CN113930783A - Co2矿化固废发电耦合制氢方法及装置 - Google Patents
Co2矿化固废发电耦合制氢方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113930783A CN113930783A CN202111152845.9A CN202111152845A CN113930783A CN 113930783 A CN113930783 A CN 113930783A CN 202111152845 A CN202111152845 A CN 202111152845A CN 113930783 A CN113930783 A CN 113930783A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- power generation
- hydrogen production
- solid waste
- mineralization
- anode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 126
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 126
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 122
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 71
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 230000001089 mineralizing effect Effects 0.000 title claims description 23
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims description 22
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims description 22
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 103
- 230000033558 biomineral tissue development Effects 0.000 claims abstract description 44
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 41
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 35
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 19
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 17
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 17
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 15
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 8
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 claims description 7
- 239000003115 supporting electrolyte Substances 0.000 claims description 7
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M sodium bicarbonate Substances [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 5
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000872 buffer Substances 0.000 claims description 3
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000002386 leaching Methods 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 28
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 19
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 17
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 9
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010446 mirabilite Substances 0.000 abstract description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 21
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 18
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 10
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 9
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 7
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 5
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 3
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000009270 solid waste treatment Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 2
- HEEACTTWORLLPM-UHFFFAOYSA-N 2-(1h-imidazol-5-yl)ethanol Chemical compound OCCC1=CNC=N1 HEEACTTWORLLPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002849 PtRu Inorganic materials 0.000 description 1
- UIIMBOGNXHQVGW-DEQYMQKBSA-M Sodium bicarbonate-14C Chemical compound [Na+].O[14C]([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-DEQYMQKBSA-M 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- DLHONNLASJQAHX-UHFFFAOYSA-N aluminum;potassium;oxygen(2-);silicon(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Si+4].[Si+4].[Si+4].[K+] DLHONNLASJQAHX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N ammonium sulfate Chemical compound N.N.OS(O)(=O)=O BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052921 ammonium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011130 ammonium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- ZFXVRMSLJDYJCH-UHFFFAOYSA-N calcium magnesium Chemical compound [Mg].[Ca] ZFXVRMSLJDYJCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PASHVRUKOFIRIK-UHFFFAOYSA-L calcium sulfate dihydrate Chemical compound O.O.[Ca+2].[O-]S([O-])(=O)=O PASHVRUKOFIRIK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001651 catalytic steam reforming of methanol Methods 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 239000013064 chemical raw material Substances 0.000 description 1
- 239000011335 coal coke Substances 0.000 description 1
- 239000003034 coal gas Substances 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 1
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 125000001145 hydrido group Chemical group *[H] 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N iridium(IV) oxide Inorganic materials O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002688 persistence Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(IV) oxide Inorganic materials O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 description 1
