本发明涉及一种二氧化碳捕集及再生的一体化装置和方法，属于二氧化碳的回收利用领域。
背景技术：
化石燃料燃烧产生的二氧化碳被认为是最主要的温室气体之一。大气中温室气体的浓度增加导致温室效应逐年增加，并引起了全球变暖、海平面上升，冰川融化等环境问题。对燃煤电厂，水泥厂等大型烟气源中的co2进行捕集和储存将有助于减少二氧化碳排放，缓解温室效应。同时co2也是一种潜在的碳资源。目前地球上的资源日益紧张，许多学者致力于co2捕获和封存及利用的研究，其中从烟道气中分离捕集co2愈来愈受到人们的关注。
目前，许多二氧化碳捕集技术被广泛研究，包括化学吸收，化学吸附和膜分离等。其中，液态胺吸收法co2捕集过程已经被实际应用，该方法具有效率高，吸收量大等优点。但是,该方法仍有许多缺点限制了其广泛使用，如醇胺溶液容易发生氧化降解挥发使得吸收性能降低；溶液的强碱性对仪器设备有严重腐蚀作用；醇胺溶液再生消耗大等缺点。
为了克服这些缺点，替代醇胺溶液吸收法co2捕集技术，人们提出了利用多孔材料作为固体吸附剂进行co2吸附集方法。常用的多孔材料有活性炭（ac）、沸石、碱性金属氧化物(mxoy)、金属有机骨架(mof)和共价有机骨架(cof)、介孔硅基材料等。固体吸附剂由于其操作方法较为简单且对设备腐蚀性弱而受到重视，然而这些吸附剂通常存在选择性差、吸附量低等缺点。为了进一步提高co2吸附容量和吸附/解吸速率，考虑把液态有机胺通过物理浸渍或化学嫁接法负载到多孔载体上，从而制备成胺类固态吸附剂。
与直接以多孔材料作为吸附剂相比，固态胺吸附剂通过化学作用可高选择性地吸附co2,具有较高的吸附/解吸速率，并且提高了吸附剂的抗水性，并且根据学者研究，在有水蒸气存在的条件下，水蒸气与有机胺、二氧化碳的相互作用可以提高固态胺吸附剂对co2的吸附量。与液态胺溶液吸收法相比，固态胺吸附法还具有操作简单、再生能耗低、对设备腐蚀小、吸脱附速率快等优点。中国专利cn104258828a涉及一种利用二氧化硅空心球为载体开发胺类固体吸附剂用于捕获烟道气co2。而在固态胺分离二氧化碳工艺装置方面，中国专利cn104162341a涉及一种从工业烟道气中收集二氧化碳的装置及方法，通过使用加热机和冷却机对吸附剂进行冷热处理，实现吸附剂的循环使用，但该装置能耗增大，另设给料机和提升管使吸附剂完成循环过程，但吸附过程工序复杂、装置分散。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种二氧化碳捕集及再生的一体化装置和方法，实现烟道气中的二氧化碳的捕集，以减少二氧化碳的排放量。
本发明充分利用烟道气中含有的大量低品位余热对水加热产生水蒸气，提高吸附剂对二氧化碳的吸附量。同时利用烟道气中低品位余热对吸附剂进行加热再生，从而实现二氧化碳吸附剂的循环利用，进而提高整个工艺过程的能源效益。
本发明提供了一种二氧化碳捕集及再生的一体化装置，包括水汽化装置、烟道气与水蒸气混合装置、气体电离器、二氧化碳收集及吸附剂生装置、气固分离装置；
所述水汽化装置，外部为正四棱台结构，上部中心设有烟道气入口，底部设有烟道气出口和水蒸气出口，侧面设有水补充口；装置内部分为内、中、外三层，外层的环状通道为烟道气通道，中层的环状通道为水通道，内层的通道为水蒸气通道，烟道气入口直接通往烟道气通道中，水补充口通过管道连接水通道，在水蒸气通道底部设有水蒸气出口；
烟道气通道在水通道外侧，对水进行加热汽化；
该装置下方连接烟道气与水蒸气混合装置；
