CN118001884A - 一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置及碳捕集系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于变电变温吸附及碳捕集技术领域，公开了一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置及碳捕集系统，包括腔体外壳，腔体外壳内同轴设置有加热组件和冷却组件，冷却组件和加热组件之间设置有吸附组件；冷却组件包括内部冷却管，内部冷却管内流动有冷却流体；保温组件包括设置在腔体外壳外的定位片，定位片上铰接设置有外部保温层，外部保温层可开合环绕在腔体外壳的外壁。本发明结构简单，使用方便，加热组件包括面式电热膜，方便调节解吸温度，使得装置兼具加热均匀以及加热速率快的优势，同时电热膜可根据吸附浓度分布规律设置梯级解吸方式，通过解吸温度与吸附浓度适配来降低解吸过程所需功量和热量。

Description

一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置及碳捕集系统

技术领域

本发明属于变电变温吸附及碳捕集技术领域，尤其涉及一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置及碳捕集系统。

背景技术

碳捕集技术从环境空气或者工业过程产生的烟气中捕获二氧化碳(CO₂)并进一步通过化工过程等方式实现对二氧化碳的利用和储存，被认为是兜底技术。其中，以变温变电吸附为代表的固体吸附法由于技术成熟度较高，且适合模块化布置收获了较高的关注度。

变温吸附捕集流程中，解吸过程所需要的热量和功量是影响整个捕集装置热性能的主要因素。常规的变温或变电吸附流程可分为吸附—加热解吸—冷却三个步骤，在吸附过程后，吸附装置内部轴向上通常存在呈现递减规律分布的二氧化碳浓度，尤其在中等温度预热后，轻组分气体N₂将会溢出，使得轴向上吸附的CO₂浓度梯度降低趋势将会更加显著。然而，相比于轴向靠近入口端的高浓度CO₂区域段，靠近装置出口端的轴向低CO₂浓度区是对整个碳捕集过程最终回收率和纯度影响的较敏感区域，实现该区域的高纯度以及高回收率将消耗更多的解吸功量和热量，从而使得整个捕集过程的热性能降低。因此，基于CO₂吸附浓度分布合理优化解吸温度和热量分布是提高捕集过程CO₂整体回收率和纯度和改善整个捕集装置热性能的一项关键措施。

另一方面，增强解吸热源向内部吸附材料的传热也是改善吸附装置热性能的有效举措。目前，变温吸附一般通过热流体作为面热源间接加热吸附材料，而变电吸附则以电热丝为代表的线热源直接加热吸附材料维持所需解吸温度，前者加热设备复杂且加热速率慢，而电热丝加热方式则易陷入局部热区，使得吸附材料不能被均匀稳定加热。因此，对于碳捕集装置来讲，如何依据浓度分布合理设置解吸温度以及增强解吸热源向内部吸附材料的传热仍需要进一步地深入研究。

申请号为CN201811152703.0的专利公开了一种解吸过程采用微波加热的变温吸附碳捕集装置，该装置解吸过程中物料的温升不依靠热传导，而是通过微波透射到吸附材料内部，从而实现对吸附材料里外一起加热。相对于常规加热，可以很快的达到解吸所需要温度，加热速率高。但该解吸装置不能针对吸附过程中的气体浓度分布实现匹配式加热设计，装置内不同CO₂浓度处解吸温度相近，容易造成捕集解吸能耗高且效率低。申请号为CN202221129036.6的专利公开了一种控制吸附床层温度和温度变换的装置，该专利利用帕尔贴片切换正负极可以实现电热/电冷转换特性，将直流电转化成热能或冷能，并通过热管传递到吸附床层，实现对吸附床层温度和温度变换的控制。该装置在降低能耗、节省空间等方面呈现出一定的技术和经济优势，然而仍旧存在显著的缺点，例如由于帕尔贴片面积和体积限制，使得吸附床层不能被稳定均匀加热，并且加热阶段必须考虑帕尔贴效应的外部散热，会在一定程度上增加装置运行安全性和复杂性。

因此，本申请设计了一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置及碳捕集系统来解决上述的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置及碳捕集系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置，包括腔体外壳，所述腔体外壳内同轴设置有加热组件和冷却组件，所述加热组件的加热温度可实现随浓度分布梯度设置，所述冷却组件和所述加热组件之间设置有吸附组件；所述腔体外壳外可开合设置有保温组件；