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-N sodium;hydron;carbonate Chemical compound [Na+].OC(O)=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009865 steel metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000029305 taxis Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/14—Alkali metal compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B5/00—Electrogenerative processes, i.e. processes for producing compounds in which electricity is generated simultaneously
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/60—Constructional parts of cells
- C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
本发明公开了CO2矿化固废发电耦合制氢方法及装置，包括矿化发电单元和电解制氢单元，采用CO2矿化发电单元为电解制氢单元提供电能，所述矿化发电单元的正极和电解制氢单元的阳极相连，所述矿化发电单元的负极和电解制氢单元的阴极相连。本发明的有益效果是：整个工艺过程绿色、环保、经济，矿化发电所使用的原料碱性工业固废和CO2是带来严重环保问题的工业排放物，矿化发电原料之一芒硝，自然储量丰富，价格低廉，制氢系统所需原料H2O或乙醇，来源广、成本低，极大的降低了电解制氢工艺中的电费成本，极具经济竞争力。
Description
技术领域
本发明属于电化学领域，特别是CO2矿化固废发电耦合制氢方法及装置。
背景技术
氢气是一种高效、高热值的清洁能源，同时也是十分重要的化工原料，广泛应用于石油炼厂加氢过程，目前其主要来源于化石燃料制备。
现有的制氢工艺主要包括：煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢、工业副产氢、电解水制氢等。煤制氢的主要流程为煤或煤焦与纯氧和蒸气反应得到以H2和CO为主要组分的煤气，再经过一系列分离提纯等生产过程获得纯净氢气，其特点是工艺流程长、设备投资高，操作运行复杂，此外煤制氢气中杂质较多，对纯化装置要求高，其原料相对便宜，具有成本优势。天然气制氢工艺是利用天然气与水蒸气重整制得以H2、CO、CO2为主要成分的合成气，再经过一系列分离提纯等生产过程获得纯净氢气，其特点是流程简单、投资低、技术成熟，制氢成本受原料价格影响大。甲醇制氢主要采用甲醇水蒸气重整制氢工艺，甲醇制氢的投资成本低、生产规模灵活、碳排放低、原料易得。工业副产氢的优势在于几乎无需额外的资本投入和化石原料投入，在成本和碳减排方面具有显著优势，但受制于上游产业的限制，具有地域局限性。在众多制氢路线中，电解水制氢技术具有设备简单、产品H2纯度高、无碳排放等优点。其缺点在于过程耗电量大，整体制氢成本相较于上述其他工艺不具优势。总体来讲，利用化石资源制氢仍是工业产氢的主要途径，但该过程中会产生大量碳排放和环境污染，与节能减排理念相左，考虑到未来国内外高额的碳税，电解水制氢被认为是未来氢气来源的最可行方案。
电解水制氢经过一个多世纪的发展，技术工艺已十分成熟，目前国内外已有众多厂商实现了该技术的工业化，如挪威Hydro公司，德国Lurgi公司，比利时范登堡IMET公司，加拿大多伦多电解槽有限公司，意大利米兰NeNora公司，美国德立台，中船重工第718所、天津大陆制氢设备有限公司及苏州竟力制氢设备有限公司等企业。现有电解水设备中，阴、阳电极材料均采用贵金属，使得设备固定资产投资较高。目前电解水制氢技术的研究，主要集中于廉价、高效的电极催化剂材料的研发，以降低设备投资和电费成本。与此同时，各国正积极推动利用可再生能源制氢技术的发展。
随着工业化进程的不断加快，工业废物数量日益增加，尤其是矿场、冶金、火力发电等工业固废的排放量巨大。工业固废体量庞大，种类繁多（高炉渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、粉煤灰、煤渣、废石膏、脱硫渣、电石渣、盐泥等），成分复杂，处理难度大，固废污染的滞后性和持续性，给环境和人类健康带来巨大危害。结合我国大量碱性固废堆放的现状，采用酸性CO2气体与碱性固废进行矿化反应，既能实现CO2的减排，同时又能将固废转化为可利用的建材等化工产品，是一种很有前景的变废为宝的固废资源化利用路线。
CO2矿化工业固废技术在国内外已进行了大量的研究，加拿大CarbonCure公司、芬兰赫尔辛基大学和加拿大麦克吉尔大学研究了钢渣、粉煤灰等工业固废矿化CO2技术，固碳率达到10~20%，并开展了矿化产品制建材百吨级试验。本申报团队以纯碱固废氯化钙活化天然钾长石为原料，矿化固化CO2副产氯化钾产品，该技术已完成千吨级中试，同时CO2矿化利用煤炭固废关键技术与万吨级工业试验装置也正在开发中。中科院过程所采用氨介质体系矿化磷石膏生产硫铵肥料与碳酸钙材料。此外，华东理工大学、华能集团、南开大学、山东大学等也在高钙镁废液、粉煤灰和水泥基凝胶材料等方向开展了研究。目前CO2矿化固废技术主要研究方向是CO2矿化固废制高值产品路径的开发，其他关于CO2矿化固废的研究主要集中在矿化过程的强化和工艺装置的改进等，对于CO2矿化固废过程中化学余能的利用关注较少。
