CN114959742B - 一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统和方法，该系统中，预处理装置连接CO2吸收塔的顶端；CO2吸收塔连接流动电解池；流动电解池由阴极室和阳极室构成，阴极室和阳极室之间由阴离子交换膜分隔；流动电解池的阴极室连接太阳能电池的背板换热管道，流动电解池的阳极室连接盐酸储料罐；聚光装置与太阳能电池配合组装提供电能；太阳能电池的背板换热管道与三相分离装置连接；三相分离装置的气相输出端将CO2通入流动电解池的阴极室，液相输出端连接CO2吸收塔的顶端，固相输出端输出碱式碳酸镁产品。本发明实现了洁净能源的高效利用与存储，极具经济价值和社会效应。

Description

一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁 的系统和方法
技术领域
本发明属于CO2减排和固废资源化利用领域，具体涉及一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统和方法。
背景技术
我国西北地区盐湖中蕴藏着极为丰富的钾、镁等自然资源，其中氯化镁储量占全国首位。但是盐湖氯化镁资源的开发利用率极低。由于我国盐湖多以钾盐开发为主，因而对镁资源的开发一直处于初期阶段，造成了氯化镁资源的大量浪费。例如，青海省盐湖卤水提钾的过程中，每生产1吨的氯化钾，将产生10吨左右的氯化镁饱和母液，每年副产的氯化镁高达2000万吨。另一方面，盐湖含镁卤水中的氯化镁堆积形成“镁害”，不仅给制盐工业带来二次污染，严重影响了钾、锂等资源的经济性利用和平衡性开采，而且不利于整个盐湖的生态平衡，给周边环境安全带来威胁。
目前，碱式碳酸镁的生产能力较弱，要因地制宜，根据当地镁资源和能源状况确定生产方法，其产品品种要根据市场需求确定；注意经济规模、环保措施、能源种类、节能措施等配备；节约天然镁资源，大力开展含镁固废、青海盐湖镁资源的利用，生产镁化合物。
与此同时，我国当前正面临碳排放突出等问题。我国西部地区分布着大量煤制烯烃等煤化工企业，承担着聚烯烃产业发展的重要产能任务。但煤化工行业作为典型的能源密集型行业，每年会排放大量的CO2，亟待开发CO2捕集技术满足行业减排需求。
CO2捕集、利用与封存(CCUS)技术是碳减排的重要路径。其中，利用碱性固废材料固定CO2是实现低成本CO2捕集的重要方法。镁盐矿物为典型的碱基固废材料，其可通过气固反应或气液固三相反应固定CO2，实现CO2永久封存。青海盐湖卤水中富含水氯镁石矿物(MgCl2·6H2O)，其可作为碱基材料矿化固定煤化工产业的高浓度CO2。但是，MgCl2·6H2O通过直接气固反应固定CO2过程能耗高，且产生的HCl对反应装置造成腐蚀，而MgCl2·6H2O通过气液固三相反应固定CO2则受限于液相碳酸化反应速率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统和方法，该方法通过电解含镁卤水协同CO2矿化实现镁资源的回收利用和烟气CO2低能耗低成本捕集。利用聚光光伏发电为含镁卤水电解和CO2矿化供能，利用电池余热为碱式碳酸镁生产供热，实现光伏发电和电池余热互补集成，并保证光伏系统的高效安全运行。本发明实现了新能源驱动废弃物的高效处置和资源化利用，极具经济价值和社会效应。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统，包括预处理装置、CO2吸收塔、流动电解池、第一给水泵、第二给水泵、第三给水泵、第四给水泵、第五给水泵、聚光装置、太阳能电池、盐酸储料罐和三相分离装置；其中，所述预处理装置的输入端送入含镁卤水，其输出端通过第一给水泵连接至CO2吸收塔的顶端；所述CO2吸收塔的侧面底端通入烟气CO2，其下端输出端通过第二给水泵连接至流动电解池的阴极室的输入端；所述流动电解池由阴极室和阳极室构成，阴极室和阳极室之间由阴离子交换膜分隔；所述流动电解池的阴极室的输出端接第三给水泵，所述流动电解池的阳极室的输入端通入水，阳极室的输出端接第四给水泵；所述第三给水泵连接至太阳能电池的背板换热管道，所述第四给水泵连接至盐酸储料罐；所述聚光装置与所述太阳能电池配合组装成聚光光伏发电及电池余热利用模块，连接流动电解池，为电解矿化过程提供电能；所述太阳能电池的背板换热管道的输出端与三相分离装置的输入端连接；所述三相分离装置为分流过滤式气液固三相旋流分离装置，所述三相分离装置的气相输出端将CO2通入所述流动电解池的阴极室，所述三相分离装置的液相输出端通过第五给水泵连接至CO2吸收塔的顶端，所述三相分离装置的固相输出端输出碱式碳酸镁产品。
