一种工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统

1.本发明涉及二氧化碳气体捕获技术领域，特别涉及一种直接空气捕获系统。


背景技术：

2.直接空气捕获(dac)是一种高效的负排放技术，可以捕获分布式碳排放源。然而dac技术的平均能源在吸附过程中需求约为80％的热能且风机需求约20％的电能，耗能大，成本高，无法大面积商业化。在钢铁冶炼、有色金属冶炼、非金属加工及石油化工业中，大量余热以低压蒸汽的型式存在而无法得到有效利用。
3.如果能利用这些低压蒸汽来实现空气吸取及二氧化碳提纯，可以实现dac系统的近零能耗运行。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统，该工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统通过将外部热源提供的低压蒸汽输送到dac系统中带动蒸汽膨胀机为风机和二氧化碳压缩机提供动能降低dac系统的能耗，并且蒸汽膨胀机工作产生的乏汽为汽水分离器提供能量而使汽水分离器无需另外提供电能。
5.为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：
6.在第一方面中，本技术提供一种工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统，其特征在于，包括热源、第一蒸汽膨胀机、二氧化碳吸附/脱附单元以及风机。在该实施方式中，所述热源用于供给第一蒸汽，所述第一蒸汽膨胀机用于基于所述第一蒸汽来驱动所述风机，所述风机用于将含二氧化碳的流体输送到所述二氧化碳吸附/脱附单元；
7.所述二氧化碳吸附/脱附单元用于实施以下步骤的一种或两种：步骤a：吸附流经该二氧化碳吸附/脱附单元的流体中的二氧化碳，得到第一凝结水和经过二氧化碳吸附的流体；以及步骤b：脱附由该二氧化碳吸附/脱附单元吸附的二氧化碳，得到富含水蒸气的二氧化碳。
8.在第一方面的一种实施方式中，本文所述的工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括汽水分离器，所述汽水分离器用于将所述第一蒸汽膨胀机产生的乏汽分离成第二蒸汽和第二凝结水，其中第二蒸汽用于脱附由所述二氧化碳吸附/脱附单元吸附的二氧化碳，得到富含水蒸气的二氧化碳。
9.在第一方面的一种实施方式中，本文所述的工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括第二蒸汽膨胀机、二氧化碳压缩机和任选的二氧化碳脱水单元。在该实施方式中，所述第二蒸汽膨胀机用于基于所述第一蒸汽来驱动所述二氧化碳压缩机，所述二氧化碳压缩机用于压缩来自二氧化碳吸附/脱附单元的富含水蒸气的二氧化碳，得到经过压缩的二氧化碳，所述二氧化碳脱水单元用于对所述经过压缩的二氧化碳进行脱水，得到脱水二氧化碳和第四凝结水。
10.在第一方面的一种实施方式中，本文所述的工业余热驱动的近零能耗直接空气捕
集系统还包括汽水分离器，所述汽水分离器还用于将所述第二蒸汽膨胀机产生的乏汽分离成第三蒸汽和第三凝结水，其中第三蒸汽用于脱附由所述二氧化碳吸附/脱附单元吸附的二氧化碳，得到富含水蒸气的二氧化碳。
11.在第一方面的一种实施方式中，所述汽水分离器还用于将所述第一蒸汽膨胀机产生的乏汽分离成第二蒸汽和第二凝结水，其中第二蒸汽用于脱附由所述二氧化碳吸附/脱附单元吸附的二氧化碳，得到富含水蒸气的二氧化碳。
12.在第一方面的一种实施方式中，所述含二氧化碳的流体为空气，所述第一蒸汽为低压蒸汽，且所述第一蒸汽的压力值小于等于0.5mpag。
13.在第一方面的一种实施方式中，所述二氧化碳吸附/脱附单元包括吸附剂，用于吸附二氧化碳。
14.在第一方面的一种实施方式中，所述二氧化碳吸附/脱附单元包括一个反应器，当向该反应器输入含二氧化碳的流体时，在该反应器中实施步骤a，且当向该反应器中输入蒸汽时，在该反应器中实施步骤b。
15.在第一方面的一种实施方式中，所述二氧化碳吸附/脱附单元包括至少第一反应器和第二反应器，所述第一反应器用于实施步骤a，所述第二反应器用于实施步骤b；其中，所述第一反应器包括用于吸附二氧化碳的吸附剂，且所述第一反应器中吸附了二氧化碳之后的吸附剂能转移至所述第二反应器。
