蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统及方法与流程

1.本发明涉及碳达峰碳中和领域，尤其涉及一种蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统及方法。


背景技术：

2.直接空气捕集二氧化碳(co2)是一种重要的负排放技术，将在实现碳达峰碳中和目标上发挥重要作用。与传统的co2捕集技术从大型点源排放中分离co2相比，直接空气捕集系统可以放置在任何地点，可以从点源和分布式源进行co2捕集。
3.直接空气捕集过程还可避免直接接触高浓度的烟气污染物(如sox、nox、重金属离子)造成的吸附剂性能衰减。此外，直接空气捕集可以与co2化学转化和利用技术相结合，为合成燃料、医药中间体、高附加值化工产品、农业温室、藻类种植和生物燃料生产提供碳源。
4.目前商业化运行的直接空气捕集循环采用碱或碱土金属氢氧化物吸收剂，通过苛化或替代苛化的方法提取co2。然而吸收剂需要在900℃以上才能再生，因此热再生过程的高能耗、大量的失水以及纯氧的使用限制了其推广应用。也有研究者采用基于co2吸附剂的变温真空吸附构建捕集循环。
5.现有吸附法直接空气捕集系统存在三个问题：
6.首先，常规吸附剂填料塔压降较大，特别是当进行放大设计时，为了克服空气的流动阻力需要消耗大量风机功耗；
7.其次，由于再生过程中吸附剂较慢的解吸速率，需要长时间维持高温和低压，消耗大量的再生能耗；
8.再次，co2吸附剂在吸附过程中不可避免地吸附空气中的水分，这些吸附态的水需要在再生过程中被解吸，消耗额外再生能耗。
9.因此，现有吸收/吸附直接空气捕集循环运行能耗较高，捕集成本在600美元每吨co2以上，无法真正实现商业运行。


