一种基于气汽换热吸附装置的强化系统及方法与流程

1.本发明属于空气捕集技术关键设备技术领域，具体涉及一种基于气汽换热吸附装置的强化系统及方法。


背景技术：

2.近年来，碳中和技术在工业领域应用广泛，在学术领域也成为研究热点。其中，碳捕集与封存技术(carbon capture and sequestration,ccs)的捕集对象主要是工业固定源排放的co2，而直接空气捕集技术(direct air capture,dac)可以针对约占50％总排放分布源的co2，从而显著降低co2排放量，减少碳排放造成的全球变暖等问题。
3.直接空气捕集技术对于co2捕集的效果较优，现行的直接空气捕集技术着力于开发低成本、高通量、高选择性的规模化吸附材料以及研发高效低成本的设备，寻找可再生能源耦合的新技术与新途径，例如开发太阳能、风能等驱动吸附剂再生的新工艺。但是目前现有的空气捕集设备成本造价较高，且吸附材料利用率较低，因此，针对空气捕集设备的改进进而提高co2捕集率是降低成本的关键。
4.现有的空气捕集设备存在的技术问题包括：目前dac在工业领域涉及较少且dac技术的关键设备研究较少。针对co2吸附剂提供热量的方法仍沿用传统的材料加热技术，加热效率较低，受热不够均匀，且蒸汽潜热，能耗较大，当捕集的co2浓度较低时，或处于常温常压的反应条件下，或者环境中存在水汽时，会增加捕集成本高，影响捕集吸附效果，同时现有的空气捕集设备再生能耗大，占地面积大，在空间有限的情况下不易布置。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于气汽换热吸附装置的强化系统及方法，能够强化热利用效率，捕集吸附效果好，降低能耗，同时系统空间操作灵活，降低捕集成本。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种基于气汽换热吸附装置的强化系统，包括吸附/解吸附装置、气体换热系统以及蒸汽换热系统；
8.其中，所述吸附/解吸附装置内装有吸附材料，所述吸附/解吸附装置的一端设置有吸附风机，另一端开设有空气进口；
9.所述气体换热系统包括依次连接的co2气瓶、加热炉和气体缓冲罐，所述气体缓冲罐的出气端通过三通阀与吸附/解吸附装置的进气端连接；
10.所述蒸汽换热系统包括依次连接的去离子水处理器和水蒸汽发生器，所述水蒸汽发生器的出气端通过三通阀与吸附/解吸附装置的进气端连接。
11.优选地，所述水蒸气发生器上设置有水蒸气温度检测仪、水蒸气压力计和水蒸气泄压阀。
12.优选地，所述气体缓冲罐上设置有气体温度检测仪、压力计和安全阀。
水蒸气温度检测仪，22-水蒸气压力计，23-水蒸气泄压阀，24-水蒸气输送阀，25-水蒸气流量计，26-三通阀，27-吸附/解吸附装置，28-吸附风机，29-空气进口，30-吸附装置出口阀，31-解吸附风机，32-气体出口三通阀，33-气液分离器，34-气体储罐，35-循环气体流量计，36-循环气体阀，37-气体分析输送阀，38-冷却罐泄气阀，39-冷却罐，40-co2浓度分析仪，41-分析气泵，42-co2去储罐处理。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的原理和特征做进一步的详细说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
29.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
30.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
