本發明屬于碳捕集、利用，具體涉及一種靈活高效的二氧化碳高溫捕集與原位轉化裝置及方法。

背景技術：

1、碳捕集、利用與封存(ccus：carbon?capture，utilization?and?storage)是一項應對全球氣候變化、控制溫室氣體排放最重要的技術路徑，現代工業生產中co2的排放源很多，如水泥、鋼鐵、電力、煤化工及煉化廠等都是co2排放大戶。針對co2排放問題，各個行業均進行了co2的捕集、利用和封存方面的研究探索，每個行業又根據自身行業特點，形成了多種co2捕集、利用和封存的技術方法。

2、目前碳捕集規模化研究重點集中于電力行業，其中針對燃煤電廠燃燒后煙道氣的化學吸收捕集法是較為成熟的技術，但是高溫煙氣需要逐級換熱才能在低溫下吸收，并且其溶劑高成本和再生高能耗，致使燃煤電廠的能耗額外增加約30％。同時捕集后的co2異地存儲，需高額輸運費用，并且安全隱患等問題也飽受質疑。吸附法技術上也較為成熟，但一般僅用于氣體成分確定的工況，吸附劑的容量和co2選擇性較低，成本偏高，一般也僅用于低溫氣。膜法通常不能實現高度的分離，需進行多個階段和/或循環利用，導致復雜性、能耗和成本的增加，同時氣體中的雜質成分也可能造成堵塞。上述這些方法捕集后，得到的也僅僅是高濃度的co2氣體，后續運輸、利用等也是一個值得關注的問題。開發co2捕集并轉化為高附加值化學品技術是關鍵。

3、近年企事業、科研單位和高等院校共同參與，圍繞配套政策、相關理論和關鍵技術進行了一系列研究，建立起專業的研究隊伍，取得了一批成果和進步。國內主要工業試點和示范工程的具體情況如下：華能集團于2009年12月在上海石洞口第二電廠啟動的co2捕集示范項目使用了具有自主知識產權的co2捕集技術，年捕集co2規模達12萬噸，捕集co2純度達到99.5％以上。捕集的co2部分經過精制系統后用于食品加工行業，其余部分用于工業生產。該捕集裝置在投產時是當時世界上最大的燃煤電廠煙氣co2捕集裝置。華能天津綠色煤電250mw級igcc機組于2011年建成投產，于2016年建成400mw容量且配備co2捕集裝置的igcc機組，示范工程旨在研究開發、示范推廣co2近零排放的煤基發電系統，同時可大幅提高發電效率，并掌握大型煤氣化工程的設計、建設和運行技術。

4、國際上有3家企業建立了鈣循環捕集co2的中試示范，包括西班牙la?pereda公司的1.7mwth電廠煙道氣co2捕集示范系統、德國darmstadt公司的1mwth電廠煙道氣co2捕集示范系統、中國臺灣itri研究院的3kwth電廠煙道氣co2捕集中試，均采用鈣循環雙流化床循環捕集系統，實現煙氣中的co2捕集與再生。

5、上述這些技術都集中在co2捕集方面，不涉及轉化和后續利用。已公開的專利對co2捕集和轉化的研究多集中于催化劑。由于co2捕集是強放熱反應，轉化過程是強吸熱反應，反應過程的溫度和熱量控制極為關鍵，流程的設計和反應器的型式是決定技術是否可行的關鍵。對于強吸放熱的反應，通常采取的措施包括：采用盤管取熱/補熱，采用直接燃燒加熱，采用流化床、移動床等，這些方法用于co2捕集和轉化方面都存在一些問題。采用盤管取熱/補熱一方面，隨著捕集/轉化過程的切換，盤管內一會兒吸熱，一會兒取熱，控制困難；另一方面，由于催化劑床層內反應不均勻，很難避免局部過熱/過冷。采用直接燃燒加熱的方式，往往存在燃燒后氣體過熱的問題。以常用的cao/caco3類吸附劑為例，當溫度＞850～900℃時，吸附劑就會熔融燒結，而co2轉化過程一般又需要500～700℃以上的反應溫度，如果采用直接燃燒補熱，溫度過高，吸附劑就會熔融燒結失活；如果溫度控制到小于800℃，受溫差限制補熱量又很有限，或者需要補充的燃料氣和助燃氣體過多，造成產物嚴重稀釋，導致有效氣濃度降低。如果反應器采用流化床、移動床等型式，由于工業煙氣大多為常壓或低壓，受壓力限制，用常規手段基本無法實現。