技术实现要素：

10.本发明针对上述问题，提供一种蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统及方法，降低能耗，且能实现高纯度co2的连续富集。
11.为此，本发明采取如下技术方案：蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统，包括吸附床，其特征在于还包括再生床，所述的吸附床和再生床内置顺序排列的结构性吸附剂，所述的吸附床和再生床均外接空气进管以及净化气出管，所述的吸附床和再生床还分别外接水蒸气进管及水蒸气出管，所述的空气进管、净化气出管、水蒸气进管及水蒸气出管上均设置电磁阀，所述的再生床与吸附床能相互切换吸附或再生工作状态。
12.作为优选，所述结构性吸附剂由陶瓷基材组成，外部涂覆一层co2吸附剂，所述结构性吸附剂排列成片层或蜂窝式结构。
13.作为优选，所述co2吸附剂为胺基功能化介孔材料。
14.作为优选，所述的吸附床和再生床的规格一致，轴向长度为0.2
–
2m，横截面积为0.05
–
10m2。
15.作为优选，所述的空气进管连接鼓风机。
16.作为优选，所述的水蒸气出管连接冷凝器。
17.本发明还公开了一种蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳方法，其采用上述的捕集系统，具体步骤如下：
18.第一步，吸附：空气通过风机鼓入吸附床，在5
–
45℃，co2浓度100
–
1000ppm，相对湿度10
–
100％条件下，空气中的co2和h2o被吸附床中的吸附剂所吸附，剩余净化后的气体排出吸附床并回到大气中，该过程直至吸附剂co2吸附饱和结束；
19.第二步，升温：向吸附床中通入高温蒸汽(≥120℃)，将吸附床温度提升至80
–
120℃的再生温度，此时吸附床转变成再生床；蒸汽随后在冷凝器中冷却液化，后在气液分离器中被分离回收；
20.第三步，解吸：继续向在再生床中通入高温蒸汽，维持再生床温度在80
–
120℃，吸附剂中吸附态的co2被解吸，被水蒸气携带离开再生床；吸附态的h2o在高湿状态下无法被解吸，携带co2的水蒸气离开再生床后在冷凝器中冷却液化，后在气液分离器中被分离回收；
21.第四步，降温：向再生床中鼓入空气，将再生床的温度降低至5
–
45℃的吸附温度，此时再生床转变成吸附床；
22.第五步，闲置：静置吸附床，等待下一个吸附步骤。
23.作为优选，所述的升温、解吸、降温与闲置时间之和为0.5
–
6h。
24.作为优选，在任一时间段，一个吸附床在进行吸附步骤，则另一个吸附床(再生床)依次进行升温、解吸、降温、闲置步骤。
25.本发明的有益效果在于：
26.1.本发明提出了一种低能耗的直接空气捕集co2循环，可以实现高纯度co2的连续富集。
27.2.本发明使用片状或蜂窝状结构性吸附剂，减少吸附床轴向长度，增加吸附床横截面积，相比常规填料塔可以大幅降低吸附床轴向压降，从而减少风机功耗。
28.3.本发明通过在再生过程中引入水蒸气吹扫步骤，可以替换传统循环中的真空泵，降低吸附塔中co2的分压，加速吸附剂的co2解吸过程。
29.4.本发明在再生过程中所引入的水蒸气吹扫步骤。在合适的再生条件下，可以抑制吸附剂对h2o的解吸，进一步降低系统再生能耗。
30.5.本发明中水蒸气的产生可以利用工业废热或者可再生热源，从而实现全系统的负排放目标。
附图说明
31.图1为本发明的整体结构示意图。
32.图2为填充片状结构性吸附剂的吸附床的示意图。
33.图3为填充蜂窝状结构性吸附剂的吸附床的示意图。
34.图4为结构性吸附剂组成示意图。
35.图5为循环工艺时序图。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
37.如图1所示的蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统，包括吸附床，还包括再生床，所述的吸附床和再生床内置顺序排列的结构性吸附剂，所述的吸附床和再生床均外接空气进管以及净化气出管，所述的吸附床和再生床还分别外接水蒸气进管及水蒸气出管，所述的空气进管、净化气出管、水蒸气进管及水蒸气出管上均设置电磁阀，所述的再生床与吸附床能相互切换吸附或再生工作状态。
38.如图2和图3所示，作为优选，结构性吸附剂排列成片层或蜂窝式结构。
39.如图4所示，结构性吸附剂优选采用陶瓷基材组成，外部涂覆一层co2吸附剂。其中co2吸附剂为胺基功能化介孔材料。
40.一个实施例中，吸附床和再生床的规格一致，轴向长度为0.2
–
2m，横截面积为0.05
–
10m2。规格一致，能够直接进行切换。
41.为了快速高效引入空气，所述的空气进管连接鼓风机。
42.具体的，所述的水蒸气出管连接冷凝器。携带co2的水蒸气离开再生床后在冷凝器中冷却液化，后在气液分离器中被分离回收。
43.本发明的循环吸附系统包括吸附床、再生床、电磁阀、空气和高温蒸汽。吸附床和再生床规格一致，可以相互切换，轴向长度为0.2m，横截面积为0.07m2，内置顺序排列的蜂窝式结构性吸附剂。结构性吸附剂由陶瓷基材组成，外部涂覆一层co2吸附剂。co2吸附剂为胺基功能化介孔材料。实验结果表明，该种吸附剂的材料堆积密度为710g/l，单塔吸附剂填装量6.5kg；在25℃，co2浓度为400ppm时在2h内的co2工作容量为0.8mol/kg。
44.对于单一吸附床，本发明的工艺运行如下：
45.第一步，吸附：空气通过风机鼓入吸附床，在25℃，co2浓度400ppm，相对湿度50％条件下，空气流量为300nm3/h，空气中的co2和h2o被吸附床中的吸附剂所吸附，剩余净化后的气体排出吸附床并回到大气中。该过程进行2h。
46.第二步，升温：向吸附床中通入高温蒸汽(125℃)，蒸汽流量0.5nm3/h，将吸附床温度提升至120℃的再生温度，此时吸附床转变成再生床。蒸汽随后在冷凝器中冷却液化，后在气液分离器中被分离回收。该过程进行0.3h。
47.第三步，解吸：继续向在再生床中通入高温蒸汽，维持再生床温度在120℃，蒸汽流量0.12nm3/h。在高温驱动下，吸附剂中吸附态的co2被解吸，被水蒸气携带离开再生床；吸附态的h2o在高湿状态下无法被解吸。携带co2的水蒸气离开再生床后在冷凝器中冷却液化，后在气液分离器中被分离回收。该过程进行0.5h。
48.第四步，降温：向再生床中鼓入空气，空气流量为50nm3/h，将再生床的温度降低至25℃的吸附温度，此时再生床转变成吸附床。该过程进行0.8h。
49.第五步，闲置：静置吸附床，等待下一个吸附步骤。该过程进行0.4h。
50.以上步骤可以通过切换电磁阀的打开和关闭进行切换。
51.经过计算，在该工况下，该直接空气捕集循环的co2捕集量为1吨/年，运行能耗为5.1gj/t
co2
。按照国际能源署发布的《直接空气碳捕集2022》报告显示，目前国际上固体吸附法直接空气捕集的平均能耗为7.2
–
9.5gj/t
co2
。本发明的理论能耗较国际主流水平降低20％以上。
52.应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。

