CN114504924A - 一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置及过程强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳减排技术领域，具体涉及一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置及过程强化方法，包括：预处理模块、循环吸附热脱附模块和CO2储存模块；预处理模块，用于捕集和预处理吸入的空气；循环吸附热脱附模块，用于通过二回程或三回程的空气吸附回路吸附空气中的CO2，并对吸附后的CO2进行热脱附；CO2储存模块，用于储存热脱附后的CO2。本发明中，采用多吸附回程的方式进行吸附，若空气流通过胺吸附模块仅经过一个回程，则装置工作时吸附的CO2分子较少，剩余未被吸附的CO2分子直接从出气口排出，造成能源、装置占地面积的大量浪费。多吸附回程方式能避免这种浪费现象，节约了成本。

Description

一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置及过程强化方法
技术领域
本发明属于碳减排技术领域，具体涉及一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置及过程强化方法。
背景技术
目前已出现的碳捕集技术绝大多数针对烟道气等固定点源的CO2排放源，虽然能做到降低碳排放，但是无法实现“负碳排放”，对排放入大气的CO2无法做到有效回收。而其余的直接空气捕获技术方案因为空气中CO2浓度大大低于烟道气，捕获成本居高不下，且有着不少不可忽视的缺点。
其一是因为之前的直接空气碳捕集技术多采用单回程进行吸附，占用了大量装置部署面积，而在实际部署中占用如此大的面积会直线拉高部署成本，也限制了它们的部署地点，应用性大大降低；其二是因为之前的技术吸热脱附阶段由于热能的不充分利用，造成工艺热的大量散失；其三是使用蒸汽/烟气对吸收有胺的模块进行直接加热，此做法不仅大大降低了胺吸附剂寿命，还因此加入了蒸汽/烟气与CO2的分离步骤，导致装置耗能增加，间接增加了部署成本。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置及过程强化方法，以解决现有碳捕集技术中的耗能过高、装置部署时占地面积过大、脱附阶段的热量载体与CO2吸附剂直接热交换时对吸附剂的寿命和稳定性产生影响的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，包括：预处理模块、循环吸附热脱附模块和CO2储存模块；
预处理模块，用于捕集和预处理吸入的空气；
循环吸附热脱附模块，用于通过二回程或三回程的空气吸附回路吸附空气中的CO2，并对吸附后的CO2进行热脱附；
CO2储存模块，用于储存热脱附后的CO2。
进一步的，所述预处理模块包括第一通风装置和预处理装置；第一通风装置中设置有多组文丘里管；文丘里管的一端通向大气，另一端连接预处理装置。
进一步的，所述第一通风装置为自动追风装置，随着风向进行转动，保证第一通风装置的进气口-出气口方向与风的流向平行一致或与风的流向夹角小于10°。
进一步的，所述循环吸附热脱附模块包括第二通风装置、真空泵、吸附再生室、圆形钢板门、吸附剂负载模块、换热管道、CO2浓度检测器，吸附再生室一端连接预处理装置；另一端连接第二通风装置；所述第二通风装置用于将吸附后的空气通往大气；吸附再生室的进气口和出气口处各设有一个圆形钢板门；吸附再生室的进气口和出气口之间设有多个吸附剂负载模块；吸附再生室内设有CO2浓度检测器；吸附再生室与真空泵相连。
