一种工业自驱动二氧化碳捕集系统及使用方法

技术领域

本发明涉及工艺设计领域，具体涉及一种工业自驱动二氧化碳捕集系统及使用方法。

背景技术

中国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和，这一目标的提出对我国二氧化碳处理这一战略任务做出了紧迫的时间要求。在国家这一大的战略目标背景下，现有工业装置产生的二氧化碳捕集技术和新型二氧化碳减排技术的研发成为迫切的技术需求。

目前工业上产生的烟气尾气，在处理完二氧化硫、氮氧化物、粉尘及挥发性有机物等国家标准中规定排放限制的有害气体后，达到国家排放标准后可直接从烟囱中排放至大气。对烟气中的二氧化碳含量，至今还没有做出严格的排放规定，大多数情况是随烟气一起排放进入大气，这是导致我国二氧化碳排放量长期居高不下的原因之一。工业二氧化碳量是我国碳排放总量的主要组成之一，传统工业二氧化碳捕集技术为上世纪30年代提出的化学吸收法捕集，即利用乙醇胺为吸收剂对工业烟气中的二氧化碳进行吸收，联合高温蒸汽汽提再生乙醇胺的过程，从而释放二氧化碳并对二氧化碳进行捕集，利用或封存。这一技术以其操作简便，工艺简单，原料易得等优势成为目前应用最广泛的二氧化碳处理技术，但是由于吸收了二氧化碳后的乙醇胺富液解吸所需要的温度较高、二氧化碳需要大量的高温蒸汽且解吸过程较高的再生能耗等(≥2.4MJ/kg CO

为了解决乙醇胺化学吸收法的再生能耗过高这一问题，近年来，研究者们提出多种单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等多种醇胺系物质以一定的配比混合使用降低能耗的方法，这一方法虽然可以降低解吸过程的吸收剂再生能耗，但是降低幅度有限，仅能使能耗降低10-50％，对于再生过程所需的巨大能耗来说，该方法只能缓解能耗过高的问题但是并不能从根本上解决再生能耗问题。除了醇胺类吸收剂之外，研究人员们还提出了各种离子液体、金属有机骨架吸收剂等高效溶剂来捕集二氧化碳，新型溶剂可以虽然可以提高吸收过程的反应速率，同时降低碳捕集溶剂再生能耗，但是作用有限，未能从根本上上解决能耗这一严重问题。

因此，在工业二氧化碳捕集技术中，仍然缺乏一种能从根本上解决再生能耗同时可以对二氧化碳进行有效吸收的溶剂和装置。

发明内容

为了克服现有技术中的能耗问题，本发明的目的在于提供一种工业自驱动二氧化碳捕集系统及使用方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种工业自驱动二氧化碳捕集系统，包括溶剂制备系统、二氧化碳吸收系统、溶剂再生系统和储能系统；

其中，溶剂制备系统与二氧化碳吸收系统相连，二氧化碳吸收系统与溶剂再生系统相连；溶剂制备系统、二氧化碳吸收系统和溶剂再生系统与和储能系统相连。

进一步的，溶剂制备系统包括搅拌釜，二氧化碳吸收系统包括吸收塔，溶剂再生系统包括再生塔，储能系统包括电容器；搅拌釜与吸收塔相连，吸收塔与再生塔相连，搅拌釜、吸收塔和再生塔与电容器相连。

