1.本发明属于新能源制氢和二氧化碳捕集技术领域，特别涉及一种新能源制氢与二氧化碳捕集耦合应用的系统及方法。
背景技术：2.新能源制氢过程中不存在二氧化碳的排放，所生成的氢气为绿氢，是制氢的未来发展方向。化学吸收法捕集二氧化碳是解决化石燃料燃烧产生二氧化碳，实现碳达峰和碳中和目标的有效途径。然而目前的碳捕集技术，无论是化石燃料燃烧前捕集还是燃烧后捕集普遍存在能耗大、成本高的问题，存在以增加碳排放的方式来捕捉排放的碳的问题，这些都限制了碳捕集技术的推广。鉴于以上问题，能否使用新能源技术解决传统二氧化碳捕集技术能耗大、成本高的问题是未来的发展方向，通过新能源技术实现碳捕集过程的“绿色”研究意义重大。
3.因此，开发一种利用新能源进行二氧化碳捕捉，同时还能制备绿氢的技术具有重要的理论及应用价值。
技术实现要素：4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种新能源制氢与二氧化碳捕集耦合应用的系统及方法，该系统及方法能够制备绿氢，同时解决传统二氧化碳捕集技术能耗大及成本高的问题。
5.为达到上述目的，本发明所述的新能源制氢与二氧化碳铺集耦合应用的系统包括新能源发电装置、离子膜电解制氢系统及二氧化碳捕集、储存系统，其中，离子膜电解制氢系统包括饱和氯化钠溶液精制浓缩装置、氢气和烧碱制备的除盐水加入装置、氯化钠溶液加入装置、盐酸制备的除盐水加入装置、氧气制备的除盐水加入装置、离子膜电解制氢装置、氢气收集处理装置、氢氧化钠溶液收集输送装置、氯化钠稀溶液收集输送装置及盐酸溶液收集输送装置；所述离子膜电解制氢装置包括依次分布的负极、氢氧化钠制备阳离子交换膜、阴离子交换膜、盐酸制备阳离子交换膜及正极，其中，所述正极及负极分别与新能源发电装置相连接；
6.负极与氢氧化钠制备阳离子交换膜之间所形成通道的入口与氢气和烧碱制备的除盐水加入装置的出口相连通；负极与氢氧化钠制备阳离子交换膜之间所形成通道的氢气出口与氢气收集处理装置相连通，负极与氢氧化钠制备阳离子交换膜之间所形成通道的氢氧化钠溶液出口与氢氧化钠溶液收集输送装置相连通；
7.氢氧化钠制备阳离子交换膜与阴离子交换膜之间所形成通道的入口与氯化钠溶液加入装置的出口相连通，氢氧化钠制备阳离子交换膜与阴离子交换膜之间所形成通道的出口与氯化钠稀溶液收集输送装置的入口相连通；
8.阴离子交换膜与盐酸制备阳离子交换膜之间所形成通道的入口与盐酸制备的除盐水加入装置的出口相连通；阴离子交换膜与盐酸制备阳离子交换膜之间所形成通道的出
口与盐酸溶液收集输送装置的入口相连通；
9.盐酸制备阳离子交换膜与正极之间所形成通道的入口与氧气制备的除盐水加入装置的入口相连通；
10.氢氧化钠溶液收集输送装置的出口及盐酸溶液收集输送装置的出口与二氧化碳捕集、储存系统的入口相连通。
11.所述二氧化碳捕集、储存系统包括高二氧化碳含量气体汇集输送装置、氢氧化钠溶液储存输送装置、盐酸溶液储存输送装置、二氧化碳捕集装置、二氧化碳分离装置及二氧化碳收集处理装置；
12.氢氧化钠溶液收集输送装置的出口与氢氧化钠溶液储存输送装置的入口相连通，氢氧化钠溶液储存输送装置的出口与二氧化碳捕集装置的入口相连通，盐酸溶液收集输送装置的出口与盐酸溶液储存输送装置的入口相连通，盐酸溶液储存输送装置的出口与二氧化碳分离装置的入口相连通；高二氧化碳含量气体汇集输送装置的出口与二氧化碳捕集装置相连通，二氧化碳捕集装置的液体出口与二氧化碳分离装置相连通，二氧化碳分离装置的二氧化碳出口与二氧化碳收集处理装置相连通。
