一种CO2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统及方法

本发明属于新能源，具体涉及一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统及方法。

背景技术：

1、二氧化碳(co2)过度排放是全球变暖的主要原因，近年来，为了克服全球变暖加速的问题，以及提高能源安全，co2的转化技术引起了工业界和学术界的广泛关注。基于可再生电力的固体氧化物(soec)分解co2被认为是解决环境问题的有前景的方式，可以获得较高的效率和电流密度。

2、甲烷是丰富的页岩气和天然气的主要成分，具有转化为高附加值产品(如乙烯)的巨大潜力，最近受到越来越多的关注。其中甲烷氧化反应是提高烷烃价值的有前途的途径，通过高温氧化将烷烃直接转化为有价值的高附加值产品，例如乙烯(c2h4)和乙烷(c2h6)(700-900摄氏度)。从过程强化的角度来看，将烷烃氧化反应和co2还原过程集成在一个设备中可以提供经济和环境效益。co2高温电解产生的高纯氧可直接供给烷烃氧化反应，烷烃氧化反应的余热可提供co2还原过程。

3、然而，目前很少有研究尝试解决烷烃氧化反应和co2电解过程的集成问题，而且其合成产物产率和转化效率(如c2产率和转化效率)的值远低于商业化所需的标准，使得该技术难以工业化应用。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统及方法，该系统及方法能够整合烷烃氧化反应和co2电解过程，co2高温电解产生的高纯氧直接供给烷烃氧化反应，烷烃氧化反应的余热提供给co2还原过程，提高c2产率和转化效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统，包括换热器一、固体氧化物电解co2装置、换热器二、烷烃氧化反应器和换热器三；

4、所述换热器一加热co2；

5、所述固体氧化物电解co2装置将加热后的co2电解为co和o2；

6、所述换热器三加热氩气和烷烃；

7、固体氧化物电解co2装置得到的co和未电解的co2与加热后的氩气和烷烃，在换热器二换热；

8、固体氧化物电解co2装置得到的o2，与换热器二换热后的氩气和烷烃，在烷烃氧化反应器反应生成高值燃料；

9、烷烃氧化反应器尾气余热，直接或间接作为换热器一和换热器三的热源；

10、其中，固体氧化物电解co2装置得到的co和co2输入至换热器二，所述换热器二的热侧输入端连接固体氧化物电解co2装置，回收气相余热，冷侧输入端连接换热器三，加热经过换热器三的氩气和烷烃，换热器二热侧输出端连接烷烃氧化反应器，冷侧输出端输出co、co2气体，输入端连接换热器三的输出端，换热器二用于回收co、co2气体显热，加热经过换热器三的氩气和烷烃；

11、所述固体氧化物电解co2装置的o2输出端和换热器二的输出端连接烷烃氧化反应器，所述烷烃氧化反应器的唯一输出端连接换热器一的输入端，换热器的热侧输入端连接烷烃氧化反应器，回收气相余热，冷侧输入端连接co2气源，热侧输出端连接固体氧化物电解co2装置，输出加热过后的co2，冷侧输出端连接换热器三。

12、所述的换热器三热侧输入端连接换热器1，进一步回收气相余热，冷侧输入端连接氩气和烷烃气源，热侧输出端连接换热器二，冷侧输出端输出高值燃料等反应产物。

13、所述烷烃氧化反应器利用固体氧化氧化物电解co2装置产生的o2与烷烃反应生成高值燃料。

14、所述固体氧化氧化物电解co2装置分解co2产生的高纯o2，为烷烃氧化反应器提供高纯o2。

15、所述固体氧化物电解co2装置内包括电解池，电解池由阴极、电解质和阳极组成，分为电解质支撑型和电极支撑型两种类型，电解池的阴极和阳极为氧化还原性能较强的钙钛矿材料，电解质是氧离子型电解质材料，如氧化钇稳定的氧化锆(ysz)。

16、所述电解质支撑型电解池，采用流延法制得电解质支撑体层，再在电解质支撑体层上分别采用喷涂、丝网印刷的方法制得阳极和阴极。

17、所述电极支撑型电解池，电极支撑层采用流延法制备，电解质和另一侧电极层采用喷涂、丝网印刷的方法制备。

18、所述固体氧化物电解co2装置是管状反应器或电解池堆反应器。

19、所述烷烃氧化反应器包括至少一个多孔催化剂区域，催化剂区域以al2o3、mgo、tiosio2为催化剂载体，表面负载ni、mn金属形成催化剂。

20、一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统的运行方法，包括以下步骤；

21、电解co2耦合烷烃氧化反应器将固体氧化物电解co2装置与烷烃氧化反应器耦合为一个单一反应器，反应器内部固体氧化物电解co2装置区域流动co2被吸收在阴极电极的表面上并电化学还原成co和表面氧(o2-)；

