CN221207987U - 一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于碳捕集与催化转化技术领域，公开了一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统，包括水电解槽、二氧化碳捕集‑转化装置、甲烷热解装置和碳容器，二氧化碳捕集‑转化装置设有输入水泥窑烟气的烟气入口和脱碳烟气出口，所述水电解槽的氢气出口连接到所述二氧化碳捕集‑转化装置的氢气入口，所述甲烷热解装置的甲烷进气口连接到所述二氧化碳捕集‑转化装置的甲烷出口，所述甲烷热解装置的氢气出气口通过氢气循环管路连接到所述二氧化碳捕集‑转化装置的氢气循环入口，所述甲烷热解装置通过碳材料下料通道连接到碳容器。本实用新型生产成本较低、能耗较小，而产物的经济价值较高。
Description
技术领域
本实用新型属于碳捕集与催化转化技术领域，具体涉及一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统。
背景技术
现阶段，在碳捕集技术领域中，二氧化碳还原的主流产物为甲醇、乙烯、丙烯等，由于碳捕集以及相关的电解水制氢和热催化转化等技术存在生产成本(温度、压力、单程转化率、选择性)较高的情况，经济性较差。
现有技术中甲烷也是二氧化碳转化的一种产物，且生产过程具有二氧化碳单程转化率高、选择性高、反应速率快，生产过程中无需储氢装置的优点，但是由于甲烷生产存在耗氢量巨大，产物经济价值低，导致“二氧化碳制甲烷”市场狭小。
因此现有技术在碳捕集生产甲醇、乙烯、丙烯和甲烷等产物中或由于生产成本较高、或由于产物经济价值不足，加上耗能较高，因此均存在总体经济性较差的问题。
实用新型内容
本实用新型提供了一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统，用于解决现有技术由于生产成本较高或产物价值较低，导致碳捕集经济性较差的技术问题。
所述的一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统，包括水电解槽、二氧化碳捕集-转化装置、甲烷热解装置和碳容器，二氧化碳捕集-转化装置设有输入水泥窑烟气的烟气入口和脱碳烟气出口，所述水电解槽的氢气出口连接到所述二氧化碳捕集-转化装置的氢气入口，所述甲烷热解装置的甲烷进气口连接到所述二氧化碳捕集-转化装置的甲烷出口，所述甲烷热解装置的氢气出气口通过氢气循环管路连接到所述二氧化碳捕集-转化装置的氢气循环入口，所述甲烷热解装置通过碳材料下料通道连接到碳容器。
优选的，所述烟气入口连接水泥窑烟气管路，所述脱碳烟气出口连接脱碳烟气管路，所述氢气入口与所述氢气出口间通过氢气管路连接，所述甲烷进气口与所述甲烷出口间通过甲烷管路连接。
优选的，所述水泥窑烟气管路、所述脱碳烟气管路、所述氢气管路、所述甲烷管路和所述氢气循环管路上均设有阀件。
优选的，所述二氧化碳捕集-转化装置中设有二氧化碳捕集-转化催化剂，二氧化碳捕集-转化催化剂为由二氧化碳吸附剂和金属催化剂组成双功能材料DFMs。
优选的，所述甲烷热解装置内设有甲烷热解催化模块，甲烷热解催化模块包含甲烷热解催化剂。
本实用新型具有以下优点：本方案的最终产品是碳材料，尤其是能用于生成石墨烯、碳纳米管和富勒烯这些高价值的碳材料，因此产物具有较高价值，整个过程无降温冷却装置，提高了能量的利用率。其原理可见论文：Chen，L.，Song，Z.，Zhang，S.，Chang，C.-K.，Chuang，Y.-C.，Peng，X.，et al.(2023).Ternary NiMo-Biliquid alloy catalyst forefficient hydrogen production from methane pyrolysis.Science 381(6660)，857-861.doi：10.1126/science.adh8872。
本技术将水泥窑二氧化碳捕集-催化转化装置、光伏电解水制氢、甲烷热解装置等设备有机结合，甲烷热解时产生的氢气能够循环利用，减少了对水电解槽提供氢气的需求，降低了相应的氢气生产成本，同时整个过程无气体压缩存储装置，也降低了系统的能耗。
附图说明
图1为本实用新型一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统的结构示意图。
图2为本实用新型的运行流程图。
