捕集和利用二氧化碳的方法及系统与流程

本技术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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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：

4、(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。

5、(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。

6、(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。

7、(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。

8、(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。

9、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

1、本技术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。

2、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。

3、为了实现上述目的，本技术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。

4、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。

5、进一步地，电解还原过程为单级电解或分级电解过程。

6、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。

7、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。

8、进一步地，电流密度为2000～6000a/m2，优选为2000～4000a/m2。

9、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。

10、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。

11、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al3+和/或si4+。

12、进一步地，碱土金属离子包括ca2+和/或mg2+。

13、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。

14、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。

15、进一步地，在进行除杂过程和电解还原过程之间，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：对含碳酸盐水溶液的浓度进行调整，其中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。

16、进一步地，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：对部分含碳酸盐水溶液进行提取处理，得到碳酸盐。

17、进一步地，提取处理过程的方法为重结晶法或结晶法。

18、进一步地，碱性溶液为碱金属氢氧化物水溶液。

19、进一步地，碱性溶液为氢氧化钠水溶液和/或氢氧化钾水溶液。

20、进一步地，电解还原过程的产物还包括碳酸氢盐。

21、进一步地，电解还原过程在电解槽中进行，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将部分离开电解槽的氢氧化物水溶液对进入电解槽的含碳酸盐水溶液进行预热。

22、进一步地，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将部分离开电解槽的氢氧化物水溶液作为碱性溶液。

23、进一步地，电解还原过程在电解槽中进行，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将催化反应放出的热量用于对进入电解槽的含碳酸盐水溶液进行预热。

24、进一步地，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将含碳酸盐水溶液预热至60～90℃。

25、进一步地，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。

26、进一步地，当碳氢化合物为甲醇时，催化反应过程的温度为200～400℃，压力为10～50bar，二氧化碳电解气与氢气的摩尔比为1:(1～5)。

27、进一步地，目标组分选自空气和/或燃烧尾气。

28、进一步地，当目标组分为空气和燃烧尾气两个目标组分时，先采用碱性溶液对空气进行中的二氧化碳进行捕集，得到含碳酸盐水溶液，随后利用碳酸盐水溶液对燃烧尾气中的二氧化碳进行捕集。

29、进一步地，当目标组分为空气时，在进行捕集过程之前，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：对目标组分进行浓缩，得到浓缩气，以提升二氧化碳的浓度；然后将浓缩气进行捕集过程。

30、进一步地，浓缩过程包括：采用吸附剂吸附目标组分中的二氧化碳，然后进行解吸附，得到浓缩气，其中浓缩气中二氧化碳的浓度为0.4～5％。

31、进一步地，浓缩过程和捕集过程之间，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将浓缩气进行压缩处理。

32、进一步地，压缩处理过程的压力为5～500bar。

33、进一步地，当目标组分为燃烧尾气时，在进行捕集过程之前，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：对燃烧尾气进行脱氮脱硫处理和/或除尘处理。

34、进一步地，电解还原过程在电解槽中进行，当目标组分为燃烧尾气时，捕集和利用二氧化碳的方法还包括：将部分或全部燃烧尾气的热量对进入电解槽的含碳酸盐水溶液进行预热。

35、进一步地，催化反应为热催化反应、光催化反应或生物催化反应；催化反应中采用的氢气由电解还原过程产生，或部分由电解还原过程产生、剩余部分由外部输入或全部由外部输入。

36、本技术的另一方面还提供了一种捕集和利用二氧化碳的系统，该捕集和利用二氧化碳的系统包括：二氧化碳捕集装置、电解还原单元、电压调节装置和可选的催化装置，二氧化碳捕集装置设置有碱性溶液入口、目标组分入口和含碳酸盐水溶液排放口；电解还原单元设置有第一含碳酸盐水溶液入口、二氧化碳电解气出口、氧气出口、氢气出口和氢氧化物水溶液排放口，第一含碳酸盐水溶液入口与含碳酸盐水溶液排放口通过含碳酸盐水溶液输送管路连通；电压调节装置用于调节电解还原过程中的电压，以调节二氧化碳电解气和氢气的产出比例；催化装置设置有催化入口和碳氢化合物出口，且催化入口分别与二氧化碳电解气出口及氢气出口连通；当通过电压调节装置能够使电解还原单元进行分级电解时，电解还原单元为电解还原装置，电解还原装置设置有第一含碳酸盐水溶液入口、氢气出口、二氧化碳电解气出口、氧气出口和氢氧化物水溶液排放口；或当电解还原单元不进行分级电解时，电解还原单元包括：电解还原装置和分离装置或燃烧装置；电解还原装置设置有第一含碳酸盐水溶液入口、氢气出口、阳极气排放口和氢氧化物水溶液排放口，其中阳极气包括二氧化碳电解气和氧气；及分离装置设置有待分离气入口、二氧化碳电解气出口和氧气出口，待分离气入口与阳极气排放口连通；或燃烧装置设置有二氧化碳原料气入口和氧气原料气入口；二氧化碳原料气入口与二氧化碳电解气出口通过二氧化碳原料气输送管路连通，氧气原料气入口与氧气出口通过氧气原料气输送管路连通。

