一种集成电能回馈系统的捕集二氧化碳制备碳酸氢钠的系统及方法与流程

本发明涉及节能降碳，尤其是一种集成电能回馈系统的捕集二氧化碳制备碳酸氢钠的系统及方法。

背景技术：

1、2020年，中国基于推动实现可持续发展的内在要求的责任担当，宣布了碳达峰和碳中和的目标愿景，“双碳”成为国家战略。燃煤电厂烟气、工业烟气是二氧化碳的主要人为排放源，在我国，两者年碳排放量约90亿吨，占社会生产总碳排放量的80％。因此，烟气的碳捕集与利用对实现碳达峰、碳中和的目标至关重要。

2、从资源利用的角度看，烟气二氧化碳其实是一种巨量的碳资源，且浓度较高(10％～15％)。如果能采用高效、经济的方法加以利用，生产高附加值的化学品，既可减少二氧化碳排放，又能减少对化石能源的依赖。开发高效、经济的烟气二氧化碳捕集与利用新技术，成为目前的研究热点。

3、目前烟气碳捕集方法主要有化学吸收、物理吸附和膜分离，后两种技术受限于烟气杂质、分离效率等影响，成本相对较高；目前研究、应用较多的是利用化学吸收的方式进行二氧化碳捕集，如何提高该技术的适用性和经济性是目前研究和开发的重点。

4、将捕集后的二氧化碳资源化是实现“碳中和”的重要途径之一。二氧化碳资源化利用方式主要包括矿化利用、化学品合成以及生物转化。矿化利用是通过富含钙、镁等元素的天然矿物或工业废料与二氧化碳反应，将二氧化碳封存为碳酸钙或碳酸镁等固体碳酸盐。化学品合成是利用二氧化碳合成其他可利用的化学品，如纯碱、甲酸、甲醇、尿素、合成气等。生物转化法是通过植物的光合作用将空气中的二氧化碳转化为可供植物生长的物质。化学品合成利用是烟气二氧化碳资源化的主要方式，一般分两步实现，即先捕集再利用，且对二氧化碳纯度要求高，反应也常需要在一定压力下进行。如合成甲醇工艺中，需要先捕集、提纯二氧化碳，然后在一定压力下，进行催化加氢反应，工艺复杂。如能将化学吸收、合成集于一体，一步完成二氧化碳到化学品的转化，则可以简化工艺，降低二氧化碳利用成本。

5、碳酸氢钠是重要的化学品，广泛用于化工合成、橡胶、冶金、印染等行业。目前国内外主要采用氨碱法、联碱法或天然碱法生产，因受限于原料来源，国内主要采用前两种生产方式。由于联碱法需要配套合成氨生产，且产物氯化铵附加值较低，目前我国较多以氨碱法生产为主，但氨碱法会产生大量的蒸氨废液(1吨纯碱产生8～10吨废液)，处理成本高昂，易造成严重的环境污染。因此，开发低碳、经济、高效的烟气二氧化碳制备碳酸氢钠技术对于碳捕集与利用及碳酸氢钠的绿色制备均具有重要意义。

6、专利cn202221831358.5、cn202221839484.5、cn202111640423.6提供了一种基于有机胺液吸收-热解析的烟气二氧化碳捕集方法及装置，专利cn202210482748.4公布了醇胺类二氧化碳捕集剂及其制备方法，专利cn202110505341.4公布了一种基于乙醇胺吸收-萃取再生循环的烟气二氧化碳捕集系统，利用有机溶剂在吸收塔内二氧化碳吸收速率较快、富液在再生塔内二氧化碳循环容量大的优点，减小了吸收塔尺寸，降低了解吸塔的热耗。专利cn202110835921.x公布了一种基于水合物法的水泥窑烟气二氧化碳捕集储存系统，可回收得到浓度99％的二氧化碳气体。专利cn202220397947.0公布了一种烟气二氧化碳变温变压吸附装置。以上通过有机胺、水合物吸收或物理吸附的方式，目的是将烟气二氧化碳富集，以便用作其他用途。

7、专利cn202110627435.9公布了一种烟气二氧化碳捕集利用一体化系统及方法，利用氨水和石膏与烟气中的二氧化碳反应，生产硫酸铵和碳酸钙，实现烟气脱碳并将其矿化。专利cn202121113221.1公布了一种烟气二氧化碳回收及资源化利用装置，利用双极膜电渗析系统接收工业废水在零排放处理过程中形成的浓盐水并制备氢氧化钠溶液，净化后的烟气与氢氧化钠溶液反应生成碳酸氢钠。由于现阶段双极膜成本较高，且对进水水质要求高，技术的经济性受到一定限制。专利cn202021882499.0公布了一种水泥窑烟气二氧化碳捕集纯化处理装置，利用氢氧化钠吸收二氧化碳，得到碳酸氢钠，进而酸化得到纯化的二氧化碳。由于需要使用碱和酸来吸收-解吸二氧化碳，该方法成本较高。专利202310487169.3公布了一种氢氧化钠与烟道气二氧化碳直接碳化法生产纯碱或小苏打工艺，采用离子膜电解获得的高浓度氢氧化钠(20％～70％wt)，吸收净化后的烟气中的二氧化碳由于离子膜对进水要求高，增加了盐精制及烟道气二氧化碳净化成本。

