一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺的制作方法

本发明涉及一氧化碳制取，具体为一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺。

背景技术：

1、碳排放问题随着全球温室效应日益恶化越来越收到全世界的关注，随着我国“30”“60”目标的提出，二氧化碳的综合利用成为工业发展的重要课题。利用二氧化碳制备一氧化碳不仅可以降低温室气体二氧化碳的排放，为各工厂ccus收集的二氧化碳提供消耗路径，一氧化碳本身作为高价值的产品具有显著的经济价值。在化学工业中，一氧化碳是一碳化学的基础。作为合成气和各类煤气的主要组分，一氧化碳是合成一系列基本有机化工产品和中间体的重要原料，由一氧化碳出发，可以制取几乎所有的基础化学品，如氨、光气以及醇、酸、酐、酯、醛、醚、胺、烷烃和烯烃等。同时，利用一氧化碳与过渡金属反应生成羰络金属或羰络金属衍生物的性质，可以制备有机化工生产所需的各类均相反应催化剂。在冶金工业中，利用羰络金属的热分解反应，一氧化碳可用于从原矿中提取高纯铁、镍、锌、钨、钼等金属。

2、以二氧化碳为原料制备一氧化碳的方法包括热光化学转化、化学转化、电化学电解转化和生物转化。光化学转化的效率很低，一般小于1％，且催化剂价格高，反应选择性低；热化学转化反应需要在高温(1000℃以上)高压条件下完成，对催化剂及反应装置材料要求苛刻，且能量效率同样较低；而生物转化技术路线仍不成熟。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，以解决上述背景技术中急需的电解二氧化碳的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，该高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺基于以下设备：

3、热箱包覆的电堆系统、空气侧系统、二氧化碳一氧化碳侧系统、压缩系统、一氧化碳分离和二氧化碳回收系统；

4、其中，热箱包覆的电堆系统包括电堆和热箱，电堆是电解二氧化碳生成一氧化碳的反应中心，是由电池片为核心的多个反应单元进行串联、并联和混联构成的，电池片包括固体电解质、阴极和阳极；

5、热箱是将电堆进行进行串联、并联和混联构成的电堆集合进行保温和集中放置的箱体，热箱包括结构层、保温层、气体管线和电缆；其中结构层起支撑电堆和内部其他组件的作用；保温层起保持电堆内部温度，减少或防止热量散失的作用；气体管线是将二氧化碳电解一氧化碳的反应物和产物气体在各电堆间进行分配和汇集，其分布应保证气体在各电堆间均匀分布，各电堆至热箱出口的阻力相同；电缆将电能分配至各个电堆；

6、空气侧系统包括空气鼓风机、空气\富氧空气换热器和空气电加热器，空气鼓风机将增压并净化的空气输入空气\富氧空气换热器进行预热，再经空气电加热器加热升温至反应温度后进入电堆系统，二氧化碳电解为吸热反应，空气将提供反应需要的部分热量空气将并与产生的氧气混合形成富氧空气后流出电堆系统，再通过空气\富氧空气换热器进行热量回收后放空；

7、二氧化碳一氧化碳侧系统包括二氧化碳输入和减压设备、二氧化碳一氧化碳换热器、二氧化碳电加热器，二氧化碳输入和减压设备作用为将二氧化碳源和回收的二氧化碳汇合并降压后输入系统，组件为输入管道和减压阀，经过减压后的二氧化碳输入二氧化碳一氧化碳换热器进行预热，再经二氧化碳电加热器加热升温至反应温度后进入电堆系统，二氧化碳于电堆阴极电解后，部分转变为一氧化碳后与未反应的二氧化碳流出电堆，再通过二氧化碳一氧化碳换热器进行热量回收后进入压缩系统；

8、压缩系统包括空冷器和压缩机，自二氧化碳一氧化碳侧系统流出的一氧化碳和未反应的二氧化碳经过空冷器冷却后进入压缩机进行升压，升压后的一氧化碳和二氧化碳混合气进入二氧化碳分离装置；

9、二氧化碳分离装置主要设备为psa变压吸附分离装置，通过改变分子筛的规格、用量和分子筛吸附塔的数量可以控制输出一氧化碳的纯度，提纯后一氧化碳作为产品输出，分离后的二氧化碳则进入二氧化碳一氧化碳侧系统循环利用。

10、优选的，所述固体电解质包括氧化锆基电解质、氧化铈基电解质、氧化铋基电解质、钙钛矿类电解质和磷灰石类电解质以及上述电解质相互掺杂形成的混合电解质。

11、优选的，所述阴极为二氧化碳生成一氧化碳的催化剂，所述阴极材料种类包括ni-ysz、ni-sdc/gdc、cu-ceo2-ysz和复合金属氧化物。

12、优选的，所述阳极为生成氧气的催化剂，所述阳极材料包括掺杂的lamno3、掺杂的lacoo3、la(nife/co)o3。

13、优选的，所述热箱包覆的电堆系统还包括连接体和密封体(密封连接体与电池片的缝隙，保证连接体与电池片间的气密性，主要材料种类包括玻璃-陶瓷密封材料、金属基密封材料和云母基密封材料)。