进一步的，所述CO2储存模块包括空气泵、CO2储罐、管道和管道阀门；所述吸附再生室通过管道与空气泵相连，空气泵与CO2储罐相连；管道上设有管道阀门。
进一步的，所述吸附剂负载模块与换热管道耦合方式为两种：
第一种：换热管道为U型结构，若干U型结构换热管道相互垂直布置并依次串联，形成若干矩形盘管交错孔，U型换热管道管外加销钉，吸附剂固定于管道销钉上，形成固体吸附剂块，每一个矩形盘管交错孔内的四边均有被固定的固体吸附剂块，矩形孔的吸附剂块内形成孔道，此孔道一维方向上贯通形成流体流动通道；换热管道构成的网格横截面积为0.03～0.06m2，换热管道中插入的单个柱状固体吸附剂的横截面积为0.02～0.04m2，吸附剂厚度为20～100cm；
第二种：吸附剂负载模块与换热管道等间距贴合布置，吸附剂负载模块安装在两个换热管道中间，换热管道为U型盘管。
进一步的，所述吸附再生室内设置有多个固体吸附单元，每个固体吸附单元间由吸附剂负载模块隔开；每个固体吸附单元上均设有一个吸附剂负载模块和换热管道；且每个固体吸附单元均通过管道和管道阀门与CO2储罐相连；管道外部设有的空气泵，用于将热脱附后CO2送入CO2储罐储存。
进一步的，所述循环吸附热脱附模块还包括外护层和膜式壁，外护层和膜式壁的截面均为矩形，膜式壁置于外护层中，膜式壁的外侧面和外护层的内侧面所包绕的吸附回程区间通过隔板分割为2个或3个空气吸附回程，其中膜式壁包围的矩形通道为吸附再生室；2个或3个空气吸附回程通过串联或并联的方式组合后形成一个空气吸附回路。
一种模块式直接空气二氧化碳捕集过程强化方法，包括：
步骤1：CO2的捕集与吸附
第一通风装置内设置的文丘里管产生持续的低压使得空气进入第一通风装置后通过预处理装置，然后吸入吸附再生室，在吸附再生室内的吸附剂负载模块上进行吸附，随后含低浓度CO2的空气经吸附再生室的出气口从第二通风装置排向大气；
步骤2：CO2热脱附
空气流持续通入0.3～0.5小时后，吸附再生室内的CO2浓度检测器检测吸附再生室内的CO2浓度，CO2浓度与室外CO2差距小于20ppm时，则认为固体吸附单元达到吸附饱和，随后第一通风装置停止引风工作，第一通风装置与第二通风装置断开与吸附再生室的连接，两个圆形钢板门封闭吸附再生室以产生封闭环境，通过真空泵抽取封闭的吸附再生室内的空气，向固体吸附单元中的换热管道中通入40～120℃换热介质，该换热介质可以是蒸汽、烟气、热废液介质中的一种或其组合，使得被固体吸附单元吸附的CO2吸热脱附；
步骤3：CO2储存
打开吸附再生室通向CO2储罐的管道阀门，热脱附所得的CO2用空气泵吸入CO2储罐进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门关闭，第一通风装置、第二通风装置与吸附再生室重新连接。
进一步的，其特征在于，所述热脱附阶段时两个圆形钢板门自动关闭，两个圆形钢板门与吸附再生室的外壁紧贴，形成封闭环境。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中，采用多吸附回程的方式进行吸附，若空气流通过胺吸附模块仅经过一个回程，则装置工作时吸附的CO2分子较少，剩余未被吸附的CO2分子直接从出气口排出，造成能源、装置占地面积的大量浪费。多吸附回程方式能避免这种浪费现象，节约了成本。
2、本发明中，热脱附阶段主要利用换热管道回路传递热量来进行吸热脱附，避免了热介质直接接触吸附剂，从而降低吸附剂活性，减少吸附剂的使用寿命，同时也避免了蒸汽和CO2的混合物的分离步骤，节约了成本，进一步提高了经济可行性。
3、本发明中，吸附模块的外圈蒸汽管道中，使用保温石棉进行隔热。在天气温度较低，装置内外温差较大时，能够有效地对装置吸附模块进行保温，使得收集的清洁能源的能量利用率更高，能量得到更充分的利用。
