CN217367764U - 一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，包括压缩机、涡流管、吸附/解吸/再生装置、换热器和循环泵；压缩机的压缩空气出口连接至涡流管的压缩空气进口，涡流管的热空气出口连接至换热器的热空气进口，换热器的CO₂出口通过循环泵连接至吸附/解吸/再生装置周向设置的CO₂喷嘴进口，吸附/解吸/再生装置的CO₂出口连接至换热器的CO₂进口；涡流管的冷空气出口连接至吸附/解吸/再生装置的进口，吸附/解吸/再生装置内设置有吸附剂。本实用新型总体上可以显著降低空气直接捕集二氧化碳能耗，从而显著降低空气直接捕集二氧化碳成本。

Description

一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统

技术领域

本实用新型属于空气直接捕集二氧化碳技术领域，具体涉及一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统。

背景技术

IPCC研究报告指出，全球CO₂排放量中，建筑业占比为6.4％、交通活动占比为14％、工业占比为21％、农林及土地利用为24％、电力和供暖占比为25％、其他占比为9.6％。除了工业以及电力行业等固定源的CO₂排放，有近50％的分布源排放的CO₂。为此，亟需对这些分布源的CO₂进行捕集和利用。直接空气碳捕集技术(direct air capture，DAC)可直接从空气中捕集CO₂，是未来大规模温室气体减排、减缓全球变暖最经济可行的技术之一。

欧美、日本等发达国家地区政府高度重视DAC技术开发。英国皇家学会发布的碳中和12个重大科学技术问题指出：负排放技术，如带有碳封存直接空气碳捕集(DACCS)有助于在本世纪中叶实现广泛认可的净零排放目标；英国研究与创新署(UKRI)投入1.71亿英镑资助9个碳减排相关项目。2020年和2021年，美国能源部(DOE)分别投入2100万美元和2400万美元支持直接空气碳捕集(DAC)研发项目，重点方向为增强捕集效率、降低能耗和成本。2021年7月，日本经济产业省(METI)发布修订的碳循环技术路线图，增加了DAC技术。

1999年，美国阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的Lackner为缓解气候变化提出了DAC的概念。经过多年的研究，科研人员提出了很多DAC的方法和材料。目前，DAC技术已经被认为是可行的CO₂减排技术之一。DAC系统流程如图2所示，空气中的CO₂通过吸附剂进行捕集，完成捕集后的吸附剂通过改变压力或温度进行吸附剂再生，再生后的吸附剂循环用于CO₂捕集，而纯CO₂则被储存起来。

在过去的半个多世纪，人类活动导致全球CO₂排放量逐年增加。大气中的CO₂浓度由1960年的310ppm左右急剧增加到2019年的410ppm，目前每年全球CO₂排放量都超过了350亿吨。作为负碳排放技术研究热点，直接空气碳捕集技术2019年入选《麻省理工科技评论》的全球十大突破性技术之一。随着碳中和目标的提出，全产业链减碳已经成为共识，直接空气碳捕集技术亟需进一步发展。根据《中国二氧化碳捕集利用与封存年度报告(2021)》预测，2060年直接空气碳捕集与封存(DACCS)需要实现减排2～3亿吨CO2，开发低成本高效直接空气碳捕集技术具有广阔的市场应用前景。

DAC技术与CCS技术的区别如表1所示。

表1 DAC与CCS技术的区别

与CCS技术不同，DAC的技术特点是：

(1)可用于捕集分散排放源CO₂；

(2)安装地点选取相对灵活，可以选择在可再生能源丰富、且距离碳储存利用位置较近的地点，以降低捕集能耗和运输成本；

(3)无须考虑NOx和SO₂等气体杂质的影响。直接空气碳捕集技术的主要难点在于空气中CO₂分压低(40Pa)、浓度低(400ppm)，CO₂吸附/再生效率低，再生能耗和成本高。

总体而言，DAC在工业领域的发展还处于初步阶段。限制DAC应用的主要因素是DAC成本过高。因暂无工业数据支撑，部分研究人员根据热力学第二定律对CO₂捕集效率进行了计算，预估捕获1t CO₂成本约为$1000。美国物理学会2011年的报告估计DAC每捕集1吨CO₂要花费$610。随着CO₂吸收/吸附材料研发以及反应设备更新，成本已经有所降低，但仍维持在一个较高的价位。