14、优选的，所述连接体连接相邻反应单元的阳极和阴极，起各反应单元间导电和导热、阻隔相邻单电池间阴阳极侧气体相互混合及通过其内部流道设计均匀分配阴极和阳极气体的作用，所述连接体包括陶瓷连接体和合金连接体两种。

15、优选的，所述密封体密封连接体与电池片的缝隙，保证连接体与电池片间的气密性，所述密封体材料种类包括玻璃-陶瓷密封材料、金属基密封材料和云母基密封材料。

16、优选的，所述二氧化碳源为液态二氧化碳或压缩二氧化碳。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、1)电化学电解转化能源利用率高，电堆技术成熟度相对较高，易工业化，同时可借助控制电解电压和反应催化剂来实现产物调控，且可利用风电、光电等新能源提供电解过程的能源。是当前技术背景下二氧化碳转化制备一氧化碳的最佳方法。

19、2)二氧化碳电化学电解转化方案有以下几种：碱性溶液(alk)或质子交换膜(pem)为电解质的低温电解技术和以固体氧化物为电解质的高温电化学转化技术。理论分析可知，热力学方面，电解所需能量及电解电压均随温度的升高而降低，进而减小电能消耗；动力学方面，高的操作温度可加快电极反应速率，使电极极化电压显著降低，有效地减少电解过程的不可逆能量损失。因此，相对低温电解固体氧化物电解池(soec)具有更高的电解速率和能量转化效率，总电耗降低约30％。此外，soec为全固态结构，电流在电解质中通过o2-离子进行传输，其他分子无法通过固态电解质，阳极和阴极的产物不存在任何混合，彻底解决了安全隐患，同时解决了使用液态电解质所带来的蒸发、腐蚀和电解液流失问题。另外，因其较快的电极反应速率，soec无需采用pt等贵金属电极，进而大大降低成本。soec还可设计成具有一定功率的基本模块，根据需求灵活调整规模。综上所述，soec二氧化碳转化制备一氧化碳目前最可行、最具有前景的技术路径之一。

技术特征：

1.一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，其特征在于，该高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺基于以下设备：

2.根据权利要求1所述的一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，其特征在于：所述固体电解质包括氧化锆基电解质、氧化铈基电解质、氧化铋基电解质、钙钛矿类电解质和磷灰石类电解质以及上述电解质相互掺杂形成的混合电解质。

3.根据权利要求1所述的一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，其特征在于：所述阴极为二氧化碳生成一氧化碳的催化剂，所述阴极材料种类包括ni-ysz、ni-sdc/gdc、cu-ceo2-ysz和复合金属氧化物。

4.根据权利要求1所述的一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，其特征在于：所述阳极为生成氧气的催化剂，所述阳极材料包括掺杂的lamno3、掺杂的lacoo3、la(nife/co)o3。

5.根据权利要求1所述的一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，其特征在于：所述热箱包覆的电堆系统还包括连接体和密封体(密封连接体与电池片的缝隙，保证连接体与电池片间的气密性，主要材料种类包括玻璃-陶瓷密封材料、金属基密封材料和云母基密封材料)。

6.根据权利要求5所述的一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，其特征在于：所述连接体连接相邻反应单元的阳极和阴极，起各反应单元间导电和导热、阻隔相邻单电池间阴阳极侧气体相互混合及通过其内部流道设计均匀分配阴极和阳极气体的作用，所述连接体包括陶瓷连接体和合金连接体两种。

7.根据权利要求5所述的一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，其特征在于：所述密封体密封连接体与电池片的缝隙，保证连接体与电池片间的气密性，所述密封体材料种类包括玻璃-陶瓷密封材料、金属基密封材料和云母基密封材料。

8.根据权利要求1所述的一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，其特征在于：所述二氧化碳源为液态二氧化碳或压缩二氧化碳。

技术总结
本发明属于二氧化碳电解技术领域，具体为一种高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺，该高温固体氧化物电解二氧化碳制一氧化碳工艺基于以下设备：热箱包覆的电堆系统、空气侧系统、二氧化碳一氧化碳侧系统、压缩系统、一氧化碳分离和二氧化碳回收系统；空气侧系统包括空气鼓风机、空气\富氧空气换热器和空气电加热器。电化学电解转化能源利用率高，电堆技术成熟度相对较高，易工业化，同时可借助控制电解电压和反应催化剂来实现产物调控，且可利用风电、光电等新能源提供电解过程的能源。是当前技术背景下二氧化碳转化制备一氧化碳的最佳方法。

技术研发人员：薛超,刘志祥,朱国涛,李双滨,邵力,陈坤,王瑞亭,刘青
受保护的技术使用者：上海翌晶氢能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12