CN104383804B - 一种以厌氧发酵沼液为载体的co2吸收和储存利用系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统与方法，新鲜沼液经过储存、过滤和浓缩后与外源添加剂及回流的贫碳沼液混合形成混合沼液，沼气、垃圾填埋气、生物质热解气或烟气等富CO₂气体中的CO₂被混合沼液吸收形成富碳沼液。沼液需求量较大时，大部分富碳沼液进入富碳沼液混合储存设备，稀释后直接用于农林生态应用，将携带的CO₂储存在作物或植物机体和土壤及含水层中。沼液需求量较小时，大部分富碳沼液进入CO₂再生设备中，经过升温和空气吹扫辅助再生，形成贫碳沼液，贫碳沼液进入沼液混合设备中进行循环利用，从而降低CO₂分离成本和CO₂的再生能耗，并实现CO₂的大规模利用和储存。

Description

一种以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和储存利用系统和方法

技术领域

本发明涉及到CO₂吸收和储存利用技术领域，具体涉及一种以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统和方法。

背景技术

基于气液化学反应原理的沼气、垃圾填埋气、生物质热解气和燃煤烟气等低压富CO₂气体中CO₂的化学吸收技术是上述领域的主流CO₂分离技术之一，其具有技术成熟、商业应用广、对气体适应性广、操作简单和CO₂分离效率高、目标气纯度高(如在沼气和垃圾填埋气的CO₂中，CH₄为目标产品)等优点，是近期可以大规模推广应用的技术。但传统化学吸收技术也存在CO₂分离成本过高等关键瓶颈亟待解决。CO₂分离成本高主要归因于化学吸收工艺系统运行能耗高，尤其是吸收剂富CO₂溶液再生热耗巨大。

针对化学吸收法CO₂分离成本高、尤其是吸收剂富CO₂溶液再生能耗高的难题，目前的应对模式主要有二种：(1)在传统CO₂化学吸收法工艺基础上，利用新型高效低能耗CO₂吸收剂或对CO₂吸收与再生过程进行优化或创新来降低CO₂分离过程中的热再生能耗。在新型吸收剂方面，如采用氨水、N-甲基二乙醇胺和哌嗪混合吸收剂等新型吸收剂替代传统乙醇胺(MEA)吸收剂而进行应用，从而期望获得高CO₂吸收速率和低再生能耗的双重优势。在CO₂吸收过程优化方面，如采用吸收塔内冷(inter-cooling)技术来控制吸收剂溶液在CO₂吸收过程中温升，通过提高吸收剂的CO₂吸收能力来达到降低吸收剂流量、进而降低再生能耗的目的。在CO₂再生过程优化方面，如采用新型的膜减压再生工艺替代传统塔再生过程，将高比表面积的膜材料技术与减压再生技术有机结合，从而达到降低再生温度和利用低品位热能的目的。但此种模式依然立足于传统CO₂化学吸收工艺，保留了高耗能的富CO₂吸收剂溶液的热再生过程，即使采用新吸收剂，其再生过程也依然受制于反应动力学和热力学等方面的限制，再生能耗降幅有限，很难达到大幅度降低再生能耗的目标。同时，吸收或再生过程的优化可能会增加工艺系统的复杂性，从而增加系统的操作难度，而且还会增加系统的总体投资。(2)吸收剂不循环利用的CO₂吸收、利用和储存一体化模式。此种模式摈弃了传统化学吸收法中能耗最高的富CO₂溶液的再生过程，对吸收剂不循环使用，而是直接将CO₂吸收与高附加值产品生产一体化，将CO₂转换成有较高附加值的化工产品。此种模式舍弃了CO₂的再生过程，因而无需消耗高温再生蒸汽，系统能耗大幅降低，可有效降低CO₂分离成本，同时获得的高附加值产品的销售也可以补贴CO₂分离成本。此种模式下，最典型的是以氨水为吸收剂吸收CO₂生成碳酸氢铵工艺。但是此工艺依赖氨水等化学吸收剂，需要大量利用氨水等商业化工产品，大规模应用将可能会导致化工产品的严重供不应求，同时碳酸氢铵等肥料的需求量也有限。因此，此种模式的应用规模有限，只能在小范围内使用。

总体而言，针对传统CO₂化学吸收法工艺存在的关键问题，吸收剂不循环利用的CO₂吸收、利用和储存一体化模式具有低CO₂分离成本优势，非常值得关注，但其需要解决的关键问题在于开发新型的低成本和可再生的CO₂吸收剂来替代传统的商业化工吸收剂进行应用，同时也需拓展富CO₂吸收剂的应用范围，从而达到大规模、低成本的CO₂利用与储存。而在CO₂储存方面，除了地质和海洋等储存方式外，土壤和植物固碳也应值得关注。土壤作为最大的碳源和碳汇地，如果能将分离的CO₂有效储存在土壤中，将会有效拓展CO₂的储存渠道，实现CO₂的大规模储存。同样，如果能将CO₂有效储存在植物机体中，也将会大幅扩展CO₂的应用途径，降低CO₂储存利用的风险性。