进一步的，吸收塔上设置有液相进料口、贫液入口以及塔底出料口；再生塔上设置有富液入口、贫液出口与液体入口；

搅拌釜的出口经单原子流体溶剂管道、溶剂输送泵与第一调节阀与吸收塔的液相进料口相连；

吸收塔的塔底出料口经富液输送泵、第二调节阀、热交换器、富液输送管道、第五调节阀与再生塔的富液入口相连；

再生塔的贫液出口分为两路，一路经再沸器与液体入口相连，另一路经贫液输送泵、第四调节阀、贫液输送管道、热交换器、第一冷却器以及第三调节阀与吸收塔的贫液入口相连通。

进一步的，搅拌釜上设置有与第一调节阀相连的第三液位变送器；

吸收塔塔顶设置有与第三调节阀相连的第一压力变送器，吸收塔塔底设置有与第二调节阀相连的第二液位变送器；

再生塔塔顶设置有与第五调节阀相连的第二压力变送器，再生塔塔底设置有与第四调节阀相连的第二液位变送器。

进一步的，吸收塔内设置有喷淋和均布液相进料装置；再生塔的气体出口连接有压缩机。

进一步的，搅拌釜上设置有第一搅拌系统电极和第二搅拌系统电极，第一搅拌系统电极经第二导线与电容器的一端相连，第二搅拌系统电极经第一导线与电容器的另一端相连；

吸收塔上设置第一吸收塔釜电极和第二吸收塔釜电极，第一吸收塔釜电极经第四导线与电容器的一端相连，第二吸收塔釜电极经第三导线与电容器的另一端相连；

再生塔上设置有第一再生塔釜电极和第二再生塔釜电极，第二再生塔釜电极经第六导线与电容器的一端相连，第一再生塔釜电极经第五导线与电容器的另一端相连。

进一步的，第一导线上设置有第一半导体场效应晶体管；

第三导线上设置有第二半导体场效应晶体管；

第五导线上设置有第三半导体场效应晶体管。

根据如上所述的一种工业自驱动二氧化碳捕集系统的使用方法，包括以下步骤：

将单原子流体与金属粉末在搅拌釜中混合，得到含有金属的单原子流体溶剂，将含有金属的单原子流体溶剂输送到吸收塔，工业烟气进入吸收塔中，含有金属的单原子流体溶剂与工业烟气吸收塔中进行反应，工业烟气中的二氧化碳被含有金属的单原子流体溶剂吸收，形成富液，富液经换热，温度升高后进入再生塔中，在电荷作用下反应生成二氧化碳和贫液溶剂，实现二氧化碳捕集。

进一步的，金属粉末为氢化亚铜、镍、铂或铬。

进一步的，贫液溶剂进入吸收塔，经换热后进入回吸收塔；

再生塔的热源来自于温度80-120℃的工业余热；

在电荷作用下反应生成二氧化碳和贫液溶剂时，电荷来自含有金属的单原子流体溶剂。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明中通过设置溶剂制备系统、二氧化碳吸收系统、溶剂再生系统和储能系统，通过溶剂制备系统混合制备单原子流体，制备工艺简便，操作为常温常压，一步法即可制得高效的含有金属的单原子流体吸收剂，并送入二氧化碳吸吸收系统中。利用单原子流体金属单原子与聚苯胺形成的导电聚合物，导电聚合物和二氧化碳形成稳定的配合物，从而吸收二氧化碳，吸收过程不仅有较高的反应速率，并且在电极存在下和反应过程中存在热电效应，可为溶剂再生过程提供动力。利用吸收过程产生的电荷为溶剂再生系统中溶剂再生过程提供驱动力，从根本上降低能量消耗，与溶剂制备系统、二氧化碳吸收系统组成自驱动二氧化碳捕集系统，应用于工业二氧化碳捕集。将溶剂制备系统和二氧化碳吸收系统所产生的电荷通过储能系统对能量进行存储后对溶剂再生系统释放电荷。本发明中溶剂制备系统、二氧化碳吸收系统、溶剂再生系统和储能系统配合使用，操作简便，并且系统易组建，降低了传统溶剂再生过程中的巨大能耗，解决了化学吸收法的高能耗的应用难题，可以为工业尾气捕集二氧化碳提供一种新途径。

进一步的，再生塔塔底贫液和吸收塔塔底富液在热交换器中发生热量转换，从而利用富液的温度提高贫液的入塔温度，提高再生塔的反应速率。

本发明利用含有金属的单原子流体溶剂为捕集二氧化碳的吸收剂，在单原子流体溶剂中加入金属单原子，使得单原子流体不仅具有较高的二氧化碳捕集容量，同时因为金属单原子与单原子流体中聚苯胺形成特殊的导电聚合物，不仅可以和二氧化碳形成稳定的配合物，同时在电极存在下和反应过程中，可以产生电荷，这些电荷聚集起来可以作为溶剂再生的驱动力，根本上降低再生能耗。利用溶剂的这一特点，本发明提出了一种工业自驱动二氧化碳捕集系统，在原有单原子流体制备和吸收装置上分别引入电极，收集单原子流体溶剂吸收二氧化碳时产生的电荷用于能量存储并为溶剂再生系统供能，不依靠外界能量，对吸收了二氧化碳的富液进行解吸的同时实现系统储能，重新得到单原子流体溶剂，循环至二氧化碳吸收系统，组成了自驱动二氧化碳捕集系统。