附图中的标记为：1、水泥窑烟气管路，2、水电解槽，3、氢气管路，4、二氧化碳捕集-转化装置，5、脱碳烟气管路，6、甲烷管路，7、氢气循环管路，8、甲烷热解装置，9、甲烷热解催化模块，10、阀件，11、碳材料，12、碳材料下料通道，13、碳容器。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本实用新型的发明构思和技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所示，本实用新型提供了一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统，包括水电解槽2、二氧化碳捕集-转化装置4、甲烷热解装置8和碳容器13，二氧化碳捕集-转化装置4设有输入水泥窑烟气的烟气入口和脱碳烟气出口，所述水电解槽2的氢气出口连接到所述二氧化碳捕集-转化装置4的氢气入口，所述甲烷热解装置8的甲烷进气口连接到所述二氧化碳捕集-转化装置4的甲烷出口，所述甲烷热解装置8的氢气出气口通过氢气循环管路7连接到所述二氧化碳捕集-转化装置4的氢气循环入口，所述甲烷热解装置8通过碳材料下料通道12连接到碳容器13。
所述烟气入口连接水泥窑烟气管路1，所述脱碳烟气出口连接脱碳烟气管路5、所述氢气入口与所述氢气出口间通过氢气管路3连接，所述甲烷进气口与所述甲烷出口间通过甲烷管路6连接，所述水泥窑烟气管路1、所述脱碳烟气管路5、所述氢气管路3、所述甲烷管路6和所述氢气循环管路7上均设有阀件10用于控制相应管路通断和输送流量。
所述二氧化碳捕集-转化装置4中设有二氧化碳捕集-转化催化剂，碳捕集-转化装置内的温度被提高到300-400℃的二氧化碳解吸-转化温度。二氧化碳捕集-转化催化剂可采用现有的催化剂，如由二氧化碳吸附剂和金属催化剂组成双功能材料DFMs(Dualfunction materials)。二氧化碳在二氧化碳捕集-转化装置4中发生如下反应：CO2+4H2＝CH4+2H2O，产生的水由二氧化碳捕集-转化装置4内的吸附结构吸附后排出。二氧化碳被捕集后剩余的烟气由脱碳烟气出口经脱碳烟气管路5输出。
所述甲烷热解装置8内设有甲烷热解催化模块9，甲烷热解催化模块9包含甲烷热解催化剂，如熔融态金属催化剂。甲烷气体进入甲烷热解装置8后在甲烷热解催化模块9的催化作用下，在反应腔中热解产生碳材料11(如：石墨烯、碳纳米管和富勒烯)和氢气，反应式为：CH4＝C+2H2，热解得到的高温氢气经过循环输送到二氧化碳捕集-转化装置4参与碳捕集反应。所述甲烷热解装置8产生的碳材料11通过所述碳材料下料通道12输送到所述碳容器13。
该系统的运行流程如图2所示，水泥窑烟气被输入二氧化碳捕集-转化装置4，先在中高温环境下先完成二氧化碳的捕集，脱碳烟气从脱碳烟气管路5排出。而后，二氧化碳捕集-转化装置4内温度升高到300-400℃的二氧化碳解吸-转化温度，通入水电解槽2生成的氢气，二氧化碳与氢气结合生成甲烷和水。
二氧化碳捕集-转化装置4输出高温甲烷，甲烷进入甲烷热解装置8内，在高温环境下通过甲烷热解催化模块9的催化作用，生成需要的碳材料11，如石墨烯、碳纳米管和富勒烯，同时生成的氢气通过氢气循环管路7回输到二氧化碳捕集-转化装置4中，用于二氧化碳还原制甲烷，从而减少后续反应中对水电解槽2所生成氢气的需求。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型保护范围之内。
Claims (5)
1.一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统，其特征在于：包括水电解槽(2)、二氧化碳捕集-转化装置(4)、甲烷热解装置(8)和碳容器(13)，二氧化碳捕集-转化装置(4)设有输入水泥窑烟气的烟气入口和脱碳烟气出口，所述水电解槽(2)的氢气出口连接到所述二氧化碳捕集-转化装置(4)的氢气入口，所述甲烷热解装置(8)的甲烷进气口连接到所述二氧化碳捕集-转化装置(4)的甲烷出口，所述甲烷热解装置(8)的氢气出气口通过氢气循环管路(7)连接到所述二氧化碳捕集-转化装置(4)的氢气循环入口，所述甲烷热解装置(8)通过碳材料下料通道(12)连接到碳容器(13)。
2.根据权利要求1所述的一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统，其特征在于：所述烟气入口连接水泥窑烟气管路(1)，所述脱碳烟气出口连接脱碳烟气管路(5)，所述氢气入口与所述氢气出口间通过氢气管路(3)连接，所述甲烷进气口与所述甲烷出口间通过甲烷管路(6)连接。
3.根据权利要求2所述的一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统，其特征在于：所述水泥窑烟气管路(1)、所述脱碳烟气管路(5)、所述氢气管路(3)、所述甲烷管路(6)和所述氢气循环管路(7)上均设有阀件(10)。
4.根据权利要求3所述的一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统，其特征在于：所述二氧化碳捕集-转化装置(4)中设有二氧化碳捕集-转化催化剂，二氧化碳捕集-转化催化剂为由二氧化碳吸附剂和金属催化剂组成双功能材料DFMs。
5.根据权利要求3所述的一种水泥原位碳捕集转化制甲烷联产高值碳材料的系统，其特征在于：所述甲烷热解装置(8)内设有甲烷热解催化模块(9)，甲烷热解催化模块(9)包含甲烷热解催化剂。
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