CN114712980B - 一种可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统及方法，涉及碳捕集技术领域，包括捕集型飞行装置和吸附装置；所述吸附装置包括吸附箱和连接机构；所述吸附箱用于盛放吸附剂；所述连接机构用于与所述捕集型飞行装置连接，所述吸附箱设置于所述连接机构上。本发明公开一种可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统及方法，碳捕集量高，自由灵活，可充分利用可再生能源，碳源定位与捕集分机协作提高能源利用效率，移动装置自动供能，无需对系统进行大规模改造。整体无人化、协作程度高，适用于大范围的碳捕集工作，有助于实现碳中和目标。
Description
技术领域
本发明涉及碳捕集技术领域，特别是涉及一种可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统及方法。
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，大量的"碳能源"被排放在空气中，从而导致温室效应日益严重。随着人类对能源的需求越来越大，未来几十年内化石燃料将仍然是主要的能量来源。因此，碳排放问题是目前亟需的问题。
目前，二氧化碳捕集技术主要应用于许多二氧化碳排放量多的行业，如火力发电厂、水泥、钢铁等。传统的碳捕集模式，例如从大型点源进行燃烧后捕集，可以减缓大气中二氧化碳浓度的升高，但是多为固定装置，占用土地资源且无法自由灵活地进行捕集。而作为负碳技术代表的空气中直接捕集二氧化碳技术可对大气中二氧化碳浓度进行更为直接的“干预”，为碳中和的顺利实现提供了又一重保障，是实现“双碳”目标的托底技术保障。
现有的空气碳捕集技术包括溶液吸收法、固体吸附法、电渗析法等。目前的研究着重于直接空气二氧化碳捕集的材料的设计、低能耗再生方式、新能源驱动等，对于捕集系统的建立与运行方面的研究较少。
公开号为CN113856419A，名称为“一种二氧化碳捕集系统及捕集方法”的发明专利中，公开了一种新的二氧化碳捕集方法及系统，虽然该专利性能相比目前燃煤电厂采用的醇胺溶液化学吸附法更为优良，但其装置笨重，无法移动。
综上，目前采用移动式碳捕集对排放源进行有针对性的强化捕集，且不占用土地的捕集系统较少，因此对该领域进行技术开发是十分重要且有必要的，也是进一步发展并实现直接空气二氧化碳捕集技术的一个良好选择。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统，包括捕集型飞行装置和吸附装置；所述吸附装置包括吸附箱和连接机构；所述吸附箱用于盛放吸附剂；所述连接机构用于与所述捕集型飞行装置连接，所述吸附箱设置于所述连接机构上。
可选的，所述连接机构包括连接件、铰链杆、爪夹、支撑架和驱动元件；所述连接件顶部与所述捕集型飞行装置相连接，所述连接件底部两端分别与一所述铰链杆的中部相连接，所述驱动元件的固定部分与所述铰链杆的端部相连接，所述驱动元件的转动部分与所述爪夹的顶部相连接，所述支撑架设置于所述铰链杆同一侧的所述爪夹的底部之间；所述支撑架用于承托所述吸附箱。
可选的，所述驱动元件包括电机，所述电机的壳体与所述铰链杆的端部连接，所述电机的输出轴与所述爪夹的顶部相连接。
可选的，所述连接机构还包括旋转杆；所述旋转杆的两端分别与所述铰链杆同一侧的所述爪夹的顶部固定连接。
可选的，所述吸附箱包括框架、风扇和纱网；所述框架的外表面上均设置有所述纱网，所述风扇设置于所述框架内底部。
可选的，所述吸附剂为胺基改性硅胶。
可选的，包括总站和中转站；所述总站周围设置有多个所述中转站；所述总站和所述中转站内均设置于停机坪和能源供应装置；所述总站内还设置有再生装置和存储装置；所述中转站内还设置有观察型飞行装置和多个所述吸附装置；所述观察型飞行装置上设置有二氧化碳光学检测仪；所述停机坪用于承载所述观察型飞行装置和所述捕集型飞行装置；所述能源供应装置用于为所述所述观察型飞行装置和所述捕集型飞行装置提供电力和/或燃料；所述再生装置用于所述吸附剂的再生，所述存储装置用于存储所述吸附剂再生后释放的二氧化碳；所述中转站内的多个所述吸附装置用于替换吸附有二氧化碳的吸附装置。