所述冷却组件包括设置在所述腔体外壳内的内部冷却管，所述内部冷却管外壁与所述吸附组件接触设置，所述内部冷却管内流动有冷却流体；

所述保温组件包括设置在所述腔体外壳外的定位片，所述定位片上铰接设置有外部保温层，所述外部保温层可开合环绕在所述腔体外壳的外壁。

优选的，所述加热组件包括设置在所述腔体外壳内的低温电热膜和高温电热膜，所述低温电热膜和所述高温电热膜分别与所述吸附组件贴合设置，所述低温电热膜和所述高温电热膜分别环绕在所述内部冷却管外。

优选的，所述吸附组件包括填充在所述腔体外壳内的吸附材料，所述吸附材料分别与所述低温电热膜和所述高温电热膜接触设置。

优选的，所述定位片上固定安装有液压合页，所述液压合页与外部保温层固接。

优选的，所述外部保温层的两侧分别设置有磁吸条，两侧所述磁吸条在所述外部保温层闭合环绕时相互吸合设置。

一种碳捕集系统，包括供气组件、集气组件、供能组件和循环组件；所述供能组件与所述加热组件电性连接，所述供气组件和所述集气组件分别设置在所述吸附组件的两侧，所述循环组件分别与所述内部冷却管两端连通，所述冷却流体在所述内部冷却管与所述循环组件之间循环流动。

优选的，所述供能组件包括与所述加热组件电性连接的电源，所述电源电性连接有变压器，所述变压器可直接与市政电网电性连接，也可电性连接蓄电池，所述蓄电池分别与光伏发电组件或风力发电组件电性连接。

优选的，所述冷却组件包括外界冷源，所述外界冷源通过液体管路与所述内部冷却管固接并连通。

优选的，所述供气组件包括混合气源瓶，所述混合气源通过气体管路与所述吸附组件连通；所述气体管路上设置有气泵。

优选的，所述集气组件包括并联设置的二氧化碳瓶和废气瓶，所述二氧化碳瓶和所述废气瓶通过所述气体管路汇合后与所述吸附组件远离所述混合气源瓶的一侧连通。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明公开了一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置及碳捕集系统，采用面式电热膜加热解吸，温度调节更加灵活方便，使得装置兼具加热均匀以及加热速率快的优势，同时装置便于与可再生电力结合，有利于降低碳捕集过程对环境影响。面式电热膜可根据气体浓度梯度分布规律采取梯级温度设置，通过解吸温度与吸附浓度适配来降低解吸过程所需功量和热量，进一步提高碳捕集装置的热性能。

本发明结构简单，保温层便于根据需求方便开闭，保温组件设置在腔体外壳外，在解吸阶段增加了装置的保温性，减少了吸附装置与外界的传热损失，同时在吸附阶段可方便开启有利于吸附装置向外界散热，进一步降低吸附温度保证了吸附效果，也减少了吸附组件温度调节的能源消耗。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明吸附装置内部结构示意图；

图2为本发明图1中A-A的截面示意图；

图3为本发明图1中B-B的截面示意图；

图4为本发明保温组件闭合状态示意图；

图5为本发明保温组件开启状态示意图；

图6为本发明碳捕集的示意图；

图7为本发明实施例2的加热组件结构示意图

图8为本发明实施例3的加热组件结构示意图

图9为本发明实施例4的加热组件结构示意图；

图10为本发明实施例5的加热组件结构示意图；

图11为本发明实施例6的冷却组件侧视结构示意图；

图12为本发明实施例6的冷却组件主视结构示意图；

图13为本发明实施例7的冷却组件侧视结构示意图；

图14为本发明实施例7的冷却组件主视结构示意图；

图15为本发明实施例8的冷却组件侧视结构示意图；

图16为本发明实施例8的冷却组件主视结构示意图；

图中：1、腔体外壳；2、吸附材料；3、冷却流体；4、内部冷却管；6、高温电热膜；7、低温电热膜；8、低浓度气体吸附区；9、高浓度气体吸附区；10、外部保温层；11、翅片；12、定位螺栓；13、液压合页；14、定位片；15、焊接线；16、磁吸条；17、施力把手；18、混合气源瓶；19、气体管路；20、气泵；21、阀件；22、外界冷源；23、液体管路；24、二氧化碳瓶；25、废气瓶；26、电源；27、电极；28、变压器；29、光伏发电组件；30、风力发电组件；31、蓄电池；32、市政电网。