所述烟道气与水蒸气混合装置，该装置为长方体结构，顶部与水汽化装置的烟道气出口、水蒸气出口相通，底部中心设有混合气出口；该装置内部设有挡板，挡板分多层均匀平行设置；该装置外侧与气体电离器连接；该装置的内壁上设有绝缘层，以防止整个装置带电；该装置下方连接二氧化碳收集及吸附剂再生装置；
所述二氧化碳收集及吸附剂再生装置的两侧分别连接二氧化碳-旋风分离器和废气-旋风分离器，二氧化碳-旋风分离器和废气-旋风分离器的顶部中心设有气体出口，下端侧面设有吸附剂出口，与吸附剂出口相对的一侧的上端设有气体进口；
所述二氧化碳收集及吸附剂再生装置，由上、下两个腔室组成，上、下两个腔室由阻隔板隔开，防止加热吸附剂释放的二氧化碳进入该装置上部腔室，上部腔室为长方体结构，下部腔室为半圆柱体，半圆柱体的半圆柱面与阻隔板相接，上部腔室分为夹层和中间层，夹层为保温层（里面是普通保温材料），上部腔室的左侧设有吸附剂补充口，上部腔室的右侧设有废气出口，废气出口连接废气-旋风分离器；
下部腔室的左侧底部设有二氧化碳出口，二氧化碳出口连接二氧化碳-旋风分离器；
二氧化碳收集及吸附剂再生装置中设有具有较长锯齿的旋转齿轮，齿轮轴设置在上部腔室和下部腔室之间，齿轮轴的两端固定在上部腔室和下部腔室之间的左右两侧壁上，且齿轮轴与阻隔板平行设置，通过齿轮旋转吸附剂在该装置内进行循环；下部腔室的外侧为烟道气加热夹层，夹层底部中心设有烟道气入口，夹层侧面设有烟道气出口，该烟道气出口通过管道与水汽化装置连接；
所述气体电离器包括放电极和集电极，烟道气与水蒸气混合装置内的的第一层挡板为放电极，与放电极相对的另一侧的挡板为集电极。
所述的二氧化碳收集及吸附剂再生装置，下部腔室设置成半圆柱体结构的原因是：上、下腔室里的吸附剂要靠齿轮的长锯齿带动，才能在上下腔室内循环，如果下部腔室也是和上部腔室一样是长方体，在长方体的下角部，齿轮锯齿达不到，就会使进入下部腔室的吸附剂部分遗留在下部腔室拐角，不能循环到上部腔室。
上述装置中，所述二氧化碳收集及吸附剂再生装置中的吸附剂为固态胺吸附剂。
上述装置中，所述绝缘层为橡胶或陶瓷。
上述装置中，所述二氧化碳收集及吸附剂再生装置的上部和下部之间设有两块阻隔板，齿轮轴两侧各一块，均为具有弹性的橡胶材料，两块阻隔板靠近齿轮轴的一侧均不固定，靠近二氧化碳收集及吸附剂再生装置前后壁的一侧被固定在上部腔室和下部腔室之间的前后内壁上。
上、下腔室内都有齿轮的锯齿，其中设置的阻隔板是橡胶材质的软的有弹性的长方形板，两块阻隔板靠近齿轮轴的一侧均不固定，但与齿轮轴接触。靠近二氧化碳收集及吸附剂再生装置前后壁的一侧被固定在上部腔室部和下部腔室之间的前后内壁上。在齿轮转动时，较长的锯齿会把软的有弹性的阻隔板顺着下腔壁打弯，等锯齿转过后，阻隔板会在下个锯齿到达阻隔板上方前回复到原来位置。阻隔板的存在不影响齿轮转动。
上述装置中，所述二氧化碳收集及吸附剂再生装置中的旋转齿轮具有2~4个锯齿。
上述装置中，所述二氧化碳-旋风分离器和废气-旋风分离器分别通过管道连接二氧化碳收集及吸附剂再生装置。
上述装置中，水汽化装置的顶部边长为200mm~1000mm，底部边长为1000mm~2000mm。
本发明提供了一种二氧化碳捕集及再生的方法，采用上述装置，包括以下步骤：
（1）烟道气从水汽化装置顶部中心的烟道气入口被引入到水汽化装置中；在水汽化装置中，烟道气从该装置内的储水夹层外壁通过，利用烟道气余热对水进行加热，使水汽化形成水蒸气，水蒸气和烟道气通过该装置下部的烟道气出口和水蒸汽出口进入烟道气与水蒸气混合装置中；