本发明还公开一种基于上述的可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统的方法，根据二氧化碳排放卫星数据或预设地理信息设置飞行轨迹，确定计算飞行途径中的中转站设置，确保在中转站供能辅助下最远飞行范围可以覆盖碳源目标地点；观察型飞行装置在侦查范围内飞行并侦查，根据所载二氧化碳光学检测仪即时监测数据实现碳源快速定位；捕集型飞行装置在中转站装配吸附装置并加注能源，根据碳源的三维位置信息在停机坪飞出至各个标记点，并进行二氧化碳的捕集；待能量低于设定值，捕集型飞行装置则飞至中转站，进行吸附腔的更换、调整、维修，吸附有二氧化碳的吸附装置被运送至总站，通过再生装置使吸附剂中的二氧化碳释放，并由存储装置收集以便于下一步的回收利用，能源供应达到设置条件时，准备进行下一次捕集，以此往复进行。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
首先使用飞行装置通过二氧化光学检测仪实时监测所在地的二氧化碳浓度，寻找碳源浓度相对较高的地点进行标记并发送至中转站，具有相对较高的初始碳源浓度，中转站再派出携带有吸附装置的飞行装置选择最优路径到达碳源标记点，通过负载的吸附装置进行二氧化碳的直接空气捕集，待能源快耗尽时飞往中转站。在中转站内，更换吸附装置，最终统一运往回收站，通过二氧化碳泵出热变装置将吸附剂加热使二氧化碳流出并使用气体压缩机便于将二氧化碳压缩至储气罐内，通过吸附剂再生系统再降温使吸附剂恢复活性，使得吸附剂可以重复利用。中转站和回收站均提供了能源供应装置补给，以模块化箱体的形式，为移动飞行装置更换燃油，减少了更换时间，提高了效率。
本发明中使用的吸附剂材料为胺基改性硅胶，由普通硅胶经过侧基反应得到。其优点是：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度，由于胺基具备碱性，可以对二氧化碳进行化学吸附，效率较高、所需求的环境浓度较低，很适合本发明所处的环境条件。吸附装置通过孔径效应、界面效应、化学吸附三种途径进行二氧化碳的捕获，大大提高了捕获量。同时胺基改性硅胶由于较高的自稳定性，其与二氧化碳分子的结合会在高温下松解，这有利于二氧化碳的分离和富集，也便于吸附剂的洗脱和复性，可以循环利用，提高了很大的经济效益。
本发明中采用系统的优点在于可以直接精准地作用到排放点源处，在不干扰排放作业的同时，直接作用于相对浓度较高的碳源，大幅度降低了能耗。整个系统突出的优点是无人化、模块化、经济化、循环化，减少了资源的浪费，移动飞行装置便捷、可移动性强的特点与负碳技术结合得十分巧妙，与其他碳捕集技术相比，本发明的碳捕集量高，自由灵活，可充分利用可再生能源，碳源定位与捕集分机协作提高能源利用效率，移动装置自动供能，无需对系统进行大规模改造。整体无人化、协作程度高，适用于大范围的碳捕集工作，有助于实现碳中和目标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统中捕集型飞行装置和吸附装置的结构示意图；
图2为本发明可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统中吸附装置结构示意图；
图3为本发明可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统中吸附箱的内部结构示意图；
图4为本发明可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统中连接机构的张开状态的结构示意图；
图5为本发明可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统中连接机构的闭合状态的结构示意图；
图6为本发明可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统的方法示意图。
附图标记说明：1、捕集型飞行装置；2、吸附装置；3、连接机构；4、铰链杆；5、电池；6、旋转杆；7、爪夹；8、框架；9、连接杆；10、支撑架；11、锁孔；12、侧门；13、纱网；14、中连杆；
