CN114991885B - 一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统及方法 - Google Patents
一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统及方法，系统分为碳捕集系统、蒸汽轮机系统及太阳能系统。碳捕集系统中，填料塔与颗粒反应器、溶液泵连接，颗粒反应器的一端依次连接洗涤器、常温储罐、换热器、汽固分离器；另一端依次连接搅拌器、换热器、熟化器及两个换热器；蒸汽轮机系统中，蒸汽轮机依次连接换热器、溶液泵、石灰熟化器及两个换热器；太阳能系统中，塔式太阳能集热塔入口接汽固分离器，出口与换热器相接。本发明采用强碱溶液吸收法实现空气中CO2捕集，利用系统余热驱动背压式蒸汽轮机，并将碳捕集系统、蒸汽轮机系统及太阳能系统高效耦合，实现系统的节能减排与灵活调控。
Description
技术领域
本发明涉及碳捕集技术领域，尤其涉及一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统及方法。
背景技术
大气中直接捕集二氧化碳是应对全球气候变化的重要技术之一.该技术可以针对数以千计的小型化石燃料燃烧装置以及交通工具等分布源排放的CO2进行捕集处理。直接空气CO2捕集技术还可以灵活地提供多种形式的碳源，不受地理位置和时间、空间等的影响，因此可以作为一种有商业前景并能有效地控制大气中 CO2浓度的方法。
基于强碱溶液的化学吸收法的空气碳捕集技术较成熟，其工艺设备都能以工业规模实现，且其化学物质廉价易获得，但能耗较大仍是制约该技术发展的瓶颈。并且大多研究中煅烧能耗都来源于煤或天然气等含碳燃料，技术的负碳效果受到限制。因此如何将强化捕集效果、降低能耗，降低碳排放耦合，已经成为空气碳捕集技术研究的关键。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统和方法，利用NaOH溶液吸收空气中的CO2，并采用Ca(OH)2回收NaOH溶液，再通过煅烧，水合回收Ca(OH)2，同时利用余热驱动蒸汽轮机使系统达到电平衡，并通过采用太阳能供能，通过辐照强度对系统进行动态调控，真正实现了CO2负排放。该方法捕集效率高、可有效降低CO2捕集能耗，降低成本，能解决CO2排放引起的环境污染问题，该方案可显著降低大规模空气碳捕集的能耗，提高技术可行性，为低能耗CO2捕集提供新途径。
本发明提供的技术方案如下：
一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统，包括：
填料塔、颗粒反应器、洗涤器、常温储罐、六套换热器、汽固分离器、搅拌器、高温储罐、石灰熟化器、冷却器、压缩机、蒸汽轮机、塔式太阳能塔以及定日镜场。
填料塔输入端送入空气，输出端连接颗粒反应器；
颗粒反应器的输出端连接过滤器和洗涤器；
过滤器输出端连接溶液泵；
溶液泵输出端连接填料塔；
洗涤器的输出端接常温储罐和搅拌器；
搅拌器的输入端连接洗涤器与高温储罐，输出端连接颗粒反应器；
换热器均为逆流式换热器，其中，
第一换热器输入端连接常温储罐及蒸汽轮机，输出端连接汽固分离器及溶液泵；第二换热器输入端连接溶液泵及石灰熟化器，输出端连接石灰熟化器内第六换热器及高温储罐；第三换热器输入端连接塔式太阳能塔及第六换热器，输出端连接石灰熟化器及第四换热器；第四换热器输入端连接塔式太阳能塔及第三换热器，输出端连接蒸汽轮机及第五换热器；第五换热器输入端连接第四换热器及汽固分离器，输出端连接石灰熟化器及冷却器；
冷却器输出端连接压缩机。
优选的，所述洗涤器输出端连接常温储罐，洗涤后的碳酸钙存入储罐，第二换热器输出端连接140°高温储罐，换热后的Ca(OH)2存入高温储罐；搅拌器、洗涤器、颗粒反应器、过滤器、溶液泵及填料塔24小时运行；常温储罐输出端及高温储罐输入端在部分时间段运行。
优选的，所述系统所需电能由背压式蒸汽轮机提供；所述系统热能由塔式太阳能塔提供。
一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集方法，包括以下步骤：
步骤1)空气与NaOH溶液进入填料塔，反应后生成的NaCO3溶液进入颗粒反应器与搅拌器输出端Ca(OH)2反应，生成CaCO3与NaOH溶液，NaOH溶液由颗粒反应器上端进入过滤器并通过溶液泵一回流至填料塔中循环利用；
