一种弧形薄板式二氧化碳催化还原加氢反应的系统和方法与流程

本公开涉及二氧化碳捕获领域，具体地，涉及一种弧形薄板式二氧化碳催化还原加氢反应的系统和方法。

背景技术：

1、现今，由于大量二氧化碳气体排放，温室效应加剧，严重影响全球气候，因此，如何有效降低二氧化碳浓度成为人们研究的重点。在现有技术中，通常采用光催化还原的方法将二氧化碳和氢气转化为如烷烃、烯烃和醇类的燃料化合物。其中，二氧化碳为收集到的二氧化碳，氢气为绿氢；光催化剂多用半导体材料，利用光来激发光催化剂，并使光催化剂产生的电子和空穴来参加二氧化碳加氢反应。

2、现有技术中的cn206730862u公开了一种光催化还原二氧化碳反应器，该反应器的螺旋状反应管为二氧化碳和氢气的反应的主体，并且在螺旋状反应管的内壁附上光催化剂，能够使二氧化碳和氢气转化为能源化合物，但是该反应器的使及加氢反应物料仅在螺旋状反应管区域流动，反应通道单一，反应物料与催化剂接触的总表面积较小，并且，无法充分利用光源产生的光能，光能的消耗量大，因此，该光催化还原二氧化碳反应器的光催化反应的效率和质量不高。

技术实现思路

1、本公开的目的是提供一种弧形薄板式二氧化碳催化还原加氢反应的系统和方法，以解决现有技术中存在的反应路径通道单一、光利用率低、反应物料与催化剂接触的总表面积小以及反应条件不灵活的问题。

2、为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种弧形薄板式二氧化碳催化还原加氢反应的系统，该系统包括气体掺混器、光催化反应器、风机、液体收集器和气体收集器；所述光催化反应器包括整体呈圆筒结构的壳体、温度调节层、漫反射层、催化剂涂层光纤组和可调波长光源；所述壳体内部自上而下依次设有进料室、反应室和出料室；所述温度调节层包覆于所述反应室的外侧；所述漫反射层、所述催化剂弧形薄板组和所述可调波长光源由外至内依次设置在所述反应室内部；所述进料室和所述出料室分别设有进料口和出料口；所述进料口与所述气体掺混器的出口连通，所述出料口与所述风机的入口连通；所述反应室的顶面和底面分别设有通孔，以使所述进料室和所述出料室与所述反应室分别通过所述通孔连通；所述催化剂弧形薄板组包括多个催化剂弧形薄板，所述催化剂弧形薄板的侧壁附有光催化剂；所述催化剂弧形薄板的上下两端分别延伸至所述进料室和所述出料室，所述弧形薄板的凹面朝向所述壳体的轴线。

3、可选地，所述漫反射层设置在所述温度调节层的内壁上；所述可调波长光源沿所述壳体的轴向设置在所述反应室的内部，优选与所述反应室同轴设置；所述可调波长光源包括氙灯光源、qth可调石英卤素灯光源、氘灯光源和卤钨灯光源中的一种或几种。

4、可选地，所述催化剂弧形薄板的板面沿壳体的轴向延伸，所述催化剂弧形薄板为等厚的弧形薄板，且上下等宽；所述弧形薄板的弧度α为20～30rad，厚度为1～10mm；多个所述催化剂弧形薄板平行设置，多个所述催化剂弧形薄板在垂直于轴向的平面上沿同一圆周间隔布置。

5、可选地，所述反应室与所述壳体的高度的比值为(0.5～0.7)：1；所述通孔的孔径为5～10mm。

6、可选地，该系统还包括，所述液体收集器的气相出口管线分为循环气相管线和气相收集管线；所述液体收集器的气相出口通过所述循环气相管线与所述光催化反应器的进料口连通；所述液体收集器的气相出口通过气相收集管线与所述气体收集器的入口连通。

7、可选地，该系统还包括控制单元以及设置在所述光催化反应器的进料口处的二氧化碳浓度检测器；所述控制单元与所述二氧化碳浓度检测器、所述可调波长光源和所述温度调节层电连接，用于接受所述二氧化碳浓度检测器的二氧化碳浓度信号，并根据该信号调节所述可调波长光源和/或所述温度调节层的输入功率。

8、本公开第二方面采用第一方面所述的系统进行二氧化碳催化还原加氢反应的方法，该方法包括：使二氧化碳和氢气经气体掺混器混合后，得到加氢反应物料；使所述加氢反应物料进入光催化反应器的进料室，并经反应室的顶面设置的通孔进入反应室，在光辐照条件下与催化剂弧形薄板上的催化剂接触进行加氢反应，得到加氢反应产物；使所述加氢反应产物经所述反应室的底面设置的通孔进入出料室；使所述出料室中的加氢反应产物依次经风机和液体收集器进入气体收集器。