13.二氧化碳分离装置的液体出口与氯化钠稀溶液收集输送装置的液体出口与饱和氯化钠溶液精制浓缩装置的入口相连通。
14.离子膜电解制氢系统还包括氧气收集处理装置；盐酸制备阳离子交换膜与正极之间所形成通道的出口与氧气收集处理装置相连通。
15.本发明所述的新能源制氢与二氧化碳铺集耦合应用的方法包括以下步骤：
16.利用新能源发电装置为负极及正极供电，氢气和烧碱制备的除盐水加入装置向负极与氢氧化钠制备阳离子交换膜之间所形成通道内通入除盐水，氯化钠溶液加入装置向氢氧化钠制备阳离子交换膜与阴离子交换膜之间所形成通道内通入饱和氯化钠溶液，盐酸制备的除盐水加入装置向阴离子交换膜与盐酸制备阳离子交换膜之间所形成通道内通入除盐水，氧气制备的除盐水加入装置向盐酸制备阳离子交换膜与正极之间所形成通道内通入除盐水；
17.除盐水在负极被还原为氢气，同时生成氢氧根离子，受电场作用，钠离子穿过氢氧化钠制备阳离子交换膜与氢氧根离子结合生成氢氧化钠，除盐水在正极处被氧化为氧气，同时生成氢离子，受电场作用，生成的氢离子穿过盐酸制备阳离子交换膜与同样受电场作用穿过阴离子交换膜的氯离子结合成盐酸；
18.生成的氢气进入到氢气收集处理装置中进行干燥及压缩存储；
19.生成的氢氧化钠溶液由氢氧化钠溶液收集输送装置输送至氢氧化钠溶液储存输送装置中进行储存，生成的盐酸溶液由盐酸溶液收集输送装置输送至盐酸溶液储存输送装置中进行储存；
20.经过离子交换的氯化钠稀溶液通过氯化钠稀溶液收集输送装置回收至饱和氯化钠溶液精制浓缩装置中进行精制及浓缩；
21.当需要进行二氧化碳捕集时，氢氧化钠溶液储存输送装置向二氧化碳捕集装置中输送氢氧化钠溶液，在二氧化碳捕集装置中二氧化碳含量高的气体与氢氧化钠溶液采用逆流方式运行，通过控制氢氧化钠溶液的输送流量，使得过量的二氧化碳与氢氧化钠溶液反应生成碳酸氢钠溶液，以去除二氧化碳；
22.盐酸溶液储存输送装置向二氧化碳分离装置中输送盐酸溶液，在二氧化碳分离装置中由二氧化碳捕集装置产生的碳酸氢钠溶液与盐酸溶液采用逆流方式运行，控制盐酸溶液的输送流量，使得碳酸氢钠溶液完全与盐酸反应，生成氯化钠溶液及二氧化碳，其中，生成的氯化钠溶液回流至饱和氯化钠溶液精制浓缩装置中进行精制及浓缩，生成的二氧化碳进入二氧化碳收集处理装置中进行干燥和压缩储存。
23.新能源发电装置的发电方式为风力发电、光伏发电或潮汐发电等。
24.本发明具有以下有益效果：
25.本发明所述的新能源制氢与二氧化碳捕集耦合应用的系统及方法在具体操作时，离子膜电解制氢系统利用新能源发电装置输出的电生成氢氧化钠溶液、氢气、氧气及盐酸，从而实现在制备绿氢储能的同时制备高纯度的氢氧化钠和盐酸作为二氧化碳捕集的原料，然后利用二氧化碳捕集、储存系统进行二氧化碳铺集及储存，以解决传统二氧化碳捕集技术能耗大及成本高的问题。
附图说明
26.图1为本发明的结构示意图；
27.图2为本发明中离子膜电解制氢装置7的结构图。