8、综上，已有的相关专利集中在烟气二氧化碳的化学或物理吸收-解吸技术与装置，旨在得到纯化的二氧化碳，一步捕集并转化为高值化学品的技术公开较少。化学吸收方法主要采用氢氧化钠、氨等单一、高纯度的碱液，由于纯度高的碱生产成本高，导致捕碳利用不经济。物理吸收方法受限于采用的膜材料或循环再生试剂，膜抗污染性及技术经济性也有待提高。造成目前碳捕集利用成本高的主要原因是缺乏从碳捕集、二氧化碳转化、转化过程能源回收等整体设计的技术工艺。

9、因此，开发一种低碳、经济、高效的能将烟气中二氧化碳化学吸收、合成集于一体，一步完成二氧化碳到化学品的转化系统和方法对于碳捕集与利用及碳酸氢钠的绿色制备均具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是从资源利用的原子经济性角度，耦合能源回收，开发一种集碳捕集、资源化利用、能源回收为一体的方法，提高烟气二氧化碳捕集利用技术的经济性和适用性。

2、为了达成上述发明目的，本发明的具体技术方案如下：

3、本发明提供了一种集成电能回馈系统的捕集二氧化碳制备碳酸氢钠的方法，包括如下步骤：

4、将盐水除杂后电解制碱，获得捕集二氧化碳使用的稀碱液；

5、利用电解制得的稀碱液捕集二氧化碳，制备碳酸氢钠产品；

6、电解槽阴极产生的氢气和阳极产生的氯气分别作为氢氯燃料电池的燃料和氧化剂，产生的电能用于回馈电解消耗的部分电力，并同时产生盐酸。

7、在本发明的一些具体实施方式中，所述盐水为工业浓盐水或废盐配制盐水中的一种或多种。

8、在本发明的一些具体实施方式中，所述盐水除杂的步骤包括如下步骤中的一种或多种：

9、滤网/滤芯物理过滤；

10、碱性沉淀脱除ca2+、mg2+；

11、高级氧化脱除cod；

12、膜过滤；

13、树脂交换；

14、除杂后的盐水符合如下指标：ss<50mg/l，硬度(caco3计)<30mg/l，ca、mg外其他二价及以上金属离子浓度<10mg/l，cod<200mg/l。

15、在本发明的一些具体实施方式中，所述盐水除杂后电解采用隔膜法电解，隔膜采用聚苯硫醚复合隔膜；所述盐水除杂后电解制碱得到的碱液浓度为10％～20％。

16、在本发明的一些具体实施方式中，所述阿维菌素吸附剂为xx。

17、在本发明的一些具体实施方式中，所述利用电解制得的稀碱液捕集二氧化碳包括稀碱液吸收二氧化碳的步骤，所述吸收是采用筛板塔或菌帽塔吸收，所述筛板塔或菌帽塔高径比为5～10。

18、在本发明的一些具体实施方式中，所述制备碳酸氢钠产品的步骤包括碳酸氢钠结晶，碳酸氢钠结晶温度0～10℃，然后采用离心过滤及真空干燥脱水，制备得碳酸氢钠。

19、在本发明的一些具体实施方式中，所述氢氯燃料电池氢气和氯气压力为2kpa～6kpa，工作温度30～50℃；所述氢氯燃料电池负极和正极分别采用多孔石墨电极、pt电极中的一种；所述氢氯燃料电池的离子膜选用全氟离子交换膜；所述氢氯燃料电池的极室采用衬聚四氟乙烯材质；所述氢氯燃料电池获得的盐酸浓度为10％～31％。

