一種太陽能光伏驅(qū)動(dòng)變電吸附空氣碳泵系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能輔助碳栗技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種太陽能光伏輔助空氣進(jìn)行變電吸附法的碳栗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]全球性化石能源的緊缺以及溫室效應(yīng)的加劇給環(huán)境和社會(huì)發(fā)展帶來了諸多負(fù)面效應(yīng)。根據(jù)國(guó)際能源署的目標(biāo)，在2050年之前全球氣溫升溫應(yīng)嚴(yán)格控制在2°C之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵在于控制溫室氣體的排放量。目前在全球規(guī)模下進(jìn)行空氣運(yùn)行碳栗系統(tǒng)是減少溫室氣體排放的最有效的措施。由于空氣中二氧化碳濃度(大約385ppm)較低，導(dǎo)致從空氣中捕捉二氧化碳具有特殊的挑戰(zhàn)?？諝馓祭跫瓤梢栽诙趸寂欧旁吹夭蹲?，又可以在分布遠(yuǎn)離排放源的捕捉空氣二氧化碳，具有分布式運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。被捕捉的二氧化碳可以結(jié)合可再生能源用于合成碳?xì)淙剂系取?br>[0003]傳統(tǒng)碳栗技術(shù)較為關(guān)注系統(tǒng)的可行性，不考慮能耗，造成相關(guān)技術(shù)的開發(fā)面臨商業(yè)化困境。例如商業(yè)化較成熟的溶液吸收法，其捕捉能耗較高，通常捕捉每噸二氧化碳耗能大約3-4MJ/ton。吸附法碳栗在單位捕捉能力、能量要求等方面比吸收法具有優(yōu)勢(shì)。吸附法碳栗有變壓吸附、變溫吸附和變電吸附三種方式，其中變電吸附過程簡(jiǎn)單，采用電阻絲加熱吸附劑加快了二氧化碳脫附的過程，適合小規(guī)模分布式的系統(tǒng)。變電吸附的變電過程由電阻絲和真空栗運(yùn)行實(shí)現(xiàn)，其耗電由外界供應(yīng)。
[0004]太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源，清潔無毒且無環(huán)境污染，一直受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。太陽能光伏發(fā)電在偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立用戶的供電系統(tǒng)得到了大量應(yīng)用，作為主要的清潔能源，太陽能光伏發(fā)電的好處顯而易見。然而，單獨(dú)的太陽能光伏系統(tǒng)，由于時(shí)間和地域的約束，很難全天候利用太陽能資源，需要使用大容量和長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能電池來實(shí)現(xiàn)電力的充分儲(chǔ)存和穩(wěn)定輸出。其中鋰電子電池具有環(huán)保、安全、比能量高、壽命長(zhǎng)和免維護(hù)等特點(diǎn)，作為光伏發(fā)電單元的儲(chǔ)能電池具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。
[0005]因此，以全新的降低能耗的出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)一種通過利用太陽能光伏發(fā)電輔助實(shí)現(xiàn)從空氣中捕捉二氧化碳的系統(tǒng)，是有效緩解溫室氣體排放的一個(gè)理想技術(shù)方案。
[0006]關(guān)于吸附碳栗，現(xiàn)有發(fā)明主要呈現(xiàn)以下特征:
[0007]1.以運(yùn)行可行性為出發(fā)點(diǎn)，一些發(fā)明者在材料領(lǐng)域摸索，嘗試在二氧化碳吸附材料角度進(jìn)行創(chuàng)新。例如，CNl 03861557A專利文獻(xiàn)中提出了一種新型固態(tài)胺二氧化碳吸附劑，首次添加表面活性劑的方法來降低二氧化碳在固態(tài)胺吸附劑內(nèi)的擴(kuò)散阻力，提高胺的利用率，進(jìn)而提高材料的二氧化碳的吸附性能。該新型吸附劑集成了吸附法和吸收法對(duì)碳栗的功效，具有高容量，高選擇性、高速率及低再生能耗的特征。CN103203220A專利文獻(xiàn)中提出一種利用苯胺與Y型分子篩進(jìn)行聚合反應(yīng)，得到固體顆粒;將固體顆粒進(jìn)行碳化反應(yīng)，得到二氧化碳吸附劑，該材料合成簡(jiǎn)單，性能優(yōu)于活性炭。CN103120931A專利文獻(xiàn)中提出一種籠形二氧化碳吸附材料及其制備方法，該方法包括蒙脫石的酸化改性以及籠形二氧化碳吸附材料的合成，該復(fù)合材料中有機(jī)胺有效負(fù)載量在10?60%之間，具有良好的吸附和脫附能力，且穩(wěn)定性良好。CN104492370A專利文獻(xiàn)中公開了一種改性蒙脫石二氧化碳吸附材料及其制備方法，該方法采用無機(jī)插層劑插層處理，將無機(jī)物插入到蒙脫石的晶層中，提高蒙脫石的比表面積。CN104056598A專利文獻(xiàn)中公開了一種MOFs基二氧化碳吸附劑，包括MOFsjP負(fù)載于MOFs的孔道中和表面的有機(jī)胺，所述MOFs和有機(jī)胺的質(zhì)量比為0.1?10:1。W02013US66281和US09144770專利文獻(xiàn)中提出一種改性活性炭用于二氧化碳栗的吸附材料，該材料把氧化鎂注入到活性炭中，其中氧化鎂含量約占材料總質(zhì)量的15 %。EP20080772173專利文獻(xiàn)中提出一種中空纖維吸附材料，該材料以聚合物為基體，可以用于煙氣二氧化碳的捕捉。類似的吸附合成材料的國(guó)內(nèi)外專利文獻(xiàn)包括:W02013US60721、W02008US84237、US07288136、CN104437383A 和 CN102500324A 等專利文獻(xiàn)。但是，以上專利文獻(xiàn)中披露的技術(shù)方案只是在材料合成角度的創(chuàng)新，在具體二氧化碳吸附過程、循環(huán)和系統(tǒng)并沒有涉及。此類技術(shù)方案仍然會(huì)面臨實(shí)用化的困境，因?yàn)閷?duì)低能耗材料的盲目追求，容易導(dǎo)致對(duì)工藝的錯(cuò)誤理解，材料捕集能耗降低，工藝能耗上升。
