CN218834118U - 一种基于太阳能加热的co2纳米流体吸收剂再生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于太阳能加热的CO₂纳米流体吸收剂再生装置，包括二氧化碳捕集系统、日间解吸系统、夜间储热系统；本实用新型将太阳能作为清洁热源引入二氧化碳吸收剂解吸过程，解决原工艺能耗大的问题，利用光热储热罐进行日间储热，可解决系统夜间供热问题，具有非常好的应用前景。

Description

一种基于太阳能加热的CO2纳米流体吸收剂再生装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于太阳能加热的CO₂纳米流体吸收剂再生装置，属于二氧化碳减排技术领域。

背景技术

在过去的数十年里，随着化石燃料消耗增加所排放的大量温室气体引起全球变暖，已成为全球性重大环境问题。CO₂作为主要的温室气体之一对全球气候变化贡献最大。自提出“双碳”计划以来，解决人为CO₂排放源所带来的温室气体影响是治理关键。碳捕集和封存技术(Carbon capture and storage,CCS)是CO₂末端减排的重要技术措施。

化学吸收法是众多碳捕集技术中运用最为广泛的一种方法，已运用在实际工业生产中。目前，醇胺类化学吸收法是大多数燃煤电厂烟气脱碳的主流技术。烟气通过脱硫、脱硝、除尘工艺后，通过冷却塔降温至40℃进吸收塔，吸收剂由吸收塔上部喷淋与烟气逆向接触，从而脱除烟气中的CO₂。再生系统中，富CO₂吸收剂从塔顶喷淋，加热再生。再生过程中主要热源来自于再沸器。然而，限制化学吸收法大规模推广的主要因素是其投资成本高、运行能耗大。投资成本主要受设备尺寸及工艺流程影响，而运行能耗主要与吸收剂再生过程有关。

吸收剂作为化学吸收法的“血液”，其贯穿了整个吸收-解吸流程，对该体系的能耗与运行成本起决定性作用。因此，要解决化学吸收法高能耗的问题，一方面可从强化吸收剂与CO₂间的气液传质过程，进而缩小吸收设备体积，从根本上解决成本问题；另一方面，可引入可再生能源作为辅助热源，进一步降低吸收剂再生过程的能耗。近年来，纳米流体在传热和传质过程中展现显著的强化作用。研究发现，通过加入纳米颗粒可以有效地提高基液的导热系数，强化基液对CO₂的吸收。此外，纳米流体近年来在太阳能集热领域也取得较多的研究成果。

起初，纳米流体作为传热工质应用于太阳能集热系统，相比传统工质，纳米流体可以通过其优越的传热性质，从而提高系统的光热利用效率。随着技术发展，由于纳米流体本身具有一定的太阳能吸收能力，诞生了太阳能直接集热式系统。另一方面，纳米流体作为第三代二氧化碳吸收剂，极大的提高了碳捕集效率。然而，当前并没有比较实用装置耦合上述技术，实现太阳能直接集热条件下的CO₂吸收剂低能耗回收。

发明内容

本实用新型提出一种基于太阳能加热的CO₂纳米流体吸收剂再生装置，利用纳米颗粒光能捕集能力，在吸收剂内部实现光热转换，从而以太阳能为热能加热吸收剂，在解吸塔内实现解吸附过程，并循环利用，可以在一定程度上解决传统“解吸塔-再沸器”中再生能耗高的问题。