虽然电解水制氢技术已十分成熟，但全球每年由电解水生产的H2仅占其总产量的4%左右。现有的电解水设备中，阴极材料通常采用商业Pt/C催化剂，阳极通常采用IrO2或RuO2催化剂，均属于贵金属，价格昂贵，这使得设备固定资产投资较高。同时，高的槽电压和过电位，使得电解水制氢的能耗高达4.5~5 kW·h/Nm3 H2。相较于煤制氢、天然气与石油制氢技术，在经济性上没有优势。在其综合成本中，电费成本高达70~80%，其高额的制氢成本限制了该技术的大规模商业应用，因此尽可能降低电费成本成为实现电解水制氢大规模应用的关键。
针对现有的技术问题，本发明开发一种将CO2矿化固废发电技术和电解制氢技术进行耦合生产高纯氢的工艺，利用电子作为媒介，实现化学能——电能——化学能的合理转化，将CO2矿化固废发电技术过程中产生的难以回收的低品位电能转化为氢能，提高工业固废治理过程能量利用效率，实现对低效能量的深度利用以及无碳排放的清洁制氢。相关技术可应用至碱性固废排放量大的钢铁冶金、燃煤电力、PVC工业等相关行业的固废处理工艺中，形成极具特色的“以废治废”，联产H2的固废综合处理技术，增强固废处理过程的环保和经济性，同时实现高纯氢气的低成本制取，极具推广价值和前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电解制氢技术中电费成本较高制约其大规模的商业应用的的缺点，提供CO2矿化固废发电耦合制氢方法及装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
CO2矿化固废发电耦合制氢方法，采用CO2矿化发电单元为电解制氢单元提供电能。
作为优选的，所述CO2矿化发电单元以含有碱性组分的硫酸钠溶液作为阳极电解质溶液，以吸收了CO2的氯化钠作为阴极电解质溶液。
作为优选的，所述电解制氢单元中，支持电解质溶液为H2SO4水溶液、HClO4水溶液、NaOH水溶液、KOH水溶液、NaHCO3水溶液中的至少一种。
作为优选的，所述电解制氢单元中，阳极的支持电解质溶液中还包括CH3OH、C2H5OH、乙二醇、甘油中的任意一种。
作为优选的，所述电解制氢单元中，阴极电极为在多孔碳载体上负载Pt、Ru的膜电极或在金属Ni泡沫上负载Pt的多孔电极；阳极电极为在多孔碳载体上负载Pt、Ir、Ru的多孔电极或在金属Ni泡沫上负载Pt的多孔电极。
作为优选的，所述CO2矿化发电单元中，阴极电极和阳极电极均为负载Pt的碳纸电极。
一种CO2矿化固废发电耦合制氢装置，包括矿化发电单元和电解制氢单元，所述矿化发电单元的正极和电解制氢单元的阳极相连，所述矿化发电单元的负极和电解制氢单元的阴极相连。
作为优选的，所述矿化发电单元包括阳极电解质溶液储罐和阴极电解质溶液储罐，所述阳极电解质储罐依次通过碱液罐和碱液缓冲罐与矿化发电单元的阳极区连接；所述阴极电解质溶液储罐与矿化发电单元的阴极区连接，所述阴极电解质溶液储罐的进液口与碳化塔连接，所述碳化塔上设置有气体入口。
作为优选的，所述矿化发电单元的阴极区和阳极区之间设置有氢气循环装置。
本发明具有以下优点：
本发明采用CO2矿化固废发电耦合制氢，操作条件温和，工艺流程简单，工艺过程稳定性强，操作易控。
整个工艺过程绿色、环保、经济，矿化发电所使用的原料碱性工业固废和CO2是工业排放废弃物，另一原料芒硝，自然储量丰富，价格低廉，制氢系统所需原料H2O或乙醇，来源广、成本低，极大的降低了电解制氢工艺中的电费成本，极具经济竞争力。
该发明可实现矿化每吨CO2同时联产1.9吨碳酸氢钠，若以H2O作为电解制氢原料计，可副产30.8 Nm3 H2；以乙醇作为电解制氢原料计，可附产76.8 Nm3 H2，两种操作条件下H2未进一步提纯分离，经检测，纯度高达99.9%，主要杂质为H2O和O2，适合作为对CO等杂质含量要求严格的质子膜燃料电池的氢源。
附图说明
图1 为本发明CO2矿化固废发电耦合制氢装置的结构示意图。
图2 为电解不同醇/水制氢的活性测试结果。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本申请提供了一种CO2矿化固废发电耦合制氢方法，采用CO2矿化发电单元为电解制氢单元提供电能，其中CO2矿化发电单元以含有碱性组分的硫酸钠溶液作为阳极电解质溶液，以吸收了CO2的氯化钠作为阴极电解质溶液，阴极电极和阳极电极均为负载Pt的碳纸电极；电解制氢单元中，支持电解质溶液为H2SO4水溶液、HClO4水溶液、NaOH水溶液、KOH水溶液、NaHCO3水溶液中的至少一种，阳极的支持电解质溶液中还可以包括CH3OH、C2H5OH、乙二醇、甘油中的任意一种，阴极电极为在多孔碳载体上负载Pt、Ru的膜电极或在金属Ni泡沫上负载Pt的多孔电极；阳极电极为在多孔碳载体上负载Pt、Ir、Ru的多孔电极或在金属Ni泡沫上负载Pt的多孔电极。