28.其中，1为饱和氯化钠溶液精制浓缩装置、2为氢气和烧碱制备的除盐水加入装置、3为氯化钠溶液加入装置、4为盐酸制备的除盐水加入装置、5为氧气制备的除盐水加入装置、6为新能源发电装置、7为离子膜电解制氢装置、8为氢气收集处理装置、9为氢氧化钠溶液收集输送装置、10为氯化钠稀溶液收集输送装置、11为盐酸溶液收集输送装置、12为氧气收集处理装置、13为高二氧化碳含量气体汇集输送装置、14为二氧化碳捕集装置、15为氢氧化钠溶液储存输送装置、16为二氧化碳分离装置、17为盐酸溶液储存输送装置、18为二氧化碳收集处理装置、19为负极、20为氢氧化钠制备阳离子交换膜、21为阴离子交换膜、22为盐酸制备阳离子交换膜、23为正极。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
30.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
31.参考图1及图2，本发明所述的新能源制氢与二氧化碳铺集耦合应用的系统包括新能源发电装置(6)、离子膜电解制氢系统及二氧化碳捕集、储存系统；
32.离子膜电解制氢系统包括饱和氯化钠溶液精制浓缩装置1、氢气和烧碱制备的除盐水加入装置2、氯化钠溶液加入装置3、盐酸制备的除盐水加入装置4、氧气制备的除盐水加入装置5、离子膜电解制氢装置7、氢气收集处理装置8、氢氧化钠溶液收集输送装置9、氯化钠稀溶液收集输送装置10、盐酸溶液收集输送装置11及氧气收集处理装置12；二氧化碳捕集、储存系统包括高二氧化碳含量气体汇集输送装置13、二氧化碳捕集装置14、氢氧化钠溶液储存输送装置15、二氧化碳分离装置16、盐酸溶液储存输送装置17及二氧化碳收集处理装置18；
33.所述离子膜电解制氢装置7包括依次分布的负极19、氢氧化钠制备阳离子交换膜20、阴离子交换膜21、盐酸制备阳离子交换膜22及正极23，其中，所述正极23及负极19分别与新能源发电装置6相连接；
34.负极19与氢氧化钠制备阳离子交换膜20之间所形成通道的入口与氢气和烧碱制备的除盐水加入装置2的出口相连通；负极19与氢氧化钠制备阳离子交换膜20之间所形成通道的氢气出口与氢气收集处理装置8相连通，负极19与氢氧化钠制备阳离子交换膜20之间所形成通道的氢氧化钠溶液出口与氢氧化钠溶液收集输送装置9相连通；
35.氢氧化钠制备阳离子交换膜20与阴离子交换膜21之间所形成通道的入口与氯化钠溶液加入装置3的出口相连通，氢氧化钠制备阳离子交换膜20与阴离子交换膜21之间所形成通道的出口与氯化钠稀溶液收集输送装置10的入口相连通；
36.阴离子交换膜21与盐酸制备阳离子交换膜22之间所形成通道的入口与盐酸制备的除盐水加入装置4的出口相连通；阴离子交换膜21与盐酸制备阳离子交换膜22之间所形成通道的出口与盐酸溶液收集输送装置11的入口相连通；
37.盐酸制备阳离子交换膜22与正极23之间所形成通道的入口与氧气制备的除盐水加入装置5的入口相连通，盐酸制备阳离子交换膜22与正极23之间所形成通道的出口与氧气收集处理装置12相连通；
38.氢氧化钠溶液收集输送装置9的出口经氢氧化钠溶液储存输送装置15与二氧化碳捕集装置14的入口相连通，盐酸溶液收集输送装置11的出口经盐酸溶液储存输送装置17与二氧化碳分离装置16的入口相连通；高二氧化碳含量气体汇集输送装置13的出口与二氧化碳捕集装置14相连通，二氧化碳捕集装置14的液体出口与二氧化碳分离装置16的入口相连通，二氧化碳分离装置16的二氧化碳出口与二氧化碳收集处理装置18相连通，二氧化碳分离装置16的液体出口与氯化钠稀溶液收集输送装置10的液体出口与饱和氯化钠溶液精制浓缩装置1的入口相连通。