因此，需要开发一种以“低成本、低毒性和可再生”吸收剂为载体的CO₂吸收和储存利用一体化工艺系统和方法，以达到降低CO₂分离成本和CO₂的再生能耗的目的，并且其能通过可再生吸收剂将CO₂进行吸收后，将分离出的CO₂转移到土壤和植物机体中，从而实现CO₂的大规模利用和储存。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统和方法，该系统和方法能显著降低CO₂分离成本和CO₂的再生能耗，同时拓展CO₂的储存利用方向。

为实现此目的，本发明所设计的一种以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统，包括三通管路阀门、富碳沼液输送泵、富碳沼液混合储存设备、再生富碳沼液输送泵、贫富换热器、富碳沼液CO₂再生设备、通过管道依次连通的新鲜沼液储存设备、沼液过滤设备、沼液浓缩设备、沼液混合设备、加热器、CO₂吸收设备；所述三通管路阀门的第一端口连接CO₂吸收设备的混合液输出口，三通管路阀门的第二端口通过富碳沼液输送泵连接富碳沼液混合储存设备的富碳沼液进液口，富碳沼液混合储存设备的稀相输入口连接沼液浓缩设备的稀相排液口；所述三通管路阀门的第三端口通过再生富碳沼液输送泵连接贫富换热器的低温流体入口，贫富换热器的低温流体出口与富碳沼液CO₂再生设备的再生富碳沼液进液口通过管道相连；富碳沼液CO₂再生设备的贫碳沼液排液口与贫富换热器的高温流体入口通过管道相连，贫富换热器的高温流体出口通过贫碳沼液输送泵连通所述沼液混合设备的贫碳沼液输入口；所述三通管路阀门的第二端口和富碳沼液输送泵之间的管路上设有流量计；所述沼液混合设备的贫碳沼液输入口和贫碳沼液输送泵之间的管路上设有流量计和浓度传感器；所述沼液混合设备具有外源添加剂进液口；所述CO₂吸收设备具有富CO₂气体进气口和混合液输入口，所述富CO₂气体进气口位于CO₂吸收设备的下部，混合液输入口位于CO₂吸收设备的上部，所述沼液混合设备通过加热器连接CO₂吸收设备的混合液输入口；所述富碳沼液混合储存设备具有富碳沼液排液口；所述富碳沼液CO₂再生设备的底部具有空气进气口，所述富碳沼液CO₂再生设备的顶部具有再生气排气口。

上述技术方案中，所述富碳沼液CO₂再生设备内设有加热元件，所述富碳沼液CO₂再生设备的空气进气口通过加热器与空气泵相连，所述富碳沼液CO₂再生设备的再生气排气口与冷凝装置通过管道相连；所述沼液过滤设备和沼液浓缩设备之间的管路上设有液体流量控制器和流量计；所述沼液浓缩设备的稀相排液口和富碳沼液混合储存设备的稀相输入口之间的管路上设有流量计；所述沼液浓缩设备内设有卷式纳滤膜；所述沼液过滤设备具有滤渣排出口；所述CO₂吸收设备具有净化气排气口。

上述技术方案中，所述新鲜沼液储存设备和沼液过滤设备之间通过沼液输送泵连通，沼液过滤设备和沼液浓缩设备之间通过沼液输送泵连通，沼液浓缩设备和沼液混合设备之间通过沼液输送泵连通；所述新鲜沼液储存设备和沼液过滤设备之间的管路上设有流量计和温度传感器；所述沼液过滤设备和沼液浓缩设备之间的管路上设有温度传感器；所述沼液浓缩设备和沼液混合设备之间的管路上设有流量计和温度传感器；所述三通管路阀门的第一端口和CO₂吸收设备的混合液输出口之间的管路上设有流量计和温度传感器；所述贫富换热器高温流体入口和富碳沼液CO₂再生设备的贫碳沼液排液口之间的管路上设有流量计和温度传感器；所述沼液混合设备和CO₂吸收设备之间的管路上设有浓度传感器；所述贫富换热器低温流体出口和富碳沼液CO₂再生设备的再生富碳沼液进液口之间的管路上设有流量计。

一种利用上述以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用的方法，该方法中，新鲜沼液经过储存、过滤和浓缩后与外源添加剂及回流的贫碳沼液混合形成混合沼液，沼气、垃圾填埋气、生物质热解气或烟气等富CO₂气体中的CO₂在吸收阶段被混合沼液吸收而形成富碳沼液。在沼液需求量较大情况下，大部分富碳沼液直接进入富碳沼液混合与储存设备，再经过稀释后直接用于农林生态应用，用于农林作物或植物的浇灌，促进作物或植物的生长，从而将携带的CO₂储存在作物或植物机体和土壤及含水层中。在沼液需求量较小的情况下，大部分富碳沼液可经过贫富液换热器加热后进入CO₂再生设备中，经过升温和空气吹扫辅助再生，将富碳沼液中携带的CO₂再生，从而形成贫碳沼液，贫碳沼液通过贫富液换热器降温后输送至沼液混合设备中进行循环利用。而再生出的CO₂/空气混合气体中CO₂体积分数被控制在0.08％～0.10％左右，直接可用于温室大棚的气体施肥应用。