31.本发明提供一种基于气汽换热吸附装置的强化系统，如图1所示，包括吸附/解吸附装置、气体换热系统以及蒸汽换热系统；
32.其中，所述吸附/解吸附装置内装有吸附材料，所述吸附/解吸附装置的一端设置有吸附风机，另一端开设有空气进口；
33.所述气体换热系统包括依次连接的co2气瓶、加热炉和气体缓冲罐，所述气体缓冲罐的出气端通过三通阀与吸附/解吸附装置的进气端连接；
34.所述蒸汽换热系统包括依次连接的去离子水处理器和水蒸汽发生器，所述水蒸汽发生器的出气端通过三通阀与吸附/解吸附装置的进气端连接。
35.本发明设计了一种基于气汽换热吸附装置的强化系统，该强化系统通过吸附/解吸附装置内的吸附材料产生化学反应吸附捕集二氧化碳，具有较强的反应动力学和较快的反应速率，同时相较于传统的加热工艺，本发明所述的强化系统中采用换热升温后的气/汽介质为脱附过程提供热量，气/汽配比的供热方式，避免了单纯蒸汽的加热能耗较大，热量利用率不高的问题，也避免了气体热量提供方式时吸附材料在干式环境中孔结构不理想的问题。此外，本发明中同时设置了蒸汽换热系统和气体换热系统两路换热系统，通过三通阀与吸附/解吸附装置连接，可以根据吸附/解吸附装置内吸附材料的不同，灵活选择某路换热系统输入为吸附脱附过程提供热量，根据需求在三通阀前支路上先分别进行控制计量后，混合送入吸附装置，从而满足不同解吸附材料的条件。本发明所述的基于气汽换热吸附装置的强化系统强化了热利用效率，捕集吸附效果好，降低了加热能耗，且成本低廉、系统结构简单，方便布置，操作灵活切换，能够满足不同吸附材料和工艺的耦合过程，适用范围广。
36.其中，所述蒸汽换热系统为解吸附过程提供热量，自来水经过去离子水处理器软
化，去除一些重金属离子，避免长时间的运行后在吸附剂表面形成结垢，堵塞吸附孔道；软化后的去离子水由水蒸汽发生器生成蒸汽，经过水蒸气输送阀和水蒸气流量计计量，经三通阀送入解吸附装置，为脱附过程提供热量，完成吸附材料的再生和二氧化碳的脱附。
37.进一步地，水蒸气发生器设置水蒸气温度检测仪、水蒸气压力计和水蒸气泄压阀，保证运行的安全和过程中参数的记录。
38.其中，所述气体换热系统，通过控制co2气瓶的减压阀，经质量流量计计量后，由管式加热炉进口阀进入管式加热炉加热，再进入气体缓冲罐，由管式加热炉出口阀控制气体流量，经过出口气体流量计计量后，由三通阀送入吸附装置，为脱附过程提供热量，完成吸附材料的再生和二氧化碳的脱附。
39.进一步地，所述气体换热系统还包括与所述加热炉的入口连接的n2气瓶，首先控制氮气瓶的减压阀，由氮气吹扫系统一段时间，更方便计量系统的二氧化碳。
40.进一步地，气体缓冲罐设置气体温度检测仪、压力计、安全阀，保证系统的安全和数据记录。
41.进一步地，本发明可根据气体缓冲罐的气体温度检测仪数据反馈，控制管式炉控制器的设定调节。
42.进一步地，本发明可根据管式加热炉出口的气体流量，利用变频调节风机进一步控制，再由气体全开阀经出口气体流量计计量后，由三通阀送入吸附装置。
43.进一步地，本发明设计的蒸汽和气体两条换热系统可以根据吸附装置内的吸附材料不同，灵活输入，根据需求在三通阀前支路上的出口气体流量计和水蒸气流量计分别进行控制计量后，混合送入吸附装置，从而满足不同解吸附材料的条件。
44.其中，所述吸附/解吸附装置的出口端通过气体出口三通阀连接有气体循环回路，所述气体循环回路将解吸附后的高浓度co2气体，经吸附装置出口阀，在解吸附风机的作用下，由气体出口三通阀分出一支路作为二氧化碳循环回路。
45.进一步地，由气体出口三通阀分出的co2气体循环回路，经过气液分离器初步气液分离后，液体并入自来水，一起送入去离子水处理器处理后继续循环使用。
