CN114645290A - 一种co2捕集与电再生同步转化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CO2捕集与电再生同步转化系统及方法，系统包括CO2捕集子系统和CO2电再生同步转化子系统；CO2捕集子系统利用吸收液捕集CO2并生成捕集液；CO2电再生同步转化子系统包括阳极室、阴极室以及位于中间的平衡室；阳极室内设有阳极电极，阳极室还设有进样口和出样口；阴极室内设有阴极电极，阴极室还设有进样口和出样口；平衡室设有出样口；阳极室的进样口与CO2捕集子系统的捕集液出口相连，阳极室的出样口与阴极室的进样口相连，用于将阳极氧化再生的CO2引入到阴极室进行电还原；平衡室的出样口与CO2捕集子系统的吸收液的进口连接。本发明系统能自循环且稳定运行，实现了CO2捕集、再生与转化。
Description
技术领域
本发明涉及CO2捕集与利用领域，尤其是一种CO2捕集与电再生同步转化系统及方法。
背景技术
CO2捕集、利用与封存(CCUS)是实现双碳目标的重要战略选择，在相关政策的推动下该技术已取得长足进步。CO2捕集可分为胺类吸附和碱液吸收两类。固体胺吸附剂(MEA、DEA、TEA、PEI等)是目前最受关注的吸附材料体系，其利用多孔基材料作为高比表面积载体强化吸附剂与CO2的接触，展现出较好的CO2吸附选择性和规模化应用潜力，但受限于胺吸附材料较高的成本和多孔材料扩散传质的限制，系统的总处理量较小，且循环吸附-脱附会加速固体胺材料性能的退化。碱液吸收捕集有着显著的成本优势和较强的CO2去除效果，整套工艺流程可以实现长时间的连续操作，并且可利用接触塔等成熟设备。
CO2封存是实现CO2减量化的举措之一，主要分为驱油封存和地质封存两大类，但受限于地质结构，捕获的CO2无法灵活地就地封存，后续的输运环节会产生额外成本，因此实现CO2就地转化利用能大幅降低运输成本，且能从根本上消除CO2，同步实现其减量化与资源化。在CO2众多的转化方式中，电化学转化能在较低能量输入下实现CO2活化，同步电子/质子转移快速稳定CO2中间体，依托具有精准结构的活性中心、结构可调的催化剂，实现CO2定向转化生成高附加值终端产物。相比于需要高温高压等苛刻条件的CO2热化学转化法，CO2电化学转化反应条件温和、能耗低、无需额外氢源。
碱液吸收后的CO2也可通过电化学再生，其能耗远低于CO2热再生的能耗，且可同步再生碱液吸收剂，优势明显。然而，受限于反应器构造及系统运行，现有技术中针对碱液吸收后CO2的电再生研究与电转化研究是分别进行的，即在不同的反应器中各自研究CO2电再生与CO2电转化特性，这导致了电能的成倍消耗及反应系统的复杂庞大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种CO2捕集与电再生同步转化系统及方法，目的是实现CO2捕集、吸收液循环回用、CO2再生并转化为高附加值产品的耦合处理，从而降低系统能耗。
本发明采用的技术方案如下：
一种CO2捕集与电再生同步转化系统，包括CO2捕集子系统和CO2电再生同步转化子系统；
所述CO2捕集子系统利用吸收液捕集CO2并生成捕集液；
所述CO2电再生同步转化子系统包括电解池；所述电解池内间隔设置阳离子交换膜和阴离子交换膜，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜将电解池分隔成位于左右两端的阳极室和阴极室、以及位于中间的平衡室；
所述阳极室内设有阳极电极，阳极室还设有进样口和出样口；所述阴极室内设有阴极电极，阴极室还设有进样口和出样口；所述平衡室设有出样口；
阳极室的进样口与所述CO2捕集子系统的所述捕集液出口相连，阳极室的出样口与阴极室的进样口相连，用于将阳极氧化再生的CO2引入到阴极室进行电还原；平衡室的出样口与所述CO2捕集子系统的所述吸收液的进口连接。
进一步技术方案为：
所述阳极电极为惰性电极，所述阴极电极上设有催化CO2发生电还原反应的催化剂。
所述CO2电再生同步转化子系统还包括电源，所述阳极电极和所述阴极电极分别连接于所述电源的两端。