优选地，所述阴极室内的阴极为镍网电极；所述阳极室内的阳极为氢气气体扩散电极，由钛网集流层、碳纸和铂炭催化层构成；所述阴离子交换膜为基于聚降冰片烯的树脂复合材料。
优选地，所述CO2吸收塔的顶端布置喷头。
优选地，所述聚光光伏发电及电池余热利用模块采用砷化镓聚光光伏电池背板内置盘管。
优选地，所述聚光装置采用菲涅尔透镜，聚光比为1200。
一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的方法，包括以下步骤：
步骤1)将含镁卤水送入预处理装置，经预处理后得到高浓度MgCl2溶液；CO2吸收塔的顶端通入高浓度MgCl2溶液，CO2吸收塔的侧面底端通入烟气CO2，与顶端喷淋的MgCl2溶液逆流接触，实现CO2溶解吸收，所得富液随后送入流动电解池；
步骤2)CO2吸收塔的下端输出端流出的富液泵入流动电解池的阴极室，通过电解形成碱性Mg(OH)2，阴极室在电解过程中通入由三相分离装置的上层气相输出端或系统外而来的烟气CO2，碱性Mg(OH)2在电解条件下捕获CO2形成Mg(HCO3)2；富含Mg(HCO3)2的上层溢出液经过第三给水泵输送至太阳能电池的背板换热通道；流动电解池的阳极室中，氢气气体扩散电极在低电压下将氢气氧化为质子氢，与从阴离子交换膜透过的氯离子作用形成高纯度的盐酸溶液，通过第四给水泵输送到盐酸储料罐；
步骤3)从流动电解池的阴极室输出的上层溢出液在背板换热通道与太阳能电池进行换热，利用电池余热使溶液中Mg(HCO3)2分解形成碱式碳酸镁；
步骤4)将含碱式碳酸镁的混合液输送至三相分离装置进行气液固三相分离，在旋流作用下，固相产物碱式碳酸镁被滤出，自三相分离装置中部分离出系统，可用于化学转化产生增值产品；高纯度气相产物CO2自三相分离装置的顶部流出，重新通入流动电解池的阴极室循环利用；含MgCl2和Mg(HCO3)2的滤液自三相分离装置的底部分离出，并经过第五给水泵输送至CO2吸收塔的顶端喷淋循环利用。
优选地，步骤1)所述预处理的流程为：将含镁卤水送入预处理装置，经卤水溢流、MgCl2分离、卤水缓冲及沉降、多步压滤、浓密机底料压榨过滤、泥饼输送、精制卤水输送及储存工序，获得可用于CO2捕集并符合电解工艺指标的高浓度MgCl2溶液，精制卤水Mg2+浓度达115±3g/L，不含固体悬浮物杂质。
优选地，步骤3)所述电池余热为80℃。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明创新地利用光伏发电电解含镁卤水协同烟气CO2矿化制碱式碳酸镁增值产品，实现了卤水中氯化镁的低能耗回收和清洁利用，同时实现了烟气CO2低成本分离。相比现有技术而言，本发明提出的系统和方法具有能耗低、无污染和产品增值效应等优势。
(2)本发明创新地利用砷化镓聚光光伏发电(CPV)为卤水电解和CO2矿化供能，利用电池余热为碱式碳酸镁生产供热，实现了光伏发电和电池余热互补集成，解决了电池超温问题，并保证砷化镓聚光系统的高效安全运行。
(3)本发明创新地采用新能源驱动CO2捕集与废弃物资源化利用联产增值产品，为我国西北区域盐湖、煤化工和光伏产业的技术集群提供了一种新思路，极具发展前景。
(4)已公示的发明专利CN103173782A提供了一种利用MgCl2电解矿化封存CO2的基本方法，其直接基于传统的H型电解槽完成MgCl2电解矿化CO2，其电解与矿化效率受限于CO2溶解与传质效应。相比而言，本发明在电解前端布置CO2吸收塔，通过喷淋MgCl2与CO2逆向接触反应实现CO2吸收，得到CO2饱和度较高的富液，解决了已公示发明专利CN103173782A提供方案中的CO2溶解受限的问题。此外，本发明采用传质效率更高的流动电解池完成电解矿化，其具有电流密度和电解效率更高及产物产率更高等优势。与已公示发明专利CN103173782A相比，本发明在优化MgCl2电解矿化CO2方法的基础上，创新性地构建了可实现盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统，而该系统重点强调如何利用太阳能光伏发电和余热作为驱动力，为含镁卤水电解与CO2矿化供能，在低能耗实现碱式碳酸镁绿色增产方面极具意义。除此以外，本发明在所构建的系统中提供了产物分离的方法，为电解矿化的高附加值产品分离提供了基本策略。
