CN115193372A - 一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统 - Google Patents

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CN115193372A CN202210787936.8A CN202210787936A CN115193372A CN 115193372 A CN115193372 A CN 115193372A CN 202210787936 A CN202210787936 A CN 202210787936A CN 115193372 A CN115193372 A CN 115193372A
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李楚凡
郭瑞堂
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Abstract

本发明涉及一种二氧化碳转化系统，具体涉及一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，包括反应子系统；反应子系统包括反应装置、伸入反应装置内部的搅拌桨、固定安装于反应装置顶部的风力机、连接风力机与搅拌桨的传动机构以及绕设于反应装置外侧的保温装置；反应装置包括反应容器以及伸入反应容器内的进气管和出气管，反应容器内还盛有有机溶液以及浸没于有机溶液的液态金属；搅拌桨伸入有机溶液的液面以下。与现有技术相比，本发明利用风力机和机械传动装置在近环境温度下将低浓度的二氧化碳还原成固体碳，并进一步在风/光电辅助下，保障系统的稳定持续运行。

Description

一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳转化系统，具体涉及一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统。
背景技术
自第二次工业革命以来，随着经济社会的持续发展，大量的化石燃料被开发和消耗。与此同时，大气中的二氧化碳浓度持续升高。据不完全统计，2020年的全球大气二氧化碳浓度的年平均值为413.2±0.2ppm，相对于1750年的全球大气二氧化碳浓度百分比约为149％，过去10年的年平均二氧化碳绝对增量为2.40ppm。二氧化碳作为最为熟知的温室气体之一，对热量有着特殊的吸收和反射性质。因此，二氧化碳在维持地表温度适宜且恒定方面起到了重要的作用。由于二氧化碳的存在，地球表面能量平衡和水循环得以处于一个相对稳定的状态。然而，大气中二氧化碳浓度持续攀升似乎在打破这种平衡。近年来，极端天气频发和海平面上升等全球关注的环境问题和大气中二氧化碳浓度存在着千丝万缕的联系。中国力争2030年前实现二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。
二氧化碳作为大多数化石燃料燃烧的主要产物，是热力学稳定的小分子。使用传统热反应实现二氧化碳的资源化利用，意味着大量能源的消耗，不符合现代社会节能减排的要求。利用光催化、电催化和光电催化等技术将二氧化碳还原成高附加值和高能量密度的化学产品是实现二氧化碳减排和资源化利用的一条可观途径。然而，光催化技术面临着光生电子-空穴对的高复合率问题，导致整体效率较低。电催化过程中，还原反应发生在裸露的电极表面，过高的过电位意味着较大的能耗。虽然，光电催化结合了光催化和电催化的优点，但仍存在反应效率不高和产物选择性差等问题。除此之外，将二氧化碳还原成一氧化碳、甲烷、甲醇和乙醇等化学燃料大多再次作为燃料被消耗，并以二氧化碳的形式重新回到大气中。
将二氧化碳直接还原成固体碳材料可以将碳源以固体的形式固定，从而实现负碳排放。利用电解熔融盐技术将二氧化碳还原成固体碳成为近年来新的研究点。通过调节电解质、电极材料和操作参数可以将二氧化碳还原成碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米球等具有特定纳米形貌和尺寸的产物。然而，电解熔融盐技术将二氧化碳还原成固体碳的反应为非均相反应系统。生成的固体碳产物会包裹在工作电极上引发结焦现象，不利于反应的持续进行。除此之外，熔融盐往往需要在较高的温度 (600℃以上)下才可以稳定存在，这意味着更多的能量被消耗。