4、本发明中，吸附剂负载模块分级布置在捕集装置中，在吸附剂使用寿命到期后，可较为方便的进行拆卸、更换。
5、本发明中，吸附剂主要通过浸渍法附着在吸附材料上，吸附剂进行再生时，所需反应温度较低(10～120℃)，提供该反应温度的换热介质可以是蒸汽、烟气、热废液介质中的一种或其组合，对热源的选择较为广泛。且脱附阶段装置内部由于真空泵已经抽取了大部分空气，装置内部处于接近真空的低压状态，有利于快速热脱附，耗能、脱附时间相对于传统方法大大减少，因此吸附成本维持在一个较低水平。
6、本发明中，预处理装置对空气中的固体颗粒杂质和潮湿空气中的水蒸气进行了预处理，大大减少了上述两种杂质进入装置的量。避免了颗粒性杂质对装置内固体吸附剂孔隙的堵塞作用、水蒸气对吸附剂的寿命的负面影响、水蒸气和CO2混合气体对装置材料的腐蚀作用。使装置的工作寿命大大提高，可连续运营较长时间。
7、本发明中，提出了两种固体吸附剂与管道的布置方式。通过管道的盘绕，在较小的截面积上与固体吸附剂进行充分的接触，做到了热能的充分利用，同时也节省了装置占用的面积。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置示意图；
图2为本发明一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置部分装置连接示意图；
图3为本发明一种吸附剂负载模块与换热管道耦合布置的示意图；
图4为本发明吸附剂负载模块通过销钉固定在换热管道上的示意图；
图5为本发明一种吸附剂负载模块与换热管道等间距贴合布置的示意图；
图6为本发明二/三回程吸附CO2的空间截面图；
图7为本发明第一种二回程吸附CO2的吸附再生室立体图；
图8为本发明第二种二回程吸附CO2的吸附再生室立体图；
图9为本发明第三种二回程吸附CO2的吸附再生室立体图；
图10为本发明一种三回程吸附CO2的吸附再生室立体图。
附图标记：101、第一通风装置；102、第二通风装置；2、真空泵；3、预处理装置；4、吸附再生室；401、第一空气吸附回程；402、第二空气吸附回程；403第三空气吸附回程；5、圆形钢板门；6、吸附剂负载模块；7、换热管道；70、盘管交错孔；71、销钉；8、CO2浓度检测器；9、空气泵；10、CO2储罐；11、管道；12、管道阀门；13、外护层；14、膜式壁；15、吸附回程区间。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，包括：预处理模块、循环吸附热脱附模块和CO2储存模块；
预处理模块，用于捕集和预处理吸入的空气；
循环吸附热脱附模块，用于通过二回程或三回程的空气吸附回路吸附空气中的CO2，并对吸附后的CO2进行热脱附；
CO2储存模块，用于储存热脱附后的CO2。
预处理模块包括第一通风装置101和预处理装置3；第一通风装置101中设置有多组文丘里管；文丘里管的一端通向大气，另一端连接预处理装置3。
如图2所示，循环吸附热脱附模块包括第二通风装置102、真空泵2、吸附再生室4、圆形钢板门5、吸附剂负载模块6、换热管道7、CO2浓度检测器8，吸附再生室4一端连接预处理装置3；另一端连接第二通风装置102；第二通风装置102用于将吸附后的空气通往大气。吸附再生室4的进气口和出气口处各设有一个圆形钢板门5；吸附再生室4内设有圆形管道，吸附再生室4的进气口和出气口之间，即圆形管道上设有多个吸附剂负载模块6；吸附再生室4内设有CO2浓度检测器8；吸附再生室4内的圆形管道与真空泵2相连。
CO2储存模块包括空气泵9、CO2储罐10、管道11和管道阀门12；吸附再生室4通过管道11与空气泵9相连，空气泵9与CO2储罐10相连；管道11上设有管道阀门12。
第一通风装置101为自动追风装置，随着风向进行转动，保证第一通风装置101的进气口-出气口方向与风的流向平行一致或与风的流向夹角小于10°，以节省第一通风装置101耗能。
