一种以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统及其应用

1.本发明涉及气体分离回收领域，尤其涉及一种以余能回收为特征低能耗的变温变压吸附循环系统。


背景技术：

2.全球变暖和气候变化是由温室气体的增加引起的，特别是大气中的二氧化碳。每年全球co2排放量超过300亿吨，为了把全球平均气温升幅控制在2摄氏度以内，到2050年前需要以250亿吨/年的速度来捕集大气中的co2。目前，大气中的co2约有一半排放来源是分散的。因此，直接空气碳捕集(dac)技术成为当前碳捕集的研究热点，即应对气候变化最有效的手段之一。
3.dac技术包括吸收、吸附、矿物碳酸化、膜、低温分离、电化学方法和电渗析等方法。其中，吸附法具有低能耗潜力、材料易获取和过程相对简单的综合优势，所以在dac技术中获得了广泛关注。吸附法通过固体吸附剂对空气中co2选择性吸附，然后在一定再生条件下将co2解吸，实现co2的浓缩。实际循环操作是通过温度和压力的周期性变化完成，循环形式主要有变压吸附(psa)、变温吸附(tsa)和变温变压吸附(ptsa)等。其中，相对于psa和tsa，ptsa具有循环工作能力强的优势。但是，传统ptsa循环中吸附过程的压气机功耗和解吸过程的再生热耗是其主要的耗能来源。循环的高能耗和低效率成为制约dac技术发展的瓶颈，自主研发更高效的新型ptsa循环成为突破瓶颈的关键。
4.然而，进一步的研究表明，传统ptsa循环的节能增效仍然存在如何实现的难题。结构改进是实现吸附循环能效提升的有效手段，但详细的循环结构形式改进鲜有研究和报道。相应地，本领域亟需提出一种新型ptsa循环的结构形式，以便实现dac技术的降耗增效，从而更好地发挥吸附法co2捕集技术的优势。