所述CO2捕集子系统的结构包括喷淋塔、储液槽和喷淋装置；
所述喷淋塔设有进气口、出气口、塔板和除雾器；
所述储液槽包括储液槽A和储液槽B；储液槽A盛接喷淋塔底部的捕集液并与所述阳极室的进样口相连；储液槽B储存新鲜的碱吸收液并与所述平衡室的出样口相连；
所述喷淋装置包括泵、喷淋头和管路；喷淋头通过管路与储液槽B连接，泵设置在所述管路上。
一种如所述的CO2捕集与电再生同步转化系统的CO2捕集与电再生同步转化方法，包括：
将含有CO2的气体引入所述CO2捕集子系统1，通过吸收液捕集CO2生成捕集液；
捕集液引入所述CO2电再生同步转化子系统的阳极室，将捕集液作为阳极室的阳极电解液，使捕集液中的碳酸根离子CO3 2-经电氧化再生为CO2，同时生成阳离子，阳离子通过阳离子交换膜进入平衡室；
将再生的CO2引入到阴极室进行电还原反应，生成高附加值产物同时消耗溶液中的氢质子H+使氢氧根离子OH-浓度升高，氢氧根离子OH-通过阴离子交换膜进入平衡室；
平衡室内氢氧根离子OH-和阳离子再生为新的吸收液；
将再生的新的吸收液引入到CO2捕集子系统用于捕集CO2，形成CO2捕集、电再生同步转化的循环。
进一步技术方案为：
还包括：
将所述高附加值产物通过阴极室出样口排出。
还包括：
阴极电极上设有催化CO2发生电还原反应的催化剂，通过改变催化剂类型，实现CO2向CO、甲烷、甲醇、甲酸、乙醇、乙酸或丙醇不同高附加值产物的定向制备。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过吸收液及捕集液将CO2捕集子系统和CO2电再生同步转化子系统有机串联，调控吸收液捕集CO2、捕集液电再生、再生吸收液回流，即可同步实现CO2捕集、再生及同步转化为高附加值产物利用，实现系统的高效、稳定运行。和现有的处理方案相比，系统结构得到优化、系统能耗大大降低。
(2)本发明CO2捕集子系统的储液槽分为A、B两部分，将捕集CO2后的捕集液与电再生后新鲜的吸收液分区放置，使得用于CO2捕集喷淋的均为新鲜的吸收液，其浓度梯度大、传质助力小、吸收速率快、捕集效率高；使得流入CO2电再生同步转化子系统的均为捕集CO2后的捕集液，碳酸根CO3 2-浓度高、未被稀释，能避免无效电氧化的发生、提高电能利用效率。
(3)本发明将传统的只利用阳极半反应的碱液CO2捕集液电再生系统与只利用阴极半反应的CO2电还原系统耦合，通过反应器结构设计与优化、电荷与物料平衡及调控，构建新型的CO2电再生同步转化两级膜电反应系统，实现阴、阳极同步利用，大幅提高反应效率，且至少能降低50％的电能需求。
(4)通过改变阴极催化剂，即可实现CO2向CO、甲烷、甲醇、甲酸、乙醇、乙酸、丙醇等不同高附加值产物的定向制备。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图。
图中：1、CO2捕集子系统；11、喷淋塔；111、塔板；112、除雾器；12、储液槽；121、储液槽A；122、储液槽B；13、喷淋装置；131、泵；132、喷淋头；133、管路；2、CO2电再生同步转化子系统；21、电源；22、电解池；23、阳离子交换膜；24、阴离子交换膜；25、阳极室；251、阳极电极；26、阴极室；261、阴极电极；27、平衡室。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本申请的一种CO2捕集与电再生同步转化系统，包括CO2捕集子系统1和CO2电再生同步转化子系统2；
CO2捕集子系统1利用吸收液捕集CO2并生成捕集液；
CO2电再生同步转化子系统2包括电解池22；电解池22内间隔设置阳离子交换膜23和阴离子交换膜24，所述阳离子交换膜23和阴离子交换膜24将电解池22分隔成位于左右两端的阳极室25和阴极室26、以及位于中间的平衡室27；
阳极室25内设有阳极电极251和阳极电解液，阳极室25还设有进样口和出样口；
阴极室26内设有阴极电极261和阴极电解液，阴极电解液为CO2电还原反应所需电解液；阴极室26还设有进样口和出样口；
平衡室27设有出样口；
阳极室25的进样口与所述CO2捕集子系统1的所述捕集液出口相连，用于将所述捕集液作为阳极电解液；