第一通风装置101与吸附再生室4间设有的预处理装置3；在沙尘暴天气普遍的地区该预处理装置为不锈钢滤网，用于对空气中的微粒进行过滤，以提高装置使用寿命。该不锈钢滤网可自动定期进行清洗，也可人工拆卸下进行清洗。在空气中水含量较高的地区该预处理装置3为预热器，用于降低空气湿度，提升CO2吸附效果，蒸发掉空气中的水分来避免过多水蒸气进入装置影响装置使用寿命。
吸附再生室4内设有的圆形管道的形状便于在日常维护中进行清洗；昼夜温差较大地区可在吸附再生室4外加装80～110mm的石棉网，用于避免昼夜温差过大造成热损失。
吸附再生室4的外壁采用四块长度为1～1.5m的方形材料焊接在一起形成。吸附再生室4的外壁和吸附再生室4两侧的圆形钢板门5均由不锈钢材料制成。吸附再生室4的外壁的厚度为8～15mm，能够在热脱附阶段承受大气压，不产生形变。吸附再生室4的外壁及圆形钢板门5也可由其他金属材料在其外层涂漆制成，以耐受长期工作于酸性气体的环境。两个圆形钢板门5的均直径为0.8～1.2m。
吸附再生室4内的吸附负载模块6分级布置在吸附再生室4中以便于拆卸；固体胺吸附剂通过将PEI(聚乙烯亚胺)溶液通过浸渍负载在结构式二氧化硅/活性炭/树脂上，制得固体胺吸附剂；吸附剂负载模块6上设有多个直径为100μm～300μm的孔径，保证空气流以较小阻力通过该装置且与吸附剂充分接触；吸附剂负载模块6为圆形，直径为0.4～0.8m；各吸附剂负载模块6均通过6～8颗螺钉固定在吸附再生室4中的圆形管道内。吸附剂负载模块6耐受温度为-25～120℃，且在真空泵2抽真空时能保持材料结构的稳定性。
吸附剂负载模块6与换热管道7耦合；通过换热管道7进行非直接接触式加热胺吸附剂，避免蒸汽/烟气直接加热脱附CO2时对胺吸附材料寿命和稳定性产生影响，同时也避免了收集阶段CO2和蒸汽混合物的分离步骤。
吸附剂负载模块6与换热管道7有两种耦合方式：
第一种，如图3和图4所示，换热管道7为U型结构，若干U型结构换热管道7相互垂直布置并依次串联，形成若干矩形盘管交错孔70，U型换热管道7管外加销钉71，吸附剂固定于管道销钉71上，形成固体吸附剂块，每一个矩形盘管交错孔70内的四边均有被固定的固体吸附剂块，矩形孔的吸附剂块内形成一定的孔道，此孔道一维方向上贯通形成流体流动通道，此种布置使吸附剂块与换热管道7在平面上分布更合理，换热效果较好，吸附剂再生效率高。换热管道7构成的网格横截面积在0.03～0.06m2之间，换热管道7中插入的单个柱状固体吸附剂的横截面积在0.02～0.04m2之间，吸附剂厚度在20～100cm之间。
第二种，如图5所示，吸附剂负载模块6与换热管道7等间距贴合布置，吸附剂负载模块6安装在两个换热管道7中间，换热管道7为U型盘管，相邻吸附剂负载模块6间的间隙为孔隙间距Hp，管间距Ht与吸附剂负载模块6孔隙间距Hp相等，此布置方式可使吸附剂负载模块6与换热管道7紧密布置，加强吸附剂热脱附效率。吸附剂负载模块6为圆形或方形，横截面积在0.8～1.5m2之间，管间距Ht在10cm～15cm之间。
吸附再生室4内设置有多个固体吸附单元，每个固体吸附单元间由吸附剂负载模块6隔开；每个固体吸附单元上均设有一个吸附剂负载模块6和换热管道7；且每个固体吸附单元内部都有圆形管道，圆形管道贯穿于所有吸附再生单元中，每个固体吸附单元中的圆形管道均通过管道11和管道阀门12与CO2储罐10相连；管道11外部设有的空气泵10，用于将热脱附后CO2送入CO2储罐10储存。
循环吸附热脱附模块包括外护层13和膜式壁14，外护层13和膜式壁14的截面均为矩形，膜式壁14置于外护层13中，膜式壁14的外侧面和外护层13的内侧面所包绕的吸附回程区间15通过隔板分割为2个或3个空气吸附回程，包括第一空气吸附回程401、第二空气吸附回程402和第三空气吸附回程403。其中膜式壁14包围的矩形通道为吸附再生室4。2个或3个空气吸附回程通过串联或并联的方式组合后形成一个空气吸附回路。