《中国电力行业年度发展报告2021》显示：我国2020年并网风电约为281.69 GW，并网太阳能发电约为253.56GW。在可再生能源领域我国处于世界前沿，并以相对稳定的增率持续发展。然而，风力发电和光伏发电具有间歇性、区域性和不稳定性等特点。简单的将风/电并网，将对电网和用户端造成不同程度的危害。通过调峰配合其并网会对电厂运行安全、发电效率和污染物排放等方面带来不利影响。因此，每年会有大量的低品质风/光电被废弃，造成了资源的浪费。尽管转化所需的能量可以由可再生能源提供，从而降低其反应成本；但是由于可再生能源存在的如间歇性、区域性和不稳定性等特点，直接采用如风力发电和光伏发电的方式进行能量提供必然会导致生产的不连续，这对于产业工业化是致命的，使得可再生能源通常不会被作为工业生产的主要能源。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，利用风力机和机械传动装置在近环境温度下将低浓度的二氧化碳还原成固体碳，并进一步在风/光电辅助下，保障系统的稳定持续运行。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，包括反应子系统；
所述的反应子系统包括反应装置、伸入反应装置内部的搅拌桨、固定安装于反应装置顶部的风力机、连接风力机与搅拌桨的传动机构以及绕设于反应装置外侧的保温装置；
所述的反应装置包括反应容器以及伸入反应容器内的进气管和出气管，反应容器内还盛有有机溶液以及浸没于有机溶液的液态金属；所述的搅拌桨伸入有机溶液的液面以下；
所述的二氧化碳由反应容器的进气管进入反应装置并溶解于有机溶液中，风力机在风力驱动下旋转，并通过传动机构带动搅拌桨向有机溶液中输出机械能，溶解的二氧化碳在机械能和温度的作用下于液态金属表面发生反应，生成的固体碳浮于有机溶液液面，生成的气体与未反应的二氧化碳由出气管离开反应装置。
优选地，所述的反应装置还包括连接于反应容器底部的进液管和出液管；所述的有机溶液由进液管进入反应容器，由出液管离开反应容器。
优选地，所述的有机溶液为乙醇胺。
优选地，所述的液态金属为Ga-Ag合金。
在反应过程中，有机溶液仅起溶解二氧化碳的作用。二氧化碳的还原是在液态金属的Ga液滴表面通过纳米摩擦过程提供的电压驱动的，具体来说是：将Ga转化为Ga+，而二氧化碳被激活为CO2 -自由基。被氧化的Ga+通过接收液态金属中 Ag0.72Ga0.28的电子被还原为单质Ga，与此同时Ag0.72Ga0.28转化为Ag0.72Ga0.28 +。 CO2 -自由基又进一步生成中间体CO和O2 -自由基，前者CO在液态金属表面进一步转化为碳质材料(固体碳)；后者O2 -自由基生成O2并提供电子将Ag0.72Ga0.28 +还原为Ag0.72Ga0.28完成催化循环的过程闭合。
由于液态金属的特殊性质，反应生成的固体碳会自动由液态金属表面剥离，并根据固体碳与有机溶液的密度差值，固体碳会自动漂浮于有机溶液的液面上。该种方式的反应有效避免了结焦现象的发生，进而可以使反应连续进行，同时产物可实现快速简单的分离。
优选地，所述的进气管伸入有机溶液的液面以下，所述的出气管高于有机溶液的液面设置。保持进气管位于液面以下，而出气管高于液面，使得进入反应容器的 CO2必须与有机溶液发生接触，避免CO2直接由出气管离开反应容器。
优选地，所述的保温装置控制有机溶液的温度为40℃。保温装置为有机溶液提供加热和保温作用，为二氧化碳的反应提供合适的反应温度。
优选地，进入反应容器的二氧化碳的最低体积浓度为6％。
优选地，所述的搅拌桨的最小转速为200rpm。发生反应需要有最低机械能输入，对应于搅拌桨的最小转速即为200rpm，不同的转速对应于不同大小的机械能输入，通过调节输入的机械能大小可以得到具有不同形貌的固体纳米碳产物，进而可以应用于电容和电池等能源领域。
优选地，所述的风力机为垂直轴风力机。垂直轴风力机在风向改变的时候无需对风，相对于水平轴风力机，不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力，更适合在本发明中作为主要机械能输入。
优选地，所述的传动机构为变速传动机构。由于风力机的输出效率会根据实时的风力而发生改变，因而通过变速传动机构的设置可以保障搅拌桨能够持续保持在一个稳定的合适转速中，以使得反应生成的固体碳具有一致的形貌。
优选地，所述的反应容器可以并联设置若干个以实现大规模生产和应用。
优选地，该二氧化碳转化系统还包括辅助发电子系统；
所述的辅助发电子系统包括发电模块、储能模块、辅助动力控制模块和电机；所述的发电模块输出端通过辅助动力控制模块与电机相连，所述的电机输出端与传动机构相连；所述的发电模块输出端还与储能模块相连，所述的储能模块分别与辅助动力控制模块以及保温装置相连。
通过辅助发电子系统的设置，可以实现能源的储存以及在风力机无法提供所需转速时(风力不足导致风力机转速低，在经传动机构传动至搅拌桨时，搅拌桨的转速无法满足反应的机械能输入需求)的辅助驱动，保证生产的连续进行。辅助动力控制模块控制电路的连通(接通储能模块或发电模块)，为搅拌桨和保温装置持续提供电能。
