CN109200751A - 一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于碳捕集技术领域，公开了一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，建筑通风管道通过空压机连接并联的多组吸附支路，每组吸附支路包括交替用于吸附和脱附的两条支路；每条支路均设有气路电控阀和吸附床，吸附床中吸附腔通过四通换向阀连接废气排出口或产品气出口，完成变电真空吸附；太阳能光伏电池板依次连接蓄电池和逆变器，为系统供电；冷凝器通过工质泵连接吸附床中换热腔，形成冷凝循环。本发明将碳捕集技术应用于建筑通风系统中，通过优化二氧化碳吸附剂材料工艺，并采用太阳能光伏驱动进一步降低系统能耗，全年从建筑空气中高效低能耗分离二氧化碳产品气的同时促进建筑内新风换气，提高空气质量。

Description

一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统

技术领域

本发明属于碳捕集技术领域，更具体的说，是涉及一种太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统。

背景技术

人们对室内空气质量的要求越来越高，随着空气净化装置的发展，空气净化装置的需求日益增长。建筑通风系统能够将室内污浊空气排出室外，时刻保持室内空气新鲜，有效提高人们的居住体验。

现有技术公开了申请号为201710336134.4的一种自动净化空气的建筑通风系统，包括：依次连接的进风管、净化装置、楼道气管、室内进气管和室内排气扇；净化装置从下至上依次包括：水池净化单元、活性炭过滤单元和空气优化单元；水池净化单元设有净化池，进风管的出风管口通入净化池的底部；空气优化单元包括：空气检测器、紫外杀菌器、负离子发生器、制氧器及CPU控制器。该技术能有效净化空气，同时提高空气质量，使楼层各房间都能保持新鲜空气，其不足之处在于不具备降低空气中二氧化碳浓度的能力。

在大型室内建筑(如电影院、礼堂、教室等)有大量人员聚集时，人们在集中的时间呼出大量二氧化碳，会使建筑内空气中的二氧化碳浓度上升(可达1000ppm)。有研究表明建筑内高浓度二氧化碳气体会使室内人员有头晕和疲劳等症状，此时安装能够有效降低室内二氧化碳浓度的建筑通风系统势在必行。

现有技术公开了申请号为201710678827.1的一种智能室内新风系统，解决了室内新风系统运行时直接使用空气交换会加剧室内飘洒灰尘的技术问题，其技术方案要点是：包括主控终端、湿度检测装置、吹气装置、吸气装置、设置于门口且用于检测人是否进门的进门检测装置；当进门检测装置检测到人时，吹气装置与吸气装置同时启动并对人进行除灰；当湿度检测信号大于最低湿度信号时，排风机、进风机、加湿装置启动并对室内进行加湿，这种智能室内新风系统通过加湿装置和吹气装置、吸气装置的配合使用，减少了人们进入室内时的灰尘，同时通过加湿将减少灰尘的飘洒，同时方便清理，具备清洁室内污浊气体的功能；其不足之处在于向外界空气排放的气体中含有较高的二氧化碳浓度，其将成为引起温室效应的二氧化碳排放源之一。

考虑到全球性化石能源的紧缺以及温室效应的加剧给环境和社会发展带来诸多负面效应。根据国际能源署的目标，在2050年之前全球气温升温需要严格控制在2℃之内，实现目标的关键在于控制温室气体的排放量。目前在全球规模下运行空气碳捕集系统是减少温室气体排放的最有效措施之一。由于大气环境空气中二氧化碳浓度(大约385ppm)较低，导致从空气中捕捉二氧化碳具有特殊的挑战，针对人员聚集建筑通风系统排放的相对较高二氧化碳浓度气体(约为400ppm到5000ppm之间)进行碳捕集能实现相对较好的捕集效果，同时具有分布式运行的优势，被捕集的二氧化碳产品气可以结合可再生能源用于合成碳氢燃料等。

