一种太阳能光伏驱动变压吸附空气碳捕集系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能辅助碳捕集技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏辅助空气进行变压吸附法碳捕集的系统。
【背景技术】
[0002]全球性化石能源的紧缺以及温室效应的加剧给环境和社会发展带来了诸多负面效应。根据国际能源署的目标，在2050年之前全球气温升温应严格控制在2°C之内，实现目标的关键在于控制温室气体的排放量。目前在全球规模下进行空气直接碳捕集是减少温室气体排放的最有效的措施。由于空气中二氧化碳浓度(大约385ppm)较低，导致从空气中捕集二氧化碳具有特殊的挑战。空气碳捕集既可以在二氧化碳排放源地捕集，又可以在分布远离排放源的捕捉空气二氧化碳，具有分布式碳捕集的优势。被捕捉的二氧化碳可以结合可再生能源用于合成碳氢燃料等。
[0003]传统碳捕集技术较为关注系统的可行性，不考虑能耗，造成相关技术的开发面临商业化困境。例如商业化较成熟的溶液吸收法，其捕捉能耗较高，通常捕捉每吨二氧化碳耗能大约3-4MJ/ton。吸附法碳捕集在单位捕捉能力、能量要求等方面比吸收法具有优势。吸附法碳捕集有变压吸附、变温吸附和变电吸附三种方式，其中变压吸附过程简单，适合小规模分布式的碳捕集系统。变压吸附的变压过程由真空栗运行实现，其耗电由外界供应。
[0004]太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源，清洁无毒且无环境污染，一直受到世界各国的广泛关注。太阳能光伏发电在偏远地区独立用户的供电系统得到了大量应用，作为主要的清洁能源，太阳能光伏发电的好处显而易见。然而，单独的太阳能光伏系统，由于时间和地域的约束，很难全天候利用太阳能资源，需要使用大容量和长寿命的储能电池来实现电力的充分储存和稳定输出。其中锂电子电池具有环保、安全、比能量高、寿命长和免维护等特点，作为光伏发电单元的储能电池具有长远意义。
[0005]因此，以全新的降低能耗的出发点，开发一种通过利用太阳能光伏发电辅助实现从空气中捕捉二氧化碳的系统，是有效缓解温室气体排放的一个理想技术方案。
[0006]关于吸附碳捕集，现有发明主要呈现以下特征:
[0007]1.以捕集可行性为出发点，一些发明者在材料领域摸索，尝试在二氧化碳吸附材料角度进行创新。例如，CN103861557A专利文献中提出了一种新型固态胺二氧化碳吸附剂，首次添加表面活性剂的方法来降低二氧化碳在固态胺吸附剂内的扩散阻力，提高胺的利用率，进而提高材料的二氧化碳的吸附性能。该新型吸附剂集成了吸附法和吸收法对碳捕集的功效，具有高容量，高选择性、高速率及低再生能耗的特征。CN103203220A专利文献中提出的技术方案是利用苯胺与Y型分子筛进行聚合反应，得到固体颗粒;将固体颗粒进行碳化反应，得到二氧化碳吸附剂，该材料合成简单，性能优于活性炭。CN103120931A的专利文献中提出一种笼形二氧化碳吸附材料及其制备方法，该方法包括蒙脱石的酸化改性以及笼形二氧化碳吸附材料的合成，该复合材料中有机胺有效负载量在10?60 %之间，具有良好的吸附和脱附能力，且稳定性良好。CN104492370A专利文献公开了一种改性蒙脱石二氧化碳吸附材料及其制备方法，该方法采用无机插层剂插层处理，将无机物插入到蒙脱石的晶层中，提高蒙脱石的比表面积。CN104056598A专利文献公开了一种MOFs基二氧化碳吸附剂，包括MOFs，和负载于MOFs的孔道中和表面的有机胺，所述MOFs和有机胺的质量比为0.1?10:UTO2013US66281和US09144770专利文献中提出一种改性活性炭用于二氧化碳捕集的吸附材料，该材料把氧化镁注入到活性炭中，其中氧化镁含量约占材料总质量的15 %。