集成蒸汽压缩式热泵的低能耗变温吸附气体分离系统

本技术涉及一种用于气体分离的变温吸附系统，特别涉及通过集成蒸汽压缩式热泵实现低能耗除水和废热利用，可以用于二氧化碳的直接空气捕获和空气分离制取氧气，属于环境工程与能源。

背景技术：

1、气体的吸附分离技术是现代核心工业技术之一，相比于蒸馏、吸收等传统分离流程具有更低的能耗和成本。变温吸附流程是当下主流的吸附分离技术，在气体干燥、碳捕集及化工纯化领域占据重要地位。优化变温吸附技术的能耗、成本、集成工艺及应用场景创新是未来发展的核心方向。

2、空气分离是气体吸附分离技术的重要应用场景，通过固体吸附剂的选择性吸附实现空气中目标组分的高效分离，对于能源、医疗和环保等关键领域具有重要意义。从空气中直接分离捕获二氧化碳被称为直接空气捕集，与传统碳捕集技术不同，直接空气捕集可以捕捉面源排放的二氧化碳(如交通运输，约占全球碳排放的15％)，其部署不受地域空间限制，更便于捕获后二氧化碳的资源化利用。此外，从空气中分离氮气和氧气，从而制取高纯度氧气也是当下便携式制氧机的主流技术方案，因其产率高、流程简单等特点占据了大部分市场。

3、然而，在吸附分离过程中，吸附剂的性能极易受空气中水分影响，导致吸附剂性能低于预期。例如，多数物理吸附剂在湿润条件下工作容量显着下降；某些固态胺吸附剂在高湿度条件下存在胺基利用率降低和吸附速度减慢等问题。传统吸附分离工艺通常依赖额外的干燥剂或冷却塔以除去空气中的水分，该过程不仅能耗较高，而且设备复杂、维护成本较大。此外，传统吸附剂的再生过程多依赖电能驱动，能量利用效率较低，进一步导致系统整体能耗偏高。本发明通过在不额外增加能耗的前提下，利用冷热联产热泵实现吸附剂的高效再生与空气中水分的协同调控，从而显著降低吸附再生过程能耗，提升能源利用效率，并有望进一步降低空气分离过程的综合成本。

4、综上，开发设计一种不受水分干扰且能够实现低能耗运行的空气分离工艺体系，将成为空气分离技术的关键突破。

技术实现思路

1、本实用新型为了解决上述问题，提出一种集成有蒸汽压缩式冷热联产热泵的变温吸附体系。该体系利用热泵的冷凝热完成吸附剂的再生，相较于传统电加热过程能耗低数倍。利用热泵低于室温的蒸发器冷凝空气中的水蒸气，达成控制进气流湿度的效果，获得的冷凝水可被进一步利用。热泵的制冷效果可降低吸附剂的工作温度，在低于室温的温度下达到更高的工作容量。

2、本揭示内容提供一种集成蒸汽压缩式热泵的低能耗变温吸附气体分离系统，其特征在于，包括一变温吸附单元和一蒸汽压缩式热泵单元，所述变温吸附单元包括至少两个吸附床，所述蒸汽压缩式热泵单元包括压缩机、膨胀阀、气液分离器、冷凝器和蒸发器。在该实施方式中，所述冷凝器与蒸发器通过所述吸附床中的热交换结构连接；所述蒸发器用于冷却进气流，使其中的水蒸气冷凝，以达到除湿并提供低温吸附环境；所述冷凝器释放的热量直接用于所述吸附床中的吸附剂再生。

3、依据本揭示内容一实施方式，所述热交换结构包括一内壳体、一吸附柱、一外壳体及一水浴循环通道。在该实施方式中，所述吸附柱置于所述内壳体中，通过水浴循环分别与所述冷凝器及所述蒸发器连接。

4、依据本揭示内容一实施方式，所述蒸发器置于进气端，用于将进气流温度降至露点以下以脱除水分，过程中联产纯净冷凝水，同时为所述吸附床提供0-25℃的低温吸附环境。

5、依据本揭示内容一实施方式，所述吸附剂为物理吸附剂，其种类选自于沸石、金属有机框架、共价有机框架。

6、与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

7、本实用新型首次提出将蒸汽压缩式冷热联产热泵与变温吸附分离体系集成，同时利用热泵的制冷与制热作用，实现物理吸附剂在空气分离场景下的增量吸附与高效再生。该体系采用创新的吸附柱设计集成热泵的冷凝器、蒸发器和吸附柱，高效实现了体系内部的热交换。该体系功能包括且不限于二氧化碳的直接空气捕集和空气分离制取氧气。热泵的蒸发器用于空气除湿并提供低温吸附环境，显着提升二氧化碳吸附量和氧气产率；冷凝热直接用于吸附剂再生，实现环境中废热的回收利用。该体系在运行期间表现出低于电驱动流程数倍的能耗并生产纯净的冷凝水，兼具商业价值和环境效益。

8、本实用新型通过控制进气流的湿度，解锁了多种先进的物理吸附剂，如13x沸石、5a沸石、cbv10a沸石、nboffive-1-ni金属有机框架及cof-999共价有机框架在空气分离场景下的应用，从而充分发挥了沸石分子筛成本低、再生温度低、结构稳定等优势。物理吸附剂较低的再生温度是热泵高效利用低温废热的前提，废热回收场景包括但不限于建筑物空调系统、数据中心、地下轨道交通、大型灯箱等。物理吸附剂的吸附行为通常明显受到温度的调控，热泵提供的低温条件下极大促进了吸附过程的正向进行，提高了二氧化碳捕捉量和氧气产量。

9、参阅下文实施方式后，本揭示内容所属技术领域中具有通常知识者当可轻易了解本新型之基本精神及其他新型目的，以及本新型所采用之技术手段与实施态样。

1.一种集成蒸汽压缩式热泵的低能耗变温吸附气体分离系统，其特征在于，包括一变温吸附单元和一蒸汽压缩式热泵单元，所述变温吸附单元包括至少两个吸附床(1)，所述蒸汽压缩式热泵单元包括一冷凝器(6)及一蒸发器(7)；

2.根据权利要求1所述的集成蒸汽压缩式热泵的低能耗变温吸附气体分离系统，其中所述热交换结构包括一内壳体(14)、一吸附柱(15)、一外壳体(16)及一水浴循环通道(18)；

3.根据权利要求1所述的集成蒸汽压缩式热泵的低能耗变温吸附气体分离系统，其特征在于：所述蒸发器(7)置于进气端，用于将进气流温度降至露点以下以脱除水分，过程中联产纯净冷凝水，同时为所述吸附床提供0-25℃的低温吸附环境。

4.根据权利要求1所述的集成蒸汽压缩式热泵的低能耗变温吸附气体分离系统，其特征在于：所述吸附剂为物理吸附剂，其再生温度较低，所述吸附剂种类包括沸石、金属有机框架及共价有机框架。