9、可选地，该方法还包括，当所述加氢反应物料中的二氧化碳浓度小于第一阈值时，提升加氢反应的反应温度和/或加氢反应的光辐照强度；所述第一阈值为28～33体积％；当所述加氢反应物料中的二氧化碳浓度大于第二阈值时，降低加氢反应的反应温度和/或加氢反应的光辐照强度；所述第二阈值为20～25体积％。

10、可选地，该方法还包括，使所述加氢反应产物在所述风机的作用下进入液体收集器进行气液分离，得到液相产物和分离气相；当所述分离气相中的二氧化碳浓度小于收集阈值时，使所述分离气相进入所述气体收集器；当所述分离气相中的二氧化碳浓度大于收集阈值时，使所述分离气相返回所述光催化反应器继续反应，直至分离气相中的二氧化碳的含量小于收集阈值时，使所述分离气相进入所述气体收集器；所述收集阈值为10～30体积％。

11、可选地，光催化剂包括二氧化钛、氧化锌或氧化锡中的一种或几种；所述加氢反应的条件包括：反应温度为50～100℃，反应物停留时间为5～10s，可调波长光源的光辐照强度为20～200w/m2。

12、通过上述技术方案，温度调节层与壳体的顶部之间形成进料室、与所述壳体的底部之间形成出料室以及温度调节层的内部腔室形成反应室，并且，使反应室与进料室和出料室之间通过多个通孔连通，能够使加氢反应物料经进料室缓冲后由通孔进入反应室内与光催化剂接触进行加氢反应，加氢反应物料在进入反应室后扩散至整个反应室内，能够提升加氢反应物料在光催化剂反应器中的停留时间，进而能够提升二氧化碳的加氢反应效果。并且，在反应室内设置多个侧壁附着有光催化剂的催化剂弧形薄板，使加氢反应物料在催化剂弧形薄板的侧壁上进行反应，能够提升加氢反应物料与催化剂接触的总表面积，进而提升二氧化碳的加氢反应效率和效果。并且，在光催化剂反应器中设置漫反射层，能够让光线在一个相对较小的封闭空间内不断反射，可以显著提高光的利用率，相应的提高光催化反应的效率和效果。

13、本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种弧形薄板式二氧化碳催化还原加氢反应的系统，其特征在于，该系统包括气体掺混器(1)、光催化反应器(2)、风机(3)、液体收集器(4)和气体收集器(5)；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述漫反射层(22)设置在所述温度调节层(21)的内壁上；

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述催化剂弧形薄板(23)的板面沿壳体的轴向延伸，所述催化剂弧形薄板(23)为等厚的弧形薄板，且上下等宽；所述弧形薄板的弧度α为20～30rad，厚度为1～10mm；

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应室与所述壳体(20)的高度的比值为(0.5～0.7)：1；

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括，所述液体收集器(4)的气相出口管线分为循环气相管线和气相收集管线；

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括控制单元(9)以及设置在所述光催化反应器(2)的进料口处的二氧化碳浓度检测器；

7.一种采用权利要求1～6中任意一项所述的系统进行二氧化碳催化还原加氢反应的方法，其特征在于，该方法包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括，当所述加氢反应物料中的二氧化碳浓度小于第一阈值时，提升加氢反应的反应温度和/或加氢反应的光辐照强度；所述第一阈值为28～33体积％；

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括，使所述加氢反应产物在所述风机(3)的作用下进入液体收集器(4)进行气液分离，得到液相产物和分离气相；

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，光催化剂包括二氧化钛、氧化锌或氧化锡中的一种或几种；

技术总结
本公开涉及一种弧形薄板式二氧化碳催化还原加氢反应的系统和方法，该系统通过温度调节层的顶部和底部分别与所述壳体之间形成进料室和出料室以及温度调节层的内部腔室形成反应室，并且，使反应室与进料室和出料室之间通过多个通孔连通，能够使加氢反应物料经进料室缓冲后进入反应室进行反应，能够提升加氢反应物料在光催化剂反应器中的停留时间，提升二氧化碳的加氢反应效果。并且，在反应室内设置多个侧面附着有光催化剂的催化剂弧形薄板，能够在提升催化剂的比表面积，进而提升二氧化碳的加氢反应效果。

技术研发人员：高过斌,杨龙,王天堃,刘永平,杨亚利,高军,李建新,阎磊,杨林,吴建强,刘培军,高腾飞,徐冬
受保护的技术使用者：国能锦界能源有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17