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。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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1-图6所示，本实施例提供一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置，包括腔体外壳1，腔体外壳1内同轴设置有加热组件和冷却组件，加热组件的加热温度梯度设置，冷却组件和加热组件之间设置有吸附组件；腔体外壳1外可开合设置有保温组件。

冷却组件包括设置在腔体外壳1内的内部冷却管4，内部冷却管4外壁与吸附组件接触设置，内部冷却管4内流动有冷却流体3。

保温组件包括设置在腔体外壳1外的定位片14，定位片14上铰接设置有外部保温层10，外部保温层10可在吸附阶段开启，并在解吸阶段闭合环绕在腔体外壳1的外壁。

本发明公开了一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置及碳捕集系统，采用面式电热膜实现对加热解吸过程的温度调节，相较于常规的吸附装置，解吸温度调节更加灵活方便，使得装置兼具加热均匀以及加热速率快的优势，并便于与可再生电力结合，提升整个装置的环保性能。解吸过程中面式电热膜可根据气体吸附浓度梯度分布采取梯级温度解吸方式，通过解吸温度与吸附浓度适配来降低解吸过程所需功量和热量，从而提升整个捕集装置的热性能。本发明结构简单，保温层便于根据需求方便开闭，保温组件设置在腔体外壳1外，外部保温层10环绕在腔体外壳1外，在解吸阶段增加了装置的保温性，减少了吸附装置与外界的传热损失，同时在吸附阶段可方便开启有利于吸附装置与外界散热，进一步降低吸附温度保证了吸附效果，也减少了吸附组件温度调节的能源消耗。

进一步优化方案，加热组件包括设置在腔体外壳1内的低温电热膜7和高温电热膜6，低温电热膜7和高温电热膜6分别与吸附组件贴合设置，低温电热膜7和高温电热膜6分别环绕在内部冷却管4外。高温电热膜6和低温电热膜7的加热效率和最终加热温度不同，可实现对吸附组件不同温度和效率的加热，高温电热膜6和低温电热膜7基于浓度分布分别布置在CO₂低浓度气体吸附区8和高浓度气体吸附区9，相比于全段单一高温解吸，梯级温度解吸在保证纯度和回收率的条件下可有效降低所需解吸功耗，提高捕集过程效率；而相比于全段单一低温解吸，可有效提高整个捕集过程的气体回收率和纯度；相比于介于高温与低温之间的单一中间温度解吸，通过合理优化解吸温度梯度设置，在同等能耗下，可同时提高碳捕集系统的气体回收率、纯度以及/>效率。

进一步的，高温电热膜6和低温电热膜7可以为高分子电热膜、碳纤维电热膜、石墨烯电热膜及半导体电热膜。

进一步的，本实施例可设置不少于两级温度解吸，也可按浓度分布设置多级温度解吸，同时所述高温电热膜6和低温电热膜7轴向方向长度比例可任意调节。

进一步优化方案，吸附组件包括填充内腔体外壳1内的吸附材料2，吸附材料2分别与内部冷却管4、低温电热膜7和高温电热膜6接触设置。本实施例的吸附材料2可以为沸石、活性炭或MOFs等粉体材料，可方便气体通过并在此过程进行吸附。

进一步的，高温电热膜6和低温电热膜7温度可根据不同应用场合任意调节，如应用于建筑室内碳捕集时温度不应设置过高，高温电热膜6和低温电热膜7温度可按80℃为基准设置梯级温度差；当应用于直接空气碳捕集或工业烟气捕集时，可按110℃基准设置梯级温度，但高温电热膜6的温度不应超过吸附材料2的最高耐热温度，防止吸附材料2被过热破坏。

