CO2捕集和解吸装置及方法与流程

本发明涉及二氧化碳捕集和应用，具体而言，涉及一种co2捕集和解吸装置及方法。

背景技术：

1、常用的co2捕集方法有液态胺吸附法、固态膜吸附法等，然而，上述方法在用于碳捕集时，仅能捕集高浓度的co2，无法捕集空气中的低浓度co2。液态碱性溶液，例如koh(或naoh)作为吸附剂可实现低浓度co2捕集，吸收产物为k2co3。

2、目前，碱性吸收液koh的再生通常有两种方法，其一是通过两次化学循环再生，即吸收co2后的k2co3与ca(oh)2反应再生得到koh，同时得到caco3，得到的caco3经煅烧得到cao，cao再与h2o反应实现ca(oh)2的再生。该方法涉及两个化学循环，系统复杂、煅烧耗能高、且cao易失活，不仅会显著增加能耗和co2排放，还会使投资成本急剧增加。

3、另一种方法是通过电解吸收产物k2co3实现，碳酸钾在阳极生成碳酸氢钾-碳酸钾混合溶液以及co2-o2混合气体，阴极获得h2和再生koh溶液。阳极反应为2k2co3-4e→4k++2co2+o2，阴极反应为4h2o+4k++4e-→2h2+4koh，电解总反应为2k2co3+4h2o→4koh+2co2+2h2+o2。但该方法现阶段耗电量大，副产品难以控制和利用，使得该方法成本昂贵，同时，会在阳极同时得到co2与o2，导致该方法所得co2气体纯度降低，而且混合气体的分离提纯，也会进一步增加co2利用的成本。

4、专利cn 114411166a还公开了一种用于膜法电解制氢联合二氧化碳捕集的装置及方法。在电解槽中通过电解水制氢，阴极室吸收co2，吸收完成后通过将电解槽所有溶液混合进行co2解吸。其电解水反应过程符合“阳极电解酸性水溶液、阴极电解碱性水溶液”。此时阴极侧产物为h2与h2o，阳极侧产物为o2与h+。阳极侧得到的h+与吸收co2后得到的k2co3-khco3混合溶液反应解吸co2。

5、然而，其存在以下问题：(1)电解过程、co2捕集过程，co2解吸过程均在电解槽中不同时段下进行，因此三者均无法连续工作运行。(2)电解槽室开关过程中容易造成气体互蹿导致co2与o2混合，无法得到高纯度co2，甚至存在o2与h2互蹿的可能。(3)电解槽阴极碱性水溶液中oh-在电解过程与co2捕集过程中被持续消耗，无法实现吸收液/阴极液的循环再生。(4)阳极产物在co2解吸过程中被持续消耗，无法实现阳极液的循环再生。(5)碱性阴极-酸性阳极的电解液组合会导致电解水槽压升高，能耗增加。(6)电解酸性水溶液容易对电解槽造成腐蚀，该条件下电极材料易中毒失活，且酸性条件下多为高成本贵金属催化剂。因此，该方案也存在co2不纯、捕集成本高的问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种co2捕集和解吸装置及方法，以解决现有技术中宽浓度范围co2捕集和解吸成本高、解吸得到的co2容易由于混入o2导致纯度低的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种co2捕集和解吸装置，包括：co2吸收单元，具有碱金属氢氧化物溶液进口、含co2的待捕集原料入口、吸收液出口、废气出口，co2吸收单元用于使用碱金属氢氧化物溶液吸收co2以得到吸收液，吸收液中含有碱金属碳酸盐和碱金属碳酸氢盐；电解单元，具有碱金属硫酸盐溶液进口、阴极液出口、阳极液出口、氧气出口及氢气出口，电解单元用于电解碱金属硫酸盐溶液以得到阴极电解产物和阳极电解产物，阴极电解产物为氢气和含有碱金属氢氧化物的阴极液，阳极电解产物为氧气和含有碱金属硫酸氢盐的阳极液；化学反应单元，具有吸收液进口、阳极液进口、co2出口及再生液出口，吸收液进口与吸收液出口相连，阳极液进口与阳极液出口相连，化学反应单元用于使吸收液中的碱金属碳酸盐和碱金属碳酸氢盐和阳极液中的碱金属硫酸氢盐进行化学反应，以得到co2和碱金属硫酸盐再生液；其中，电解单元的阴极液出口与co2吸收单元的碱金属氢氧化物溶液进口相连，化学反应单元的再生液出口与电解单元的碱金属硫酸盐溶液进口相连。