本发明具体来说包括如下步骤：

步骤1：将新鲜沼液储存在新鲜沼液储存设备中，密闭静置储存形成沼液上清液；

步骤2：步骤中所述沼液上清液从新鲜沼液储存设备中引出而进入沼液过滤设备中依次进行粗滤和精滤，逐步脱除沼液中直径大于5μm的悬浮颗粒物，悬浮颗粒物通过滤渣排出口排出，精滤后的滤液进入沼液浓缩设备进行浓缩形成沼液浓缩液，然后在沼液浓缩设备中经过卷式纳滤膜过滤沼液浓缩液中的水和小分子物质形成稀相和沼液浓缩相；

步骤3：所述沼液浓缩设备将沼液浓缩相输送到沼液混合设备中，并在沼液混合设备中加入外源添加剂，使外源添加剂与沼液浓缩相混合，形成混合液，加入的所述外源添加剂浓度控制在0.5～1.25mol/L范围内，所述沼液混合设备输出的混合液经过加热器加热升温后进入CO₂吸收设备中，同时，将待分离CO₂的富CO₂气体通过富CO₂气体进气口输入到CO₂吸收设备中并与所述混合液形成逆向流动，所述混合液吸收CO₂后形成富碳沼液，富CO₂气体被吸收后剩下的气体从CO₂吸收设备的净化气排气口排出；

步骤4：步骤中所述富碳沼液经过三通管路阀门的第二端口分流进入富碳沼液混合储存设备中，经过分流的所述富碳沼液的流量范围在70％～90％之间，该分流的所述富碳沼液的流量由三通管路阀门的第二端口和富碳沼液输送泵之间的流量计监测，并通过三通管路阀门调节控制，步骤中所述稀相由沼液浓缩设备的稀相排液口输出通过稀相输入口进入富碳沼液混合储存设备，所述稀相和向富碳沼液混合储存设备中添加水份共同稀释从富碳沼液排液口排出的所述富碳沼液，稀释5～10倍后形成富碳沼液稀释液，所述富碳沼液稀释液直接或储存后用于农业生态利用，供植物或作物生长和土壤固化储存；

步骤5：步骤中剩余的所述富碳沼液经过三通管路阀门的第三端口输出，通过再生富碳沼液输送泵从贫富换热器低温流体入口进入，进行换热升温至60～80℃后进入富碳沼液CO₂再生设备中，将空气通过空气泵输送到加热器，加热器对空气进行加热，加热后的空气从富碳沼液CO₂再生设备的空气进气口进入富碳沼液CO₂再生设备将所述富碳沼液进行吹扫再生，再生出CO₂气体，并余下贫碳沼液；

步骤6：所述富碳沼液CO₂再生设备将贫碳沼液输出，并由高温流体入口进入贫富换热器，在贫富换热器内贫碳沼液进行换热降温后进入沼液混合设备中与所述沼液浓缩相和所述外源添加剂混合形成吸收液，该吸收液按照步骤中混合液的处理方式进行循环使用，通过贫碳沼液输入口和贫碳沼液输送泵之间的流量计和浓度传感器监测步骤中所述贫碳沼液的流量，所述沼液混合设备(4)和CO₂吸收设备(6)之间的流量计(14)和浓度传感器(16)监测步骤3中所述混合液的流量，根据所述贫碳沼液的流量和步骤3中所述混合液流量来调整需要添加的外源添加剂的浓度，使形成的新的混合液内的外源添加剂浓度范围在0.5～1.25mol/L内。

本发明的有益效果为：

1、本发明以有机质厌氧发酵所产生的低成本、弱碱性、且富含植物生长营养成分的沼液为媒介，将富CO₂气体中CO₂的吸收与储存应用一体化，将CO₂从气态转移到植物机体或土壤与含水层中，大幅降低了CO₂吸收和储存利用成本，可实现低成本的CO₂吸收和储存利用。

2、本发明中，富碳沼液的农林生态利用还可以改善土壤质量，增加农林植物的生物质产量，达到进一步从空气中吸收CO₂的目的。

3、本发明中，当以沼气、垃圾填埋气和生物质热解气等为处理对象时，本发明不仅可以提高气体的热值，生产出应用前景广阔的可再生生物甲烷或生物天然气，还可将CO₂转移到植物机体或土壤中，实现CO₂的净负排放，一举多得。