阳极室25的出样口与阴极室26的进样口相连，用于将阳极氧化再生的CO2引入到阴极室26进行还原；
平衡室27的出样口与CO2捕集子系统1的吸收液的进口连接，实现对CO2捕集子系统1的吸收液的补充。
具体的，阳极电极251为惰性电极，阴极电极261上设有催化CO2发生电还原反应的催化剂。
具体的，阴极电解液为KHC03溶液或KCl溶液中的一种，浓度为0.1～1mol/L。
具体的，阴离子交换膜24为氢氧根离子交换膜；
具体的，阳极室25出样口和阴极室26进样口通过外部通道连接，使得电解再生的CO2进入阴极室26还原。
具体的，CO2电再生同步转化子系统2还包括电源21，所述阳极电极251和所述阴极电极261分别连接于所述电源21的两端。
具体的，CO2捕集子系统1的结构包括喷淋塔11、储液槽12和喷淋装置13；
具体的，喷淋塔11设有进气口、出气口、塔板111和除雾器112；塔板111错位布置，增加喷淋液与CO2的接触面积。
具体的，储液槽12包括储液槽A 121和储液槽B 122；
储液槽A 121盛接喷淋塔11底部的捕集液并与阳极室25的进样口相连；储液槽B122内为新鲜的碱吸收液并与平衡室27的出样口相连；
喷淋装置13包括泵131、喷淋头132和管路133；
喷淋头132通过管路133与储液槽B 122连接，泵131设置在管路133上。
本申请上述的CO2捕集与电再生同步转化系统，将CO2捕集子系统1产生的CO2捕集液流入CO2电再生同步转化子系统2，CO2电再生同步转化子系统2再生的吸收液流回CO2捕集子系统1，实现CO2捕集子系统1与CO2电再生与CO2电再生同步转化子系统2的有机串联，实现CO2捕集、再生同步转化，使得整体系统稳定运行。
本申请的一种所述的CO2捕集与电再生同步转化系统的CO2捕集与电再生同步转化方法，包括：
将含有CO2的气体引入所述CO2捕集子系统1，通过吸收液捕集CO2生成捕集液；
捕集液引入所述CO2电再生同步转化子系统2的阳极室25，将捕集液作为阳极室25的阳极电解液，使捕集液中的碳酸根离子CO3 2-经电氧化再生为CO2，同时生成阳离子，阳离子通过阳离子交换膜23进入平衡室27；
将再生的CO2引入到阴极室26进行电还原反应，生成高附加值产物同时消耗溶液中的氢质子H+使氢氧根离子OH-浓度升高，氢氧根离子OH-通过阴离子交换膜24进入平衡室27；
平衡室27内氢氧根离子OH-和阳离子再生为新的吸收液；
将再生的新的吸收液引入到CO2捕集子系统1用于捕集CO2，形成CO2捕集、电再生同步转化的循环。
还包括：
将所述高附加值产物通过阴极室26出样口排出。
还包括：
阴极电极261上设有催化CO2发生电还原反应的催化剂，通过改变催化剂类型，实现CO2向CO、甲烷、甲醇、甲酸、乙醇、乙酸或丙醇不同高附加值产物的定向制备。
作为具体实施方式，上述CO2捕集与电再生同步转化方法，如图1所示，包括：
将含有CO2的气体从CO2捕集子系统1的喷淋塔11底部进气口引入，喷淋装置13将储液槽B 122中新鲜的CO2吸收液泵送至喷淋塔11顶端喷淋，气体自下而上流动，吸收液自上而下流动；捕集CO2后的捕集液流入储液槽A 121，气体经除雾器112除水后从出气口排出；
将盛接在储液槽A 121中的CO2捕集液从CO2电再生同步转化子系统2的阳极室25进样口引入，CO2捕集液中的碳酸根离子CO3 2-经电氧化生成CO2，而后从阳极室25出样口流出，经外部通道流向阴极室26进样口；阳极室25中的阳离子在浓度差作用下，经阳离子交换膜23进入平衡室27；
由外部通道从阴极室26进样口进入的CO2在阴极电极261催化剂的作用下发生电还原反应，生成高价值产物；CO2电还原过程会同步消耗溶液中的氢离子H+，阴极室26内的氢氧根离子OH-浓度逐渐升高，其在浓度差的作用下经氢氧根离子交换膜24进入平衡室27；
