CN114504925B - 一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳减排技术领域，具体涉及一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统及方法，包括：供能/储能模块、预处理模块、吸附热脱附模块和CO2储存模块；供能/储能模块用于通过清洁能源给整个系统提供电能和热能；并且将收集的多余的清洁能源储存于电池中；预处理模块用于捕集和预处理吸入的空气；吸附热脱附模块用于吸附空气中的二氧化碳和热脱附吸附后的CO2；CO2储存模块用于储存热脱附后的CO2。本发明能够对大量富余的清洁能源进行利用，许多清洁能源丰富的地区，因电网结构的未完全覆盖导致了大量的弃光、弃风现象，在这些地区部署本系统，利用这些不易收集、传输的清洁能源为系统供能，极大地降低了成本。

Description

一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统及方法
技术领域
本发明属于碳减排技术领域，具体涉及一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统及方法。
背景技术
现有能源结构碳的占比较高，碳排放量达到98.94亿吨，需要更有效、成本更低、更节能的碳捕获技术。
现有的针对固定点源的碳捕获技术难以捕集空气中低浓度的CO2、数以百万计的小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源排放的CO2，难以实现净排放，做到真正的“负碳排放”。
而目前国外公司开发的空气中直接捕集CO2装置(DAC装置)主要采用碱液吸收法。主要流程为用碱性溶液(KOH等)对空气中的CO2进行吸附，吸附CO2后的溶液与Ca(OH)2生成碳酸钙沉淀，通过高温煅烧来释放CO2。然而，这种方法耗能较高，捕获能耗约为2000kWh/tCO2，捕集成本为94～232$/tCO2。再生吸收剂的反应所需温度为900℃，难以利用废热等资源，必须用煅烧炉来提供高温条件。占地面积也因需要使用一整套煅烧炉、吸收塔等设备也较大，且CO2吸附及再生环节所需电力或热能多来自于化石燃料，带来了附加的碳排放，这些因素都限制了该方法的大规模应用。
综上所述，现有的空气中直接捕获CO2方法，都存在着一定的不足，因此，必须寻求一种高效节能且空间利用率高、环境友好的方式对CO2进行有效的回收利用。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统及方法，以解决现有技术中利用清洁能源的直接空气捕集技术耗能过高，且装置在吸附/热脱附阶段占地面积过大、热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，本发明采用以下技术方案实现：
一方面，本发明提供一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统，其特征在于，包括：供能/储能模块、预处理模块、吸附热脱附模块和CO2储存模块；
供能/储能模块用于通过清洁能源给整个系统提供电能和热能；并且将收集的多余的清洁能源储存于电池中；
预处理模块用于捕集和预处理吸入的空气；
吸附热脱附模块用于吸附空气中的二氧化碳和热脱附吸附后的CO2；
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；第一通风装置内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，所述吸附热脱附模块包括第二通风装置、单片机、吸附再生室、圆形钢板门、吸附剂负载模块、换热管道、CO2浓度检测器和真空泵；所述吸附再生室的进气口与预处理装置的出口相连；吸附再生室的进气口和出气口处均设有圆形钢板门；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；吸附再生室内的圆形管道与真空泵相连；单片机与吸附再生室底部的转轴相连；用于控制吸附再生室的进气口-出气口方向与第一通风装置流出的风的流向平行一致或与风的流向夹角小于10°；吸附再生室的出气口连接第二通风装置。
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，所述供能/储能模块包括集热器、发电装置、清洁能源强度检测器和储能化学电池；集热器连接预处理装置和吸附再生室；发电装置连接吸附再生室和储能化学电池；储能化学电池连接吸附再生室；清洁能源强度检测器连接单片机。
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；吸附剂负载模块与换热管道耦合；每个独立单元均通过管道与CO2储罐相连；管道连接的空气泵，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型换热管道管外加铆钉，吸附剂固定于管道铆钉上，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。
另一方面，一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的方法，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，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，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残余的空气，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3：二氧化碳储存