（2）进入烟道气与水蒸气混合装置的烟道气和水蒸气首先被气体电离器电离，在挡板的作用下烟道气和水蒸气充分混合，然后混合气通过烟道气与水蒸气混合装置底部中心的出口进入二氧化碳收集及吸附剂再生装置；
（3）水蒸气和烟道气的混合气被引入到二氧化碳收集及吸附剂再生装置上部，混合气中的二氧化碳被处于该装置中旋转齿轮的锯齿间的固态胺吸附剂所吸附，去除二氧化碳后的烟道气由废气吸附剂气固混合物出口进入废气-旋风分离器，废气携带的少量吸附剂被分离后通过管道重新进入二氧化碳收集及吸附剂再生装置的上部腔室中，废气由废气-旋风分离器顶部中心的纯废气出口排入大气；
（4）通过二氧化碳收集及吸附剂再生装置内旋转齿轮的旋转，吸附二氧化碳后的吸附剂被带入到下部腔室中，烟道气从底部的烟道气入口被引入到二氧化碳收集及吸附剂再生装置下部腔室的烟道气加热夹层中；吸附二氧化碳后的吸附剂被夹层中的烟道气加热，释放出二氧化碳，该装置下部烟道气加热夹层排出的烟道气通过管道进入水汽化装置中与其中的烟道气汇合，被碳释放出来的二氧化碳携带少量吸附剂经过二氧化碳吸附剂气固混合物出口进入二氧化碳-旋风分离器，分离出的二氧化碳从气固分离装置顶部中心的纯二氧化碳出口排出收集，二氧化碳所携带的少量吸附剂被分离后通过管道重新进入二氧化碳收集及吸附剂再生装置的上部腔室中；释放出二氧化碳的吸附剂，跟随旋转齿轮再次进入上部腔室进行二氧化碳的循环吸附。
上述方法中，所述烟道气来自燃煤电厂水泥窑厂或焦化厂。
本发明的有益效果：
（1）本发明实现了烟道气中二氧化碳的有效捕集，以减少二氧化碳的排放量；
（2）本发明利用了烟道气中低品位热能对水进行加热产生水蒸气，提高吸附剂对二氧化碳的吸附效果；
（3）本发明利用了烟道气中低品位余热对吸附剂进行加热再生，提高了整个吸附过程的能源效益，同时实现了二氧化碳吸附剂的循环利用，具有较高的吸附剂利用效率；
（4）本发明装置设备简单，体积小，结构紧凑，投资低。
（5）在烟道气与水蒸气混合装置中增设了气体电离器，使气体电离，有利于气体被吸附剂吸附。
附图说明
图1为循环再生二氧化碳捕集一体化装置的整体结构示意图；
图2为齿轮轴与阻隔板的相对位置俯视图。
图3为二氧化碳收集及吸附剂再生装置的侧视图。
图中，1：水汽化装置，1.1：烟道气入口，1.2：水补充口，1.3：储水夹层，1.4：烟道气出口，1.5：水蒸气出口；2：烟道气与水蒸气混合装置，2.1：挡板，2.2：混合气出口，2.3：绝缘层；3：气体电离器，3.1：放电极，3.2：集电极；4：二氧化碳收集及吸附剂再生装置，4.1：阻隔板，4.2：上部腔室，4.3：下部腔室；4.4：保温层，4.5：烟道气加热夹层，4.6：烟道气入口，4.7：烟道气出口，4.8：废气出口，4.9：吸附剂补充口，4.10：二氧化碳出口，4.11：管道，4.12：锯齿，4.13：旋转齿轮；5：二氧化碳-旋风分离器，5.1：纯二氧化碳出口，5.2：二氧化碳进口，5.3：吸附剂出口；6：废气-旋风分离器，6.1：纯废气出口，6.2：吸附剂出口，6.3：废气进口。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1~3所示，一种循环再生二氧化碳捕集一体化装置，包括水汽化装置1、烟道气与水蒸气混合装置2、气体电离器3、二氧化碳收集及吸附剂再生装置4、二氧化碳-旋风分离器5、废气-旋风分离器6；