膜式壁14通过两个中轴向钢板固定在外护层13上。
若系统的能量来源为清洁能源/电网/多种能源耦合供能，则本系统可根据清洁能源的波动性变化灵活改变装置的工作功率。在一次吸附完成，下一次吸附开始前。吸附再生室4内嵌的单片机都会根据清洁能源监测装置和电池电量余量估算出所用固体吸附单元数，并控制吸附再生室4打开固体吸附单元对应的管道阀门。
实施例2
一种模块式直接空气二氧化碳捕集过程强化方法，包括：
步骤1：CO2的捕集与吸附
第一通风装置101内设置的文丘里管产生持续的低压使得空气进入第一通风装置101后通过可选择布置的预处理装置3，然后可选择布置的预处理装置3，然后吸入吸附再生室4，在吸附再生室4内的吸附剂负载模块6上进行吸附，随后含低浓度CO2的空气经吸附再生室4的出气口从第二通风装置102排向大气；
步骤2：CO2热脱附
空气流持续通入0.3～0.5小时后，吸附再生室4内的CO2浓度检测器8检测吸附再生室4内的CO2浓度，CO2浓度与室外CO2差距小于20ppm时，则认为固体吸附单元达到吸附饱和，随后第一通风装置101停止引风工作，第一通风装置101与第二通风装置102断开与吸附再生室4的连接，两个圆形钢板门5封闭吸附再生室4以产生封闭环境，通过真空泵2抽取封闭的吸附再生室4内的空气，向固体吸附单元中的换热管道7中通入40～120℃换热介质，该换热介质可以是蒸汽、烟气、热废液介质中的一种或其组合，使得被固体吸附单元吸附的CO2吸热脱附；
步骤3：CO2储存
打开吸附再生室4通向CO2储罐10的管道阀门12，热脱附所得的CO2用空气泵9吸入CO2储罐10进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门12关闭，第一通风装置101、第二通风装置102与吸附再生室4重新连接。
热脱附阶段时两个圆形钢板门5自动关闭，两个圆形钢板门5与吸附再生室4的外壁紧贴，形成封闭环境，该封闭环境应具有良好的气密性，避免因CO2泄露对净捕集效率产生影响。
实施例3
如图7所示的回路结构中，为第一种二回程吸附CO2的方法，包括：
步骤11：CO2的捕集与吸附
第一通风装置101内设置的文丘里管产生持续的低压使得空气进入第一通风装置101后通过可选择布置的预处理装置3，然后吸入吸附再生室4，空气从第一空气吸附回程401的头部到达第一空气吸附回程401的尾部后，从第一空气吸附回程401的尾部调转方向进入两条第二空气吸附回程402尾部，经过两回程后，低浓度的CO2从第二空气吸附回程402头部出气口排出，随后含低浓度CO2的空气经吸附再生室4的出气口从第二通风装置102排向大气；
步骤12：CO2热脱附
空气流持续通入0.3～0.5小时后，吸附再生室4内的CO2浓度检测器8检测吸附再生室4内的CO2浓度，CO2浓度与室外CO2差距小于20ppm时，则认为固体吸附单元达到吸附饱和，随后第一通风装置101停止引风工作，第一通风装置101与第二通风装置102断开与吸附再生室4的连接，两个圆形钢板门5封闭吸附再生室4以产生封闭环境，通过真空泵2抽取封闭的吸附再生室4内的空气，向固体吸附单元中的换热管道7中通入40～120℃换热介质，该换热介质可以是蒸汽、烟气、热废液介质中的一种或其组合，使得被固体吸附单元吸附的CO2吸热脱附；
步骤13：CO2储存
打开吸附再生室4通向CO2储罐10的管道阀门12，热脱附所得的CO2用空气泵9吸入CO2储罐10进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门12关闭，第一通风装置101、第二通风装置102与吸附再生室4重新连接。
