CN205760478U - 一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统，包括太阳能光伏发电单元和水合物法碳捕集单元，所述水合物法碳捕集单元包括气体增压泵、电控阀、恒温槽、温度控制箱、四通换向阀、压力调节器、真空泵和至少一组双反应塔结构等。太阳能光伏发电单元能够为水合物法碳捕集单元的耗电设备提供全部电力；太阳能发电单元中蓄能装置的添加可以保证为水合物法碳捕集单元耗电设备供电的连续性；水合物法碳捕集单元采用双反应塔的循环模式能够确保水合物法碳捕集过程的连续性，提高二氧化碳捕集速率，提高产气速率。本实用新型在满足二氧化碳捕集需要的同时，实现了有效利用可再生能源并降低电厂碳捕集系统能耗的目标。

Description

一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能辅助碳捕集技术领域，具体涉及到一种太阳能光伏驱动的连续型水合物法碳捕集系统。以太阳能光伏发电技术和水合物法碳捕集技术为核心，满足捕集二氧化碳的需求。

背景技术

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第5次评估报告显示二氧化碳在大气中的浓度已经比工业化之前高出了40％，燃煤电厂作为最大的二氧化碳排放源，控制其二氧化碳的排放倍受关注。目前的主要措施是对烟气进行碳捕集与封存(CCS)，现有的碳捕集技术可分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集，其中应用较为广泛的是燃烧后捕集，即利用物理吸附或化学吸收等方法对燃烧生成的烟气进行CO₂捕集、运输与封存。但是，传统的燃烧后捕集技术如MEA法、冷氨法等会消耗大量的汽轮机抽气热能从而造成电厂净输出功率和发电效率的降低。

一方面，气体水合物指的是某些气体分子在一定温度和压力下(通常为高压低温)与水形成的一类内含笼形空隙的冰状晶体。二氧化碳可以在一定温度和压力条件下与水反应生成二氧化碳水合物，然后改变温度和压力条件，使其脱离相平衡区域，释放笼内的二氧化碳，从而实现二氧化碳的捕集。水合物法碳捕集技术作为一种新兴的捕集方法可以被应用到电厂烟气中二氧化碳的捕集，主要优点有工艺流程简单、能耗相对较低、操作条件温和、气体回收率高等，此外，水合物法碳捕集技术的70％左右的能耗为压缩机和水泵等的电力消耗。

另一方面，太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源，一直受到世界各国的广泛关注。作为主要的清洁能源，太阳能光伏发电的能量转换过程简单、运行稳定可靠，且组件简单、体积小、重量轻，便于运输和安装，从而得到了大量应用。但是，由于时间和地域条件的约束，难以做到全天候利用太阳能资源，可以利用大容量和长寿命的储能装置如锂电池来实现电力的充分储存和稳定输出，其中锂电池具有环保、安全、比能量高、寿命长和免维护等特点，适合作为光伏发电模块的储能装置。

如果利用太阳能光伏发电对碳捕集系统进行能耗供应，既能最大程度地利用自然能源，又能满足电厂二氧化碳减排的要求，降低电厂能耗损失。

因此，从全新的降低能耗的出发点，开发一种有效利用太阳能并降低电厂碳捕集能耗的系统，是有效缓解温室气体排放的一个理想技术方案。

太阳能辅助水合物法碳捕集技术的相关实用新型主要有以下特征：

一方面，一些实用新型者从水合物法碳捕集技术与其他技术进行集成的角度出发进行研究。例如：公开号为CN104028079A的专利对水合物法碳捕集技术和其他捕集技术进行集成，提出一种新的二氧化碳捕集方法，该技术综合了离子液体法和水合物法两种二氧化碳捕集方式，实现离子液体水溶液和气体水合物对二氧化碳的双重捕集，大为提升了对二氧化碳的捕集效率，具有更好的工业应用价值。公开号为CN103861444A的专利对水合物法碳捕集系统和其他系统进行集成，提出一种基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置，在满足电站烟气中二氧化碳捕集需要的同时，还可以生产淡水，适用于沿海地区的化石燃料电站实现二氧化碳捕集与海水淡化联产。但是，以上专利只是针对二氧化碳水合物循环和系统的角度进行创新，仍然会面临能耗的问题，很难在捕集能耗降低的方向有所突破。

