一种基于氨法脱碳及电催化还原利用的碳循环系统及方法与流程

本发明涉及一种氨法脱碳及电催化还原利用的碳循环系统及方法，涉及脱碳、碳循环及绿色能源应用技术领域。

背景技术：

据统计，2016年化石能源的消耗仍然占全球能源消费总量的85.5％，并且在短期内不会有明显变化。人类对于化石能源(煤炭、石油、天然气)的过度依赖导致温室气体排放中二氧化碳排放浓度上升至80万年来的最高水平，达到3.3百万吨。近年来，二氧化碳的排放量虽然增长速度变缓，但整体仍然呈直线上升趋势。2016年，中国已经成为世界第一大碳排放国，碳排量占比27.3％，超过第二位的美国近11.3个百分点(2016年bp世界能源统计年鉴)。为了解决这一现状，我国已于2015年签署《巴黎协议》，协议目标是2030年我国的二氧化碳排放量要比2005年下降60％-65％。因此，发展二氧化碳的捕集利用及转化存储技术，成为解决温室效应问题，达到协议目标的重要出路。

氨法脱碳技术一直以来都是co2捕集的重要工艺之一。其优点是：1、吸收剂不易被氧化降解；2、具有较高的co2吸收载荷；3、能耗低；4、无腐蚀问题。但是仍存在许多问题，如：1、氨逃逸2、再生能耗高3、反应后期吸收率低等。而新型氨法脱碳工艺可以解决传统工艺存在的问题，该工艺以乙醇为溶析剂，以降低碳化液的溶解度使其超过溶液过饱和度，产生晶体产物。以结晶产物再生实现二氧化碳的低能耗解析。主要有两种实施方法，分别为混合吸收剂法和溶析法，区别为混合吸收剂法是在吸收塔内加入溶析剂并结晶，而溶析法是在吸收塔外进行结晶。溶析法优点：1、过程可单独操作，便于强化结晶；2、结晶收率高；3、晶体粒径小，利于降低解压能耗。这两种实施方法的晶体产物均主要为碳酸氢铵，废液的主要成分为碳酸氢铵、碳酸铵、氨基甲酸铵和乙醇等。

结合我国电力现状处理脱碳产物是十分有前景的。中国石油经济技术研究院对2050年中国发电能源的预测中，显示在我国对清洁能源入网的大力支持下，清洁能源发电比例将占比50％以上。我国正在不断的寻找加强电网消纳清洁能源，有效缓解“弃水、弃风、弃光”状况的方法。截止目前，我国火电机组核准在建规模已高达1.9亿千瓦，出现了明显供大于求的现象。专家预测2020年后燃煤发电装机将达到峰值，那时将有上亿千瓦火电机组成为过剩产能，这将造成大量新建的燃煤发电机组设备闲置或低功率运行。同时，还会严重影响清洁能源发电企业的生产经营。

电催化还原二氧化碳的技术中，以不同电极材料的开发为主，常使用三电极体系。通过不同的电极，即不同的催化剂，将二氧化碳电催化转化为co、甲酸、甲烷、甲醇等清洁能源。因所需电能较大，经济性受到限制，用于催化还原的原料二氧化碳需为高纯度的二氧化碳。因此，技术局限在实验室研究及机理研究上。结合以上现状，提出的一种新型氨法脱碳及电催化还原利用的碳循环技术势在必行。

技术实现要素：

本发明为解决二氧化碳的捕集利用及转化存储问题，提供了一种基于氨法脱碳及电催化还原利用的碳循环系统及方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于氨法脱碳及电催化还原利用的碳循环系统，所述碳循环系统包括：氨法脱碳系统、电催化还原系统、清洁能源回收系统及回炉调控系统；

所述氨法脱碳系统包括冷却器(烟气冷却装置)、co2吸收塔、溶析法强化结晶系统、及固液分离器(固液分离装置)；锅炉烟气经冷却器冷却后进入co2吸收塔，由溶析法强化结晶系统脱除co2并形成碳酸氢铵晶体及碳化液，产物由固液分离器分离后，分别送入电催化还原系统的电催化系统1及电催化系统2；其余烟气由co2吸收塔的烟气出口排出；

