一种光伏发电驱动低温等离子体二氧化碳加氢转化利用系统及方法与流程
1.本发明涉及co2利用技术领域，尤其涉及一种光伏发电驱动低温等离子体二氧化碳加氢转化利用方法。
背景技术：
2.近年来，温室效应引发的全球变暖是目前全人类都关注的一个重要问题，其中二氧化碳对全球温室效应的贡献约占60％，是引发温室效应的主要原因，且其危害持续时间最长。实现二氧化碳减排的主要思路有以下三个方面：(1)提高化石燃料利用率，减少资源浪费；(2)调整能源结构，提高新型能源比例；(3)采用二氧化碳捕集利用与封存技术(ccus) 路线。ccus技术作为目前主流的技术路线，在未来一段时间内将是实现co2减排最有效和经济可行的方式，有望实现化石能源的低碳利用，被广泛认为是应对全球气候变化、控制温室气体排放的重要技术之一，也是现阶段唯一能大幅度减少二氧化碳排放的技术路线之一。
3.co2的转化利用作为ccus技术的重要一环，包括co2的矿化、制备碳纤维等材料、加氢转化等。现有的二氧化碳利用技术中，地质封存技术封存量有限，且对于生态环境的影响较大；油田驱油技术目前成熟度较低，效果也并不稳定；而海藻养殖的生物技术受到地域限制大，提取生物燃料需要的成本很高。因此，将co2低成本、高效率的合成燃料或基础化学品的高值化利用技术，将是突破地域和资源等限制的关键。其中co2的催化转化可以将可再生能源转化为可储存的化学能，既可实现co2的资源化转化，又可以解决在可再生能源面临的弃风率、弃光率等问题，是减少温室效应并提供能源资源的一种具有广阔应用前景的办法。
4.另一方面，co2的催化转化技术主要有光催化、热催化、电催化、等离子体催化、酶催化等。热催化是从传统的热化学方法上添加催化剂演变而来，已经投入工业应用，上海高等研究院工程实现千吨级工业示范装置累计运行512小时，以热催化的方式达成5000吨/年的 co2转化成果，中国科学院大连化物所完成了包括光伏发电、电解水制氢和co2加氢制甲醇的全流程大规模应用。尽管目前co2转化利用工艺已经形成了大规模的工业示范，但目前的主流转化工艺依然以传统热催化为主。其主要存在以下问题：1.反应条件方面：传统工业化co2热催化转化工艺中反应条件严苛(高温高压)，对相应的反应器的耐温耐压性能要求较高，且复杂的反应条件下，相关设备的损耗和维护成本也居高不下；2.工艺设施方面：传统工艺，设备复杂，占地面积大，需要配备专业人员进行检修维护，且改造升级难度大，同时设备的启停往往有着复杂的工序，灵活度差；3.环境效益方面：传统的高温高压条件主要依赖化石燃料燃烧供热维持反应条件，在整个工业生产过程中，碳排放大，环境污染重。
5.而本发明提出的一种光伏发电驱动低温等离子体二氧化碳加氢转化利用方法及装置，高度耦合了太阳能光伏发电模块，制氢模块和核心co2转化反应模块均将可再生能源电力作为反应动力来源，实现了全过程零碳的co2转化利用。反应条件温和，工艺设施设备简单；模块化集成，便于实现工艺放大；全过程零碳，环境效益高。
技术实现要素：
6.本发明目的在于针对目前技术的弊端，提出一种光伏发电驱动低温等离子体二氧化碳加氢转化利用系统及方法，采用低温介质阻挡放电等离子体技术，实现co2/h2的共活化转化，耦合太阳能光伏发电和电解水制氢实现co2的转化利用，改善现有工艺反应条件严苛、工艺设施复杂、碳排放大，环境污染重等缺陷，实现高碳排放工厂碳捕集的后端co2利用，在co2高值化学品利用转化的同时引入太阳能光伏清洁电力，实现全过程零碳转化。本发明具有反应条件简单、工艺设施设备便捷、模块化集成、环境效益高等特点。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光伏发电驱动低温等离子体二氧化碳加氢转化利用系统，该系统包括太阳能光伏发电装置、电力电子装置、电解水制氢装置、低温等离子反应阵列和产物分离提纯装置；
8.所述太阳能光伏发电装置用于进行电力供应，并连接电力电子装置；