6、cn202011629677.3公開了一種原位轉化電廠輸出煙氣中二氧化碳的方法及其反應器，該方法利用高溫煙道氣的熱量對碳酸鹽進行加熱，并使其形成熔融碳酸鹽漿態床。同時又向反應器內加入煤粉，在高溫下形成焦炭和揮發性氣體，焦炭與二氧化碳在熔融碳酸鹽的催化下形成煤氣，揮發性氣體則與二氧化碳反應生成合成氣。該反應中煤粉和二氧化碳反應為吸熱反應、二氧化碳轉化成合成氣也是吸熱反應，以二氧化碳與甲烷反應為例，當量配比的二氧化碳和甲烷反應需吸熱337kw，若僅靠輸入的高溫煙氣中的熱量，則無法維持反應進行長周期運行。且該反應器類似于移動床，壓降過大，通常煙道氣壓力較低，壓降過大會限制該技術的應用。

7、cn201821322948.9公開了一種催化反應設備，該設備為兩段裝有不同催化劑的反應器，上段裝有二氧化碳和氫氣反應的催化劑，下段裝有甲烷、氧氣和水蒸汽反應的催化劑，二氧化碳進入上部反應段后，與氫氣反應生成一氧化碳，一氧化碳由頂部排出。二氧化碳加氫為強吸熱反應，當量配比的二氧化碳和氫氣反應，每反應5％就會造成150℃的溫降，該設備在無熱量持續輸入的情況下，反應過程無法持續進行。此外，該設備并不涉及從工業高溫煙氣中進行二氧化碳的捕集，僅是對二氧化碳加氫反應和甲烷、氧氣和水蒸氣反應的反應器進行了集成。

8、cn202010200151.7公開了一種還原爐系統，該系統在還原二氧化碳的工藝中將二氧化碳和蘭炭作為反應對象，高溫條件下二氧化碳和蘭炭生成一氧化碳。首先，二氧化碳還原為一氧化碳的過程為強吸熱反應，若無持續熱量補充，反應無法自持；其次，工業煙氣中含有除二氧化碳以外的雜質，與蘭炭、水蒸氣、氧氣反應易形成酚類物質和焦油，因此該還原爐系統無法用于工業煙氣中二氧化碳的捕集；最后，該還原爐系統類似于流化床，工業煙氣通常為常壓或微正壓氣體，流化床壓降過大，反應無法進行。

9、目前國內外公開的專利、文獻等集中在co2捕集方面以及對高純度co2資源化利用研究方面，而對于工業高溫煙氣中co2捕集與原位資源化轉化方面的研究少有涉及。對工業高溫煙氣中co2進行高效捕集，并將捕獲的co2原位資源化轉化成合成氣產品，以便于后續合成具有高附加值的輕質烴類等化學產品，一方面可提高能源利用率、進行碳減排，另一方面可避免捕集過程涉及到頻繁的降溫/升溫帶來高能耗問題。此外，co2原位資源化轉化也解決了co2捕獲后提純和運輸的高額費用，以及埋存所帶來的安全隱患，對提高整個co2減排過程的可行性和經濟性，具有重要的意義。

技術實現思路

1、本發明針對上述背景技術的不足，提供一種靈活高效的二氧化碳高溫捕集與原位轉化裝置及方法，從工業高溫煙氣中捕集二氧化碳，并將其原位資源化轉化為合成氣。

2、本發明的技術方案如下：

3、一種靈活高效的二氧化碳高溫捕集與原位轉化裝置，包括第一反應器、第二反應器、加熱管、第一導熱鹽泵、第二導熱鹽泵、第一電加熱器及第二電加熱器；第一反應器及第二反應器內設置有催化材料床層；加熱管一側穿過第一反應器催化材料床層后分別與第一導熱鹽泵及第二電加熱器連接，加熱管另一側穿過第二反應器催化材料床層后分別與第一電加熱器及第二導熱鹽泵連接；第一導熱鹽泵與第一電加熱器連接，第二導熱鹽泵與第二電加熱器連接。

4、本發明一種靈活高效的二氧化碳高溫捕集與原位轉化裝置，其進一步特征在于：所述第一反應器、第二反應器型式為下進上出、上進下出或側進側出、外周進中間出、中間進外圍出等型式。

5、本發明一種靈活高效的二氧化碳捕集與原位轉化裝置裝置，其進一步特征在于：第一反應器、第二反應器內均設置進氣分布器。

6、本發明一種靈活高效的二氧化碳高溫捕集與原位轉化方法，使用上述靈活高效的二氧化碳高溫捕集與原位轉化裝置，包括以下步驟：

7、1)含二氧化碳氣體進入第一反應器，在反應器床層發生吸附反應，氣體中的二氧化碳被催化材料吸附捕集，吸附反應放熱被床層中加熱管內熔融態的導熱鹽吸收，床層和氣體溫度升高；第一反應器頂部產出脫碳后氣體；

