一种两级连续矿化碳捕集系统及运行方法

1.本发明属于矿化碳捕集技术领域，尤其涉及一种两级连续矿化碳捕集系统及运行方法。


背景技术：

2.碳捕集技术目前多通过无机溶液吸收剂、有机胺溶液吸收剂、离子液体吸收剂和固体吸附剂等来实现二氧化碳的富集。其中吸附法相比于溶剂吸收法和富氧燃烧具有更低的运行成本，相比于膜分离法和化学链燃烧具有更高的技术成熟度，吸附法还可避免胺类溶剂在使用过程中产生的有毒和腐蚀性物质。因此，吸附法碳捕集技术受到了行业科研工作者和企业们的高度重视。
3.但目前为止所研究、公开的矿化碳捕集系统都是基于高能耗的吸收式二氧化碳富集过程而构建的循环。当应用吸收式循环时，液态材料混有大量的不具有碳捕集能力的溶剂存在，而导致了高能耗和低效率，并且吸收式的反应时间较短，气液扩散较慢也导致了碳捕集率低下的问题。同时矿化反应速率较慢和材料稳定性差也是限制其大规模使用的重要因素。如果可以解决这些技术难题，将提高整个矿化碳捕集系统的稳定性、有效性与经济性。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种两级连续矿化碳捕集系统及运行方法，以解决现有矿化碳捕集方案经济性较差的问题。
5.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
6.本发明的一种两级连续矿化碳捕集系统，包括：
7.回质单元，所述回质单元的输入端与进口管相连通，用于接收含碳气体；
8.富集部，所述富集部的输入端与所述回质单元的输出端相连通，所述富集部的净化气输出端与外部大气连通，用于接收所述接收含碳气体，吸附所述含碳气体内的二氧化碳并暂存；
9.矿化部，所述矿化部的碳吸附气体输入端与所述富集部的碳吸附气体输出端相连通，用于接收经所述富集部富集后的碳吸附气体，进行集气并暂存；所述矿化部的净化气输出端与所述回质单元的输入端相连通；所述矿化部上还设有矿化物料进口和矿化物料出口；
10.工业废热导通部，连通至所述富集部，用于提供热量至所述富集部；
11.其中，所述矿化物料进口用于接收矿化材料，所述矿化材料与所述矿化部内暂存的二氧化碳反应并形成固体产物，所述固体产物经所述矿化物料出口排出。
12.本发明的两级连续矿化碳捕集系统，还包括缓冲容器；
13.所述缓冲容器的输入端和输出端分别连通于所述富集部的碳吸附气体输出端和所述矿化部的碳吸附气体输入端。
14.本发明的两级连续矿化碳捕集系统，所述富集部包括至少两个富集装置；
15.每一所述富集装置的输入端均与所述回质单元的输出端相连通；所述回质单元的输出端处设有回质单元输出单向阀，每一所述富集装置的输入端处均设有入口阀；
16.每一所述富集装置的净化气输出端均与外部大气连通，每一所述富集装置的碳吸附气体输出端均与所述缓冲容器的输入端相连通；
17.且每一所述富集装置的净化气输出端和碳吸附气体输出端均依次设有富集单向阀和富集排气阀。
18.本发明的两级连续矿化碳捕集系统，所述富集装置为碳吸附装置；
19.所述碳吸附装置包括沿气体流动方向依次布置的原料气富集单元、填充单元和排气富集单元；所述原料气富集单元上设有所述碳吸附装置的输入端；所述排气富集单元上设有所述碳吸附装置的净化气输出端和碳吸附气体输出端。
20.本发明的多级复叠连续固体吸附碳捕集系统，所述填充单元内填充的组分包括固态复合二氧化碳吸附剂和/或硫化膨胀石墨，其填充比例质量为1:1～200:1；所述固态复合二氧化碳吸附剂包括乙二胺、二乙烯三胺、聚乙烯亚胺、四乙烯五胺等含胺基官能团的材料的任一种或任多种，通过浸渍、接枝、氧化等任一种或任多种方法搭载在碳基材料、沸石基材料、氧化物材料、双层金属氧化物材料、碱性陶瓷材料、有机框架材料的任一种或任多种上。
