CN205833143U - 光催化还原二氧化碳制备甲醇的装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，设备烟气冷却塔，烟气冷却塔通过管道依次连接有反应塔、甲醇溶液排出泵、旋流器、过滤器、蒸馏塔、冷凝器、甲醇冷却器和甲醇液体储箱；烟气冷却塔包括下部侧壁的烟气进口和上部侧壁的烟气出口，烟气出口与反应塔的下部侧壁的进气口连通，反应塔还包括底部的溶液出口，溶液出口与旋流器的上部侧壁的溶液进口连通，旋流器还包括顶部的甲醇溶液出口，甲醇溶液出口连接过滤器，蒸馏塔顶部出口依次与冷凝器、甲醇冷却器和甲醇液体储箱连通。本实用新型利用可再生能源太阳能将含有CO2的水溶液光解为甲醇水溶液，经过蒸馏提纯为甲醇液体，甲醇作为重要的基础化工原料，加以充分利用。

Description

光催化还原二氧化碳制备甲醇的装置
技术领域
本实用新型涉及将温室气体二氧化碳进行资源化利用技术，具体涉及一种光催化还原二氧化碳制备甲醇的装置。
背景技术
当前世界能源消耗的80％仍来自于以石油、煤、天然气等为主的化石能源，从经济、环境和社会的角度来看，这种能源供应和消费趋势显然是不可持续的，一方面，能源需求的快速增长将加重人们对能源供应安全的担忧：另一方面，与现有能源制度有关的碳排放强度呈明显上升的趋势，碳排放的显著增加打破了自然界的碳循环平衡，导致大气中以CO2为主的温室气体的浓度持续增加，全球每年的二氧化碳排放量，2012年升至356亿吨，由此引起全球变暖、气候变化以及对生态、经济、社会等方面产生综合影响的全球性的环境问题。如何稳定控制大气中温室气体浓度(450ppm左右)的方案迅速成为研究热点，引起了环境、能源、物理、化学等交叉学科研究者的极大兴趣，降低大气中CO2浓度的方法有很多，其中较为关注的是CO2的捕集、运输和埋存三个环节的系统技术(CCS)；但该CCS技术需要额外的能量消耗，同时安全性和对生态的破坏也使得其发展受到挑战。
近年来，一些关于CO2转化利用技术也备受关注，例如，将CO2作为原料用于尿素、纯碱以及碳酸饮料的生产；通过热化学转化法将CO2转化为有机物加以利用；利用金属电极还原CO2的水或非水溶液生成烃类化学燃料，值得指出的是，CO2是热力学十分稳定的化合物，以其为原料生产的产物都是它的还原产物：要想完成这种转化必须对CO2进行活化，即必须向CO2输入很高的电子形式的能量，换句话说，任何大规模使用CO2工艺都潜在耗能，加工CO2的工艺不仅要继续消耗化石能源，而且在燃烧过程中直接排放更多的CO2，因此，开发低能耗的CO2转化和利用技术对脱碳能源系统的建立具有重要的战略意义。
专利CN 102605385 A也提出了一种光电催化还原二氧化碳制备甲醇的方法，利用染料敏化光电催化装置制备，该装置由二氧化钛薄膜电极组件和阳电极构成，通过吸收可见光催化还原二氧化碳产生甲醇。但其缺点是：采用光、电共同催化来还原二氧化碳产出甲醇，利用光的同时需要消耗大量的电能，且其停留在实验室阶段，没有进行放大研究和应用。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种光催化还原二氧化碳制备甲醇的一整套设备。该装置即将烟气中CO2快速吸收到含有活化剂、催化剂的水溶液中，同时利用可再生能源太阳能光解为甲醇，然后将含有甲醇溶液进行分离出无水甲醇加以利用。同时解决了化石燃料产生的巨量二氧化碳的减排难题，具有重要的战略意义。
为实现上述目的，本实用新型所设计一种光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，所述设备烟气冷却塔，所述烟气冷却塔通过管道依次连接有反应塔、甲醇溶液排出泵、旋流器、过滤器、蒸馏塔、冷凝器、甲醇冷却器和甲醇液体储箱；所述烟气冷却塔包括下部侧壁的烟气进口和上部侧壁的烟气出口，所述烟气出口与反应塔的下部侧壁的进气口连通，所述反应塔还包括底部的溶液出口，所述溶液出口与旋流器的上部侧壁的溶液进口连通，所述旋流器还包括顶部的甲醇溶液出口，所述甲醇溶液出口连接过滤器，且与蒸馏塔上部侧壁的进料口连通，所述蒸馏塔顶部出口依次与冷凝器、甲醇冷却器和甲醇液体储箱连通。
