[发明专利]二氧化硫氧化发电制硫酸的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化硫氧化发电制硫酸方法和装置，属于硫酸制造、去除二氧化硫的脱硫以及电池发电领域。

背景技术

硫酸是工业生产活动的基本化工原料，目前普遍采用的硫酸生产方法是以钒化合物作催化剂氧化二氧化硫、使其转化成三氧化硫后经酸溶液吸收制取硫酸的接触氧化法。该方法技术成熟，效率也较高，被广泛应用。但是，该法需要使用钒催化剂，且在较高温度下操作，因此，不仅成本较高，而且操作稳定性也是难题。由二氧化硫变成硫酸的过程中，二氧化硫在氧化时硫失去电子价态升高。如果能将其失去电子的过程加以利用，在硫价态升高的同时产生电能，则可以在得到硫酸的同时取出电子得到电能。但是，二氧化硫变成硫酸的过程中要获得电能，就必须构建反应的自由能为负值即能够自发进行的电化学反应，同时，二氧化硫制硫酸涉及到气相向液相的转化，电子的取出并使其成为可利用的电能需要有专用的发电系统，因此不仅需要解决电化学反应的学术问题和实际应用的诸多技术问题，所构建的反应过程和设备系统还必须具有良好的经济可行性。但迄今尚无能够直接利用的先例。

因此，需要探索能够实现硫由+4价向+6价转变的氧化过程的反应自由能变化为负值的电化学反应，同时还需要能够接受电子的另一个自发进行的还原反应，以实现氧化还原反应，且两者还应是能产生较大电势的反应组合，有利于形成电对组成电池。另外还要求所组成的电对及其装置具有良好的可操作性和经济性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化硫制硫酸同时发电的的方法和设备，该方法具有高效率、低成本地将二氧化硫氧化过程的电势取转化为电能，同时制得硫酸。

本发明是通过下述技术方案加以实现的。

二氧化硫制硫酸发电的方法是将二氧化硫送入发电电池在电池中变成硫酸的同时产生电能。通过在电池中的氧化反应使二氧化硫转化为硫酸，同时利用在电池中进行反应取出电能。即电池既是氧化反应器，又是发电装置即发电电池。

在所述发电电池的负极，二氧化硫溶于水溶液中失去电子变成硫酸，同时通过外电路向电池的另一极供应电子。即二氧化硫(SO₂)是通过溶入液体中生成亚硫酸(H₂SO₃)，再由亚硫酸氧化成硫酸(H₂SO₄)，实现向硫酸的转化的。同时，由于亚硫酸向硫酸的转化在能够导出电子的条件下是可以自发进行的。所以，能够实现SO₂向H₂SO₄的转化。也就是通过电极反应实现硫的价态升高，并取出电能。

在所述发电电池的正极，向酸性溶液中加入氧气，所加入的氧气得到电子被还原。由于在酸性条件下，氧能够得到电子与溶液中的氢离子结合变成水，这个过程也是能够自发进行的。所以，可以与二氧化硫的氧化构成氧化还原的电化学反应，实现过程的连续自发的进行。

所述的二氧化硫制硫酸发电装置，作为一个发电电池单元至少由以下部分组成：以二氧化硫变成硫酸并提供电子的电池负极、以溶解的氧的还原并接受电子的电池正极、电极间设置的阳离子交换膜、流通含有硫酸的负极液的负极室、向外输出电能的电线。通过这些基本构造实现电池在二氧化硫氧化过程并进行发电。正极液泵将正极液送入正极室，正极液循环使用。负极液泵将负极液送入负极室，负极液循环使用。也可以不设置正极室，而是将阳离子交换膜直接与正极接触，降低电池内部的阻力。由电池发出的电能转变成日常利用的电能的过程，应用常规的电工方法就可实现。

所述的发电电池的向负极供应二氧化硫的方法是二氧化硫气体透过扩散层进入电池负极，或将二氧化硫溶解于酸性溶液中，再将该酸性溶液向负极供应，或这两种方法的组合。通过这些方法实现二氧化硫向电池负极的供应，达到连续高效的反应。所送入的二氧化硫可以是纯二氧化硫气体，也可以是混有氮气、水蒸气和少量氧气的混合气体。

所述的发电电池的向正极供应氧气的方法是氧气气体透过扩散层进入电池正极，或将氧气溶解于酸性溶液中，再将该酸性溶液向正极供应，或这两种方法的组合。通过这些方法实现氧气向电池正极的供应，达到连续高效的反应。所供应的氧气可以是纯氧，也可以是空气。

所述的气体扩散层具有能透过气体，但不能通过水的特性。这样可以达到气体的高效扩散层，极大地提高反应的速度。气体扩散层可采用碳纸或碳布进行疏水处理，并添加一层碳粉与聚四氟乙烯的混合物制成微孔层。

所述的发电电池正负极之间不设置离子交换膜，而是在正负极之间只设置硫酸溶液。由硫酸溶液隔断正负极的直接接触，且承担离子移动介质的作用。