4、本发明中，沼液混合设备中选择低毒性、高反应速率、且以生成碳酸氢根为主的外源添加剂，可以提高沼液的CO₂吸收能力，保证沼液中原有植物生长促进成分含量不变。同时，通过添加剂浓度和反应温度等参数，保证沼液具有较低的植物生理毒性，达到沼液的高CO₂吸收能力和低生理毒性双重目标。同时与现有以氨水等商业化工产品为吸收剂的CO₂吸收和高附加值产品生产一体化工艺相比，采用量大、价格低廉、毒性低且富含植物生长促进激素、氨基酸和维生素等有益成分的沼液作为吸收剂主体，有效规避了传统工艺中对化工产品大量消耗的难题。

5、本发明中，少量富碳沼液用于再生，从而降低外源添加剂的使用量。同时，再生中还能产生CO₂气肥副产品，可用于温室大棚的气体施肥。

6、本发明中，沼液过滤后的沼渣可以作为固体营养原料，采用纳滤浓缩能提高营养物质浓度，减小沼液储存体积，降低输送成本。

7、本发明由于在再生过程所需温度较低，因而可以有效利用余热或其他低品位能源。

附图说明

图1为本发明一种以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统的结构与流程示意图。

其中，1—沼液储存设备、2—沼液过滤设备、2.1—滤渣排出口、3—沼液浓缩设备、3.1—稀相排液口、4—沼液混合设备、4.1—外源添加剂进液口、4.2—贫碳沼液输入口、5—加热器、6—CO₂吸收设备、6.1—富CO₂气体进气口、6.2—净化气排气口、6.3—混合液输入口、6.4—混合液输出口、7—富碳沼液输送泵、8—富碳沼液混合储存设备、8.1—富碳沼液排液口、8.2—稀相输入口、8.3—富碳沼液进液口口、9—再生富碳沼液输送泵、10—贫富换热器、10.1—低温流体入口、10.2—低温流体出口、10.3—高温流体入口、10.4—高温流体出口、11—富碳沼液CO₂再生设备、11.1—再生富碳沼液进液口、11.2—贫碳沼液排液口、11.3—空气进气口、11.4—再生气排气口、12—空气泵、13—贫碳沼液泵、14—流量计、15—温度传感器、16—吸收剂浓度传感器、17—液体流量控制器、18—加热元件、19—冷凝装置、20—沼液输送泵、21.1—三通管路阀门、21.2—第一端口、21.3—第二端口、21—第三端口

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统，包括三通管路阀门21、富碳沼液输送泵7、富碳沼液混合储存设备8、再生富碳沼液输送泵9、贫富换热器10、富碳沼液CO₂再生设备11、通过管道依次连通的新鲜沼液储存设备1、沼液过滤设备2、沼液浓缩设备3、沼液混合设备4、加热器5、CO₂吸收设备6；所述三通管路阀门21的第一端口21.1连接CO₂吸收设备6的混合液输出口6.4，三通管路阀门21的第二端口21.2通过富碳沼液输送泵7连接富碳沼液混合储存设备8的富碳沼液进液口8.3，富碳沼液混合储存设备8的稀相输入口8.2连接沼液浓缩设备3的稀相排液口3.1；所述三通管路阀门21的第三端口21.3通过再生富碳沼液输送泵9连接贫富换热器10的低温流体入口10.1，贫富换热器10的低温流体出口10.2与富碳沼液CO₂再生设备11的再生富碳沼液进液口11.1通过管道相连；富碳沼液CO₂再生设备11的贫碳沼液排液口11.2与贫富换热器10的高温流体入口10.3通过管道相连，贫富换热器10的高温流体出口10.4通过贫碳沼液输送泵13连通所述沼液混合设备4的贫碳沼液输入口4.2；所述三通管路阀门21的第二端口21.2和富碳沼液输送泵7之间的管路上设有流量计14；所述沼液混合设备4的贫碳沼液输入口4.2和贫碳沼液输送泵13之间的管路上设有流量计14和浓度传感器16；所述沼液混合设备4具有外源添加剂进液口4.1；所述CO₂吸收设备6具有富CO₂气体进气口6.1和混合液输入口6.3，所述富CO₂气体进气口6.1位于CO₂吸收设备6的下部，混合液输入口6.3位于CO₂吸收设备6的上部，所述沼液混合设备4通过加热器5连接CO₂吸收设备6的混合液输入口6.3；所述富碳沼液混合储存设备8具有富碳沼液排液口8.1；所述富碳沼液CO₂再生设备11的底部具有空气进气口11.3，所述富碳沼液CO₂再生设备11的顶部具有再生气排气口11.4。

上述技术方案中，所述富碳沼液CO₂再生设备11内设有加热元件18，所述富碳沼液CO₂再生设备11的空气进气口11.3通过加热器5与空气泵12相连，所述富碳沼液CO₂再生设备11的再生气排气口11.4与冷凝装置19通过管道相连；所述沼液过滤设备2和沼液浓缩设备3之间的管路上设有液体流量控制器17和流量计14；所述沼液浓缩设备3的稀相排液口3.1和富碳沼液混合储存设备8的稀相输入口8.2之间的管路上设有流量计14；所述沼液浓缩设备3内设有卷式纳滤膜；所述沼液过滤设备2具有滤渣排出口2.1；所述CO₂吸收设备6具有净化气排气口6.2。

