CN117563392A - 一种直接空气碳捕集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接空气碳捕集系统及方法，系统包括碱液吸收再生一体化装置、热泵系统、熟化器、煅烧炉、冷凝分离器、压缩机；碱液吸收再生一体化装置由壳体、拱形生物质碳材料气体吸收板、贫液槽、颗粒反应槽、过滤器、溶液泵组成；在生物质碳材料气体吸收板表面发生CO2吸收，并由于毛细作用、贫液槽和颗粒反应槽高度差产生的虹吸现象以及离子浓度差，实现贫液和富液的定向转移；热泵系统既回收脱碳空气中的水蒸气，也用于CaCO2一级预热；CaO熟化反应热用于CaCO3二级预热。本发明利用生物质碳材料气体吸收板孔隙结构、毛细现象和虹吸效应，提高CO2吸收率、节省泵功。利用热泵系统节约水资源。利用系统余热降低系统能耗。
Description
技术领域
本发明涉及空气碳捕集领域，尤其涉及一种直接空气碳捕集系统及方法。
背景技术
空气中直接捕集CO2(DAC)不同于传统的碳捕集、利用和封存(CCUS)，能够灵活应对数以万计的不同规模的化石燃料装置以及各种交通工具等移动源产生的CO2排放问题，并且碳捕集的装置设置不受时间、空间以及地理位置的限制，是非常具有商业前景的CO2减排技术。
目前除了少量生物质会被有效利用外，大多数生物质会被填埋或者焚烧处理，对环境很不友好。生物质原料经简单碳化处理后形成的生物质碳材料，具有特殊的微纳多孔结构和优异的材料属性，在储能、环保、界面光热蒸发等热点领域具有应用潜力。
已知常见的气体吸收塔主要有鼓泡塔和喷淋塔等。鼓泡塔中气体在液相中的富集效果受到液体性质、气泡直径等因素的影响。喷淋塔中液滴不能完全与气体接触，并且液滴喷洒和气体流动会产生噪声和震荡。增强气液接触效果是开发新型气体吸收塔的关键。
发明内容
鉴于以上内容，本发明提供了一种直接空气碳捕集系统及方法。本发明采用了如下技术方案：
一种直接空气碳捕集系统，包括碱液吸收再生一体化装置、热泵系统、熟化器、煅烧炉、冷凝分离器、压缩机；
碱液吸收再生一体化装置分别与热泵系统和熟化器管道连接；
热泵系统分别与碱液吸收再生一体化装置和熟化器管道连接；
熟化器分别与碱液吸收再生一体化装置、热泵系统以及煅烧炉管道连接；
煅烧炉分别与熟化器和冷凝分离器管道连接；冷凝分离器和压缩机管道连接。
作为更进一步的优选方案，碱液吸收再生一体化装置为塔式结构，包括贫液槽、壳体、生物质碳材料气体吸收板、颗粒反应槽、过滤器、溶液泵，所述壳体设有空气进口管道和气体出口管道。所述生物质碳材料吸收板呈拱形结构，一端浸入贫液槽，另一端浸入颗粒反应槽，贫液槽位置高于颗粒反应槽；
颗粒反应槽与过滤器管道连接，过滤器通过溶液泵与贫液槽管道连接；
颗粒反应槽与熟化器管道连接；
过滤器与热泵系统管道连接。
作为更进一步的优选方案，热泵系统包括：蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀。蒸发器与壳体通过气体出口管道连接，并设有脱碳空气、冷凝水两个出口。冷凝器分别与过滤器和熟化器管道连接。
作为更进一步的优选方案，生物质碳材料吸收板由具有天然孔隙结构的生物质原料经冷冻、炭化和成型等工艺制备而成。采用的生物质原料包括但不限于植物躯干、根茎、叶片、果实等。生物质碳材料原始形状除制成板型外，也可以制成管型，然后加工成拱形。
一种直接空气碳捕集系统的捕集方法，包括以下步骤：
步骤一：贫液通过毛细作用和虹吸现象，从贫液槽吸入生物质碳材料气体吸收板，并均匀吸附在生物质碳材料气体吸收板的孔隙结构中，与从壳体气体进口通入的空气中的CO2发生反应生成富液；
步骤二：富液在虹吸现象和离子浓度差驱动下向颗粒反应槽转移，在颗粒反应槽中与Ca(OH)2反应生成沉淀，沉淀进入过滤器，过滤后的液相即为再生的贫液，贫液通过溶液泵，返回贫液槽；
步骤三：过滤器过滤产生的固体，在热泵系统冷凝器中一级预热，然后在熟化器中二级预热，最后进入煅烧炉，在煅烧炉煅烧实现对CO2的解吸，煅烧释放的CO2在冷凝分离器冷凝，再经压缩机压缩得到高浓度的CO2；高浓度CO2可进行物理利用、化学利用、生物利用、地质利用，或进行地质封存。
步骤四：煅烧炉煅烧CaCO3生成的CaO进入熟化器中，与水发生熟化反应，生成Ca(OH)2浆液，该浆液进入颗粒反应槽中，在颗粒反应槽中与富液反应，实现贫液再生。
步骤五：脱碳空气从壳体的气体出口管道排入热泵系统蒸发器，在蒸发器中被冷却，实现气水分离。气体排出。水可作为补充液返回贫液槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明集成了碱液吸收和再生装置，利用生物质碳材料孔隙结构，提高了气液接触面积，延长了气液接触时间，从而提高了气体吸收速率。
2.本发明利用生物质碳材料毛细作用、贫液槽和颗粒反应槽高度差产生的虹吸现象以及离子浓度差实现了贫液和富液的定向转移，节省了液泵耗功。
