CN112169538A - 一种快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，所述快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统包括：转轮；吸附流路，吸附气体在吸附流路内沿第一方向流动，其中，吸附流路的吸附气体进口设于所述吸附区内，吸附流路的吸附气体出口环境连接；所述吸附气体为烟气；再生流路，再生气体在再生流路沿第一方向相反的第二方向流动；冷却流路，冷却气体在冷却流路内沿第二方向流动，其中，冷却气体进口设于冷却区内，冷却流路的冷却气体出口与环境连接；所述冷却气体为空气。此外，本发明还公开了一种快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集方法。本发明实现了烟气中二氧化碳的快速捕集，且使用负压蒸汽再生吸附剂，有效地降低了系统能耗。

Description

一种快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统及方法
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳捕集系统及其运行方法，特别是一种变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统及其方法。
背景技术
近年来，化石燃料的大量燃烧使空气中二氧化碳浓度不断升高，导致全球变暖问题日益严重。全球人口数量的增加提高了人们对能源的需求，未来几十年内化石燃料的仍将是社会发展的主要能量来源。燃煤电厂提供了大部分的电力能源，同时也是最主要的温室气体来源，因此，电厂烟气中的碳捕集是减缓温室效应的主要课题。
现有的二氧化碳捕集分离方法包括溶液吸收法、固体吸附法、膜分离法等，其中吸收法应用最广，但吸收介质再生能耗较高。而吸附法由于其较好的环保性、经济性而受到人们的关注。传统的二氧化碳吸附装置多采用固定床、流化床形式，其无法实现单个装置的吸附-再生的连续过程，且一般体积较大、可操作性低。吸附-再生的循环操作工艺，主要分为变压吸附、变温吸附和变湿吸附。变压吸附对于设备的要求较高，且一般来说增减压会带来较高的能耗，而变湿吸附对于吸附剂的选择有特定的要求。变温吸附具有工艺简单、投资较小、维护量小等特点，已得到了广泛的应用。
转轮式的二氧化碳捕集分离装置可以通过转轮的转动使吸附区、再生区和冷却区产生位移，从而在一套装置上实现吸附与再生的连续处理。现有的利用转轮捕集二氧化碳的装置，缺乏对应用场合、循环再生方式和转轮结构的细节阐述，且未见转轮与其他装置构成系统的专利报道。
发明内容
针对本领域中二氧化碳捕集技术的缺陷，本发明提供一种快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统及方法，以实现对烟气中的二氧化碳进行快速的捕集。
为了实现上述目的，本发明提出一种快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，所述快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统包括：
转轮，根据流经气体的不同，所述转轮划分为吸附区、再生区以及冷却区，其中，吸附气体流经的区域为吸附区，再生气体流经的区域为再生区，冷却气体流经的区域为冷却区，所述吸附区、再生区沿以及冷却区沿转轮的中心轴均匀分布，所述吸附区、再生区均以及冷却区均设有二氧化碳吸附剂；
吸附流路，吸附气体在吸附流路内沿第一方向流动，其中，吸附流路的吸附气体进口设于所述吸附区内，吸附流路的吸附气体出口与环境连接；所述吸附气体为烟气；
再生流路，再生气体在再生流路内沿与第一方向相反的第二方向流动，其中，再生气体为水蒸气发生器加热产生的水蒸气，再生气体从水蒸气发生器流出，接着流经转轮的再生区后进入冷凝器内被冷凝，冷凝得到液体为冷凝水，所述冷凝水经冷凝管路流入水蒸气发生器内，冷凝分离得到的气体为收集的二氧化碳气体。
冷却流路，冷却气体在冷却流路内沿第二方向流动，其中，冷却气体进口设于冷却区内，冷却流路的冷却气体出口与环境连接；所述冷却气体为空气。
优选地，所述快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统还包括：电动机，所述电动机驱动转轮转动。
优选地，所述吸附流路上设有吸附风机，所述吸附风机设于转轮与吸附流路出口之间。
优选地，所述再生流路上设有再生风机，所述再生风机设于所述冷凝器与转轮之间；
所述冷却流路上设有冷却风机，所述冷却风机设于转轮与冷却流路出口之间。