当风力机自身的机械能输出已足够满足反应的需求，则辅助动力控制模块可以断开与发电模块之间的连接，此时发电模块产出的能量全部集中至储能模块中；当风力机自身的机械能输出不足以满足反应的需求，而发电模块能够补足该部分需求时，辅助动力控制模块连通发电模块的电路，使发电模块与风力机共同作用，发电模块多余的电能会储存于储能模块中；当风力机和发电模块均无法满足反应的需求时，辅助动力控制模块连通储能模块的电路，通过储存于储能模块中的电能驱动搅拌桨搅拌以进行反应直至能够正常通过风力机或发电模块为止。此处所说的反应的需求包括搅拌桨的转速需求(不低于200rpm，具体转速根据需要得到的形貌确定) 以及保温装置的加热保温需求(反应温度40℃)
优选地，所述的发电模块包括并联设置的风电模块和光电模块。两种成熟的可再生能源的并联设置为连续生产提供进一步保障，同时，多余的发电量会储存于储能模块中，在需要时启用，不会造成能源的浪费，实现不间断生产。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在液态金属的表面反应转化二氧化碳为固体碳和氧气，其反应要求低，反应迅速，反应产物能够自动由液态金属表面剥落并浮于有机溶液的液面，有效避免结焦的发生，并且便于产物后续的分离；并进一步结合采用可再生能源作为驱动能源，大幅降低了生产能耗，并且无附加碳排放，实现绿色减排。
2、二氧化碳经反应生成的产物为固体碳(纳米碳产物)，可以作为电容和电池等能源领域中的基础材料使用，避免含碳产物再次以二氧化碳的形式返回大气；并且该固体碳的微观形貌可以根据搅拌桨的机械能输入量实现控制，使得产物具有广泛的应用领域。
3、通过风力机和辅助发电子系统(包括发电模块和储能模块)的配合与动态调整，可以实现能量的不间断连续输入，保证反应能够持续进行；进一步由于本反应中不存在结焦问题，且反应产物能够自动脱离液态金属表面，使得反应能够连续地进行；进而本系统能够持续的完成二氧化碳的有效转化。
4、本系统可以直接将低浓度的二氧化碳(最低可至6％的体积浓度)还原为固体碳，区别于传统高浓度二氧化碳气体的还原，本系统可以处理排碳密集产业的气体排放物，更有望实现大规模应用。
5、本系统可以通过并联的方式完成规模的扩展以及处理量的提升，可以方便的实现大规模应用。通过本系统的使用，方便的将二氧化碳还原为固体碳，不仅合理利用了资源，并且实现了二氧化碳的捕获和利用，具有较大的经济潜力和应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1的反应装置的结构示意图；
图中：1-风力发电机组；2-光伏阵列；3-风电转换控制器；4-光电转换控制器； 5-储能模块；6-辅助动力控制模块；7-温度控制模块；8-电机；9-保温装置；10-风力机；11-传动机构；12-反应装置；13-搅拌桨；121-进气管；122-出气管；123-反应容器；124-有机溶液；125-液态金属；126-进液管；127-出液管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，如图1和图2所示，包括反应子系统；
反应子系统包括反应装置12、伸入反应装置12内部的搅拌桨13、固定安装于反应装置12顶部的风力机10、连接风力机10与搅拌桨13的传动机构11以及绕设于反应装置12外侧的保温装置9；
反应装置12包括反应容器123以及伸入反应容器123内的进气管121和出气管122，反应容器123内还盛有有机溶液124以及浸没于有机溶液124的液态金属 125；搅拌桨13伸入有机溶液124的液面以下；
二氧化碳由反应容器123的进气管121进入反应装置12并溶解于有机溶液124 中，风力机10在风力驱动下旋转，通过传动机构11带动搅拌桨13向有机溶液124 中输出机械能，溶解的二氧化碳在机械能和温度的作用下于液态金属125表面发生反应，生成的固体碳浮于有机溶液124液面，生成的气体与未反应的二氧化碳由出气管122离开反应装置12。
更具体地，本实施例中：
本系统可以分为两部分子系统组成，如图1所示，分别为反应子系统和辅助发电子系统。