15、连接件；16、风扇；17、观察型飞行装置；18、捕集型飞行装置；19、总站；20、补给吸附装置；21、能源供应装置；22、停机坪；23、再生装置；24、存储装置；25、中转站。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1至5所示，本实施例提供一种可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统，包括捕集型飞行装置1和吸附装置2；吸附装置2包括吸附箱和连接机构3；吸附箱用于盛放吸附剂；连接机构3用于与捕集型飞行装置1连接，吸附箱设置于连接机构3上。
于本具体实施例中，连接机构3包括连接件15、铰链杆4、爪夹7、旋转杆6、支撑架10和电机；连接件15顶部与捕集型飞行装置1相连接，连接件15底部两端分别与一铰链杆4的中部相连接，电机的壳体与铰链杆4的端部连接，电机的输出轴与旋转杆6的端部相连接，旋转杆6与爪夹7的顶部相连接，支撑架10设置于铰链杆4同一侧的爪夹7的底部之间；支撑架10用于承托吸附箱。两端分别与铰链杆4同一侧的爪夹7的顶部固定连接。更具体的，连接件15为喇叭形结构，其较大端与无人机底部通过螺钉连接，连接件15的较小端与一中连杆14焊接连接，中连杆14的端部与铰链杆4中部焊接通过螺钉连接。支撑架10为L型结构，支撑架
10的两端分别通过一连接杆9与爪夹7的底部连接。进一步的，铰链杆4内侧设置有电池5，电池5与电机电连接，通过电池5为电机提供电力，使电机能够转动，以实现爪夹7的张开与闭合。更进一步的，连接机构3还包括控制模块，控制模块与电池5和电机电连接，由控制模块控制电机的正转和反转。
吸附箱包括框架8、风扇16和纱网13；框架8的外表面上均设置有纱网13，风扇16设置于框架8内底部。框架8一侧设置有可开启的侧门12，侧门12顶部通过锁孔11与框架8进行锁定。纱网13在保证气体流动通畅的条件下，确保内部填充吸附剂无泄露。纱网13采用金属网。
吸附剂为胺基改性硅胶。胺基改性硅胶是一种高分子材料，由普通硅胶经过侧基反应得到。胺基改性硅胶的化学分子式为mSiO2·nH2O，其优点是:吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度，很适合本发明所处的环境条件。胺基改性硅胶其部分侧基为具备碱性的胺基所替换，由于胺基具备碱性，可以对二氧化碳进行化学吸附，效率较高、所需求的环境浓度较低。而胺基改性硅胶由于较高的自稳定性，其与二氧化碳分子的结合会在高温下松解，这有利于二氧化碳的分离和富集，也便于吸附剂的洗脱和复性，提高了经济效益。
胺基改性硅胶做成小型球状体。
胺基改性硅胶吸附二氧化碳通过以下三种途径：一、孔径效应：小球表面有小细孔道，不同小球之间相互形成小孔，二氧化碳穿过小孔时会被小球表面捕集。二、界面效应：除两小球相互接触形成孔道外，每个小球孔道表面自身会有深沟，深沟表面遍布小颗粒，其自身受力均衡，但在二氧化碳掠过孔道表面时，气固界面瞬间受力不平衡，在气固界面两边势场产生不同，二氧化碳掠过表面被第二次吸收。三、化学吸附：在原有表面添加带有极性的化学物质，对二氧化碳进行第三次吸收，捕获大量二氧化碳。
本实施例中的可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统还包括总站19和中转站25；总站19周围设置有多个中转站25；总站19和中转站25内均设置于停机坪22和能源供应装置21；总站19内还设置有再生装置23和存储装置24；中转站25内还设置有观察型飞行装置17和多个吸附装置2，多个吸附装置即补给吸附装置20；观察型飞行装置17上设置有二氧化碳光学检测仪；停机坪22用于承载观察型飞行装置17和捕集型飞行装置1；能源供应装置21用于为观察型飞行装置17和捕集型飞行装置1提供电力和/或燃料；再生装置23用于吸附剂的再生，存储装置24用于存储吸附剂再生后释放的二氧化碳；中转站25内的补给吸附装置20用于替换吸附有二氧化碳的吸附装置2。
于更具体的实施例中，再生装置23包括加热机构，存储装置24包括压缩机和存储罐，将吸附有二氧化碳的吸附装置2放入再生装置23中，通过加热机构对吸附剂进行加热，吸附剂中的二氧化碳释放出来，经压缩机压缩后送至存储罐进行存储。
能源供应装置21包括电池5组或油箱，观察型飞行装置17和捕集型飞行装置1可以采用燃油发动机驱动，也可以采用电力驱动。