9.所述电力电子装置用于进行电能变换，同时连接电解水制氢装置和低温等离子体反应阵列；
10.所述低温等离子反应阵列与电解水制氢装置连接，用于进行co2/h2的活化转化，由多组介质阻挡放电等离子小型反应器及水电级槽构成，所述小型反应器分别开有进气管道与出气管道，用于co2和h2的输入及产物气体的输出，所述水电级槽内蓄有富离子水并接地，作为低温等离子阵列接地电极；所述低温等离子反应阵列连接等离子体电源，通过控制co2和h2气流的流量，并调节低温等离子体反应阵列的输入电压、放电频率参数，产生气体击穿放电形成非热力学平衡的等离子体反应环境，通过调节水电极槽水位来调节低温等离子体反应阵列放电区域长度，所述介质阻挡放电电弧促进co2、h2共同活化，实现co2的高效活化和加氢转化利用，耦合等离子体催化剂，合成相应的目标产物；
11.所述低温等离子体反应阵列连接产物分离提纯装置，低温等离子体反应阵列后端尾气经产物分离提纯装置提纯产物后，重新循环进入低温等离子体反应阵列，进一步反应提高系统整体转化率。
12.进一步地，所述低温等离子阵列连接等离子体电源，调制等离子体电源的输出电压及输出频率参数实现反应气体击穿产生等离子体。
13.进一步地，所述太阳能光伏发电装置采用太阳能光伏发电的波动性能量输入为低温等离子阵列和电解水制氢装置供电。
14.进一步地，所述产物分离提纯装置主要通过气体分离、冷凝方式提取分离产物。
15.进一步地，所其中水电级槽在不同水位高度上开有多个阀门出口，通过控制阀门开度实现水位调节。
16.进一步地，循环水接地装置中的蓄水池中可随时补充富离子水，提高地电极循环水中离子浓度，保障良好接地。
17.进一步地，所述低温等离子反应阵列中填充等离子体反应催化剂，提高对应产物的产率及选择性。
18.进一步地，所述介质阻挡放电等离子阵列、电解水制氢装置及循环水接地装置电力供应均来自于太阳能光伏发电装置。
19.本发明还提供了一种光伏发电驱动低温等离子体二氧化碳加氢转化利用方法，该方法包括如下步骤：
20.(1)采用太阳能光伏发电装置进行电力供应，通过电力电子装置进行电能变换，同时满足电解水制氢装置及低温等离子体反应阵列的功率要求；
21.(2)将co2和h2通入低温等离子体反应器阵列，通过控制两种气流的流量，并调节低温等离子体反应器阵列的输入电压、放电频率参数，产生气体击穿放电形成非热力学平衡的等离子体反应环境，通过调节水电极槽水位来调节反应器阵列放电区域长度，以实现co2的高效活化和加氢转化利用，耦合等离子体催化剂，合成相应的目标产物；
22.(3)低温等离子体反应器阵列尾气提纯后，重新循环进入低温等离子体反应器阵列，进一步反应提高整体转化率。
23.本发明的有益效果：
24.(1)反应条件温和。利用低温等离子的非平衡态特性，能够在常温常压下打破碳氧双键，使得温和条件下的高效co2转化利用成为可能；
25.(2)工艺设施简单。工艺设施设备简单，即启即停，且反应参数如气流量、功率、处理量等实现灵活调节，可随生产条件变化而变化，针对不同实际情况可灵活调节工况以得到最佳运行效果；
26.(3)模块化集成。可按需拓展连接各个模块，实现工艺放大；
27.(4)环境效益高。装置整体高度耦合可再生能源发电，实现全过程零碳co2转化利用。
附图说明
28.图1是光伏发电驱动低温等离子体二氧化碳加氢转化利用的装置图。
29.图中，1.太阳能光伏板；2.电力电子电能变换装置；3.电解水制氢装置；4.高频交流电源；5.低温等离子反应阵列；6.循环水接地装置；7.产物分离提纯装置。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
31.如图1所示，本发明提供了一种光伏发电驱动低温等离子体二氧化碳加氢转化利用系统，该系统包括太阳能光伏发电装置、电力电子装置、电解水制氢装置、低温等离子反应阵列和产物分离提纯装置；