实施例4
如图8所示的回路结构中，为第二种二回程吸附CO2的方法，包括：
步骤21：CO2的捕集与吸附
第一通风装置101内设置的文丘里管产生持续的低压使得空气进入第一通风装置101后通过可选择布置的预处理装置3，然后吸入吸附再生室4，空气从第一空气吸附回程401的头部到达第一空气吸附回程401的尾部后，从第一空气吸附回程401的尾部调转方向进入两条第二空气吸附回程402尾部，经过两回程后，低浓度的CO2从第二空气吸附回程402头部出气口排出，随后含低浓度CO2的空气经吸附再生室4的出气口从第二通风装置102排向大气；
步骤22：CO2热脱附
空气流持续通入0.3～0.5小时后，吸附再生室4内的CO2浓度检测器8检测吸附再生室4内的CO2浓度，CO2浓度与室外CO2差距小于20ppm时，则认为固体吸附单元达到吸附饱和，随后第一通风装置101停止引风工作，第一通风装置101与第二通风装置102断开与吸附再生室4的连接，两个圆形钢板门5封闭吸附再生室4以产生封闭环境，通过真空泵2抽取封闭的吸附再生室4内的空气，向固体吸附单元中的换热管道7中通入40～120℃换热介质，该换热介质可以是蒸汽、烟气、热废液介质中的一种或其组合，使得被固体吸附单元吸附的CO2吸热脱附；
步骤23：CO2储存
打开吸附再生室4通向CO2储罐10的管道阀门12，热脱附所得的CO2用空气泵9吸入CO2储罐10进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门12关闭，第一通风装置101、第二通风装置102与吸附再生室4重新连接。
实施例5
如图9所示的回路结构中，为第三种二回程吸附CO2的方法，包括：
步骤31：CO2的捕集与吸附
第一通风装置101内设置的文丘里管产生持续的低压使得空气进入第一通风装置101后通过可选择布置的预处理装置3，然后吸入吸附再生室4，空气从第一空气吸附回程401的头部到达第一空气吸附回程401的尾部后，从第一空气吸附回程401的尾部调转方向进入两条第二空气吸附回程402尾部，经过两回程后，低浓度的CO2从第二空气吸附回程402头部出气口排出，随后含低浓度CO2的空气经吸附再生室4的出气口从第二通风装置102排向大气；
步骤32：CO2热脱附
空气流持续通入0.3～0.5小时后，吸附再生室4内的CO2浓度检测器8检测吸附再生室9内的CO2浓度，CO2浓度与室外CO2差距小于20ppm时，则认为固体吸附单元达到吸附饱和，随后第一通风装置101停止引风工作，第一通风装置101与第二通风装置102断开与吸附再生室4的连接，两个圆形钢板门5封闭吸附再生室4以产生封闭环境，通过真空泵2抽取封闭的吸附再生室4内的空气，向固体吸附单元中的换热管道7中通入40～120℃换热介质，该换热介质可以是蒸汽、烟气、热废液介质中的一种或其组合，使得被固体吸附单元吸附的CO2吸热脱附；
步骤33：CO2储存
打开吸附再生室4通向CO2储罐10的管道阀门12，热脱附所得的CO2用空气泵9吸入CO2储罐10进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门12关闭，第一通风装置101、第二通风装置102与吸附再生室4重新连接。
实施例6
如图10所示回路结构中，为一种三回程吸附CO2的方法，包括：
步骤41：CO2的捕集与吸附
第一通风装置101内设置的文丘里管产生持续的低压使得空气进入第一通风装置101后通过可选择布置的预处理装置3，然后吸入吸附再生室4，空气从第一空气吸附回程401的头部到达第一空气吸附回程401的尾部后，从第一空气吸附回程401的尾部调转方向进入三条第二空气吸附回程402尾部，空气从三条第一空气吸附回程401尾部走到第一空气吸附回程401头部后汇总为一条通向第三空气吸附回程403头部的通道，最后，空气由第三空气吸附回程403头部经过管道，到达第三空气吸附回程403尾部，低浓度的CO2从第二吸附再生回程402头部出气口排出，吸附完成后，含低浓度CO2的空气经吸附再生室4的出气口从第二通风装置102排向大气；
