一种微波加热辅助解吸过程的变温吸附碳捕集系统的制作方法

本发明涉及一种微波辅助脱附碳捕集技术领域，具体涉及到一种微波加热辅助解吸过程的变温吸附碳捕集系统。

背景技术：

根据美国国家海洋和大气管理局设在夏威夷的冒纳罗亚火山温室气体监测站观测，2017年9月大气中二氧化碳平均浓度达到403.38ppm，比去年同期平均浓度增加2.35ppm。尽管与燃烧化石燃料有关的法规和指南越来越多，以及包括太阳能和风力发电在内的低碳技术的得到迅速发展，但是大气中二氧化碳的浓度仍然以惊人的速度攀升。联合国的一份新报告显示，去年全球碳排放的量达到了近三百万年的最高值。为了缓解温室效应的影响，降低大气中温室气体的含量迫在眉睫。由于空气中二氧化碳浓度较低，直接从空气中捕集二氧化碳非常低效，故控制大型二氧化碳排放源如电厂、水泥厂和冶炼厂等地的二氧化碳排放至关重要。目前，从燃煤电厂烟气中捕集二氧化碳已经成为了一种缓解温室效应的重要方式。

目前，主流的碳捕集方法有三种，包括吸收法碳捕集、吸附法碳捕集、膜分离法碳捕集。其中，吸附法具备工艺流程简单、能耗低设备简单、易实现自动化操作以及不用考虑腐蚀性问题等优势，非常具有前景。吸附法碳捕集主要包括变温吸附、变压吸附和变电吸附三种方式，其中变温吸附过程简单，适合分布式碳捕集系统，但是其捕集二氧化碳的生产率较低，本发明通过微波装置和冷却装置大大缩短了吸附循环的耗时，提高了生产率。

与常规的加热再生方式相比，微波加热技术具备很多优势。微波加热可对吸附材料里外一起加热，加热极快，瞬时达到高温，热损耗小、热效率高，可大量节省能量；微波加热加热均匀，微波场中温度梯度极小，故热效率高；由于微波可以透射到吸附材料内部进行加热，物料的温升不依靠热传导，不再由物料表面向里层传热，所以，吸附材料的升温速率很快，采用微波加热法可以很快的达到解吸所需要的温度；此外，相对于常规加热，微波加热法设备的占地面积更小，且更有利于实现高自动化的控制方式。

一方面，部分发明者主要以开发新型的吸附剂材料来进行创新。如公开号为cn105664850a的专利提供的一种高性能碳基二氧化碳吸附材料的制备方法，通过引入强金属性金属阳离子掺杂碳材料，从而获得在低压下对二氧化碳具有良好吸附性能的吸附材料，其制备方法简便、易于放大，具有很好的普适性。还有如公开号为cn106378091a的专利提出了一种用氮掺杂的碳纳米纤维吸附材料的二氧化碳吸附剂，所获得的碳纳米纤维吸附材料对二氧化碳具有较好的吸附容量、较高的选择性及循环稳定性，所制备的碳纳米纤维具有良好的柔性和机械强度，可操作性强，可满足不同排放场所的二氧化碳捕集需要。以上的申请专利，只是针对碳捕集过程使用的吸附剂的品种进行开发，并没有涉及到变温吸附过程使用的对吸附剂的加热方法，和系统层面上的描述创新，不存在工艺上的创新，且吸附过程的解吸的加热时间过长的确定并没有克服。

另一方面，一些发明者尝试在二氧化碳捕集的设备上如吸附塔结构上进行创新。例如公告号为cn107126814a的专利提出一种用于变压吸附的新型径向流吸附塔，原料气由中心管通道经分流管导入环形外通道,并径向流入吸附剂层,经吸附分离后进入环形内通道,气体在吸附塔外、内通道中的流动构成了u型流动方式,使外、内通道中的静压变化趋势在气流的轴向流动方向上相同,实现气流的均匀分布，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。又如申请号为au20070902503的专利(中国公开号cn101795750a)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。这些专利虽然在设备层面上进行优化，但是依旧没有解决常规的吸附过程的能耗过高和，解吸时间长，效率低下的弊病。

综合以上来看现有的专利并不能解决当前的碳捕集吸附过程的固有问题，即解吸过程能耗高，速率慢，循环率低的问题。目前需要一种全新的解吸加热方法来促进解吸过程快速高效的进行

