CN115646138B - 一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统，包括太阳能供电单元，二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元；太阳能供电单元包括直流电源，二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元均包括电解池、四通换向阀；通过直流电源的定时换向，电解池两极、四通换向阀与直流电源极性同步定时切换。定时切换直流电源极性和四通换向阀通道流向，以避免电解池两个电极上的电化学反应导致的电极材料损耗。太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统不仅能够吸收空气中的二氧化碳，并且能够降低捕集和再生能耗，同时实现太阳能资源利用。

Description

一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统

技术领域

本发明涉及电化学碳捕集领域，特别涉及电化学法直接空气捕集的二氧化碳吸收、解吸和吸收剂再生的系统。

背景技术

典型的直接空气捕集二氧化碳的技术，如基于碱性溶液作为吸收剂的工艺，尽管吸收速率高、容量大、原料成本低，但面临吸收剂再生温度高、能耗大、工艺复杂的问题。如基于固体吸附剂的直接空气捕集工艺有效地省去了碱液吸收法高耗能的煅烧步骤，但使用固体胺吸附剂时面临成本高，以及吸附剂的损耗问题。又如使用沸石等物理吸附剂时尽管再生能耗低，但面临选择性差的问题。

现有技术中，吸收剂多为醇胺溶液，但其较弱的耐氧降解能力使得不适用于直接空气捕集工艺。而氨基酸盐与醇胺类具有相似的胺基，意味着其可能有快速的二氧化碳反应动力学、高二氧化碳吸收容量和循环能力，并且具有低挥发性以及耐氧降解的优势，更适合作为直接空气捕集技术中的吸收剂，但其高效的二氧化碳吸收能力会以高解吸和再生能耗作为代价。

因此开发一种低能耗的直接空气捕集二氧化碳的催化解吸和吸收剂再生方法，并且解决氨基酸盐高温降解和挥发问题，成为亟待解决的问题。

使用电化学方法驱动吸收剂氨基酸盐吸收二氧化碳，可以解决吸收剂氨基酸盐在高温下再生时的降解和挥发问题。电化学法直接空气捕集二氧化碳的方法，因直接使用电能，所以不涉及传统吸收剂再生过程中温度或压力的变化过程，一定程度上解决了吸收剂的热蒸发问题。同时吸收剂再生不依赖化石能源，无需使用蒸汽，系统结构简单，并显著降低了能量需求。此外，电化学方法还具有模块化、更少的碳足迹以及与其他系统整合可能性的优势。同时，本发明利用太阳能辅助电化学法捕集空气中的二氧化碳，使得电化学法捕集空气中的二氧化碳系统，清洁高效，充分利用自然资源。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种太阳能辅助的电化学直接空气捕集系统，所述太阳能辅助的电化学直接空气捕集系统吸收空气中的二氧化碳，并降低捕集和再生能耗，同时实现太阳能资源利用。同时，定时切换直流电源极性和四通换向阀通道流向，以避免电解池两个电极上的电化学反应导致的电极材料损耗。

本发明提供一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统，包括太阳能供电单元、二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元。

所述太阳能供电单元包括：太阳能光伏板、储能电池、直流电源、逆变器、电解池、吸收塔入口泵、吸收塔出口泵、风机。

所述二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元包括：风机、吸收塔、电解池、四通换向阀、吸收塔入口泵、吸收塔出口泵、闪蒸罐、利用和封存系统。

所述太阳能光伏板用于将太阳光照射时产生直流电流。

所述储能电池用于储存太阳能光伏板所输入的电能。

所述直流电源用于电解池电极提供能量，其正负极分别连接电解池的两电极。

所述逆变器用于将直流电流转换成风机、吸收塔入口泵、吸收塔出口泵所需的交流电流，

所述风机用于将环境中的空气供入吸收塔内与吸收塔内的吸收剂接触。

所述吸收塔是利用吸收塔内设置的吸收剂吸收由风机送入的空气中的二氧化碳。

所述四通换向阀用于切换液体流动方向。进一步的，四通换向阀与直流电源极性同步定时切换。

所述电解池是用于发生电化学反应的场所，包括二氧化碳解吸室和吸收剂再生室。电解池阳极侧为二氧化碳解吸室，阴极侧为吸收剂再生室，使用阴离子交换膜隔开两腔室。进一步的，电解池阳极和阴极材料均为二氧化锰。电解质为氯化钾溶液。电解池两极与直流电源极性同步定时切换。