上述技术方案中，所述新鲜沼液储存设备1和沼液过滤设备2之间通过沼液输送泵20连通，沼液过滤设备2和沼液浓缩设备3之间通过沼液输送泵20连通，沼液浓缩设备3和沼液混合设备4之间通过沼液输送泵20连通；所述新鲜沼液储存设备1和沼液过滤设备2之间的管路上设有流量计14和温度传感器15；所述沼液过滤设备2和沼液浓缩设备3之间的管路上设有温度传感器15；所述沼液浓缩设备3和沼液混合设备4之间的管路上设有流量计14和温度传感器15；所述三通管路阀门21的第一端口21.1和CO₂吸收设备6的混合液输出口6.4之间的管路上设有流量计14和温度传感器15；所述贫富换热器10高温流体入口10.3和富碳沼液CO₂再生设备11的贫碳沼液排液口11.2之间的管路上设有流量计14和温度传感器15；所述沼液混合设备4和CO₂吸收设备6之间的管路上设有浓度传感器16；所述贫富换热器10低温流体出口10.2和富碳沼液CO₂再生设备11的再生富碳沼液进液口11.1之间的管路上设有流量计14。

一种利用上述以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用的方法，该方法中，新鲜沼液经过储存、过滤和浓缩后与外源添加剂及回流的贫碳沼液混合形成混合沼液，沼气、垃圾填埋气、生物质热解气或烟气等富CO₂气体中的CO₂在吸收阶段被混合沼液吸收而形成富碳沼液。在沼液需求量较大情况下，大部分富碳沼液直接进入富碳沼液混合与储存设备，再经过稀释后直接用于农林生态应用，用于农林作物或植物的浇灌，促进作物或植物的生长，从而将携带的CO₂储存在作物或植物机体和土壤及含水层中。在沼液需求量较小的情况下，大部分富碳沼液可经过贫富液换热器加热后进入CO₂再生设备中，经过升温和空气吹扫辅助再生，将富碳沼液中携带的CO₂再生，从而形成贫碳沼液，贫碳沼液通过贫富液换热器降温后输送至沼液混合设备中进行循环利用。而再生出的CO₂/空气混合气体中CO₂体积分数被控制在0.08％～0.1％左右，直接可用于温室大棚的气体施肥应用。

本发明具体来说包括如下步骤：

步骤1：将新鲜沼液储存在新鲜沼液储存设备1中，密闭静置储存形成沼液上清液；

步骤2：步骤1中所述沼液上清液从新鲜沼液储存设备1中引出而进入沼液过滤设备2中依次进行粗滤和精滤，逐步脱除沼液中直径大于5μm的悬浮颗粒物，悬浮颗粒物通过滤渣排出口2.1排出，精滤后的滤液进入沼液浓缩设备3进行浓缩形成沼液浓缩液，然后在沼液浓缩设备3中经过卷式纳滤膜过滤沼液浓缩液中的水和小分子物质形成稀相和沼液浓缩相；

步骤3：所述沼液浓缩设备3将沼液浓缩相输送到沼液混合设备4中，并在沼液混合设备4中加入外源添加剂，使外源添加剂与沼液浓缩相混合，形成混合液，加入的所述外源添加剂浓度控制在0.5～1.25mol/L范围内，所述沼液混合设备4输出的混合液经过加热器5加热升温后进入CO₂吸收设备6中，同时，将待分离CO₂的富CO₂气体通过富CO₂气体进气口6.1输入到CO₂吸收设备6中并与所述混合液形成逆向流动，所述混合液吸收CO₂后形成富碳沼液，富CO₂气体被吸收后剩下的气体从CO₂吸收设备6的净化气排气口6.2排出；

步骤4：步骤3中所述富碳沼液经过三通管路阀门21的第二端口21.2分流进入富碳沼液混合储存设备8中，经过分流的所述富碳沼液的流量范围在70％～90％之间，该分流的所述富碳沼液的流量由三通管路阀门21的第二端口21.2和富碳沼液输送泵7之间的流量计14监测，并通过三通管路阀门21调节控制，步骤2中所述稀相由沼液浓缩设备3的稀相排液口3.1输出通过稀相输入口8.2进入富碳沼液混合储存设备8，所述稀相和向富碳沼液混合储存设备8中添加水份共同稀释从富碳沼液排液口8.1排出的所述富碳沼液，稀释5～10倍后形成富碳沼液稀释液，所述富碳沼液稀释液直接或储存后用于农业生态利用，供植物或作物生长和土壤固化储存；