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，本发明提供一种微波加热辅助解吸过程的变温吸附碳捕集系统，以微波加热辅助解吸技术和变温吸附碳捕集技术为核心，同时使用冷却塔加快解吸后床层冷却的速度，满足在保证能耗的条件下，提高碳捕集生产率的需求。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种微波加热辅助解吸过程的变温吸附碳捕集系统，由变温吸附碳捕集单元、微波解吸单元以及冷却单元组成；所述碳捕集单元包括空压机、第一电控阀、第二电控阀、第一吸附塔、第二吸附塔和四通换向阀；所述空压机的进气口与经过预处理的燃煤电厂烟气的管道入口相连；所述空压机的排气口与进气总管路相连，所述进气总管的末端分为并联的两条支路分别与第一吸附塔、第二吸附塔相连，所述第一电控阀、第二电控阀分别设置在每条支路上，所述第一吸附塔和第二吸附塔的上部出气口分别连接至所述四通换向阀的两个进口；所述四通换向阀的一个出口通向大气出口，所述四通换向阀的另一个出口通向富集co2气体出口；所述微波解吸单元包括分别设置在所述第一吸附塔和第二吸附塔上的微波加热装置；所述第一吸附塔和所述第二吸附塔的外围包裹有保温层；所述冷却塔的出口连接至所述水泵的进口，所述水泵的出口通过所述第一电控三通阀分别与所述第一吸附塔和第二吸附塔的工质进口相连，所述第一吸附塔和第二吸附塔的工质出口与第二电控三通阀相连后，再连接至所述冷却塔的进口。

进一步讲，所述第一吸附塔和第二吸附塔中填充的吸附材料为沸石13x。

所述第一吸附塔和第二吸附塔的吸附温度范围为20℃-35℃，解吸温度范围为110℃-130℃。

本发明微波加热法辅助变温吸附碳捕集的解吸升温过程，同时冷却塔加速降温过程，以缩短循环耗时，提高变温吸附捕集二氧化碳的生产率。与现有技术相比，有益效果是：

(1)微波解吸单元为变温吸附碳捕集单元提供解吸过程所需的热量，其具有加热速度快、能源利用率高的优势，且变温吸附碳捕集的解吸能耗显著低于吸收法碳捕集

(2)采用微波解吸单元和冷却单元加速脱附和吸附过程，提高了co2捕集的生产率，有利于工业生产。

(3)采用微波解吸单元和冷却单元保证吸附过程的低温(20℃-35℃)以及脱附过程的高温(110℃-130℃)，保证了沸石13x吸附能力的最大化。

(4)采用两个或多个反应塔的循环模式能够确保变温吸附碳捕集过程的连续性，提高二氧化碳捕集速率，有利于工业生产。

附图说明

图1为本发明一种微波加热辅助解吸过程的变温吸附碳捕集系统示意图。

图中：

1-燃煤电厂烟气的管道入口2-空压机3-第一电控阀

4-第二电控阀5-第一吸附塔6-第二吸附塔

7-四通换向阀8-大气出口9-富集co2气体出口

10-水循环冷却塔11-水泵12-第一电控三通阀

13-微波加热装置14-保温层15-第二电控三通阀

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的微波加热辅助解吸过程的变温吸附碳捕集系统是一种利用微波加热的方法提供解吸所需的温度，利用冷却塔提供吸附所需要的温度，再与普通变温吸附系统相结合，以达到相对较低的能耗、高产率捕集电厂烟气中co2的需求。

如图1所示，本发明一种微波加热辅助解吸过程的变温吸附碳捕集系统，由变温吸附碳捕集单元、微波解吸单元以及冷却单元组成。

所述碳捕集单元包括空压机2、第一电控阀3、第二电控阀4、第一吸附塔5、第二吸附塔6和四通换向阀7。所述第一吸附塔5和第二吸附塔6中填充的吸附材料为沸石13x。所述空压机2的进气口与经过预处理的燃煤电厂烟气的管道入口1相连；所述空压机2的排气口与进气总管路相连，所述进气总管的末端分为并联的两条支路分别与第一吸附塔5、第二吸附塔6相连，所述第一电控阀3、第二电控阀4分别设置在每条支路上，所述第一吸附塔5和第二吸附塔6的上部出气口分别连接至所述四通换向阀7的两个进口；所述四通换向阀7的一个出口通向大气出口8，所述四通换向阀7的另一个出口通向富集co2气体出口9，从而在燃煤电厂烟气的管道入口1、第一吸附塔5、第二吸附塔6、大气出口8、富集co2气体出口9之间形成烟气路。