步骤42：CO2热脱附
空气流持续通入0.3～0.5小时后，吸附再生室4内的CO2浓度检测器8检测吸附再生室9内的CO2浓度，CO2浓度与室外CO2差距小于20ppm时，则认为固体吸附单元达到吸附饱和，随后第一通风装置101停止引风工作，第一通风装置101与第二通风装置102断开与吸附再生室4的连接，两个圆形钢板门5封闭吸附再生室4以产生封闭环境，通过真空泵2抽取封闭的吸附再生室4内的空气，向固体吸附单元中的换热管道7中通入40～120℃换热介质，该换热介质可以是蒸汽、烟气、热废液介质中的一种或其组合，使得被固体吸附单元吸附的CO2吸热脱附；
步骤43：CO2储存
打开吸附再生室4通向CO2储罐10的管道阀门12，热脱附所得的CO2用空气泵2吸入CO2储罐10进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门12关闭，第一通风装置101、第二通风装置102与吸附再生室4重新连接。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，其特征在于，包括：预处理模块、循环吸附热脱附模块和CO2储存模块；
预处理模块，用于捕集和预处理吸入的空气；
循环吸附热脱附模块，用于通过二回程或三回程的空气吸附回路吸附空气中的CO2，并对吸附后的CO2进行热脱附；
CO2储存模块，用于储存热脱附后的CO2。
2.根据权利要求1所述的一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述预处理模块包括第一通风装置(101)和预处理装置(3)；第一通风装置(101)中设置有多组文丘里管；文丘里管的一端通向大气，另一端连接预处理装置(3)。
3.根据权利要求2所述的一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述第一通风装置(101)为自动追风装置，随着风向进行转动，保证第一通风装置(101)的进气口-出气口方向与风的流向平行一致或与风的流向夹角小于10°。
4.根据权利要求3所述的一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述循环吸附热脱附模块包括第二通风装置(102)、真空泵(2)、吸附再生室(4)、圆形钢板门(5)、吸附剂负载模块(6)、换热管道(7)、CO2浓度检测器(8)，吸附再生室(4)一端连接预处理装置(3)；另一端连接第二通风装置(102)；所述第二通风装置(102)用于将吸附后的空气通往大气；吸附再生室(4)的进气口和出气口处各设有一个圆形钢板门(5)；吸附再生室(4)的进气口和出气口之间设有多个吸附剂负载模块(6)；吸附剂负载模块(6)与换热管道(7)耦合，吸附再生室(4)内设有CO2浓度检测器(8)；吸附再生室(4)与真空泵(2)相连。
5.根据权利要求4所述的一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述CO2储存模块包括空气泵(9)、CO2储罐(10)、管道(11)和管道阀门(12)；所述吸附再生室(4)通过管道(11)与空气泵(9)相连，空气泵(9)与CO2储罐(10)相连；管道(11)上设有管道阀门(12)。
6.根据权利要求4所述的一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述吸附剂负载模块(6)与换热管道(7)耦合方式为两种：