所述吸收塔出口泵用于压缩和输送吸收剂富液经过四通换向阀进入电解池阳极侧二氧化碳解吸室。

所述吸收塔入口泵用于压缩和输送从电解池阴极侧吸收剂再生室再生后的吸收剂贫液，再生剂贫液经过四通换向阀进入吸收塔上部吸收剂贫液入口。

所述闪蒸罐用于释放从电解池阳极侧二氧化碳解吸室解吸后吸收剂贫液中的二氧化碳。

所述利用与封存系统用于实现从闪蒸罐释放的高浓度二氧化碳的利用或封存，其与闪蒸罐顶部气体出口连接。利用与封存系统具体内容不属于本发明的详细描述范围内。

所述太阳能供电单元的工作原理为：

(1)所述太阳能光伏板，其输出端与储能电池的电源接口相连接，将太阳能转化成电能。

(2)所述储能电池，其输入端与太阳能光伏板相连接，其一输出端连接直流电源的电源接口，给直流电源供给直流电；另一输出端连接逆变器，形成交流电。

(3)所述逆变器输入端连接储能电池其中一输出端，逆变器输出端连接到风机和吸收塔入口泵、吸收塔出口泵的电源接口，供给交流电驱动风机、吸收塔入口泵、吸收塔出口泵。

(4)所述直流电源极性定时切换。当直流电源右端为正极时，直流电源正极连接电解池的阳极，即连接电解池右侧腔室，即二氧化碳解吸室；此时，直流电源左端为负极，直流电源负极连接电解池的阴极，即连接电解池左侧腔室，即吸收剂再生室。当直流电源极性定时切换后，当直流电源右端为负极时，直流电源负极连接电解池的阴极，即连接电解池右侧腔室，即吸收剂再生室；此时，直流电源左端为正极，直流电源正极连接电解池的阳极，即连接电解池左侧腔室，即二氧化碳解吸室。

所述二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元的工作流程为：

(一)捕集空气中的二氧化碳：

空气中的二氧化碳由风机从吸收塔底部入口供入吸收塔，吸收剂贫液由吸收塔上部吸收剂贫液入口供入，并与空气对向流动，空气中的二氧化碳被吸收剂吸收并捕集，吸收剂成为富含二氧化碳的吸收剂富液并从吸收塔下部吸收剂富液出口流出，脱碳空气从吸收塔顶部出口排入大气。

所述吸收塔内设置吸收剂，进一步的，吸收剂选择氨基酸盐溶液，作为优选的，吸收剂选甘氨酸钾溶液。

(二)二氧化碳的解吸、释放与封存：

当直流电源右端为正极时，直流电源正极连接电解池的阳极，此时，电解池右侧腔室为二氧化碳解吸室；吸收剂富液经吸收塔出口泵输送，流经四通换向阀后由电解池右侧腔室底部入口进入电解池右侧腔室即二氧化碳解吸室。在二氧化碳解吸室阳极电极上发生氧化反应，质子脱离电极进入吸收剂实现二氧化碳解吸，吸收剂富液中的二氧化碳在电解池右侧腔室即二氧化碳解吸室解吸后成为吸收剂贫液，携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液从电解池右侧腔室顶部出口流出，流经闪蒸罐时，在压力变化下吸收剂贫液中的二氧化碳以气体形式从闪蒸罐顶部放。释放的高浓度二氧化碳经闪蒸罐顶部气体出口排出进入利用与封存系统，实现高浓度二氧化碳的利用或封存。

当直流电源定时换向后，直流电源左端为正极，直流电源正极连接电解池的阳极，即电解池左侧腔室为二氧化碳解吸室。吸收剂富液经吸收塔出口泵输送，流经四通换向阀后由电解池左侧腔室底部入口进入电解池左侧腔室即二氧化碳解吸室。吸收剂富液中的二氧化碳在电解池左侧腔室即二氧化碳解吸室解吸后成为吸收剂贫液，携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液由电解池左侧腔室顶部出口流经闪蒸罐时，解吸的二氧化碳在闪蒸罐内释放。释放的高浓度二氧化碳经闪蒸罐顶部气体出口排出进入利用与封存系统，实现高浓度二氧化碳的利用或封存。