另一方面，一些实用新型者从水合物法碳捕集系统优化的角度出发进行研究。例如：公开号为CN102432008A的专利对水合物法碳捕集装置进行优化，提出一种环形水合物法二氧化碳捕集装置。该实用新型中设计的环形分离塔可以有效解决水合物形成速度慢、温度响应慢等问题，并且避免因水合物形成而引起的多孔介质孔隙堵塞，能够快速经济地实现水合物法二氧化碳捕集。公开号为CN105080323A的专利对水合物法碳捕集系统进行改造，提出一种新的基于水合物法的二氧化碳捕集系统，该系统充分利用工厂废液实现对工厂二氧化碳废气的捕集。二氧化碳水合物晶体在常温常压下进行分离，不仅可以捕集废气中的二氧化碳，还可以从废液中提取纯净的水。但是，以上专利只是针对水合物法碳捕集系统的结构进行优化创新，对水合物系统的改造在实际市场中很难做到理想的优化加工要求；此外，以上专利并不能保证二氧化碳捕集的连续性，出气速度较慢。

此外，还有一些实用新型者从太阳能辅助碳捕集技术的角度出发进行研究。例如：申请号为US2010/0005966A1的专利提出利用太阳能集热器收集的热量直接供给燃煤电厂吸收法(乙醇胺)碳捕集系统的再沸器，代替汽轮机低温低压抽汽。公开号为CN103372371A的专利提出一种太阳能辅助燃煤电厂碳捕集的系统，利用太阳能集热器收集的热能，先驱动有机朗肯循环发电，发电量供给碳捕集系统的泵、压缩机等，再利用冷凝器的凝结热为碳捕集系统的再沸器供能。公开号为CN103752142A的专利提出了一种太阳能辅助二氧化碳捕集的集成系统，将太阳能集热子系统与发电子系统及二氧化碳捕集子系统之间相关部件的能量需求品位的高低进行了合理的分配及集成，实现了能量的梯级利用。公开号为CN104307308A的专利提出一种利用光伏辅助燃煤机组脱碳的工艺系统，由光伏系统加热吸收碳捕集系统减少汽轮机抽汽。但是，以上专利只是针对太阳能利用和吸收法碳捕集的结合，并没有涉及到其他的捕集方法，然而吸收法碳捕集本身的再生能耗较高，若碳捕集系统的能耗100％由太阳能供给的话，电厂经济效益将大幅下降，这就限制了太阳能辅助吸收法碳捕集技术的发展。

综合以上可以看出，现有相关专利并不能很好的达到上文所述的降低碳捕集能耗并有效缓解温室气体排放的理想目标，目前亟需开发一种通过利用太阳能辅助低能耗的水合物法碳捕集的系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，由太阳能光伏发电辅助水合物法碳捕集所需的电耗，同时双塔(或多塔)循环模式能够确保水合物捕集过程的连续性和有效性。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统包括太阳能光伏发电单元和水合物法碳捕集单元，所述太阳能光伏发电单元包括与太阳能光伏电池板相连的蓄能装置，所述蓄能装置通过电线与一逆变器相连；所述水合物法碳捕集单元包括气体增压泵、恒温槽、温度控制箱、四通换向阀和多组双反应塔结构，所述气体增压泵的进气口与电厂烟气的管道入口相连，所述气体增压泵的排气口连接有输气总管路；所述输气总管路上通过管件并联有多条支管路；多组双反应塔结构相同，每组双反应塔结构设置在每条支管路的末端与所述四通换向阀之间；所述双反应塔结构包括与每条支管路末端并联的两条输气管道，两条输气管道分别连接有水合物反应塔A和水合物反应塔B，每条输气管道上分别设有一个电控阀；多组双反应塔结构中的水合物反应塔A和水合物反应塔B均设置在所述恒温槽中，所述恒温槽与所述温度控制箱相连；每组双反应塔结构中，所述水合物反应塔A和水合物反应塔B的上部出口分别连接至所述四通换向阀的两个进口；所述四通换向阀的一个出口通向大气出口，所述四通换向阀的另一个出口依次连接有压力调节器和真空泵，最后通向高浓度二氧化碳管道出口；所述逆变器与所述气体增压泵、两个电控阀、温度控制箱、四通换向阀、压力调节器和真空泵电连。

进一步讲，所述水合物反应塔A和水合物反应塔B中添加有浓度为0.6mol％的四丁基氟化铵溶液。所述水合物反应塔A和水合物反应塔B中填充有多孔硅胶微球，所述多孔硅胶微球的粒度为75-200um，孔隙直径为100nm，孔隙容积为0.8ml/g。所述温度控制箱的控温范围为-5℃～20℃，所述水合物反应塔A和水合物反应塔B中的压力范围为1MPa-8MPa。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)太阳能光伏发电单元能够为水合物法碳捕集单元的耗电设备提供全部电力，减少了化石燃料的消耗和碳捕集过程的二次碳排放；