优选地，当所述吸附流路上设有吸附风机，所述再生流路上设有再生风机，所述冷却流路上设有冷却风机时，所述吸附风机与再生风机、冷却风机位于所述转轮的不同侧，所述再生风机与冷却风机位于所述转轮的同侧。
优选地，所述再生流路上还有冷凝水泵，所述冷凝水泵控制冷凝水的流动路径。
优选地，所选二氧化碳吸附剂包括以下：胺功能化的介孔硅、胺功能化的树脂、金属有机框架材料或胺功能化的金属有机框架材料中的一种或多种。例如，吸附剂可为聚乙烯亚胺浸渍的硅胶、聚乙烯亚胺浸渍的SBA-15、聚乙烯亚胺浸渍的树脂HP20、SIFSIX-3-Cu或乙二胺嫁接的ZIF-8。
优选地，当所述转轮每转1周，所述吸附区上的二氧化碳吸附剂的吸附量达到自身饱和吸附量的二分之一以上，且再生区域内的二氧化碳吸附剂内解吸活化，所述转轮转速可设置为
Figure BDA0002704669040000031
优选地，所述吸附区、再生区以及冷却区呈扇形；其中，所述吸附区的圆心角为180°；所述再生区的圆心角为90°；所述冷却区的圆心角为90。
另一方面，本发明还提出了一种快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集方法，所述快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集方法采用如上述快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统进行二氧化碳采集，其包括以下步骤：
吸附过程：所述转轮的吸附区对流过其区域内的吸附气体中的二氧化碳气体进行吸附，吸附后的吸附气体送至外界环境；
再生过程：再生区内的二氧化碳吸附剂通过与再生气体的热交换，使得其所吸附的二氧化碳气体释放，以达到再生区内的二氧化碳吸附剂再生；
冷却过程：冷却区内的二氧化碳吸附剂通过与冷却气体的热交换，使其温度降低，吸附剂在进入吸附区之前达到对烟气吸附量较大的状态；
上述吸附、再生以及冷却过程中，转轮持续转动，以此使得转轮上的二氧化碳吸附剂在吸附区、再生区以及冷却区之间交替使用，从而实现
连续的吸附-解吸-冷却循环过程。
优选地，所述再生气体包括水蒸气，所述水蒸气由水蒸气发生器加热获得。
优选地，所述再生风机可对再生流路抽真空，使再生流路产生负压，从而有效降低活化吸附剂所需的再生温度。
优选地，水蒸气发生器的热量来源可为市电、太阳能、地热能、工业余热中的一种或几种。
需要说明的是，在本发明所述的技术方案中，将二氧化碳吸附剂设置于转轮上，可以通过以下方式中的其中之一完成：
方法1、采用现有技术的制备方法制备，具体来说，将制备转轮所需的基材制成蜂窝状支架，通过将二氧化碳吸附剂的原液通过浸渍方式附着于蜂窝状支架上，从而获得具有二氧化碳吸附剂的转轮。
方法2、将二氧化碳吸附剂及基材配制成打印物料，通过3D打印技术打印成特定尺寸的转轮，该方法使二氧化碳吸附剂与基材在转轮成型前就混合均匀，随后制备获得具有二氧化碳吸附剂的转轮，避免了吸附剂难以附着在基材上的问题；
方法3，将浸渍吸附剂的基材或3D打印成型的基材制成许多片尺寸较小的板片，将板片插入到金属材质的多孔支架上，随后制备获得具有二氧化碳吸附剂的转轮，该方法有利于减小气流压降，并方便在吸附剂寿命结束时对板片进行更换。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
一、本发明的快速变温转轮式烟气二氧化碳捕集系统，利用转轮对烟气中的二氧化碳进行捕集，并利用水蒸气对吸附剂进行负压再生，相比于传统的固定床式捕集装置，本装置的灵活性高、气流压降小，可有效降低再生温度，进而可使用包括可再生能源在内的多类能源，实现了二氧化碳的连续捕集分离。
二、本发明的转轮可采用多种方法进行制作，不同的制作方法具有不同的优点，使用3D打印技术成型的转轮为整体式结构，避免了吸附剂涂覆带来的吸附剂脱落、不均匀的缺点，而将吸附剂与基材的复合物制作成众多体积较小的板片，再插入转轮中的形式，有利于吸附剂的灵活布置，减小气流阻力，便于吸附剂的替换或再生活化。
三、本发明使用具有良好吸附动力学性能的吸附材料，转轮以适宜的转速转动时，经过吸附区的吸附剂能在到达再生区以前达到接近吸附饱和的状态，经过再生区的吸附剂能在到达冷却区以前完成再生活化，经过冷却区的吸附剂能在到达吸附区以前被冷却至吸附剂性能较高的温度，因此能满足转轮式连续捕集的要求。
四、本发明使用水蒸气对吸附剂进行再生，吸附剂被加热后解吸释放出的二氧化碳与经过的水蒸气混合，混合气到达冷凝器后，水蒸气被冷凝从而与二氧化碳分离，得到的高纯度二氧化碳可以被利用或者封存。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种快速变温转轮式二氧化碳烟气捕集系统的原理图；