为满足从空气中分离二氧化碳的需求，一些发明者在二氧化碳吸附剂材料方面进行创新：例如，公开号为CN103861557A的专利文献中提出了一种新型固态胺二氧化碳吸附剂，首次通过添加表面活性剂的方法来降低二氧化碳在固态胺吸附剂内的扩散阻力，提高胺的利用率，进而提高材料的二氧化碳的吸附性能。这种新型吸附剂集成了吸附法和吸收法对碳捕集的功效，具有高容量，高选择性、高速率及低再生能耗的特征。公开号为CN103203220A的专利文献中提出一种利用苯胺与Y型分子筛进行聚合反应，得到固体颗粒；将固体颗粒进行碳化反应，得到二氧化碳吸附剂，该材料合成简单，性能优于活性炭。公开号为CN103120931A的专利文献中提出一种笼形二氧化碳吸附材料及其制备方法，该方法包括蒙脱石的酸化改性以及笼形二氧化碳吸附材料的合成，该复合材料中有机胺有效负载量在10～60％之间，具有良好的吸附和脱附能力，且稳定性良好。公开号为CN104492370A的专利文献中公开了一种改性蒙脱石二氧化碳吸附材料及其制备方法，该方法采用无机插层剂插层处理，将无机物插入到蒙脱石的晶层中，提高蒙脱石的比表面积。公开号为CN104056598A的专利文献中公开了一种MOFs基二氧化碳吸附剂，包括MOFs，和负载于MOFs的孔道中和表面的有机胺，所述MOFs和有机胺的质量比为0.1～10:1。公开号为WO2013US66281和US09144770的专利文献中提出一种改性活性炭用于二氧化碳捕集的吸附材料，该材料把氧化镁注入到活性炭中，其中氧化镁含量约占材料总质量的15％。公开号为EP20080772173的专利文献中提出一种中空纤维吸附材料，该材料以聚合物为基体，可以用于烟气二氧化碳的捕捉。类似的吸附合成材料的国内外专利文献包括：WO2013US60721、WO2008US84237、US07288136、CN104437383A和CN102500324A等专利文献。但是，以上专利文献中披露的技术方案只是在材料合成角度提升吸附能力的创新，在具体二氧化碳吸附过程、循环和系统层次并没有涉及，也没有涉及吸附材料的导电性能和空气中二氧化碳的吸附能力。此类技术方案仍然会面临实用化的困境，因为对吸附剂吸附能力的盲目追求，容易导致对工艺的错误理解，使得吸附碳捕集的能耗上升。

为进一步降低碳捕集技术能耗，众多研究者将太阳能技术与碳捕集技术相结合，将太阳能热利用技术用于吸收碳捕集的热耗辅助。例如，公开号为US2010/0005966A1(WO2007AU00994)、CN103372371A和CN103990372A的专利文献中都提出太阳能热利用与吸收碳捕集集成的系统。不同的是，US2010/0005966A1专利文献中提出太阳能集热场产生热能直接用于燃煤电厂吸收法(乙醇胺)碳捕集。CN103372371A专利文献中提出一种利用太阳能集热器产生的热能，先驱动有机朗肯循环发电，再为燃煤电厂吸收法(乙醇胺)碳捕集供能的系统，从而实现了能量的梯级利用，又降低了碳捕集能耗。CN103990372A专利文献中提出一种太阳能闪蒸海水淡化辅助燃煤发电进行氨法碳捕集的系统。类似太阳能热利用技术与吸收碳捕集的专利文献还有CN104154521A、CN104607001A和CN103752142A等专利文献。CN104307308A专利文献中提出一种利用光伏辅助燃煤机组脱碳的工艺系统，由光伏系统加热吸收碳捕集系统减少汽轮机抽汽。以上这些专利的特征是将太阳能热利用的多种形式与吸收碳捕集的多种溶液类型相结合，然而吸收碳捕集的再生能耗数值高，采用太阳能进行辅助的方式，本质上，碳捕集的能耗需求没有减少，成为限制碳捕集技术发展的重要障碍，其系统紧凑性不足也极大限制了与现有建筑结合的可能。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷与限制，本发明提供了一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，创造性的将空气中碳捕集技术应用于建筑通风系统中，通过优化二氧化碳吸附剂材料工艺，并采用太阳能光伏驱动进一步降低系统能耗，全年从建筑空气中高效低能耗分离二氧化碳产品气的同时促进建筑内新风换气，提高空气质量。

为了解决上述技术问题，本发明具体通过以下的技术方案予以实现：

一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，包括建筑通风管道、空压机、气路电控阀、电极、吸附床、四通换向阀、废气排气口、真空泵、产品气出口、太阳能光伏电池板、蓄电池、逆变器、工质泵、冷凝器、工质电控阀；