本实用新型技术方案如下：

一种基于太阳能加热的CO₂纳米流体吸收剂再生装置，包括二氧化碳捕集系统、日间解吸系统、夜间储热系统；

所述二氧化碳捕集系统包括第一换热器1、吸收塔2、第二换热器3；

所述日间解吸系统包括控制阀Ⅰ、光热吸收组件4、解吸塔11、贫液泵12、富液泵Ⅰ5；

所述夜间储热系统包括控制阀Ⅱ、第三换热器9、光热储热罐7、熔盐泵8、太阳能聚光器6、富液泵Ⅱ10；

所述第一换热器1上设有烟气进口与烟气出口，烟气出口与吸收塔2烟气入口相连，吸收塔1顶部设置尾气出口，侧面上部设置贫液入口，侧面下部设置富液出口；

富液出口连接第二换热器3，第二换热器3侧面出口分支后分别连接控制阀Ⅰ、控制阀Ⅱ，控制阀Ⅰ、控制阀Ⅱ分别连接光热吸收组件4、第三换热器9；

光热吸收组件4顶部经富液泵Ⅰ5连接解吸塔11的下部；

光热储热罐7循环工质出口经熔盐泵8与第三换热器9循环工质入口相连，第三换热器9循环工质出口与光热储热罐7循环工质入口相连，光热储热罐7与太阳能聚光器6连接；

第三换热器9顶部出口经富液泵Ⅱ10连接解吸塔11的下部；

解吸塔11顶部连接第二换热器3底部；第二换热器3顶部设置二氧化碳出口并连接二氧化碳收集装置；

解吸塔11底部经贫液泵12连接吸收塔2侧面上部设置的贫液入口。

所述光热吸收组件4包括联管箱401、富液出口联管402、富液进口联管403、富液进口404、富液出口405、U型玻璃集热内管406、全玻璃真空保温管套407、复合曲面反光板408、支架409；所述全玻璃真空保温管套407内插入U型玻璃集热内管406，管口处密封安装保温管堵，U型玻璃集热内管406两端分别与横向富液进口联管403和富液出口联管402相连，富液进口联管403和富液出口联管402置于联管箱401内，联管箱401两端分别为光热吸收组件4的富液进口404和富液出口405；全玻璃真空保温管套407下方安装复合曲面反光板408，复合曲面反光板408底部设置支架409，即光热吸收组件采用钢铁材质的支架固定，安装方式为水平安装、直装和斜装；联管箱401外部还设置联管箱外箱410。

所述光热储热罐7内的循环工质为NaCl-Na₂CO₃，为市售常规产品。

所述吸收塔2内采用纳米流体作为CO₂吸收剂，纳米流体为纳米材料与基液任意比例混合得到，其中纳米材料选用碳纳米管、碳量子点、氧化石墨烯片，选用乙醇胺水溶液、乙醇胺/甲基二乙醇胺水溶液、离子液体作为基液。

所述U型玻璃集热内管406利用纳米流体光热转化原理加热富液，低温富液通过富液进口联管403进入U型玻璃集热内管406内，富液中的纳米材料吸收光能直接转化为热能加热富液后，流入富液出口联管402，完成加热。

所述全玻璃真空保温管套407起隔热保温功能，复合曲面反光板408将各方向入射光汇聚至U型玻璃集热内管406。

所述夜间储热系统的功能为系统储能和夜间解吸热源；光热储热罐7内的循环工质利用工质相变过程的吸热或放热来实现热能的储存和释放，循环工质在光热储热罐循环中吸收在太阳能聚光器汇聚的入射光能，通过相变过程储存热量，循环工质流出光热储热罐7后进入第三换热器9加热富液，完成换热后利用熔盐泵8泵入光热储热罐7，完成循环。

与现有技术相比，本实用新型的优点有：

(1)本实用新型将太阳能作为清洁热源引入二氧化碳吸收剂解吸过程，解决原工艺能耗大的问题；

(2)本实用新型利用纳米流体基二氧化碳吸收剂作为光热吸收介质，可减少光热吸收组件传热过程中产生的热损失，提高太阳能利用率，简化设备结构；

(3)本实用新型利用光热储热罐进行日间储热，可解决系统夜间供热问题。

附图说明

图1为再生装置的结构示意图；

图2为光热吸收组件的结构示意图；

图中：1-第一换热器，2-吸收塔，3-第二换热器，4-光热吸收组件，5-富液泵Ⅰ，6-太阳能聚光器，7-光热储热罐，8-熔盐泵，9-第三换热器，10-富液泵Ⅱ，11-解吸塔，12-贫液泵，401-联管箱，402-富液出口联管，403-富液进口联管，404-富液进口，405-富液出口，406-U型玻璃集热内管，407-全玻璃真空保温管套，408-复合曲面反光板，409-支架，410-联管外箱。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施方法进一步进行说明。本实用新型的实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型保护范围。