实施例二：
如图6所示，本实施例提供一种基于实施例一中的可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统的方法，根据二氧化碳排放卫星数据或预设地理信息设置飞行轨迹，确定计算飞行途径中的中转站25设置，确保在中转站25供能辅助下最远飞行范围可以覆盖碳源目标地点；观察型飞行装置17在侦查范围内飞行并侦查，根据所载二氧化碳光学检测仪即时监测数据实现碳源快速定位；捕集型飞行装置1在中转站25装配吸附装置2并加注能源，根据碳源的三维位置信息在停机坪22飞出至各个标记点，并进行二氧化碳的捕集；待能量低于设定值，捕集型飞行装置1则飞至中转站25，进行吸附腔的更换、调整、维修，吸附有二氧化碳的吸附装置2被运送至总站19，通过再生装置23使吸附剂中的二氧化碳释放，并由存储装置24收集以便于下一步的回收利用，能源供应达到设置条件时，准备进行下一次捕集，以此往复进行。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，包括捕集型飞行装置和吸附装置；所述吸附装置包括吸附箱和连接机构；所述吸附箱用于盛放吸附剂；所述连接机构用于与所述捕集型飞行装置连接，所述吸附箱设置于所述连接机构上；
所述连接机构包括连接件、铰链杆、爪夹、支撑架和驱动元件；所述连接件顶部与所述捕集型飞行装置相连接，所述连接件底部两端分别与一所述铰链杆的中部相连接，所述驱动元件的固定部分与所述铰链杆的端部相连接，所述驱动元件的转动部分与所述爪夹的顶部相连接，所述支撑架设置于所述铰链杆同一侧的所述爪夹的底部之间；所述支撑架用于承托所述吸附箱；
包括总站和中转站；所述总站周围设置有多个所述中转站；
所述总站和所述中转站内均设置于停机坪和能源供应装置；
所述总站内还设置有再生装置和存储装置；
所述中转站内还设置有观察型飞行装置和多个所述吸附装置；所述观察型飞行装置上设置有二氧化碳光学检测仪；
所述停机坪用于承载所述观察型飞行装置和所述捕集型飞行装置；
所述能源供应装置用于为所述所述观察型飞行装置和所述捕集型飞行装置提供电力和/或燃料；
所述再生装置用于所述吸附剂的再生，所述存储装置用于存储所述吸附剂再生后释放的二氧化碳；
所述中转站内的多个所述吸附装置用于替换吸附有二氧化碳的吸附装置。
2.根据权利要求1所述的可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述驱动元件包括电机，所述电机的壳体与所述铰链杆的端部连接，所述电机的输出轴与所述爪夹的顶部相连接。
3.根据权利要求1所述的可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述连接机构还包括旋转杆；所述旋转杆的两端分别与所述铰链杆同一侧的所述爪夹的顶部固定连接。
4.根据权利要求1所述的可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述吸附箱包括框架、风扇和纱网；所述框架的外表面上均设置有所述纱网，所述风扇设置于所述框架内底部。
5.根据权利要求1所述的可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述吸附剂为胺基改性硅胶。
6.一种基于权利要求1所述的可移动飞行的直接空气二氧化碳捕集系统的方法，其特征在于，根据二氧化碳排放卫星数据或预设地理信息设置飞行轨迹，确定计算飞行途径中的中转站设置，确保在中转站供能辅助下最远飞行范围可以覆盖碳源目标地点；
观察型飞行装置在侦查范围内飞行并侦查，根据所载二氧化碳光学检测仪即时监测数据实现碳源快速定位；
捕集型飞行装置在中转站装配吸附装置并加注能源，根据碳源的三维位置信息在停机坪飞出至各个标记点，并进行二氧化碳的捕集；待能量低于设定值，捕集型飞行装置则飞至中转站，进行吸附腔的更换、调整、维修，吸附有二氧化碳的吸附装置被运送至总站，通过再生装置使吸附剂中的二氧化碳释放，并由存储装置收集以便于下一步的回收利用，能源供应达到设置条件时，准备进行下一次捕集，以此往复进行。
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