所述建筑通风管道的出口连接所述空压机的进口，所述空压机的出口连接并联的多组吸附支路，每组吸附支路包括交替用于吸附和脱附的A支路和B支路；A支路和B支路均自所述空压机的出口一端依次设有气路电控阀和吸附床，所述吸附床包括内部的吸附腔和外部的换热腔，所述吸附腔内装有可导电的混合吸附剂填料，所述吸附腔的两端分别安装有电极，所述换热腔内装有冷凝工质；

所述空压机的出口通过每组所述吸附支路的两个所述气路电控阀分别连接两个吸附床中吸附腔的进口，每组所述吸附支路的两个吸附床中吸附腔的出口分别连接至所述四通换向阀的两个进口，所述四通换向阀的一个出口通向所述废气排出口，所述四通换向阀的另一个出口通过所述真空泵连接所述产品气出口，所述产品气出口用于高浓度二氧化碳排出；

所述太阳能光伏电池板依次连接至所述蓄电池和所述逆变器，所述逆变器连接于所述空压机、所述气路电控阀、所述电极、所述四通换向阀、所述真空泵和所述工质泵进行供电；

所述冷凝器的出口连接所述工质泵的进口，所述工质泵的出口通过所述工质电控阀连接所述吸附床中换热腔的进口，所述吸附床中换热腔的出口通过所述工质电控阀连接所述冷凝器的入口。

进一步地，所述太阳能光伏电池板设置于建筑顶层，所述建筑通风管道的进口连接建筑已有排风管道的出口。

进一步地，吸附支路设置有1-20组。

进一步地，所述混合吸附剂填料为蜂窝状活性炭和化学吸附剂的混合物，化学吸附剂填充在蜂窝状活性炭的蜂窝通道内部。

进一步地，所述混合吸附剂填料中蜂窝状活性炭的质量百分数为20％-80％；在吸附温度为25℃，吸附压力为1.0bar，空气中二氧化碳浓度为400ppm时，混合吸附剂填料的二氧化碳吸附能力要求不低于0.6mol/kg。

进一步地，每组所述吸附支路的两个吸附床中换热腔的进口共用一个所述工质电控阀、出口共用一个所述工质电控阀。

进一步地，所述混合吸附剂填料和所述电极的工作电流0.5A-10A。

进一步地，所述混合吸附剂填料的工作温度为75℃-120℃。

进一步地，所述空压机在二氧化碳吸附过程中维持所述吸附床中吸附腔内部压力处于正压状态，压力范围为1.0bar-1.5bar；所述真空泵在二氧化碳脱附过程维持所述吸附床中吸附腔内部压力处于负压状态，压力范围为0.1bar-0.9bar。

进一步地，该系统的空气处理能力为85ppm至5000ppm二氧化碳浓度。

本发明的有益效果是：

本发明的用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，充分发挥吸附法碳捕集技术应用潜力，实现与建筑通风系统的高效结合，有效排出建筑内污浊空气、强化与外界新鲜空气交换的同时，控制排放气的二氧化碳含量并提升从空气中分离二氧化碳的效果，其中耗能部件通过太阳能光伏发电驱动，真正形成“负碳技术”的实际应用。

附图说明

图1是本发明所提供的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统的结构示意图。

上述图中：1-建筑通风管道，2-空压机，3-气路电控阀，4-电极，5-吸附床，6-四通换向阀，7-废气排气口，8-真空泵，9-产品气出口，10-太阳能光伏电池板；11-蓄电池；12-逆变器，13-工质泵，14-冷凝器，15-工质电控阀。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1所示，本实施例公开了一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，主要包括建筑通风管道1、空压机2、气路电控阀3、电极4、吸附床5、四通换向阀6、废气排气口7、真空泵8、产品气出口9、太阳能光伏电池板10、蓄电池11、逆变器12、工质泵13、冷凝器14、工质电控阀15等。其中，太阳能光伏电池板10设置于建筑顶层，建筑通风管道1的进口连接建筑已有排风管道的出口，实现系统与建筑的结合。

