CN113680173A - 一种直接空气捕获二氧化碳的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直接空气捕获二氧化碳的装置及方法，包括进气管路、三通切换阀、单向阀、固定床、预热器，所述固定床安装有湿度传感器、温度传感器、取样口、加热模块，所述固定床内分别填充有硅胶、沸石；步骤包括1)第一固定床吸附水汽，第二固定床吸附二氧化碳，第三固定床脱除水汽；2)第二固定床脱附二氧化碳；3)第三固定床吸附水汽，第二固定床吸附二氧化碳，第一固定床脱除水汽；4)第二固定床脱附二氧化碳。通过本发明，以解决现有技术存在的设备结构复杂、成本高、吸附剂对环境污染的问题。

Description

一种直接空气捕获二氧化碳的装置及方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳气体捕集技术领域，具体地说涉及一种直接空气捕获二氧化碳的装置及方法。
背景技术
全球变暖是一个目前人类面临的比较严峻的环境问题，由此导致的极端天气及海平面上升已严重威胁到人类的正常生产与生活。二氧化碳是一种主要的温室气体。近年来，随着工业化进程的快速发展，越来越多的化石燃料消耗导致空气中二氧化碳浓度逐年升高。为了降低二氧化碳对气候的影响，一方面要通过大力推广节能减排技术，从源头上减少二氧化碳的排放；另一方面要加强二氧化碳资源化利用，变废为宝，而要想资源化利用二氧化碳，必须从二氧化碳的捕集开始。
目前全球二氧化碳捕集使用最广泛的方法是使用MEA溶液吸收法，该法所使用的设备结构复杂，成本高，所使用的吸收剂乙醇胺为危险化学品。此外乙醇胺在使用过程中存在诸多问题，如1)乙醇胺容易降解变质，需要定期更换新的吸附剂，增加成本的同时容易对环境造成二次污染；2)乙醇胺再生温度较高，再生塔底温度一般在121℃以上，易导致再生系统严重腐蚀。
发明内容
本发明提供一种直接空气捕获二氧化碳的装置及方法，以解决现有技术存在的设备结构复杂、成本高、吸附剂对环境污染的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种直接空气捕获二氧化碳的装置，包括进气管路、三通切换阀、单向阀、固定床、预热器，所述进气管路与三通切换阀连接，所述三通切换阀的一个出口依次与第一单向阀、第一固定床、第一预热器、第一控制阀、第二固定床、第二控制阀、第二预热器、第三固定床、第二单向阀、三通切换阀另一个出口连接，所述固定床顶部和底部安装有湿度传感器，所述固定床顶部、中部和底部安装有温度传感器，所述温度传感器的感温部位于固定床的中心轴，所述固定床顶部和底部设置有取样口，所述固定床中间设置有3X3段式加热模块，所述第一固定床、第三固定床内部填充物为硅胶，所述第二固定床内部填充物为沸石。
与所述第二固定床并联有多个内部填充物为沸石的固定床。
所述进气管路包括依次连接的过滤器、空气压缩机、第三控制阀、流量控制器，所述流量控制器与三通切换阀的入口连接。
所述固定床为圆柱型，材质为304不锈钢，所述固定床外部包裹保温棉。
所述预热器内装有K型热电偶和可控温加热炉，所述预热器外部包裹保温棉。
所述温度传感器为K型热电偶。
所述取样口采用快速接头，便于快速连接和分离。
所述第一固定床、第三固定床之间的连接管路设有保温层。
一种得到纯二氧化碳的方法，应用于上述任一直接空气捕获二氧化碳的装置，包括以下步骤：
步骤(1)：控制三通切换阀进气口与第一单向阀导通，进气管路将空气送至第一固定床，脱除空气中的水汽，然后流经未加热状态的第一预热器，通过第一控制阀流至第二固定床，空气中的二氧化碳被吸附，随后依次通过第二控制阀、加热状态的第二预热器与开启加热模块的第三固定床，脱除第三固定床吸附的水汽，最后通过第六取样口排出装置；当经过第二固定床的空气中二氧化碳浓度在第三取样口与第四取样口相同且保持不变，进行步骤(2)；
步骤(2)：将空气压缩机关闭、第一控制阀和第二控制阀关闭，第二固定床加热模块开启，加热使被吸附的二氧化碳解吸出来，然后通过第四取样口获得纯二氧化碳。
步骤(3)：控制三通切换阀进气口与第二单向阀导通，进气管路将空气送至第三固定床，脱除空气中的水汽，然后流经未加热状态的第二预热器，通过第二控制阀流至第二固定床，空气中的二氧化碳被吸附，随后依次通过第一控制阀、加热状态的第一预热器与开启加热模块的第一固定床，脱除第一固定床吸附的水汽，最后通过第一取样口排出装置；当经过第二固定床的空气中二氧化碳浓度在第三取样口与第四取样口相同且保持不变，进行步骤(4)。
步骤(4)：将空气压缩机关闭、第一控制阀和第二控制阀关闭，第二固定床加热模块开启，加热使被吸附的二氧化碳解吸出来，然后通过第四取样口获得纯二氧化碳。