进一步优化方案，定位片14上固定安装有液压合页13，液压合页13与外部保温层10固接；外部保温层10的两侧分别设置有磁吸条16，两侧磁吸条16相互吸合设置。液压合页13的一侧通过定位个螺栓固定在定位片14上，定位片14为一定厚度的金属片，通过焊接缝固定在腔体外壳1上，两块半环形的外部保温层10通过两侧的液压合页13固定在定位片14上，加热解吸过程中，定位片14双侧的外部保温层10与腔体外壳1处于完全贴合状态从而实现隔热保温，定位片14两侧的外部保温层10通过磁吸条16相互吸引定位。在吸附过程中，可通过对施力把手17手动施加外力或通过自动控制程序使得外部保温层10与腔体外壳1分离，此时外部保温层10带动液压合页13转动，当转动轴逆时针转过90°后，外部保温层10完全打开并与腔体外壳1整体处于相对垂直状态，并在液压合页13阻力的作用下实现定位，从而促进腔体外壳1与外界环境的对流和辐射换热。

进一步的，本实施例中，高温电热膜6和低温电热膜7贴合布置的腔体外壳1的内壁上。

一种碳捕集系统，包括供气组件、集气组件、供能组件和循环组件；供能组件与加热组件电性连接，供气组件和集气组件分别设置在吸附组件的两侧，循环组件分别与内部冷却管4两端连通，冷却流体3在内部冷却管4与冷却组件之间循环流动。本实施例的碳捕集系统以本实施例的面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置为核心，其中供能组件用于对高温电热膜6和低温电热膜7的加热供能；而循环组件则用于冷却流体3在内部冷却管4内流动，实现降温；供气组件和集气组件设置在吸附组件内的两侧，分别为吸附组件供气和收集吸附组件的废气。

进一步优化方案，供能组件包括与加热组件电性连接的电源26，电源26电性连接有变压器28，变压器28电性连接市政电网32或蓄电池31，蓄电池31分别与光伏发电组件29、风力发电组件30电性连接，消纳可再生电力。本实施例采用光伏发电和风力发电供电，发出的电经过变压器28后供加热用，实现不同电压输入，节约能源；多余的电能存储在蓄电池31内；经过变压器28的处理后的电能为高温电热膜6和低温电热膜7伸出腔体外壳1的电极27电性连接，可输出不同电功率以匹配高温电热膜6和低温电热膜7所需加热温度进而进行供电，多个高温电热膜6和低温电热膜7的正极导线和负极导线可分别并联后再接入同一电源26。

进一步优化方案，循环组件包括外界冷源22，外界冷源22通过液体管路23与内部冷却管4固接并连通。内部冷却管4内的冷却流体3通过液体管路23与外界冷源22连通，实现对冷却流体3的循环降温，冷却流体3可以为水、导热油、乙二醇溶液等。

进一步优化方案，供气组件包括混合气源瓶18，混合气源瓶18通过气体管路19与吸附组件连通；气体管路19上设置有气泵20。混合气体瓶内的混合气体可为空气、工业烟气等，吸附阶段，阀件21处于开启状态，混合气体在气泵20的作用下由气体管路19输送至吸附装置内完成吸附，冷却流体3由液体管路23在外界冷源22内不断循环，不断冷却；同时当吸附材料2温度不高于50℃或吸附容量不低于1.5mol/kg时，可不考虑添加冷源冷却。

进一步优化方案，集气组件包括并联设置的二氧化碳瓶24和废气瓶25，二氧化碳瓶24和废气瓶25通过气体管路19汇合后与吸附组件远离混合气源瓶18的一侧连通。吸附后的混合器体分离后存储在二氧化碳瓶24和废气瓶25内，其中捕集的二氧化碳直接输送至温室利用或输送入地下封存，也可直接输送至化工过程如与氢气合成甲醇等；而以氮气为主的废气可收集后输送至工业过程，例如参与液氮的制取等。

实施例2

参照图7所示，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例的高温电热膜6和低温电热膜7采取环扣固定方式安装在内部冷却管4外壁，其余与实施例1相同。

实施例3

参照图8所示，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例悬空布置时，高温电热膜6和低温电热膜7可通过定位压片分别在腔体外壳1上下或左右各1/4处固定，吸附材料2塞满其余空间并与高温电热膜6和低温电热膜7直接接触，有利于增强带电热膜与吸附材料之间的导热量，降低传热损失。

实施例4

参照图9所示，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例的高温电热膜6和低温电热膜7呈内切三角形布置在内部冷却管4外，有利于改善吸附材料2与电热膜在径向方向上的传热均匀性。

实施例5

参照图10所示，本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例的高温电热膜6和低温电热膜7呈内切四边形布置在内部冷却管4外，有利于改善吸附材料2与电热膜在径向方向上的传热均匀性。