3.本发明增加了热泵系统，对脱碳气体水分进行回收，并对CaCO3颗粒进行一级预热，减少了水资源消耗并降低了系统能耗。
4.本发明利用CaO熟化反应放出热量对CaCO3颗粒进行二级预热，进一步降低了系统能耗。
附图说明
图1为本发明的碱液吸收再生一体化装置结构图；
图2为碱液吸收再生一体化装置示意图；
图3为直接空气碳捕集系统流程图；
图中，101、贫液槽；102、壳体；103、生物质碳材料气体吸收板；104、颗粒反应槽；105、过滤器；106、溶液泵；201、碱液吸收再生一体化装置；202、热泵系统；203、熟化器；204、煅烧炉；205、冷凝分离器；206、CO2压缩机；301、热泵系统蒸发器；302、制冷工质压缩机；303、热泵系统冷凝器；304、制冷工质膨胀阀。
具体实施方式
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实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，本发明实例1提供了一种用于直接空气碳捕集系统的碱液吸收再生一体化装置，包括贫液槽101、壳体102、拱形生物质碳材料气体吸收板103，颗粒反应槽104、过滤器105和溶液泵106。
生物质碳材料气体吸收板的形状和布置如图1、图2所示。生物质碳材料气体吸收板一端浸入贫液槽，另一端浸入颗粒反应槽，贫液槽位置高于颗粒反应槽。本领域技术员可以根据具体情况选择碳材料界面吸收板的数量和布置，这里不再赘述。
在本实例中，优选的，贫液通过毛细作用和虹吸现象，从贫液槽101向生物质碳材料气体吸收板103转移，贫液均匀吸附在生物质碳材料气体吸收板103孔隙结构中，与从壳体102的气体进口通入的空气反应生成富液：
CO2+2NaOH→Na2CO3+H2O 式(1)
富液由离子浓度差驱动向颗粒反应槽104转移，在颗粒反应槽中生成沉淀：
Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3 式(2)
沉淀进入过滤器105进行过滤，沉淀过滤后的液相即为再生的贫液，贫液通过溶液泵106，流进贫液槽101重新反应；
在本实例中，优选的，生物质碳材料吸收板103由具有天然孔隙结构的生物质原料经冷冻、炭化和成型等工艺制备而成。采用的生物质原料包括但不限于植物躯干、根茎、叶片、果实等。生物质碳材料原始形状除制成板型外，也可以制成管型，然后加工成拱形。本领域技术人员可以根据具体情况选择生物质和处理方式，这里不再赘述。
本发明所述的用于直接空气碳捕集的碱液吸收再生一体化装置还可以与CO2解吸设备连接整合，形成一套完整的直接空气碳捕集系统。
实施例2：
本发明提供了一种直接空气碳捕集系统，包括本发明实施例1中所述的碱液吸收再生一体化装置。
如图3所示，根据本发明还提供了一种直接空气碳捕集系统，包括：碱液吸收再生一体化装置201、热泵系统202、熟化器203、煅烧炉204、冷凝分离器205、CO2压缩机206。
在本实例中，所述贫液槽101中的NaOH溶液流经生物质碳材料气体吸收板103的孔隙结构，与空气中的CO2反应生成Na2CO3溶液：
CO2+2NaOH→Na2CO3+H2O 式(1)
生成的Na2CO3溶液在颗粒反应槽104中与Ca(OH)2溶液进行苛化反应，生成NaOH溶液与CaCO3沉淀，如式(2)，实现NaOH再生：
Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3 式(2)
颗粒反应槽104出口沉淀进入过滤器105，过滤后的溶液进入溶液泵106加压，再输入至贫液槽101进行循环。
过滤器105过滤产生的固体，在热泵系统冷凝器303中一级预热，然后在熟化器203中二级预热，最后进入煅烧炉204煅烧，如式(3)，实现对CO2的解吸：
CaCO3→CaO+CO2 式(3)
生成的高温CO2经冷凝分离器205冷凝分离出低温干燥的CO2，再通过CO2压缩机206压缩，得到高浓度的CO2，高浓度CO2可进行物理利用、化学利用、生物利用、地质利用，或进行地质封存。
煅烧生成的CaO在熟化器203中与水发生水合反应，生成Ca(OH)2，实现Ca(OH)2再生。如式(4)：
CaO+H2O→Ca(OH)2 式(4)
脱碳空气从壳体102的气体出口管道排入热泵系统蒸发器301，在热泵系统蒸发器301中被冷却，实现气水分离。气体排出。水可作为补充液返回贫液槽101。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种直接空气碳捕集系统，其特征在于：包括碱液吸收再生一体化装置(201)、热泵系统(202)、熟化器(203)、煅烧炉(204)、冷凝分离器(205)、CO2压缩机(206)；
所述碱液吸收再生一体化装置(201)分别与热泵系统(202)和熟化器(203)管道连接。