步骤5：步骤3中剩余的所述富碳沼液经过三通管路阀门21的第三端口21.3输出，通过再生富碳沼液输送泵9从贫富换热器10低温流体入口10.1进入，进行换热升温至60～80℃后进入富碳沼液CO₂再生设备11中，将空气通过空气泵12输送到加热器5，加热器5对空气进行加热，加热后的空气从富碳沼液CO₂再生设备11的空气进气口11.3进入富碳沼液CO₂再生设备11将所述富碳沼液进行吹扫再生，再生出CO₂气体，并余下贫碳沼液；

步骤6：所述富碳沼液CO₂再生设备11将贫碳沼液输出，并由高温流体入口10.3进入贫富换热器10，在贫富换热器10内贫碳沼液进行换热降温后进入沼液混合设备4中与所述沼液浓缩相和所述外源添加剂混合形成吸收液，该吸收液按照步骤3中混合液的处理方式进行循环使用，通过贫碳沼液输入口4.2和贫碳沼液输送泵13之间的流量计14和浓度传感器16监测步骤5中所述贫碳沼液的流量，所述沼液混合设备4和CO₂吸收设备6之间的流量计14和浓度传感器16监测步骤3中所述混合液的流量，根据所述贫碳沼液的流量和步骤3中所述混合液流量来调整需要添加的外源添加剂的浓度，使形成的新的混合液内的外源添加剂浓度范围在0.5～1.25mol/L内。

上述所有步骤中，外源添加剂主要以较高CO₂反应活性、低毒性和以生成碳酸氢根离子为主的CO₂吸收剂为主，如氢氧化钾、氨水、氨基酸盐等单一或混合吸收剂。

上述技术方案的步骤1中，所述新鲜沼液是在35～37℃下由厌氧发酵产沼气工程产生的沼液滞留20天形成的。

上述技术方案的步骤1中，新鲜沼液在35～37℃条件下密闭静置储存15～17天。

上述技术方案的步骤2中，通过沼液浓缩设备3进液口处的液体流量控制器17和浓缩设备输出口的稀相流量计14的流量比例获取沼液的浓缩倍数，并将沼液浓缩倍数控制在1.25～5倍，即按照浓缩前所述沼液上清液流量和浓缩后所述稀相流量之间的比例为5:1～5:4来进行浓缩控制。

上述技术方案的步骤3中，用于CO₂吸收的混合沼液由浓缩沼液、外源吸收剂、回流贫液混合配制，通过混合设备4的进液口4.3与贫液泵13之间设有的流量计14和吸收剂浓度传感器16控制、检测贫液中有效吸收剂含量，通过调节吸收剂添加量来控制沼液中外源添加剂浓度，且沼液浓缩程度越大，添加量越高，从而使混合沼液内的外源添加剂浓度控制在0.5～1.25mol/L沼液范围内。

上述技术方案的步骤4中，所述富碳沼液稀释液是否储存及储存时间根据实际富碳沼液稀释液的需求量来进行调整，所述富碳沼液稀释液的最大储存时间为7天；所述富碳沼液可现场储存和利用，也可运输到利用地后再储存和稀释后利用。

上述技术方案的步骤3中，所述沼液混合设备4输出的混合液经过加热器5加热升温至35～50℃；所述步骤5中，通过加热元件18调节富碳沼液CO₂再生设备11的再生环境，使得再生温度维持在60～80℃，且沼液浓缩倍数越高，再生温度越高；所述空气泵12的流量由再生气排气口11.4再生出的CO₂气体中CO₂体积分数和上述再生温度共同确定，保证再生出的CO₂气体中CO₂体积分数为0.08％～0.10％。

上述技术方案的步骤3中，待分离CO₂气体可为沼气、垃圾填埋气、生物质热解气或烟气。

上述技术方案的步骤5中，所述再生出CO₂气体由富碳沼液CO₂再生设备11的再生气排气口11.4排入冷凝装置19中，经冷凝后的气体作为温室大棚的CO₂气肥进行利用。

上述技术方案中，所有管路均包裹保温材料，以降低沼液和初始富液在管路运行中的热量损失。

上述技术方案中，沼液浓缩设备4的关键部件是卷式纳滤膜，采用错流过滤方式。

Claims (10)

