一种直接空气碳捕集系统及方法与流程

本发明涉及碳捕集，尤其涉及一种直接空气碳捕集系统及方法。

背景技术：

1、直接空气碳捕集（dac）作为应对全球气候变化的重要技术路径，旨在直接从环境空气中分离并捕集二氧化碳。典型的直接空气碳捕集系统主要包括吸附材料以及用于执行空气接触与脱附再生的相关机电设备。

2、目前，常见的直接空气碳捕集系统多采用吸附与再生一体化的设计架构，即吸附和脱附过程在同一物理腔体内交替进行。在进行加热脱附和抽真空再生时，需要对整个庞大的接触腔体及其内部的非活性结构件进行整体加热和抽气。这种运行方式带来了较高的热惯性和寄生能耗，并且在超大尺寸腔体上维持交变的高真空度面临着严苛的密封技术瓶颈。为降低单次再生的能耗，可以尝试将吸附区与再生区进行物理分离。然而，在分离式架构中，庞大且沉重的吸附模块在不同工位之间的转移通常依赖于复杂的全流程电机驱动导轨或多轴重载推拉机构。这些主动式传动机构不仅建设和运行成本较高，而且在长期户外连续运行时存在可靠性隐患，难以在密集的吸附阵列中形成顺畅且低附加能耗的物料流转。吸附模块在上下料过程中的平稳提取、空间姿态转换与精准对接面临着较大的机械干涉风险，整体物流流转效率受到制约。

3、在吸附捕集阶段，由于环境空气中二氧化碳浓度较低，系统需要处理海量的空气。传统设备高度依赖大型引风机进行主动强制送风，由此产生的电能消耗较大，在一定程度上抵消了系统的碳减排效益。虽然部分设计尝试引入自然风以降低风机能耗，但往往采用封闭式风道或缩放管结构，这类结构不仅会引入额外的沿程阻力，且无法有效利用风体的气动力学特性进行流场优化，难以在吸附材料前后建立起有效且稳定的穿透压差，导致被动吸附的效率受限。此外，户外开放式或半开放式的被动吸附阵列长期暴露于自然环境中，空气中的沙尘极易在吸附模块的孔道内附着堆积，导致风阻增加并加速吸附材料的失活。

4、在脱附再生阶段，现有技术普遍采用热流体吹扫或外部壁面加热等间接加热方式。由于常规吸附材料及支撑骨架的导热系数有限，间接加热存在热阻大、升温响应迟缓以及热能利用率低等问题，导致单次脱附周期较长。

5、此外，为了进一步降低运行碳足迹，现代直接空气碳捕集设施正逐步接入可再生能源。可再生能源的供应具有天然的间歇性和波动性，而现有的系统控制策略通常采用固定时序的周期循环或简单的单变量阈值触发机制（如仅根据吸附时间或饱和度触发脱附）。这种固化的调度逻辑无法有效适配外部可用电力和环境风况的实时变化。在系统可用电量受限时，若多个模块同时达到脱附条件并请求进入高功率再生阶段，容易导致供电负荷越限；而在电力充沛且风况良好时，又可能因缺乏弹性的队列管理与优先级评估机制，导致再生设备产能闲置或吸附模块非计划排队。系统在波动的能源供给与复杂的工艺节拍之间缺乏动态、异步的统筹协调手段，难以保障多模块碳捕集阵列在全工况下的能效最优化运行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种直接空气碳捕集系统及方法，以解决上述问题，可以实现碳捕集系统的低耗流转、高效再生与弹性动态调度。

2、本发明提出了一种直接空气碳捕集系统，包括：

3、多个吸附模块；

4、吸附单元，包括具有高位端和低位端的倾斜承载结构和设置在所述倾斜承载结构上的导向组件，所述吸附模块沿所述倾斜承载结构的倾斜方向依次排列，且所述吸附模块与所述导向组件滑动配合，所述低位端设有用于支撑位于最下方的吸附模块的限位结构；