21.本发明的两级连续矿化碳捕集系统，所述矿化部为流化床；所述流化床包括自下而上依次设置的碳吸附气体富集单元、流化反应单元和矿化排气单元；
22.所述碳吸附气体富集单元的碳吸附气体输入端与所述缓冲容器的输出端相连通；所述缓冲容器的输出端处设有缓冲容器输出单向阀，所述碳吸附气体富集单元的碳吸附气体输入端处设有矿化入口阀；
23.所述矿化排气单元的净化气输出端与所述回质单元的输入端相连通；所述矿化排气单元的净化气输出端依次设有矿化单向阀和矿化排气阀；
24.所述矿化物料进口设于所述流化反应单元与所述矿化排气单元之间，所述矿化物料出口设于所述碳吸附气体富集单元与所述流化反应单元之间；
25.其中，所述矿化物料进口用于接收固态矿化材料，所述固态矿化材料下落至所述流化反应单元与所述碳吸附气体富集单元富集的二氧化碳发生矿化反应，矿化反应形成所述固体产物，所述固体产物经所述矿化物料出口排出。
26.本发明的两级连续矿化碳捕集系统，所述固态矿化材料为含催化材料的浸渍硝酸盐、碳酸盐、氨水、水蒸汽、海水中的任一种或任多种，搭载于碳基材料、沸石基材料、氧化物材料、碱性陶瓷材料、高分子有机聚合物的任一种或任多种惰性载体，并利用包括挤出滚圆法、压制成型法、共沉淀法、静电纺丝法、添加粘合剂法等任一种或任多种成型方法制备的包括氧化镁、氧化钙、氧化铁、氧化钾、氧化钠、氧化钛等任一种或任多种的颗粒状复合材料。
27.本发明的两级连续矿化碳捕集系统，所述富集部上设有与所述工业废热部导通的第一换热入口和第一换热出口。
28.本发明的两级连续矿化碳捕集系统，所述回质单元用于将所述进口管输出的含碳气体与所述矿化部的净化气输出端输出的净化气进行均匀混气并形成复合气，所述复合气
用于输出至所述富集部的输入端。
29.本发明的一种运行方法，应用于上述任意一项所述的两级连续矿化碳捕集系统，如下：
30.第一工作模式：打开所述富集部的输入端和净化气输出端，使所述回质单元生成的复合气中的二氧化碳被所述富集部富集并暂存，所述富集部生成的净化气通过净化气输出端直接排放；所述富集部储存完成后，关闭所述富集部的输入端和净化气输出端；
31.第二工作模式：打开所述富集部的碳吸附气体输出端以及所述矿化部的碳吸附气体输入端和净化气输出端，同时利用所述工业废热导通部的热量对所述富集部进行加热，使得所述富集部中暂存的二氧化碳被释放形成碳吸附气体，并进入所述矿化部，所述碳吸附气体中的二氧化碳与所述矿化物料进口输入的矿化材料发生矿化反应，矿化反应生产的产物由所述矿化物料出口排出，所述矿化部生成的净化气通过净化气输出端进入所述回质单元；所述富集部施放完成后，关闭所述富集部的碳吸附气体输出端以及所述矿化部的碳吸附气体输入端和净化气输出端。
32.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
33.1、本发明一实施例通过由回质单元对进口管的含碳气体与矿化部生产的净化气进行混合，混合的复合气依次进入富集部进行富集以及进入矿化部进行矿化；在矿化流程中，矿化材料经由矿化物料进口进入矿化部与二氧化碳进行矿化，形成的固体产物经矿化物料出口排出；富集部在利用工业废热进行加热的同时，利用矿化部内的吸附材料形成再吸附反应，促进富集部中吸附材料的再生，降低了再生能耗，提高了经济性，从而解决了现有矿化碳捕集方案经济性较差的问题。