进一步的，利用工业上80-120℃的废热作为再沸器热源，不仅可以有效利用废热进行余热回收，也可以提高再生反应速率，提高二氧化碳捕集效果。

附图说明

图1为工业自驱动二氧化碳捕集系统结构示意图。

图2为工业自驱动二氧化碳捕集系统的使用方法的流程图。

图中，1为第一搅拌系统电极，2为第二搅拌系统电极，3为第一吸收塔釜电极，4为第二吸收塔釜电极，5为第一再生塔釜电极，6为第二再生塔釜电极，7为单原子流体溶剂管道，8为富液输送管道，9为贫液输送管道，10为溶剂输送泵，11为富液输送泵，12为贫液输送泵，13为第一调节阀门，14为第二调节阀门，15为第三调节阀门，16为第四调节阀门，17为第五调节阀门，18为第一液位变送器，19为第二压力变送器，20为热交换器，21为第一冷却器，22为第二冷却器，23为再沸器，24为第一导线，25为第二导线，26为第三导线，27为第四导线，28为第五导线，29为第六导线，30为压缩机，31为第一半导体场效应晶体管，32为半导体场效应晶体管，33为半导体场效应晶体管，34为电容器，35为搅拌釜，36为吸收塔，37为再生塔，38为第二液位变送器，39为第二压力变送器，40为第三液位变送器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

参见图1，本发明的一种工业自驱动二氧化碳捕集系统，主要包括四个系统，分别是溶剂制备系统、二氧化碳吸收系统、溶剂再生系统和储能系统；

其中，溶剂制备系统包括搅拌釜35，搅拌釜35上设置有溶剂进料口、金属进料口和出口；搅拌釜35上设置有第一搅拌系统电极1和第二搅拌系统电极2。通过溶剂进料口向搅拌釜35内加入溶剂，通过金属进料口向搅拌釜35内加入金属。

搅拌釜35中产生的电荷分为两路，一路通过第一搅拌系统电极1和第二导线25与电容器34的一端相连，另一路经第二搅拌系统电极2和第一导线24与电容器34的另一端相连，

第一导线24上设置有第一半导体场效应晶体管31。

溶剂为具有产生电荷的特性的溶剂(溶剂的主要成分为氮氮二甲基甲酰胺、聚苯胺与聚偏二氟乙烯等，溶剂为专利：一种含金属单原子流体的制备方法，申请号为202110807666.8中的含金属单原子流体)，溶剂和金属粉末(可以氢化亚铜、镍、铂或铬等)在25℃，0.1MPa条件下进行连续搅拌，可获得二氧化碳吸收溶剂。溶剂和金属的质量比为62.5:1～250:1。

二氧化碳吸收系统包括用于将工业烟气与单原子流体溶剂发生反应的吸收塔36，在吸收塔36内捕集工业烟气中的二氧化碳，吸收塔36内设置有喷淋和均布液相进料装置。

吸收塔36上设置有工业烟气进口、液相进料口、净化烟气排出口、贫液入口以及出料口，反应后净化烟气从塔顶的净化烟气排出口离开吸收塔36。吸收塔36的塔底富液经出料口、富液输送泵11、第二调节阀14、热交换器20、富液输送管道、第五调节阀17与溶剂再生系统的再生塔37相连。

工业烟气通过工业烟气进口进入吸收塔36中。

搅拌釜35的出口经单原子流体溶剂管道7、溶剂输送泵10与第一调节阀13与吸收塔36的液相进料口相连。搅拌釜35上设置有与第一调节阀13相连的第三液位变送器40，通过第一调节阀13控制搅拌釜35的液位。

吸收塔36上还设置有第一吸收塔釜电极和第二吸收塔釜电极4，吸收塔36内产生的电荷分为两路，一路经第一吸收塔釜电极和第四导线27与电容器34一端相连，另一路经第二吸收塔釜电极4和第三导线26与电容器34另一端相连。

第三导线26上设置有第二半导体场效应晶体管32。

溶剂再生系统包括再生塔37、贫液输送泵12、第四调节阀16、贫液输送管道9、热交换器20、第一冷却器21、第三调节阀15、再沸器23、第二冷却器22与压缩机30。