所述热泵系统(202)分别与碱液吸收再生一体化装置(201)和熟化器(203)管道连接；
所述熟化器(203)分别与碱液吸收再生一体化装置(201)、热泵系统(202)以及煅烧炉(204)管道连接；
所述煅烧炉(204)分别与熟化器(203)和冷凝分离器(205)管道连接；冷凝分离器(205)和压缩机(206)管道连接。
2.根据权利要求1所述的一种直接空气碳捕集系统，其特征在于：所述碱液吸收再生一体化装置(201)为塔式结构，包括贫液槽(101)、壳体(102)、生物质碳材料气体吸收板(103)、颗粒反应槽(104)、过滤器(105)、溶液泵(106)，所述壳体(102)设有空气进口管道和气体出口管道；所述生物质碳材料气体吸收板(103)呈拱形结构，一端浸入贫液槽(101)，另一端浸入颗粒反应槽(104)，贫液槽(101)位置高于颗粒反应槽(104)；
所述颗粒反应槽(104)与过滤器(105)管道连接，过滤器(105)通过溶液泵(106)与贫液槽(101)管道连接；
所述颗粒反应槽(104)与熟化器(203)管道连接；
所述过滤器(105)与热泵系统(202)管道连接。
3.根据权利要求1所述的一种直接空气碳捕集系统，其特征在于：所述热泵系统(202)包括蒸发器(301)、压缩机(302)、冷凝器(303)和膨胀阀(304)，蒸发器(301)与壳体(101)通过气体出口管道连接，并设有脱碳空气和冷凝水两个出口；冷凝器(303)分别与过滤器(105)和熟化器(203)管道连接。
4.根据权利要求2所述的一种直接空气碳捕集系统，其特征在于：所述生物质碳材料吸收板(103)由具有天然孔隙结构的生物质原料经冷冻、炭化和成型等工艺制备而成，采用的生物质原料包括但不限于植物躯干、根茎、叶片、果实；生物质碳材料原始形状除制成板型外，也可以制成管型，然后加工成拱形。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种用于空气碳捕集系统的捕集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：贫液通过毛细作用和虹吸现象，从贫液槽(101)吸入生物质碳材料气体吸收板(103)，并均匀吸附在生物质碳材料气体吸收板(103)的孔隙结构中，与从壳体(102)气体进口通入的空气中的CO2发生反应生成富液；
步骤二：富液在虹吸现象和离子浓度差驱动下向颗粒反应槽(104)转移，在颗粒反应槽(104)中与Ca(OH)2反应生成沉淀，沉淀进入过滤器(105)，过滤后的液相即为再生的贫液，贫液通过溶液泵(106)，返回贫液槽(101)；
步骤三：过滤器(105)过滤产生的固体，在热泵系统冷凝器(303)中一级预热，然后在熟化器(203)中二级预热，最后进入煅烧炉(204)，在煅烧炉(204)煅烧实现对CO2的解吸，煅烧释放的CO2在冷凝分离器(205)冷凝，再经压缩机(206)压缩得到高浓度的CO2；高浓度CO2可进行物理利用、化学利用、生物利用、地质利用，或进行地质封存；
步骤四：煅烧炉(204)煅烧CaCO3生成的CaO进入熟化器(203)中，与水发生熟化反应，生成Ca(OH)2浆液，该浆液进入颗粒反应槽(104)中，在颗粒反应槽(104)中与富液反应，实现贫液再生。
步骤五：脱碳空气从壳体(102)的气体出口管道排入热泵系统蒸发器(301)，在蒸发器(301)中被冷却，实现气水分离。气体排出。水可作为补充液返回贫液槽(101)。
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| CN (1) | CN117563392A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118987911A (zh) * | 2024-10-21 | 2024-11-22 | 江苏阜源环保科技有限公司 | 空气直接碳捕集新型装备 |
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2023
- 2023-11-10 CN CN202311498835.XA patent/CN117563392A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118987911A (zh) * | 2024-10-21 | 2024-11-22 | 江苏阜源环保科技有限公司 | 空气直接碳捕集新型装备 |
| CN118987911B (zh) * | 2024-10-21 | 2024-12-24 | 江苏阜源环保科技有限公司 | 空气直接碳捕集装备 |
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