步骤2)向洗涤器中补充填料塔中空气所带走的水量，碳酸钙经洗涤器洗涤后进入常温储罐，太阳能塔工作时，储罐输出端输出CaCO3，进入第一换热器预热、汽固分离器分离水蒸气后，进入塔式太阳能集热器煅烧；分离出的水蒸气经第五换热器预热后进入石灰熟化器；
步骤3)煅烧产生的氧化钙进入第三换热器冷却后，与第五换热器输出端的水蒸气一同进入石灰熟化器，反应生成的Ca(OH)2经第二换热器冷却后，进入高温储罐储存，高温储罐输出端Ca(OH)2与洗涤器中的溶液一同进入搅拌器；煅烧产生的CO2经第四换热器、第五换热器及冷却器冷却后进入压缩机压缩；
步骤4)第四换热器冷出口端水蒸气进入蒸汽轮机做功发电，汽轮机出口端乏汽经第一换热器冷凝后输送至溶液泵二加压，加压后的水蒸气依次进入第二换热器、第六换热器、第三换热器、第四换热器加热。
优选的，步骤1)所述的填料塔及颗粒反应器中的反应温度为25℃；步骤 2)所述碳酸钙的预热温度为130℃；石灰熟化器内温度为250℃；塔式太阳能集热器中碳酸钙煅烧温度为900℃。
优选的，步骤4)所述背压式蒸汽轮机做功发电后的乏汽冷凝热由第一换热器提供；汽化热由第二换热器、第三换热器、第四换热器第五换热器及第六换热器提供。
本发明的有益效果如下：
1、本发明方法中利用空气中的CO2作为原材料，采用NaOH/Ca(OH)2双循环捕集CO2，引入太阳能集热装置对系统再生环节进行供热，并对系统中余热进行回收利用，是开发能耗低、碳效率高的新型空气碳捕集技术的一次有益尝试。
2、本发明中蒸汽轮机可供应系统全部电量，因此系统无需接电网，可建立在地价便宜的偏远地区，提高了系统的经济性。
3、本发明中设置了一个常温储罐和一个高温储罐，将两个储罐前的设备24 小时运行，储罐后的设备仅在有太阳光时运行成为可能，提高了系统的捕集量及系统的灵活性。
3、本发明通过太阳日平均辐照强度控制当日空气流量及蒸汽轮机中的蒸汽流量，实现碳捕集系统、蒸汽轮机系统及太阳能系统高效集成。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
主要附图标记的说明：
装置设备包括：A、填料塔；B、颗粒反应器、C、过滤器；D、溶液泵一；E、洗涤器；F、搅拌器；G、常温储罐；H、高温储罐；I、第一换热器；J、溶液泵二；K、第二换热器；L、冷却器；M、压缩机；N、汽固分离器；O、第五换热器； P、石灰熟化器；Q、第六换热器；R、蒸汽轮机；S、第三换热器；T、第四换热器；U、塔式太阳能塔；V、定日镜场。
物料循环包括：1、CO2脱除后的空气；2、空气；3、NaOH溶液；4、Na2CO3溶液；5、含Na+离子的CaCO3；6、含CA2+离子的NaOH溶液；7、过滤后的碳酸钙； 8、加压前的NaOH溶液；9、搅拌后的Ca(OH)2溶液；10、含Na+离子的水溶液； 11、洗涤后的含水CaCO3；12、常温储罐中存储的含水CaCO3；13、换热后的CaCO3与水蒸气；14、无水CaCO3；15、高温储罐中存储的Ca(OH)2；16、经换热器冷却后的Ca(OH)2；17、经第一换热器冷凝的水；18、经溶液泵加压后的水；19、石灰熟化器出口的Ca(OH)2；20、经第二换热器预热的水；21、经第五换热器冷却后的CO2；22、经冷却器冷却后的CO2；23、高压液态CO2；24、汽固分离后的水蒸气；25、经第五换热器加热的水蒸气；26、经第四换热器冷却后的CO2；27、经第三换热器冷却后的CaO；28、经第六换热器加热后的水汽混合物；29、经第三换热器加热后的水蒸气；30、煅烧产生的CaO；31、经第四换热器加热后的水蒸气；32、做功后的乏汽；33、煅烧产生的CO2；34、水。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
如图1所示，本发明提供阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统，包括：
填料塔A、颗粒反应器B、洗涤器E、常温储罐G、六套换热器、汽固分离器 N、搅拌器F、高温储罐H、石灰熟化器P、冷却器L、压缩机M、蒸汽轮机R、塔式太阳能塔U以及定日镜场V；其中，
填料塔A输入端送入空气，输出端连接颗粒反应器B；
颗粒反应器B的输出端连接过滤器C和洗涤器E；