一种得到高浓度二氧化碳的方法，应用于上述任一直接空气捕获二氧化碳的装置，包括以下步骤：
步骤(1)：控制三通切换阀进气口与第一单向阀导通，进气管路将空气送至第一固定床，脱除空气中的水汽，然后流经未加热状态的第一预热器，通过第一控制阀流至第二固定床，空气中的二氧化碳被吸附，随后依次通过第二控制阀、加热状态的第二预热器与开启加热模块的第三固定床，脱除第三固定床吸附的水汽，最后通过第六取样口排出装置；当经过第二固定床的空气中二氧化碳浓度在第三取样口与第四取样口相同且保持不变，进行步骤(2)；
步骤(2)：控制三通切换阀进气口与第二单向阀导通，进气管路将空气送至第三固定床，脱除空气中的水汽，然后流经加热状态的第二预热器，通过第二控制阀流至加热模块开启的第二固定床，脱附第二固定床吸附的二氧化碳，随后依次通过第一控制阀、加热状态的第一预热器与开启加热模块的第一固定床，脱除第一固定床吸附的水汽，最后通过第一取样口获得高浓度二氧化碳。
本发明带来的有益效果：与现有技术相比，本发明的直接空气捕获二氧化碳的装置及方法，可以增加空气中二氧化碳的气体浓度，也可以生产纯净的二氧化碳气体；本装置为结构简单、成本低廉、吸附剂对环境友好的二氧化碳捕集装置；本装置捕集二氧化碳的生产效率高，提取的二氧化碳浓度高，生产成本低。
附图说明
图1是根据本发明实施例的结构示意图；
其中，1-过滤器，2-空气压缩机，3-第三控制阀，4-流量控制器，5-三通切换阀，6-第一单向阀，7-第一取样口，8-第二取样口，9-第一湿度传感器，10-第一温度传感器，11-第二温度传感器，12-第二湿度传感器，13-第三温度传感器，14-第一固定床，15-第一预热器，16-第一控制阀，17-第三取样口，18-第四取样口，19-第三湿度传感器，20-第四温度传感器，21-第五温度传感器，22-第四湿度传感器，23-第六温度传感器，24-第二固定床，25-第二控制阀，26-第二预热器，27-第五取样口，28-第六取样口，29-第五湿度传感器，30-第七温度传感器，31-第八温度传感器，32-第六湿度传感器，33-第九温度传感器，34-第三固定床，35-第二单向阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。
实施例一
一种直接空气捕获二氧化碳的装置，包括进气管路、三通切换阀5、单向阀、固定床、预热器，所述进气管路与三通切换阀5连接，所述三通切换阀5的一个出口依次与第一单向阀6、第一固定床14、第一预热器15、第一控制阀16、第二固定床24、第二控制阀25、第二预热器26、第三固定床34、第二单向阀35、三通切换阀5另一个出口连接，所述固定床顶部和底部安装有湿度传感器，所述固定床顶部、中部和底部安装有温度传感器，所述温度传感器的感温部位于固定床的中心轴，所述固定床顶部和底部设置有取样口，所述固定床中间设置有3X3段式加热模块，所述第一固定床14、第三固定床34内部填充物为硅胶，用于吸附空气中的水汽，所述第二固定床24内部填充物为沸石，用于吸附空气中的二氧化碳。
进一步来说，与所述第二固定床24并联有多个内部填充物为沸石的固定床。
进一步来说，所述进气管路包括依次连接的过滤器1、空气压缩机2、第三控制阀3、流量控制器4，所述流量控制器4与三通切换阀5的入口连接，所述流量控制器4控制进入装置的空气流量。
进一步来说，所述固定床为圆柱型，材质为304不锈钢，所述固定床外部包裹保温棉。
进一步来说，所述预热器内装有K型热电偶和可控温加热炉，所述预热器外部包裹保温棉。
进一步来说，所述温度传感器为K型热电偶。
进一步来说，所述取样口采用快速接头，便于快速连接和分离，方便与检测器连接，检测固定床内二氧化碳的浓度及压降。
进一步来说，所述第一固定床14、第三固定床34之间的连接管路设有保温层。
一种得到纯二氧化碳的方法，应用于上述任一直接空气捕获二氧化碳的装置，包括以下步骤：
步骤(1)：控制三通切换阀5进气口与第一单向阀6导通，进气管路将空气送至第一固定床14，脱除空气中的水汽，然后流经未加热状态的第一预热器15，通过第一控制阀16流至第二固定床24，空气中的二氧化碳被吸附，随后依次通过第二控制阀25、加热状态的第二预热器26与开启加热模块的第三固定床34，脱除第三固定床34吸附的水汽，最后通过第六取样口28排出装置；当经过第二固定床24的空气中二氧化碳浓度在第三取样口17与第四取样口18相同且保持不变，进行步骤(2)；
步骤(2)：将空气压缩机2关闭、第一控制阀16和第二控制阀25关闭，第二固定床24加热模块开启，加热使被吸附的二氧化碳解吸出来，然后通过第四取样口18获得纯二氧化碳。