实施例1

如图1所示，一种基于太阳能加热的CO₂纳米流体吸收剂再生装置，包括二氧化碳捕集系统、日间解吸系统、夜间储热系统；二氧化碳捕集系统包括第一换热器1、吸收塔2、第二换热器3；日间解吸系统包括控制阀ⅠV01、光热吸收组件4、解吸塔11、贫液泵12、富液泵Ⅰ5；夜间储热系统包括控制阀ⅡV02、第三换热器9、光热储热罐7、熔盐泵8、太阳能聚光器6、富液泵Ⅱ10；

第一换热器1上设有烟气进口与烟气出口，烟气出口与吸收塔2烟气入口相连，吸收塔1顶部设置尾气出口，侧面上部设置贫液入口，侧面下部设置富液出口；

富液出口连接第二换热器3，第二换热器3侧面出口分支后分别连接控制阀ⅠV01、控制阀ⅡV02，控制阀ⅠV01、控制阀ⅡV02分别连接光热吸收组件4、第三换热器9；

光热吸收组件4包括联管箱401、富液出口联管402、富液进口联管403、富液进口404、富液出口405、U型玻璃集热内管406、全玻璃真空保温管套407、复合曲面反光板408、支架409、外箱410；全玻璃真空保温管套407内插入三组U型玻璃集热内管406，U型玻璃集热内管406插入全玻璃真空保温管套407的管口处密封安装保温管堵，保持全玻璃真空保温管套407内的真空状态并进行保温，U型玻璃集热内管406两端分别与横向富液进口联管403和富液出口联管402相连，富液进口联管403和富液出口联管402置于联管箱401内，联管箱401两端分别为光热吸收组件4的富液进口404和富液出口405；全玻璃真空保温管套407下方安装复合曲面反光板408，复合曲面反光板408对全玻璃真空保温管套407内进行加热继而加热U型玻璃集热内管406内部CO₂纳米流体吸收剂，复合曲面反光板408底部设置支架409，即光热吸收组件4上面部分采用钢铁材质的支架固定，安装方式为水平安装、直装或斜装；联管箱401外部还设置联管箱外箱410；

光热吸收组件4顶部经富液泵Ⅰ5连接解吸塔11的下部；

光热储热罐7循环工质出口经熔盐泵8与第三换热器9循环工质入口相连，第三换热器9内部设置CO₂纳米流体吸收剂通道，循环工质进入第三换热器9后，在CO₂纳米流体吸收剂通道外部加热其内部的CO₂纳米流体吸收剂，第三换热器9循环工质出口与光热储热罐7循环工质入口相连，光热储热罐7与太阳能聚光器6双向连接，光热储热罐7中的低温工质从一条管道进入太阳能聚光器6内被加热，加热后的工质从另一条管道回到光热储热罐7；

第三换热器9顶部CO₂纳米流体吸收剂通道出口经富液泵Ⅱ10连接解吸塔11的下部；

解吸塔11顶部连接第二换热器3底部；第二换热器3顶部设置二氧化碳出口并连接二氧化碳收集装置；

解吸塔11底部经贫液泵12连接吸收塔2侧面上部设置的贫液入口，贫液从贫液入口进入吸收塔2内部的喷头喷洒下来。

光热储热罐内的循环工质为NaCl-Na₂CO₃，为市售常规产品，其中河北旭兴新能源科技有限公司有售；吸收塔2内采用纳米流体作为CO₂吸收剂，纳米流体为纳米材料与基液任意比例混合得到，其中纳米材料选用碳纳米管、碳量子点或氧化石墨烯片，选用乙醇胺水溶液、乙醇胺/甲基二乙醇胺水溶液或离子液体作为基液；本实施例选择碳纳米管作为纳米材料，乙醇胺水溶液(乙醇胺和水体积比1:1混合得到)作为基液，纳米流体与基液质量体积比g:mL为1:5000混合。

本实施例装置的运行流程具体如下：

烟气经过第一换热器1烟气入口进入第一换热器1换热降温，经第一换热器1烟气出口进入吸收塔2，与顶部喷淋的纳米流体CO₂吸收剂充分接触，吸收CO₂形成富液；分离后气体，通过吸收塔2顶部排空；富液经吸收塔2富液出口进入第二换热器3被加热，由此完成二氧化碳捕集。

