO2混合，在流量控制器的控制下，以3∶1比例通入等离子体反应器转化生成CH3OH和H2O；或
2)H2和CO2混合，在流量控制器的控制下，以4∶1比例通入等离子体反应器转化生成CH4和H2O；或
3)H2和CO2混合，在流量控制器的控制下，以1∶1比例通入等离子体反应器转化生成CO和H2O；或
4)CH4和CO2混合，在流量控制器的控制下，以1∶1比例通入等离子体反应器转化生成CO和H4；或
5)H2O和CO2混合，在流量控制器的控制下，以2∶1比例通入等离子体反应器转化生成CH4和O2。
4.如权利要求1所述的等离子体固碳系统，其中，所述系统还包括：
VOCs降解系统，其配置成生成含有二氧化碳和水的降解产物；
第三分离器，其连接所述VOCs降解系统且用于从所述降解产物中分离二氧化碳和水，所述二氧化碳和水分别能够用作第一反应物、第二反应物。
5.如权利要求1所述的等离子体固碳系统，其中，所述等离子体反应器包括表面放电、介质阻挡放电、脉冲放电、电晕放电、等离子体射流、填充床反应器、电弧放电或滑动弧放电产生等离子体的结构。
6.如权利要求1所述的等离子体固碳系统，其中，高电压为交流电压、直流电压、脉冲电压或其他任意波形高压。
7.如权利要求4所述的等离子体固碳系统，其中，所述系统还包括：
水电离反应器，其用于电离第三分离器所分离的水以生成氧气和氢气，其中，氢气能够用作第二反应物，氧气能够直接排放到大气。
8.如权利要求4所述的等离子体固碳系统，其中，所述VOCs降解系统采用如下任一技术或其任意技术的组合将VOCs气体降解为含有二氧化碳和水的降解产物：催化、燃烧、等离子体技术、生物技术。
9.如权利要求4所述的等离子体固碳系统，其中，所述VOCs降解系统连接含有VOCs气体的工业废气。
10.一种等离子体固碳方法，其包括以下步骤，
S100、以二氧化碳作为第一反应物，以氢气或甲烷或水作为第二反应物，且：在等离子体的作用下和对第一反应物以及第二反应物的反应量的控制下，将第一反应物与第二反应物进行反应以得到转化产物，并将所述转化产物与可能未反应完全的：第一反应物和/或第二反应物输出并冷凝以实现气液分离；其中，
在确保可能未反应完全的二氧化碳、可能获得的转化产物中的氢气、可能未反应完全的氢气在不被冷凝的情况下，对所述转化产物和可能未反应完全的甲烷或水进行冷凝，以实现气液分离；
S200、将冷凝得到的液体物质进行第一次分离，分离后的燃料和化工原料储存备用，且在有需要的情况下将可用于第二反应物的甲烷或水的那部分再次迭代到步骤S100中作为第二反应物；
S300、未被冷凝的那部分气体物质进行第二次分离，并将可用于第一反应物的二氧化碳再次迭代到步骤S100中作为第一反应物，以及将可用于第二反应物的氢气再次迭代到步骤S100中作为第二反应物。
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