捕集和利用二氧化碳的方法及系统技术方案

本申请提供一种捕集和利用二氧化碳的方法及系统

【技术实现步骤摘要】
捕集和利用二氧化碳的方法及系统


[0001]本申请涉及二氧化碳捕集和应用领域，具体而言，涉及一种捕集和利用二氧化碳的方法及系统
。

技术介绍

[0002]现有的碳捕捉技术分为从燃烧尾气中捕捉和从空气中捕捉两种路径
。
[0003]从燃烧尾气中捕捉二氧化碳的方法主要分为液态胺吸附法和固态膜吸附的方法
。
这两种从燃烧尾气中捕捉二氧化碳的技术在国内外均可以达到中试程度，但是其无法解决以下问题：
(1)
由于空气里的二氧化碳的浓度只有
400ppm
，现有从烟气捕捉的方法无法同时实现从空气中捕捉二氧化碳；
(2)
液态胺吸附剂的还原需要大量蒸汽，因此需要大量低温热量，热量产生会增加二氧化碳排放，并且增加系统的造价和运行成本；
(3)
捕集的二氧化碳无法现场利用，需要运输和找到二氧化碳的利用或者封存方案
。
[0004]从空气中捕捉二氧化碳的技术主要分为液态碱性溶液吸附和固态胺膜吸附的路线，两种路线的技术现阶段处于中试阶段，但是现有从空气中捕捉二氧化碳的技术无法解决以下问题：
[0005](1)
由于现有技术都只能做到从空气中捕捉二氧化碳，无工业副产品产生利润，导致现有技术的捕捉成本太高
。
[0006](2)
现有技术无法解决二氧化碳的运输和利用的问题，采集的二氧化碳需要配套其它技术解决二氧化碳利用问题
。
[0007](3)
固态胺膜吸附技术中，胺吸附剂在还原时需要大量低温蒸汽，耗能大
。
如果蒸汽热源是从化石能源燃烧而来，会增加二氧化碳的排放
。
[0008](4)
现有的碱性溶液吸附技术中，气体吸附剂还原需要通过两次化学回路实现，
K2CO3+Ca(OH)2＝
CaCO3+2KOH,CaCO3＝
CaO+CO2，
CaO+H2O
＝
Ca(OH)2。
该方法的缺陷为：第一，系统设计复杂，造价成本高，而且控制系统难实现
。
第二，二氧化碳和碳酸钙的化学回路需要
900℃
的燃烧实现，显著增加其能量损耗和碳排放，氧化钙吸附剂容易失活，需要大量碳酸钙的补充
。
[0009](5)
现有文献报道的碱性溶液吸附技术中，碱性溶液还原是通过氯气与碳酸钠溶液反应，而氯气和氢氧化钠是通过电解盐水
(
氯碱行业
)
获得
。
该路线一方面存在投资成本高，系统复杂，且难以实现精准控制的问题，另一方面，氯气具有毒性
、
腐蚀性和难以运输的特性，会造成系统的安全防护的投资成本太高，不利于技术的商业化
。
[0010]鉴于上述问题的存在，需要研发一种能够解决二氧化碳的运输和利用的问题，且实现较高经济价值的二氧化碳捕集和利用的方法和系统
。