3、进一步地，碱金属氢氧化物为koh，碱金属碳酸盐为k2co3，碱金属碳酸氢盐为khco3，碱金属硫酸盐为k2so4，碱金属硫酸氢盐为khso4；或者碱金属氢氧化物为naoh，碱金属碳酸盐为na2co3，碱金属碳酸氢盐为nahco3，碱金属硫酸盐为na2so4，碱金属硫酸氢盐为nahso4。

4、进一步地，co2吸收单元包括吸收塔，吸收塔的顶部设置有碱金属氢氧化物溶液进口和废气出口，吸收塔的底部设置有含co2的待捕集原料入口和吸收液出口；优选地，吸收塔内靠近顶壁的位置设置有喷淋单元，喷淋单元与碱金属氢氧化物溶液进口相连；更优选地，吸收塔为并联或串联设置的多个。

5、进一步地，电解单元包括：电解槽，其具有阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间设置有离子交换膜，阴极室内设置有电解阴极，阳极室内设置有电解阳极，阴极室具有阴极液出口和氢气出口，阳极室具有碱金属硫酸盐溶液进口、阳极液出口和氧气出口；优选地，阴极室还具有第一水进口。

6、进一步地，电解单元还包括：阴极出液罐，设置在阴极液出口与碱金属氢氧化物溶液进口相连的管路上；优选地，阴极出液罐还具有第二水进口；阳极出液罐，设置在阳极液出口与阳极液进口相连的管路上。

7、进一步地，化学反应单元包括：化学反应器，具有吸收液进口、阳极液进口、co2出口及再生液出口；优选地，化学反应单元还包括换热器，换热器具有用以热交换的第一换热通道和第二换热通道；第一换热通道的进口与阴极出液罐的出口相连，出口与碱金属氢氧化物溶液进口相连；第二换热通道的进口与吸收液出口相连，出口与吸收液进口相连。

8、根据本发明的另一方面，提供了一种co2捕集和解吸方法，采用本发明的co2捕集和解吸装置进行，包括以下步骤：将碱金属氢氧化物溶液和含co2的待捕集原料通入co2吸收单元，以使碱金属氢氧化物溶液进行co2吸收，得到含有碱金属碳酸盐和碱金属碳酸氢盐的吸收液；采用电解单元对碱金属硫酸盐溶液进行电解，以得到阴极电解产物和阳极电解产物，阴极电解产物为氢气和含有碱金属氢氧化物的阴极液，阳极电解产物为氧气和含有碱金属硫酸氢盐的阳极液；将吸收液和阳极液在化学反应单元中进行化学反应，得到co2和碱金属硫酸盐再生液；将碱金属硫酸盐再生液返回至电解单元中作为至少部分碱金属硫酸盐溶液参与电解步骤，将阴极液返回至co2吸收单元作为至少部分碱金属氢氧化物溶液参与co2吸收步骤。

9、进一步地，在将吸收液与阳极液进行化学反应之前、阴极液返回co2吸收单元之前，先将阴极液与吸收液进行热交换。

10、进一步地，碱金属氢氧化物溶液为氢氧根浓度0.1～10mol/l的水溶液；吸收液中的碳酸根的浓度为0.1～6mol/l，氢氧根的浓度为0～1.5mol/l，ph为8～14；优选地，碱金属氢氧化物溶液为氢氧根浓度0.5～1.5mol/l的水溶液，吸收液中的碳酸根的浓度为0.5～5.5mol/l，氢氧根的浓度为0～1mol/l，ph为12～14。

11、进一步地，电解过程的工作温度为50～200℃，工作电压为1.1～4v，工作电流密度为500～8000a/m2；优选地，化学反应过程的工作温度为5～95℃。

12、本发明的co2捕集和解吸装置以碱金属氢氧化物溶液作为吸收剂，能捕集高浓度和低浓度的co2，是一种宽浓度范围co2捕集技术。通过将o2与co2的生成步骤分别归至电解单元与化学反应单元，在化学反应单元中通过碱金属硫酸盐阳极电解产物与co2吸收产物的化学反应可以直接得到高纯度高浓度co2，在电解单元中通过电解碱金属硫酸盐得到高纯度o2，避免了复杂的co2、o2混合气体提纯步骤，更便于co2的后续利用，可以极大地降低成本，而且相比于常用的直接电解碱金属碳酸盐，可以有效地降低能耗。本发明的装置在化学反应单元得到的碱金属硫酸盐再生液返回电解单元，可以实现溶液的循环利用，进一步降低成本；电解单元不仅可以实现碱金属氢氧化物吸收液的再生，还能同步得到附加值高的阴极高纯h2与阳极高纯o2，在降低成本的同时，进一步提高了整体经济效益。