34.2、本发明一实施例通过将矿化部的净化气输出至回质单元与进口管的含碳气体在回质单元内均匀混合，实现了多次重复的碳捕集，提升了碳捕集率和反应效率，提高了经济性和有效性。
35.3、本发明一实施例利用两级吸附的方式，提升了矿化反应的二氧化碳浓度，并且利用富集单元再生过程中二氧化碳气体的升温工况，共同实现了矿化反应速率的提升，提高了本发明的经济性。
附图说明
36.图1为本发明的两级连续矿化碳捕集系统的示意图。
37.附图标记说明：1：进口管；2：回质单元；3：第一富集装置；3-1：第一原料气富集单元；3-2：第一填充单元；3-3：第一排气富集单元；4：第二富集装置；4-1：第二原料气富集单元；4-2：第二填充单元；4-3：第二排气富集单元；5：缓冲容器；6：矿化部；6-1：碳吸附气体富集单元；6-2：矿化物料出口；6-3：流化反应单元；6-4：矿化物料进口；6-5：矿化排气单元； 7：外部大气；8：回质单元输出单向阀；9：第一入口阀；10：第一富集单向阀；11：第一富集排气阀；12：第二入口阀；13：第二富集单向阀；14：第二富集排气阀；15：第三富集单向阀；16：第三富集排气阀；17：第四富集单向阀；18：第四富集排气阀；19：缓冲容器输出单向阀；20：矿化入口阀； 21：矿化单向阀；22：矿化排气阀；23：回质气路；24：第一换热入口；25：第一换热出口。
具体实施方式
38.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种两级连续矿化碳捕集系统及运行方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
39.实施例一
40.参看图1，在一个实施例中，一种两级连续矿化碳捕集系统，包括回质单元2、富集部、矿化部6和工业废热导通部。
41.回质单元2的输入端与进口管1相连通，用于接收含碳气体。富集部的输入端与回质单元2的输出端相连通，富集部的净化气输出端与外部大气7 连通，用于接收含碳气体，吸附含碳气体内的二氧化碳并暂存。
42.矿化部6的碳吸附气体输入端与富集部的碳吸附气体输出端相连通，用于接收经富集部富集后的碳吸附气体，进行集气并暂存。矿化部6的净化气输出端与回质单元2的输入端相连通。矿化部6上还设有矿化物料进口6-4 和矿化物料出口6-2。
43.工业废热导通部则是连通至富集部，用于提供热量至富集部。
44.其中，矿化物料进口6-4用于接收矿化材料，矿化材料与矿化部6内暂存的二氧化碳反应并形成固体产物，固体产物经矿化物料出口6-2排出。
45.本实施例通过由回质单元2对进口管1的含碳气体与矿化部6生产的净化气进行混合，混合的复合气依次进入富集部进行富集以及进入矿化部6进行矿化。在矿化流程中，矿化材料经由矿化物料进口6-4进入矿化部6与二氧化碳进行矿化，形成的固体产物经矿化物料出口6-2排出。富集部在利用工业废热进行加热的同时，利用矿化部6内的吸附材料形成再吸附反应，促进富集部中吸附材料的再生，降低了再生能耗，提高了经济性，从而解决了现有矿化碳捕集方案经济性较差的问题。
46.并通过将矿化部6的净化气输出至回质单元2与进口管1的含碳气体在回质单元2内均匀混合，实现了多次重复的碳捕集，提升了碳捕集率和反应效率，提高了经济性和有效性。同时，实施例利用两级吸附的方式，提升了矿化反应的二氧化碳浓度，并且利用富集单元再生过程中二氧化碳气体的升温工况，共同实现了矿化反应速率的提升，提高了本发明的经济性。
47.下面对本实施例的两级连续矿化碳捕集系统的具体结构进行进一步说明 (以富集部包括两个装置为例)：