再生塔37上设置有富液入口、贫液出口、气体出口与液体入口。

吸收二氧化碳后的塔底富液(单原子流体富液)在再生塔37中反应，分离出二氧化碳和单原子流体溶剂贫液，单原子流体溶剂贫液循环至二氧化碳吸收系统重新利用，再生塔37的富液入口与吸收塔36的塔底出料口相连通，再生塔37的贫液出口分为两路，一路经再沸器23与液体入口相连，另一路经贫液输送泵12、第四调节阀16、贫液输送管道9、热交换器20、第一冷却器21以及第三调节阀15与吸收塔36的贫液入口相连通。

利用工业上80-120℃的废热作为再沸器23热源，不仅可以有效利用废热进行余热回收，也可以提高再生反应速率，提高二氧化碳捕集效果。

再生塔37塔底贫液和吸收塔36塔底富液在热交换器20中发生热量转换，从而利用富液的温度提高贫液的入塔温度，提高再生塔37的反应速率。

再生塔37的气体出口经第二冷却器22与压缩机30相连。

所述储能系统包括电容器34，用于收集溶剂制备系统和吸收系统产生的电荷以及向溶剂再生系统释放电荷，提供再生反应驱动力。

吸收塔36上设置第一吸收塔釜电极3和第二吸收塔釜电极4，吸收塔36中产生的电荷一路经第一吸收塔釜电极3和第四导线27与电容器34的一端相连，另一路经第二吸收塔釜电极4和第三导线26与电容器34的另一端相连。

第三导线26上设置有第二半导体场效应晶体管32。

再生塔37上设置有第一再生塔釜电极5和第二再生塔釜电极6，再生塔37产生的电荷一路经第二再生塔釜电极6和第六导线29与电容器34的一端相连，另一路经第一再生塔釜电极5和第五导线28与电容器34的另一端相连。

第五导线28上设置有第三半导体场效应晶体管33。

第一半导体场效应晶体管31、第二半导体场效应晶体管32、第三半导体场效应晶体管33用于控制电荷回路的通断，从而控制电荷的存储或释放。

溶剂再生系统的进料为换热后的吸收塔36的塔底富液，在再生塔37中反应后得到贫液从塔底离开再生塔37，经过换热后循环至吸收塔36。

储能系统与溶剂制备系统、二氧化碳吸收系统以及溶剂再生系统相连的三个回路，分别由三个半导体场效应晶体管控制电荷的存储或释放。

吸收塔36塔顶设置有与第三调节阀15相连的第一压力变送器19，通过第三调节阀15调节流量来控制塔顶压力。吸收塔36塔底设置有与第二调节阀14相连的第二液位变送器18，通过第二调节阀14调节流量来控制塔釜液位。

再生塔37塔顶设置有与第五调节阀17相连的第二压力变送器39，通过第五调节阀17调节流量来控制塔顶压力。再生塔37塔底设置有与第四调节阀16相连的第二液位变送器38，通过第四调节阀16调节流量来控制塔釜液位。

来自溶剂制备系统的单原子流体作为溶剂进入二氧化碳吸收系统，与工业烟气在吸收塔36中进行逆向接触，并发生反应，在吸收塔36内烟气中的二氧化碳被溶剂吸收，去除二氧化碳的净化尾气从吸收塔36塔顶离开二氧化碳吸收系统，吸收了二氧化碳的溶剂(富液)被输送泵送至溶剂再生系统中。

在储能系统的电荷作用下，来自吸收系统的富液在再生单元的再生塔37中电离出二氧化碳，释放二氧化碳后以贫液的方式从塔底离开再生系统，通过换热装置后被输送到二氧化碳吸收系统中重新利用。

储能系统将溶剂再生系统和二氧化碳吸收系统中产生的电荷存储起来，并用于单原子流体再生，利用三个半导体场效应晶体管对溶剂制备系统、二氧化碳吸收系统和溶剂再生系统的能量存储和释放动作进行自动控制。

当溶剂制备系统产生电荷时，第一半导体场效应晶体管31连通，电荷可以存储至电容器34。当吸收塔36塔釜配合物产生电荷时，第二半导体场效应晶体管32连通，电荷可以存储至电容器34。电容器34中存储的电荷用于驱动再生塔37发生反应时，第三半导体场效应晶体管33连通，此时电容器34释放电荷。