附图说明
图1为利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统的工艺流程图；
图中：1、预处理装置；2、CO2吸收塔；2-1、喷头；3、流动电解池；3-1、阴极室；3-2、阳极室；3-3、阴离子交换膜；4-1、第一给水泵；4-2、第二给水泵；4-3、第三给水泵；4-4、第四给水泵；4-5、第五给水泵；5、聚光装置；6、太阳能电池；6-1、背板换热管道；7、盐酸储料罐；8、三相分离装置；8-1、气相输出端；8-2、液相输出端；8-3、固相输出端。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例详细阐述本发明的内容。值得一提的是，以下所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统，如图1所示，包括预处理装置1、CO2吸收塔2、流动电解池3、第一给水泵4-1、第二给水泵4-2、第三给水泵4-3、第四给水泵4-4、第五给水泵4-5、聚光装置5、太阳能电池6、盐酸储料罐7和三相分离装置8。
所述预处理装置1的输入端送入含镁卤水，其输出端通过第一给水泵4-1连接至CO2吸收塔2的顶端；所述CO2吸收塔2的侧面底端通入烟气CO2，其下端输出端通过第二给水泵4-2连接至流动电解池3的阴极室3-1的输入端；所述流动电解池3由阴极室3-1和阳极室3-2构成，阴极室3-1和阳极室3-2之间由阴离子交换膜3-3分隔。所述流动电解池3的阴极室3-1的输出端接第三给水泵4-3，所述流动电解池3的阳极室3-2的输入端通入水，阳极室3-2的输出端接第四给水泵4-4；所述第三给水泵4-3连接至太阳能电池6的背板换热管道6-1，所述第四给水泵4-4连接至盐酸储料罐7；所述聚光装置5与所述太阳能电池6配合组装成聚光光伏发电及电池余热利用模块；所述太阳能电池6的背板换热管道6-1的输出端与三相分离装置8的输入端连接；所述三相分离装置8为分流过滤式气液固三相旋流分离装置，所述三相分离装置8的气相输出端8-1将CO2通入所述流动电解池3的阴极室3-1，所述三相分离装置8的液相输出端8-2通过第五给水泵4-5连接至CO2吸收塔2的顶端，所述三相分离装置8的固相输出端8-3输出碱式碳酸镁产品。
在本实施例中，所述阴极室3-1内的阴极为镍网电极；所述阳极室3-2内的阳极为氢气气体扩散电极，由钛网集流层、碳纸和铂炭催化层构成；所述阴离子交换膜3-3为基于聚降冰片烯的树脂复合材料。
在本实施例中，所述CO2吸收塔2的顶端布置喷头2-1，采用喷淋的方式向塔内输入高浓度MgCl2溶液。
在本实施例中，所述聚光光伏发电及电池余热利用模块采用砷化镓聚光光伏电池背板内置盘管。针对砷化镓电池在实际应用中易超温，导致光伏电池发电效率降低及电池板寿命周期缩短等问题，设计了余热利用模块，通过采用背板换热管道6-1换热的方式对砷化镓聚光光伏电池余热进行回收利用，解决了电池超温问题，保证了电池板的工作效率。
在本实施例中，所述聚光装置5采用菲涅尔透镜，聚光比为1200。采用聚光式太阳能电池进行发电，为流动电解池3中的电解过程提供洁净电能，减少光伏电池面积，降低发电成本。
一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的方法，如图1所示，具体步骤如下：
(1)将含镁卤水送入预处理装置1，经预处理后得到净化后的高浓度MgCl2溶液；CO2吸收塔2的顶端通入高浓度MgCl2溶液，CO2吸收塔2的侧面底端通入含一定浓度CO2的烟气，与顶端喷淋的MgCl2溶液逆流接触，实现CO2溶解吸收，所得CO2饱和的富液在CO2吸收塔2的底端收集，并泵送至流动电解池3。
预处理工艺为：将含镁卤水送入预处理装置1，经卤水溢流、MgCl2分离、卤水缓冲及沉降、多步压滤、浓密机底料压榨过滤、泥饼输送、精制卤水输送及储存工序，获得可用于CO2捕集并符合电解工艺指标的高浓度MgCl2溶液，精制卤水Mg2+浓度达115±3g/L，不含固体悬浮物杂质。预处理工艺使含镁卤水得到净化、浓缩，实现大规模工业化连续制备高浓度MgCl2溶液，产能可达6m3/h。CO2吸收塔2中MgCl2吸收CO2的碳酸化反应为：