前述CO2矿化固废发电耦合制氢方法所需的装置，如图1所示，包括矿化发电单元4和电解制氢单元7，其中矿化发电单元的正极和电解制氢单元的阳极相连，矿化发电单元的负极和电解制氢单元的阴极相连；所述矿化发电单元包括阳极电解质溶液储罐8和阴极电解质溶液储罐2，所述阳极电解质储罐依次通过碱液罐5和碱液缓冲罐4与矿化发电单元的阳极区连接；所述阴极电解质溶液储罐2与矿化发电单元的阴极区连接，所述阴极电解质溶液储罐的进液口与碳化塔1连接，所述碳化塔上设置有气体入口，所述矿化发电单元的阴极区和阳极区之间设置有氢气循环装置。
本申请制氢时，将碱性废物加入到硫酸钠溶液中，连续搅拌，反应后静置得到的上层溶液作为矿化发电装置的阳极电解质溶液，吸收了CO2的碳酸氢钠溶液，作为矿化发电单元的阴极电解质溶液，向电解制氢单元中加入支持电解液。开始反应时，将矿化电池组的正极与电解槽的阳极相连，将电池组的负极与电解槽的阴极相连，分别向矿化电池组的阳极室和阴极室泵入相应的电解质溶液，在矿化发电装置阳极测通入H2启动电池，待阴极生成H2后，循环至阳极，在电解槽中发生H2O或醇的电解反应，在阴极产生氢气。
在矿化发电制氢技术方案中，以电解水为例，以1mol/L的KOH作为电解质溶液，在阴极上H2O得到电子，生成H2和OH-，产生的OH-透过阴离子膜进入阳极一侧，在阳极上OH-失去电子被氧化，生成氧气和水，整个反应过程消耗的反应物为H2O；若以电解乙醇为例，阴极以2mol/L的KOH作为电解质溶液，阳极以2mol/L的KOH + 2mol/L的乙醇溶液作为电解质溶液，在阴极上H2O得到电子，生成H2和OH-，产生的OH-透过阴离子膜进入阳极一侧，在阳极上发生醇的氧化，得到醋酸盐和水，整个反应过程消耗的反应物为乙醇。
本申请中，可以通过矿化电池组的并联或串联，调节发电单元输出电压和电流密度，可以调节以水/醇为原料的电解制氢工艺的产氢速率，从而满足于不同的氢源的电解制氢工艺需求。以H2O作为电解制氢原料需要3组矿化电池组串联，以提供足够的电解电压；若以醇类作为电解制氢原料仅需单组矿化电池即可提供满足电解醇制氢的电压要求。
以水做电解制氢的原料时，阴极电极可以为在多孔碳载体上负载Pt、Ru制备的电极，其优选摩尔组成比例为Pt:Ru=1：1，所述阳极电极为Ru制备的多孔电极；以醇作为电解制氢原料时，所述的阴极电极可以为在金属Ni泡沫上负载Pt制成的多孔电极，所述阳极电极可以为在金属Ni泡沫上负载Pt、Ru制备的多孔电极，其优选摩尔组成比例范围为Pt:Ru为1~10，其中Pt：Ru摩尔比为1：0.2时，为最优选。
本申请中的电解制氢单元反应的温度为25~75 ℃，优选温度为65 ℃，可在常温常压下稳定运行，升高温度可降低电解制氢单元中电极反应的过电位，加快电化学反应速率，提升产氢效率，以乙二醇作为电解制氢原料为例，在50 mA/cm2的电流密度下，槽电压由25℃的1V下降至75 ℃的0.5 V，相同产氢量的情况下，电耗下降了1倍。
实施例1：
将20 g粉煤灰、电石渣或者其他碱性工业固废加入2 L浓度为1 mol/L的硫酸钠溶液中，在25 ℃下，以300 rpm转速连续搅拌，上述溶液进入5 L储罐静置，上层清液作为CO2矿化发电装置的阳极电解质溶液；2 L浓度为2 mol/L的氯化钠溶液作为阴极电解质溶液；以自制的Pt负载量为20 wt% 的碳纸电极作为CO2矿化发电装置的阳极和阴极。0.5 mol/L的H2SO4溶液作为电解水制氢装置的电解质溶液，电解装置的阴极和阳极均采用10 wt% Pt/C催化剂。矿化发电耦合制氢装置运行时，阳极电解质溶液以20 mL/min流量连续泵入矿化发电装置的阳极室，纯H2以20 mL/min流量进入氢气通道，CO2以20 mL/min流量连续鼓入上述氯化钠溶液，经泵输送入矿化发电装置的阴极室，流量为20 mL/min。上述3组矿化发电电池串联后，连接到电解水制氢装置上，在10 mA的电流下进行电解水制氢，经检测产品氢气纯度达到99.9%，每矿化1t CO2可产生2.75 kg高纯H2。
实施例2：
将20 g粉煤灰、电石渣或者其他碱性工业固废加入2 L浓度为1 mol/L的硫酸钠溶液中，在25 ℃下，以300 rpm转速连续搅拌，上述溶液进入5 L储罐静置，上层清液作为CO2矿化发电装置的阳极电解质溶液；2 L浓度为2 mol/L的氯化钠溶液作为阴极电解质溶液；以自制的Pt负载量为20 wt% 的碳纸电极作为CO2矿化发电装置的阳极和阴极。以2 mol/L的乙醇+2 mol/L 的KOH溶液作为电解醇制氢装置的阳极电解质溶液，以2 mol/L的KOH溶液作为阴极电解质溶液，电解装置的阴极和阳极均采用 PtRu/泡沫Ni催化剂。CO2矿化发电耦合制氢装置运行时，阳极电解质溶液以20 mL/min流量连续泵入矿化发电装置的阳极室，纯H2以20 mL/min流量进入氢气通道，CO2以20 mL/min流量连续鼓入上述氯化钠溶液，经泵输送入矿化发电装置的阴极室，流量为20 mL/min。将上述矿化发电电池连接到电解醇制氢装置上，在10 mA的电流下进行电解醇制氢，经检测产品氢气纯度达到99.9%，每矿化1t CO2可产生6.86 kg高纯H2，更换本实施例中的氢源，得到电解不同醇/水制氢的活性测试结果如图2所示。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1. CO2矿化固废发电耦合制氢方法，其特征在于：采用CO2矿化发电单元为电解制氢单元提供电能。
2.根据权利要求1所述的CO2矿化固废发电耦合制氢方法，其特征在于：所述CO2矿化发电单元以含有碱性组分的硫酸钠溶液作为阳极电解质溶液，以吸收了CO2的氯化钠作为阴极电解质溶液。
3.根据权利要求1所述的CO2矿化固废发电耦合制氢方法，其特征在于：所述阳极电解质溶液为硫酸钠溶液浸提碱性工业固废得到的清液。