技术实现思路

[0011]本申请的主要目的在于提供一种捕集和利用二氧化碳的方法及系统，以解决现有的二氧化碳捕集装置的方法无法解决二氧化碳的运输和利用的问题，同时存在系统的运行
成本较高的问题
。
[0012]氯氢行业中，利用可再生能源电解水制氢过程中，氢气的储运成本很高，利用二氧化碳作为工业原料实现液体有机物储氢作为未来可以降低储氢成本的技术路线而广受关注
。
然而，二氧化碳无法在电解水制氢的过程中产生，需要运输到制氢地而显著增加运输成本
。
因此，在制氢过程中能同时产生二氧化碳实现低成本液体有机物储氢的关键
。
[0013]为了实现上述目的，本申请一方面提供了一种捕集和利用二氧化碳的方法，该捕集和利用二氧化碳的方法包括：利用碱性溶液对目标组分中的二氧化碳进行捕集，获得含碳酸盐水溶液；对含碳酸盐水溶液进行电解还原，得到氢氧化物水溶液
、
二氧化碳电解气与氧气的混合气以及氢气，同时通过控制含碳酸盐水溶液的浓度和电解还原过程的电解电压调节二氧化碳电解气和氢气的产出比例；当混合气中氧气的浓度＜
50vol
％时，对混合气中的二氧化碳电解气和氧气进行分离处理；当混合气中氧气的浓度
≥50vol
％时，使混合气中的氧气作为助燃剂与燃料进行燃烧反应，得到二氧化碳合成气；可选地，将二氧化碳电解气或二氧化碳合成气和氢气进行催化反应，得到碳氢化合物
。
[0014]进一步地，分离过程的方法选自深冷液化
、
催化氧化
、
膜分离和吸附装置中的一种或多种
。
[0015]进一步地，电解还原过程为单级电解或分级电解过程
。
[0016]进一步地，电解还原过程中，电解槽电压为
1.5
～
4V
，优选为2～
3V
，电流密度为
1000
～
10000A/m2，含碳酸盐水溶液的
pH
为7～
14
，含碳酸盐水溶液中碳酸盐的浓度为1～
10mol/L。
[0017]进一步地，电流密度为
1500
～
10000A/m2；含碳酸盐水溶液的
pH
为7～
12
，优选为7～
10
或8～
12
；含碳酸盐水溶液中，碳酸盐的浓度为1～
6.2mol/L
，优选为1～
5mol/L。
[0018]进一步地，电流密度为
2000
～
6000A/m2，优选为
2000
～
4000A/m2。
[0019]进一步地，在进行电解还原过程之前，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：对含碳酸盐水溶液进行除杂
。
[0020]进一步地，经除杂过程后，含碳酸盐水溶液中，碱土金属离子的含量
≤10ppm。
[0021]进一步地，经除杂过程后，含碳酸盐水溶液中，杂质离子的含量
≤10ppm
，且杂质离子包括碱土金属离子以及
Al
3+
和
/
或
Si
4+
。
[0022]进一步地，碱土金属离子包括
Ca
2+
和
/
或
Mg
2+
。
[0023]进一步地，除杂过程的方法选自过滤
、
沉淀或吸附法；优选沉淀为化学沉淀
。
[0024]进一步地，电解还原过程在
1atm
～
40bar
条件下进行，优选为2～
40bar
条件下进行
。
[0025]进一步地，在进行除杂过程和电解还原过程之间，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述捕集和利用二氧化碳的方法包括：利用碱性溶液对目标组分中的二氧化碳进行捕集，获得含碳酸盐水溶液；对所述含碳酸盐水溶液进行电解还原，得到氢氧化物水溶液
、
二氧化碳电解气与氧气的混合气以及氢气，同时通过控制所述含碳酸盐水溶液的浓度和所述电解还原过程的电解电压调节所述二氧化碳电解气和所述氢气的产出比例；当所述混合气中所述氧气的浓度＜
50vol
％时，对所述混合气中的所述二氧化碳电解气和所述氧气进行分离处理；当所述混合气中所述氧气的浓度
≥50vol
％时，使所述混合气中的所述氧气作为助燃剂与燃料进行燃烧反应，得到二氧化碳合成气；可选地，将所述二氧化碳电解气或所述二氧化碳合成气和氢气进行催化反应，得到碳氢化合物
。2.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述分离过程的方法选自深冷液化
、
催化氧化
、
膜分离和吸附装置中的一种或多种
。3.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述电解还原过程为单级电解或分级电解过程
。4.
根据权利要求1至3中任一项所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述电解还原过程中，电解槽电压为
1.5
～
4V
，优选为2～
3V
，电流密度为
1000
～
10000A/m2，所述含碳酸盐水溶液的
pH
为7～
14
，所述含碳酸盐水溶液中碳酸盐的浓度为1～
10mol/L。5.
根据权利要求4所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述电流密度为
1500
～
10000A/m2；所述含碳酸盐水溶液的
pH
为7～
12
，优选为7～
10
或8～
12
；所述含碳酸盐水溶液中，碳酸盐的浓度为1～
6.2mol/L
，优选为1～
5mol/L。6.
根据权利要求5所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述电流密度为
2000
～
6000A/m2，优选为
2000
～
4000A/m2。7.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，在进行所述电解还原过程之前，所述捕集和利用二氧化碳的方法还包括：对所述含碳酸盐水溶液进行除杂
。8.
根据权利要求7所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，经所述除杂过程后，所述含碳酸盐水溶液中，碱土金属离子的含量
≤10ppm。9.