从阳极室25经阳离子交换膜23进入平衡室27的阳离子(如图1所示的M+离子)和从阴极室26经氢氧根离子交换膜24进入平衡室27的氢氧根离子OH-在CO2电再生同步转化子系统2的平衡室27内再生为新鲜的CO2吸收液(如图1所示的MOH)，流回CO2捕集子系统1的储液槽B 122，实现CO2捕集、电再生同步转化系统的平衡与稳定运行。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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 (7)
1.一种CO2捕集与电再生同步转化系统，其特征在于，包括CO2捕集子系统(1)和CO2电再生同步转化子系统(2)；
所述CO2捕集子系统(1)利用吸收液捕集CO2并生成捕集液；
所述CO2电再生同步转化子系统(2)包括电解池(22)；所述电解池(22)内间隔设置阳离子交换膜(23)和阴离子交换膜(24)，所述阳离子交换膜(23)和阴离子交换膜(24)将电解池(22)分隔成位于左右两端的阳极室(25)和阴极室(26)、以及位于中间的平衡室(27)；
所述阳极室(25)内设有阳极电极(251)，阳极室(25)还设有进样口和出样口；所述阴极室(26)内设有阴极电极(261)，阴极室(26)还设有进样口和出样口；所述平衡室(27)设有出样口；
阳极室(25)的进样口与所述CO2捕集子系统(1)的所述捕集液出口相连，阳极室(25)的出样口与阴极室(26)的进样口相连，用于将阳极氧化再生的CO2引入到阴极室(26)进行电还原；平衡室(27)的出样口与所述CO2捕集子系统(1)的所述吸收液的进口连接。
2.根据权利要求1所述的CO2捕集与电再生同步转化系统，其特征在于，所述阳极电极(251)为惰性电极，所述阴极电极(261)上设有催化CO2发生电还原反应的催化剂。
3.根据权利要求1所述的CO2捕集与电再生同步转化系统，所述CO2电再生同步转化子系统(2)还包括电源(21)，所述阳极电极(251)和所述阴极电极(261)分别连接于所述电源(21)的两端。
4.根据权利要求1所述的CO2捕集与电再生同步转化系统，其特征在于，所述CO2捕集子系统(1)的结构包括喷淋塔(11)、储液槽(12)和喷淋装置(13)；
所述喷淋塔(11)设有进气口、出气口、塔板(111)和除雾器(112)；
所述储液槽(12)包括储液槽A(121)和储液槽B(122)；储液槽A(121)盛接喷淋塔(11)底部的捕集液并与所述阳极室(25)的进样口相连；储液槽B(122)储存新鲜的碱吸收液并与所述平衡室(27)的出样口相连；
所述喷淋装置(13)包括泵(131)、喷淋头(132)和管路(133)；喷淋头(132)通过管路(133)与储液槽B(122)连接，泵(131)设置在所述管路(133)上。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的CO2捕集与电再生同步转化系统的CO2捕集与电再生同步转化方法，其特征在于，包括：
将含有CO2的气体引入所述CO2捕集子系统(1)，通过所述吸收液捕集CO2生成捕集液；
捕集液引入所述CO2电再生同步转化子系统(2)的阳极室(25)，将捕集液作为阳极室(25)的阳极电解液，使捕集液中的碳酸根离子CO3 2-经电氧化再生为CO2，同时生成阳离子，阳离子通过阳离子交换膜(23)进入平衡室(27)；
将再生的CO2引入到阴极室(26)进行电还原反应，生成高附加值产物同时消耗溶液中的氢质子H+使氢氧根离子OH-浓度升高，氢氧根离子OH-通过阴离子交换膜(24)进入平衡室(27)；
平衡室(27)内氢氧根离子OH-和阳离子再生为新的吸收液；
将再生的新的吸收液引入到CO2捕集子系统(1)用于捕集CO2，形成CO2捕集、电再生同步转化的循环。
6.根据权利要求5所述的CO2捕集与电再生同步转化方法，其特征在于，还包括：
将所述高附加值产物通过阴极室(26)出样口排出。
7.根据权利要求5所述的CO2捕集与电再生同步转化方法，其特征在于，还包括：
阴极电极(261)上设有催化CO2发生电还原反应的催化剂，通过改变催化剂类型，实现CO2向CO、甲烷、甲醇、甲酸、乙醇、乙酸或丙醇不同高附加值产物的定向制备。
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