16.在第一方面的一种实施方式中，所述工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统包括热源、第一蒸汽膨胀机、二氧化碳吸附/脱附单元、风机以及汽水分离器。所述热源用于供给低压蒸汽；所述第一蒸汽膨胀机一端连通所述热源；所述二氧化碳吸附/脱附单元包括吸附剂，用于吸附流经该二氧化碳吸附/脱附单元的空气中的二氧化碳并将除去二氧化碳的空气排出；所述风机一端连通所述第一蒸汽膨胀机，另一端连通所述二氧化碳吸附/脱附单元，用于吸入空气并将空气输送到所述二氧化碳吸附/脱附单元；所述汽水分离器一端连通所述第一蒸汽膨胀机，另一端连通所述二氧化碳吸附/脱附单元，用于将所述第一蒸汽膨胀机产生的乏汽分离出蒸汽并输送到所述二氧化碳吸附/脱附单元，以将所述吸附剂中的二氧化碳脱附从而使所述吸附剂再生。
17.根据本发明的一实施方式，其中，所述工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括：蒸汽总管、第一蒸汽膨胀机入口管道和风机出口管路，其中，所述第一蒸汽膨胀机依次通过所述第一蒸汽膨胀机入口管道和所述蒸汽总管连通于所述热源；所述风机包括空气入口，且通过所述风机出口管路连通所述二氧化碳吸附/脱附单元，以在所述第一蒸汽膨胀机的作用下将从所述空气入口吸入的空气输送到所述二氧化碳吸附/脱附单元。
18.根据本发明的一实施方式，其中，所述工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括：第一蒸汽膨胀机出口管道、汽水分离器入口管道和汽水分离器出口管道，其中，所述第一蒸汽膨胀机依次通过所述第一蒸汽膨胀机出口管道和所述汽水分离器入口管道连通所述汽水分离器以将所述乏汽输送到所述汽水分离器；所述汽水分离器通过所述汽水分离器出口管道连通所述二氧化碳吸附/脱附单元。
19.根据本发明的一实施方式，其中，所述二氧化碳吸附/脱附单元还包括出气口和凝结水出口，以将分离后的空气和凝结水分别排出。
20.根据本发明的一实施方式，其中，所述工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系
统还包括：第二蒸汽膨胀机、二氧化碳压缩机和二氧化碳脱水单元，其中，所述第二蒸汽膨胀机连通所述热源，所述二氧化碳压缩机一端连接所述第二蒸汽膨胀机，另一端连通所述二氧化碳脱水单元。
21.根据本发明的一实施方式，其中，所述工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括：第二蒸汽膨胀机入口管道和第二蒸汽膨胀机出口管道，其中，所述第二蒸汽膨胀机通过第二蒸汽膨胀机入口管道连通所述热源，且依次通过所述第二蒸汽膨胀机出口管道和所述汽水分离器出口管道连通所述汽水分离器，以将所述第二蒸汽膨胀机产生的乏汽输送到所述汽水分离器。
22.根据本发明的一实施方式，其中，所述工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括：二氧化碳压缩机入口管道，其中，所述二氧化碳吸附/脱附单元通过所述二氧化碳压缩机入口管道连通所述二氧化碳压缩机，以在所述第二蒸汽膨胀机的作用下将从所述二氧化碳吸附/脱附单元输入的含水蒸汽的二氧化碳增压。
23.根据本发明的一实施方式，其中，所述工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括：二氧化碳压缩机出口管道，其中，所述二氧化碳压缩机通过所述二氧化碳压缩机出口管道连通所述二氧化碳脱水单元，以将增压后的二氧化碳输送到所述二氧化碳脱水单元进行脱水。
24.根据本发明的一实施方式，其中，所述二氧化碳脱水单元包括：二氧化碳出气口和凝结水出口，以将分离后的二氧化碳和凝结水分别排出。
25.根据本发明的一实施方式，其中，所述热源的低压蒸汽源于工业余热，且所述低压蒸汽的压力值小于等于0.5mpag。