48.在本实施例中，两级连续矿化碳捕集系统还可包括缓冲容器5。缓冲容器5的输入端和输出端分别连通于富集部的碳吸附气体输出端和矿化部6的碳吸附气体输入端，用于矿化反应的稳压调控。
49.在本实施例中，富集部包括第一富集装置3和第二富集装置4。
50.第一富集装置3和第二富集装置4的输入端与回质单元2的输出端通过管路相连通。回质单元2的输出端出设有回质单元输出单向阀8，第一富集装置3和第二富集装置4的输入端处分别设有第一入口阀9和第二入口阀12。
51.第一富集装置3和第二富集装置4的净化气输出端分别通过管路与外部大气7连通，且第一富集装置3的净化气输出端依次设有第一富集单向阀10 和第一富集排气阀11，第二富集装置4的净化气输出端依次设有第二富集单向阀13和第二富集排气阀14。
52.第一富集装置3和第二富集装置4的碳吸附气体输出端分别通过管路与缓冲容器5
的输入端相连通。第一富集装置3的碳吸附气体输出端依次设有第三富集单向阀15和第三富集排气阀16，第二富集装置4的碳吸附气体输出端依次设有第四富集单向阀17和第四富集排气阀18。
53.具体地，第一富集装置3和第二富集装置4均为碳吸附装置。
54.该碳吸附装置包括沿气体流动方向依次布置的原料气富集单元、填充单元和排气富集单元。原料气富集单元上设有碳吸附装置的输入端。排气富集单元上设有碳吸附装置的净化气输出端和碳吸附气体输出端。(即第一富集装置3包括第一原料气富集单元3-1、第一填充单元3-2和第一排气富集单元 3-3；即第二富集装置4包括第二原料气富集单元4-1、第二填充单元4-2和第二排气富集单元4-3)
55.填充单元内填充的组分包括固态复合二氧化碳吸附剂和/或硫化膨胀石墨，其填充比例质量为1:1～200:1。固态复合二氧化碳吸附剂包括乙二胺、二乙烯三胺、聚乙烯亚胺、四乙烯五胺等含胺基官能团的材料的任一种或任多种，通过浸渍、接枝、氧化等任一种或任多种方法搭载在碳基材料、沸石基材料、氧化物材料、双层金属氧化物材料、碱性陶瓷材料、有机框架材料等任一种或任多种上。
56.其中，第一填充单元3-2和第二填充单元4-2可采用聚乙烯亚胺浸渍的活性炭/硫化膨胀石墨复合吸附材料。优化地，活性炭与硫化膨胀石墨质量比为4:1。
57.在本实施例中，矿化部6可采用流化床设计。流化床包括自下而上依次设置的碳吸附气体富集单元6-1、流化反应单元6-3和矿化排气单元6-5。
58.碳吸附气体富集单元6-1的碳吸附气体输入端与缓冲容器5的输出端相连通。缓冲容器5的输出端处设有缓冲容器输出单向阀19，碳吸附气体富集单元6-1的碳吸附气体输入端处设有矿化入口阀20。矿化排气单元6-5的净化气输出端通过回质气路23与回质单元2的输入端相连通。矿化排气单元 6-5的净化气输出端依次设有矿化单向阀21和矿化排气阀22。
59.其中，矿化物料进口6-4设于流化反应单元6-3与矿化排气单元6-5之间，矿化物料出口6-2设于碳吸附气体富集单元6-1与流化反应单元6-3之间。矿化物料进口6-4用于接收固态矿化材料，固态矿化材料下落至流化反应单元 6-3与碳吸附气体富集单元6-1富集的二氧化碳发生矿化反应，矿化反应形成固体产物，固体产物经矿化物料出口6-2排出。
60.上述的固态矿化材料为含催化材料的浸渍硝酸盐、碳酸盐、氨水、水蒸汽、海水等的任一种或任多种，搭载于碳基材料、沸石基材料、氧化物材料、碱性陶瓷材料、高分子有机聚合物的任一种或任多种惰性载体，并利用包括挤出滚圆法、压制成型法、共沉淀法、静电纺丝法、添加粘合剂法等任一种或任多种成型方法制备的包括氧化镁、氧化钙、氧化铁、氧化钾、氧化钠、氧化钛等任一种或任多种的颗粒状复合材料。