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，热脱附阶段时通过单片机控制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。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明能够对大量富余的清洁能源进行利用，许多清洁能源丰富的地区，因电网结构的未完全覆盖导致了大量的弃光、弃风现象，在这些地区部署本系统，利用这些不易收集、传输的清洁能源为系统供能，极大地降低了成本。
2、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，热脱附所需反应温度较低(40～120℃)，可以用低温蒸汽或者含废热的烟气等进行间接加热脱附，对热源的选择较为广泛。且热脱附阶段装置内部由于真空泵已经抽取了绝大部分空气，装置内部处于接近真空的低压状态，低压有利于CO2快速热脱附，耗能、热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。
3、本发明设置了多回程吸收方式进行吸附。在相对较小的空间内设置多回程，使装置单位占地面积的碳捕集率大大提高，有效利用了占地空间。
4、本发明中，换热介质通过管道为胺负载模块热脱附CO2供热，避免了传统的蒸汽或烟气直接接触吸附剂加热时，换热介质对胺吸收负载模块的腐蚀作用以及换热介质和CO2混合物的分离步骤，同时也排除了蒸汽或烟气与CO2的混合气体对装置的腐蚀作用，大大延长了装置使用寿命。
5、本发明中，设置了清洁能源强度检测装置以调节装置的工作状态，避免了清洁能源强度较高时，多余清洁能源得不到有效利用，弃光、弃风产生的浪费。同时也避免了清洁能源强度较低时，装置停止工作出现“休眠”现象，出现工时的浪费。
6、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空间面积。
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为本发明所用清洁能源为太阳能时装置工作的示意图；
图2为本发明所用清洁能源为风能时装置工作的示意图；
图3为本发明吸附热脱附模块和CO2储存模块的示意图；
图4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5为本发明吸附剂负载模块通过铆钉固定在换热管道上的示意图；
图6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7为本发明的一种二回程吸附CO2的立体示意图。
附图标记：101、第一通风装置；102、第二通风装置；2、空气泵；3、预处理装置；4、集热器；5、发电装置；6、清洁能源强度检测器；7、储能化学电池；8、单片机；9、吸附再生室；901、第一空气吸附回程；902、第二空气吸附回程；10、圆形钢板门；11、吸附剂负载模块；12、换热管道；120、盘管交错孔；121、铆钉；13、CO2浓度检测器；14、真空泵；15、CO2储罐；16、管道；17、管道阀门。
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1-3所示，本发明提供一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统，包括：
供能/储能模块、预处理模块、吸附热脱附模块和CO2储存模块；
供能/储能模块用于通过清洁能源给整个系统提供电能和热能；并且将收集的多余的清洁能源储存于电池中；
预处理模块用于捕集和预处理吸入的空气；
吸附热脱附模块用于吸附空气中的二氧化碳和热脱附吸附后的CO2；
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。
吸附热脱附模块包括第二通风装置102、单片机8、吸附再生室9、圆形钢板门10、吸附剂负载模块11、换热管道12、CO2浓度检测器13和真空泵14；吸附再生室9的进气口与预处理装置3的出口相连；吸附再生室9内设有圆形管道，吸附再生室9的进气口和出气口之间的圆形管道上设有多个吸附剂负载模块11；吸附再生室9的进气口和出气口处均设有圆形钢板门10；吸附再生室9内设有CO2浓度检测器13；吸附再生室9内的圆形管道与真空泵14相连；单片机8与吸附再生室9底部的转轴相连；用于控制吸附再生室9的进气口-出气口方向与第一通风装置101流出的风的流向平行一致或与风的流向夹角小于10°；吸附再生室9的出气口连接第二通风装置102，用于将吸附后的空气通往大气。
CO2储存模块包括：空气泵2、CO2储罐15、管道16和管道阀门17；吸附再生室9通过管道16与空气泵2相连，空气泵2与CO2储罐15相连；管道16上设有管道阀门17。
供能/储能模块包括集热器4、发电装置5、清洁能源强度检测器6和储能化学电池7；集热器4连接预处理装置3和吸附再生室9；发电装置5连接吸附再生室9和储能化学电池7；储能化学电池7连接吸附再生室9；清洁能源强度检测器6连接单片机8。
单片机8通过数据线传输信号控制吸附再生室9的每次吸附/热脱附的工作，清洁能源强度检测器6仅与单片机8通过数据信号线连接。
第一通风装置101为自动追风装置，将实时风向信息收集并传入单片机8，随着风向进行转动，保证第一通风装置101的进气口-出气口方向与风的实时流向平行一致或与风的实时流向夹角小于10°，以节省通风装置耗能。第一通风装置101处的风速为0.5～1m/s，一次吸附/热脱附循环通过的风量为1000m3，在0.3～0.6小时内通过该系统。
第一通风装置101与吸附再生室9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3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9内管道的形状为圆形便于在日常维护中进行清洗。
吸附剂负载模块11耐受温度为-25～120℃，且在真空泵14抽真空时能保持材料结构的稳定性。
