一种基于化学吸附的适用于低浓度CO2捕集的系统

本技术属于co2捕集，具体涉及一种基于化学吸附的适用于低浓度co2捕集的系统。

背景技术：

1、近年来工业化进程加快，化石燃料的大量消耗使得大气中的co2浓度迅速增加，大气中的co2分压已经从工业革命时期的0.03kpa增长到0.04kpa，并且有可能在2100年达到0.08kpa。co2的过量排放会导致全球变暖、海平面上升、土地沙漠化等一系列的环境生态问题，阻碍人类社会的可持续发展。

2、co2的减排措施主要有两类：一类是使用太阳能、风能及氢能等清洁能源替代化石燃料，从而减少因化石燃料使用导致的co2排放；另一类是对已产生的co2进行捕集、封存与利用。目前co2捕集常用的技术路线为吸收或吸附。气体吸收是用适当的吸收剂来处理气体或气体混合物中某种组分，但吸收式co2捕集技术应用时需要外供热源用于吸收剂再生，若热量来自化石能源锅炉产的蒸汽，则会带来新的碳排放；如果使用化学药剂还存在腐蚀、氧化降解、挥发入产品气以及产生固体废物等问题，容易对环境造成负面影响，同时，吸附量及吸附速率都会随着被吸附气体浓度的下降而降低，这对低浓度co2捕集非常不利。

3、近年来有研究发现一些特定的吸附剂可以在与水或湿空气接触后，利用水的蒸发自由能来完成解吸附过程。这种通过调节环境湿度，来实现吸附-解吸循环吸附分离的方法，称为湿法再生技术。在此方法中，通过改变具有特定官能团的吸附材料的表面水合水的含量，来调节其与二氧化碳的吸附结合能力，从而改变二氧化碳的吸附平衡分压。由于此方法为化学吸附分离，因此用于处理气体中低浓度的co2具有技术优势；另外相比于其他再生方式，湿法再生工艺简单，响应较快，解吸附过程中主要利用水的蒸发自由能，具有能耗低的优点，比较适用于捕集低浓度co2。但是，该方法目前涉及的捕集系统多数使用喷淋装置完成解吸附过程，速率较慢且吸附材料浸润效果可能不平均；许多系统设置的多个捕集罐体占地面积较大，罐体以及各个装置间的连接较为复杂；考虑到动力学性能运行过程中吸附环节的时间也无法达到足够长，吸附效果不理想；还有常见的循环容量降低、吸附剂再生困难以及吸附剂还原导致的能耗增加等一系列问题。

4、综上，亟需一种结构简单、吸附效率高、适用浓度范围宽，且能高效连续运行的co2捕集系统及方法。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于化学吸附、适用浓度范围宽，特别是适用于低浓度co2的捕集系统，本实用新型系统采用功能化的离子交换树脂材料作为吸附材料，设计了柔软的、树枝状co2吸附装置敷设在环形输送带上，围绕中央的输送带，分割出四个功能区域，连续完成co2吸附，co2解吸，吸附材料清洗，材料干燥的工作。整个系统占地面积小，设备简单，并直接利用热空气进行捕集材料的再生，运行成本低。

2、为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

3、一种基于化学吸附的适用于低浓度co2捕集的系统，包括：

4、壳体，被分隔板分为三个内腔室以及一个外室，分别进行吸附、解吸、清洗、干燥过程；

5、输送带，上表面敷设带有co2吸附材料的捕集装置，所述捕集装置能随着输送带运动到不同功能的腔室，用于达到循环运行捕集的效果；

6、用于对气流中co2进行吸附捕集的外室区域，被分隔板分别与解吸用内腔室和干燥用内腔室隔开，所述外室是指捕集装置随输送带经过的含有co2的气体区域；

7、用于对co2吸附材料所捕集co2进行解吸附过程的解吸用内腔室，内部装有解吸液，解吸用内腔室的进液口通过检测装置与清洗用内腔室相连，出液口连接储液箱，所述解吸用内腔室另连接有ph值检测仪；

8、用于对吸附材料所夹带解吸液进行清洗的清洗用内腔室，一侧进液口连接用来补充清洗液体去离子水的水箱，另一侧出液口连接解吸用内腔室；

9、用于对吸附材料进行干燥再生处理的干燥用内腔室，进气口通入经由加热装置加热的空气。

10、由实际使用中期望达到的系统捕集负荷，以及材料捕集速率(吸附动力学常数k1约3e-4)和捕集容量(～30l co2/kg材料)，计算所述输送带在吸附区域的链条长度和转速；由捕集材料的解吸附速率(～3l co2/kg*h)和解吸液的co2吸收速率，确定所述解吸用内腔室的尺寸和输送带经过该腔室时的传送速度；由实际设定的送气参数和该参数下捕集材料的干燥速度，确定所述干燥用内腔室的尺寸和输送带在经过该腔室时的传送速度；为保证吸附效果和液体稳定，优选的，所述输送带的滑轮转速不超过1m/min，以实现捕集装置在吸附区域停留时间足够长保证吸附效果，同时避免捕集装置随输送带运动至解吸用内腔室和清洗用内腔室时，输送速度过快引起的解吸液和清洗液体的扰动以及飞溅。

