一种可再生能源耦合驱动捕集空气中CO2的系统和方法

一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统和方法
技术领域
1.本发明属于大气中二氧化碳捕集技术领域，涉及一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统和方法。


背景技术：

2.近年来，化石燃料的大量使用导致大气中co2温室气体排放量急剧增多，加剧了全球变暖，全球温度上升导致大量冰川融化加快、海平面升高、生态环境发生变化。通过co2减排等碳中和技术来延缓全球变暖尤为重要。传统的碳捕集技术主要集中在固定点源的燃烧前捕集和燃烧后捕集技术，这两种技术主要是对以化石燃料为基础的发电厂、炼油厂、化工厂、水泥厂等大型固定点源排放的co2进行处理。除了工业以及电力行业等固定点源的温室气体排放，接近55%的温室气体排放来源于小型工厂、交通工具排放的co2尾气、生活燃气等零散分布源，而直接空气co2捕集技术(dac)则可以直接降低空气中co2浓度，是重要的“负碳排放”技术之一，是实现“双碳”目标的托底技术保障，近年来受到广泛关注。
3.直接空气捕集co2技术是通过吸收剂或吸附剂对空气中的二氧化碳进行捕捉，dac技术大多采用工业级风扇将空气吸入装有液态化学吸收剂或固态吸附剂的碳捕集单元，完成捕捉后将含有大量co2的吸收剂或吸附剂通过改变热量、压力或温度进行co2再生并用于再次捕集，而二氧化碳则被分离并储存起来。在这捕集系统中，化石电力作为风机、流体输送泵、再生热源的直接能源，显然不符合可持续发展未来的方向，大力发展光电、风电等可再生能源发电技术不仅有助于缓解我国对化石能源的严重依赖，也将大量减少电力部门的温室气体与其他污染物排放。
4.国内外研究学者围绕直接空气碳捕集技术进行了大量研究和开发工作，以直接降低大气中co2浓度。专利cn102527191a公开了一种二氧化碳回收设备和二氧化碳回收方法，主要利用溶液吸收二氧化碳，但该技术方案需要大面积的设备用地，不具备现实可操作性。专利cn113786710a公开了采用太阳能集热和弃光电能对碳捕集系统供能，可高效地利用一些原本应被舍弃的风电和光电为碳捕集系统供能，比传统的汽轮机抽蒸汽供能的碳捕集方式相比更节能。专利cn113813746a公开了一种从空气中直接捕集二氧化碳的装置和方法，能够实现从空气中直接捕集二氧化碳并连续生产高纯度二氧化碳产品，同时该装置设备布置紧凑、占地面积小、但耗能高，设备制作复杂。另外，加拿大carbon engineering公司利用氢氧化钾溶液对空气中的二氧化碳进行吸附，但其再生过程需将吸附材料加热到900℃，需要消耗大量热能。上述直接空气捕集co2技术所采用的装置或工艺大多采用化石电力供电，或是设备体积庞大或是再生能耗高，不利于推广应用。因此，寻求在避免化石能源使用的同时，也能解决直接空气捕集co2装置体积庞大以及co2再生能耗高等关键问题显得极为重要。