32.所述太阳能光伏发电装置1连接电力电子装置2；所述太阳能光伏发电装置采用太阳能光伏发电的波动性能量输入电力电子电能变换装置2，进行电压的转化输送进行电力供应，使其同时满足电解水制氢装置3及低温等离子体反应阵列5的功率要求；
33.所述电力电子装置2用于进行电能变换，同时连接电解水制氢装置3和低温等离子体反应阵列5；所述电解水制氢装置3主要通过电解水制氢，作为反应器中的氢气来源。
34.所述低温等离子反应阵列5由六组介质阻挡放电等离子小型反应器构成，所述小型反应器为同轴圆柱型介质阻挡放电反应器，分别在反应器的上端和下端开有进气管道与出气管道，用于原料气的输入及产物气体的输出，本发明以产物甲醇为例，输入为co2和h2，低温等离子反应阵列5用于进行co2/h2的活化转化；所述低温等离子反应阵列中填充等离子体反应催化剂，提高对应产物的产率及选择性。
35.所述低温等离子阵列5连接高频交流电源4，调制等离子体电源的输出电压及输出
频率参数，电源的输出的高压高频电能够击穿反应区域气体产生介质阻挡放电等离子体电弧；所述介质阻挡放电电弧促进co2、h2共同活化，耦合等离子体催化剂，合成相应的目标产物；
36.所述水电级槽内蓄有富离子水并接地，作为低温等离子阵列接地电极；所述低温等离子反应阵列连接等离子体电源，通过控制co2和h2气流的流量，并调节低温等离子体反应阵列的输入电压、放电频率参数，产生气体击穿放电形成非热力学平衡的等离子体反应环境，所其中水电级槽在不同水位高度上开有多个阀门出口，通过控制阀门开度实现水位调节。通过调节水电极槽水位来调节低温等离子体反应阵列放电区域长度，高压电极总有效长度为 50mm，所述介质阻挡放电电弧促进co2、h2共同活化，实现co2的高效活化和加氢转化利用，耦合等离子体催化剂，合成相应的目标产物；
37.所述水电级槽外接循环水接地装置6作为地电极，在接地的同时起到降低反应温度的作用，提高产物甲醇的产率；循环水接地装置中的蓄水池中可随时补充富离子水，提高地电极循环水中离子浓度，保障良好接地。
38.所述低温等离子体反应阵列连接产物分离提纯装置7，低温等离子体反应阵列后端尾气经产物分离提纯装置7提纯产物后，重新循环进入低温等离子体反应阵列，进一步反应提高系统整体转化率。所述产物分离装置所述产物分离提纯装置7主要结构为蛇形冷凝管外接5℃的冷却循环水作为冷阱，将介质阻挡放电等离子反应阵列5出口气体通过冷阱，冷凝收集液体甲醇产物。产物分离提纯装置主要通过气体分离、冷凝等方式提取分离产物。
39.本发明还提供了一种光伏发电驱动低温等离子体二氧化碳加氢转化利用方法，包括以下步骤：
40.(1)采用太阳能光伏发电装置进行电力供应，通过变压器进行电压的转化输送，从而使其同时满足电解水制氢装置(180w)及等离子体反应阵列的功率要求(240w)；
41.(2)在介质阻挡放电等离子阵列中填充对应的高效等离子体催化剂，以产物甲醇为例，在等离子体阵列的放电区域中填充40～60目的cu/al2o3/zno催化剂粉末，促进co2加氢合成甲醇反应的定向转化合成，提升甲醇的产率及选择性；
42.(3)在循环水接地装置的蓄水池中装入3l质量分数为5％的nacl溶液供接地循环；
43.(4)采用介质阻挡放电等离子阵列进行co2/h2的活化转化，具体为：将co2和来自氢气发生装置的h2通入介质阻挡放电等离子阵列，两种气体的摩尔比为n(co2):n(h2)＝1:3，并调节介质阻挡放电等离子阵列的输入电压(9kv)、放电频率(9500hz)等参数，关闭水电极槽其他阀门，仅开启50mm水位处阀门，调控放电区域长度为50mm，产生介质阻挡放电电弧，实现co2的转化利用；
44.(5)以产物甲醇为例，等离子阵列后端尾气通过冷阱冷凝液态甲醇后，重新进入低温等离子阵列，进一步反应转化。
45.上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