所述电催化还原系统分别将已经处理的碳酸氢铵晶体及碳化液，作为消耗的原料进行电催化还原，形成清洁能源co或甲酸；所需电能经由回炉调控系统判断后提供；

所述清洁能源回收系统将电催化还原系统出口的清洁能源经过处理分类后，一部分提供给回炉调控系统，另一部分存储于工业存储装置内用于工业应用；

所述回炉调控系统用于判断锅炉运行状态及是否为电催化系统提供电能，是否进行清洁能源回炉；在火电机组低负荷运行时，系统控制提供给电催化系统的电量，进行电催化还原；高负荷运行时，将从清洁能源回收系统中回收的清洁能源co，回炉助燃并抑制nox生成情况。

进一步地，所述co2吸收塔使用氨法脱碳方法吸收co2，并将溶液通入溶析法强化结晶系统，进行co2吸收的强化结晶及吸收剂的循环应用；产物的晶体及碳化液经由固液分离装置分离后送入电催化还原系统。

进一步地，所述电催化还原系统分为电催化系统1及电催化系统2，电催化系统1电催化还原处理后的碳酸氢铵水溶液，电催化系统2电催化还原处理后的碳化液。

两个系统所用催化剂均以金属催化剂为主，以金属zn、ag、au及经过掺杂其他金属改变性能后的zn、ag、au电极为主，旨在于不通入co2的条件下，将碳酸氢铵或碳化液电解液直接电催化还原为co和h2等清洁能源；以金属bi及sn等及经处理后的bi或sn等电极为主，于不通入co2的条件下，将电解液直接电催化还原为甲酸等清洁能源；电能均由调控系统判断输送。

进一步地，所述清洁能源回收系统包括产物分离装置、液体产物转化装置及液体回送装置，产物分离装置将生成的主要为甲酸的液体产物与主要为co与h2的气体产物分离；液体产物转化装置将液体产物甲酸等转化为co与h2气体；液体回送装置将其余液体回送至液体处理装置，经处理后重新提供给电催化还原系统。

进一步地，所述回炉调控系统包括判断装置及回炉控制装置，所述判断装置用于判断火电机组为高负荷或低负荷运行，调控输送给电催化系统的电量及作用时间；所述回炉控制装置用于调控回收的清洁能源气体量及回炉时间。

一种基于氨法脱碳及电催化还原利用的碳循环方法，所述方法基于上述系统来实现的，所述方法的实现过程为：

首先，将锅炉烟气通入氨法脱碳系统中，烟气经由烟气冷却装置冷却后，通入co2吸收塔进行氨法吸收，吸收塔下端连接的溶析法强化结晶系统，强化co2捕集效率，生成捕碳产物碳酸氢铵晶体及碳化液；生成的产物由固液分离装置分离，将多余的氨水返回吸收塔，晶体及碳化液分别处理后送入电催化还原系统1及系统2；

在电催化还原系统中，控制不同的电压，使用不同的电催化剂将产物进行电催化还原，产生的清洁能源送入清洁能源回收系统；首先进行产物分离，将气体产物一定比例的co与h2气体收集，液体产物输送至转化装置，部分转化为清洁能源气体，部分工业存储；其余液体回送至电催化还原系统；

回炉调控系统的作用是在整个过程中一直存在的，回炉调控系统的判断装置，可判断火电机组所处状态为高负荷或低负荷；从而控制回炉控制装置，在高负荷下，进行清洁能源回炉操作，并控制回炉量及回炉时间；在低负荷下，控制输送给电催化系统的电量及作用时间，实现灵活调控的机制。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明所涉及的一种新型氨法脱碳及电催化还原利用的碳循环技术方法，在原有的氨法脱碳基础上，建立更为有效的新型co2捕集方法，提升了co2的捕集效率。同时，通过电催化还原的方法，将捕集下来的co2转化为可存储的如甲酸、co等清洁能源，形成有效的碳循环系统。该技术方法不仅可以解决新型氨法脱碳产物的应用问题，也可以解决火电机组产能过剩问题，还可以解决电催化还原co2过程中电能及co2源的提供问题。清洁能源的回炉调控系统，不仅可以调节电催化系统的电能供应，还可以在机组低负荷运行时(闲时)利用余电，高负荷运行时(忙时)将co等回炉提升效率降低nox等污染物的排放，形成一种可调控的灵活性的调节机制，实现回炉燃料的提供。