步骤(3)：控制三通切换阀5进气口与第二单向阀35导通，进气管路将空气送至第三固定床34，脱除空气中的水汽，然后流经未加热状态的第二预热器26，通过第二控制阀25流至第二固定床24，空气中的二氧化碳被吸附，随后依次通过第一控制阀16、加热状态的第一预热器15与开启加热模块的第一固定床14，脱除第一固定床14吸附的水汽，最后通过第一取样口7排出装置；当经过第二固定床24的空气中二氧化碳浓度在第三取样口17与第四取样口18相同且保持不变，进行步骤(4)。
步骤(4)：将空气压缩机2关闭、第一控制阀16和第二控制阀25关闭，第二固定床24加热模块开启，加热使被吸附的二氧化碳解吸出来，然后通过第四取样口18获得纯二氧化碳。
实施例二
一种直接空气捕获二氧化碳的装置，包括进气管路、三通切换阀5、单向阀、固定床、预热器，所述进气管路与三通切换阀5连接，所述三通切换阀5的一个出口依次与第一单向阀6、第一固定床14、第一预热器15、第一控制阀16、第二固定床24、第二控制阀25、第二预热器26、第三固定床34、第二单向阀35、三通切换阀5另一个出口连接，所述固定床顶部和底部安装有湿度传感器，所述固定床顶部、中部和底部安装有温度传感器，所述温度传感器的感温部位于固定床的中心轴，所述固定床顶部和底部设置有取样口，所述固定床中间设置有3X3段式加热模块，所述第一固定床14、第三固定床34内部填充物为硅胶，所述第二固定床24内部填充物为沸石。
进一步来说，与所述第二固定床24并联有多个内部填充物为沸石的固定床。
进一步来说，所述进气管路包括依次连接的过滤器1、空气压缩机2、第三控制阀3、流量控制器4，所述流量控制器4与三通切换阀5的入口连接。
进一步来说，所述固定床为圆柱型，材质为304不锈钢，所述固定床外部包裹保温棉。
进一步来说，所述预热器内装有K型热电偶和可控温加热炉，所述预热器外部包裹保温棉。
进一步来说，所述温度传感器为K型热电偶。
进一步来说，所述取样口采用快速接头，便于快速连接和分离。
进一步来说，所述第一固定床14、第三固定床34之间的连接管路设有保温层。
进一步来说，本发明装置应用于蔬菜大棚中二氧化碳的补充。
一种得到高浓度二氧化碳的方法，应用于上述任一直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：控制三通切换阀5进气口与第一单向阀6导通，进气管路将空气送至第一固定床14，脱除空气中的水汽，然后流经未加热状态的第一预热器15，通过第一控制阀16流至第二固定床24，空气中的二氧化碳被吸附，随后依次通过第二控制阀25、加热状态的第二预热器26与开启加热模块的第三固定床34，脱除第三固定床34吸附的水汽，最后通过第六取样口28排出装置；当经过第二固定床24的空气中二氧化碳浓度在第三取样口17与第四取样口18相同且保持不变，进行步骤(2)；
步骤(2)：控制三通切换阀5进气口与第二单向阀35导通，进气管路将空气送至第三固定床34，脱除空气中的水汽，然后流经加热状态的第二预热器26，通过第二控制阀25流至加热模块开启的第二固定床24，脱附第二固定床24吸附的二氧化碳，随后依次通过第一控制阀16、加热状态的第一预热器15与开启加热模块的第一固定床14，脱除第一固定床14吸附的水汽，最后通过第一取样口7获得高浓度二氧化碳。
综上所述，本发明的直接空气捕获二氧化碳的装置及方法，可以增加空气中二氧化碳的气体浓度，也可以生产纯净的二氧化碳气体；本装置为结构简单、成本低廉、吸附剂环境友好的二氧化碳捕集装置；本装置捕集二氧化碳的生产效率高，提取的二氧化碳浓度高，生产成本低。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于：包括进气管路、三通切换阀(5)、单向阀、固定床、预热器，所述进气管路与三通切换阀(5)连接，所述三通切换阀(5)的一个出口依次与第一单向阀(6)、第一固定床(14)、第一预热器(15)、第一控制阀(16)、第二固定床(24)、第二控制阀(25)、第二预热器(26)、第三固定床(34)、第二单向阀(35)、三通切换阀(5)另一个出口连接，所述固定床顶部和底部安装有湿度传感器，所述固定床顶部、中部和底部安装有温度传感器，所述温度传感器的感温部位于固定床的中心轴，所述固定床顶部和底部设置有取样口，所述固定床中间设置有3X3段式加热模块，所述第一固定床(14)、第三固定床(34)内部填充物为硅胶，所述第二固定床(24)内部填充物为沸石。
2.如权利要求1所述的直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，与所述第二固定床(24)并联有多个内部填充物为沸石的固定床。