技术实现要素：

5.为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统和方法，能够实现从空气中，直接连续捕集二氧化碳生产co2和h2产品，
且捕集效率高，同时该捕集设备占地面积小、无废固和废液排放，能够降低设备投资及二氧化碳的捕集成本，对能源、环境和资源利用的绿色高质量发展发挥重要的作用。
6.一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统，其特征在于，所述系统包括风光电互补供电单元、电解水制氢供电单元、co2捕集单元、吸收剂与相变驱动剂以及co2再生单元；所述的风光电互补供电单元和电解水制氢供电单元均为直接空气捕碳系统中的空气压缩机、液体输送泵、微波反应器等提供驱动电力。
7.再进一步，所述的一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统，其特征在于，风光电互补供电单元由太阳能光伏板、风力电机、控制器、锂电池、燃料电池、电解水水槽以及氢气储罐组成；所述锂电池除了进行电力储备外，富于电力还将电解水以制备氢气，氢气可直接储存或用于燃料电池发电，为空气压缩机、吸收剂输送泵和微波反应器提供电力，采用可再生能源耦合驱动直接空气捕碳装置，完成二氧化碳的捕集和氢气产品的制备。
8.再进一步，所述的一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统，其特征在于，所述的直接空气捕碳系统为氨基酸盐或碱金属盐与亚胺胍类相变驱动剂组成的捕集系统，氨基酸盐为脯氨酸钾、赖氨酸钾、甘氨酸钾、丙氨酸钾、缬氨酸钾、亮氨酸钾、异亮氨酸钾、甲硫氨酸钾的一种或多种混合，碱金属盐为氢氧化钾、氢氧化钠的一种或两种混合，亚胺胍类选用2，5-呋喃双亚胺胍和聚六亚甲基双胍盐酸盐、聚亚己基双胍、聚胺丙基双胍的一种或多种混合。
9.再进一步，所述的一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统，其特征在于，所述的直接空气捕碳系统包括空气压缩机、吸收塔、结晶器、微波反应器、气液分离器。
10.再进一步，所述的一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统，其特征在于所述吸收塔为填料吸收塔，吸收温度为常温，吸收压力为常压，所述大气co2浓度为300-500ppm。
11.本发明还提供一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的方法，其特征在于，所述方法是利用可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统实现的，太阳能光伏板接受太阳能转化的电能和风力电机将风能转化的电能分别通过两个控制器储存到锂电池中，供电解水制氢供电单元、co2捕集单元、吸收剂与相变驱动剂以及co2再生单元使用；当锂电池电能储满时，多余电能会输送到电解水槽中进行水的电解过程，电解出的氢气被输送到燃料电池中，进行电能的转化与储存，多余的氢气则储存到氢气储罐中，当电能不足时也可被输送到燃料电池中进行发电；空气经过空气压缩机被引入到吸收塔中，与贫液泵输送的氨基酸钾盐或碱金属盐溶液吸收剂进行化学反应，空气中的co2经被吸收剂捕集下来，净化气则直接排入到大气中；吸收co2的富液通过富液泵打入到结晶器中，与来自微波反应器再生后的相变驱动剂发生作用，在结晶器中自动形成液固两相，上相为氨基酸钾盐溶液吸收剂，下相为含有大量co2的浆液，上相经贫液泵打入到吸收塔中继续吸收co2，而浆液则通过微波反应器进行相变驱动剂和co2的再生，高温使得co2大量逸出，经气液分离器分离得到co2和少量可循环使用水，剩下的相变驱动剂再回到结晶器中继续与富液作用形成富含co2的浆液，从而完成吸收剂和相变驱动剂的双循环利用；锂电池及燃料电池储存的电能直接供空气压缩机、富液泵、贫液泵以及微波反应器使用，完成对直接空气捕碳系统的电能供应。
12.综上，与现有技术相比，本发明将可再生能源/新能源/清洁能源，即风光清洁可再生能源发电系统与直接空气碳捕集系统进行耦合，可实现在低碳捕集二氧化碳的同时，增
加再生能源发电的利用率，避免大量使用化石能源发电，有助于解决当下能源的综合与资源化利用，实现空气中co2捕集过程自身的碳排放量与捕集成本，实现了绿色捕碳和经济捕碳。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，对部分实施例描述中使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为本发明的一些实施例描述使用的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
14.图1为本发明的一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统和方法流程示意图。
