一種光伏發電驅動低溫等離子體二氧化碳加氫轉化利用系統及方法與流程
1.本發明涉及co2利用技術領域，尤其涉及一種光伏發電驅動低溫等離子體二氧化碳加氫轉化利用方法。
背景技術：
2.近年來，溫室效應引發的全球變暖是目前全人類都關注的一個重要問題，其中二氧化碳對全球溫室效應的貢獻約占60％，是引發溫室效應的主要原因，且其危害持續時間最長。實現二氧化碳減排的主要思路有以下三個方面：(1)提高化石燃料利用率，減少資源浪費；(2)調整能源結構，提高新型能源比例；(3)采用二氧化碳捕集利用與封存技術(ccus) 路線。ccus技術作為目前主流的技術路線，在未來一段時間內將是實現co2減排最有效和經濟可行的方式，有望實現化石能源的低碳利用，被廣泛認為是應對全球氣候變化、控制溫室氣體排放的重要技術之一，也是現階段唯一能大幅度減少二氧化碳排放的技術路線之一。
3.co2的轉化利用作為ccus技術的重要一環，包括co2的礦化、制備碳纖維等材料、加氫轉化等。現有的二氧化碳利用技術中，地質封存技術封存量有限，且對于生態環境的影響較大；油田驅油技術目前成熟度較低，效果也并不穩定；而海藻養殖的生物技術受到地域限制大，提取生物燃料需要的成本很高。因此，將co2低成本、高效率的合成燃料或基礎化學品的高值化利用技術，將是突破地域和資源等限制的關鍵。其中co2的催化轉化可以將可再生能源轉化為可儲存的化學能，既可實現co2的資源化轉化，又可以解決在可再生能源面臨的棄風率、棄光率等問題，是減少溫室效應并提供能源資源的一種具有廣闊應用前景的辦法。
4.另一方面，co2的催化轉化技術主要有光催化、熱催化、電催化、等離子體催化、酶催化等。熱催化是從傳統的熱化學方法上添加催化劑演變而來，已經投入工業應用，上海高等研究院工程實現千噸級工業示范裝置累計運行512小時，以熱催化的方式達成5000噸/年的 co2轉化成果，中國科學院大連化物所完成了包括光伏發電、電解水制氫和co2加氫制甲醇的全流程大規模應用。盡管目前co2轉化利用工藝已經形成了大規模的工業示范，但目前的主流轉化工藝依然以傳統熱催化為主。其主要存在以下問題：1.反應條件方面：傳統工業化co2熱催化轉化工藝中反應條件嚴苛(高溫高壓)，對相應的反應器的耐溫耐壓性能要求較高，且復雜的反應條件下，相關設備的損耗和維護成本也居高不下；2.工藝設施方面：傳統工藝，設備復雜，占地面積大，需要配備專業人員進行檢修維護，且改造升級難度大，同時設備的啟停往往有著復雜的工序，靈活度差；3.環境效益方面：傳統的高溫高壓條件主要依賴化石燃料燃燒供熱維持反應條件，在整個工業生產過程中，碳排放大，環境污染重。
5.而本發明提出的一種光伏發電驅動低溫等離子體二氧化碳加氫轉化利用方法及裝置，高度耦合了太陽能光伏發電模塊，制氫模塊和核心co2轉化反應模塊均將可再生能源電力作為反應動力來源，實現了全過程零碳的co2轉化利用。反應條件溫和，工藝設施設備簡單；模塊化集成，便于實現工藝放大；全過程零碳，環境效益高。
技術實現要素：
6.本發明目的在于針對目前技術的弊端，提出一種光伏發電驅動低溫等離子體二氧化碳加氫轉化利用系統及方法，采用低溫介質阻擋放電等離子體技術，實現co2/h2的共活化轉化，耦合太陽能光伏發電和電解水制氫實現co2的轉化利用，改善現有工藝反應條件嚴苛、工藝設施復雜、碳排放大，環境污染重等缺陷，實現高碳排放工廠碳捕集的后端co2利用，在co2高值化學品利用轉化的同時引入太陽能光伏清潔電力，實現全過程零碳轉化。本發明具有反應條件簡單、工藝設施設備便捷、模塊化集成、環境效益高等特點。
7.本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種光伏發電驅動低溫等離子體二氧化碳加氫轉化利用系統，該系統包括太陽能光伏發電裝置、電力電子裝置、電解水制氫裝置、低溫等離子反應陣列和產物分離提純裝置；
