液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统及方法与流程

1.本发明涉及温室气体减排及资源化利用技术领域，具体为液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统及方法。


背景技术：

2.全球气候变化是人类可持续发展的最大威胁，应对气候变化是关乎生存发展权的非传统国家安全问题，应对气候变化以控制co2排放为主要目标，工业以及电力行业等是co2的集中稳定排放源，约占co2排放总量的50％。针对这些固定点源的co2减排，主要是利用co2捕集与封存(ccus)技术，此技术是一种具有大规模co2减排潜力的技术。但是，除了工业以及电力行业等固定点源的co2排放，还有接近50％分布源排放的co2，从空气中直接捕碳技术可对这些分布源的co2进行捕集和利用，与ccus技术从燃煤电厂捕碳不同，从空气中直接捕碳受地点限制较小，可以在各地广泛开展，而且，从空气中直接捕碳能降低空气中co2的浓度，可以解决“存量”的问题。
3.目前，人们对能源的需求量越来越大，化石燃料的储量逐渐减少，且燃烧化石燃料造成的温室效应问题日趋严重，如何将co2等温室气体转换为有价值的清洁能源成为了一个亟需解决的问题，甲醇是co2加氢产物之一，它是结构最为简单的饱和一元醇，作为基础有机化工原料，其消费量仅次于乙烯、丙烯和苯，主要用于塑料、精细化学品、石油化工等领域。此外，甲醇也是一种新型的清洁能源，由于其具有良好的抗爆性和高辛烷值，可以作为车用燃料，目前工业上通过co2及氢气制备甲醇的流程一般需要在高温高压的条件(30个大气压及200℃以上)下进行，这种高温高压的条件不但限制了甲醇的规模化生产，而且造成了额外的能源浪费为此，我们提出液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统及方法。