进一步地，所述烟气冷却塔为碳钢喷淋塔，所述烟气进口和侧壁烟气出气口之间的塔内设置有多层喷淋层，所述烟气冷却塔底部开设有液体出口。
再进一步地，所述液体出口连接有斜板澄清槽，所述斜板澄清槽上部侧壁上开设有上清液回流口，且顶部开设有工艺水进口，所述斜板澄清槽底部设置有污浊水口，所述上清液回流口与多层喷淋层连通，所述上清液回流口与多层喷淋层之间的管道上设置有冷却水循环泵。
再进一步地，所述反应塔为高透光材料筛板塔，所述反应塔顶部设置有排气口，所述排气口与进气口之间的塔内依次设置有多层筛板、喷淋层和多组除雾装置。
再进一步地，所述反应塔一侧设置有一组反射镜。
再进一步地，所述旋流器底部与筛板连通，所述旋流器与筛板之间依次设置有溶液供给箱、溶液供给泵和冷却器；所述溶液供给箱上开设有催化剂供给口、活化剂口和工艺水口。
再进一步地，所述过滤器与蒸馏塔之间设置有换热器，所述蒸馏塔底部设置有未蒸发的溶液出口，所述未蒸发的溶液出口与溶液供给箱连通，两者之间依次连接有溶液返回泵和换热器。
再进一步地，所述蒸馏塔下部一侧的侧壁开设两个连接口，两个连接口分别与煮沸器上下端部连通，形成逆式循环系统。
本实用新型各组件的工作原理
1)气冷却塔为碳钢喷淋塔，其中包括2～4层的喷淋层，喷淋层可以根据工况入口烟气温度来计算调整喷淋层的层数，从而控制喷入水的流量。含有CO2烟气从烟气冷却塔下部进入，与上部喷淋的水充分逆向接触，冷却到约45℃，烟气冷却塔的底部液体流入斜板澄清槽，上清液为清水和补充水，经冷却水循环泵进行循环喷淋冷却含有CO2的烟气，底流为少量的污浊水排净再处理。
2)反应塔为高透光材料筛板塔，其外壳为高透光的材料，如高透光玻璃等，布置在反应塔周围的很多定日反射镜将太阳光反射，定日反射镜可以跟踪太阳适时调整角度，均匀照射到玻璃反应塔的反应区。烟气从反应塔的下部烟气进口进入，自下而上依次穿过有多层筛板，筛板的圆形通孔面积与板面积之比率为40～50％，与此同时，含有水、活化剂、液相催化剂的混合液通过喷淋层向下均匀喷射，向上烟气与向下喷射水溶液充分逆向接触，烟气中的CO2迅速与溶液中的活化剂发生气液两相化学反应而被吸收，接着在太阳光、液相催化剂作用下，溶解在水溶液中的CO2与H2O发生反应生成CH3OH。烟气、喷淋液在反应塔内由于太阳光的照射达到约50℃，50℃左右也是CO2与H2O反应最佳温度，也是CO2在水中溶解量最大的温度，反应压力可控制为0.1～10atm。被液体吸收CO2后的剩余烟气及生成的O2，经除雾装置，以完全清除烟气中夹带的溶液液滴，清洁烟气直接排入大气。除雾装置由上、下二层除雾滤网和位于上、下二层除雾滤网之间的清洗喷淋部件构成。沉降到反应塔的底部溶液经甲醇溶液排出泵送入到旋流器，进行固液两相分离，含有催化剂的底流溶液自流回溶液供给箱，旋流器溢流的含甲醇溶液经过滤器的过滤，去除溶液中残余微量的催化剂，经换热器加热后进入到蒸馏塔上部送入塔内。
3)蒸馏塔为不锈钢多层筛板塔，经换热后的含有水、甲醇、活化剂的溶液被喷洒到蒸馏塔内，依次通过各层筛板，一部分甲醇被上升的蒸汽气提，未蒸发的溶液落入塔底，经过塔底煮沸器加热，进一步蒸馏出高浓度CH3OH气体。蒸馏出的CH3OH气体由蒸馏塔的上部气体出口流出，进入冷凝器中，CH3OH气体被冷凝下来，接着CH3OH液体进入甲醇冷却器进行冷却，最终储存到甲醇储箱加以充分利用。蒸馏塔的塔顶温度通常控制在65℃，塔底温度控制在90～95℃，塔中温度在正常情况下控制在75～80℃，冷凝器的出口温度控制在40～50℃，甲醇冷却器的出口温度控制在25～30℃。蒸馏塔内未蒸发的水、活化剂溶液，通过溶液返回泵提升后进入换热器的放热管放出热量被冷却后从高位自流进溶液供给箱，与补充的催化剂、活化剂、水、旋流器的底流液混合后，在溶液供给泵的作用下，进入冷却器进行再冷，最后进入到反应塔内的喷淋层继续喷淋参加循环。冷却器出口液体温度约为45℃。