5、再生单元，与所述吸附单元独立分离设置，包括用于容纳所述吸附模块的再生腔，用于对所述吸附模块进行脱附再生；

6、模块转运单元，配置为在所述吸附单元和所述再生单元之间转移所述吸附模块，以执行如下转移操作：自所述低位端移出受限位结构支撑的吸附模块并转移至再生单元的再生腔内，以及将位于再生腔内的吸附模块自再生单元转移并装入所述高位端；

7、其中，当位于所述低位端的吸附模块被移出时，留在所述导向组件上的其余吸附模块在重力作用下沿所述导向组件向下滑动，直至位于最下方的吸附模块受所述限位结构支撑，以在所述高位端释出供装入吸附模块的上料空间。

8、在一个实施例中，所述吸附单元还包括设置在所述倾斜承载结构上方的导流棚；

9、所述导流棚的一侧具有圆滑檐口和弧形棚面，用于引导环境空气朝所述吸附模块流动；

10、所述导流棚与所述吸附模块之间具有间隙且非密封连接，以在两者之间形成开放式流道，将自然风动压转化为所述吸附模块前后的压差。

11、在一个实施例中，所述模块转运单元包括上料机构、下料机构和转运载具；

12、所述转运载具为移动车体或传送带，在下料机构、再生单元与上料机构之间构建物理输送路径，承载吸附模块并沿所述物理输送路径进行移载输送；

13、所述下料机构为机械臂，设置在倾斜承载结构的低位端，用于移出受限位结构支撑的吸附模块，并将取出的吸附模块转移至转运载具上；

14、所述上料机构设置在倾斜承载结构的高位端，包括提升组件和可翻转托架，所述可翻转托架一侧转动连接所述提升组件且具有水平与倾斜两个工作工位；

15、其中，上料机构从转运载具获取呈水平姿态的吸附模块，由提升组件将承载有吸附模块的可翻转托架共同提升至所述高位端处，并通过可翻转托架绕其与提升组件的转动连接处转动，将吸附模块的姿态转换为与所述倾斜承载结构倾斜角度相适配的倾斜姿态，以装入上料空间。

16、在一个实施例中，所述吸附模块包括吸附体、承力框架和承载托盘；

17、所述吸附体安装在所述承力框架内，所述承力框架装配在所述承载托盘上；

18、所述承载托盘的外侧周边设置有用于与所述模块转运单元配合的抓取部、用于与所述导向组件滑动配合的导向面，以及用于与所述再生腔对接密封的密封端面。

19、在一个实施例中，所述吸附体设有贯通的气体通道，所述气体通道的表面或孔隙内设置有吸附活性组分以及用于耦合电磁能或接入电能的发热结构；

20、所述发热结构包含微波损耗材料或导电材料；

21、所述发热结构形成发热层，所述发热层位于所述气体通道表面与所述吸附活性组分之间，或者，所述发热结构与所述吸附活性组分共混形成复合涂层并附着在所述气体通道表面或孔隙内；

22、所述发热层或所述复合涂层用于在所述再生腔内耦合电磁能或接入电能产生热量，并通过物理接触导热或直接自加热所述吸附活性组分。

23、在一个实施例中，所述再生单元还包括与所述再生腔内部连通的抽气口和用于向处于所述再生腔内受密封的吸附模块进行加热的加热单元；

24、所述抽气口并联有初始抽空气支路和富二氧化碳气体收集支路；

25、所述初始抽空气支路包括依次管路连接的初始抽空气隔离阀和第一真空泵，用于排出所述再生腔内的初始残余空气；

26、所述富二氧化碳气体收集支路包括依次管路连接的收集隔离阀、冷凝器、气液分离器和第二真空泵，用于去除脱附产生的富二氧化碳气体中的水蒸气并进行收集；

27、所述加热单元为微波加热单元或焦耳热加热单元；

28、所述微波加热单元包括磁控管、环行器、波导、设置在所述再生腔上的微波馈入窗口、水负载以及设置在所述再生腔内的预湿组件，所述磁控管产生的微波经所述环行器和所述波导，由所述微波馈入窗口馈入所述再生腔，所述环行器的反射功率端连接所述水负载，在所述再生腔与所述吸附模块发生阻抗不匹配时吸收反射微波，以保护所述磁控管，所述预湿组件与所述气液分离器的排液端管路连通，在所述微波馈入窗口馈入微波前，利用所述气液分离器排出的冷凝水对所述吸附模块进行预湿喷淋；