EP20080772173专利文献中提出一种中空纤维吸附材料，该材料以聚合物为基体，可以用于烟气二氧化碳的捕捉。类似的吸附合成材料在下述的专利文献中也见披露，诸如W02013US60721、TO2008US84237、US07288136、CN104437383A 和 CN102500324A 等专利文献，但在具体二氧化碳吸附过程、循环和系统并没有涉及。此类技术方案仍然会面临实用化的困境，因为对低能耗材料的盲目追求，容易导致对工艺的错误理解，材料捕集能耗降低，工艺能耗上升。
[0008]2.还有一些专利文献披露的技术方案停留在捕集装置单体层面，缺乏全局考虑。比如一些发明者尝试在二氧化碳吸附塔结构上进行创新。例如，CN203990246U专利文献中提出了一种二氧化碳变压吸附塔，采用了矩形结构的气体吸附通道，并用过折流板隔开，形成折流式固定吸附塔。该结构具有气体均匀性好、气体流程长、吸附剂利用率高和床层稳定等优势。CN101795750A专利文献中提出一种独立式结构的吸附塔和汽提塔，其适于从燃烧化石燃料的发电站的废气流中捕获二氧化碳。这些专利在吸附塔结构进行创新，并没有在能耗和辅助等方面提出改进措施。该类专利仍然会面临实用化的困境，过多追求吸附捕集装置结构的优化，但实际市场化产品很难做到理想的优化加工要求，该类发明的申请特征很难在捕集能耗降低方面有所突破。
[0009]3.以捕集可行性为出发点，一些发明者尝试吸附碳捕集与其他碳排放系统集成。例如，CN104437060A专利文献中提出一种糖厂二氧化碳回收活化利用方法及设备，将吸附碳捕集运用到制糖厂的碳排放系统中，实现了系统的集成并减少了碳排放。US09023244专利文献中提出一种采用变温吸附捕集制氢厂的烟气中的二氧化碳，该方法相较于传统的MDEA吸收法具有更高的二氧化碳纯度。US08496908专利文献中则提出一种变压吸附用于蒸汽甲烷重整法制氢厂的重整气体分离，吸附气体为氢气，尾气二氧化碳和水蒸气。这些专利把吸附碳捕集与糖厂和制氢厂等碳排放源系统集成，解决了减少碳排放的目的，但是在能耗和辅助等方面没有提出改进措施。因此，这些专利也会面临实用化的困境。
[0010]4.另一方面，众多研究者将太阳能与碳捕集技术相结合，使太阳能热利用用于吸收法碳捕集的热耗辅助中。例如:US2010/0005966A1(W02007AU00994)、CN103372371A和CN103990372A专利文献中都提出太阳能热利用与吸收法碳捕集集成的系统。不同的是，US2010/0005966A1专利文献中提出的太阳能集热场产生热能直接用于燃煤电厂吸收法(乙醇胺)碳捕集。CN103372371A专利文献中提出的一种利用太阳能集热器产生的热能，先驱动有机朗肯循环发电，再为燃煤电厂吸收法(乙醇胺)碳捕集供能的系统，从而实现了能量的梯级利用，又降低了碳捕集能耗。CN103990372A专利文献中提出的一种太阳能闪蒸海水淡化辅助燃煤发电进行氨法碳捕集的系统。类似太阳能热利用技术与吸收法碳捕集的专利还有公开号为 CN104154521A、CN104607001A 和 CN103752142A 等专利文献。CN104307308A 专利文献中提出的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。以上专利的特征是将太阳能热利用的多种形式与吸收法碳捕集的多种溶液类型相结合，然而吸收法碳捕集的再生能耗高，成为限制碳捕集技术发展的重要障碍。
[0011]综合以上可以看出，现有相关专利并不能达到上文所述的开发理想系统的目标，目前亟需开发一种通过利用太阳能辅助低能耗的空气吸附法碳捕集的系