过滤器C输出端连接溶液泵一D；
溶液泵一D输出端连接填料塔A；
洗涤器E的输出端接常温储罐G及搅拌器F；
搅拌器F的输入端连接洗涤器E与高温储罐H，输出端连接颗粒反应器B；
换热器均为逆流式换热器，其中，石灰熟化器P内置的第六换热器Q，
第一换热器I输入端连接常温储罐G及蒸汽轮机R，输出端连接汽固分离器 N及溶液泵二J；第二换热器K输入端连接溶液泵二J及石灰熟化器P，输出端连接石灰熟化器内第六换热器Q及高温储罐H；第三换热器S输入端连接塔式太阳能塔U及第六换热器Q，输出端连接石灰熟化器P及第四换热器T；第四换热器T输入端连接塔式太阳能塔U及第三换热器S，输出端连接蒸汽轮机R及第五换热器O；第五换热器O输入端连接第四换热器T及汽固分离器N，输出端连接石灰熟化器P及冷却器L；
冷却器L输出端连接压缩机M。
洗涤器E输出端连接常温储罐G，洗涤后的碳酸钙存入储罐G，第二换热器 K输出端连接140°高温储罐H，换热后的Ca(OH)2存入高温储罐H；搅拌器F、洗涤器E、颗粒反应器B、过滤器C、溶液泵一D及填料塔A 24小时运行；常温储罐G输出端及高温储罐H输入端在部分时间段运行。系统所需电能由背压式蒸汽轮机N提供，所述系统热能由塔式太阳能塔U提供。
所述填料塔A中吸收剂NaOH溶液3由填料塔顶端进入与填料塔下端空气2 接触，与空气中的CO2反应生成Na2CO3溶液4(式1)：
CO2+2NaOH→Na2CO3+H2O (式1)
生成的Na2CO3溶液4由填料塔底端输出与搅拌器F输出端的Ca(OH)2溶液9 一同进入颗粒反应器B进行苛化反应生成NaOH溶液与CaCO3沉淀(式2)：
Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3 (式2)
颗粒反应器B上端分理出含少部分Ca2+的NaOH溶液6进入过滤器C，过滤后的溶液进入溶液泵一D加压，再从填料塔A顶部输入进行循环。颗粒反应器底端沉淀出含少量Na+的CaCO3颗粒5进入洗涤器E回收Na+。
洗涤器E中加入水34将Na+的CaCO3颗粒5洗涤，水量为填料塔中的水损失量，洗涤后的含Na+的水溶液10进入搅拌器F中与高温储罐H中储存的Ca(OH)215 搅拌形成Ca(OH)2溶液9。
常温储罐G中的含水CaCO3颗粒12在白天进入第一换热器I的冷进口，吸收热进口中蒸汽轮机R出口端134℃乏汽32的热量，第一换热器冷出口的CaCO3与水蒸气混合物13进入汽固分离器N，其温度为129℃，热出口的冷凝水17 的温度为133℃。
汽固分离器N将CaCO3与水蒸气进行汽固分离，分离后的水蒸气24进入第五换热器O的冷进口端；无水CaCO3颗粒14进入塔式太阳能塔U的塔顶集热器中煅烧。
第一换热器热出口的冷凝水17进入溶液泵二J加压至0.294MPa，经溶液泵二加压后的水18进入第二换热器K的冷进口端。
第二换热器K中，冷进口的水18吸收热进口中石灰熟化器输出端250℃的Ca(OH)219的热量，经第二换热器预热后的冷出口的水20进入第六换热器Q，其温度为193℃，热出口中冷却的Ca(OH)216进入高温储罐H，其温度为140℃。
石灰熟化器P内设第六换热器Q，400℃的CaO27与第五换热器O冷出口的水蒸气25一同进入石灰熟化器在250℃下进行熟化反应，式(3)：
CaO+H2O→Ca(OH)2 (式2)
生成的Ca(OH)219进入第二换热器K冷却；预热后的水20从第六换热器入口端进入，吸收石灰熟化器P中CaO与水蒸气的反应热，将大部分液态水汽化后进入第三换热器S冷进口，其温度为241℃。
在第三换热器S中，经第六换热器加热后的汽水混合物28从换热器冷进口进入，吸收热进口中900℃的CaO30的热量，将剩余的液态水全部汽化；换热器热出口CaO27的温度为400℃。
在第四换热器T中，241℃的水蒸气29从换热器冷进口进入，吸收换热器热进口端900℃的CO233的热量；过热后的水蒸气31从换热器冷出口端输出，其温度为435℃；换热器热出口端336℃的CO226进入第五换热器O的热进口端。
高温高压的水蒸气31进入蒸汽轮机R做功发电，其发电量用在系统中各设备的电耗；做功后的乏汽32进入第一换热器I的热进口端。
第五换热器O中，汽固分离后的水蒸气24从换热器冷进口端进入，吸收 336℃的CO226的热量，加热后的水蒸气25从换热器冷出口端输出，其温度为 212℃；换热器热出口端149℃的CO221进入冷却器L。