技术实现要素：

5.传统ptsa循环存在大量的余压和余热，这些余能可通过一定的方式有效回收利用。其中，储能、余压回收和热功转换都是余能回收的重要手段。传统ptsa循环系统与压缩空气储能系统都存在压缩和加热环节，表明两种系统的能量投入方式相同。借鉴压缩空气储能系统的结构，传统ptsa循环可以增设余能存储和释放环节，通过内部余能回收降低系统总能耗，该想法为传统ptsa循环提供了一个结构改进思路。
6.针对现有ptsa循环的降耗增效需求，按照上述结构改进思路，本发明提供了一种以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统，
7.1.一种以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统，其特征在于，该系统包括主循环单元、加热循环单元和回热循环单元；其中：
8.所述主循环单元包括压缩机、吸附腔、产品储气罐、废气储气罐、回热器、膨胀机、发电机；所述压缩机的输入端与待处理的空气源连接，其输出端与所述吸附腔连接；
9.所述吸附腔输出端一路依次通过第一气路阀门、产品储气罐、第三气路阀门与回
热器连接；另一路所述吸附腔输出端依次通过第二气路阀门、废气储气罐、第四气路阀门与回热器连接；所述回热器输出端通过膨胀机与外界环境连接；
10.所述压缩机与所述膨胀机之间设置有发电机；所述发电机的一端通过第一离合器与所述压缩机的输入轴连接，所述发电机的另一端通过第二离合器与膨胀机的输出轴连接；所述发电机与外界电源连接；
11.所述加热循环单元包括连接吸附腔的加热管路、吸附腔内换热管路、加热器；所述加热器的进出口分别与加热管路并接；运行加热循环时，所述加热管路与所述吸附腔内换热管路连通；
12.所述回热循环单元包括连接吸附腔的回热管路、吸附腔内换热管路、热罐、回热器和冷罐；所述回热管路与热罐输入端连接，所述热罐输出端与所述回热器连接，所述回热器输出端通过冷罐与回热管路相连；运行回热循环时，所述回热管路与所述吸附腔内换热管路连通。
13.进一步，所述加热循环和回热循环的工质为导热油；所述吸附腔内换热管路为翅片管，且不能与加热循环和回热循环同时连通；
14.进一步，所述吸附腔内部装填有吸附剂材料；所述吸附剂填充在吸附腔内部换热管路之间的空隙；所述吸附剂可以是活性炭、硅胶和沸石等材料。
15.进一步，所述加热器中导热油的加热温度为30-200℃；所述压缩机中空气加压后的绝对压力在1bar和100bar之间。
16.本发明还可以采用如下技术方案予以实施：
17.一种采用以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统进行空气碳捕集方法，包括如下步骤：
18.吸附过程：第二气路阀门打开，其余气路阀门关闭；外界电源带动电动机和压缩机运转，预处理的空气经加压后进入吸附腔，co2被吸附腔内的吸附剂吸附，剩余高压气体被送进废气储气罐，冷罐的导热油将吸附过程释放在吸附腔内的热量带走并输送到热罐；
19.解吸过程：第一气路阀门打开，其余气路阀门关闭；经加热器加热的导热油输送至吸附腔内的换热管路，加热吸附剂至解吸温度，被吸附剂释放出的二氧化碳气体进入产品储气罐。
20.冷却过程：所有的气路阀门关闭；冷罐中的低温导热油进入吸附腔内的换热管路，冷却吸附剂至环境温度，被加热的导热油则进入热罐；
21.废气释能过程：第四气路阀门打开，其余气路阀门关闭；高压的废气进入回热器，热罐中的高温导热油进入回热器，高压的废气回收导热油的热量，再进入膨胀机做功带动发电机输出电力，最终废气被排放至环境；
22.产品释能过程：第三气路阀门打开，其余气路阀门关闭；高压的co2气体进入回热器，热罐中的高温导热油进入回热器，高压的co2气体回收导热油的热量，再进入膨胀机做功带动发电机输出电力，最终co2产品被收集再循环利用。
23.有益效果
24.本发明采用吸附分离手段可以直接回收空气中的二氧化碳气体，同时将吸附分离后的二氧化碳气体和剩余空气作为循环工质，采用热功转换回收了吸附分离过程的余热和余压，以输出膨胀功的形式抵消了最初气体压缩过程的耗功和再生过程的耗热，降低了吸
附分离过程的总能耗，提升了分离过程的能源利用效率。
附图说明
25.图1为一种以余能回收为特征的变温变压吸附碳捕集循环系统示意图；
26.图2为本发明吸附腔内部换热管路示意图；
27.图3为本发明添加吸附剂材料后吸附腔内部示意图；
28.图中：1-压缩机，2-吸附腔，3-加热器，4-回热器，5-产品储气罐，6-废气储气罐，7-冷罐，8-热罐，9-膨胀机，10-电动机/发电机，11-吸附剂，12-电源，13-第一离合器，14-第二离合器，15-第一气路阀门，16-第三气路阀门，17-第二气路阀门，18-第四气路阀门，2a、2c-回热管路，2b、2d-加热管路，2e-吸附腔内换热管路。
具体实施方式
29.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。