在上述甲醇溶液排出泵和溶液返回泵的输送管路上设置有换热器，这样，可以充分利用蒸馏塔底流溶液的余热，给进入蒸馏塔的甲醇溶液预热，同时将回流溶液冷却，实现热交换的良性循环，节省热能资源。
本实用新型的有益效果：
其一，利用可再生能源太阳能将含有CO2的水溶液光解为甲醇水溶液，经过蒸馏提纯为甲醇液体，甲醇作为重要的基础化工原料，加以充分利用。
其二，在生产甲醇液体的过程中，达到减排二氧化碳的目的；
其三，通过本系统的反应装置，终产物中没有副产物产生，使甲醇的品质能得到保证。
其四，将CO2水溶液还原成CH3OH的催化剂为液相光催化剂，催化剂可以在反应塔内循环使用，充分催化二氧化碳与水的反应。催化剂是以具有廉价、无毒、光稳定性好、成分简单容易制备等优点的TiO2为载体核心材料，负载Cu、Fe、Ru、WO3物质。其中催化剂组成为Cu-Fe-Ru/TiO2-WO3，是一种光敏感催化剂，有效地将TiO2光谱响应范围从紫外区拓展到可见光。
其五，活化剂为溶于水易吸收CO2的碱性物质，如NaOH等氢氧化物、MEA等醇胺类或及其混合物。可以快速将烟气中的CO2吸收溶于水，加快CO2水溶液光解还原成CH3OH。
其六，在上述甲醇溶液排出泵和溶液返回泵的输送管路上设置有换热器，这样，可以充分利用蒸馏塔底流溶液的余热，给进入蒸馏塔的甲醇溶液预热，同时将回流溶液冷却，实现热交换的良性循环，节省热能资源。
其七，通过定日反射镜，更多的利用和吸收太阳能，实现可再生能源太阳能的最大利用。
附图说明
图1为光催化还原二氧化碳制备甲醇的装置示意图；
图中，烟气冷却塔1、烟气进口1.1、上部侧壁的烟气出口1.2、喷淋层1.3、液体出口1.4、斜板澄清槽2、回流口2.1、工艺水进口2.2、污浊水口2.3、冷却水循环泵3、反射镜4、溶液供给泵5、甲醇溶液排出泵6、溶液供给箱7、催化剂供给口7.1、活化剂口7.2、工艺水口7.3、溶液返回泵8、蒸馏塔9、进料口9.1、未蒸发的溶液出口9.2、连接口9.3、煮沸器10、甲醇液体储箱11、甲醇冷却器12、冷凝器13、换热器14、过滤器15、旋流器16、溶液进口16.1、甲醇溶液出口16.2、冷却器17、筛板18、喷淋层19、除雾装置20、反应塔21、进气口21.1、溶液出口21.2、排气口21.3、
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
如图1所示：一种光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，设备烟气冷却塔1，烟气冷却塔1通过管道依次连接有反应塔21、甲醇溶液排出泵6、旋流器16、过滤器15、蒸馏塔9、冷凝器13、甲醇冷却器12和甲醇液体储箱11；烟气冷却塔1为碳钢喷淋塔，包括下部侧壁的烟气进口1.1和上部侧壁的烟气出口1.2，烟气进口1.1和侧壁烟气出气口1.2之间的塔内设置有多层喷淋层1.3，烟气冷却塔1底部开设有液体出口1.4，液体出口1.4连接有斜板澄清槽2，斜板澄清槽2上部侧壁上开设有上清液回流口2.1，且顶部开设有工艺水进口2.2，斜板澄清槽2底部设置有污浊水口2.3，上清液回流口2.1与多层喷淋层1.3连通，上清液回流口2.1与多层喷淋层1.3之间的管道上设置有冷却水循环泵3。