26.本发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：
27.本发明的工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统包括热源、第一蒸汽膨胀机、二氧化碳吸附/脱附单元、风机、汽水分离器、第二蒸汽膨胀机、二氧化碳压缩机和二氧化碳脱水单元。热源的低压蒸汽压力值小于等于0.5mpag源于钢铁冶炼、有色金属冶炼、非金属加工及石油化工业中大量的余热。热源的低压蒸汽引入第一蒸汽膨胀机和第二蒸汽膨胀机通过气体膨胀降压产生机械能从而带动风机和二氧化碳压缩机工作。风机直接吸取空气，输入二氧化碳吸附/脱附单元，利用其中的吸附剂将二氧化碳吸附并存储在其中，将除去二氧化碳的空气排出。第一蒸汽膨胀机和第二蒸汽膨胀机产生的乏汽供给到汽水分离器，在其中将乏汽分离出蒸汽输送到二氧化碳吸附/脱附单元为吸附剂脱附二氧化碳使得吸附剂再生。二氧化碳压缩机能够将二氧化碳吸附/脱附单元输送过来的富含水蒸汽的二氧化碳增压送入二氧化碳脱水单元进行脱水得到高纯度的二氧化碳。
附图说明
28.通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
29.图1是根据一示例性实施方式示出的一种工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统的示意图。在图1中，以空气作为含二氧化碳的流体的示例。
30.其中，附图标记说明如下：
31.1、热源；11、蒸汽总管；12、第一蒸汽膨胀机入口管道；13、风机出口管路；14、第一
蒸汽膨胀机出口管道；15、汽水分离器入口管道；16、汽水分离器出口管道；17、第二蒸汽膨胀机入口管道；18、第二蒸汽膨胀机出口管道；19、二氧化碳压缩机入口管道；20、二氧化碳压缩机出口管道；
32.2、第一蒸汽膨胀机；
33.3、二氧化碳吸附/脱附单元；31、出气口；32、凝结水出口；
34.4、风机；41、空气入口；
35.5、汽水分离器；
36.6、第二蒸汽膨胀机；
37.7、二氧化碳压缩机；
38.8、二氧化碳脱水单元；81、二氧化碳出气口；82、凝结水出口。
具体实施方式
39.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
40.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
41.如图1所示，图1示出了本发明提供的一种工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统的示意图。
42.本发明实施例的工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统包括热源1、第一蒸汽膨胀机2、二氧化碳吸附/脱附单元3、风机4和汽水分离器5。热源1用于供给低压蒸汽。第一蒸汽膨胀机2一端连通热源1；二氧化碳吸附/脱附单元3包括吸附剂，用于吸附流经该二氧化碳吸附/脱附单元(3)的空气中的二氧化碳并将除去二氧化碳的空气排出。风机4一端连通第一蒸汽膨胀机2，另一端连通二氧化碳吸附/脱附单元3，用于吸入空气并将空气输送到二氧化碳吸附/脱附单元3。汽水分离器5一端连通第一蒸汽膨胀机2，另一端连通二氧化碳吸附/脱附单元3，用于将第一蒸汽膨胀机2产生的乏汽分离出蒸汽并输送到二氧化碳吸附/脱附单元3，以将吸附剂中的二氧化碳脱附从而使所述吸附剂再生。
43.在本文中，二氧化碳吸附/脱附单元3用于实施以下步骤的一种或两种：步骤a：吸附流经该二氧化碳吸附/脱附单元3的流体中的二氧化碳，得到第一凝结水和经过二氧化碳吸附的流体；以及步骤b：脱附由该二氧化碳吸附/脱附单元3吸附的二氧化碳，得到富含水蒸气的二氧化碳。换句话说，二氧化碳吸附/脱附单元3可以只实施二氧化碳吸附步骤，只实施二氧化碳脱附步骤，或者同时实施二氧化碳吸附步骤和二氧化碳脱附步骤。在实施二氧化碳吸附步骤时，可以通过设置在二氧化碳吸附/脱附单元3中的吸附剂来实现。