11、所述捕集装置由两部分构成，分别是固定在输送带上的刚性底座，以及顶部伸展的co2吸附材料。

12、所述co2吸附材料为柔性树枝状阴离子交换树脂捕集材料，捕集材料呈树枝状发散，在吸附环节增大与气体的接触面积，在解吸和清洗环节可浸入液体提高处理速率，柔性的伸展确保捕集装置可呈顶端弯曲状通过分隔板。

13、所示柔性树枝状阴离子交换树脂捕集材料的制备方法为：将cl-型强碱性阴离子交换树脂烘干干燥，并在球磨机中粉碎成粉末状，筛选到所需的粒径；将聚氯乙烯粉末与四氢呋喃按1:10的比例混合后搅拌至完全溶解；将阴离子交换树脂细粉按60％的质量比即树脂粉末与自身加pvc粉末质量和的比，分散于聚氯乙烯四氢呋喃溶液中；搅拌以形成均匀的悬浊液，采用注模法将溶液注入设计好的模具中，制成树枝状离子交换树脂材料，并在环境温度下干燥后，将装有材料的模具部分浸入去离子水中，等待材料与模具自行分离即得到基础的吸附树脂；将制备的阴离子交换树脂材料在na2co3溶液中进行碱洗后，用去离子水清洗即制备完成。

14、步骤(2)中，所述解吸液选用对co2有吸收能力强的碱性溶液，使用氢氧化钠、单乙醇胺、二乙醇胺、n-甲基二乙醇胺中的一种或多种的复配溶液。

15、用于控制管路开关的阀门具体为：清洗用内腔室进液口通过第四阀门连接水箱20，在需要补充新的清洗液体去离子水时打开，出液口通过第二阀门、检测装置和第三阀门串联连接解吸用内腔室进液口，必要时为解吸用内腔室进行解吸液补充，另解吸用内腔室出液口连接有第一阀门，用于排出吸收co2达到上限的解吸液，留作后续包括提取co2的一系列处理。

16、一种基于化学吸附的适用于低浓度co2捕集的方法，采用所述的基于化学吸附的适用于低浓度co2捕集的系统，包括以下步骤：

17、(1)吸附：随输送带转至上半程的捕集装置中的co2吸附材料暴露在大气中直接接触空气，进行对co2的吸附；

18、(2)解吸：捕集装置随输送带进入解吸用内腔室，捕集装置中的co2吸附材料与解吸用内腔室内的解吸液接触，吸附的co2被解吸附出来并被碱性液体吸收；

19、(3)清洗：捕集装置通过传送带进入清洗用内腔室，浸入清洗用内腔室内的去离子水被清洗出自身夹带的解吸液；

20、(4)干燥再生：空气加热后通入干燥用内腔室，对完成清洗过程后进入干燥用内腔室的捕集装置中的co2吸附材料进行吹扫干燥，干燥再生后的捕集装置通过传送带再次进入吸附环节开始下一循环；

21、(5)解吸液收集：观察ph值检测仪，若解吸液达到预设浓度时，则需进行解吸液排出收集，解吸液从解吸用内腔室流出到达储液箱，进行co2提取或光/电催化还原转化后实现解吸液的再生；

22、(6)解吸液补充：观察检测装置，检测清洗液经过一段时间循环后浓度和溶质是否符合解吸液的标准，若符合则将清洗液补充进解吸腔室作为新的解吸液体循环利用；

23、(7)清洗液补充：从水箱中补充新的清洗液体去离子水进入清洗用内腔室。

24、步骤(2)中所述的解吸液被置于解吸用内腔室中，吸附材料采取直接浸入碱性溶液的方式，使得被吸附的co2通过湿法再生原理解吸，并且被解吸的co2及时得到吸收，co2吸附材料经后续处理继续用作捕集，达到循环利用的效果。

25、本实用新型的有益效果为：

26、与传统物理吸附相比，湿法再生技术捕集得到的co2纯度较高，可用来实现该方法的技术增值；与变温和变压再生相比，湿法再生响应时间短，工艺简单，能耗低，利用水的自由能实现co2解吸附过程；针对来源广泛尤其是扩散在大气中的大量低浓度co2，本实用新型系统设置和湿法再生技术减少了例如化学溶液蒸发损失、吸附剂解吸和再生能耗高等问题，并且利用循环系统累积吸收co2提升捕集量，提高了本实用新型在低浓度co2捕集中的应用价值；解吸过程利用浸液池，提升解吸速率和效果；设计三腔室一外室结构，并且利用输送带，实现小占地面积的同时运行循环过程，捕集装置的设置增加吸附环节时间，提高co2捕集效率；清洗用液体为去离子水且可以循环利用为解吸用液体，减少能源耗费；直接利用加热的空气干燥再生吸附材料，减少气体污染，环境友好性大大增加。