建筑通风管道1的出口连接空压机2的进口，空压机2的出口连接输气管道的进口。输气管道的出口连接并联的多组吸附支路，每组吸附支路包括交替用于吸附和脱附的A支路和B支路，因此吸附支路的条数为双数倍数，一般来说，吸附支路设置有1-20组。每一条吸附支路自输气管道的出气口一端依次设有气路电控阀3和吸附床5，通过气路电控阀3的控制，使得多个吸附床5轮流进行二氧化碳的吸附过程和脱附过程，从而实现在建筑通风系统排气中连续地进行二氧化碳分离。

每个吸附床6包括内管和外管，内管作为吸附腔，吸附腔内装有可导电的混合吸附剂填料，吸附腔的两端分别安装有电极4；内管和外管之间的环空作为换热腔，换热腔内装有冷凝工质。

其中，混合吸附剂填料为蜂窝状活性炭和化学吸附剂的混合物，化学吸附剂填充在蜂窝状活性炭的蜂窝通道内部。混合吸附剂填料中蜂窝状活性炭的质量百分数为20％-80％；在吸附温度为25℃，吸附压力为1.0bar，空气中二氧化碳浓度为400ppm时，混合吸附剂填料的二氧化碳吸附能力要求不低于0.6mol/kg。

输气管道的出口通过气路电控阀3连接吸附床5中吸附腔的进口，每组吸附支路中两个吸附床5中吸附腔的出口分别连接至四通换向阀6的两个进口，四通换向阀6的一个出口通向废气排出口8，四通换向阀的另一个出口连接真空泵8的进口，真空泵9的出口连接有用于高浓度二氧化碳排出的产品气出口9。

太阳能光伏电池板10通过电线依次连接至蓄电池11和逆变器12。太阳能光伏电池板10将光能转化为直流电输出并储存在蓄电池11内，蓄电池11发出的直流电经逆变器12转为交流电并为系统部件供电。供电部件包括空压机2、气路电控阀3、电极5、四通换向阀6、真空泵8和工质泵13。

冷凝器14的出口连接工质泵13的进口，工质泵13的出口通过工质电控阀15连接吸附床5中换热腔的进口，吸附床5中换热腔的出口通过工质电控阀15连接冷凝器14的入口。每组吸附支路中的两个吸附床5的进口共用一个工质电控阀15，每组吸附支路中的两个吸附床5的出口共用一个工质电控阀15。冷凝器14、工质泵13、工质电控阀15、吸附床5中换热腔之间均由冷凝管路连接，且冷凝管路内含有冷凝工质。

本发明所提供的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其工作原理如下：

在天气晴朗的时候，太阳能光伏电池板10利用太阳能实现光能向电能的转换，产生的直流电通向蓄电池11(例如锂电池等)中进行电能储存。储存电能的蓄电池11可以全天候供应电能。蓄电池11产生的直流电经过导线连接通向逆变器12，实现了直流电向交流电的变换。经逆变器12变换后的交流电可以向空压机2、气路电控阀3、电极5、四通换向阀6、真空泵8和工质泵13等部件供电。

建筑通风排气通过建筑通风管道1输至空压机2，通过空压机2加压后的气体经过输气管道出气口由多组支路分散输送到各个吸附床5内。每组吸附支路包括交替用于吸附和脱附的A支路和B支路，此时通过设定每一组吸附支路上两个气路电控阀3的状态，即当A支路上的气路电控阀3处于打开状态时，B支路上的气路电控阀3处于关闭状态；A支路的吸附床5中换热腔内通入冷凝工质，处于高温的A支路吸附床5中吸附腔温度逐渐降低，压缩空气通过打开的气路电控阀3进入A支路吸附床5中吸附腔进行二氧化碳吸附，A支路吸附床5中吸附腔余下的没有被吸附的气体经过四通换向阀6的废气排出口7流出，A支路吸附床5中吸附腔高温热量及其吸附过程释放的热量被换热腔中的冷凝工质带走，A支路吸附床5中吸附腔逐渐维持在低温状态；与此同时，B支路上吸附床5的电极4短时间接通电流，在焦耳作用下该吸附床5中吸附腔内的混合吸附剂填料(可导电)被加热，在真空泵8的运转下该吸附床5中吸附腔处于负压状态，吸附腔内二氧化碳脱离混合吸附剂填料，释放出的高浓度二氧化碳经过四通换向阀6的另一个出口后，再通过与真空泵8出口相连的产品气出口9排出，此时B支路没有接通冷凝循环，在电流焦耳作用下，B支路的吸附床5中吸附腔温度由低温状态变为高温状态。