44.在一种具体实施方式中，二氧化碳吸附/脱附单元3可只包括一个反应器，当向该反应器输入含二氧化碳的流体时，在该反应器中实施步骤a，即吸附二氧化碳。当向该反应器中输入蒸汽时，在该反应器中实施步骤b，即脱附二氧化碳。在另一种实施方式中，二氧化碳吸附/脱附单元3包括至少两个独立的反应器。例如，二氧化碳吸附/脱附单元3可包括第
一反应器和第二反应器，所述第一反应器用于实施步骤a，所述第二反应器用于实施步骤b。在该实施方式中，所述第一反应器包括用于吸附二氧化碳的吸附剂，且所述第一反应器中吸附了二氧化碳之后的吸附剂能转移至所述第二反应器。需要说明地是，第二反应器也可以用于对来自其它来源的吸附了二氧化碳的材料进行脱附。在这种情况下，本领域技术人员可以理解，风机4可与第一反应器连通，将例如空气的含二氧化碳的流体输送到第一反应器，在经过第一反应器中的吸附剂吸附之后，得到凝结水和经过吸附的流体。汽水分离器5则可与第二反应器连通，将分离后的蒸汽输送至第二反应器，实现对吸附剂的再生，得到富含水蒸气的二氧化碳。在一种优选的实施方式中，富含水蒸气的二氧化碳可输送至二氧化碳压缩机7进行压缩，得到经过压缩的二氧化碳。
45.在本文中，乏汽指蒸汽膨胀机出口排出的汽水混合物。热源1主要源自钢铁冶炼、有色金属冶炼、非金属加工及石油化工业中以低压蒸汽形式存在的大量余热。第一蒸汽膨胀机2和后面的第二蒸汽膨胀机6属于同一类型的膨胀机。来自热源1的低压蒸汽分别流入第一蒸汽膨胀机2和后面的第二蒸汽膨胀机6，并在其中膨胀降压从而产生机械能。第一蒸汽膨胀机2将机械能提供给风机4，风机4利用该机械能从周围环境中抽取空气并输送到二氧化碳吸附/脱附单元3。二氧化碳吸附/脱附单元3包含吸附剂能够将空气中的二氧化碳吸附并存储起来。第一蒸汽膨胀机2在降压之后产生乏汽并输送到汽水分离器5。汽水分离器5能够将乏汽中的蒸汽分离出来并输送到二氧化碳吸附/脱附单元3，作为热量来源，将吸附剂中吸附的二氧化碳进行脱附，得到富含水蒸汽的二氧化碳，同时实现吸附剂的再生。
46.在本发明的一个优选实施例中，工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括蒸汽总管11、第一蒸汽膨胀机入口管道12和风机出口管路13，其中，第一蒸汽膨胀机2依次通过第一蒸汽膨胀机入口管道12和蒸汽总管11连通于热源1；风机4包括空气入口41，且通过风机出口管路13连通二氧化碳吸附/脱附单元3，以在第一蒸汽膨胀机2的作用下将从空气入口41吸入的空气输送到二氧化碳吸附/脱附单元3。
47.如图1所示，从热源1伸出一蒸汽总管11。蒸汽总管11分出两个支路其中一个连通第一蒸汽膨胀机入口管道12。优选地，第一蒸汽膨胀机入口管道12上设置有阀用于控制其开闭。风机4从空气入口41直接吸取空气。
48.在本发明的一个优选实施例中，工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括第一蒸汽膨胀机出口管道14、汽水分离器入口管道15和汽水分离器出口管道16，其中，第一蒸汽膨胀机2依次通过第一蒸汽膨胀机出口管道14和汽水分离器入口管道15连通汽水分离器5以将乏汽输送到汽水分离器5；汽水分离器5通过汽水分离器出口管道16连通二氧化碳吸附/脱附单元3。
49.如图1所示，汽水分离器入口管道15包括两个分支，其一连通第一蒸汽膨胀机出口管道14。第一蒸汽膨胀机2将热源1输入的低压蒸汽膨胀降压后产生的乏汽输送到汽水分离器5，汽水分离器5能够将乏汽中的蒸汽分离出来并输送到二氧化碳吸附/脱附单元3。
50.在本发明的一个优选实施例中，二氧化碳吸附/脱附单元3还包括出气口31和凝结水出口32，以将分离后的空气和凝结水分别排出。
51.如图1所示，二氧化碳吸附之后的空气从出气口31排出外侧。而中间产生的凝结水从凝结水出口32流出外侧。
52.在本发明的一个优选实施例中，工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包
括第二蒸汽膨胀机6、二氧化碳压缩机7和二氧化碳脱水单元8，其中，第二蒸汽膨胀机6连通热源1；二氧化碳压缩机7一端连接第二蒸汽膨胀机6，另一端连通二氧化碳脱水单元8。
53.如图1所示，第二蒸汽膨胀机6将从热源1输入的低压蒸汽膨胀降压产生机械能带动二氧化碳压缩机7工作。从而二氧化碳压缩机7将输入其中的富含水蒸汽的二氧化碳增压输送到二氧化碳脱水单元8。