1.一种以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统，其特征在于：包括三通管路阀门(21)、富碳沼液输送泵(7)、富碳沼液混合储存设备(8)、再生富碳沼液输送泵(9)、贫富换热器(10)、富碳沼液CO₂再生设备(11)、通过管道依次连通的新鲜沼液储存设备(1)、沼液过滤设备(2)、沼液浓缩设备(3)、沼液混合设备(4)、加热器(5)、CO₂吸收设备(6)；所述三通管路阀门(21)的第一端口(21.1)连接CO₂吸收设备(6)的混合液输出口(6.4)，三通管路阀门(21)的第二端口(21.2)通过富碳沼液输送泵(7)连接富碳沼液混合储存设备(8)的富碳沼液进液口(8.3)，富碳沼液混合储存设备(8)的稀相输入口(8.2)连接沼液浓缩设备(3)的稀相排液口(3.1)；所述三通管路阀门(21)的第三端口(21.3)通过再生富碳沼液输送泵(9)连接贫富换热器(10)的低温流体入口(10.1)，贫富换热器(10)的低温流体出口(10.2)与富碳沼液CO₂再生设备(11)的再生富碳沼液进液口(11.1)通过管道相连；富碳沼液CO₂再生设备(11)的贫碳沼液排液口(11.2)与贫富换热器(10)的高温流体入口(10.3)通过管道相连，贫富换热器(10)的高温流体出口(10.4)通过贫碳沼液输送泵(13)连通所述沼液混合设备(4)的贫碳沼液输入口(4.2)；所述三通管路阀门(21)的第二端口(21.2)和富碳沼液输送泵(7)之间的管路上设有流量计(14)；所述沼液混合设备(4)的贫碳沼液输入口(4.2)和贫碳沼液输送泵(13)之间的管路上设有流量计(14)和浓度传感器(16)；所述沼液混合设备(4)具有外源添加剂进液口(4.1)；所述CO₂吸收设备(6)具有富CO₂气体进气口(6.1)和混合液输入口(6.3)，所述富CO₂气体进气口(6.1)位于CO₂吸收设备(6)的下部，混合液输入口(6.3)位于CO₂吸收设备(6)的上部，所述沼液混合设备(4)通过加热器(5)连接CO₂吸收设备(6)的混合液输入口(6.3)；所述富碳沼液混合储存设备(8)具有富碳沼液排液口(8.1)；所述富碳沼液CO₂再生设备(11)的底部具有空气进气口(11.3)，所述富碳沼液CO₂再生设备(11)的顶部具有再生气排气口(11.4)。

2.根据权利要求1所述的一种以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统，其特征在于：所述富碳沼液CO₂再生设备(11)内底部设有加热元件(18)，所述富碳沼液CO₂再生设备(11)的空气进气口(11.3)通过加热器(5)与空气泵(12)相连，所述富碳沼液CO₂再生设备(11)的再生气排气口(11.4)与冷凝装置(19)通过管道相连；所述沼液过滤设备(2)和沼液浓缩设备(3)之间的管路上设有液体流量控制器(17)和流量计(14)；所述沼液浓缩设备(3)的稀相排液口(3.1)和富碳沼液混合储存设备(8)的稀相输入口(8.2)之间的管路上设有流量计(14)；所述沼液浓缩设备(3)内设有卷式纳滤膜；所述沼液过滤设备(2)具有滤渣排出口(2.1)；所述CO₂吸收设备(6)具有净化气排气口(6.2)。

3.根据权利要求2所述的一种以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统，其特征在于：所述新鲜沼液储存设备(1)和沼液过滤设备(2)之间通过沼液输送泵(20)连通，沼液过滤设备(2)和沼液浓缩设备(3)之间通过沼液输送泵(20)连通，沼液浓缩设备(3)和沼液混合设备(4)之间通过沼液输送泵(20)连通；所述新鲜沼液储存设备(1)和沼液过滤设备(2)之间的管路上设有流量计(14)和温度传感器(15)；所述沼液过滤设备(2)和沼液浓缩设备(3)之间的管路上设有温度传感器(15)；所述沼液浓缩设备(3)和沼液混合设备(4)之间的管路上设有流量计(14)和温度传感器(15)；所述三通管路阀门(21)的第一端口(21.1)和CO₂吸收设备(6)的混合液输出口(6.4)之间的管路上设有流量计(14)和温度传感器(15)；所述贫富换热器(10)高温流体入口(10.3)和富碳沼液CO₂再生设备(11)的贫碳沼液排液口(11.2)之间的管路上设有流量计(14)和温度传感器(15)；所述沼液混合设备(4)和CO₂吸收设备(6)之间的管路上设有浓度传感器(16)；所述贫富换热器(10)低温流体出口(10.2)和富碳沼液CO₂再生设备(11)的再生富碳沼液进液口(11.1)之间的管路上设有流量计(14)。

4.一种利用权利要求3所述以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用系统的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤1：将新鲜沼液储存在新鲜沼液储存设备(1)中，密闭静置储存形成沼液上清液；

步骤2：步骤1中所述沼液上清液从新鲜沼液储存设备(1)中引出而进入沼液过滤设备(2)中依次进行粗滤和精滤，逐步脱除沼液中直径大于5μm的悬浮颗粒物，悬浮颗粒物通过滤渣排出口(2.1)排出，精滤后的滤液进入沼液浓缩设备(3)进行浓缩形成沼液浓缩液，然后在沼液浓缩设备(3)中经过卷式纳滤膜过滤沼液浓缩液中的水和小分子物质形成稀相和沼液浓缩相；