根据权利要求7所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，经所述除杂过程后，所述含碳酸盐水溶液中，杂质离子的含量
≤10ppm
，且所述杂质离子包括碱土金属离子以及
Al
3+
和
/
或
Si
4+
。10.
根据权利要求8或9所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述碱土金属离子包括
Ca
2+
和
/
或
Mg
2+
。11.
根据权利要求7所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述除杂过程的方法选自过滤
、
沉淀或吸附法；优选所述沉淀为化学沉淀
。12.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述电解还原过程在
1atm
～
40bar
条件下进行，优选为2～
40bar
条件下进行
。13.
根据权利要求7所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，在进行所述除杂过程和所述电解还原过程之间，所述捕集和利用二氧化碳的方法还包括：对所述含碳酸盐
水溶液的浓度进行调整，其中所述调整过程的方法包括加水稀释
、
加热浓缩
、
膜分离
、
气提中的一种或多种
。14.
根据权利要求
13
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述捕集和利用二氧化碳的方法还包括：对部分所述含碳酸盐水溶液进行提取处理，得到碳酸盐
。15.
根据权利要求
14
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述提取处理过程的方法为重结晶法或结晶法
。16.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述碱性溶液为碱金属氢氧化物水溶液
。17.
根据权利要求
16
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠水溶液和
/
或氢氧化钾水溶液
。18.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述电解还原过程的产物还包括碳酸氢盐
。19.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述电解还原过程在电解槽中进行，所述捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将部分离开所述电解槽的氢氧化物水溶液对进入所述电解槽的含碳酸盐水溶液进行预热
。20.
根据权利要求
21
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将部分离开所述电解槽的氢氧化物水溶液作为所述碱性溶液
。21.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述电解还原过程在电解槽中进行，所述捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将所述催化反应放出的热量用于对进入所述电解槽的含碳酸盐水溶液进行预热
。22.
根据权利要求
19
或
21
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将所述含碳酸盐水溶液预热至
60
～
90℃。23.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述碳氢化合物选自甲烷
、
甲醇
、
汽油和航空燃油中的一种或多种
。24.
根据权利要求
23
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，当所述碳氢化合物为甲醇时，所述催化反应过程的温度为
200
～
400℃
，压力为
10
～
50bar
，所述二氧化碳电解气与所述氢气的摩尔比为
1:(1
～
5)。25.
根据权利要求1所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述目标组分选自空气和
/
或燃烧尾气
。26.
根据权利要求1或
25
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，当所述目标组分为所述空气和所述燃烧尾气两个目标组分时，先采用所述碱性溶液对所述空气进行中的二氧化碳进行捕集，得到含碳酸盐水溶液，随后利用所述碳酸盐水溶液对所述燃烧尾气中的二氧化碳进行捕集
。27.
根据权利要求
25
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，当所述目标组分为空气时，在进行所述捕集过程之前，所述捕集和利用二氧化碳的方法还包括：对所述目标组分进行浓缩，得到浓缩气，以提升二氧化碳的浓度；然后将所述浓缩气进行所述捕集过程
。28.
根据权利要求
27
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述浓缩过程包括：采用吸附剂吸附所述目标组分中的二氧化碳，然后进行解吸附，得到所述浓缩气，其中
所述浓缩气中二氧化碳的浓度为
0.4
～5％
。29.
根据权利要求
27
或
28
所述的捕集和利用二氧化碳的方法，其特征在于，所述浓缩过程和所述捕集...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕锡嘉，赵途，张浩，
申请(专利权)人：势加透博北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：