第一种：换热管道(7)为U型结构，若干U型结构换热管道(7)相互垂直布置并依次串联，形成若干矩形盘管交错孔(70)，U型换热管道(7)管外加销钉(71)，吸附剂固定于管道销钉(71)上，形成固体吸附剂块，每一个矩形盘管交错孔(70)内的四边均有被固定的固体吸附剂块，矩形孔的吸附剂块内形成孔道，此孔道一维方向上贯通形成流体流动通道；换热管道(7)构成的网格横截面积为0.03～0.06m2，换热管道(7)中插入的单个柱状固体吸附剂的横截面积为0.02～0.04m2，吸附剂厚度为20～100cm；
第二种：吸附剂负载模块(6)与换热管道(7)等间距贴合布置，吸附剂负载模块(6)安装在两个换热管道(7)中间，换热管道(7)为U型盘管。
7.根据权利要求6所述的一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述吸附再生室(4)内设置有多个固体吸附单元，每个固体吸附单元间由吸附剂负载模块(6)隔开；每个固体吸附单元上均设有一个吸附剂负载模块(6)和换热管道(7)；且每个固体吸附单元均通过管道(11)和管道阀门(12)与CO2储罐(10)相连；管道(11)外部设有的空气泵(9)，用于将热脱附后CO2送入CO2储罐(10)储存。
8.根据权利要求7所述的一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述循环吸附热脱附模块还包括外护层(13)和膜式壁(14)，外护层(13)和膜式壁(14)的截面均为矩形，膜式壁(14)置于外护层(13)中，膜式壁(14)的外侧面和外护层(13)的内侧面所包绕的吸附回程区间(15)通过隔板分割为2个或3个空气吸附回程，其中膜式壁(14)包围的矩形通道为吸附再生室(4)；2个或3个空气吸附回程通过串联或并联的方式组合后形成一个空气吸附回路。
9.一种模块式直接空气二氧化碳捕集过程强化方法，其特征在于，包括：
步骤1：CO2的捕集与吸附
第一通风装置(101)内设置的文丘里管产生持续的低压使得空气进入第一通风装置(101)后通过预处理装置(3)，然后吸入吸附再生室(4)，在吸附再生室(4)内的吸附剂负载模块(6)上进行吸附，随后含低浓度CO2的空气经吸附再生室(4)的出气口从第二通风装置(102)排向大气；
步骤2：CO2热脱附
空气流持续通入0.3～0.5小时后，吸附再生室(4)内的CO2浓度检测器(8)检测吸附再生室(4)内的CO2浓度，CO2浓度与室外CO2差距小于20ppm时，则认为固体吸附单元达到吸附饱和，随后第一通风装置(101)停止引风工作，第一通风装置(101)与第二通风装置(102)断开与吸附再生室(4)的连接，两个圆形钢板门(5)封闭吸附再生室(4)以产生封闭环境，通过真空泵(2)抽取封闭的吸附再生室(4)内的空气，向固体吸附单元中的换热管道(7)中通入40～120℃换热介质，该换热介质可以是蒸汽、烟气、热废液介质中的一种或其组合，使得被固体吸附单元吸附的CO2吸热脱附；
步骤3：CO2储存
打开吸附再生室(4)通向CO2储罐(10)的管道阀门(12)，热脱附所得的CO2用空气泵(9)吸入CO2储罐(10)进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门(12)关闭，第一通风装置(101)、第二通风装置(102)与吸附再生室(4)重新连接。
10.根据权利要求9所述的一种模块式直接空气二氧化碳捕集过程强化方法，其特征在于，所述热脱附阶段时两个圆形钢板门(5)自动关闭，两个圆形钢板门(5)与吸附再生室(4)的外壁紧贴，形成封闭环境。
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