反应子系统主要包括反应装置12、风力机10、搅拌桨13和保温装置9。其中，反应装置12包括一反应容器123，如图2所示，反应容器123顶部连接有一进气管121和一出气管122，反应容器123底部连接有一进液管126和出液管127。反应容器123内部盛有有机溶液124，并在有机溶液124中浸没有一液态金属125。进气管121的下端伸入有机溶液124液面以下，而出气管122的下端高于有机溶液124液面设置。搅拌桨13设置于反应容器123内部并由反应容器123的顶部向下延伸，设置于搅拌桨13底部的扇叶伸至有机溶液124的液面以下，以向有机溶液 124提供机械能；搅拌桨13顶部通过传动机构11与安装于反应容器123顶部的风力机10相传动连接，通过风力驱动风力机10旋转，进而通过传动机构11带动搅拌桨13发生转动。本实施例中的风力机10采用垂直轴风力机，该种风力机具有体积小、易维护等方便的特点；传动机构11采用变速传动机构，如可以采用常规市售变速器或变速箱等，使得在不同风力下，即垂直轴风力机的输出力不同时，搅拌桨13仍然能够根据设定值保持定速旋转，以向有机溶液124输出稳定的机械能(需要说明的是，此处所说的“根据设定值定速旋转”是建立在风力足够的前提下，当风力不足时，风力机10无法输出足够的动能，因而无法满足搅拌桨13的转速需求，此时需要辅助发电子系统提供电能驱动搅拌桨13转动)。保温装置9覆盖于反应装置12的外侧，其控制有机溶液124的温度维持稳定在近室温温度，以使得反应能够正常发生。本实施例中的保温装置9采用的是电热丝缠绕发热的形式，并在电热丝的外侧包裹锡纸或保温棉(均采用市售的产品)，进一步还可以为保温装置9配置负反馈系统(额外加设测定有机溶液124温度的电热偶温度计以及与电热偶温度计和电热丝电连接的PLC控制器，其中PLC控制器接受电热偶温度计测得的温度信号并与设定值作比较，并根据比较结果调节电热丝的施加电压(加热量))，以提供恒定的反应温度。
辅助发电子系统主要包括发电模块、储能模块5、辅助动力控制模块6以及电机8。其中，如图1所示，发电模块通过辅助动力控制模块6于电机8连接，电机 8的输出轴又与传动机构11相连；此外，发电模块还通过另一电路与储能模块5 相连，储能模块5又分别与辅助动力控制模块6以及保温装置9相连接，如图1 所示，在辅助动力控制模块6的前端有一转换开关，发电模块与储能模块5分别通过两条分电路连接至该转换开关的输出侧，输入侧与辅助动力控制模块6相连，并受辅助动力控制模块6的控制，以控制电路的连接方式。本实施例中采用的发电模块又可分为风电模块和光电模块，该风电模块和光电模块采用并联的方式连接于系统中，其中，风电模块包括风力发电机组1和风电转换控制器3，通过风力发电机组1捕获来自风力的能量，并经风电转换控制器3，转化为电能输入至系统(储能系统和电机8)中；光电模块包括光伏阵列2和光电转换控制器4，通过光伏阵列 2捕获来自太阳光的能量，并经光电转换控制器4，转化为电能输入至系统(储能系统和电机8)中。此处所使用的风力发电机组1可以采用常规的风力发电机，包括但不限于水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，也可以采取混用的方式组合；光伏阵列2则采用常规的太阳能板即可。储能模块5采用电容器组，接收来自风电模块和光电模块的电能并在需要时放出。辅助动力控制模块6为一PLC控制器可以实时监测风电模块和光电模块的发电量、储能模块5中的储电量以及风力机10 的输出转速，并根据实际情况进行电路连接的动态调整(控制转换开关的接入电路)。此外，辅助发电子系统还包括一温度控制模块7，该温度控制模块7设置于储能模块5与保温装置9之间，以动态调节保温装置9的加热功率实现较为稳定的温度控制；该温度控制模块7可以采用常规的市售温控器。
本系统实际运行中：
二氧化碳反应：
反应前，由进液管126向反应容器123内通入有机溶液124。
二氧化碳由进气管121通入并溶解于有机溶液124中，同时搅拌桨13不断向有机溶液124中输出稳定的机械能，且保温装置9也使有机溶液124维持在一定的温度下；溶解于有机溶液124中的二氧化碳在机械能和温度的作用下于液态金属 125表面发生反应，生成固体碳和氧气，固体碳由于密度差异会漂浮于有机溶液124 表面，而氧气以及未反应的二氧化碳则由出气管122离开反应装置12。
完成反应后，先将漂浮于有机溶液表面的固体碳产物收集，随后将有机溶液 124以及液态金属125由出液管127排出反应容器123。
其中，有机溶液124采用ETA(乙醇胺)，液态金属125采用Ga-Ag合金。此外，为能够发生反应，上述的搅拌桨13的最小转速为200rpm，一定的温度为40℃，二氧化碳的最低体积浓度为6％。根据不同的机械能输入以及二氧化碳初始量，反应生成的固体碳的微观形貌会发生改变，因而可以根据输入不同大小的机械能和二氧化碳初始量以控制固体碳的微观形貌以及生成量，进而不同微观形貌的固体碳可以作为低成本纳米碳产物应用于电容和电池等能源领域。
电力控制：
当风力足够使风力机10输出所需机械能时，此时，仅通过风力机10将风能转化为机械能并输入传动机构11中，传动机构11内部的齿轮箱通过调整转速后带动搅拌桨13旋转，向有机溶液124输出机械能，以驱动二氧化碳在反应装置12中发生反应；同时辅助发电子系统所产生的电能绝大部分都会储存于储能模块5中，少部分用于保温装置9的发热保温。
