二氧化碳捕集与纯化的方法及系统与流程

本发明涉及二氧化碳捕集，具体而言，涉及一种二氧化碳捕集与纯化的方法及系统。

背景技术：

1、co2作为温室气体的主要成分，随着其排放量的不断增高而导致的全球变暖问题也逐步受到人们的关注。co2捕集技术可以降低co2排放量并有效降低大气中co2浓度，因而开发高效的co2捕集技术也逐步成为人们的研究热点。

2、目前国内外各类碳捕集技术层出不穷，如碳工程公司(carbon engineering，ce)开发了以koh和ca(oh)2为核心吸收溶液的空气直接捕集工艺。该工艺使用koh吸收空气中的co2转化为k2co3溶液，随后使用ca(oh)2溶液进行koh再生，再生过程中ca(oh)2溶液生成caco3固体，高温煅烧后得到cao，随后cao再与h2o反应得到ca(oh)2溶液。上述过程使用性质稳定的无机碱为吸收剂，运行稳定且连续运行可大规模应用，但整个工艺流程较长，其中caco3煅烧再生过程能耗较高且存在二次碳排放的问题。

3、使用电解工艺对碳酸盐溶液进行电解，可实现碱液再生，并将捕集的co2从碳酸盐溶液中电解出来在一定程度上取代使用ca(oh)2溶液进行碱液再生及caco3煅烧过程，但当进入电解槽的碳酸盐溶液中若含有未反应完的氢氧根oh-，则电解过程中氢氧根会先放电，直至oh-消耗完全后才进一步对碳酸根进行电解，且电解碳酸根至产生co2需要分以下两步完成：首先将碳酸根co32-转变为碳酸氢根hco3-，随后将hco3-电解为co2。因此，当进入电解槽的碳酸盐溶液中不含oh-且含有一定量hco3-时，能够在一定程度上降低电解过程电解槽的电耗。但使用碱液对co2进行捕集时，尤其是对含co2浓度较低的空气进行捕集时，较高的oh-浓度可保证co2的捕集率，因此为了获得较高的co2捕集率，通常会使吸收后的碳酸盐溶液含有一定量oh-，进而增加了电解槽的电耗。

4、此外，理论上电解产生的气态co2中会夹带约30％左右的o2，若使用常规的co2分离塔进行o2及co2的分离，在得到纯度较高的液态co2产品的前提下，塔顶排出的o2中会带出大量的co2，无法保证co2的回收率且会降低系统的整体捕集率。

5、因此，研究并开发出一种二氧化碳捕集与纯化的方法及系统对于同时满足较高的二氧化碳捕集效率以及较低的能耗具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种二氧化碳捕集与纯化的方法及系统，以解决现有的二氧化碳捕集及纯化过程存在二氧化碳捕集效率较低以及能耗较高的问题。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种二氧化碳捕集与纯化的方法，包括二氧化碳捕集、电解及二氧化碳分离，该二氧化碳捕集与纯化的方法包括：利用碱性溶液对目标组分进行二氧化碳捕集过程，获得含碳酸盐水溶液；使至少部分含碳酸盐水溶液与二氧化碳分离过程产生的含二氧化碳的粗氧混合，得到含碳酸氢盐水溶液和氧气，含二氧化碳的粗氧中二氧化碳的体积含量为9.7～35.9vol％；对含碳酸氢盐水溶液进行电解，得到阳极气和氢气及再生碱液；对阳极气进行二氧化碳分离步骤，得到液态二氧化碳和含二氧化碳的粗氧，其中，液态二氧化碳中二氧化碳的含量为98.5～99.9999vol％，粗氧中二氧化碳的含量占阳极气中二氧化碳含量的5～40％。

3、进一步地，二氧化碳分离过程在二氧化碳分离装置中进行，且操作压力为10～60bar，摩尔回流比为(1.4～4):1，塔顶气相采出物与进料的物质的量之比为(0.25～0.45):1。

4、进一步地，电解过程的温度为50～200℃，电解槽电压为1.1～4v，电流密度为500～8000a/m2，含碳酸氢盐水溶液中，碳酸氢根的物质的量与碳酸根和碳酸氢根的总物质的量之比为(0.1～1):1。