39.本发明的具体工作过程为：
40.当开始新能源制氢时，新能源发电装置6与负极19及正极23连接，氢气和烧碱制备的除盐水加入装置2向负极19与氢氧化钠制备阳离子交换膜20之间所形成通道内通入除盐水，其中，除盐水的流量根据电流密度及氢氧化钠溶的液浓度进行调节，控制电流密度在3.0ka/m2～9.0ka/m2，控制氢氧化钠浓度为1mol/l左右；氯化钠溶液加入装置3向氢氧化钠制备阳离子交换膜20与阴离子交换膜21之间所形成通道内通入饱和氯化钠溶液，盐酸制备的除盐水加入装置4向阴离子交换膜21与盐酸制备阳离子交换膜22之间所形成通道内通入除盐水，其中，盐酸浓度为1mol/l左右，氧气制备的除盐水加入装置5向盐酸制备阳离子交换膜22与正极23之间所形成通道内通入除盐水；
41.除盐水在负极19被还原为氢气，同时生成氢氧根离子，受电场作用，钠离子穿过氢氧化钠制备阳离子交换膜20与氢氧根离子结合生成氢氧化钠，除盐水在正极23处被氧化为氧气，同时生成氢离子，受电场作用，生成的氢离子穿过盐酸制备阳离子交换膜22与同样受电场作用穿过阴离子交换膜21的氯离子结合成盐酸；
42.生成的氢气进入到氢气收集处理装置8中进行干燥及压缩存储，生成的副产品氧气进入到氧气收集处理装置12中进行干燥及压缩存储；
43.生成的氢氧化钠溶液由氢氧化钠溶液收集输送装置9输送至氢氧化钠溶液储存输送装置15中进行储存，作为二氧化碳捕集的吸收液，生成的盐酸溶液由盐酸溶液收集输送装置11输送至盐酸溶液储存输送装置17中进行储存，作为二氧化碳分离的分离液；
44.经过离子交换的氯化钠稀溶液通过氯化钠稀溶液收集输送装置10回收至饱和氯化钠溶液精制浓缩装置1中进行精制及浓缩；
45.当需要进行二氧化碳捕集时，氢氧化钠溶液储存输送装置15向二氧化碳捕集装置14中输送氢氧化钠溶液，在二氧化碳捕集装置14中二氧化碳含量高的气体与氢氧化钠溶液采用逆流方式运行，控制氢氧化钠溶液的输送流量，使得过量的二氧化碳与氢氧化钠溶液反应生成碳酸氢钠溶液，以去除二氧化碳，剩余二氧化碳含量低的气体被直接排出；
46.盐酸溶液储存输送装置17向二氧化碳分离装置16中输送盐酸溶液，在二氧化碳分离装置16中由二氧化碳捕集装置14产生的碳酸氢钠溶液与盐酸溶液采用逆流方式运行，控制盐酸溶液的输送流量，使得碳酸氢钠溶液完全与盐酸反应，生成氯化钠溶液及二氧化碳，其中，通过监测盐酸流路的ph值，当ph接近7.0时，则盐酸完全与碳酸氢钠溶液反应，另外，生成的氯化钠溶液回流至饱和氯化钠溶液精制浓缩装置1中进行精制和浓缩，生成的二氧化碳进入二氧化碳收集处理装置18中进行干燥和压缩储存。
47.新能源发电装置6为电解制氢的电源，发电方式可为风力发电、光伏发电和潮汐发电等。