20、本发明还提供了一种集成电能回馈系统的捕集二氧化碳制备碳酸氢钠的系统，包括精制罐、电解槽、氢氯燃料电池、净化塔、吸收塔、结晶罐；

21、所述净化塔、吸收塔和结晶罐依次通过管道连接；

22、所述净化塔设置进气口，经净化塔净化后的通过管道进入吸收塔；

23、所述吸收塔制备的碳酸氢钠晶浆经管道进入结晶罐，所述吸收塔还设置碱液的排出口；

24、所述精制罐、电解槽和吸收塔依次通过依次通过管道管道连接；

25、所述精制罐包括盐的进料口或浓盐水进水口，经精制罐精制后的精盐水通过管道进入电解槽；

26、所述电解槽电解盐水后制得的稀碱液通过管道进入吸收塔，电解槽电解盐水产生的氢气和氯气分别通过管道进入氢氯燃料电池；

27、所述氢氯燃料电池与电解槽之间设置电路连接，氢氯燃料电池产生的电力可用于电解槽的电力消耗；

28、所述氢氯燃料电池还设置盐酸排出管道；

29、所述结晶罐还设置循环母液回流管道，结晶罐通过回流管道与精制罐相连接。

30、在本发明的一些具体实施方式中，所述电解槽为隔膜法电解槽，隔膜采用聚苯硫醚复合隔膜；所述吸收塔为筛板塔或菌帽塔，所述筛板塔或菌帽塔高径比为5～10；所述氢氯燃料电池的负极和正极分别采用平板式电极、多孔石墨电极、pt电极中的一种；所述氢氯燃料电池的离子膜选用全氟离子交换膜；所述氢氯燃料电池的极室采用衬聚四氟乙烯材质；所述氢氯燃料电池氢气和氯气压力为2kpa～6kpa，工作温度30～50℃。

31、在本发明的一些具体实施方式中，还包括离心过滤装置和脱水装置，所述结晶罐与离心过滤装置和脱水装置依次通过传送装置相连接。

32、在本发明的一些具体实施方式中，还包括稀碱液存储罐，存储罐进液口通过管道与电解槽相连接，存储罐出液口与吸收塔通过管道相连接；

33、在本发明的一些具体实施方式中，还包括氢气存储罐和氯气存储罐，氢气存储罐和氯气存储罐进气口分别通过管道与电解槽阴极和阳极相连接，气存储罐和氯气存储罐出气口与氯气燃料电池阳极和阴极通过管道相连接。

34、在本发明的一些具体实施方式中，与氢气存储罐和氯气存储罐相连接的管道上还设置有调压装置。

35、在本发明的一些具体实施方式中，管道之间设置气泵、水泵或回流泵。

36、本发明的集成电能回馈系统的捕集二氧化碳制备碳酸氢钠的方法，初始盐水采用工业浓盐水或废盐配制，除杂后用于隔膜电解制备稀碱液。由于粗盐、废盐等原料中可能含有杂质，应视杂质种类及含量，进行物化脱除处理，如采用滤网/滤芯物理过滤，碱性沉淀脱除ca2+、mg2+，高级氧化脱除cod，膜过滤、树脂交换等除杂方法，处理后的盐水ss<50mg/l，硬度(caco3计)<30mg/l，ca、mg外其他二价及以上金属离子浓度<10mg/l，cod<200mg/l；电解采用隔膜法电解，制得碱液浓度10％～20％。结晶的碳酸氢钠采用离心过滤及真空干燥脱水。

37、由于电解制碱会消耗较多的电能，本发明的一大特点是集成了电能回馈系统，利用电解槽阴极产生的氢气和阳极产生的氯气分别作为氢氯燃料电池的燃料和氧化剂，既可产生一定的电力，又获得盐酸产品。使用本发明的集成电能回馈系统的捕集二氧化碳制备碳酸氢钠的方法获得的盐酸浓度为10％～31％，每获得1吨31％盐酸的同时，可回收电能150～200kw。

38、本发明技术特色是：采用隔膜电解得到的低成本含盐稀碱液进行二氧化碳捕集利用，有效减少碳排放；将原料中的碳、氧、钠、氯元素协同转化为大宗化学品，原子经济性好；集成的氢氯燃料电池可回馈部分电解电力。本发明的方法和系统实现了二氧化碳和盐的协同资源化与能源化，适用于电厂烟气或化工厂富碳尾气中二氧化碳的捕集利用，对高浓盐水处理和废盐资源化也提供了参考。

39、本发明提供的集成电能回馈系统的捕集二氧化碳制备碳酸氢钠的系统及方法，相对于现有的烟气二氧化碳捕集利用技术，具有如下有益技术效果：

40、1.二氧化碳捕集与资源化一步完成，对二氧化碳的纯度要求低，反应在常压和温和温度(30～50℃)下进行；

41、2.工艺集成碳捕集利用、废盐/浓盐水资源化处理、电能回馈于一体，二氧化碳、盐均得到增值利用，能耗相对较低，具有较好的经济性；

42、3.捕碳采用隔膜电解得到的含盐稀碱液，较采用离子膜法制碱或双极膜制碱捕碳成本显著降低；

43、本发明为烟气二氧化碳的捕集与利用提供了资源化利用率高、能源消耗低、技术经济性好的新方法。