一种耦合压缩空气储能的制氢和直接空气碳捕集系统及方法

本发明属于碳捕集技术和储能，具体涉及一种耦合压缩空气储能的制氢和直接空气碳捕集系统及方法。

背景技术：

1、全球气候变化日益显著，极端天气事件频发，过度排放的温室气体是主要诱因之一，亟需创新解决方案来应对。二氧化碳是通过人类活动排放的主要温室气体，降低大气中二氧化碳浓度刻不容缓。直接空气碳捕集技术作为一种负碳排放技术，可以直接从大气中捕集二氧化碳，实现负碳排放，为减缓气候变化提供关键支持。变湿吸附法作为直接空气碳捕集技术的两大流派之一，通过变湿材料在不同湿度下吸附容量的差异来捕集空气中的二氧化碳，在低湿度下吸附二氧化碳，在高湿度下释放二氧化碳。相比于传统的变温吸附法，变湿吸附法具有更低的再生热耗，能容忍更高的入口水分含量，但由于解吸过程主要依赖水雾喷淋实现，干燥吸附过程依赖风机吹干，导致风机电耗与解吸水耗居高不下。

2、另一方面，随着可再生能源如风能和太阳能的大规模应用，电力系统面临了由于这些能源的不稳定性和不可预测性而带来的挑战。当风力或日照条件发生波动时，电网可能面临能源供应的不足或过剩，从而影响电力系统的稳定性。压缩空气储能系统通过在电力需求低谷时使用电力将空气压缩并存储，然后在高峰时期释放压缩的空气，通过膨胀机驱动发电机以产生电力。这种系统具有高效性、相对低的环境影响以及较长的寿命，使其成为解决电力系统波动性的理想选择。压缩空气储能系统在释能时的膨胀机排气仍具有一定品位的热能和压力，难以被系统自身利用而被浪费掉。除了压缩空气储能系统，电解水制氢也是一种绿色清洁的储能技术，但这项技术需要大量的电能支撑其运行，成本远高于传统制氢方式，而电解用水可进行预热以提高反应速率和增加电解效率，改善技术经济性。

3、综上所述，压缩空气储能技术具有余热余压的潜力，变湿吸附法直接空气碳捕集技术存在风量需求大、风机电耗高、水耗高等问题，电解水制氢技术存在原料水预热以提高技术经济性的需求。在余热余压利用、水资源回收利用层面，这三项技术具有极大的耦合潜力。

技术实现思路

1、鉴于上述三项技术在余热余压利用、水资源回收利用层面的耦合潜力，本发明提出了一种耦合压缩空气储能的制氢和直接空气碳捕集系统及方法。在本发明中，电解水制氢系统和变湿吸附法直接空气碳捕系统共用同一水罐，直接空气碳捕集系统通过从空气中捕获水分和回收解吸用水、冷凝水来降低两个系统的整体水耗，压缩空气储能系统中低品位压缩热和排气余热也被制氢和直接空气碳捕集系统有效利用。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种耦合压缩空气储能的制氢和直接空气碳捕集系统，包括压缩空气储能系统、电解水系统和直接空气碳捕集系统；

4、所述压缩空气储能系统包括低温储热罐、第一液泵、第三阀门、高温储热罐、第二液泵、第五阀门以及依次连接的低压级压缩机、第一换热器、高压级压缩机、第二换热器、第一阀门、压缩空气储罐、第二阀门、第三换热器、高压级膨胀机、第四换热器、低压级膨胀机、发电机；所述低温储热罐出口依次连通第一液泵和第三阀门，随后分别连通第一换热器和第二换热器，流体经换热后从第一换热器和第二换热器流出并进入高温储热罐；所述高温储热罐出口依次连通第二液泵和第五阀门，随后分别连通第三换热器和第四换热器，流体经换热后从第三换热器和第四换热器流出并进入低温储热罐；所述低压级膨胀机排气口连接至第五换热器热侧；

5、所述电解水系统包括电解水装置、第六阀门、氢气储罐、第七阀门、氧气储罐、水罐、第八阀门、第九阀门、第五换热器和第三液泵；所述电解水装置的产氢端经过第六阀门与氢气储罐连接，产氧端经过第七阀门与氧气储罐连接；所述水罐通过第八阀门与电解水装置连接，并与第九阀门、第五换热器冷侧、第三液泵依次连接形成回路；

6、所述直接空气碳捕集系统包括第一冷凝器、第十一阀门、第四液泵、第五液泵、第十二阀门、第四阀门以及依次连接的风机、缓冲装置、干燥装置、第十阀门、二氧化碳吸附装置、真空泵、第二冷凝器、二氧化碳压缩机、第六换热器、气液分离器、第十三阀门、液态二氧化碳储罐；所述干燥装置还与第一冷凝器、第十一阀门、第四液泵、水罐依次连接，第二冷凝器还与第十二阀门、第四液泵依次连接，气液分离器还与干燥装置、缓冲装置依次连接，第五换热器与缓冲装置连接，二氧化碳吸附装置与第四液泵连接，水罐通过第五液泵与二氧化碳吸附装置连接，低温储热罐与第一液泵、第四阀门和干燥装置依次连接形成回路。