所述水汽化装置，该装置正四棱台形，上部中心设有烟道气入口1.1，下部底面设有烟道气出口1.4和水蒸气出口1.5，中部侧面设有水补充口1.2，装置内部设有四棱台形储水夹层1.3，烟道气从储水夹层1.3外壁通过，对水进行加热气化；该装置下方连接烟气与水蒸气混合装置2；
所述烟道气与水蒸气混合装置，该装置为四方体形，顶部通过烟道气出口1.4和水蒸气出口1.5与水汽化装置1连接，该装置内部设有挡板2.1，底部中心设有混合气出口2.2，所述挡板分多层均匀平行设置，该装置上端连接气体电离器3；该装置的内壁上设有一层绝缘层2.3，以防止整个装置带电；该装置下方链接二氧化碳收集及吸附剂再生装置4；
所述二氧化碳收集及吸附剂再生装置，该装置上部为四方体形，下部为半柱形，下端侧面设有二氧化碳出口4.10，中间侧面设有废气出口4.8，二氧化碳出口4.10与废气出口4.8分别位于该装置的两侧，该装置的上部腔室4.2与下部腔室4.3之间设有阻隔板4.1，该阻隔板用来防止下部加热吸附剂释放出来的二氧化碳进入该装置上部腔室4.2，装置内部设有具有锯齿4.12的旋转齿轮4.13，通过齿轮旋转，处于锯齿间的吸附剂在该装置内进行循环；该装置下部外侧设有烟道气加热夹层4.5，夹层底部中心设有烟道气入口4.6，夹层侧面设有烟道气出口4.7，该出口通过管道4.11与水汽化装置1连接；
所述气体电离器3包括放电极3.1和集电极3.2，烟道气与水蒸气混合装置上端内侧的第一层挡板为放电极，与放电极相对的另一侧的挡板为集电极；
所述二氧化碳-旋风分离器，顶部中心设有纯二氧化碳出口5.1，上端侧面设有二氧化碳进口5.2，与二氧化碳进口相对的一侧下端设有吸附剂出口5.3，吸附剂出口5.3通过管道连接二氧化碳收集及吸附剂再生装置上部；
所述废气-旋风分离器，顶部中心设有纯废气出口6.1，上端侧面设有废气进口6.3，与废气入口相对的一侧下端设有吸附剂出口6.2，吸附剂出口6.2通过管道连接二氧化碳收集及吸附剂再生装置上部。
上述装置中，所述二氧化碳收集及吸附剂再生装置4中的吸附剂为固态胺吸附剂。
上述装置中，所述绝缘层2.3为橡胶或陶瓷。
上述装置中，所述二氧化碳收集及吸附剂再生装置4中的阻隔板4.1为具有弹性的橡胶材料，两块阻隔板靠近齿轮轴的一侧均不固定，靠近二氧化碳收集及吸附剂再生装置前后壁的一侧被固定在上部腔室部和下部腔室之间的前后内壁上。
上述装置中，所述二氧化碳收集及吸附剂再生装置4中的旋转齿轮4.13具有2~4个锯齿4.12。
上述装置中，所述二氧化碳-旋风分离器和废气-旋风分离器分别通过管道连接二氧化碳收集及吸附剂再生装置。
水汽化装置其作用是：允许烟道气从该装置顶部中心的入口被引入，烟道气从该装置内部的储水夹层的外壁通过，利用烟道气余热对水进行加热；使水汽化形成水蒸气，水蒸气和烟道气通过该装置底部的烟道气出口和水蒸气出口进入到烟道气与水蒸气混合装置中；
烟道气与水蒸气混合装置，汽化的水蒸气和烟道气被引入该装置中，其作用是：进入该装置的水蒸气和烟道气被设置在该装置上端的气体电离器电离，然后在该装置内的挡板的作用下，使水蒸气和烟道气充分混合；混合气通过该装置底部中心的出口进入到二氧化碳收集及吸附剂再生装置中；