37、进一步地，当通过电压调节装置能够使电解还原单元进行分级电解时，电解还原单元为电解还原装置，电解还原装置设置有第一含碳酸盐水溶液入口、氢气出口、二氧化碳电解气出口、氧气出口和氢氧化物水溶液排放口；或当电解还原单元不进行分级电解时，电解还原单元包括电解还原装置和分离装置，电解还原装置设置有第一含碳酸盐水溶液入口、氢气出口、阳极气排放口和氢氧化物水溶液排放口，其中阳极气包括二氧化碳电解气和氧气；分离装置设置有待分离气入口、二氧化碳电解气出口和氧气出口，待分离气入口与阳极气排放口连通。

38、进一步地，分离装置选自深冷装置、催化氧化装置、吸附装置和膜分离装置中的一种或多种。

39、进一步地，捕集和利用二氧化碳的系统还包括除杂装置，除杂装置设置在含碳酸盐水溶液输送管路上。

40、进一步地，除杂装置选自过滤装置、沉淀装置或吸附装置。

41、进一步地，捕集和利用二氧化碳的系统还包括第一换热装置，第一换热装置设置在含碳酸盐水溶液输送管路上。

42、进一步地，第一换热装置的热介质入口与氢氧化物水溶液排放口相连，以使从氢氧化物水溶液排放口排出的氢氧化物水溶液与含碳酸盐水溶液输送管路中的含碳酸盐水溶液进行换热。

43、进一步地，捕集和利用二氧化碳的系统包括催化装置和第二换热装置，第二换热装置设置在含碳酸盐水溶液输送管路上。

44、进一步地，第二换热装置的热介质入口与碳氢化合物出口相连，以使从碳氢化合物出口排出的碳氢化合物中的热量与含碳酸盐水溶液输送管路中的含碳酸盐水溶液进行换热。

45、进一步地，捕集和利用二氧化碳的系统还包括：含碳酸盐水溶液浓度调节装置和电压调节装置，含碳酸盐水溶液浓度调节装置设置在含碳酸盐水溶液输送管路上，用于调节含碳酸盐水溶液的浓度和ph；电压调节装置用于调节电解还原装置的电解电压。

46、进一步地，含碳酸盐水溶液浓度调节装置为稀释装置或浓缩装置。

47、进一步地，捕集和利用二氧化碳的系统还包括碳酸盐提取装置，碳酸盐提取装置设置有第二含碳酸盐水溶液入口，第二含碳酸盐水溶液入口与含碳酸盐水溶液排放口连通设置。

48、进一步地，提取装置为结晶装置或重结晶装置。

49、进一步地，氢氧化物水溶液排放口与碱性溶液入口连通。

50、进一步地，当目标组分为空气时，捕集和利用二氧化碳的系统还包括浓缩单元，浓缩单元设置有待浓缩气入口和浓缩气出口，浓缩气出口与目标组分入口通过浓缩气输送管路连通，浓缩单元用于提高目标组分中二氧化碳的含量。

51、进一步地，浓缩单元包括：二氧化碳吸附装置和解吸附装置，二氧化碳吸附装置设置有待浓缩气入口，用于吸附目标组分中的二氧化碳；解吸附装置设置在二氧化碳吸附装置的下游，且设置有浓缩气出口，用于使二氧化碳吸附装置中吸附的二氧化碳进行解吸附。

52、进一步地，捕集和利用二氧化碳的系统还包括第一压缩装置，第一压缩装置设置在浓缩气输送管路上。

53、进一步地，当目标组分为燃烧尾气或空气与燃烧尾气的混合物时，捕集和利用二氧化碳的系统还包括除尘装置、脱硫装置和脱氮装置以及与目标组分入口连通的目标组分输送管路，除尘装置、脱硫装置和脱氮装置设置在目标组分输送管路上。

54、进一步地，捕集和利用二氧化碳的系统还包括收集装置，收集装置设置有收集口，收集口与氧气出口连通用于收集氧气。

55、进一步地，捕集和利用二氧化碳的系统还包括：二氧化碳压缩装置和氢气压缩装置，二氧化碳压缩装置设置有二氧化碳电解气入口和二氧化碳电解气出口，二氧化碳电解气入口与电解还原单元的二氧化碳电解气出口连通，二氧化碳压缩气出口与催化入口连通；氢气压缩装置设置有氢气入口和氢气压缩气出口，氢气入口与电解还原单元的氢气出口连通，氢气压缩气出口与催化入口连通。

56、应用本技术的技术方案，采用本技术提供的捕集和利用二氧化碳的方法不仅能够实现二氧化碳的减排，可选地能够解决二氧化碳和氢气的运输和利用的问题，同时还能够获得工艺副产品，从而使该过程具有较低的投资成本，便于工业化应用。