2MgCl2+2CO2+12H2O+4R3N→2Mg(HCO3)2+(R3N)4·(HCl)4(H2O)8
其中，R3N为含C8～C10分子的三元胺混合物，其主要作用为强化MgCl2电解矿化CO2。
(2)CO2吸收塔2的下端输出端流出的富液泵入流动电解池3的阴极室3-1，通过电解形成碱性Mg(OH)2，阴极室3-1在电解过程中通入由三相分离装置8的上层气相输出端8-1输入的烟气CO2(此处主要考虑MgCl2电解矿化的效率，可能有部分CO2溶解在电解液中未完全矿化形成稳定产物，在三相分离装置8中逸出，为保证系统CO2捕集和转化率，三相分离装置8的上层气相输出端8-1接阴极室3-1，将未捕集矿化的CO2重新引入流动电解池3继续反应)，碱性Mg(OH)2在电解条件下捕获CO2形成Mg(HCO3)2；富含Mg(HCO3)2的上层溢出液经过第三给水泵4-3输送至太阳能电池6的背板换热管道6-1。
流动电解池3的阴极室3-1发生的电解反应为：
2H2O+Mg2++2e-→Mg(OH)2+H2
Mg(OH)2+2CO2→Mg(HCO3)2
流动电解池3的阳极室3-2中，氢气气体扩散电极在低电压下将氢气氧化为质子氢，阴极室3-1电解形成的氯离子经阴离子交换膜3-3迁移至阳极室3-2，质子氢与氯离子作用形成高纯度的盐酸溶液，通过第四给水泵4-4输送到盐酸储料罐7进行存储。
流动电解池3的阳极室3-2发生的电解反应为：
H2→2H++2e-
H++Cl-→HCl
利用流动电解池3处置含镁卤水协同CO2矿化，具有反应能耗低和电流效率高等优势。
(3)从流动电解池3的阴极室3-1输出的上层溢出液在背板换热管道6-1与光伏电池板进行换热，在光伏发电余热的作用下使溢出液中的Mg(HCO3)2分解形成碱式碳酸镁。
背板换热管道6-1的余热温度约为80℃。在此温度下，溢出液中的Mg(HCO3)2分解反应为：
聚光装置5采用聚光比为1200的菲涅尔透镜，将太阳辐射聚集后投射至光伏电池表面发电，通过聚光可减少光伏电池面积，降低发电成本。聚光光伏砷化镓电池连接流动电解池3，为电解矿化过程提供洁净电能。
(4)将含碱式碳酸镁的混合液由背板换热管道6-1的输出端输送至三相分离装置8进行气液固三相分离，在旋流作用下，固相产物碱式碳酸镁被滤出，自三相分离装置8的固相输出端8-3分离出系统，可用于化学转化产生增值产品；高纯度气相产物CO2自三相分离装置8的顶部流出，重新通入流动电解池3的阴极室3-1循环利用；含MgCl2和Mg(HCO3)2的滤液自三相分离装置8的底部分离出，并经过第五给水泵4-5输送至CO2吸收塔2的顶端喷淋循环利用。实现MgCl2溶液和CO2的多次循环利用，降低成本，相比传统的CO2分离更加便捷。
以日处理300m3含镁卤水的系统为例，采用通用经济性计算可知，本发明所提出的系统可实现含镁卤水处理量131万吨/年，CO2捕集量1.74万吨/年，同时可实现系统年收益3649万元。与现有各盐湖卤水处理技术和CO2捕集技术相比具有明显经济优势。
以青海格尔木市及海西自治州等区域为例，该区域有察尔汗盐湖、柯柯盐湖、茶卡盐湖等，在盐湖资源利用过程中存在“镁害”问题亟待解决；在盐湖附近分布着格尔木工业园区和庆华煤化工经济工艺园等，存在碳排放突出问题亟待解决；毗邻盐湖和工业园区，还分布着格尔木光伏产业园区和扎哈光伏园区等，光伏光热资源丰富。上述区域分布的盐湖、煤化工合光伏产业可实现潜在的产业集群。
本发明实现了新能源驱动废弃物的高效处置与资源化利用，为我国西北区域传统工业CO2减排、废弃物处置及清洁能源利用的技术集群提供了一种新的思路，尤其是对于青海省实现盐湖、煤化工产业和光伏产业的集群具有重要的指导意义。

Claims (8)