图2为采用浸渍方法制作的转轮结构示意图。
图3为采用3D打印成型的转轮结构示意图。
图4为采用吸附剂浸渍基材板片插入方法制作的转轮结构示意图。
图中标号：1-转轮；2-吸附风机；3-再生风机；4-冷却风机；5-水蒸气发生装置；6-冷凝器；；7-电动机；8-冷凝水泵；100-吸附流路；200-再生流路；201-再生流路-支路一；202-再生流路-支路二；300-冷却流路；11-吸附区；12-再生区；13-冷却区；1000-吸附剂浸渍的多孔基材；2000-3D打印粉体；3000-吸附剂浸渍基材板片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
图1为本发明一种快速变温转轮式二氧化碳烟气捕集系统的原理图。
如图1所述，本发明快速变温转轮式二氧化碳烟气捕集系统包括转轮1、吸附风机2、再生风机3、冷却风机4、水蒸气发生器5、冷凝器6、电动机7、冷凝水泵8、吸附流路100、再生流路200、冷却流路300、吸附区11、再生区12、冷却区13。
电动机7带动转轮1旋转，具体地，转轮转速可设置为
Figure BDA0002704669040000051
吸附风机2一端为出风口，另一端与转轮吸附区11的出风口相连，转轮1的吸附区11进风口与环境相连，从而构成开式循环转轮烟气二氧化碳捕集流路100；
再生风机3的出风口与冷凝器6相连，进风口与转轮1的再生区12的出风口相连，转轮1的再生区12的进风口与水蒸气发生器5相连，冷凝器6有两个出口，其中一个为冷凝水出口水，连接至冷凝水泵8，进而与水蒸气发生器5的进水口相连，此路记为再生流路-支路一201，另一个为二氧化碳出风口，与二氧化碳收集器相连，此路记为再生流路-支路二202，以上流路构成闭式循环再生流路200；
冷却风机4的出风口与环境相连，另一端与冷却区13的出风口相连，转轮1的冷却区13进风口与环境相连，从而构成开式循环转轮冷却流路；
本实施例的转轮利用固体吸附剂对空气进行二氧化碳捕集，具体地，吸附剂采用聚乙烯亚胺浸渍的硅胶，通过转轮制作方法1使吸附剂附着在转轮上；同时本实施例用水蒸气实现吸附剂的再生，结构简单，使用方便，且水蒸气可通过冷凝的方式与解吸出的二氧化碳分离；
进一步地，本实施例采用负压蒸汽再生，即：利用再生风机对再生流路抽真空，使再生流路产生负压，降低吸附剂所需的再生温度，从而减少系统能耗。
如图2，转轮1由基材和吸附剂组成，固体吸附剂嵌入基材内部及附着在基材表面上，具体地，基材可采用陶瓷纤维基等中空多孔材料；
在吸附风机2的引风作用下，含一定浓度二氧化碳的烟气进入捕集装置并流过转轮1的吸附区12，吸附剂将烟气中的二氧化碳吸附，处理后的空气流过吸附风机2并送入环境；
水蒸气发生器5通过电加热产生水蒸气，在再生风机3的引风作用下，水蒸气流过再生区12，被水蒸气加热的吸附剂解吸出二氧化碳气体，之后水蒸气与二氧化碳的混合气流过再生风机3到达冷凝器6，水蒸气被冷凝成液态水，与二氧化碳分离之后回到水蒸气发生器5，而得到的纯二氧化碳被收集起来利用或封存；
所述转轮的吸附区11、再生区12和冷却区13的面积分别占转轮的二分之一、四分之一和四分之一。
本发明一种快速变温吸附转轮式二氧化碳烟气捕集装置的运行方法包括以下步骤：
当给装置输入电能时，电动机、风机、水蒸气发生装置开始运行，所述烟气被所述吸附风机送至所述转轮的所述吸附区，使得所述烟气中的二氧化碳被吸附剂吸附，烟气中的二氧化碳浓度降低，处理后烟气被送至环境，而吸附剂的吸附性能下降；
在再生流路中，水蒸气发生装置加热水产生水蒸气，在再生风机的引风作用下流过所述转轮的所述再生区，加热吸附剂使其解吸出二氧化碳进行再生，携带二氧化碳的水蒸气流过再生风机，之后水蒸汽在冷凝器冷凝后流回水蒸气发生装置，而二氧化碳被收集起来利用或封存；
在冷却流路中，环境中的空气在冷却风机的引风作用下流路所述转轮的所述冷却区，冷却吸附剂使其温度下降，吸附剂达到吸附性能较高的状态，流路冷却区的空气经过冷却风机后被送至环境；
所述电动机带动所述转轮转动。所述转轮吸附区的吸附剂吸附烟气中的二氧化碳后其性能下降，被转到再生区后，被通过的水蒸气再生，接着被转到冷却区被环境空气冷却，然后又转至吸附区对烟气进行二氧化碳捕集，循环往复。
转轮工作状况的判断标准是输出给环境的烟气中二氧化碳浓度是否低于所要求的值。
相比于传统的固定床式二氧化碳捕集装置，本装置实现了不间断式的捕集和再生过程，且系统结构简单、使用方便；相比于传统的转轮或转环式二氧化碳捕集装置，本装置采用吸附动力学性能较好的吸附剂，实现了从烟气直接进行的快速二氧化碳捕集；同时，本装置使用水蒸气进行吸附剂的再生，再生产生的混合气可使用冷凝的方式使水与二氧化碳分离从而得到纯度较高的二氧化碳气体，从而使二氧化碳被利用或封存；此外，本系统使用负压蒸汽再生的方式，降低了吸附剂的再生温度，使系统可运用可再生能源、工业余热等多类能源，降低了系统能耗。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统包括：