换热后富液，经控制阀ⅠV01，进入光热吸收组件4，通过富液进口404进入富液进口联管403，流经U型玻璃集热内管406内，进行太阳能光热转化加热纳米流体；纳米流体通过富液出口联管402流经富液出口405，后经富液泵Ⅰ5加压进入解吸塔11底部，降压解吸，将CO₂分离，分离后的CO₂经解吸塔11顶部进入第二换热器3降温收集；分离后的纳米流体形成贫液后，由解吸塔11底部流出，经贫液泵12加压进入吸收塔2，完成日间解吸过程。

入射光通过太阳能聚光器6聚光，内部循环工质吸收光能发生相变反应，进入光热储热罐7，从而储存热能；光热储热罐7满载后，高温循环工质流出光热储热罐7经熔盐泵8泵入第三换热器9，加热富液，换热后的循环工质返回光热储热罐7，再进入太阳能聚光器6被加热，完成太阳能储能循环。

夜间或日间太阳能不足时，换热后富液，经控制阀ⅡV02进入第三换热器9进行换热后，经富液泵Ⅱ10加压后进入解吸塔11底部，降压解吸，将CO₂分离，分离后的CO₂经解吸塔11顶部进入第二换热器3降温收集；分离后的纳米流体形成贫液后，由解吸塔11底部流出，经贫液泵12加压后进入吸收塔2，完成夜间解吸过程。

本实用新型还可以添加控制器，将控制阀ⅠV01、控制阀ⅡV02设置为电磁阀，将控制器与控制阀ⅠV01、控制阀ⅡV02、富液泵Ⅰ5、熔盐泵8、富液泵Ⅱ10等进行连接，根据需要实现自动控制。

Claims (4)

1.一种基于太阳能加热的CO₂纳米流体吸收剂再生装置，其特征在于，包括二氧化碳捕集系统、日间解吸系统、夜间储热系统；所述二氧化碳捕集系统包括第一换热器、吸收塔、第二换热器；所述日间解吸系统包括控制阀Ⅰ、光热吸收组件、解吸塔、贫液泵、富液泵Ⅰ；所述夜间储热系统包括控制阀Ⅱ、第三换热器、光热储热罐、熔盐泵、太阳能聚光器、富液泵Ⅱ；

所述第一换热器上设有烟气进口与烟气出口，烟气出口与吸收塔烟气入口相连，吸收塔顶部设置尾气出口，侧面上部设置贫液入口，侧面下部设置富液出口；

富液出口连接第二换热器，第二换热器侧面出口分支后分别连接控制阀Ⅰ、控制阀Ⅱ，控制阀Ⅰ、控制阀Ⅱ分别连接光热吸收组件、第三换热器；

光热吸收组件顶部经富液泵Ⅰ连接解吸塔的下部；

光热储热罐循环工质出口经熔盐泵与第三换热器循环工质入口相连，第三换热器循环工质出口与光热储热罐循环工质入口相连，光热储热罐与太阳能聚光器连接；

第三换热器顶部出口经富液泵Ⅱ连接解吸塔的下部；解吸塔顶部连接第二换热器底部，第二换热器顶部设置二氧化碳出口并连接二氧化碳收集装置；解吸塔底部经贫液泵连接吸收塔侧面上部设置的贫液入口。

2.根据权利要求1所述基于太阳能加热的CO₂纳米流体吸收剂再生装置，其特征在于，所述光热吸收组件包括联管箱、富液出口联管、富液进口联管、富液进口、富液出口、U型玻璃集热内管、全玻璃真空保温管套、复合曲面反光板；所述全玻璃真空保温管套内插入U型玻璃集热内管，U型玻璃集热内管两端分别与横向富液进口联管和富液出口联管相连，富液进口联管和富液出口联管置于联管箱内，联管箱两端分别为富液进口和富液出口；全玻璃真空保温管套下方安装复合曲面反光板。

3.根据权利要求2所述基于太阳能加热的CO₂纳米流体吸收剂再生装置，其特征在于，U型玻璃集热内管为一组U型管或多组U型管并联。

4.根据权利要求2所述基于太阳能加热的CO₂纳米流体吸收剂再生装置，其特征在于，联管箱外部还设置联管箱外箱，复合曲面反光板底部设置支架。

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