29、所述焦耳热加热单元包括集成在所述吸附模块外侧或所述承载托盘上的至少两个电极端子，以及设置在所述再生腔内的电连接机构，所述电极端子在所述吸附模块定位后，用于与所述电连接机构抵接配合。

30、在一个实施例中，所述模块转运单元的转移路径上还独立于所述吸附单元和所述再生单元设置有冷却单元和缓存单元；

31、所述模块转运单元用于自所述低位端移出吸附模块后，先将其转移至缓存单元进行暂存，再转移进入再生腔内；以及将从所述再生腔内移出的吸附模块先转移至冷却单元进行降温，再装入所述高位端。

32、在一个实施例中，还包括控制单元，所述控制单元分别与所述吸附单元、所述再生单元和所述模块转运单元信号连接；

33、所述控制单元配置为获取环境风况数据、各个吸附模块的吸附时长、各个吸附模块等待进入所述再生腔的等待时间和可用电力数据，并基于获取的数据计算各个吸附模块的脱附优先级得分，构建再生等待队列以控制多个吸附模块依次进入所述再生腔；

34、所述脱附优先级得分正相关于基于所述吸附时长与所述环境风况数据评估的预计二氧化碳负载量以及所述吸附模块等待进入所述再生腔的等待时间，且负相关于系统当前可用电力的负荷率。

35、本发明还提出了一种直接空气碳捕集方法，应用于如上所述的直接空气碳捕集系统，包括如下步骤：

36、使多个吸附模块沿倾斜承载结构的倾斜方向依次排列，利用环境空气进行被动吸附；

37、监测吸附模块的吸附状态，当位于低位端的吸附模块满足脱附切换条件时，控制模块转运单元自低位端移出该吸附模块并转移至再生腔内，位于导向组件上的其余吸附模块在重力作用下向下滑动直至受限位结构支撑，并在高位端腾出上料空间；

38、在再生腔内，对吸附模块进行密封、抽真空和加热脱附处理，并收集脱附的二氧化碳；

39、将脱附再生后的吸附模块由再生腔移出，并控制模块转运单元将其装入高位端的上料空间内。

40、在一个实施例中，在监测吸附模块的吸附状态之后，还包括：

41、获取再生腔的占用状态、系统当前可用电力的实时数据、环境风况数据、各个吸附模块的吸附时长以及处于暂存等待状态的各个吸附模块的等待时间；

42、当位于低位端的吸附模块满足脱附切换条件，且可用电力低于运行再生单元所需的峰值功率阈值或再生腔处于被占用状态时，控制模块转运单元将该吸附模块移出，并转入独立于再生腔和吸附单元的缓存单元进行暂存等待；

43、基于获取的数据计算处于暂存等待状态的各个吸附模块的脱附优先级得分，并构建再生等待队列，其中，所述脱附优先级得分正相关于基于所述吸附时长与所述环境风况数据评估的预计二氧化碳负载量以及吸附模块等待进入再生腔的等待时间，且负相关于所述系统当前可用电力的负荷率；