经过一段时间的运行，对每组支路上气路电控阀3的开启和关闭状态进行切换，冷凝循环的工质电控阀15同时进行切换，并将四通换向阀6顺时针转90度。此时，A支路上的吸附床5中吸附腔进行二氧化碳脱附过程，B支路上的吸附床5中吸附腔进行二氧化碳的吸附过程；利用每组吸附支路双吸附腔的吸附脱附运行切换，完成周期性二氧化碳的吸附与脱附，实现了从空气中持续性分离二氧化碳气体。

通过混合吸附剂填料和电极4的电流大小为0.5A到10A之间；混合吸附剂填料的加热温度在75℃-120℃之间；空压机2在二氧化碳吸附过程中维持吸附床5中吸附腔内部压力处于正压状态，压力范围为1.0bar-1.5bar；真空泵8在二氧化碳脱附过程维持吸附床5中吸附腔内部压力处于负压状态，压力范围为0.1bar-0.9bar。系统空气处理能力为二氧化碳浓度385ppm至5000ppm之间。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，包括建筑通风管道、空压机、气路电控阀、电极、吸附床、四通换向阀、废气排气口、真空泵、产品气出口、太阳能光伏电池板、蓄电池、逆变器、工质泵、冷凝器、工质电控阀；

所述建筑通风管道的出口连接所述空压机的进口，所述空压机的出口连接并联的多组吸附支路，每组吸附支路包括交替用于吸附和脱附的A支路和B支路；A支路和B支路均自所述空压机的出口一端依次设有气路电控阀和吸附床，所述吸附床包括内部的吸附腔和外部的换热腔，所述吸附腔内装有可导电的混合吸附剂填料，所述吸附腔的两端分别安装有电极，所述换热腔内装有冷凝工质；

所述空压机的出口通过每组所述吸附支路的两个所述气路电控阀分别连接两个吸附床中吸附腔的进口，每组所述吸附支路的两个吸附床中吸附腔的出口分别连接至所述四通换向阀的两个进口，所述四通换向阀的一个出口通向所述废气排出口，所述四通换向阀的另一个出口通过所述真空泵连接所述产品气出口，所述产品气出口用于高浓度二氧化碳排出；

所述太阳能光伏电池板依次连接至所述蓄电池和所述逆变器，所述逆变器连接于所述空压机、所述气路电控阀、所述电极、所述四通换向阀、所述真空泵和所述工质泵进行供电；

所述冷凝器的出口连接所述工质泵的进口，所述工质泵的出口通过所述工质电控阀连接所述吸附床中换热腔的进口，所述吸附床中换热腔的出口通过所述工质电控阀连接所述冷凝器的入口。

2.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，所述太阳能光伏电池板设置于建筑顶层，所述建筑通风管道的进口连接建筑已有排风管道的出口。

3.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，吸附支路设置有1-20组。

4.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，所述混合吸附剂填料为蜂窝状活性炭和化学吸附剂的混合物，化学吸附剂填充在蜂窝状活性炭的蜂窝通道内部。

5.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，所述混合吸附剂填料中蜂窝状活性炭的质量百分数为20％-80％；在吸附温度为25℃，吸附压力为1.0bar，空气中二氧化碳浓度为400ppm时，混合吸附剂填料的二氧化碳吸附能力要求不低于0.6mol/kg。

6.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，每组所述吸附支路的两个吸附床中换热腔的进口共用一个所述工质电控阀、出口共用一个所述工质电控阀。

7.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，所述混合吸附剂填料和所述电极的工作电流0.5A-10A。

8.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，所述混合吸附剂填料的工作温度为75℃-120℃。

9.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，所述空压机在二氧化碳吸附过程中维持所述吸附床中吸附腔内部压力处于正压状态，压力范围为1.0bar-1.5bar；所述真空泵在二氧化碳脱附过程维持所述吸附床中吸附腔内部压力处于负压状态，压力范围为0.1bar-0.9bar。

10.根据权利要求1所述的一种用于建筑通风的太阳能驱动真空变电吸附碳捕集系统，其特征在于，该系统的空气处理能力为85ppm至5000ppm二氧化碳浓度。