(三)吸收剂的再生：

当直流电源右端为正极时，直流电源左端为负极连接电解池阴极即电解池左侧腔室，此时为电解池左侧腔室为吸收剂再生室。携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液流经闪蒸罐时释放了二氧化碳后从电解池左侧腔室顶部入口进入电解池左侧腔室即吸收剂再生室，进行吸收剂再生。吸收剂贫液在吸收剂再生室的阴极电极上发生还原反应，质子脱离吸收剂贫液进入电极实现吸收剂再生。再生后的吸收剂贫液从电解池左侧腔室底部流入四通换向阀后经吸收塔入口泵的输送，进入吸收塔上部吸收剂贫液入口，进行下一个吸收剂吸收二氧化碳、吸收剂再生的循环。

当直流电源定时换向后，直流电源右端为负极时，直流电源负极连接电解池的阴极，即电解池右侧腔室为吸收剂再生室。携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液流经闪蒸罐时释放了二氧化碳后从电解池右侧腔室顶部入口进入电解池右侧腔室即吸收剂再生室，进行吸收剂再生。吸收剂贫液在吸收剂再生室的阴极电极上发生还原反应，质子脱离吸收剂贫液进入电极实现吸收剂再生。再生后的吸收剂贫液从电解池右侧腔室底部流入四通换向阀后经吸收塔入口泵的输送，进入吸收塔上部吸收剂贫液入口，进行下一个吸收剂吸收二氧化碳、吸收剂再生的循环。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的太阳能辅助电化学直接空气捕集系统在具体操作时，太阳能光伏板接受太阳辐射并转化成直流电流入储能电池。一方面储能电池输出的直流电经逆变器转换为交流电，为吸收塔入口泵、吸收塔出口泵和风机供电。在吸收塔内部，实现二氧化碳捕集和吸收。另一方面储能电池同时向电解池的直流电源供电，为电解池提供能量，实现富集二氧化碳的吸收剂富液的解吸和再生，解吸后的溶液在闪蒸罐内产生高纯度的二氧化碳气体，进行后续封存或利用。相比于现有技术，在实际应用时，该系统无需远程的电能和吸收剂再生所需的蒸汽输送，充分实现可再生能源的就地消纳和应用。同时，定时切换直流电源极性和四通换向阀通道流向，以避免电解池两个电极上的电化学反应导致的电极材料损耗。

附图说明

图1为一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统工作示意图

图2为一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统直流电源定时切换后的工作示意图

图3一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统工作流程示意图

其中，图1标记说明如下：1-空气，2-风机，3-吸收塔，4-吸收塔出口泵，5-吸收塔入口泵，6-脱碳空气，7-四通换向阀，8-电解池，9-闪蒸罐，10-利用和封存系统，11-太阳能光伏板，12-储能电池，13-直流电源，14-逆变器。

图1和图2中，灰色实线-气路，黑色实线-吸收剂管路，黑色虚线-电路

具体实施方式

本发明公开一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统的实施案例，所述太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统包括太阳能供电单元，二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元。

太阳能供电单元包括：太阳能光伏板11、储能电池12、直流电源13、逆变器14、电解池8、吸收塔入口泵5、吸收塔出口泵4、风机2。

二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元包括：风机2、吸收塔3、四通换向阀7、吸收塔入口泵5、吸收塔出口泵4、电解池8、闪蒸罐9、利用和封存系统10。

太阳能供电单元的工作原理为：

(1)太阳能光伏板11其输出端与储能电池12的电源接口相连接，日间将太阳能转化成直流电能储存在储能电池12中。

(2)储能电池12其输入端与太阳能光伏板11相连接，其一输出端连接直流电源13的电源接口，给直流电源13供给直流电；另一输出端经逆变器14连接吸收塔入口泵5、吸收塔出口泵4和风机2的电源接口，供给交流电。在日间，太阳能转化成电能可以通过储能电池12直接供电；在夜间，可以利用储能电池12储存的电能供电。

(3)直流电源13极性定时切换。当直流电源13右端为正极时，直流电源13正极连接电解池8的阳极，即连接电解池8右侧腔室，即二氧化碳解吸室；此时，直流电源13左端为负极，直流电源13负极连接电解池8的阴极，即连接电解池8左侧腔室，即吸收剂再生室。当直流电源13极性定时切换后，当直流电源13右端为负极时，直流电源13负极连接电解池8的阴极，即连接电解池13右侧腔室，即吸收剂再生室；此时，直流电源13左端为正极，直流电源13正极连接电解池8的阳极，即连接电解池8左侧腔室，即二氧化碳解吸室。