[0008]2.還有一些專利停留在裝置單體層面，缺乏全局考慮。比如一些發(fā)明者嘗試在二氧化碳吸附塔結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新。例如公告號(hào)為CN203990246U專利文獻(xiàn)中提出了一種二氧化碳變壓吸附塔，采用了矩形結(jié)構(gòu)的氣體吸附通道，并用過折流板隔開，形成折流式固定吸附塔。該結(jié)構(gòu)具有氣體均勻性好、氣體流程長(zhǎng)、吸附劑利用率高和床層穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。AU20070902503(CN101795750A)專利文獻(xiàn)中提出一種獨(dú)立式結(jié)構(gòu)的吸附塔和汽提塔，其適于從燃燒化石燃料的發(fā)電站的廢氣流中捕獲二氧化碳。這些專利在吸附塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，并沒有在能耗和輔助等方面提出改進(jìn)措施。該類專利仍然會(huì)面臨實(shí)用化的困境，過多追求吸附捕集裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，但實(shí)際市場(chǎng)化產(chǎn)品很難做到理想的優(yōu)化加工要求，該類發(fā)明的申請(qǐng)?zhí)卣骱茈y在捕集能耗降低方面有所突破。
[0009]3.以運(yùn)行可行性為出發(fā)點(diǎn)，一些發(fā)明者嘗試吸附碳栗與其他碳排放系統(tǒng)集成。例如CN104437060A專利文獻(xiàn)中提出一種糖廠二氧化碳回收活化利用方法及設(shè)備，將吸附碳栗運(yùn)用到制糖廠的碳排放系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成并減少了碳排放。US09023244專利文獻(xiàn)中提出一種采用變溫吸附捕集制氫廠的煙氣中的二氧化碳，該方法相較于傳統(tǒng)的MDEA吸收法具有更高的二氧化碳純度。US08496908專利文獻(xiàn)中則提出一種變壓吸附用于蒸汽甲烷重整法制氫廠的重整氣體分離，吸附氣體為氫氣，尾氣二氧化碳和水蒸氣。這些專利把吸附碳栗與糖廠和制氫廠等碳排放源系統(tǒng)集成，解決了減少碳排放的目的，但是在能耗和輔助等方面沒有提出改進(jìn)措施。因此，這些專利也會(huì)面臨實(shí)用化的困境。
[0010]4.另一方面，眾多研究者將太陽能與碳栗技術(shù)相結(jié)合，使太陽能熱利用用于吸收法碳栗的熱耗輔助中。例如，1^2010/0005966厶1(冊(cè)2007厶1]00994)、0~103372371八和CN103990372A專利文獻(xiàn)中都提出太陽能熱利用與吸收法碳栗集成的系統(tǒng)。不同的是，US2010/0005966A1專利文獻(xiàn)中提出太陽能集熱場(chǎng)產(chǎn)生熱能直接用于燃煤電廠吸收法(乙醇胺)碳栗。CN103372371A專利文獻(xiàn)中提出一種利用太陽能集熱器產(chǎn)生的熱能，先驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電，再為燃煤電廠吸收法(乙醇胺)碳栗供能的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，又降低了碳栗能耗。CN103990372A專利文獻(xiàn)中提出一種太陽能閃蒸海水淡化輔助燃煤發(fā)電進(jìn)行氨法碳栗的系統(tǒng)。類似太陽能熱利用技術(shù)與吸收法碳栗的專利文獻(xiàn)還有CN104154521A、CN104607001A 和 CN103752142A 等專利文獻(xiàn)。CN104307308A 專利文獻(xiàn)中提出一種利用光伏輔助燃煤機(jī)組脫碳的工藝系統(tǒng)，由光伏系統(tǒng)加熱吸收法碳栗系統(tǒng)減少汽輪機(jī)抽汽。以上這些專利的特征是將太陽能熱利用的多種形式與吸收法碳栗的多種溶液類型相結(jié)合，然而吸收法碳栗的再生能耗高，成為限制碳栗技術(shù)發(fā)展的重要障礙。
[0011]5.關(guān)于碳栗概念，在生物領(lǐng)域研究的是生物圈的碳平衡，例如W02007/014349專利文獻(xiàn)中提供了隔離水性環(huán)境中的二氧化碳的方法，該方法產(chǎn)生的PM以明顯高于由生物碳栗中的其它成分產(chǎn)生的PM的速率沉降。另外，化工領(lǐng)域有一種脫碳栗的概念，只是一種栗，例如CN101560991專利文獻(xiàn)中提供了一種脫碳栗防漏技術(shù)，應(yīng)用于密封物體之間的接觸面，防止不必要的泄露。CN201988310U專利文獻(xiàn)中涉及一種合成氨脫碳閃蒸氣回收裝置，包括脫碳栗、高壓閃蒸氣吸收塔、洗滌器