参见图2，本发明的工业自驱动二氧化碳捕集系统的使用方法，包括以下步骤：

溶剂与金属粉末在搅拌釜35中经过长时间充分混合，并搅拌后得到含有金属的单原子流体溶剂，通过单原子流体溶剂管道7被溶剂输送泵10输送到二氧化碳吸收系统的顶部进料口，在单原子流体溶剂管道7上设置有调节阀门13，用于调节搅拌釜35的液位和输送到吸收塔36的溶剂流量，同时含有金属的单原子流体溶剂产生的电荷通过第一搅拌系统电极1、第二搅拌系统电极2和第一导线24以及第二导线25，将电荷存储在储能单元的电容器34中，第一半导体场效应晶体管31控制溶剂制备系统电荷的存储，打开时可以将电荷存储到电容器34中。溶剂溶剂输送泵10输送至吸收系统的吸收塔36顶部，工业烟气从吸收塔36底部进入，气液两相在吸收塔36中进行充分逆流接触并反应，脱除二氧化碳的净化烟气从吸收塔36塔顶离开，烟气中的二氧化碳被溶剂吸收后在塔底釜液通过塔釜富液输送泵11离开吸收塔36，第二调节阀14通过液位变送器18来调节吸收塔36塔釜的液位和富液输送管道8的流量，富液输送管道8与再生塔37塔釜贫液输送管道9在热交换器20中进行热量交换，富液温度升高后进入再生系统的再生塔37内。二氧化碳与单原子流体溶剂形成的配合物产生的电荷通过第一吸收塔釜电极3、第二吸收塔釜电极4和第三导线26、第四导线27，将电荷存储在储能单元的电容器34中，第一半导体场效应晶体管32控制吸收系统电荷的存储，打开时可以将电荷存储到电容器34中。来自吸收系统的富液输送管道8进入再生塔37顶部，在再沸器23提供的工业余热和电荷作用下反应生成二氧化碳和贫液溶剂，贫液溶剂被塔釜贫液输送泵12输送循环至吸收系统，在经过热交换器20后进一步通过第一冷却器21温度降低后循环回吸收塔36，第三调节阀15通过塔底的压力变送器19调节吸收塔36塔顶压力和进入吸收塔36的贫液流量。再生塔37的再沸器23热源来自于工业余热(温度约80-120℃)，系统回收此部分工业余热热量来加强再生过程的反应。二氧化碳从再生塔37塔顶经过第二冷却器22离开系统，经过压缩机30压缩后可以被使用或封存，从而达到捕集二氧化碳的目的。

溶剂制备系统：单原子流体的制备工艺简便，操作为常温常压，一步法即可制得高效的含有金属的单原子流体吸收剂，通过原料输送管送入二氧化碳吸收系统中。

二氧化碳吸收系统：利用单原子流体金属单原子与聚苯胺形成的导电聚合物，和二氧化碳形成稳定的配合物，吸收过程不仅有较高的反应速率，并且在电极存在下和反应过程中存在热电效应，可为溶剂再生过程提供动力。

溶剂再生过程：利用吸收过程产生的电荷为溶剂再生过程提供驱动力，从根本上降低能量消耗，与溶剂制备和吸收过程组成自驱动二氧化碳捕集系统应用于工业二氧化碳捕集。

储能系统：利用电极和导线将溶剂制备和吸收系统所产生的电荷通过电容器对能量进行存储，配合三个半导体场效应晶体管对溶剂系统、吸收单元系统和再生系统的能量存储和释放动作进行通断控制。

本发明的优势在于：本发明使用一种金属单原子流体作为溶剂对二氧化碳进行捕集，通过溶剂制备系统、二氧化碳吸收系统、溶剂再生系统和储能系统四个系统连用实现自驱动捕集二氧化碳，同时实现能量存储。利用溶剂制备和吸收系统所产生的电荷驱动实现溶剂再生过程，构成吸收剂的循环使用，解决了工业上传统乙醇胺捕集二氧化碳再生能耗高的问题。该系统装置简便，运行维护费用低，同时绿色环保，是可助力我国早日实现双碳目标的新型工业技术。