7、作为优选，所述低压级压缩机和高压级压缩机通过与电网相连实现驱动。

8、作为优选，所述高压级膨胀机和低压级膨胀机均与发电机相连。

9、作为优选，所述直接空气碳捕集系统中至少有一组由干燥装置、第十阀门和二氧化碳吸附装置共同构成的干燥吸附系统；若有多个干燥吸附系统时，各干燥吸附系统之间并联且与外部连接方式相同。

10、作为优选，所述二氧化碳吸附装置中二氧化碳吸附剂材料的再生方式为变湿再生。

11、作为优选，所述第六换热器中还通入有冷冻水，用于冷却液化二氧化碳压缩机出口的高温高压二氧化碳气体。

12、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述耦合压缩空气储能的制氢和直接空气碳捕集系统的运行方法，具体如下：

13、s1：电网能源充足时，压缩空气储能系统执行压缩储能过程，富余电力驱动低压级压缩机和高压级压缩机对空气进行压缩，得到高温高压空气；贮存在低温储热罐中的流体在第一液泵驱动下流经第一换热器和第二换热器并对所述高温高压空气进行冷却，流体之后返回到高温储热罐中，经第二换热器冷却后的低温高压空气贮存在压缩空气储罐中；电解水装置在富余电力下工作，得到的氢气和氧气分别贮存在氢气储罐与氧气储罐当中；

14、直接空气碳捕集系统执行连续的吸附、解吸附过程，具体如下：

15、吸附过程中，富余电力驱动风机送风，并在缓冲装置中与从气液分离器中回收的低温高二氧化碳浓度气体混合，增大吸附浓度，提高捕集率和吸附容量，气液分离器中回收的低温高二氧化碳浓度气体在进入缓冲装置前经过干燥装置换热管路辅助冷却以节省冷耗，混合气经过干燥装置除湿后进入二氧化碳吸附装置中进行碳捕集，然后排放到大气中；解吸过程中，水罐中的水在第五液泵的驱动下进入二氧化碳吸附装置中喷淋，然后在第四液泵的驱动力下回收至水罐，从二氧化碳吸附装置解吸出来的高浓度二氧化碳通过真空泵抽取至第二冷凝器中脱除水分；第二冷凝器产生的冷凝水通过第四液泵回收至水罐，产生的干燥气体经过二氧化碳压缩机加压，并在第六换热器中通过冷冻水冷却液化，进入气液分离器，得到的液态二氧化贮存在液态二氧化碳储罐；

16、s2：电网能源不足时，压缩空气储能系统执行膨胀释能过程，第二阀门打开，压缩空气储罐中的压缩空气驱动高压级膨胀机和低压级膨胀机带动发电机发电，贮存在高温储热罐中的流体在第二液泵的驱动下分别进入第三换热器和第四换热器，对膨胀前的气体进行加热，之后返回到低温储热罐中；低压级膨胀机排气进入第五换热器中，在第三液泵的驱动下循环加热水罐，提高电解水装置的电解效率和直接空气碳捕集系统的解吸效率；电解水装置在电力短缺的情况下暂时停止工作，或使用压缩空气储能系统的释能电力维持工作；

17、直接空气碳捕集系统执行连续的吸附、解吸附过程，具体如下：

18、吸附过程中，经过第五换热器冷却的低压级膨胀机排气与从气液分离器中回收的高二氧化碳浓度气体在缓冲装置中混合，增大吸附浓度并节省风机电力；解吸过程中，低温储热罐内流体在第一液泵驱动下通过第四阀门流经干燥装置，利用低品位的压缩热对其进行加热再生，然后返回低温储热罐，进一步降低了低温储热罐内温度，增强了第一换热器和第二换热器对高温高压空气的冷却效果；气液分离器中回收的低温高二氧化碳浓度气体在进入缓冲装置前经过干燥装置换热管路辅助冷却以节省冷耗，混合气经过干燥装置除湿后进入二氧化碳吸附装置中进行碳捕集，然后排放到大气中；解吸过程中，水罐中的水在第五液泵的驱动下进入二氧化碳吸附装置中喷淋，然后在第四液泵的驱动力下回收至水罐，从二氧化碳吸附装置解吸出来的高浓度二氧化碳通过真空泵抽取至第二冷凝器中脱除水分；第二冷凝器产生的冷凝水通过第四液泵回收至水罐，产生的干燥气体经过二氧化碳压缩机加压，并在第六换热器中通过冷冻水冷却液化，进入气液分离器，得到的液态二氧化贮存在液态二氧化碳储罐。

19、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

20、a)本发明利用低温储热罐中的低品位压缩热辅助碳捕集干燥装置再生，节省再生能耗，同时低温储热罐内温度的进一步下降，可增强压缩后高温高压空气的冷却效果，提高系统压比，最终提高储能效率。

21、b)本发明回收了直接空气碳捕集系统干燥装置的解吸气冷凝水、二氧化碳吸附装置的喷淋水和解吸气冷凝水，同时与电解水制氢系统共用一个水罐，降低了两个系统的水耗。

22、c)本发明回收了压缩空气储能系统的排气余热，用于加热水罐，提高了电解水制氢系统的反应速率、电解效率和直接空气碳捕集系统的解吸速度和效率，使得两个系统的能耗成本降低，系统性能更优。