8、2)與此同時，還原性氣體進入第二反應器，還原性氣體與第二反應器床層內吸附飽和二氧化碳的催化材料進行轉化再生反應，催化材料得到再生，第二反應器頂部產生產物合成氣；反應所需熱量由加熱管內熔融態的導熱鹽經第一導熱鹽泵送入第二反應器，熱量不足部分由第一電加熱器補充提供；

9、3)當第一反應達到預期吸附效果后，兩臺反應器交換進料，第一反應器進行轉化再生反應，第二反應器發生吸附反應，第一反應器反應所需熱量由加熱管內熔融態的導熱鹽經第二導熱鹽泵送入第一反應器，熱量不足部分由第二電加熱器補充提供；交換進料后第一反應器頂部產生產物合成氣，第二反應器頂部產生脫碳后氣體；

10、4)重復步驟1)-步驟3)，循環進行反應。

11、本發明一種靈活高效的高溫二氧化碳捕集與原位轉化裝置方法，其進一步特征在于：交換進料前先以高溫惰性氣體吹掃反應器。

12、本發明一種靈活高效的高溫二氧化碳捕集與原位轉化裝置方法，其進一步特征在于：反應器也可以是多臺，其中部分反應器處于吸附反應狀態，部分反應器處于轉化再生狀態。

13、本發明一種靈活高效的高溫二氧化碳捕集與原位轉化裝置方法，其進一步特征在于：采用多臺反應器時，切換進料既可以多臺反應器同時切換，也可以逐臺反應器獨立切換，以減少對上游氣體造成的波動等影響。

14、本發明一種靈活高效的二氧化碳高溫捕集與原位轉化方法，其進一步特征在于：熔融態導熱鹽在400℃以上時轉變為熔融態。

15、本發明所述預期吸附效果(吸附劑飽和吸附容量)，既可以是根據設計切換時間，進行時序控制；又可以是根據脫碳后氣體二氧化碳含量，進行在線控制；還可以采用其它控制方法。

16、本發明所述還原性氣體指可以與co2反應生成合成氣的氣體，如h2、ch4、c2h6等，或者是這些氣體中一種或兩種以上混合物，或者是這些氣體與惰性氣體(如氮氣)的混合氣。當分別通入這些氣體時，會發生如下反應：

17、co2+2h2＝co+h2o+h2

18、或co2+h2＝co+h2o

19、co2+ch4＝2co+2h2

20、2co2+c2h6＝4co+3h2

21、本發明所述催化材料指具有二氧化碳吸附和催化轉化雙功能的固體顆粒，如負載有co、ni、鑭系金屬等活性成分的cao材料等；本發明所述熔融態的導熱鹽指具有蓄熱和導熱功能的鹽類材料，在反應溫度下為熔融狀態，如硝酸鹽類和碳酸鹽類等。

22、步驟1)所述加熱管均勻分布在催化材料中間，且加熱管間以一定間距布置，加熱管數量越多且越均勻布置，床層溫升越低，但床層有效空間利用率也更低，反之亦然。催化材料量a(m3)由需要吸附的二氧化碳量a1(t/h)、材料吸附容量a2(t/m3)和設計切換時間a3(h)確定，具體計算公式如下：

23、a＝a1xa3/a2

24、導熱鹽的量由含二氧化碳氣體入口溫度、氣體組成和比熱、吸附的二氧化碳反應放熱量、催化材料量和比熱、導熱鹽比熱、反應器熱損失、希望控制的反應器床層最終溫度等共同確定。

25、本發明的有益效果如下：

26、1.二氧化碳吸附和轉化在接近的溫度、壓力條件下原位完成，既能充分提高能源利用率、有效降低減排成本，又能避免捕集降溫/轉化升溫的高能耗，解決co2捕獲后提純和運輸的高額費用，以及埋存所帶來的安全隱患；

27、2.反應器本質安全，可以避免傳統反應器因反應不均勻、換熱介質意外中斷等導致的反應器和催化材料超溫、損壞的可能性；

28、3.可以實現吸附放熱/轉化吸熱過程的熱量原位耦合利用，較現有反應器節能50％以上；

29、4.反應器壓降低，可以適用于絕大部分工業煙氣工況；

30、5.流程簡單，易于操作維護，投資低，占地小。