烟气出口1.2与反应塔21的下部侧壁的进气口21.1连通，反应塔21为高透光材料筛板塔，反应塔21包括底部的溶液出口21.2和顶部设置有排气口21.3，排气口21.3与进气口21.1之间的塔内依次设置有多层筛板18、喷淋层19和多组除雾装置20。反应塔21一侧设置有一组反射镜4。旋流器16底部与筛板18连通，旋流器16与筛板21.4之间依次设置有溶液供给箱7、溶液供给泵5和冷却器17；溶液供给箱7上开设有催化剂供给口7.1、活化剂口7.2和工艺水口7.3；
溶液出口21.2与旋流器16的上部侧壁的溶液进口16.1连通，旋流器16还包括顶部的甲醇溶液出口16.2，甲醇溶液出口16.2连接过滤器15，且与蒸馏塔9上部侧壁的进料口9.1连通，蒸馏塔9顶部出口依次与冷凝器13、甲醇冷却器12和甲醇液体储箱11连通。
过滤器15与蒸馏塔9之间设置有换热器14，蒸馏塔9底部设置有未蒸发的溶液出口9.2，未蒸发的溶液出口9.2与溶液供给箱7连通，两者之间依次连接有溶液返回泵8和换热器14。
蒸馏塔9下部一侧的侧壁开设两个连接口9.3，两个连接口9.3分别与煮沸器10上下端部连通，形成逆式循环系统。
工作过程：
含有CO2烟气从烟气冷却塔1下部进入，与上部喷淋的水充分逆向接触，冷却到约45℃，烟气冷却塔1的内部为设有2～4组喷淋层，可以根据工况入口烟气温度来计算调整喷淋层的组数。烟气冷却塔1的底部液体流入斜板澄清槽2，上清液为清水和补充水，经冷却水循环泵3进行循环喷淋冷却含有CO2的烟气，底流为少量的污浊水排净再处理。烟气冷却塔1的上部出口的冷却烟气经烟道进入反应塔22下部入口。
反应塔21外壳为高透光的玻璃塔，布置在反应塔21周围的定日反射镜4将太阳光反射均匀照射到玻璃反应塔21反应区。烟气从反应塔21的下部烟气进口进入，自下而上依次穿过有多层筛板18，筛板18的圆形通孔面积与板面积之比率为40～50％，与此同时，含有水、活化剂、液相催化剂的混合液通过喷淋层19向下均匀喷射，喷淋层19只设置有1组，向上烟气与向下喷射水溶液充分逆向接触，烟气中的CO2迅速与溶液中的活化剂发生气液两相化学反应而被吸收，接着在太阳光、液相催化剂作用下，溶解在水溶液中的CO2与H2O发生反应生成CH3OH。反应塔21反应温度由于太阳光的照射达到约50℃，反应压力可控制为0.1～10atm。经吸收后的烟气经除雾装置20，以完全清除烟气中夹带的甲醇溶液液滴，清洁烟气直接排入大气。
沉降到反应塔21的底部溶液经甲醇溶液排出泵6送入到旋流器16，进行固液两相分离，含有催化剂的底流溶液自流回溶液供给箱7，旋流器16溢流的含甲醇溶液经过滤器15的过滤，去除溶液中残余微量的催化剂，经换热器14换热后进入到蒸馏塔9上部送入塔内；含有水、甲醇、活化剂的溶液被喷洒到蒸馏塔9，依次通过各层筛板，一部分甲醇溶液被上升的蒸汽气提，未蒸发的溶液落入塔底，经过塔底煮沸器10加热，进一步蒸馏出高浓度CH3OH气体。蒸馏出的CH3OH气体由蒸馏塔9的上部气体出口流出，进入冷凝器13中，CH3OH气体被冷凝下来，接着CH3OH液体进入甲醇冷却器12进行冷却常温，最终储存到甲醇储箱11加以充分利用。蒸馏塔9的塔顶温度通常控制在65℃，塔底温度控制在90～95℃，塔中温度在正常情况下控制在75～80℃，冷凝器13的出口温度控制在40～50℃，甲醇冷却器12的出口温度控制在25～30℃。
蒸馏塔9内未蒸馏的水、活化剂溶液，通过溶液返回泵8提升后进入换热器15的放热管放出热量被冷却后从高位自流进溶液供给箱7，与补充的催化剂、活化剂、水、旋流器17的底流液混合后，在溶液供给泵5的作用下，进入冷却器17进行再冷，最后进入到反应塔21内的喷淋层19继续喷淋参加循环。冷却器17出口液体温度约为45℃。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本实用新型做出了详尽的描述，但它仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本实用新型保护范围。