实施例6

参照图11-图12所示，本实施例与实施例1的区别仅在于，腔体外壳1内布置若干道内部冷却管4，若干内部冷却管4并联布置，有利于增强吸附材料2在冷却和加热解吸期间的传热效率和传热均匀性。

实施例7

参照图13-图14所示，本实施例与实施例1的区别仅在于，腔体外壳1内设置一道内部冷却管4，而内部冷却管4的外壁设置有若干环形设置的翅片11，翅片与吸附材料2接触，有利于增强吸附材料2在冷却和加热解吸期间的传热效率。

实施例8

参照图15-图16所示，本实施例与实施例7的区别仅在于，本实施例的翅片11呈板状，按照内部冷却管4的方向布置，并且沿内部冷却管4的半径方向等间距固定在内部冷却管4外，有利于增强装置在冷却和加热解吸期间的传热效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置，其特征在于：包括腔体外壳(1)，所述腔体外壳(1)内同轴设置有加热组件和冷却组件，所述加热组件的加热温度可实现随浓度分布梯度设置，所述冷却组件和所述加热组件之间设置有吸附组件；所述腔体外壳(1)外可开合设置有保温组件；

所述冷却组件包括设置在所述腔体外壳(1)内的内部冷却管(4)，所述内部冷却管(4)外壁与所述吸附组件接触设置，所述内部冷却管(4)内流动有冷却流体(3)；

所述保温组件包括设置在所述腔体外壳(1)外的定位片(14)，所述定位片(14)上铰接设置有外部保温层(10)，所述外部保温层(10)可开合环绕在所述腔体外壳(1)的外壁。

2.根据权利要求1所述的面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置，其特征在于：所述加热组件包括设置在所述腔体外壳(1)内的低温电热膜(7)和高温电热膜(6)，所述低温电热膜(7)和所述高温电热膜(6)分别与所述吸附组件贴合设置，所述低温电热膜(7)和所述高温电热膜(6)分别环绕在所述内部冷却管(4)外。

3.根据权利要求2所述的面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置，其特征在于：所述吸附组件包括填充在所述腔体外壳(1)内的吸附材料(2)，所述吸附材料(2)分别与所述内部冷却管(4)、所述低温电热膜(7)和所述高温电热膜(6)接触设置。

4.根据权利要求1所述的面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置，其特征在于：所述定位片(14)上固定安装有液压合页(13)，所述液压合页(13)与外部保温层(10)固接。

5.根据权利要求1所述的面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置，其特征在于：所述外部保温层(10)的两侧分别设置有磁吸条(16)，两侧所述磁吸条(16)在所述外部保温层(10)闭合环绕时相互吸合设置。

6.一种碳捕集系统，根据权利要求1-5所述的面式热源解吸的梯级变电变温吸附装置，其特征在于：包括供气组件、集气组件、供能组件和循环组件；所述供能组件与所述加热组件电性连接，所述供气组件和所述集气组件分别设置在所述吸附组件的两侧，所述循环组件分别与所述内部冷却管(4)两端连通，所述冷却流体(3)在所述内部冷却管(4)内与所述循环组件之间循环流动。

7.根据权利要求6所述的碳捕集系统，其特征在于：所述供能组件包括与所述加热组件电性连接的电源(26)，所述电源(26)电性连接有变压器(28)，所述变压器(28)可与市政电网(32)直接电性连接，还可电性连接有蓄电池(31)，所述蓄电池(31)分别与光伏发电组件(29)或风力发电组件(30)电性连接。

8.根据权利要求6所述的碳捕集系统，其特征在于：所述冷却组件包括外界冷源(22)，所述外界冷源(22)通过液体管路(23)与所述内部冷却管(4)固接并连通。

9.根据权利要求6所述的碳捕集系统，其特征在于：所述供气组件包括混合气源瓶(18)，所述混合气源通过气体管路(19)与所述吸附组件连通；所述气体管路(19)上设置有气泵(20)。

10.根据权利要求9所述的碳捕集系统，其特征在于：所述集气组件包括并联设置的二氧化碳瓶(24)和废气瓶(25)，所述二氧化碳瓶(24)和所述废气瓶(25)通过所述气体管路(19)汇合后与所述吸附组件远离所述混合气源瓶(18)的一侧连通。