46.进一步地，所述气体循环回路经气液分离器后的气体，送入气体储罐，由循环气体流量计计量后，经循环气体阀并入co2的气体流量计，进入气体换热系统循环使用。
47.其中，所述吸附/解吸附装置的出口端通过气体出口三通阀连接有气体分析处理系统，解吸附后的高浓度co2气体，进入气体出口三通阀分出的另一支路气体分析处理系统中，由气体分析输送阀送至冷却罐初步降温分离后，部分气体进行co2浓度分析，其余气体去储罐处理。
48.进一步，冷却罐设置了冷却罐泄气阀，保证高温汽体的安全和进一步降温后有利于后续气体的浓度分析检测；
49.进一步，部分气体在分析气泵的作用下，抽取气体进行co2浓度分析仪的在线分析，记录数据。
50.本发明还提供一种基于气汽换热吸附装置的强化方法，包括如下步骤：
51.所述吸附风机将空气中的二氧化碳从空气进口送入所述吸附/解吸附装置内进行二氧化碳的吸附；
52.将自来水经去离子水处理器软化后，送入水蒸气发生器生成水蒸气后送入所述吸
附/解吸附装置内进行吸附材料的再生和二氧化碳的脱附；
53.或者将co2气瓶中的二氧化碳气体送入加热炉加热，将加热后的二氧化碳气体通过气体缓冲罐送至所述吸附/解吸附装置内进行吸附材料的再生和二氧化碳的脱附，完成二氧化碳的吸附和脱附。
54.实施例
55.本实施例中提供一种基于气汽换热吸附装置的强化系统，如图1所示，由吸附/解吸附装置、气体换热系统、蒸汽换热系统、气体循环回路、气体分析处理系统等构成。
56.其强化的工作原理如下：
57.首先，吸附过程主要由吸附/解吸附装置27完成，在吸附风机28的作用下，空气中约400ppm的二氧化碳从空气进口29进入吸附/解吸附装置27，与装置内的吸附材料互相作用捕集，完成吸附过程。
58.脱附过程设置两条换热系统，一条为蒸汽换热系统，自来水17经过去离子水处理器18软化后，通过去离子水输送泵19送入水蒸气发生器20，水蒸气发生器20设置水蒸气温度检测仪21、水蒸气压力计22和水蒸气泄压阀23，保证运行的安全和过程中参数的记录，由水蒸气输送阀24经水蒸气流量计25计量后，通过三通阀26送入吸附/解吸附装置27，为脱附过程提供热量，完成吸附材料的再生和二氧化碳的脱附。
59.另一条为气体换热系统，为方便计量，由n2气瓶2的氮气经n2气瓶减压阀4吹扫系统后，由co2气瓶1来的二氧化碳气体经co2气瓶减压阀3，经过气体流量计5计量后，由管式加热炉进口阀6进入管式加热炉7，由管式炉控制器8加热气体到设定温度，经过加热之后的气体送入气体缓冲罐9，缓冲罐设置气体温度检测仪10、压力计11、安全阀12，保证系统的安全和数据记录，根据气体温度检测仪10的数据反馈控制管式炉控制器8的设定调节，再由管式加热炉出口阀13，根据气体流量情况经过变频调节风机14和气体全开阀15，由出口气体流量计16计量，经过三通阀26送入吸附/解吸附装置27，为脱附过程提供热量，完成吸附材料的再生和二氧化碳的脱附。
60.经过解吸附后的高浓度co2气体，经吸附装置出口阀30，在解吸附风机31的作用下，由气体出口三通阀32分出一支路作为二氧化碳循环回路，经过气液分离器33分离后，液体并入自来水17，一起送入去离子水处理器18处理；气体送入气体储罐34，由循环气体流量计35计量后，经循环气体阀36并入co2的气体流量计5，进入气体换热系统。
61.另一支路由气体出口三通阀32送入气体分析输送阀37，经过设置了冷却管泄气阀38的冷却罐39初步降温分离后，在分析气泵41的作用下，抽取气体进行co2浓度分析仪40在线分析，其余的气体由co2去储罐处理42进一步处理。
62.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。