吸附剂负载模块11与换热管道12耦合；通过换热管道12进行非直接接触式加热吸附剂吸附剂，避免蒸汽直接加热脱附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11与换热管道12有两种耦合方式：
第一种：如图4和图5所示，换热管道12为U型结构，若干U型结构换热管道12相互垂直布置并依次串联，形成若干矩形盘管交错孔120，U型换热管道12管外加铆钉121，吸附剂可固定于管道铆钉上121，形成固体吸附剂块，按照上述布置，在每一个矩形盘管交错孔120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12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12构成的网格横截面积在0.03～0.06m2之间，换热管道12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6所示，吸附剂负载模块11与换热管道12等间距贴合布置，吸附剂负载模块11安装在两个换热管道12中间，换热管道12为U型盘管，相邻吸附剂负载模块11间的间隙为孔隙间距Hp，管间距Ht与吸附剂负载模块11孔隙间距Hp相等，此布置方式可使吸附剂负载模块11与换热管道12紧密布置，在多次吸附/脱附循环中保持较高的稳固性且空气流经该布置方式的阻力较小。吸附剂负载模块11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。
昼夜温差较大地区可在吸附再生室外加装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9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11隔开；固体吸附单元数量可由系统部署前调查测算所得的当地清洁能源每小时平均能量值所决定。每个固体吸附单元上均设有一个吸附剂负载模块11和换热管道12；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16和管道阀门17与CO2储罐15相连；管道16连接的空气泵2，用于将热脱附后CO2送入CO2储罐15储存。
吸附再生室9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9的外壁和吸附再生室9两侧的圆形钢板门10均由不锈钢材料制成。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。该外壁及圆形钢板门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10的均直径为0.8～1.2m。
储能化学电池7采用镍锰钴(NMC)电池，因较高的功率容量有利于在光伏功率峰值时充电，避免光伏电量的减少，故电池放电的C率设为0.5。仅在电池剩余电量不足以供给下一次吸附所耗能源且无清洁能源输入时，系统才会停止工作。
胺吸附剂将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，制得柱状固体胺吸附剂；根据与换热管道12不同的耦合方式分别布置为圆形吸附剂负载模块以及柱状吸附剂负载模块。
吸附剂负载模块11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。各吸附剂负载模块11均通过6～8颗螺钉固定在吸附再生室9中的圆形管道内。
清洁能源为太阳能时则供能/储能模块中的集热器4为太阳能集热器，清洁能源强度检测器6为光照强度检测器，发电装置5为光伏发电装置；
清洁能源为风能时，则供能/储能模块中的集热器4为风力电热机，清洁能源强度检测器6为风力强度检测器，发电装置5为风力发电机；
上述富余的清洁能源收集于储能化学电池7。
实施例2
本发明提供一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的方法，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，然后吸入吸附再生室9，在吸附再生室9内的吸附剂负载模块11上进行吸附，随后含低浓度CO2的空气经吸附再生室9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9内的CO2浓度检测器13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9的连接，两个圆形钢板门10封闭吸附再生室9以产生封闭环境，通过真空泵14抽取封闭的吸附再生室9内残余的空气，向固体吸附单元中的换热管道12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3：二氧化碳储存
打开吸附再生室9通向CO2储罐15的管道阀门17，热脱附所得的CO2用空气泵2吸入CO2储罐15进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门17关闭，第一通风装置101、第二通风装置102与吸附再生室9重新连接。
热脱附阶段时通过单片机8控制两个圆形钢板门10自动关闭，两个圆形钢板门10与吸附再生室9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。
该系统优选部署于清洁能源强度较高的地区以供给装置中多个部件的耗能，其中优选部署地点的太阳能平均辐射量应大于1950kWh/m2·年，若为风能则平均能量密度应大于235W/m2·小时，以使装置运行时有着充足的供能。
实施例3
如图1所示，当清洁能源为太阳能时，本发明一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的方法包括：
步骤A：预处理阶段