22、co2+2e-→o2-+co

23、o2+4e-→2o2-

24、在固体氧化物电解co2装置中施加电压，通过跨氧离子传导电解质的结合和扩散过程，表面氧作为氧离子不断消耗；然后，通过来自固体氧化物电解co2装置中电解质的氧离子的缔合在阳极表面上形成氧分子：

25、

26、产生的高纯氧气在固体氧化物电解co2装置一侧，然后流入烷烃氧化反应器区域，在该区域与烷烃反应，发生烷烃氧化生成高值燃料：

27、2ch4+o2→c2h4+2h2o

28、实现基于可再生电力的固体氧化物(soec)与烷烃氧化集成。

29、所述电压为施加大于1.2v的电压。

30、所述系统还适用于除甲烷氧化外其他烷烃氧化。

31、本发明的有益效果：

32、本发明通过固体氧化物电解设备将co2电解和烷烃氧化工艺结合起来，具有高收率。co2电解的热量需求通过烷烃氧化过程的废热来补偿，提高了能量利用效率。

33、另外，系统一个反应器中两个反应的操作条件(例如温度、反应物浓度和流量)可以独立控制系统，克服了与同步转换的性能和稳定性相关的障碍，从而可以实现集成反应的最大稳定性、效率和性能。

技术特征：

1.一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统，其特征在于，包括换热器一(1)、固体氧化物电解co2装置(2)、换热器二(3)、烷烃氧化反应器(4)和换热器三(5)；

2.根据权利要求1所述的一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统，其特征在于，所述固体氧化氧化物电解co2装置(2)分解co2产生的高纯o2，为烷烃氧化反应器(4)提供高纯o2。

3.根据权利要求1所述的一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统，其特征在于，所述固体氧化物电解co2装置(2)内包括电解池，电解池由阴极、电解质和阳极组成，分为电解质支撑型和电极支撑型两种类型，电解池的阴极和阳极为钙钛矿材料，电解质是氧离子型电解质材料。

4.根据权利要求3所述的一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统，其特征在于，所述电解质支撑型的电解池，采用流延法制得电解质支撑体层，再在电解质支撑体层上分别采用喷涂、丝网印刷的方法制得阳极和阴极。

5.根据权利要求3所述的一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统，其特征在于，所述电极支撑型的电解池，电极支撑层采用流延法制备，电解质和另一侧电极层采用喷涂、丝网印刷的方法制备。

6.根据权利要求1所述的一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统，其特征在于，所述固体氧化物电解co2装置(2)是管状反应器或电解池堆反应器。

7.根据权利要求1所述的一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统，其特征在于，所述烷烃氧化反应器(4)包括至少一个多孔催化剂区域，催化剂区域以al2o3、mgo、tiosio2为催化剂载体，表面负载ni、mn金属形成催化剂。

8.基于权利要求1-7任一项所述的一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤；

9.根据权利要求8所述的一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统的运行方法，其特征在于，所述电压为施加大于1.2v的电压。

10.基于权利要求1-9任一项所述的一种co2电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统其特征在于，所述系统还适用于除甲烷氧化外其他烷烃氧化。

技术总结
本发明公开了一种CO<subgt;2</subgt;电解与烷烃氧化耦合生产高值燃料的系统及方法，包括换热器一、固体氧化物电解CO<subgt;2</subgt;装置、换热器二、烷烃氧化反应器和换热器三；所述换热器一加热CO<subgt;2</subgt;；所述固体氧化物电解CO<subgt;2</subgt;装置将加热后的CO<subgt;2</subgt;电解为CO和O<subgt;2</subgt;；所述换热器三加热氩气和烷烃；固体氧化物电解CO<subgt;2</subgt;装置得到的CO和未电解的CO<subgt;2</subgt;与加热后的氩气和烷烃，在换热器二换热；固体氧化物电解CO<subgt;2</subgt;装置得到的O<subgt;2</subgt;，与换热器二换热后的氩气和烷烃，在烷烃氧化反应器反应生成高值燃料；烷烃氧化反应器尾气余热，直接或间接作为换热器一和换热器三的热源；本发明提高C<subgt;2</subgt;产率和转化效率。

技术研发人员：李一航,潘恒,吕友军,任丛,吴巍炜
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16