DAC工艺一般由空气捕集模块、吸收剂或吸附剂再生模块、CO₂储存模块三个部分组成，可以分为CO₂吸附、CO₂解吸、吸收剂或吸附剂再生、CO₂分离与富集等过程。目前已经工业示范的CCUS工艺系统能耗约为2.3GJ/t CO₂，而DAC工艺系统能耗普遍在5～10GJ/t CO₂，这也是造成DAC工艺成本过高的关键因素。如何进一步简化工艺过程、降低系统能耗，是DAC技术发展的方向。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统。

本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，包括压缩机、涡流管、吸附/解吸/再生装置、换热器和循环泵；

压缩机的压缩空气出口连接至涡流管的压缩空气进口，涡流管的热空气出口连接至换热器的热空气进口，换热器的CO₂出口通过循环泵连接至吸附/解吸/再生装置周向设置的CO₂喷嘴进口，吸附/解吸/再生装置的CO₂出口连接至换热器的CO₂进口；

涡流管的冷空气出口连接至吸附/解吸/再生装置的进口，吸附/解吸/再生装置内设置有吸附剂。

本实用新型进一步的改进在于，吸附剂采用二氧化碳吸附剂。

本实用新型进一步的改进在于，吸附/解吸/再生装置的进口处设置有吸附装置入口调节门。

本实用新型进一步的改进在于，吸附/解吸/再生装置的出口处设置有吸附装置出口调节门。

本实用新型进一步的改进在于，吸附/解吸/再生装置周向设置的CO₂喷嘴进口处设置有第一控制阀。

本实用新型进一步的改进在于，吸附/解吸/再生装置的CO₂出口处设置有第二控制阀。

本实用新型进一步的改进在于，涡流管的热空气出口处设置有第三控制阀。

本实用新型进一步的改进在于，循环泵的出口处设置有第四控制阀。

本实用新型提供的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，通过将压缩空气送入涡流管制备冷空气流和热空气流，冷空气流通过吸附剂先后完成吸附剂的冷却再生过程和二氧化碳吸附过程；热空气流通过换热器加热部分二氧化碳作为解吸介质，实现吸附剂的解吸过程，再循环的二氧化碳携带被解吸的二氧化碳直接被富集下来。只需要将空气流压缩，就可以减掉空气直接碳捕集工艺过程中吸附阶段引风机的电耗，同时可以减掉了CO₂分离过程，有效减少CO₂分离阶段能耗；利用空气作为冷却介质，直接冷却再生阶段的吸附剂材料，有效减少吸附剂材料再生阶段能耗。采用本系统，总体上可以显著降低空气直接捕集二氧化碳能耗，从而显著降低空气直接捕集二氧化碳成本。

附图说明

图1为本实用新型一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统的结构框图。

图2为DAC系统的流程图。

附图标记说明：

1-压缩机，2-涡流管，3-吸附/解吸/再生装置，4-换热器，5-循环泵；

301-吸附装置入口调节门，302-吸附剂，303-CO₂喷嘴，304-吸附装置出口调节门；

6-第一控制阀，7-第二控制阀，8-第三控制阀，9-第四控制阀。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型做出进一步的说明。

本实用新型提出的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，包括压缩机1、涡流管2、吸附/解吸/再生装置3、换热器4和循环泵5。压缩机1的压缩空气出口连接至涡流管2的压缩空气进口，涡流管2的热空气出口连接至换热器4的热空气进口，换热器4的CO₂出口通过循环泵5连接至吸附/解吸/再生装置3周向设置的CO₂喷嘴303进口，吸附/解吸/再生装置3的CO₂出口连接至换热器4的CO₂进口；涡流管2的冷空气出口连接至吸附/解吸/再生装置3的进口，吸附/解吸/再生装置3内设置有吸附剂。吸附/解吸/再生装置3的进口处设置有吸附装置入口调节门301。吸附/解吸/再生装置3的出口处设置有吸附装置出口调节门304。吸附/解吸/再生装置3周向设置的CO₂喷嘴303进口处设置有第一控制阀6。吸附/解吸/再生装置3的CO₂出口处设置有第二控制阀7。涡流管2的热空气出口处设置有第三控制阀8。循环泵5的出口处设置有第四控制阀9。

压缩机1可将空气加压为1MPa以内的压缩空气流。

涡流管2可将压缩空气流分成外侧的热空气流和内侧的冷空气流，其中热空气流温度可达100～110℃，冷空气流温度可降至0℃乃至更低，冷空气流的温度通过热空气流出口的控制阀调节。