8.所述太陽能光伏發電裝置用于進行電力供應，并連接電力電子裝置；
9.所述電力電子裝置用于進行電能變換，同時連接電解水制氫裝置和低溫等離子體反應陣列；
10.所述低溫等離子反應陣列與電解水制氫裝置連接，用于進行co2/h2的活化轉化，由多組介質阻擋放電等離子小型反應器及水電級槽構成，所述小型反應器分別開有進氣管道與出氣管道，用于co2和h2的輸入及產物氣體的輸出，所述水電級槽內蓄有富離子水并接地，作為低溫等離子陣列接地電極；所述低溫等離子反應陣列連接等離子體電源，通過控制co2和h2氣流的流量，并調節低溫等離子體反應陣列的輸入電壓、放電頻率參數，產生氣體擊穿放電形成非熱力學平衡的等離子體反應環境，通過調節水電極槽水位來調節低溫等離子體反應陣列放電區域長度，所述介質阻擋放電電弧促進co2、h2共同活化，實現co2的高效活化和加氫轉化利用，耦合等離子體催化劑，合成相應的目標產物；
11.所述低溫等離子體反應陣列連接產物分離提純裝置，低溫等離子體反應陣列后端尾氣經產物分離提純裝置提純產物后，重新循環進入低溫等離子體反應陣列，進一步反應提高系統整體轉化率。
12.進一步地，所述低溫等離子陣列連接等離子體電源，調制等離子體電源的輸出電壓及輸出頻率參數實現反應氣體擊穿產生等離子體。
13.進一步地，所述太陽能光伏發電裝置采用太陽能光伏發電的波動性能量輸入為低溫等離子陣列和電解水制氫裝置供電。
14.進一步地，所述產物分離提純裝置主要通過氣體分離、冷凝方式提取分離產物。
15.進一步地，所其中水電級槽在不同水位高度上開有多個閥門出口，通過控制閥門開度實現水位調節。
16.進一步地，循環水接地裝置中的蓄水池中可隨時補充富離子水，提高地電極循環水中離子濃度，保障良好接地。
17.進一步地，所述低溫等離子反應陣列中填充等離子體反應催化劑，提高對應產物的產率及選擇性。
18.進一步地，所述介質阻擋放電等離子陣列、電解水制氫裝置及循環水接地裝置電力供應均來自于太陽能光伏發電裝置。
19.本發明還提供了一種光伏發電驅動低溫等離子體二氧化碳加氫轉化利用方法，該方法包括如下步驟：
20.(1)采用太陽能光伏發電裝置進行電力供應，通過電力電子裝置進行電能變換，同時滿足電解水制氫裝置及低溫等離子體反應陣列的功率要求；
21.(2)將co2和h2通入低溫等離子體反應器陣列，通過控制兩種氣流的流量，并調節低溫等離子體反應器陣列的輸入電壓、放電頻率參數，產生氣體擊穿放電形成非熱力學平衡的等離子體反應環境，通過調節水電極槽水位來調節反應器陣列放電區域長度，以實現co2的高效活化和加氫轉化利用，耦合等離子體催化劑，合成相應的目標產物；
22.(3)低溫等離子體反應器陣列尾氣提純后，重新循環進入低溫等離子體反應器陣列，進一步反應提高整體轉化率。
23.本發明的有益效果：
24.(1)反應條件溫和。利用低溫等離子的非平衡態特性，能夠在常溫常壓下打破碳氧雙鍵，使得溫和條件下的高效co2轉化利用成為可能；
25.(2)工藝設施簡單。工藝設施設備簡單，即啟即停，且反應參數如氣流量、功率、處理量等實現靈活調節，可隨生產條件變化而變化，針對不同實際情況可靈活調節工況以得到最佳運行效果；
26.(3)模塊化集成。可按需拓展連接各個模塊，實現工藝放大；
27.(4)環境效益高。裝置整體高度耦合可再生能源發電，實現全過程零碳co2轉化利用。
附圖說明
28.圖1是光伏發電驅動低溫等離子體二氧化碳加氫轉化利用的裝置圖。
29.圖中，1.太陽能光伏板；2.電力電子電能變換裝置；3.電解水制氫裝置；4.高頻交流電源；5.低溫等離子反應陣列；6.循環水接地裝置；7.產物分離提純裝置。
具體實施方式
30.以下結合附圖對本發明具體實施方式作進一步詳細說明。
31.如圖1所示，本發明提供了一種光伏發電驅動低溫等離子體二氧化碳加氫轉化利用系統，該系統包括太陽能光伏發電裝置、電力電子裝置、電解水制氫裝置、低溫等離子反應陣列和產物分離提純裝置；