4.根据权利要求1所述的CO2矿化固废发电耦合制氢方法，其特征在于：所述电解制氢单元中，支持电解质溶液为H2SO4水溶液、HClO4水溶液、NaOH水溶液、KOH水溶液、NaHCO3水溶液中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的CO2矿化固废发电耦合制氢方法，其特征在于：所述电解制氢单元中，阳极的支持电解质溶液中还包括CH3OH、C2H5OH、乙二醇、甘油中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的CO2矿化固废发电耦合制氢方法，其特征在于：所述电解制氢单元中，阴极电极为在多孔碳载体上负载Pt、Ru的膜电极或在金属Ni泡沫上负载Pt的多孔电极；阳极电极为在多孔碳载体上负载Pt、Ir、Ru的多孔电极或在金属Ni泡沫上负载Pt的多孔电极。
7.根据权利要求1所述的CO2矿化固废发电耦合制氢方法，其特征在于：所述CO2矿化发电单元中，阴极电极和阳极电极均为负载Pt的碳纸电极。
8.一种权利要求1所述CO2矿化固废发电耦合制氢方法所用的装置，其特征在于：包括矿化发电单元和电解制氢单元，所述矿化发电单元的正极和电解制氢单元的阳极相连，所述矿化发电单元的负极和电解制氢单元的阴极相连。
9.根据权利要求8所述的CO2矿化固废发电耦合制氢装置，其特征在于：所述矿化发电单元包括阳极电解质溶液储罐和阴极电解质溶液储罐，所述阳极电解质储罐依次通过碱液罐和碱液缓冲罐与矿化发电单元的阳极区连接；所述阴极电解质溶液储罐与矿化发电单元的阴极区连接，所述阴极电解质溶液储罐的进液口与碳化塔连接，所述碳化塔上设置有气体入口。
10.根据权利要求8所述的CO2矿化固废发电耦合制氢装置，其特征在于：所述矿化发电单元的阴极区和阳极区之间设置有氢气循环装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111152845.9A CN113930783A (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | Co2矿化固废发电耦合制氢方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111152845.9A CN113930783A (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | Co2矿化固废发电耦合制氢方法及装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113930783A true CN113930783A (zh) | 2022-01-14 |
Family
ID=79277369
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111152845.9A Pending CN113930783A (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | Co2矿化固废发电耦合制氢方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113930783A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007284705A (ja) * | 2006-04-12 | 2007-11-01 | Showa Denko Kk | 電解型水素発生装置、水素ガスの発生方法及び燃料電池 |
| CN104131311A (zh) * | 2014-07-07 | 2014-11-05 | 四川大学 | 矿化co2制取碳酸氢钠或碳酸钠对外输出电能的方法 |
| CN106086923A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-11-09 | 全球能源互联网研究院 | 一种耦合co2资源化利用的制氢储能装置 |
| US20160362800A1 (en) * | 2015-06-15 | 2016-12-15 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Carbon dioxide capture and storage electrolytic methods |
| CN107437629A (zh) * | 2017-07-31 | 2017-12-05 | 四川大学 | 用碳酸氢钠作碱性浸取剂的co2矿化发电方法 |
| CN109326836A (zh) * | 2017-07-31 | 2019-02-12 | 四川大学 | 利用芒硝增强co2矿化电池产电性能的方法及其电池 |
-
2021
- 2021-09-29 CN CN202111152845.9A patent/CN113930783A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007284705A (ja) * | 2006-04-12 | 2007-11-01 | Showa Denko Kk | 電解型水素発生装置、水素ガスの発生方法及び燃料電池 |
| CN104131311A (zh) * | 2014-07-07 | 2014-11-05 | 四川大学 | 矿化co2制取碳酸氢钠或碳酸钠对外输出电能的方法 |