冷空气流直接通过吸附/解吸/再生装置3，首先完成上一个循环过程中的吸附剂302降温再生阶段，吸附剂3020温度降低至可吸附范围后开始进入本次循环的吸附阶段。

换热器4可将作为解吸介质的再循环二氧化碳加热到60℃～85℃。

吸附/解吸/再生装置3中放置有可模块化组装单个或多个颗粒状或孔隙状的二氧化碳吸附剂材料。

吸附装置入口调节门301和吸附装置出口调节门304可以实现0°～90°范围内开关调节。

作为解吸介质的二氧化碳依次通过换热器4、循环泵5、第四控制阀9、CO₂喷嘴303喷入吸附剂材料中。

作为解吸介质的二氧化碳携带被吸附剂材料捕集的二氧化碳通过第一控制阀7后富集。

作为解吸介质的二氧化碳通过第一控制阀6控制。

本实用新型的具体实施方案为：

(1)直接空气碳捕集上一循环吸附剂再生过程与本次循环吸附过程：启动压缩机1，产生压缩空气流，带压的压缩空气送入涡流管2，从涡流管2外侧产生热空气流、从内侧产生冷空气流；关闭二氧化碳循环系统各控制阀，打开吸附装置入口调节门301、吸附装置出口调节门302，带压的冷空气流直接送入吸附/解吸/再生装置3，冷空气流首先对吸附剂302材料进行降温，完成吸附剂302再生、恢复吸附活性，空气在吸附/解吸/再生装置3内与颗粒状或孔隙状二氧化碳吸附剂材料直接接触，空气中的二氧化碳被吸附剂材料捕集吸附，被吸附后的空气流出吸附装置；

(2)直接空气碳捕集解吸过程：涡流管2产生的热空气流通过换热器4与再循环的二氧化碳换热，完成再循环二氧化碳加热过程，再循环的二氧化碳通过加热器被加热到60～85℃；依次关闭吸附装置入口调节门301、吸附装置出口调节门304，打开二氧化碳循环系统各控制阀，被加热的再循环二氧化碳经过循环泵5，然后通过二氧化碳喷嘴喷入吸附剂302中，二氧化碳流量通过控制阀调控，吸附剂材料温度升高伴随着二氧化碳的解吸释放，被释放的二氧化碳随着再循环的二氧化碳携带出吸附装置，完成二氧化碳的富集。

本实用新型提出的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，巧妙利用涡流管产生冷热空气流，从而可以有效缩减二氧化碳解吸、分离、吸附剂再生等过程，大大降低二氧化碳分离、吸附剂再生过程能耗，从而从整体上降低捕集能耗与成本。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型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实用新型。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，本实用新型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实用新型内。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。

Claims (8)

1.一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，其特征在于，包括压缩机(1)、涡流管(2)、吸附/解吸/再生装置(3)、换热器(4)和循环泵(5)；

压缩机(1)的压缩空气出口连接至涡流管(2)的压缩空气进口，涡流管(2)的热空气出口连接至换热器(4)的热空气进口，换热器(4)的CO₂出口通过循环泵(5)连接至吸附/解吸/再生装置(3)周向设置的CO₂喷嘴(303)进口，吸附/解吸/再生装置(3)的CO₂出口连接至换热器(4)的CO₂进口；

涡流管(2)的冷空气出口连接至吸附/解吸/再生装置(3)的进口，吸附/解吸/再生装置(3)内设置有吸附剂(302)。

2.根据权利要求1所述的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，其特征在于，吸附剂采用二氧化碳吸附剂。

3.根据权利要求1所述的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，其特征在于，吸附/解吸/再生装置(3)的进口处设置有吸附装置入口调节门(301)。

4.根据权利要求1所述的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，其特征在于，吸附/解吸/再生装置(3)的出口处设置有吸附装置出口调节门(304)。

5.根据权利要求1所述的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，其特征在于，吸附/解吸/再生装置(3)周向设置的CO₂喷嘴(303)进口处设置有第一控制阀(6)。

6.根据权利要求5所述的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，其特征在于，吸附/解吸/再生装置(3)的CO₂出口处设置有第二控制阀(7)。

7.根据权利要求6所述的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，其特征在于，涡流管(2)的热空气出口处设置有第三控制阀(8)。

8.根据权利要求7所述的一种利用涡流管制备冷热空气实现直接空气碳捕集的系统，其特征在于，循环泵(5)的出口处设置有第四控制阀(9)。

Images