二氧化碳收集及吸附剂再生装置，水蒸气和烟道气的混合气被引入该装置上部，其作用是：使混合气中的二氧化碳被处于该装置旋转齿轮的锯齿间的固态胺吸附剂所吸附，去除二氧化碳后的烟道气由废气出口进入废气-旋风分离器中，废气所携带的少量吸附剂被分离后通过管道重新进入该装置上部，纯废气由废气-旋风分离器顶部中心的气体出口排入大气；通过该装置内的旋转齿轮的旋转，吸附二氧化碳后的吸附剂被带入到该装置下部，吸附二氧化碳后的吸附剂被通过该装置下部夹层的烟道气加热，释放出二氧化碳，该装置下部烟道气加热夹层排出的烟道气通过管道进入水汽化装置中与从一体化装置顶部中心引入到水汽化装置中的烟道气汇合，被加热释放出来的二氧化碳携带少量吸附剂经过二氧化碳出口进入二氧化碳-旋风分离器，被分离的纯二氧化碳从二氧化碳-旋风分离器顶部中心的气体出口排出收集，二氧化碳携带的少量吸附剂被分离后通过管道重新进入该装置上部；释放出二氧化碳的吸附剂，跟随旋转齿轮的旋转再次进入到该装置的上部进行二氧化碳吸附循环；
气体电离器，其作用是：把烟道气和水蒸气中的气体电离；其中烟道气与水蒸气混合装置上端内侧的第一层挡板为放电极，与放电极相对的另一侧的挡板为集电极；
所述二氧化碳-旋风分离器为旋风分离器，其作用是：二氧化碳和吸附剂混合物从侧面进入到旋风分离器中，通过旋风分离，分离得到的二氧化碳从旋风分离器顶部中心气体出口排出收集，分离下的吸附剂从旋风分离器底部与二氧化碳收集及吸附剂再生装置连接的管道进入到二氧化碳收集及吸附剂再生装置中。
所述废气-旋风分离器为旋风分离器，其作用是：废气和吸附剂混合物从侧面进入到旋风分离器中，通过旋风分离，废气从旋风分离器顶部中心气体出口排入大气，分离下的吸附剂从旋风分离器底部与二氧化碳收集及吸附剂再生装置连接的管道进入到二氧化碳收集及吸附剂再生装置中。
采用上述装置进行二氧化碳捕及再生集的方法为：
首先把固态胺吸附剂从吸附剂补充口投入到二氧化碳收集及吸附剂再生装置中，打开旋转齿轮，让吸附剂在二氧化碳收集及吸附剂再生装置内形成循环。然后把水从水汽化装置上的水补充口注入到储水夹层里，储水高度不超过注水口的高度。
然后把来自燃煤电厂或类似地方的烟道气烟道气从水汽化装置顶部中心的烟道气入口被引入到水汽化装置中；水汽化装置上台面边长可以为200mm~1000mm，下台面边长1000mm~2000mm，在水气化装置中，烟道气从该装置内的储水夹层的外壁通过，利用烟道气余热对水进行加热，使水汽化形成水蒸气，从而回收烟道气余热，水蒸气和烟道气通过该装置下部的烟道气出口和水蒸汽出口进入烟道气与水蒸气混合装置中。
进入烟道气与水蒸气混合装置中的烟道气和水蒸气首先被气体电离器电离，然后在该装置内挡板的作用下烟道气和水蒸气充分混合，然后混合气通过烟道气与水蒸气混合装置底部中心的混合气出口进入二氧化碳收集及吸附剂再生装置中。
水蒸气和烟道气的混合气被引入到二氧化碳收集及吸附剂再生装置的上部腔室，混合气中的二氧化碳被处于该装置中旋转齿轮的锯齿间的固态胺吸附剂所吸附，去除二氧化碳后的烟道气由废气出口进入到废气-吸附剂气固分离装置中，废气携带的少量吸附剂被废气-吸附剂气固分离装置分离后通过管道重新进入上部腔室中，纯废气由废气-吸附剂气固分离装置顶部中心的纯废气出口6.1排入大气；
通过二氧化碳收集及吸附剂再生装置内旋转齿轮的旋转，吸附二氧化碳后的吸附剂被带入到下部腔室，烟道气从底部的烟道气入口被引入到二氧化碳收集及吸附剂再生装置下部腔室的烟道气加热夹层中；吸附二氧化碳后的吸附剂被夹层中的烟道气加热，释放出二氧化碳，该装置下部烟道气加热夹层排出的烟道气通过管道进入水汽化装置中与其中的烟道气汇合，被释放出来的二氧化碳进入二氧化碳-吸附剂气固分离装置中，被二氧化碳-吸附剂气固分离装置分离出的纯二氧化碳从顶部中心的纯二氧化碳出口5.1排出收集，二氧化碳所携带的少量吸附剂被分离后通过管道重新进入上部腔室；释放出二氧化碳的吸附剂，跟随旋转齿轮再次进入上部腔室进行二氧化碳吸附循环。