30.具体实施方式以空气直接碳捕集应用为例，一种以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统的具体设计思路是：传统ptsa循环存在大量的余压和余热被浪费，借鉴压缩空气储能系统的结构，在传统ptsa循环增设余能存储和释放环节，通过内部余能回收降低吸附碳捕集系统的总能耗，提高空气碳捕集的能源利用效率。
31.本发明在空气直接碳捕集应用的具体方式，如图1所示，包括主循环单元、加热循环单元和回热循环单元。
32.所述的主循环单元包括压缩机1、吸附腔2、产品储气罐5、废气储气罐6、回热器4、膨胀机9、离合器14、发电机10以及离合器13；经过预处理的空气连接压缩机1的进口，压缩机1出口连接吸附腔2的气体进口，所述压缩机1中空气加压后的绝对压力在1bar和100bar之间。
33.吸附腔2的气体出口分别连接第一气路阀门15和第二气路阀门17的进口，第一气路阀门15的出口依次连接产品储气罐5和第三气路阀门16，第二气路阀门17的出口依次连接废气储气罐6和第四气路阀门18，所述第三气路阀门16和第四气路阀门18的出口分别与回热器4的气体进口连接，所述回热器4的气体出口连接膨胀机9的气体进口，所述膨胀机9的气体出口与外界环境连接，所述膨胀机9的输出轴经过第二离合器14与电动机/发电机10相连，所述压缩机1的输入轴经过第一离合器13与电动机/发电机10相连，电动机/发电机10与外界电源12连接。
34.所述加热循环单元包括加热管路2b和2d、吸附腔内换热管路2e、加热器3，所述加热器3的进出口经过加热管路分别与吸附腔内换热管路2e的两端相连。
35.所述回热循环单元包括回热管路2a和2c、吸附腔内换热管路2e、热罐8、回热器4、冷罐7；所述吸附腔内换热管路2e的一端与热罐8相连，所述热罐8出口与回热器4进口相连，回热器4出口与冷罐7进口连接，冷罐7出口与吸附腔内换热管路2e的另一端相连。
36.所述加热循环单元和回热循环的工质为导热油；所述加热器3中导热油的加热温度为30-200℃；如图2所示，所述吸附腔内换热管路2e为翅片管，且不能与加热循环单元和回热循环单元同时连通；其中，所述热罐8进口与回热循环单元的管路2a连接；所述回热器4
出口与回热循环单元的管路2c连接，加热循环单元中的加热器3的进出口与管路2b和2d并接；加热循环的连通顺序为2b-2e-2d，回热循环的连通顺序为2c-2e-2a。
37.所述第一离合器13和所述第二离合器14不能同时与电动机/发电机10连通；所述电动机/发电机10只能以电动机模式或者发电机模式运行；
38.如图3所示，吸附剂11材料填充在吸附腔内部换热管路2e之间的空隙，所述吸附腔内部的吸附剂11为活性炭、金属有机骨架、硅胶和沸石等材料，其功能为选择性地吸附空气中的co2；本发明在空气碳捕集实施的具体循环步骤包含吸附、解吸、冷却和释能过程。
39.(i)吸附过程：第二气路阀门17打开，其余气路阀门关闭；外界电源带动电动机10和压缩机1运转，预处理的空气经加压后进入吸附腔2，co2被吸附腔内的吸附剂11吸附，剩余高压气体被送进废气储气罐6，冷罐7的低温导热油将吸附过程释放在吸附腔2内的热量带走并输送到热罐8。
40.(ii)解吸过程：第一气路阀门15打开，其余气路阀门关闭；经加热器3加热的导热油输送至吸附腔内的换热管路2e，加热吸附剂11至解吸温度，被吸附剂11释放出的二氧化碳气体进入产品储气罐6。
41.(iii)冷却过程：所有的气路阀门关闭；冷罐7中的低温导热油进入吸附腔内的换热管路2e，冷却吸附剂11至环境温度，被加热的导热油则进入热罐8。
42.(iv)废气释能过程：第四气路阀门18打开，其余气路阀门关闭；高压的废气进入回热器4，热罐8中的高温导热油进入回热器，高压的废气回收热罐8中导热油的热量，再进入膨胀机9做功带动发电机10输出电力，最终废气被排放至环境。
43.(v)产品释能过程：第三气路阀门16打开，其余气路阀门关闭；高压的co2气体进入回热器4，热罐8中的导热油进入回热器4，高压的co2气体回收热罐8中导热油的热量，再进入膨胀机9做功带动发电机10输出电力，最终co2产品被收集再循环利用。
44.本发明以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统在空气碳捕集应用具有明显的“三余回收”特征：(i)余质回收，该系统可以从空气中分离回收一定质量的co2气体，实现空气中剩余co2气体的富集；(ii)余热回收，储气罐中的废气和产品气在经过回热器时可以回收吸附腔体与吸附剂蕴含的热能，经回热后再以废气和产品气两种工质分别进行做功，实现了余热回收的转化利用；(iii)余压回收，经压缩机加压后完成吸附分离的废气和产品气蕴含着可利用的余压能，通过膨胀做功理论上可实现压缩耗功全部回收利用，膨胀机做功也包含了经余热回收后再转换利用的技术功。
45.除了适用于空气直接碳捕集外，本发明的具体实施方式还可应用在混合绝缘气体回收六氟化硫等其他气体分离回收领域。
46.尽管上面结合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。

