一种间接换热变温吸附碳捕集系统的制作方法

本实用新型涉及碳捕集技术的热力学研究领域，尤其涉及一种间接换热变温吸附碳捕集系统。

背景技术：

全球二氧化碳浓度的上升，带来温度上升，使得全球的极端天气增多，并且使得地球的极地冰盖开始融化，海平面上升。1900年起全球海平面平均上涨了19厘米，近些年上涨速度在不断加快，这将严重威胁很多岛屿和低地国家。由于二氧化碳对温室效应的负面贡献，气候问题逐渐成为全球关注的焦点。通常缓解气候变化的手段有提高能源转换效率、使用可再生能源和二氧化碳捕集与封存，其中碳捕集与封存被认为是应对气候变化挑战的有效技术举措之一。

传统碳捕集技术较为关注系统的可行性，不考虑系统的能耗，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。目前在碳捕集能效分析方面，有针对性的工具或模型研究仍处于探索阶段。学界主要存在三类模型：(1)气体分离模型，此类模型是一种集总模型，普适性较好，但是过于简化。(2)过程分析模型，此类模型的特色是对案例的针对性强，缺点是普适性差，“一事一议”，缺乏共性规律把握。(3)全生命周期或能值分析模型，此类模型源自对产品大时间尺度下的环境排放分析，对过程的能质转化特征细节把握不足。

相对吸收碳捕集技术的高能耗问题，吸附碳捕集技术具有自身技术优势，比如再生耗热量低、热能品位要求低、单位捕捉能力大和系统所需设备少等优点。根据脱附过程吸附量变化方式的不同，吸附碳捕集技术被分成变温吸附和变压吸附两种方式。近些年来，关于二氧化碳吸附材料和吸附过程领域的研究发明主要呈现以下特征：

(1)一些研究人者尝试在二氧化碳吸附材料方面进行创新。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，使用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。 CN103203220A专利文献中提出一种利用苯胺与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的有效负载量在 10～60％之间，具有良好的吸附和脱附能力，且稳定性良好。CN104056598A专利文献中公开了一种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0.1～10:1。WO2013US66281和US09144770专利文献中提出一种改性活性炭用于二氧化碳泵的吸附材料，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的国内外专利文献包括：WO2013US60721、WO2008US84237、US07288136、CN104437383A和 CN102500324A等专利文献。但是，以上专利文献中披露的技术方案只是在吸附材料合成角度的创新，在具体二氧化碳吸附过程、循环和系统并没有涉及。

(2)一些研究者尝试在二氧化碳吸附过程方面进行创新。比如有研究者尝试在二氧化碳吸附塔结构上进行创新。例如公告号为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。另外一些研究者尝试吸附碳捕集系统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，将吸附碳捕集系统应用到制糖厂的碳排放系统中，实现了系统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。但是，以上专利文献中披露的技术方案只是具体的二氧化碳吸附系统的创新，在热力学研究角度和方法上并没有涉及。

另外，关于碳泵概念在生物领域研究的是生物圈的碳平衡，例如WO2007/014349专利文献中提供了隔离水性环境中的二氧化碳的方法，该方法产生的PM以明显高于由生物碳泵中的其它成分产生的PM的速率沉降。此外，化工领域有一种脱碳泵的概念，只是一种泵，例如CN101560991专利文献中提供了一种脱碳泵防漏技术，应用于密封物体之间的接触面，防止不必要的泄露。CN201988310U专利文献中涉及一种合成氨脱碳闪蒸气回收装置，包括脱碳泵、高压闪蒸气吸收塔、洗涤器和分离器等，该装置充分回收了脱碳闪蒸气中的氢、氮有效气体，增加了合成氨产量，同时也回收了二氧化碳气体以增加尿素产量。本发明的碳泵是指在热力学研究的制造和维持一定的二氧化碳浓度梯度的碳捕集系统或装置。与现有碳泵概念相比，热力学碳泵是一种创新的研究方法。