步骤3：所述沼液浓缩设备(3)将沼液浓缩相输送到沼液混合设备(4)中，并在沼液混合设备(4)中加入外源添加剂，使外源添加剂与沼液浓缩相混合，形成混合液，加入的所述外源添加剂浓度控制在0.5～1.25mol/L范围内，所述沼液混合设备(4)输出的混合液经过加热器(5)加热升温后进入CO₂吸收设备(6)中，同时，将待分离CO₂的富CO₂气体通过富CO₂气体进气口(6.1)输入到CO₂吸收设备(6)中并与所述混合液形成逆向流动，所述混合液吸收CO₂后形成富碳沼液，富CO₂气体被吸收后剩下的气体从CO₂吸收设备(6)的净化气排气口(6.2)排出；

步骤4：步骤3中所述富碳沼液经过三通管路阀门(21)的第二端口(21.2)分流进入富碳沼液混合储存设备(8)中，经过分流的所述富碳沼液的流量范围在70％～90％之间，该分流的所述富碳沼液的流量由三通管路阀门(21)的第二端口(21.2)和富碳沼液输送泵(7)之间的流量计(14)监测，并通过三通管路阀门(21)调节控制，步骤2中所述稀相由沼液浓缩设备(3)的稀相排液口(3.1)输出通过稀相输入口(8.2)进入富碳沼液混合储存设备(8)，所述稀相和向富碳沼液混合储存设备(8)中添加水份，共同稀释从富碳沼液排液口(8.1)排出的所述富碳沼液，稀释5～10倍后形成富碳沼液稀释液，所述富碳沼液稀释液直接或储存后用于农业生态利用，供植物或作物生长和土壤固化储存；

步骤5：步骤3中剩余的所述富碳沼液经过三通管路阀门(21)的第三端口(21.3)输出，通过再生富碳沼液输送泵(9)从贫富换热器(10)低温流体入口(10.1)进入，进行换热升温后进入富碳沼液CO₂再生设备(11)中，将空气通过空气泵(12)输送到加热器(5)，加热器(5)对空气进行加热，加热后的空气从富碳沼液CO₂再生设备(11)的空气进气口(11.3)进入富碳沼液CO₂再生设备(11)将所述富碳沼液进行吹扫再生，再生出CO₂气体，并余下贫碳沼液；

步骤6：所述富碳沼液CO₂再生设备(11)将贫碳沼液输出，并由高温流体入口(10.3)进入贫富换热器(10)，在贫富换热器(10)内贫碳沼液进行换热降温后进入沼液混合设备(4)中与所述沼液浓缩相和所述外源添加剂混合形成吸收液，该吸收液按照步骤3中混合液的处理方式进行循环使用，通过贫碳沼液输入口(4.2)和贫碳沼液输送泵(13)之间的流量计(14)和浓度传感器(16)监测步骤5中所述贫碳沼液的流量，所述沼液混合设备(4)和CO₂吸收设备(6)之间的流量计(14)和浓度传感器(16)监测步骤3中所述混合液的流量，根据所述贫碳沼液的流量和步骤3中所述混合液流量来调整需要添加的外源添加剂的浓度，使形成的新的混合液内的外源添加剂浓度范围在0.5～1.25mol/L内。

5.根据权利要求4所述的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用的方法，其特征在于：上述所有步骤中，所述外源添加剂为氢氧化钾或氨水或氨基酸盐以及上述两者或三者的混合吸收剂。

6.根据权利要求4所述的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用的方法，其特征在于：所述步骤2中，通过沼液浓缩设备(3)进液口处的液体流量控制器(17)和浓缩设备输出口的稀相流量计(14)的流量比例获取沼液的浓缩倍数，并将沼液浓缩倍数控制在1.25～5倍。

7.根据权利要求4所述的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用的方法，其特征在于：所述步骤4中，所述富碳沼液稀释液是否储存及储存时间根据实际富碳沼液稀释液的需求量来进行调整，所述富碳沼液稀释液的最大储存时间为7天；所述富碳沼液可现场储存和利用，也可运输到利用地后再储存和稀释后利用。

8.根据权利要求4所述的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用的方法，其特征在于：所述步骤3中，所述沼液混合设备(4)输出的混合液经过加热器(5)加热升温至35～50℃；所述步骤5中，通过加热元件(18)调节富碳沼液CO₂再生设备(11)的再生环境，使得再生温度维持在60～80℃；所述空气泵(12)的流量由再生气排气口(11.4)再生出的CO₂气体中CO₂体积分数和上述再生温度共同确定，保证再生出的CO₂气体中CO₂体积分数为0.08％～0.10％。

9.根据权利要求4所述的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用的方法，其特征在于：所述步骤3中，待分离CO₂气体可为沼气、垃圾填埋气、生物质热解气或烟气。

10.根据权利要求4所述的以厌氧发酵沼液为载体的CO₂吸收和储存利用的方法，其特征在于：所述步骤5中，所述再生出CO₂气体由富碳沼液CO₂再生设备(11)的再生气排气口(11.4)排入冷凝装置(19)中，经冷凝后的气体作为温室大棚的CO₂气肥进行利用；所述步骤1中的新鲜沼液是在35～37℃下由厌氧发酵产沼气工程产生的沼液滞留20天形成的。