二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元的工作原理为：

(一)捕集空气中的二氧化碳：

打开风机2，空气1中的二氧化碳由风机2从吸收塔3底部入口供入吸收塔3，吸收剂贫液由吸收塔3上部吸收剂贫液入口供入，并与空气1对向流动，空气1中的二氧化碳被吸收剂吸收并捕集，吸收剂成为富含二氧化碳的吸收剂富液并从吸收塔3下部吸收剂富液出口流出，脱碳空气6从吸收塔3顶部出口排入大气。

吸收塔内设置吸收剂，吸收剂选择甘氨酸钾溶液。

(二)二氧化碳的解吸、释放与封存：

当直流电源13右端为正极时，直流电源13正极连接电解池8的阳极，此时，电解池8右侧腔室为二氧化碳解吸室；吸收剂富液经吸收塔出口泵4输送，流经四通换向阀7后由电解池8右侧腔室底部入口进入电解池8右侧腔室即二氧化碳解吸室。吸收剂富液中的二氧化碳在电解池8右侧腔室即二氧化碳解吸室解吸后成为吸收剂贫液，携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液从电解池8右侧腔室顶部出口流出后经闪蒸罐9时释放解吸的二氧化碳。高浓度二氧化碳经闪蒸罐9顶部气体出口排出进入利用与封存系统10，实现高浓度二氧化碳的利用或封存。

当直流电源13定时换向后，直流电源13左端为正极，直流电源13正极连接电解池8的阳极，即电解池8左侧腔室为二氧化碳解吸室。吸收剂富液经吸收塔出口泵4输送，流经四通换向阀7后由电解池8左侧腔室底部入口进入电解池8左侧腔室即二氧化碳解吸室。吸收剂富液中的二氧化碳在电解池8左侧腔室即二氧化碳解吸室解吸后成为吸收剂贫液，携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液由电解池8左侧腔室顶部出口流出后经闪蒸罐9时释放解吸的二氧化碳。释放的高浓度二氧化碳经闪蒸罐9顶部气体出口排出进入利用与封存系统10，实现高浓度二氧化碳的利用或封存。

(三)吸收剂的再生：

当直流电源13右端为正极时，直流电源13左端为负极连接电解池8阴极即电解池左侧腔室，此时为电解池8左侧腔室为吸收剂再生室。携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液流经闪蒸罐9时释放了二氧化碳后从电解池8左侧腔室顶部入口进入电解池8左侧腔室即吸收剂再生室，进行吸收剂再生。再生后的吸收剂贫液从电解池8左侧腔室底部流入四通换向阀7后经吸收塔入口泵5的输送，进入吸收塔3上部吸收剂贫液入口，进行下一个吸收剂吸收二氧化碳、吸收剂再生的循环。

当直流电源定时换向后，直流电源13右端为负极时，直流电源13负极连接电解池8的阴极，即电解池8右侧腔室为吸收剂再生室。携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液流经闪蒸罐9时释放了二氧化碳后从电解池8右侧腔室顶部入口进入电解池8右侧腔室即吸收剂再生室，进行吸收剂再生。再生后的吸收剂贫液从电解池8右侧腔室底部流入四通换向阀7后经吸收塔入口泵5的输送，进入吸收塔3上部吸收剂贫液入口，进行下一个吸收剂吸收二氧化碳、吸收剂再生的循环。

本发明提供的一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统的技术方案中，定时切换直流电源13极性和四通换向阀7通道流向，以避免电解池8阴阳两个电极上的电化学反应导致的电极材料损耗。所述的太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统无需利用电能和吸收剂再生所需的蒸汽输送，充分实现太阳能作为可再生能源的就地消纳和应用。

Claims (2)