综上，现有相关专利并不能达到上文所述的开发理想热力学研究方法的目标。具体来说，碳捕集的效能分析的模型有待具化至循环层面以深入分析，并且从事吸附碳捕集技术的研究人员已经意识到热力学研究的重要性，这两方面的交汇迫使业内人员深入思考的一个问题是：如何以吸附碳捕集为例展开热力学碳泵循环的构建工作。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种间接换热变温吸附碳捕集系统，包括吸附腔体，其特征在于，所述吸附腔体设有进气阀门和出气阀门，有一换热管道贯穿于所述吸附腔体，所述吸附腔体内填充有吸附剂，所述换热管道的前后两端均通过四通换向阀和管路并联有高温介质热源和低温介质冷源。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型是以循环系统中吸附剂材料、吸附相和烟气的物性为基础构建的一循环过程为基础设计的，不但可以满足碳捕集系统的热力学方面的研究需求，而且是解决碳捕集技术的热力学方面研究的一个理想方案。

附图说明

图1为本实用新型间接换热变温吸附碳捕集系统示意图；

图中：1-吸附腔体，2-吸附剂，3-进气阀门，4-出气阀门，5-低温介质冷源，6-高温介质热源，7、8-四通换向阀，9-换热管路。

图2为本实用新型系统的热力学碳泵循环构建的逻辑示意图；

图3为本实用新型系统的循环过程在常温、高温等温曲线之间变温吸附的示意图；

图4为本实用新型系统的循环过程在热力学参数对数坐标下的变温吸附的示意图。

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仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。

以电厂待处理烟气为例说明本实用新型间接换热变温吸附碳捕集系统，如图1所示，该系统包括吸附腔体1，所述吸附腔体1设有进气阀门3和出气阀门4，有一换热管道9贯穿于所述吸附腔体1，所述吸附腔体1内填充有吸附剂2，所述换热管道9的前后两端均通过四通换向阀和管路并联有高温介质热源6和低温介质冷源5。

电厂待处理的烟气主要由氮气和二氧化碳组成，利用上述间接换热变温吸附碳捕集系统，其中，

吸附过程：将吸附腔体1上的进气阀门3和出气阀门4打开，通过换热管路9两端的四通换向阀7和8使穿过吸附腔体1的换热管路9与所述低温介质冷源5接通，低温的烟气由进气阀门3通入吸附腔体1，烟气中的二氧化碳被吸附剂2吸附，其余富含氮气的尾气由出气阀门4排出，整个吸附过程，低温冷源介质持续通入吸附腔体1；

预热过程的实现是：将吸附腔体1上的进气阀门3和出气阀门4关闭，将四通换向阀门7和8变换方向，使穿过吸附腔体1的换热管路9与高温介质热源6接通，吸附剂2被高温介质热源6加热；

脱附过程：将吸附腔体1上的进气阀门3和出气阀门4打开，吸附腔体1继续接入高温介质热源6，吹扫氮气由进气阀门3通入吸附腔体1中，被吸附的二氧化碳在高温介质热源加热中释放出来，高浓度二氧化碳由出气阀门4排出；

预冷过程：将吸附腔体1上的进气阀门3和出气阀门4关闭，将四通换向阀门7和8 变换方向，使得穿过吸附腔体1的换热管路9与所述低温介质冷源5接通，吸附腔体1冷却到环境温度。

通过一系列热力过程(例如吸附和再生过程)的串联，最终实现烟气中二氧化碳气体的分离。

上述实施例中循环构建的热源可以是太阳能中低温热源和燃煤电厂的汽轮机抽汽等。冷源可以是常温的冷却水。

本实用新型的设计基础是如图2所示热力学碳泵循环构建方法，其基础是物性，主要有介质材料和气体等物性。其后，在相关物性数据基础上，设计合理的热力过程，并配合冷热源进行“定位”。然后，串接多个过程构建成循环。其中，典型热力过程有吸热、放热、吸附和脱附等，而典型热源有太阳能中低温热源和燃煤电厂汽轮机抽汽等。最终，循环的构建服务于核心目标——能效分析，这与热机、热泵等热力学经典概念提出时的诉求是一致的，即研究过程或循环的效率。间接换热变温吸附碳捕集技术主要包括吸附过程、预热过程、脱附过程和预冷过程。其中，预热和预冷过程的吸附床使用间接换热方式实现温度的变化。

基于以上物性、过程和冷热源的介绍，热力学碳泵循环构建可以按照以下说明开展。

以循环系统中吸附剂材料、吸附相和烟气的物性为基础，构建一循环过程，如图3所示，所述循环过程记为点1→点2→点3→点4→点1；其中，点1→点2为吸附过程，点2 →点3为预热过程，点3→点4为脱附过程，点4→点1为预冷过程；所述循环过程是以二氧化碳吸附量-二氧化碳分压-温度三者的关系呈现，并按照该循环过程设计本实用新型提出的间接换热变温吸附碳捕集系统；上述各点的确定是：