3.如权利要求1所述的直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，所述进气管路包括依次连接的过滤器(1)、空气压缩机(2)、第三控制阀(3)、流量控制器(4)，所述流量控制器(4)与三通切换阀(5)的入口连接。
4.如权利要求1所述的直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，所述固定床为圆柱型，材质为304不锈钢，所述固定床外部包裹保温棉。
5.如权利要求1所述的直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，所述预热器内装有K型热电偶和可控温加热炉，所述预热器外部包裹保温棉。
6.如权利要求1所述的直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，所述温度传感器为K型热电偶。
7.如权利要求1所述的直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，所述取样口采用快速接头，便于快速连接和分离。
8.如权利要求1所述的直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，所述第一固定床(14)、第三固定床(34)之间的连接管路设有保温层。
9.一种得到纯二氧化碳的方法，应用于权利要求1-8任一所述的直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：控制三通切换阀(5)进气口与第一单向阀(6)导通，进气管路将空气送至第一固定床(14)，脱除空气中的水汽，然后流经未加热状态的第一预热器(15)，通过第一控制阀(16)流至第二固定床(24)，空气中的二氧化碳被吸附，随后依次通过第二控制阀(25)、加热状态的第二预热器(26)与开启加热模块的第三固定床(34)，脱除第三固定床(34)吸附的水汽，最后通过第六取样口(28)排出装置；当经过第二固定床(24)的空气中二氧化碳浓度在第三取样口(17)与第四取样口(18)相同且保持不变，进行步骤(2)；
步骤(2)：将空气压缩机(2)关闭、第一控制阀(16)和第二控制阀(25)关闭，第二固定床(24)加热模块开启，加热使被吸附的二氧化碳解吸出来，然后通过第四取样口(18)获得纯二氧化碳。
步骤(3)：控制三通切换阀(5)进气口与第二单向阀(35)导通，进气管路将空气送至第三固定床(34)，脱除空气中的水汽，然后流经未加热状态的第二预热器(26)，通过第二控制阀(25)流至第二固定床(24)，空气中的二氧化碳被吸附，随后依次通过第一控制阀(16)、加热状态的第一预热器(15)与开启加热模块的第一固定床(14)，脱除第一固定床(14)吸附的水汽，最后通过第一取样口(7)排出装置；当经过第二固定床(24)的空气中二氧化碳浓度在第三取样口(17)与第四取样口(18)相同且保持不变，进行步骤(4)。
步骤(4)：将空气压缩机(2)关闭、第一控制阀(16)和第二控制阀(25)关闭，第二固定床(24)加热模块开启，加热使被吸附的二氧化碳解吸出来，然后通过第四取样口(18)获得纯二氧化碳。
10.一种得到高浓度二氧化碳的方法，应用于权利要求1-8任一所述的直接空气捕获二氧化碳的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：控制三通切换阀(5)进气口与第一单向阀(6)导通，进气管路将空气送至第一固定床(14)，脱除空气中的水汽，然后流经未加热状态的第一预热器(15)，通过第一控制阀(16)流至第二固定床(24)，空气中的二氧化碳被吸附，随后依次通过第二控制阀(25)、加热状态的第二预热器(26)与开启加热模块的第三固定床(34)，脱除第三固定床(34)吸附的水汽，最后通过第六取样口(28)排出装置；当经过第二固定床(24)的空气中二氧化碳浓度在第三取样口(17)与第四取样口(18)相同且保持不变，进行步骤(2)；
步骤(2)：控制三通切换阀(5)进气口与第二单向阀(35)导通，进气管路将空气送至第三固定床(34)，脱除空气中的水汽，然后流经加热状态的第二预热器(26)，通过第二控制阀(25)流至加热模块开启的第二固定床(24)，脱附第二固定床(24)吸附的二氧化碳，随后依次通过第一控制阀(16)、加热状态的第一预热器(15)与开启加热模块的第一固定床(14)，脱除第一固定床(14)吸附的水汽，最后通过第一取样口(7)获得高浓度二氧化碳。
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