32.所述太陽能光伏發電裝置1連接電力電子裝置2；所述太陽能光伏發電裝置采用太陽能光伏發電的波動性能量輸入電力電子電能變換裝置2，進行電壓的轉化輸送進行電力供應，使其同時滿足電解水制氫裝置3及低溫等離子體反應陣列5的功率要求；
33.所述電力電子裝置2用于進行電能變換，同時連接電解水制氫裝置3和低溫等離子體反應陣列5；所述電解水制氫裝置3主要通過電解水制氫，作為反應器中的氫氣來源。
34.所述低溫等離子反應陣列5由六組介質阻擋放電等離子小型反應器構成，所述小型反應器為同軸圓柱型介質阻擋放電反應器，分別在反應器的上端和下端開有進氣管道與出氣管道，用于原料氣的輸入及產物氣體的輸出，本發明以產物甲醇為例，輸入為co2和h2，低溫等離子反應陣列5用于進行co2/h2的活化轉化；所述低溫等離子反應陣列中填充等離子體反應催化劑，提高對應產物的產率及選擇性。
35.所述低溫等離子陣列5連接高頻交流電源4，調制等離子體電源的輸出電壓及輸出
頻率參數，電源的輸出的高壓高頻電能夠擊穿反應區域氣體產生介質阻擋放電等離子體電弧；所述介質阻擋放電電弧促進co2、h2共同活化，耦合等離子體催化劑，合成相應的目標產物；
36.所述水電級槽內蓄有富離子水并接地，作為低溫等離子陣列接地電極；所述低溫等離子反應陣列連接等離子體電源，通過控制co2和h2氣流的流量，并調節低溫等離子體反應陣列的輸入電壓、放電頻率參數，產生氣體擊穿放電形成非熱力學平衡的等離子體反應環境，所其中水電級槽在不同水位高度上開有多個閥門出口，通過控制閥門開度實現水位調節。通過調節水電極槽水位來調節低溫等離子體反應陣列放電區域長度，高壓電極總有效長度為 50mm，所述介質阻擋放電電弧促進co2、h2共同活化，實現co2的高效活化和加氫轉化利用，耦合等離子體催化劑，合成相應的目標產物；
37.所述水電級槽外接循環水接地裝置6作為地電極，在接地的同時起到降低反應溫度的作用，提高產物甲醇的產率；循環水接地裝置中的蓄水池中可隨時補充富離子水，提高地電極循環水中離子濃度，保障良好接地。
38.所述低溫等離子體反應陣列連接產物分離提純裝置7，低溫等離子體反應陣列后端尾氣經產物分離提純裝置7提純產物后，重新循環進入低溫等離子體反應陣列，進一步反應提高系統整體轉化率。所述產物分離裝置所述產物分離提純裝置7主要結構為蛇形冷凝管外接5℃的冷卻循環水作為冷阱，將介質阻擋放電等離子反應陣列5出口氣體通過冷阱，冷凝收集液體甲醇產物。產物分離提純裝置主要通過氣體分離、冷凝等方式提取分離產物。
39.本發明還提供了一種光伏發電驅動低溫等離子體二氧化碳加氫轉化利用方法，包括以下步驟：
40.(1)采用太陽能光伏發電裝置進行電力供應，通過變壓器進行電壓的轉化輸送，從而使其同時滿足電解水制氫裝置(180w)及等離子體反應陣列的功率要求(240w)；
41.(2)在介質阻擋放電等離子陣列中填充對應的高效等離子體催化劑，以產物甲醇為例，在等離子體陣列的放電區域中填充40～60目的cu/al2o3/zno催化劑粉末，促進co2加氫合成甲醇反應的定向轉化合成，提升甲醇的產率及選擇性；
42.(3)在循環水接地裝置的蓄水池中裝入3l質量分數為5％的nacl溶液供接地循環；
43.(4)采用介質阻擋放電等離子陣列進行co2/h2的活化轉化，具體為：將co2和來自氫氣發生裝置的h2通入介質阻擋放電等離子陣列，兩種氣體的摩爾比為n(co2):n(h2)＝1:3，并調節介質阻擋放電等離子陣列的輸入電壓(9kv)、放電頻率(9500hz)等參數，關閉水電極槽其他閥門，僅開啟50mm水位處閥門，調控放電區域長度為50mm，產生介質阻擋放電電弧，實現co2的轉化利用；
44.(5)以產物甲醇為例，等離子陣列后端尾氣通過冷阱冷凝液態甲醇后，重新進入低溫等離子陣列，進一步反應轉化。
45.上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