15.其中，附图标记说明如下：1-太阳能光伏板，2-控制器，3-锂电池，4-风力电机，5-控制器，6-电解水水槽，7-燃料电池，8-氢气储罐，9-空气，10-空气压缩机，11-吸收塔，12-净化气，13-富液泵，14-结晶器，15-贫液泵，16-微波反应器，17-气液分离器，18-co2气体，19-水。
具体实施方式
16.为了对本发明的技术方案和有益效果有更加清楚的理解，下面结合附图对本发明的实施方式进行进一步地详细描述。
17.本实施案例提供了一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统和方法，所述系统包括风光电互补供电单元、电解水制氢供电单元、co2捕集单元、吸收剂与相变驱动剂以及co2再生单元。太阳能光伏板1接受太阳能转化的电能和风力电机4将风能转化的电能分别通过控制器2和控制器5储存到锂电池3中，供电解水制氢供电单元、co2捕集单元、吸收剂与相变驱动剂以及co2再生单元使用；当锂电池3电能储满时，多余电能会输送到电解水水槽6中进行水的电解过程，电解出的氢气被输送到燃料电池7中，进行电能的转化与储存，多余的氢气则储存到氢气储罐8中，当电能不足时也可被输送到燃料电池7中进行发电；空气经过空气压缩机10被引入到吸收塔11中，与贫液泵15输送的氨基酸钾盐或碱金属盐溶液吸收剂进行化学反应，空气中的co2经被吸收剂捕集下来，净化气则直接排入大气中；吸收co2的富液通过富液泵13打入到结晶器14中，与来自微波反应器16再生后的相变驱动剂发生作用，在结晶器14中自动形成液固两相，上相为氨基酸钾盐溶液吸收剂，下相为含有大量co2和相变驱动剂的混合浆液，上相经贫液泵15打入到吸收塔11中继续吸收co2，而浆液则通过微波反应器16进行相变驱动剂和co2的再生，高温使得co2大量逸出，经气液分离器分离得到co2和少量可循环使用水，剩下的相变驱动剂再回到结晶器14中继续与富液作用形成富含co2的浆液，从而完成吸收剂和相变驱动剂的双循环利用；基于可再生能源发电的锂电池3以及氢气燃料电池7储存的电能直接供空气压缩机10、富液泵13、贫液泵15以及微波反应器16使用，完成对直接空气捕碳系统的电能供应。
18.实施案例1：在常温常压条件下，利用空气压缩机将含350ppm co2的空气引入填料吸收塔塔釜，与来自吸收塔顶的脯氨酸钾/2，5-呋喃双亚胺胍吸收剂进行逆流接触，充分进行二氧化碳吸收传质，捕集二氧化碳后的净化空气含量为20ppm co2，从吸收塔顶部的空气
出口排向大气，吸收二氧化碳后的溶液，经过富液泵输送到结晶器中，并引入相变驱动剂，与吸收后的co2产物形成液固两相，上相主要是脯氨酸钾溶液，而下相主要是含有大量co2的2，5-呋喃双亚胺胍混合浆液，上相循环至吸收塔中继续进行吸收过程，混合浆液则直接输送到微波反应器中，在80℃温度下进行再生过程，使co2从相变驱动剂中解吸出来，从而实现脱附，脱附气经过气液分离器，得到的冷凝液回流至吸收塔中，co2气体则通过气液分离器后，由二氧化碳出口排出，得到纯度为96％的co2产品，再生后的相变驱动剂继续循环至结晶器中继续进行沉淀过程，实现吸收解吸循环操作，进而实现吸收剂和相变驱动剂双循环，该系统从空气中直接捕集二氧化碳，捕集效率为98％；上述空气压缩机、富液泵、贫液泵及微波反应器均由面积为20平方米、功率为4000w的光伏板对锂电池进行充电供给使用。
19.实施案例2：在常温常压条件下，利用空气压缩机将含450ppm co2的空气引入填料吸收塔塔釜，与来自吸收塔顶的氢氧化钾/聚胺丙基双胍吸收剂进行逆流接触，充分进行二氧化碳吸收传质，捕集二氧化碳后的净化空气含量为15ppm co2，从吸收塔顶部的空气出口排向大气，吸收二氧化碳后的溶液，经过富液泵输送到结晶器中，并引入相变驱动剂，与吸收后的co2产物形成液固两相，上相主要是碳酸钾和碳酸氢钾溶液，而下相主要是含有大量co2的聚胺丙基双胍混合浆液，上相循环至吸收塔中继续进行吸收过程，混合浆液则直接输送到微波反应器中，在80℃温度下进行再生过程，使co2从相变驱动剂中解吸出来，从而实现脱附，脱附气经过气液分离器，得到的冷凝液回流至吸收塔，co2气体则通过气液分离器后，由二氧化碳出口排出，得到纯度为98％的co2产品，再生后的相变驱动剂继续循环至结晶器中进行沉淀过程，实现吸收解吸循环操作，进而实现吸收剂和相变驱动剂双循环，该系统从空气中直接捕集二氧化碳，捕集效率为99％；上述空气压缩机、富液泵、贫液泵及微波反应器均由面积为20平方米、功率为4000w的光伏板及功率为5000w的电力风机对锂电池进行充电结合氢气燃料电池放电，供给电力能源。
20.以上所述，仅为本发明技术特征的一些具体实施方式，而不是全部的实施例，因此不能理解为对本发明的可实施范围的限定。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的精神和技术范围内，所做的任何修改、等同替换或改变等，均应包含在本发明的保护范围之内。