技术特征：
1.一种以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统，其特征在于，该系统包括主循环单元、加热循环单元和回热循环单元；其中：所述主循环单元包括压缩机(1)、吸附腔(2)、产品储气罐(5)、废气储气罐(6)、回热器(4)、膨胀机(9)、发电机(10)；所述压缩机(1)的输入端与待处理的空气源连接，其输出端与所述吸附腔(2)连接；所述吸附腔(2)输出端一路依次通过第一气路阀门(15)、产品储气罐(5)、第三气路阀门(16)与回热器(4)连接；另一路所述吸附腔(2)输出端依次通过第二气路阀门(17)、废气储气罐(6)、第四气路阀门(18)与回热器(4)连接；所述回热器(4)输出端通过膨胀机(9)与外界环境连接；所述压缩机(1)与所述膨胀机(9)之间设置有发电机(10)；所述发电机(10)的一端通过第一离合器(13)与所述压缩机(1)的输入轴连接，所述发电机(10)的另一端通过第二离合器(14)与膨胀机(9)的输出轴连接；所述发电机(10)与外界电源(12)连接；所述加热循环单元包括连接吸附腔(2)的加热管路(2b；2d)、吸附腔内换热管路(2e)、加热器(3)；所述加热器(3)的进出口分别与加热管路(2b；2d)连接；运行加热循环时，所述加热管路(2b；2d)与所述吸附腔内换热管路(2e)连通；所述回热循环单元包括设置在吸附腔(2)的回热管路(2a；2c)、吸附腔内换热管路(2e)、热罐(8)、回热器(4)和冷罐(7)；所述回热管路(2a)与热罐(8)输入端连接，所述热罐(8)输出端与所述回热器(4)连接，所述回热器(4)输出端通过冷罐(7)与回热管路(2c)相连；运行回热循环时，所述回热管路(2a；2c)与所述吸附腔内换热管路(2e)连通。2.根据权利要求1所述的一种以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统，其特征在于，所述吸附腔(2)内部还装填有吸附剂(11)材料；所述吸附剂(11)填充在吸附腔内部换热管路(2e)之间的空隙。3.根据权利要求1-2任一项所述的一种以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统，其特征在于，所述加热器(3)中导热油的加热温度为30-200℃；所述压缩机(1)中空气加压后的绝对压力在1bar和100bar之间。4.根据权利要求1所述一种以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统进行空气碳捕集方法，其特征在于；包括如下步骤：吸附过程：第二气路阀门(17)打开，其余气路阀门关闭；外界电源(12)带动电动机(10)和压缩机(1)运转，预处理的空气经加压后进入吸附腔(2)，co2被吸附腔内的吸附剂(11)吸附，剩余高压气体被送进废气储气罐(6)，冷罐(7)的导热油将吸附过程释放在吸附腔内的热量带走并输送到热罐(8)；解吸过程：第一气路阀门(15)打开，其余气路阀门关闭；经加热器(3)加热的导热油输送至吸附腔内的换热管路(2e)，加热吸附剂(11)至解吸温度，被吸附剂释放出的二氧化碳气体进入产品储气罐(5)；冷却过程：所有的气路阀门关闭；冷罐(7)中的低温导热油进入吸附腔内的换热管路(2e)，冷却吸附剂(11)至环境温度，被加热的导热油则进入热罐(8)；废气释能过程：第四气路阀门(18)打开，其余气路阀门关闭；高压的废气进入回热器(4)，热罐(8)中的高温导热油进入回热器(4)，高压的废气回收导热油的热量，再进入膨胀机(9)做功带动发电机(10)输出电力，最终废气被排放至环境；
产品释能过程：第三气路阀门(16)打开，其余气路阀门关闭；高压的co2气体进入回热器(4)，热罐(8)中的高温导热油进入回热器(4)，高压的co2气体回收导热油的热量，再进入膨胀机(9)做功带动发电机(10)输出电力，最终co2产品被收集再循环利用。

技术总结
本发明公开一种以余能回收为特征的变温变压吸附循环系统，该系统包括主循环、加热循环和回热循环；其中：所述主循环包括压缩机、吸附腔、产品储气罐、废气储气罐、回热器、膨胀机、发电机；所述压缩机与待处理气源连接，其输出端与吸附腔连接；所述加热循环包括吸附腔内换热管路、加热管路、加热器；所述加热器的进出口分别与加热管路连接；所述回热循环包括吸附腔内换热管路、回热管路、热罐、回热器和冷罐；所述吸附腔内换热管路一端与热罐输入端连接，所述热罐输出端与所述回热器连接，所述回热器输出端通过冷罐与吸附腔内换热管路另一端相连；本发明通过余能利用构建了类似“压缩气体储能”循环，回收压缩耗功和再生耗热，降低了气体分离能耗。分离能耗。分离能耗。


技术研发人员：赵睿恺 邓帅 赵力
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/9/23