技术特征：
1.蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统，包括吸附床，其特征在于还包括再生床，所述的吸附床和再生床内置顺序排列的结构性吸附剂，所述的吸附床和再生床均外接空气进管以及净化气出管，所述的吸附床和再生床还分别外接水蒸气进管及水蒸气出管，所述的空气进管、净化气出管、水蒸气进管及水蒸气出管上均设置电磁阀，所述的再生床与吸附床能相互切换吸附或再生工作状态。2.根据权利要求1所述的蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统，其特征在于所述结构性吸附剂由陶瓷基材组成，外部涂覆一层co2吸附剂，所述结构性吸附剂排列成片层或蜂窝式结构。3.根据权利要求2所述的蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统，其特征在于所述co2吸附剂为胺基功能化介孔材料。4.根据权利要求1所述的蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统，其特征在于所述的吸附床和再生床的规格一致，轴向长度为0.2
–
2m，横截面积为0.05
–
10m2。5.根据权利要求2所述的蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统，其特征在于所述的空气进管连接鼓风机。6.根据权利要求2所述的蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统，其特征在于所述的水蒸气出管连接冷凝器。7.蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳方法，其特征是采用权利要求1-6任一所述的系统，步骤如下：第一步，吸附：将空气鼓入吸附床，在5
–
45℃，co2浓度100
–
1000ppm，相对湿度10
–
100％条件下，空气中的co2和h2o被吸附床中的吸附剂所吸附，剩余净化后的气体排出吸附床并回到大气中，该过程直至吸附剂co2吸附饱和结束；第二步，升温：向吸附床中通入高温蒸汽(≥120℃)，将吸附床温度提升至80
–
120℃的再生温度，此时吸附床转变成再生床；蒸汽随后在冷凝器中冷却液化，后在气液分离器中被分离回收；第三步，解吸：继续向在再生床中通入高温蒸汽，维持再生床温度在80
–
120℃，吸附剂中吸附态的co2被解吸，被水蒸气携带离开再生床；吸附态的h2o在高湿状态下无法被解吸，携带co2的水蒸气离开再生床后在冷凝器中冷却液化，后在气液分离器中被分离回收；第四步，降温：向再生床中鼓入空气，将再生床的温度降低至5
–
45℃的吸附温度，此时再生床转变成吸附床；第五步，闲置：静置吸附床，等待下一个吸附步骤。8.根据权利要求7所述的蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳方法，其特征是所述的升温、解吸、降温与闲置时间之和为0.5
–
6h。9.根据权利要求7所述的蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳方法，其特征是在任一时间段，一个吸附床在进行吸附步骤，则另一个吸附床(再生床)依次进行升温、解吸、降温、闲置步骤。10.根据权利要求7所述的蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳方法，其特征是：第一步中吸附的条件是在在25℃，co2浓度400ppm，相对湿度50％条件下，空气流量为300nm3/h的条件下进行，剩余净化后的气体排出吸附床并回到大气中，吸附过程总计进行2h；
第二步中通入高温蒸汽的温度为125℃，蒸汽流量0.5nm3/h，过程进行0.3h；第三步中维持再生床温度在120℃，蒸汽流量0.12nm3/h，携带co2的水蒸气离开再生床后在冷凝器中冷却液化，后在气液分离器中被分离回收。该过程进行0.5h；第四步中向再生床中鼓入空气，空气流量为50nm3/h，将再生床的温度降低至25℃的吸附温度，此时再生床转变成吸附床，该过程进行0.8h；第五步中静置吸附床，等待下一个吸附步骤，该过程进行0.4h。

技术总结
本发明涉及一种蒸汽辅助循环式直接空气捕集二氧化碳系统及方法。因此，现有吸收/吸附直接空气捕集循环运行能耗和成本较高，无法真正实现商业运行。本发明包括吸附床，其特征在于还包括再生床，所述的吸附床和再生床内置顺序排列的结构性吸附剂，所述的吸附床和再生床均外接空气进管以及净化气出管，所述的吸附床和再生床还分别外接水蒸气进管及水蒸气出管，所述的空气进管、净化气出管、水蒸气进管及水蒸气出管上均设置电磁阀，所述的再生床与吸附床能相互切换吸附或再生工作状态。本发明能降低能耗，且能实现高纯度CO2的连续富集。的连续富集。的连续富集。


技术研发人员：吴华伟 张锐 袁步龙
受保护的技术使用者：黑鲸能源发展有限责任公司
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/19