所述微波解吸单元包括微波加热装置13、保温层14以及反应釜体，其中的反应釜体由第一吸附塔5和第二吸附塔6充当，所述微波加热装置13的主要作用是产生解吸所需要的微波能量，进而转换为热能；所述保温层14可以减少能量的损失。所述第一吸附塔5和第二吸附塔6是实现吸附质与微波场相互作用的空间，微波能量在此转化成热能以实现解吸脱附的过程。本发明中，所述第一吸附塔5和第二吸附塔6的吸附温度范围为20℃-35℃，解吸温度范围为110℃-130℃。

所述冷却单元由冷却塔10、水泵11、第一电控三通阀12和第二电控三通阀15构成；所述冷却塔10的出口连接至所述水泵11的进口，所述水泵11的出口通过所述第一电控三通阀12分别与所述第一吸附塔5和第二吸附塔6的工质进口相连，所述第一吸附塔5和第二吸附塔6的工质出口与第二电动三通阀15相连，再连接至所述冷却塔10的进口。从而在冷却塔10、水泵11、第一吸附塔5和第二吸附塔6之间形成冷却水回路。所述冷却塔10的冷却工质为水，冷却水从两个吸附塔上方进入，冷却吸附塔后又流回冷却塔中，此过程由水泵11提供动能。

所述燃煤电厂烟气的管道入口1，可通过管件并联多条支路，若采用多组双吸附塔，则其结构设置完全相同，每组双反应塔结构设置在每条进气支管路的末端与所述四通换向阀(7)之间。冷却水路和微波单元保证吸附过程低温(20℃-35℃)以及解吸过程高温(110℃-130℃)，确保沸石的工作工作能力。

本发明中碳捕集单元的工作流程是经过预处理的含二氧化碳的燃煤电厂烟气经如图1中状态1所示的第一电子阀3进入第一吸附塔5中，在被冷却水回路的冷却的第一吸附塔5(20℃-35℃)内被沸石13x吸附，余下的烟气被排放在大气8中；此时，经微波加热装置加热的第二吸附塔6(110℃-130℃)开始解吸过程，释放高浓度co2，并经过四通换向阀7排出，完成二氧化碳的捕集过程。假设碳捕集单元的第一个循环完成，四通换向阀7顺时针转90度，此时第二电子阀4打开，如图1中状态2所示，此时第一吸附塔5中发生解吸过程，第二吸附塔6中发生吸附过程，进而实现双塔吸收、解吸状态的切换。

本发明中微波解吸单元的工作流程是，微波加热装置13产生微波，当四通换向阀7在状态1时，对第二吸附塔6进行加热；当四通换向阀7在状态2时，对第一吸附塔5进行加热，以维持110℃-130℃的解吸温度。

本发明中冷却单元的工作流程是，在当四通换向阀7在状态1时，冷却水通过第一电控三通阀12进入第一吸附塔5中，对其进行冷却，在当四通换向阀7在状态2时，冷却水通过第二电控三通阀15进入第二吸附塔6中，对其进行冷却，以维持20℃-35℃的解吸温度，冷却水路通过第一电控三通阀12的切换，实现不同吸附塔(第一吸附塔5和第二吸附塔6)之间的切换。第二电控三通阀15控制冷却水的回流。

综上，本发明利用微波加热的方法提供解吸所需的温度，利用冷却塔提供吸附所需要的温度，再与普通变温吸附系统相结合，以达到相对较低的能耗、高产率捕集电厂烟气中co2的需求。冷却单元保证吸附过程低温(20℃-35℃)，微波单元保证解吸过程高温(110℃-130℃)，以确保沸石的工作能力。

本发明具有加热速度快、能源利用率高的优势，且变温吸附碳捕集的解吸能耗显著低于吸收法碳捕集；采用微波解吸单元和冷却单元加速脱附和吸附过程，提高了co2捕集的生产率；采用微波解吸单元和冷却单元保证吸附过程的低温(20℃-35℃)以及脱附过程的高温(110℃-130℃)，保证了沸石13x吸附能力的最大化；采用两个或多个反应塔的循环模式能够确保变温吸附碳捕集过程的连续性，提高二氧化碳捕集速率，有利于工业生产。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明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发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。