技术实现要素：

4.鉴于上述和/或现有液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统及方法中存在的问题，提出了本发明。
5.因此，本发明的目的是提供液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统及方法，通过当可再生能源发电系统具有弃电输出时，驱动空气捕碳系统工作，利用化学吸收法直接从空气中捕集二氧化碳，捕集得到的二氧化碳在甲醇合成系统中与水重整合成为甲醇，能够解决上述提出现有的问题。
6.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统，其包括：空气捕碳系统和甲醇合成系统；所述空气捕碳系统连接空气压缩装置、二氧化碳吸收装置、二氧化碳再生装置和二氧化碳储存装置；甲醇合成系统连接水储存装置、催化剂装置、水加热装置、气体混合装置和甲醇合
成装置；所述二氧化碳储存装置通过二氧化碳阀门与气体混合装置和水储存装置连接，所述甲醇合成装置为介质阻挡放电反应器；空气捕碳系统和甲醇合成系统通过可再生能源发电系统产生的弃电进行供电。
7.作为本发明所述的液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统的一种优选方案，其中：所述二氧化碳吸收装置连接冷富液泵和换热装置，所述换热装置另一端通过富液储存装置连接热富液泵，所述热富液泵连接二氧化碳再生装置。
8.作为本发明所述的液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统的一种优选方案，其中：所述换热装置具有富液进口、富液出口、贫液进口和贫液出口，所述换热装置的富液进口与二氧化碳吸收装置的富液出口连接，所述换热装置的富液出口与二氧化碳再生装置的富液进口连接。
9.作为本发明所述的液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统的一种优选方案，其中：所述换热装置的富液进口与二氧化碳吸收装置的富液出口之间设置有冷富液泵。
10.作为本发明所述的液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统的一种优选方案，其中：所述二氧化碳再生装置和二氧化碳储存装置之间设置有二氧化碳压缩装置。
11.作为本发明所述的液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统的一种优选方案，其中：所述二氧化碳再生装置具有富液进口、二氧化碳出口、贫液进口和贫液出口，所述二氧化碳再生装置的贫液出口与换热装置的贫液进口之间设置有热贫液泵，所述二氧化碳再生装置的贫液出口和贫液进口之间设置有加热装置，所述热贫液泵连接水泵。
12.作为本发明所述的液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统的一种优选方案，其中：所述二氧化碳吸收装置具有空气进口、富液出口、贫液进口和空气出口，所述二氧化碳吸收装置的空气进口连接空气压缩装置的出气口，所述二氧化碳吸收装置的贫液进口与换热装置的贫液出口之间设置有依次连接的贫液储存装置和冷贫液泵。
13.作为本发明所述的液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统的一种优选方案，其中：所述二氧化碳吸收装置设置为二氧化碳吸收塔，所述二氧化碳吸收塔内设置有二氧化碳吸收剂。
14.作为本发明所述的液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统的一种优选方案，其中：所述二氧化碳再生装置设置为二氧化碳再生塔。
15.液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统的方法，包括以下操作方法：可再生能源发电系统具有弃电输出时，驱动空气捕碳系统工作，利用空气捕碳系统从空气中直接捕碳，然后利用甲醇合成系统中介质阻挡放电反应器，基于等离子体的co2和水重整合成甲醇。
16.与现有技术相比：本发明提供的利用二氧化碳和水合成甲醇的装置，利用空气捕碳系统从空气中直接捕碳，然后利用甲醇合成系统中介质阻挡放电反应器，基于等离子体的co2和水重整合成甲醇，实现了甲醇合成过程中co2的连续供应，节省了原料的运输成本，在降低碳减排的同时实现了co2的资源化利用。
附图说明
17.图1为本发明提供的系统连接示意图。
18.图中：可再生能源发电系统1、空气捕碳系统2、甲醇合成系统3、空气压缩装置4、二氧化碳吸收装置5、冷富液泵6、换热装置7、富液储存装置8、热富液泵9、二氧化碳再生装置10、加热装置11、热贫液泵12、贫液储存装置13、冷贫液泵14、二氧化碳压缩装置15、二氧化碳储存装置16、二氧化碳阀门17、气体混合装置18、水储存装置19、水泵20。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
20.本发明提供液体二氧化碳与甲醇合成富氧燃料的系统及方法，请参阅图1，包括空气捕碳系统2和甲醇合成系统3；空气捕碳系统2包括依次连接的空气压缩装置4、二氧化碳吸收装置5、二氧化碳再生装置10、二氧化碳储存装置16；可再生能源发电系统1可为风力发电系统或光伏发电系统，可再生能源发电系统1可为装置内任何需要能量的部件进行供电，以提供所需的能量，可再生能源发电系统1与再沸器连接，为再生塔提供热量，可再生能源发电系统1与水加热器连接，将水加热为水蒸气，可再生能源发电系统1与介质阻挡放电反应器连接，通电后介质阻挡放电反应器内形成等离子区，进行介质阻挡放电反应，反应中水分子被放电击穿产生了化学性质活跃的氢离子基，氢离子基进一步与co2发生反应合成甲醇，与co2和氢气催化加氢制甲醇相比，基于等离子体的co2和水直接合成甲醇，既减少了反应流程，还能避免电解水制氢所需要的额外能耗，大大提高了能源利用率；甲醇合成系统3包括依次连接的水储存装置19、水加热装置、气体混合装置18和甲醇合成系统3，二氧化碳储存装置16的出气口与气体混合装置18的二氧化碳进气口连接，甲醇合成系统3为介质阻挡放电反应器，在甲醇合成系统3的气体混合器中，为保证co2充分转化，水蒸气和co2气体混合时的摩尔比为(6~12)：1；甲醇合成系统3为介质阻挡放电反应器，介质阻挡放电反应器为本领域常规介质阻挡放电反应器，可通过市购获得或通过现有技术自行设计获得，介质阻挡放电反应器为一种介质阻挡放电装置，包括进气管、出气管、高级电压、接地电极、绝缘介质和气体分布器，二氧化碳和水蒸气的混合气体从进气管中进入，合成的甲醇气体从出气管中排出。
21.通过利用二氧化碳和水合成甲醇的装置，利用空气捕碳系统2从空气中直接捕碳，然后利用甲醇合成系统3中介质阻挡放电反应器，基于等离子体的co2和水重整合成甲醇，实现了甲醇合成过程中co2的连续供应，节省了原料的运输成本，在降低碳减排的同时实现了co2的资源化利用；空气压缩装置4为空气压缩机，二氧化碳吸收装置5为二氧化碳吸收塔，吸收塔内设置有二氧化碳吸收剂，二氧化碳吸收剂可以为单乙醇胺、混合胺或多孔液体，多孔液体可为zif-8/乙二醇、zsm-5/大体积离子液体，通过co2与吸收剂之间的化学反应来捕集空气中的co2；换热装置7为换热器，吸收塔与富液储存罐之间连接有换热器，有利于提高能源的
利用率，降低成本；二氧化碳再生装置10可为二氧化碳再生塔，二氧化碳富液在再生塔中在高温作用下进行解析进而释放二氧化碳，控制再生塔内富液温度为110-120℃，二氧化碳吸收塔和再生塔均为填料塔，采用惰性金属填料，填料的作用是保证气液两相充分接触；二氧化碳储存装置16为二氧化碳储存罐，水储存装置19为水储存罐、水加热装置为水加热器、气体混合装置18为气体混合器；通过可再生能源发电系统1中的弃电为空气捕碳系统2和甲醇合成系统3供电，空气通过空气压缩机进入二氧化碳吸收塔，吸收塔中的碳捕集化学吸收剂对co2进行选择性吸收，吸收co2后的富液自吸收塔底部的富液出口流出后经过换热器进入富液储存罐，富液储存罐中的富液经过管路输送至二氧化碳再生塔进行co2再生，再生后含有吸收剂的贫液从再生塔的底部流出并经过换热器输送至贫液储存罐备用，再生过程得到的co2气体经二氧化碳压缩机送至二氧化碳储存罐，水储存罐中的水经过水加热器后与二氧化碳储存罐中的co2在气体混合器中进行混合，之后将混合后的气体经过管路输送至甲醇合成装置23中进行反应，从而得到甲醇。
22.在具体使用时，本领域技术人员当可再生能源发电系统1具有弃电输出时，驱动空气捕碳系统2工作，利用空气捕碳系统2从空气中直接捕碳，然后利用甲醇合成系统3中介质阻挡放电反应器，基于等离子体的co2和水重整合成甲醇。
23.虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。