54.在本发明的一个优选实施例中，工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括第二蒸汽膨胀机入口管道17和第二蒸汽膨胀机出口管道18，其中，第二蒸汽膨胀机6通过第二蒸汽膨胀机入口管道17连通热源1，且依次通过第二蒸汽膨胀机出口管道18和汽水分离器出口管道16连通汽水分离器5，以将第二蒸汽膨胀机6产生的乏汽输送到汽水分离器5。
55.如图1所示，第二蒸汽膨胀机入口管道17连通蒸汽总管(11)的另一支路。优选地，第二蒸汽膨胀机入口管道17上设置有阀体用于控制其开闭。第二蒸汽膨胀机6产生的乏汽也会通过第二蒸汽膨胀机出口管道18输送到汽水分离器5。
56.在本发明的一个优选实施例中，工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括二氧化碳压缩机入口管道19，其中，二氧化碳吸附/脱附单元3通过二氧化碳压缩机入口管道19连通二氧化碳压缩机7，以在第二蒸汽膨胀机6的作用下将从二氧化碳吸附/脱附单元3输入的含水蒸汽的二氧化碳增压。
57.如图1所示，二氧化碳压缩机7通过二氧化碳压缩机入口管道19将二氧化碳吸附/脱附单元3中富含蒸汽的二氧化碳吸入其中并给其增压。
58.在本发明的一个优选实施例中，工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统还包括二氧化碳压缩机出口管道20，其中，二氧化碳压缩机7通过二氧化碳压缩机出口管道20连通二氧化碳脱水单元8，以将增压后的二氧化碳输送到二氧化碳脱水单元8进行脱水。二氧化碳脱水单元8包括二氧化碳出气口81和凝结水出口82，以将分离后的二氧化碳和凝结水分别排出。
59.如图1所示，富含蒸汽的二氧化碳在二氧化碳压缩机7增压后经二氧化碳压缩机出口管道20输送到二氧化碳脱水单元8进行处理，得到的脱水之后高纯度二氧化碳从二氧化碳出气口81排出。
60.在本发明的一个优选实施例中，热源1的低压蒸汽源于工业余热，且低压蒸汽的压力值小于等于0.5mpag。
61.本发明的工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统包括热源1、第一蒸汽膨胀机2、二氧化碳吸附/脱附单元3、风机4、汽水分离器5、第二蒸汽膨胀机6、二氧化碳压缩机7和二氧化碳脱水单元8。热源1的低压蒸汽压力值小于等于0.5mpag源于钢铁冶炼、有色金属冶炼、非金属加工及石油化工业中大量的余热。热源1的低压蒸汽引入第一蒸汽膨胀机2和第二蒸汽膨胀机6通过气体膨胀降压产生机械能从而带动风机4和二氧化碳压缩机7工作。风机4直接吸取空气，输入二氧化碳吸附/脱附单元3，利用其中的吸附剂将二氧化碳吸附并存储在其中，将除去二氧化碳的空气排出。第一蒸汽膨胀机2和第二蒸汽膨胀机6产生的乏汽供给到汽水分离器5，在其中将乏汽分离出蒸汽输送到二氧化碳吸附/脱附单元3为吸附剂脱附二氧化碳使得吸附剂再生。二氧化碳压缩机7能够将二氧化碳吸附/脱附单元3输送过来的富含水蒸汽的二氧化碳增压送入二氧化碳脱水单元8进行脱水得到高纯度的二氧化碳。工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统对二氧化碳的捕获需要的风机驱动能、二
氧化碳增压需要的二氧化碳压缩机驱动能及二氧化碳在吸附剂中脱附需要的热能均由工业富产的低压蒸汽来提供，因此dac系统可以实现近零能耗运行。
62.在本发明实施例中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
63.本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。
64.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一个优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
65.以上仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。