5、进一步地，在进行二氧化碳分离过程之前，二氧化碳捕集与纯化的方法还包括对阳极气依次进行冷却、气液分离、压缩以及干燥除水的过程。

6、进一步地，经冷却过程后，阳极气的温度降至5～50℃。

7、进一步地，在进行压缩过程和分离过程之间，二氧化碳捕集与纯化的方法包括：将经过压缩过程的阳极气与粗氧进行换热。

8、进一步地，碱性溶液中氢氧根的浓度为0.2～3mol/l，含碳酸盐水溶液中碳酸根的浓度为0.2～6mol/l，氢氧根的浓度为0～1.5mol/l，ph为10～14；优选地，碱性溶液中氢氧根的浓度为0.5～1.5mol/l，含碳酸盐水溶液中碳酸根的浓度为0.5～5.5mol/l，氢氧根的浓度为0～1mol/l，ph为12～14。

9、进一步地，二氧化碳捕集与纯化的方法还包括：将至少部分含碳酸盐水溶液和/或再生碱液返回至二氧化碳捕集过程进行再次利用。

10、为了实现上述目的，本发明另一个方面还提供了一种二氧化碳捕集与纯化的系统，该二氧化碳捕集与纯化的系统包括：二氧化碳捕集装置、氧气提纯装置、电解单元、二氧化碳分离装置、二氧化碳检测装置和阀门；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；氧气提纯装置设置有粗氧入口、含碳酸盐水溶液入口、含碳酸氢盐水溶液排放口及氧气排放口，含碳酸盐水溶液入口与含碳酸盐水溶液排放口连通设置；电解单元设置有含碳酸氢盐水溶液入口、阳极气排放口、氢气出口和再生碱液排放口，含碳酸氢盐水溶液入口与碳酸氢盐水溶液排放口通过碳酸氢盐水溶液输送管路连通；二氧化碳分离装置设置有阳极气入口、液态二氧化碳出口和粗氧出口，阳极气入口与阳极气排放口通过阳极气输送管路连通，粗氧出口与粗氧入口通过粗氧输送管路连通；二氧化碳检测装置用于测定粗氧输送管路中二氧化碳的含量；阀门设置在粗氧输送管路上，且位于二氧化碳检测装置的下游，阀门与二氧化碳检测装置联动设置，当二氧化碳的含量达到预定值时，阀门开启。

11、进一步地，二氧化碳捕集装置还设置有回流口，回流口分别与再生碱液排放口和含碳酸盐水溶液排放口连通设置。

12、进一步地，回流口与再生碱液排放口通过再生碱液输送管路连通，沿物料的流动方向，二氧化碳捕集与纯化的系统还包括依次设置于再生碱液输送管路上的缓冲罐和第一冷却装置。

13、进一步地，缓冲罐设置有外补给水入口，用于调节缓冲罐中的再生碱液的浓度。

14、进一步地，沿阳极气输送管路中物料的流动方向，二氧化碳捕集与纯化的系统还包括依次设置在阳极气输送管路上的第二冷却装置、气液分离装置、压缩装置和干燥除水装置。

15、进一步地，二氧化碳捕集与纯化的系统还包括换热装置，换热装置设置在压缩装置与二氧化碳分离装置之间的阳极气输送管路上，用于使阳极气与粗氧进行换热。

16、进一步地，二氧化碳捕集与纯化的系统还包括塔底液流量调节装置，塔底液流量调节装置设置在碳酸氢盐水溶液输送管路上。

17、进一步地，压缩装置为2～8级压缩机，且各级压缩机之间均设置有第三冷却装置与分液装置。

18、进一步地，二氧化碳分离装置的内部还设置有冷凝器和再沸器，以调节粗氧输送管路中的二氧化碳的含量。

19、应用本发明的技术方案，通过二氧化碳捕集过程，将目标组分中的二氧化碳转化为含碳酸盐水溶液。使用含碳酸盐水溶液吸收粗氧中的二氧化碳，使其转化为碳酸氢根，然后再进行电解过程。相比于采用碳酸盐作为电解液进行电解的过程，本技术采用含碳酸氢盐的水溶液作为电解液能够有效地降低电解过程的能耗。在二氧化碳分离过程中，将获得的粗氧产品中二氧化碳的含量占阳极气中二氧化碳含量的比重以及粗氧气体中氧气和二氧化碳的干基含量限定在特定的范围内，并利用二氧化碳捕集过程中获得的含碳酸盐水溶液吸收其中的二氧化碳，使得该工艺能够在获得高纯度液态二氧化碳的同时，使二氧化碳的回收率维持在较高水平，从而降低二氧化碳捕集与纯化过程的工艺成本，进而提高其整体经济效益。