技术特征：1.一种新能源制氢与二氧化碳捕集耦合应用的系统，其特征在于，包括新能源发电装置(6)、离子膜电解制氢系统及二氧化碳捕集、储存系统，其中，离子膜电解制氢系统包括饱和氯化钠溶液精制浓缩装置(1)、氢气和烧碱制备的除盐水加入装置(2)、氯化钠溶液加入装置(3)、盐酸制备的除盐水加入装置(4)、氧气制备的除盐水加入装置(5)、离子膜电解制氢装置(7)、氢气收集处理装置(8)、氢氧化钠溶液收集输送装置(9)、氯化钠稀溶液收集输送装置(10)及盐酸溶液收集输送装置(11)；所述离子膜电解制氢装置(7)包括依次分布的负极(19)、氢氧化钠制备阳离子交换膜(20)、阴离子交换膜(21)、盐酸制备阳离子交换膜(22)及正极(23)，其中，所述正极(23)及负极(19)分别与新能源发电装置(6)相连接；负极(19)与氢氧化钠制备阳离子交换膜(20)之间所形成通道的入口与氢气和烧碱制备的除盐水加入装置(2)的出口相连通；负极(19)与氢氧化钠制备阳离子交换膜(20)之间所形成通道的氢气出口与氢气收集处理装置(8)相连通，负极(19)与氢氧化钠制备阳离子交换膜(20)之间所形成通道的氢氧化钠溶液出口与氢氧化钠溶液收集输送装置(9)相连通；氢氧化钠制备阳离子交换膜(20)与阴离子交换膜(21)之间所形成通道的入口与氯化钠溶液加入装置(3)的出口相连通，氢氧化钠制备阳离子交换膜(20)与阴离子交换膜(21)之间所形成通道的出口与氯化钠稀溶液收集输送装置(10)的入口相连通；阴离子交换膜(21)与盐酸制备阳离子交换膜(22)之间所形成通道的入口与盐酸制备的除盐水加入装置(4)的出口相连通；阴离子交换膜(21)与盐酸制备阳离子交换膜(22)之间所形成通道的出口与盐酸溶液收集输送装置(11)的入口相连通；盐酸制备阳离子交换膜(22)与正极(23)之间所形成通道的入口与氧气制备的除盐水加入装置(5)的入口相连通；氢氧化钠溶液收集输送装置(9)的出口及盐酸溶液收集输送装置(11)的出口与二氧化碳捕集、储存系统的入口相连通。2.根据权利要求1所述的新能源制氢与二氧化碳捕集耦合应用的系统，其特征在于，所述二氧化碳捕集、储存系统包括高二氧化碳含量气体汇集输送装置(13)、氢氧化钠溶液储存输送装置(15)、盐酸溶液储存输送装置(17)、二氧化碳捕集装置(14)、二氧化碳分离装置(16)及二氧化碳收集处理装置(18)；氢氧化钠溶液收集输送装置(9)的出口与氢氧化钠溶液储存输送装置(15)的入口相连通，氢氧化钠溶液储存输送装置(15)的出口与二氧化碳捕集装置(14)的入口相连通，盐酸溶液收集输送装置(11)的出口与盐酸溶液储存输送装置(17)的入口相连通，盐酸溶液储存输送装置(17)的出口与二氧化碳分离装置(16)的入口相连通；高二氧化碳含量气体汇集输送装置(13)的出口与二氧化碳捕集装置(14)相连通，二氧化碳捕集装置(14)的液体出口与二氧化碳分离装置(16)相连通，二氧化碳分离装置(16)的二氧化碳出口与二氧化碳收集处理装置(18)相连通。3.根据权利要求2所述的新能源制氢与二氧化碳铺集耦合应用的系统，其特征在于，二氧化碳分离装置(16)的液体出口与氯化钠稀溶液收集输送装置(10)的液体出口与饱和氯化钠溶液精制浓缩装置(1)的入口相连通。4.根据权利要求1所述的新能源制氢与二氧化碳铺集耦合应用的系统，其特征在于，离子膜电解制氢系统还包括氧气收集处理装置(12)；盐酸制备阳离子交换膜(22)与正极(23)