(2)太阳能光伏发电单元添加蓄能装置可以保证为水合物法碳捕集单元供电的连续性；

(3)采用两个(或多个)反应塔的循环模式能够确保水合物法碳捕集过程的连续性，提高二氧化碳捕集速率。

附图说明

图1为本实用新型一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统示意图。

图中：

1-电厂烟气的管道入口 2-气体增压泵 3、4-电控阀

5-水合物反应塔A 6-水合物反应塔B 7-恒温槽

8-温度控制箱 9-四通换向阀 10-大气出口

11-压力调节器 12-真空泵 13-高浓度二氧化碳管道出口

14-太阳辐射 15-太阳能光伏电池板 16-蓄能装置

17-逆变器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。

本实用新型一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统是以太阳能光伏发电技术和水合物法碳捕集技术为核心，并满足捕集二氧化碳的需求。该太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统包括太阳能光伏发电单元和水合物法碳捕集单元。

如图1所示，所述太阳能光伏发电单元包括与太阳能光伏电池板15相连的蓄能装置16，所述蓄能装置16通过电线与逆变器17相连，蓄能装置16可以为锂电池等。

所述水合物法碳捕集单元包括气体增压泵2、恒温槽7、温度控制箱8、四通换向阀9和多组双反应塔结构，所述气体增压泵2的进气口与经过脱硫脱硝处理的电厂烟气的管道入口1相连，所述气体增压泵2的排气口连接有输气总管路；所述输气总管路上通过管件并联有多条支管路；多组双反应塔结构相同，每组双反应塔结构设置在每条支管路的末端与所述四通换向阀9之间；所述双反应塔结构包括与每条支管路末端并联的两条输气管道，两条输气管道分别连接有水合物反应塔A5和水合物反应塔B6，每条输气管道上分别设有一个电控阀3和4；多组双反应塔结构中的水合物反应塔A5和水合物反应塔B6均设置在所述恒温槽7中，所述恒温槽7与所述温度控制箱8相连，所述水合物反应塔A5和水合物反应塔B6塔内的温度由温度控制箱8调控，所述温度控制箱8的控温范围为-5℃～20℃，所述水合物反应塔A5和水合物反应塔B6中均自带有压力表，所述水合物反应塔A5和水合物反应塔B6的压力为1MPa-8MPa。每组双反应塔结构中，所述水合物反应塔A5和水合物反应塔B6中的溶液中添加浓度为0.6mol％的四丁基氟化铵(TBAF)溶液作为促进剂。所述水合物反应塔A5和水合物反应塔B6中填充有多孔介质材料，诸如多孔硅胶微球，其孔隙直径为100nm，粒度分布为75-200um，孔隙容积为0.8ml/g。所述水合物反应塔A5和水合物反应塔B6的上部出口分别连接至所述四通换向阀9的两个进口；即每组双反应塔结构中的每个反应塔的进气口都由电控阀控制，各组双反应塔结构并联的两个反应塔中，其中一个反应塔的出口并联集中成一路，另外一个反应塔的出口并联集中成另一路后在分别进入四通换向阀9的两个进口。所述四通换向阀9的一个出口通向大气出口10，所述四通换向阀9的另一个出口依次连接有压力调节器11、真空泵12，最后通向高浓度二氧化碳管道出口13。

所述逆变器17与所述气体增压泵2、两个电控阀3、温度控制箱8、四通换向阀9、压力调节器11和真空泵12等耗电设备电连。

本实用新型中太阳能光伏发电单元的工作流程是：在天气晴朗的时候，太阳能光伏电池板15利用太阳能实现光能向电能的转换，产生的直流电通向蓄能装置16(例如锂电池等)中进行电能储存。蓄能装置16可以全天候供应电能。蓄能装置16产生的直流电经过电线连接通向逆变器17，实现了直流电向交流电的变换。经逆变器17变换后的交流电可以向水合物法碳捕集单元中的耗能部件(例如气体增压泵2、电控阀3和4、温度控制箱8、四通换向阀9、压力调节器11、真空泵12等)供电。

本实用新型中水合物法碳捕集单元的工作流程是：经过处理的电厂烟气从电厂烟气的管道入口1后经过气体增压泵2输送到系统内。通过气体增压泵2的电厂烟气被输气总管路上的多条支管路分散输送，此时，通过与每条支管路末端相连的输气管道上的电控阀3和4设定，两个电磁阀3和4交替打开，如：当电控阀3处于打开状态时，电控阀4处于关闭状态，经过增压的烟气进入水合物反应塔A5进行二氧化碳捕集，余下的烟气经过四通换向阀9从管道的大气出口10排放到大气中，此时四通换向阀9的状态如图1中的状态1所示。假设水合物反应塔B6在上一个循环，完成了二氧化碳的捕集过程，则在此次循环中，水合物反应塔A5进行二氧化碳的捕集，水合物反应塔B6在压力调节器11和真空泵12的作用下调节压力，使水合物反应塔B6中的二氧化碳水合物分解，并释放出高浓度的二氧化碳，高浓度的二氧化碳经过四通换向阀9、压力调节器11和真空泵12，从高浓度二氧化碳管道出口13排出，实现二氧化碳的捕集。经过一段时间的运行，通过外界控制电控阀3、电控阀4和四通换向阀9完成切换，此时，电控阀3变为关闭状态，电控阀4为打开状态，四通换向阀9顺时针转90度，如图1中虚线所述的状态2，水合物反应塔A5开始进行水合物分解过程，释放二氧化碳，水合物反应塔B6则进行水合物合成，即二氧化碳捕集过程，实现双塔吸收解吸的运行切换。水合物反应塔A5和B6的周期性吸收解吸实现了从电厂烟气中持续性的分离二氧化碳。

