[发明专利]CO2

说明书

本发明公开一种CO₂电解制合成气系统，包括：电化学反应装置，包括至少一个电化学反应单元，所述电化学反应单元包括阳极室、阳离子隔膜、和阴极室；和电解液循环装置，用于所述CO₂电解制合成气系统的电解液循环，包括中和单元，所述中和单元接收从所述阴极室和所述阳极室排出的电解液并用于所述电解液循环。本发明CO₂电解制合成气系统包含中和单元，收集和中和阳极室、阴极室排出的电解液并纳入电解液循环从而形成电解液闭路循环，进而在生产过程中不需补充电解质，可减低成本、减小工艺复杂性易操作。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及CO₂电解制合成气系统。

背景技术

以CO和H₂为主要组成的合成气，是工业生产甲醇、尿素、费托合成高附加值燃料及化学品的基础原料，用途广泛。通过电化学方式将CO₂和水直接转化为合成气技术，是一种环保清洁的碳减排利用途径，有利于推动电力、化工等产业的绿色低碳发展。作为一种前景光明的新型技术，CO₂电化学转化制合成气技术尚需要在多方面继续开发和完善，电化学转化工艺和工程化应用是其重点研发方向之一。CO₂电化学转化制备合成气过程主要依靠具有阴极室和阳极室的两室型反应单元来完成。根据阴极室供料方式不同可分为气相合成工艺和液相合成工艺两大类。其中液相合成工艺因使用电解质溶液，可带来较低的电解电位和较高电流密度，从而大大降低电解能耗，同时反应单元和电极结构简单，对设备投资的要求不高，因而成为商业化开发的重点。

液相合成工艺中阴极室以CO₂气和电解质溶液混合进料，CO₂气体在液态电解液和固态催化剂三相交汇区发生反应，以加拿大的CO₂ Cert公司为代表，以NaOH为电解质，在2.8V电压下电流密度高达100mA/cm²(Energy Environ.Sci.，2018，11，2531-2539.Combined high alkalinity and pressurization enable efficient CO₂electroreduction to CO.)。但目前的工艺仍有严重的问题：1)电解质容易浓度失调或被消耗；2)电极易被杂质毒化而失活；3)CO₂单通转化率低。电解质为钾或钠的纯碱、碳酸盐或碳酸氢盐，由于电化学过程伴随有阳离子的电迁移，从而引起阴阳极室电解质溶液浓度和pH值失衡，大幅降低了反应单元催化性能，无法进行长时间的运行和操作。为克服这一问题，需要分别给阳极循环液补充电解质和对阴极循环液进行稀释或外部分离电解质的方式来维持电解液浓度恒定，此操作以电解质作为消耗品增加了合成成本，同时又增加了工艺操作复杂性，制约了放大应用。同时液相合成工艺增加了杂质引入的风险，对反应器稳定性挑战极大。反应器中催化剂对杂质离子具有中毒效应，从而失活。液相合成工艺条件下，杂质离子一方面从电解液原料自身和金属管路、罐体等直接引入，多为金属杂质离子，另一方面从工业CO₂气源中伴随的含硫或含氮杂质气引入，为杂质气在被碱性电解液碱化后所形成的含硫、含氮等杂质离子。杂质易沉积覆盖在催化剂表面，或直接导致催化剂组成发生改变，从而大大降低了催化剂的使用寿命和稳定性。

另外液相进料模式增加了析氢副反应的发生，为获得较好的CO产物选择性，常采用较高的CO₂进气量来提高CO₂与催化剂反应接触面积的方法来实现。此方法造成了大量未转化的CO₂外排，CO₂单通转化效率极低，CO₂减排再利用效果不明显，同时出料气中合成气体积含量低，增加了产物纯化负荷和成本。为此需开发一种不耗电解质、CO₂单通转化率高且可以长期稳定运行的合成工艺系统，以实现工程化放大应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种CO₂电解制合成气系统。