| US20160362800A1 (en) * | 2015-06-15 | 2016-12-15 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Carbon dioxide capture and storage electrolytic methods |
| CN106086923A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-11-09 | 全球能源互联网研究院 | 一种耦合co2资源化利用的制氢储能装置 |
| CN107437629A (zh) * | 2017-07-31 | 2017-12-05 | 四川大学 | 用碳酸氢钠作碱性浸取剂的co2矿化发电方法 |
| CN109326836A (zh) * | 2017-07-31 | 2019-02-12 | 四川大学 | 利用芒硝增强co2矿化电池产电性能的方法及其电池 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 耿震等: "碳氢辅助水电解制氢研究进展", 《热能动力工程》 * |
| 谢欣烁等: "制氢技术的生命周期评价研究进展", 《化工进展》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ahmed et al. | Sustainable hydrogen production: Technological advancements and economic analysis | |
| Yüzbaşıoğlu et al. | The current situation in the use of ammonia as a sustainable energy source and its industrial potential | |
| CN109921060A (zh) | 一种基于固体氧化物电池的储电及制合成气的系统和方法 | |
| Chen et al. | Co-electrolysis toward value-added chemicals | |
| CN103756741B (zh) | 一种利用可再生电力的固体氧化物电解池制天然气的方法 | |
| CN112941547B (zh) | 一种以低浓度瓦斯为燃料的高温电解合成氨的方法 | |
| CN103132100A (zh) | 一种从煤生产纯净氢气和二氧化碳的工艺方法 | |
| CN112457159A (zh) | 一种基于煤制备甲醇的装置及甲醇制备工艺 | |
| Syed | Technologies for renewable hydrogen production | |
| CN110562913B (zh) | 一种利用甲烷和水为原料生产氢气的方法 | |
| CN107180985A (zh) | 低浓度煤层气辅助电解co2/h2o制备合成气方法及装置 | |
| CN113594525A (zh) | 储能、碳封存及新能源循环 | |
| Zhou et al. | Decoupled water electrolysis: Flexible strategy for pure hydrogen production with small voltage inputs | |
| CN112552143A (zh) | 一种耦合固体氧化物电解池的煤制乙二醇系统及方法 | |
| CN113930783A (zh) | Co2矿化固废发电耦合制氢方法及装置 | |
| CN214830706U (zh) | 一种天然气重整联合二氧化碳制氢发电系统 | |
| CN115253627A (zh) | 一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统及方法 | |
| CN113816472A (zh) | 一种光伏驱动的水分解制氢耦合尿素污染物净化装置 | |
| Peng | Electrochemical Hydrogen Production from Water Splitting: Basic, Materials and Progress | |
| CN218915948U (zh) | 一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统 | |
| CN216336766U (zh) | 一种光伏驱动的水分解制氢耦合尿素污染物净化装置 | |
| CN217298031U (zh) | 一种分布式海上氨储能系统 | |
| Shah et al. | Green Hydrogen Production-The Energy of the Future | |
| Sopina et al. | HYDROGEN ENERGY | |
| Licht | STEP: Efficient Carbon Capture and Solar Thermal Electrochemical Production of ammonia, fuels, cement, carbon nanotubes, metals and bleach |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220114 |