之间所形成通道的出口与氧气收集处理装置(12)相连通。5.一种新能源制氢与二氧化碳铺集耦合应用的方法，其特征在于，基于权利要求2所述的新能源制氢与二氧化碳铺集耦合应用的系统，包括以下步骤：利用新能源发电装置(6)为负极(19)及正极(23)供电，氢气和烧碱制备的除盐水加入装置(2)向负极(19)与氢氧化钠制备阳离子交换膜(20)之间所形成通道内通入除盐水，氯化钠溶液加入装置(3)向氢氧化钠制备阳离子交换膜(20)与阴离子交换膜(21)之间所形成通道内通入饱和氯化钠溶液，盐酸制备的除盐水加入装置(4)向阴离子交换膜(21)与盐酸制备阳离子交换膜(22)之间所形成通道内通入除盐水，氧气制备的除盐水加入装置(5)向盐酸制备阳离子交换膜(22)与正极(23)之间所形成通道内通入除盐水；除盐水在负极(19)被还原为氢气，同时生成氢氧根离子，受电场作用，钠离子穿过氢氧化钠制备阳离子交换膜(20)与氢氧根离子结合生成氢氧化钠，除盐水在正极(23)处被氧化为氧气，同时生成氢离子，受电场作用，生成的氢离子穿过盐酸制备阳离子交换膜(22)与同样受电场作用穿过阴离子交换膜(21)的氯离子结合成盐酸；生成的氢气进入到氢气收集处理装置(8)中进行干燥及压缩存储；生成的氢氧化钠溶液由氢氧化钠溶液收集输送装置(9)输送至氢氧化钠溶液储存输送装置(15)中进行储存，生成的盐酸溶液由盐酸溶液收集输送装置(11)输送至盐酸溶液储存输送装置(17)中进行储存；经过离子交换的氯化钠稀溶液通过氯化钠稀溶液收集输送装置(10)回收至饱和氯化钠溶液精制浓缩装置(1)中进行精制及浓缩；当需要进行二氧化碳捕集时，氢氧化钠溶液储存输送装置(15)向二氧化碳捕集装置(14)中输送氢氧化钠溶液，在二氧化碳捕集装置(14)中二氧化碳含量高的气体与氢氧化钠溶液采用逆流方式运行，通过控制氢氧化钠溶液的输送流量，使得过量的二氧化碳与氢氧化钠溶液反应生成碳酸氢钠溶液，以去除二氧化碳；盐酸溶液储存输送装置(17)向二氧化碳分离装置(16)中输送盐酸溶液，在二氧化碳分离装置(16)中由二氧化碳捕集装置(14)产生的碳酸氢钠溶液与盐酸溶液采用逆流方式运行，控制盐酸溶液的输送流量，使得碳酸氢钠溶液完全与盐酸反应，生成氯化钠溶液及二氧化碳，其中，生成的氯化钠溶液回流至饱和氯化钠溶液精制浓缩装置(1)中进行精制及浓缩，生成的二氧化碳进入二氧化碳收集处理装置(18)中进行干燥和压缩储存。6.根据权利要求5所述的新能源制氢与二氧化碳铺集耦合应用的方法，其特征在于，新能源发电装置(6)的发电方式为风力发电、光伏发电或潮汐发电。
技术总结本发明公开了一种新能源制氢与二氧化碳捕集耦合应用的系统及方法，包括新能源发电装置、离子膜电解制氢系统及二氧化碳捕集、储存系统，其中，离子膜电解制氢系统包括饱和氯化钠溶液精制浓缩装置、氢气和烧碱制备的除盐水加入装置、氯化钠溶液加入装置、盐酸制备的除盐水加入装置、氧气制备的除盐水加入装置、离子膜电解制氢装置、氢气收集处理装置、氢氧化钠溶液收集输送装置、氯化钠稀溶液收集输送装置及盐酸溶液收集输送装置；所述离子膜电解制氢装置包括依次分布的负极、氢氧化钠制备阳离子交换膜、阴离子交换膜、盐酸制备阳离子交换膜及正极，该系统及方法能够制备绿氢，同时解决传统二氧化碳捕集技术能耗大及成本高的问题。题。题。
技术研发人员：孟龙 李俊菀 龙国军 王宁飞 张维科
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2022.03.30
技术公布日：2022/7/5