1.一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统，其特征在于：包括太阳能供电单元，二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元；所述太阳能供电单元包括直流电源（13）、太阳能光伏板（11）、储能电池（12）、逆变器（14）、电解池（8）、吸收塔入口泵（5）、吸收塔出口泵（4）、风机（2）；所述二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元均包括闪蒸罐（9）、利用和封存系统（10）、吸收塔（3）、吸收塔入口泵（5）、吸收塔出口泵（4）、风机（2）、电解池（8）、四通换向阀（7）；所述太阳能供电单元中太阳能光伏板（11）其输出端与储能电池（12）的电源接口相连接，日间将太阳能转化成直流电能储存在储能电池（12）中；储能电池（12）其输入端与太阳能光伏板（11）相连接，其一输出端连接直流电源（13）的电源接口，给直流电源（13）供给直流电；另一输出端经逆变器（14）连接吸收塔入口泵（5）、吸收塔出口泵（4）和风机（2）的电源接口，供给交流电；所述太阳能供电单元中直流电源（13）极性定时切换，当直流电源（13）右端为正极时，直流电源（13）正极连接电解池（8）的阳极，即连接电解池（8）右侧腔室，即二氧化碳解吸室；此时，直流电源（13）左端为负极，直流电源（13）负极连接电解池（8）的阴极，即连接电解池（8）左侧腔室，即吸收剂再生室；当直流电源（13）极性定时切换后，当直流电源（13）右端为负极时，直流电源（13）负极连接电解池（8）的阴极，即连接电解池8右侧腔室，即吸收剂再生室；此时，直流电源（13）左端为正极，直流电源（13）正极连接电解池（8）的阳极，即连接电解池（8）左侧腔室，即二氧化碳解吸室；所述二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元，打开风机（2），空气（1）中的二氧化碳由风机（2）从吸收塔（3）底部入口供入吸收塔（3），吸收剂贫液由吸收塔（3）上部吸收剂贫液入口供入，并与空气（1）对向流动，空气（1）中的二氧化碳被吸收剂吸收并捕集，吸收剂成为富含二氧化碳的吸收剂富液并从吸收塔（3）下部吸收剂富液出口流出，脱碳空气（6）从吸收塔（3）顶部出口排入大气；所述二氧化碳捕集、解吸与吸收剂再生单元，当直流电源（13）右端为正极时，直流电源（13）正极连接电解池（8）的阳极，此时，电解池（8）右侧腔室为二氧化碳解吸室；吸收剂富液经吸收塔出口泵（4）输送，流经四通换向阀（7）后由电解池（8）右侧腔室底部入口进入电解池（8）右侧腔室即二氧化碳解吸室;吸收剂富液中的二氧化碳在电解池（8）右侧腔室即二氧化碳解吸室解吸后成为吸收剂贫液，携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液从电解池（8）右侧腔室顶部出口流出后经闪蒸罐（9）时释放解吸的二氧化碳;高浓度二氧化碳经闪蒸罐（9）顶部气体出口排出进入利用与封存系统（10）；当直流电源（13）定时换向后，直流电源（13）左端为正极，直流电源（13）正极连接电解池（8）的阳极，即电解池（8）左侧腔室为二氧化碳解吸室;吸收剂富液经吸收塔出口泵（4）输送，流经四通换向阀（7）后由电解池（8）左侧腔室底部入口进入电解池（8）左侧腔室即二氧化碳解吸室;吸收剂富液中的二氧化碳在电解池（8）左侧腔室即二氧化碳解吸室解吸后成为吸收剂贫液，携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液由电解池（8）左侧腔室顶部出口流出后经闪蒸罐（9）时释放解吸的二氧化碳;释放的高浓度二氧化碳经闪蒸罐（9）顶部气体出口排出进入利用与封存系统（10）；当直流电源（13）右端为正极时，直流电源（13）左端为负极连接电解池（8）阴极即电解池左侧腔室，此时为电解池（8）左侧腔室为吸收剂再生室，携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液流经闪蒸罐（9）时释放了二氧化碳后从电解池（8）左侧腔室顶部入口进入电解池（8）左侧腔室即吸收剂再生室，进行吸收剂再生;再生后的吸收剂贫液从电解池（8）左侧腔室底部流入四通换向阀（7）后经吸收塔入口泵（5）的输送，进入吸收塔（3）上部吸收剂贫液入口，进行下一个吸收剂吸收二氧化碳、吸收剂再生的循环；当直流电源定时换向后，直流电源（13）右端为负极时，直流电源（13）负极连接电解池（8）的阴极，即电解池（8）右侧腔室为吸收剂再生室，携带解吸后的二氧化碳的吸收剂贫液流经闪蒸罐（9）时释放了二氧化碳后从电解池（8）右侧腔室顶部入口进入电解池（8）右侧腔室即吸收剂再生室，进行吸收剂再生，再生后的吸收剂贫液从电解池（8）右侧腔室底部流入四通换向阀（7）后经吸收塔入口泵（5）的输送，进入吸收塔（3）上部吸收剂贫液入口，进行下一个吸收剂吸收二氧化碳、吸收剂再生的循环。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助电化学法捕集二氧化碳的系统，其特征在于：所述吸收剂选择氨基酸盐溶液，所述电解池（8）使用阴离子交换膜隔开两腔室，电解池（8）阳极和阴极材料均为二氧化锰，电解池（8）使用的电解质为氯化钾溶液。