水合物反应塔A5和B6中的溶液中添加有浓度为0.6mol％的四丁基氟化铵(TBAF)溶液作为促进剂；内部填充有多孔硅胶微球，其粒度分布为75-200um，孔隙直径为100nm，孔隙容积为0.8ml/g；且在水合物生成过程中会有搅拌，以提高水合物生成速率。

若水合物法碳捕集单元包括多组并联的双反应塔结构，则在每个反应塔的进气口处均安装一个电控阀，多反应塔并联结构对二氧化碳同时吸收和解吸，下游管路分两条管路集中后再通向四通换向阀9。

本实用新型中，太阳能光伏电池板的占地面积和蓄能装置的容量取决于水合物法碳捕集单元中所有耗电部件的总功率、当地太阳能辐射资源和相应的运行策略要求等。

采用双反应塔(或多组双反应塔)水合物法碳捕集技术和添加蓄电装置的措施可以持续有效地分离二氧化碳。太阳能光伏电池板产生的电能用于水合物法碳捕集单元的耗电部件，减少了对化石燃料的消耗和水合物法碳捕集过程的二次碳排放，实现了有效利用可再生能源并降低电厂碳捕集系统能耗的目标，此外，还能够获得高浓度的二氧化碳产品。本实用新型能够有效缓解温室气体的排放，非常适合太阳能资源丰富地区的电厂烟气中二氧化碳的捕集。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (4)

1.一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统，包括太阳能光伏发电单元和水合物法碳捕集单元，所述太阳能光伏发电单元包括与太阳能光伏电池板(15)相连的蓄能装置(16)，所述蓄能装置(16)通过电线与逆变器(17)相连；其特征在于：

所述水合物法碳捕集单元包括气体增压泵(2)、恒温槽(7)、温度控制箱(8)、四通换向阀(9)和多组双反应塔结构，所述气体增压泵(2)的进气口与电厂烟气的管道入口(1)相连，所述气体增压泵(2)的排气口连接有输气总管路；所述输气总管路上通过管件并联有多条支管路；多组双反应塔结构相同，每组双反应塔结构设置在每条支管路的末端与所述四通换向阀(9)之间；所述双反应塔结构包括与每条支管路末端并联的两条输气管道，两条输气管道分别连接有水合物反应塔A(5)和水合物反应塔B(6)，每条输气管道上分别设有一个电控阀；多组双反应塔结构中的水合物反应塔A(5)和水合物反应塔B(6)均设置在所述恒温槽(7)中，所述恒温槽(7)与所述温度控制箱(8)相连；每组双反应塔结构中，所述水合物反应塔A(5)和水合物反应塔B(6)的上部出口分别连接至所述四通换向阀(9)的两个进口；所述四通换向阀(9)的一个出口通向大气出口(10)，所述四通换向阀(9)的另一个出口依次连接有压力调节器(11)和真空泵(12)，最后通向高浓度二氧化碳管道出口(13)；

所述逆变器(17)与所述气体增压泵(2)、两个电控阀(3)、温度控制箱(8)、四通换向阀(9)、压力调节器(11)和真空泵(12)电连。

2.根据权利要求书1所述一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统，其特征在于，所述水合物反应塔A(5)和水合物反应塔B(6)中添加有浓度为0.6mol％的四丁基氟化铵溶液。

3.根据权利要求书1所述一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统，其特征在于，所述水合物反应塔A(5)和水合物反应塔B(6)中填充有多孔硅胶微球，所述多孔硅胶微球的粒度为75-200um，孔隙直径为100nm，孔隙容积为0.8ml/g。

4.根据权利要求书1所述一种太阳能光伏驱动的水合物法碳捕集系统，其特征在于，所述温度控制箱(8)的控温范围为-5℃～20℃，所述水合物反应塔A(5)和水合物反应塔B(6)中的压力范围为1MPa-8MPa。