光照强度检测器包含一个光照强度检测仪和一个光敏矩阵，光照强度检测仪实时检测并向单片机8传输实时太阳光强度数据。光敏矩阵由多个光敏元件组成矩阵排列构成，通过获取光敏矩阵输出的多个电信号，计算当前太阳光的光源方向。若光照方向与当前光伏发电装置接受光能方向一致，则系统无需调整，若方向不一致，则通过转轴控制光伏发电装置转向；
单片机8会根据光照强度检测器所提供的光照强度和储能化学电池7电量余量数据计算出本次吸附再生循环所用固体吸附单元数，决定系统当前吸附周期的工作状态。在光照强度大时，处于第一种工作状态，吸附再生室9内所有的固体吸附单元投入工作，并将富余的清洁能源以化学能的形式储存在储能化学电池中7；在光照强度较小时，处于第二种工作状态，储能化学电池7中储存的能源为系统供能以使系统中部分固体吸附单元(至少一个)继续工作，尽量避免装置出现“休眠”现象。若光照强度几乎为零且储能化学电池7所剩能源不足以支持下一次吸附再生的循环工作，处于第三种工作状态，装置等待供能/储能模块收集到足够的清洁能源再执行下述步骤。
步骤B：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9，在吸附再生室9内的吸附剂负载模块11上进行吸附，随后含低浓度CO2的空气经吸附再生室9的出气口从第二通风装置102排向大气；
步骤C：CO2热脱附
空气流持续通入0.3～0.5小时后，吸附再生室9内的CO2浓度检测器13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9的连接，两个圆形钢板门10封闭吸附再生室9以产生封闭环境，通过真空泵14抽取封闭的吸附再生室9内的空气，向固体吸附单元中的换热管道12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；
若处于第一种工作状态，则此步骤向所有固体吸附单元的换热管道12通入40～120℃换热介质；若处于第二种工作状态，则此步骤仅向第一个固体吸附单元的换热管道12通入40～120℃换热介质。
步骤D：二氧化碳储存
打开吸附再生室9通向CO2储罐15的管道阀门17，热脱附所得的CO2用空气泵2吸入CO2储罐15进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门17关闭，第一通风装置101、第二通风装置102与吸附再生室9重新连接；
若处于第一种工作状态，则此步骤打开所有固体吸附单元通向CO2储罐15的管道阀门17；
若处于第二种工作状态，则此步骤仅打开第一个固体吸附单元通向CO2储罐15的管道阀门17。
实施例4
如图2和图7所示，当清洁能源为风能时，本发明一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的方法包括：
步骤a：预处理阶段
在风能资源丰富的区域，设置风力强度检测器以收集实时风速和风力的方向，并将风速、风向的数据传入单片机8中，单片机8通过转轴控制系统转动，使系统第一通风装置进气口对准风力方向，使空气流尽量以垂直方向通过吸附剂负载模块11，以降低文丘里管所需能耗；利用风力发电机将风能转化为电能，转化所得的电能一部分为系统直接供电，另一部分通过电热机转换为热能为系统供热，同时用风向仪收集实时风力和风向的数据。
通风装置101为自动追风装置，随着风向进行转动，保证通风装置101的进气口和出气口方向与风的流向平行一致或与风的流向处于较小夹角，以节省引风装置耗能。
单片机8会根据风力强度检测器所提供的实时风速和储能化学电池7电量余量数据计算出本次吸附再生循环所用固体吸附单元数，决定系统当前吸附周期的工作状态。如风速大时，处于第一种工作状态，吸附再生室9内所有的固体吸附单元投入工作，并将富余的清洁能源以化学能的形式储存在储能化学电池中7；在风速较低时，处于第二种工作状态，储能化学电池7中储存的能源为系统供能以使系统中部分固体吸附单元(至少一个)继续工作，尽量避免装置出现“休眠”现象。若清洁能源强度几乎不高且储能化学电池7所剩能源不足以支持下一步的运行，处于第三种工作状态，装置等待供能/储能模块收集到足够的清洁能源再执行下述步骤。
步骤b：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9，空气从第一空气吸附回程头部901处，经过第一个吸附回程，到达第一空气吸附回程901的尾部，随后从第一空气吸附回程901的尾部调转方向进入两条第二空气吸附回程902尾部，第二个空气吸附回程后，含极低浓度CO2的空气经吸附再生室9的出气口从第二通风装置102排向大气；
步骤c：CO2热脱附
空气流持续通入0.3～0.5小时后，吸附再生室9内的CO2浓度检测器13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9的连接，两个圆形钢板门10封闭吸附再生室9以产生封闭环境，通过真空泵14抽取封闭的吸附再生室9内的空气，向固体吸附单元中的换热管道12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；
若处于第一种工作状态，则此步骤向所有固体吸附单元的换热管道12通入40～120℃换热介质。若处于第二种工作状态，则此步骤仅向第一个固体吸附单元的换热管道12通入40～120℃换热介质。
步骤d：二氧化碳储存
打开吸附再生室9通向CO2储罐15的管道阀门17，热脱附所得的CO2用空气泵2吸入CO2储罐15进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门17关闭，第一通风装置101、第二通风装置102与吸附再生室9重新连接；
若处于第一种工作状态，则此步骤打开所有固体吸附单元通向CO2储罐15的管道阀门17；
若处于第二种工作状态，则此步骤仅打开第一个固体吸附单元通向CO2储罐15的管道阀门17。
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 (6)