61.本实施例将矿化部6使用流化床设计实现了长时间持续矿化反应，减少了矿化设备数量，提升了经济性和稳定性；并在矿化材料方面采用了复合改性材料，催化矿化反应，提高二氧化碳传质性能与矿化性能，并且强化了矿化过程的稳定性，有效提高了本实施例的稳定性、有效性与经济性。
62.在本实施例中，富集装置上设有与工业废热部导通的第一换热入口24 和第一换热出口25。即供热废热导通部与富集装置之间是换热的连接形式。
63.在本实施例中，回质单元2用于将进口管1输出的含碳气体与矿化部6 的净化气输
出端输出的净化气进行均匀混气并形成复合气，复合气用于输出至第一富集装置3和第二富集装置4。
64.下面对本实施例的两级连续矿化碳捕集系统的运行流程进行说明：
65.含碳气体进入进口管1后，进入回质单元2与回质气路23中返回的含二氧化碳的气体杂质进行混合后，经回质单元输出单向阀8后分为两路；一路经第一入口阀9进入第一富集装置3，气体杂质(即净化气)依次通过第一富集单向阀10和第一富集排气阀11后直接排放，而所富集的二氧化碳依次经过第三富集单向阀15和第三富集排气阀16进入缓冲容器5；另一路经第二入口阀12进入第二富集装置4，气体杂质(即净化气)依次通过第二富集单向阀13和第二富集排气阀14后直接排放，而所富集的二氧化碳依次经过第四富集单向阀17和第四富集排气阀18进入缓冲容器5。
66.缓冲容器5中的富集气(即碳吸附气体)经过缓冲容器输出单向阀19 后，经矿化入口阀20进入流化床，气体杂质依次通过矿化单向阀21和矿化排气阀22后，经由回质气路23进入回质单元2，而流化床内的二氧化碳与矿化物料进口6-4持续加入的矿化材料在流化反应单元6-3进行反应，并形成固体产物从矿化物料出口6-2分离持续排出。
67.实施例二
68.本实施例提供一种运行方法，应用于上述实施例一中的两级连续矿化碳捕集系统，如下：
69.第一工作模式：打开第一入口阀9和/或第二入口阀12以及第一富集排气阀11和/或第二富集排气阀14，使回质单元2生成的复合气中的二氧化碳被第一填充单元3-2和/或第二填充单元4-2中材料储存，气体杂质通过第一富集排气阀11和/或第二富集排气阀14直接排放；
70.该富集单元储存完成后，关闭第一入口阀9和/或第二入口阀12以及第一富集排气阀11和/或第二富集排气阀14。
71.第二工作模式：打开第三富集排气阀16和/或第四富集排气阀18、流化床的矿化入口阀20以及矿化排气阀22，同时利用工业废热导通部的热量对第一富集装置3和/或第二富集装置4进行加热，使得第一填充单元3-2和/ 或第二填充单元4-2中的二氧化碳被释放形成碳吸附气体，并进入流化床；碳吸附气体中的二氧化碳被碳吸附气体富集单元6-1分离并输出至流化反应单元6-3内，与矿化物料进口6-4进入的固态矿化材料发生矿化反应，矿化反应形成固体产物并经矿化物料出口6-2排出；而流化床形成的净化气通过矿化排气阀22进入回质单元2。
72.富集装置释放完成后，关闭第三富集排气阀16和/或第四富集排气阀18、流化床的矿化入口阀20以及矿化排气阀22。
73.本实施例的两级连续矿化碳捕集系统具有连续运行与气体处理量的模块化拓展能力，设立多个成套的富集装置和矿化单元可以实现第一和第二工作模式的同时连续，具有大气体处理量的高效碳捕集技术。
74.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。