转轮，根据流经气体的不同，所述转轮划分为吸附区、再生区以及冷却区，其中，吸附气体流经的区域为吸附区，再生气体流经的区域为再生区，冷却气体流经的区域为冷却区，所述吸附区、再生区以及冷却区沿转轮的中心轴均匀分布，所述吸附区、再生区均以及冷却区均设有二氧化碳吸附剂；
吸附流路，吸附气体在吸附流路内沿第一方向流动，其中，吸附流路的吸附气体进口设于所述吸附区内，吸附流路的吸附气体出口与环境连接；所述吸附气体为烟气；
再生流路，再生气体在再生流路内沿与第一方向相反的第二方向流动，其中，再生气体为水蒸气发生器加热产生的水蒸气，再生气体从水蒸气发生器流出，接着流经转轮的再生区后进入冷凝器内被冷凝，冷凝得到液体为冷凝水，所述冷凝水经冷凝管路流入水蒸气发生器内，冷凝分离得到的气体为收集的二氧化碳气体；
冷却流路，冷却气体在冷却流路内沿第二方向流动，其中，冷却气体进口设于冷却区内，冷却流路的冷却气体出口与环境连接；所述冷却气体为空气。
2.根据权利要求1所述的快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统统，其特征在于，所述快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统还包括：电动机，所述电动机驱动转轮转动。
3.根据权利要求1所述的快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述吸附流路上设有吸附风机，所述吸附风机设于转轮与吸附流路出口之间。
4.根据权利要求1所述的快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述再生流路上设有再生风机，所述再生风机设于所述冷凝器与转轮之间；
所述冷却流路上设有冷却风机，所述冷却风机设于转轮与冷却流路出口之间。
5.根据权利要求1所述的快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，当所述吸附流路上设有吸附风机，所述再生流路上设有再生风机，所述冷却流路上设有冷却风机时，所述吸附风机与再生风机、冷却风机位于所述转轮的不同侧，所述再生风机与冷却风机位于所述转轮的同侧。
6.根据权利要求1所述的快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述再生流路上还有冷凝水泵，所述冷凝水泵控制冷凝水的流动路径。
7.根据权利要求1所述的快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所选二氧化碳吸附剂包括以下：胺功能化的介孔硅、胺功能化的树脂、金属有机框架材料或胺功能化的金属有机框架材料中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，当所述转轮每转1周，所述吸附区上的二氧化碳吸附剂的吸附量达到自身饱和吸附量的二分之一以上，且再生区域内的二氧化碳吸附剂内解吸活化，所述转轮转速设置为
Figure FDA0002704669030000021
r/min。
9.根据权利要求1所述的快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述吸附区、再生区以及冷却区呈扇形；其中，所述吸附区的圆心角为180°；所述再生区的圆心角为90°；所述冷却区的圆心角为90。
10.一种快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集方法采用如权利要求1-9中任意一项所述快速变温吸附转轮式烟气二氧化碳捕集系统进行二氧化碳采集，其包括以下步骤：
吸附过程：所述转轮的吸附区对流过其区域内的吸附气体中的二氧化碳气体进行吸附，吸附后的吸附气体送至外界环境；
再生过程：再生区内的二氧化碳吸附剂通过与再生气体的热交换，使得其所吸附的二氧化碳气体释放，以达到再生区内的二氧化碳吸附剂再生；
冷却过程：冷却区内的二氧化碳吸附剂通过与冷却气体的热交换，使其温度降低，吸附剂在进入吸附区之前达到对烟气吸附量较大的状态；
上述吸附、再生以及冷却过程中，转轮持续转动，以此使得转轮上的二氧化碳吸附剂在吸附区、再生区以及冷却区之间交替使用，从而实现连续的吸附-解吸-冷却循环过程。
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