1.一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统，其特征在于，包括：
供能/储能模块、预处理模块、吸附热脱附模块和CO2储存模块；
供能/储能模块用于通过清洁能源给整个系统提供电能和热能；并且将收集的多余的清洁能源储存于电池中；
预处理模块用于捕集和预处理吸入的空气；
吸附热脱附模块用于吸附空气中的二氧化碳和热脱附吸附后的CO2；
CO2储存模块用于储存热脱附后的CO2；
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）内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）；
所述吸附热脱附模块包括第二通风装置（102）、单片机（8）、吸附再生室（9）、圆形钢板门（10）、吸附剂负载模块（11）、换热管道（12）、CO2浓度检测器（13）和真空泵（14）；所述吸附再生室（9）的进气口与预处理装置（3）的出口相连；吸附再生室（9）的进气口和出气口处均设有圆形钢板门（10）；吸附再生室（9）的进气口和出气口之间设有多个吸附剂负载模块（11）；吸附再生室（9）内设有CO2浓度检测器（13）；吸附再生室（9）内的圆形管道与真空泵（14）相连；单片机（8）与吸附再生室（9）底部的转轴相连；用于控制吸附再生室（9）的进气口-出气口方向与第一通风装置（101）流出的风的流向平行一致或与风的流向夹角小于10°；吸附再生室（9）的出气口连接第二通风装置（102）；
所述供能/储能模块包括集热器（4）、发电装置（5）、清洁能源强度检测器（6）和储能化学电池（7）；集热器（4）连接预处理装置（3）和吸附再生室（9）；发电装置（5）连接吸附再生室（9）和储能化学电池（7）；储能化学电池（7）连接吸附再生室（9）；清洁能源强度检测器（6）连接单片机（8）；
所述吸附剂负载模块（11）与换热管道（12）耦合方式为：
换热管道（12）为U型结构，若干U型结构换热管道（12）相互垂直布置并依次串联，形成若干矩形盘管交错孔（120），U型换热管道（12）管外加铆钉（121），吸附剂固定于管道铆钉（121）上，形成固体吸附剂块，每一个矩形盘管交错孔（120）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（12）构成的网格横截面积为0.03~0.06m2，换热管道（12）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。
2.根据权利要求1所述的一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统，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°。
3.根据权利要求1所述的一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统，其特征在于，所述CO2储存模块包括空气泵（2）、CO2储罐（15）、管道（16）和管道阀门（17）；所述吸附再生室（9）通过管道（16）与空气泵（2）相连，空气泵（2）与CO2储罐（15）相连；管道（16）上设有管道阀门（17）。
4.根据权利要求1所述的一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统，其特征在于，所述吸附再生室（9）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（11）隔开；每个固体吸附单元上均设有一个吸附剂负载模块（11）和换热管道（12）；吸附剂负载模块（11）与换热管道（12）耦合；每个固体吸附单元均通过管道（16）与CO2储罐（15）相连；管道（16）连接的空气泵（2），用于将热脱附后CO2送入CO2储罐（15）储存。
5. 一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的方法，其特征在于，根据权利要求1-4任一项所述的一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的系统，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），吸入吸附再生室（9），在吸附再生室（9）内的吸附剂负载模块（11）上进行吸附，随后含低浓度CO2的空气经吸附再生室（9）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（9）内的CO2浓度检测器（13）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，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（9）的连接，两个圆形钢板门（10）封闭吸附再生室（9）以产生封闭环境，通过真空泵（14）抽取封闭的吸附再生室（9）内残余的空气，向固体吸附单元中的换热管道（12）中通入40~120℃换热介质，该换热介质是蒸汽、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3：二氧化碳储存
打开吸附再生室（9）通向CO2储罐（15）的管道阀门（17），热脱附所得的CO2用空气泵（2）吸入CO2储罐（15）进行储存，以备下一步的利用，储存完毕后，管道阀门（17）关闭，第一通风装置（101）、第二通风装置（102）与吸附再生室（9）重新连接。
6.根据权利要求5所述的一种利用清洁能源直接空气捕获二氧化碳的方法，其特征在于，热脱附阶段时通过单片机（8）控制两个圆形钢板门（10）自动关闭，两个圆形钢板门（10）与吸附再生室（9）的外壁紧贴，形成封闭环境。
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