Claims (8)

1.一种光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，所述设备烟气冷却塔(1)，其特征在于：所述烟气冷却塔(1)通过管道依次连接有反应塔(21)、甲醇溶液排出泵(6)、旋流器(16)、过滤器(15)、蒸馏塔(9)、冷凝器(13)、甲醇冷却器(12)和甲醇液体储箱(11)；所述烟气冷却塔(1)包括下部侧壁的烟气进口(1.1)和上部侧壁的烟气出口(1.2)，所述烟气出口(1.2)与反应塔(21)下部侧壁的进气口(21.1)连通，所述反应塔(21)还包括底部的溶液出口(21.2)，所述溶液出口(21.2)与旋流器(16)的上部侧壁的溶液进口(16.1)连通，所述旋流器(16)还包括顶部的甲醇溶液出口(16.2)，所述甲醇溶液出口(16.2)连接过滤器(15)，且与蒸馏塔(9)上部侧壁的进料口(9.1)连通，所述蒸馏塔(9)顶部出口依次与冷凝器(13)、甲醇冷却器(12)和甲醇液体储箱(11)连通。
2.根据权利要求1所述光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，其特征在于：所述烟气冷却塔(1)为碳钢喷淋塔，所述烟气进口(1.1)和侧壁烟气出口(1.2)之间的塔内设置有多层喷淋层(1.3)，所述烟气冷却塔(1)底部开设有液体出口(1.4)。
3.根据权利要求2所述光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，其特征在于：所述液体出口(1.4)连接有斜板澄清槽(2)，所述斜板澄清槽(2)上部侧壁上开设有上清液回流口(2.1)，且顶部开设有工艺水进口(2.2)，所述斜板澄清槽(2)底部设置有污浊水口(2.3)，所述上清液回流口(2.1)与多层喷淋层(1.3)连通，所述上清液回流口(2.1)与多层喷淋层(1.3)之间的管道上设置有冷却水循环泵(3)。
4.根据权利要求1所述光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，其特征在于：所述反应塔(21)为高透光材料筛板塔，所述反应塔(21)顶部设置有排气口(21.3)，所述排气口(21.3)与进气口(21.1)之 间的塔内依次设置有多层筛板(18)、喷淋层(19)和多组除雾装置(20)。
5.根据权利要求4所述光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，其特征在于：所述反应塔(21)一侧设置有一组反射镜(4)。
6.根据权利要求4所述光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，其特征在于：所述旋流器(16)底部与筛板(18)连通，所述旋流器(16)与筛板(21.4)之间依次设置有溶液供给箱(7)、溶液供给泵(5)和冷却器(17)；所述溶液供给箱(7)上开设有催化剂供给口(7.1)、活化剂口(7.2)和工艺水口(7.3)。
7.根据权利要求6所述光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，其特征在于：所述过滤器(15)与蒸馏塔(9)之间设置有换热器(14)，所述蒸馏塔(9)底部设置有未蒸发的溶液出口(9.2)，所述未蒸发的溶液出口(9.2)与溶液供给箱(7)连通，两者之间依次连接有溶液返回泵(8)和换热器(14)。
8.根据权利要求7所述光催化还原二氧化碳制备甲醇的设备，其特征在于：所述蒸馏塔(9)下部一侧的侧壁开设两个连接口(9.3)，两个连接口(9.3)分别与煮沸器(10)上下端部连通，形成逆式循环系统。
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