本发明包括氨法脱碳系统、电催化还原系统、清洁能源回收系统及回炉调控系统。火电机组的锅炉尾端烟气通入氨法脱碳系统进行co2脱除，产生的碳酸氢铵晶体及碳化液(碳酸氢铵和碳酸铵等)，处理后经由电催化还原系统催化还原，生成co、甲酸等清洁能源；由清洁能源回收系统回收处理后，一部分用于回炉调控，另一部分用于提供化学工业原料；回炉调控系统在火电机组处于高负荷运行时，提供清洁能源入炉，低负荷运行时将过剩的电能提供给电催化还原系统。本发明解决了电厂因清洁能源入网而产生的产能过剩问题，并能够形成有效的碳循环体制。本发明可用于各类火电机组。

附图说明

图1为本发明所述系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的一种基于氨法脱碳及电催化还原利用的碳循环系统包括：氨法脱碳系统、电催化还原系统、清洁能源回收系统及回炉调控系统；

所述新型氨法脱碳系统包括烟气冷却装置、co2吸收塔、溶析法强化结晶系统、及固液分离装置；锅炉烟气经冷却器冷却后进入co2吸收塔，co2吸收塔使用新型氨法脱碳方法吸收co2，并将溶液通入溶析法强化结晶系统，进行co2吸收的强化结晶及吸收剂的循环应用；产物的晶体及碳化液经由固液分离装置分离，分别送入电催化系统1及电催化系统2。其余烟气由吸收塔气体出口排出；

所述电催化系统分为系统1和系统2，系统1电催化还原处理后的碳酸氢铵水溶液，系统2电催化还原处理后的碳化液。形成co或甲酸等清洁能源；所需电能经由回炉调控系统判断后提供；两个系统所用催化剂不同。

所述清洁能源回收系统包括产物分离装置、液体产物转化装置及液体回送装置，分离装置可将生成的液体清洁能源(主要为甲酸)与气体清洁能源(主要为co与h2)分离；液体产物转化装置可将液体产物甲酸等转化为co与h2气体；液体回送装置将其余液体回送至电催化系统。产生的清洁能源存储于工业存储装置内，一部分提供给回炉调控系统，另一部分用于工业应用；

所述回炉调控系统判断装置及回炉控制装置，用于判断锅炉运行状态及是否为电催化系统提供电能，是否进行清洁能源回炉。所述判断装置用于判断火电机组所处为高负荷运行或低负荷运行，在低负荷运行时，系统控制提供给电催化系统的电量，进行电催化还原，并控制作用时间；于高负荷运行时将从清洁能源回收系统中回收的co等清洁能源回炉助燃并降低nox排放。所述回炉控制装置，用于调控回收的清洁能源气体量及回炉时间。

结合图1对具体实施方式进行说明一种氨法脱碳及电催化还原利用的碳循环方法：

首先，将锅炉烟气通入新型氨法脱碳系统中，烟气经由烟气冷却装置冷却后，通入co2吸收塔进行氨法吸收，吸收塔下端连接的溶析法强化结晶系统，强化co2捕集效率，生成捕碳产物碳酸氢铵晶体及碳化液。生成的产物由固液分离装置分离，将多余的氨水返回吸收塔，晶体及碳化液分别处理后送入电催化还原系统1及系统2。

在电催化还原系统中，控制不同的电压，使用不同的电催化剂将产物进行电催化还原，产生的清洁能源送入清洁能源回收系统。首先进行产物分离，将气体产物一定比例的co与h2气体收集，液体产物输送至转化装置，部分转化为清洁能源气体，部分工业存储。其余液体回送至电催化还原系统。

回炉调控系统的作用是在整个过程中一直存在的，判断装置，可以判断火电机组所处状态为高负荷或低负荷。从而控制回炉控制装置，在高负荷下，进行清洁能源回炉操作，并控制回炉量及回炉时间。低负荷下，控制输送给电催化系统的电量及作用时间。实现一种灵活调控的机制。

本发明的验证效果说明：

本发明所述氨法脱碳系统对co2的脱除效率可达98.5％，碳酸氢铵的晶体收晶情况良好，以晶体再生代替富液再生，大大降低再生能耗。从整合结果可以看出，整合后的热力系统具有深度节能的效果，可以回收低温余能48.62mw。而电催化系统中，所用电极对电解液nh4hco3等的还原效率中，co与h2的比例可在较低过电位(-1.5vs.ag/agcl)时达到1:1-1:2，实现在较低能耗下，生成水煤气并再次利用。新型氨法脱碳系统与电催化系统协同作用，并通过回炉调控系统的智能调节，实现整个单元性能源调控机制建立，初步实现能源与信息的融合。