44、直至可用电力不低于所述峰值功率阈值且再生腔处于未占用状态时，根据所述再生等待队列控制脱附优先级得分最高的吸附模块转入再生腔。

45、与现有技术相比，本发明的直接空气碳捕集系统及方法的有益效果在于：

46、1）本发明通过将吸附单元与再生单元独立分离设置，避免了在脱附再生过程中对庞大的吸附接触腔体进行整体加热和抽真空，有效降低了系统的热惯性和寄生能耗。同时，在吸附单元中采用具有高位端和低位端的倾斜承载结构及导向组件，利用重力作用使留在导向组件上的其余吸附模块自然向下滑动补位，并在高位端腾出上料空间。这种设计减少了吸附阵列中对全流程主动式传动机构的依赖，简化了系统整体的机械复杂度，降低了模块流转过程中的运行能耗，并提高了多模块连续运行的系统可靠性。

47、2）本发明在吸附单元上方设置具有圆滑檐口和弧形棚面的导流棚，且导流棚与吸附模块之间具有间隙并保持非密封连接。该结构配置能够在避免形成高阻力封闭风道的前提下，有效引导环境空气流动，利用气动力学原理将自然风的动压转化为吸附模块前后的穿透压差。这种开放式的流道设计有效提升了系统的被动吸附效率，降低了对大型引风机等主动强制送风设备的依赖，进一步降低了碳捕集过程的整体运行能耗。

48、3）本发明通过模块转运单元的上料机构、下料机构和转运载具的协同配合，特别是上料机构中提升组件与可翻转托架的联动配置，实现了吸附模块在水平移载姿态与倾斜装配姿态之间的平稳转换。该传动逻辑能够确保吸附模块在提升至高位端时，其空间位姿与倾斜承载结构的角度实现机械上的精准匹配，有效避免了沉重的模块在上下料过程中的机械卡涩与干涉风险。此外，吸附模块采用集成了抓取部、导向面和密封端面的承载托盘，在实现便捷抓取与顺畅滑行的同时，能够在其进入再生腔时直接提供稳固的对接密封界面，优化了系统的整体密封架构。同时，利用机械臂在转运过程中的微幅抖动，实现了吸附模块的无耗能自清洁除尘，保障了户外长期运行的孔道畅通。

49、4）本发明在吸附体的气体通道表面或孔隙内设置微波损耗材料或导电材料，形成发热层或复合涂层，使其在再生腔内直接耦合电磁能或接入电能产生热量。这种基于物理接触的直接加热机制将热能精准施加于吸附活性组分，避免了传统间接加热方式中对支撑骨架及周边流体的无效加热，大幅降低了脱附阶段的热惯性，提高了升温响应速度和热能转换率。配合微波加热单元中环行器与水负载的布置，系统能够有效吸收因再生腔与吸附模块阻抗不匹配所产生的反射微波，保障了磁控管等核心器件的安全运行，延长了设备的使用寿命。特别是结合微波加热前的预湿处理，利用水分子的强介电损耗特性，进一步加速了初始升温响应，降低了干烧老化风险，提升了系统的整体热利用率。

50、5）本发明在再生单元的抽气口处并联设置独立的初始抽空气支路和富二氧化碳气体收集支路。在脱附工艺时序中，系统先经由初始抽空气支路排出再生腔内的初始残余空气，随后切换至富二氧化碳气体收集支路对脱附产生的气体进行去水和收集。这种管路物理隔离与时序控制相结合的策略，有效避免了系统内部残余空气对脱附气体的二次稀释，显著提升了最终收集的二氧化碳气体的纯度，减轻了下游气体纯化与压缩设备的运行负荷。

51、6）本发明在模块转运的转移路径上配置了独立于吸附单元和再生单元的冷却单元与缓存单元，使系统具备了物理层面的节拍缓冲能力。结合系统配置的控制单元及动态调度方法，系统能够获取环境风况、吸附时长、等待时间以及当前可用电力等多维实时数据，动态计算处于暂存状态模块的脱附优先级得分并构建排队队列。该方法能够在系统可用电力受限或再生腔被占用时拦截并缓存吸附模块，而在运行条件满足时依优先级指令单个模块依次入仓。这一动态调度机制有效适配了可再生能源供应的间歇性特征，化解了多模块阵列在复杂工况下的拥堵风险，实现了捕集系统产能与外部能源供给的最优化匹配。