在吸附剂材料常温等温曲线上取在吸附过程烟气中二氧化碳分压值所对应的二氧化碳饱和吸附量的点，记作点5；在吸附剂材料高温等温曲线上取在脱附过程产品气中二氧化碳分压值所对应的二氧化碳饱和吸附量的点，记作点4；根据公式(1)得到在吸附过程烟气中二氧化碳分压值所对应的二氧化碳实际吸附量的点，记作点2；

式(1)中：R_CO2碳捕集系统的二氧化碳回收率，WC_ac实际吸附过程的二氧化碳工作容量，WC_id理想吸附过程的二氧化碳工作容量，q_sta,5是在吸附过程烟气中二氧化碳分压值所对应的二氧化碳饱和吸附量，q_min,1在脱附过程产品气中二氧化碳分压值所对应的二氧化碳饱和吸附量，q_max,2是在吸附过程烟气中二氧化碳分压值所对应的二氧化碳实际吸附量；

过点2作水平线X1，过点2作铅垂线Y1，过点4作水平线X2，过点4作铅垂线Y2；水平线X1与铅垂线Y2相交点记作点3；水平线X2与铅垂线Y1相交点记作点1。

间接换热变温吸附碳捕集技术的热力学碳泵循环的各状态点全部确定。二氧化碳分离性能的评价指标是利用式(1)得到的二氧化碳回收率。

热力学碳泵循环评价方法主要有最小分离功和第二定律分离效率。其中，最小分离功是理想气体混合物在等温等压条件下无化学反应的用于可逆分离过程的功耗，其物理意义是混合气体实现指定分离的难易程度。最小分离功与分离过程的路径无关，只与分离过程的初末状态有关，即在碳捕集过程中的最小分离功只与三个过程参数有关，分别是分离温度，初始二氧化碳浓度和分离过程回收率。其定义计算如下：

W_min＝G(T₁,y_CO2,R_CO2) (2)

式(2)中，W_min是碳捕集过程中的最小分离功；T₁是指分离过程温度；y_CO2是指烟气中初始二氧化碳浓度；R_CO2碳捕集系统的二氧化碳回收率。

第二定律分离效率是理想过程最小分离功与实际过程的系统输入有效能的净量之间的比值。其计算公式如下：

式(3)中，η_2nd是指第二定律分离效率；T₀是指环境温度；T_L是指低温介质热源的温度；T_H是指高温介质热源的温度；Q_L是指分离过程从低温介质热源向环境释放的热量；Q_H是指分离过程从高温介质热源吸收的热量；W_S是指外界输入的轴功。

还可以将所述循环过程由二氧化碳吸附量-二氧化碳分压-温度三者的关系转换为以二氧化碳分压值的对数值-温度的倒数的负数-二氧化碳吸附量三者的关系呈现。图4是在热力学参数对数坐标下的显示情况。

间接换热变温吸附碳捕集技术的热力学碳泵循环构建的基础物性有吸附剂材料、吸附相和气源等物性。其中吸附剂材料可以是胺基改性材料，其比热为2.07kJ/kgK，所述常温等温曲线和高温等温曲线可以由Toth模型进行拟合。吸附相按照气态二氧化碳计算，气态二氧化碳的比热为0.86kJ/kgK。Toth模型的拟合公式如下：

式(4)至式(7)中，P_CO2是吸附过程二氧化碳的分压力，T₀是吸附过程的初始温度， T是吸附过程的温度，H是吸附热(本实施例中为60kJ/mol)；B₀、t₀、D、n₀和A均为拟合参数，所有拟合参数均由热重法测所对应的等温曲线获得，本实施例中拟合参数B₀、t₀、 D、n₀和A的具体数值分别是2.25、0.422、0.949、1.97和2.37。

经式(1)、式(2)和式(3)计算，如图1所示系统的二氧化碳回收率为83.48％；循环的最小分离功为162.93kJ/kg；循环的第二定律分离效率是18.68％。通过上述数据可以看出通过热力学碳泵循环构建方法设计的本实用新型间接换热变温吸附碳捕集系统是按照“物性-过程-冷热源-循环”顺序完成热力学碳泵循环的构建，可以用于考察循环能效的热力学研究。

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。