当风力不足以使风力机10输出所需机械能时，此时，辅助发电子系统运作，采用可再生能源(风/光电)和储能系统辅助驱动搅拌桨13工作在设定转速以保证反应稳定连续的进行。当风电富余时，辅助动力控制模块6接通与发电模块相连的电路，风力发电机组1产生的电能经风电转换控制器3分别输送至储能模块5和辅助动力控制模块6，部分电能用于驱动电机8输出轴转动以带动传动机构11和搅拌桨13转动，多余部分则收集于储能模块5中；当光电富余时，辅助动力控制模块6接通与发电模块相连的电路，光伏阵列2产生的电能经光电转换控制器4分别输送至储能模块5和辅助动力控制模块6，部分电能用于驱动电机8输出轴转动以带动传动机构11和搅拌桨13转动，多余部分则收集于储能模块5中；当风电与光电均无法满足需求时，辅助动力控制模块6接通连接储能模块5的电路，通过储能模块5为电机8提供电能。
本系统将二氧化碳直接转化成固体碳材料可以有效的固定二氧化碳，并且低成本的纳米碳产物可用于电容和电池领域，助力储能技术和新能源技术的发展。在风 /光电辅助下，利用垂直轴风机和机械传动装置将风能直接转化为机械能驱动旋转机械，在近环境温度下将低浓度的二氧化碳还原成固体碳，不仅合理利用了资源，并且实现了二氧化碳的捕获和利用，具有较大的经济潜力和应用前景。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，包括反应子系统；
所述的反应子系统包括反应装置(12)、伸入反应装置(12)内部的搅拌桨(13)、固定安装于反应装置(12)顶部的风力机(10)、连接风力机(10)与搅拌桨(13)的传动机构(11)以及绕设于反应装置(12)外侧的保温装置(9)；
所述的反应装置(12)包括反应容器(123)以及伸入反应容器(123)内的进气管(121)和出气管(122)，反应容器(123)内还盛有有机溶液(124)以及浸没于有机溶液(124)的液态金属(125)；所述的搅拌桨(13)伸入有机溶液(124)的液面以下；
所述的二氧化碳由反应容器(123)的进气管(121)进入反应装置并溶解于有机溶液(124)中，风力机(10)在风力驱动下旋转，通过传动机构(11)带动搅拌桨(13)向有机溶液(124)中输出机械能，溶解的二氧化碳在机械能和温度的作用下于液态金属(125)表面发生反应，生成的固体碳浮于有机溶液(124)液面，生成的气体与未反应的二氧化碳由出气管(122)离开反应装置(12)。
2.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，所述的反应装置(12)还包括连接于反应容器(123)底部的进液管(126)和出液管(127)；所述的有机溶液(124)由进液管(126)进入反应容器(123)，由出液管(127)离开反应容器(123)。
3.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，所述的有机溶液为乙醇胺。
4.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，所述的液态金属为Ga-Ag合金。
5.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，所述的进气管(121)伸入有机溶液(124)的液面以下，所述的出气管(122)高于有机溶液(124)的液面设置。
6.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，所述的保温装置(9)控制有机溶液(124)的温度为40℃。
7.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，进入反应容器(123)的二氧化碳的最低体积浓度为6％。
8.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，所述的搅拌桨(13)的最小转速为200rpm。
9.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，该二氧化碳转化系统还包括辅助发电子系统；
所述的辅助发电子系统包括发电模块、储能模块(5)、辅助动力控制模块(6)和电机(8)；所述的发电模块输出端通过辅助动力控制模块(6)与电机(8)相连，所述的电机(8)输出端与传动机构(11)相连；所述的发电模块输出端还与储能模块(5)相连，所述的储能模块(5)分别与辅助动力控制模块(6)以及保温装置(9)相连。
10.根据权利要求9所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，所述的发电模块包括并联设置的风电模块和光电模块。
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