冷却器L入口端149℃的CO221在冷却器中冷却至30℃后，由冷却器出口端进入四级压缩机，将CO2加压至7.3MPa，30℃的液态CO223。
在塔式太阳能塔U中，太阳能集热器吸收由定日镜V反射的太阳光，集热器内煅烧温度为900℃；无水CaCO3进入塔顶集热器煅烧，式(4)：
CaCO3→CaO+CO2 式(4)
其中，生成的高温Ca0进入第三换热器S的热进口端，高温CO2进入第四换热器T的热进口端。
如上所述，本发明的实施方式提供的系统方法，以太阳能作为能量的唯一来源，利用系统余热驱动背压式蒸汽轮机，实现能量的梯级利用；采用强碱溶液化学吸收法实现空气中CO2捕集，原料经济，提高分离效率；采用背压式蒸汽轮机，提高热效率；采用塔式太阳能，实现工质的高温煅烧。本发明将碳捕集系统、蒸汽轮机系统及太阳能系统高效耦合，实现系统的节能减排与灵活调控。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统，其特征在于：包括填料塔、颗粒反应器、过滤器、溶液泵一、洗涤器、搅拌器、常温储罐、高温储罐、第一换热器、溶液泵二、第二换热器、冷却器、压缩机、汽固分离器、第五换热器、石灰熟化器、第六换热器、蒸汽轮机、第三换热器、第四换热器、塔式太阳能塔、定日镜场；
所述填料塔具有空气输入端，填料塔连接颗粒反应器；
所述颗粒反应器分别连接过滤器和洗涤器；
所述过滤器连接溶液泵一；
所述溶液泵一连接填料塔；
所述洗涤器分别连接常温储罐及搅拌器；
所述搅拌器分别连接高温储罐和颗粒反应器；
所述第一换热器连接常温储罐、蒸汽轮机以及汽固分离器、溶液泵二；
所述第二换热器的输入端连接溶液泵二、石灰熟化器，输出端连接高温储罐、第六换热器；
所述第三换热器连接塔式太阳能塔、第六换热器以及石灰熟化器、第四换热器；
所述第四换热器连接塔式太阳能塔、蒸汽轮机、第五换热器；
所述第五换热器连接汽固分离器、石灰熟化器及冷却器；
所述冷却器连接压缩机。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统，其特征在于：所述系统所需电能由蒸汽轮机提供。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统，其特征在于：所述系统热能由塔式太阳能塔提供。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统的碳捕集方法，包括以下步骤：
步骤1)空气与NaOH溶液进入填料塔，反应后生成的NaCO3溶液进入颗粒反应器与搅拌器输出端供给的Ca(OH)2反应，生成CaCO3与NaOH溶液，NaOH溶液由颗粒反应器上端进入过滤器并通过溶液泵一回流至填料塔中循环利用；
步骤2)向洗涤器中补充填料塔中空气所带走的水量，碳酸钙经洗涤器洗涤后进入常温储罐，塔式太阳能塔工作时，常温储罐输出端输出CaCO3，进入第一换热器预热、汽固分离器分离水蒸气后，进入塔式太阳能塔煅烧；分离出的水蒸气经第五换热器预热后进入石灰熟化器；
步骤3)煅烧产生的氧化钙进入第三换热器冷却后，与第五换热器输出端的水蒸气一同进入石灰熟化器，反应生成的Ca(OH)2经第二换热器冷却后，进入高温储罐储存，高温储罐输出端Ca(OH)2与洗涤器中的溶液一同进入搅拌器；煅烧产生的CO2经第四换热器、第五换热器及冷却器冷却后进入压缩机压缩；
步骤4)第四换热器冷出口端水蒸气进入蒸汽轮机做功，蒸汽轮机出口端乏汽经第一换热器冷凝后输送至溶液泵二加压，加压后的水蒸气依次进入第二换热器、第六换热器、第三换热器、第四换热器加热。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统的碳捕集方法，其特征在于：步骤1)所述填料塔及颗粒反应器中的反应温度为25℃；步骤2)所述碳酸钙的预热温度为130℃；石灰熟化器内温度为250℃；塔式太阳能塔中碳酸钙煅烧温度为900℃。
6.根据权利要求4所述的一种太阳能耦合NaOH/Ca(OH)2双循环空气碳捕集系统的碳捕集方法，其特征在于：步骤4)所述蒸汽轮机做功发电后的乏汽冷凝热提供给第一换热器；汽化热由第二换热器、第三换热器、第四换热器及第六换热器提供。
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