1.一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统，其特征在于，包括预处理装置、CO2吸收塔、流动电解池、第一给水泵、第二给水泵、第三给水泵、第四给水泵、第五给水泵、聚光装置、太阳能电池、盐酸储料罐和三相分离装置；其中，所述预处理装置的输入端送入含镁卤水，其输出端通过第一给水泵连接至CO2吸收塔的顶端；所述CO2吸收塔的侧面底端通入烟气CO2，其下端输出端通过第二给水泵连接至流动电解池的阴极室的输入端；所述流动电解池由阴极室和阳极室构成，阴极室和阳极室之间由阴离子交换膜分隔；所述流动电解池的阴极室的输出端接第三给水泵，所述流动电解池的阳极室的输入端通入水，阳极室的输出端接第四给水泵；所述第三给水泵连接至太阳能电池的背板换热管道，所述第四给水泵连接至盐酸储料罐；所述聚光装置与所述太阳能电池配合组装成聚光光伏发电及电池余热利用模块，连接流动电解池，为电解矿化过程提供电能；所述太阳能电池的背板换热管道的输出端与三相分离装置的输入端连接；所述三相分离装置为分流过滤式气液固三相旋流分离装置，所述三相分离装置的气相输出端将CO2通入所述流动电解池的阴极室，所述三相分离装置的液相输出端通过第五给水泵连接至CO2吸收塔的顶端，所述三相分离装置的固相输出端输出碱式碳酸镁产品。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统，其特征在于，所述阴极室内的阴极为镍网电极；所述阳极室内的阳极为氢气气体扩散电极，由钛网集流层、碳纸和铂炭催化层构成；所述阴离子交换膜为基于聚降冰片烯的树脂复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统，其特征在于，所述CO2吸收塔的顶端布置喷头。
4.根据权利要求1所述的一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统，其特征在于，所述聚光光伏发电及电池余热利用模块采用砷化镓聚光光伏电池背板内置盘管。
5.根据权利要求1所述的一种利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的系统，其特征在于，所述聚光装置采用菲涅尔透镜，聚光比为1200。
6.基于权利要求1-5任一项所述系统的利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)将含镁卤水送入预处理装置，经预处理后得到高浓度MgCl2溶液；CO2吸收塔的顶端通入高浓度MgCl2溶液，CO2吸收塔的侧面底端通入烟气CO2，与顶端喷淋的MgCl2溶液逆流接触，实现CO2溶解吸收，所得富液随后送入流动电解池；
步骤2)CO2吸收塔的下端输出端流出的富液泵入流动电解池的阴极室，通过电解形成碱性Mg(OH)2，阴极室在电解过程中通入由三相分离装置的上层气相输出端或系统外而来的烟气CO2，碱性Mg(OH)2在电解条件下捕获CO2形成Mg(HCO3)2；富含Mg(HCO3)2的上层溢出液经过第三给水泵输送至太阳能电池的背板换热通道；流动电解池的阳极室中，氢气气体扩散电极在低电压下将氢气氧化为氢离子，与从阴离子交换膜透过的氯离子作用形成高纯度的盐酸溶液，通过第四给水泵输送到盐酸储料罐；
步骤3)从流动电解池的阴极室输出的上层溢出液在背板换热通道与太阳能电池进行换热，利用电池余热使溶液中Mg(HCO3)2分解形成碱式碳酸镁；
步骤4)将含碱式碳酸镁的混合液输送至三相分离装置进行气液固三相分离，在旋流作用下，固相产物碱式碳酸镁被滤出，自三相分离装置中部分离出系统，可用于化学转化产生增值产品；高纯度气相产物CO2自三相分离装置的顶部流出，重新通入流动电解池的阴极室循环利用；含MgCl2和Mg(HCO3)2的滤液自三相分离装置的底部分离出，并经过第五给水泵输送至CO2吸收塔的顶端喷淋循环利用。
7.根据权利要求6所述的利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的方法，其特征在于，步骤1)所述预处理的流程为：将含镁卤水送入预处理装置，经卤水溢流、MgCl2分离、卤水缓冲及沉降、多步压滤、浓密机底料压榨过滤、泥饼输送、精制卤水输送及储存工序，获得可用于CO2捕集并符合电解工艺指标的高浓度MgCl2溶液，精制卤水Mg2+浓度达115±3g/L，不含固体悬浮物杂质。
8.根据权利要求6所述的利用太阳能驱动盐湖卤水MgCl2矿化CO2联产碱式碳酸镁的方法，其特征在于，步骤3)所述电池余热为80℃。
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