本實(shí)用新型涉及一種太陽能輔助碳捕集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種太陽能光伏驅(qū)動的連續(xù)型水合物法碳捕集系統(tǒng)。以太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和水合物法碳捕集技術(shù)為核心，滿足捕集二氧化碳的需求。
背景技術(shù)：
聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的第5次評估報告顯示二氧化碳在大氣中的濃度已經(jīng)比工業(yè)化之前高出了40％，燃煤電廠作為最大的二氧化碳排放源，控制其二氧化碳的排放倍受關(guān)注。目前的主要措施是對煙氣進(jìn)行碳捕集與封存(CCS)，現(xiàn)有的碳捕集技術(shù)可分為燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒捕集，其中應(yīng)用較為廣泛的是燃燒后捕集，即利用物理吸附或化學(xué)吸收等方法對燃燒生成的煙氣進(jìn)行CO2捕集、運(yùn)輸與封存。但是，傳統(tǒng)的燃燒后捕集技術(shù)如MEA法、冷氨法等會消耗大量的汽輪機(jī)抽氣熱能從而造成電廠凈輸出功率和發(fā)電效率的降低。
一方面，氣體水合物指的是某些氣體分子在一定溫度和壓力下(通常為高壓低溫)與水形成的一類內(nèi)含籠形空隙的冰狀晶體。二氧化碳可以在一定溫度和壓力條件下與水反應(yīng)生成二氧化碳水合物，然后改變溫度和壓力條件，使其脫離相平衡區(qū)域，釋放籠內(nèi)的二氧化碳，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳的捕集。水合物法碳捕集技術(shù)作為一種新興的捕集方法可以被應(yīng)用到電廠煙氣中二氧化碳的捕集，主要優(yōu)點(diǎn)有工藝流程簡單、能耗相對較低、操作條件溫和、氣體回收率高等，此外，水合物法碳捕集技術(shù)的70％左右的能耗為壓縮機(jī)和水泵等的電力消耗。
另一方面，太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源，一直受到世界各國的廣泛關(guān)注。作為主要的清潔能源，太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過程簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，且組件簡單、體積小、重量輕，便于運(yùn)輸和安裝，從而得到了大量應(yīng)用。但是，由于時間和地域條件的約束，難以做到全天候利用太陽能資源，可以利用大容量和長壽命的儲能裝置如鋰電池來實(shí)現(xiàn)電力的充分儲存和穩(wěn)定輸出，其中鋰電池具有環(huán)保、安全、比能量高、壽命長和免維護(hù)等特點(diǎn)，適合作為光伏發(fā)電模塊的儲能裝置。
如果利用太陽能光伏發(fā)電對碳捕集系統(tǒng)進(jìn)行能耗供應(yīng)，既能最大程度地利用自然能源，又能滿足電廠二氧化碳減排的要求，降低電廠能耗損失。
因此，從全新的降低能耗的出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)一種有效利用太陽能并降低電廠碳捕集能耗的系統(tǒng)，是有效緩解溫室氣體排放的一個理想技術(shù)方案。
太陽能輔助水合物法碳捕集技術(shù)的相關(guān)實(shí)用新型主要有以下特征：
一方面，一些實(shí)用新型者從水合物法碳捕集技術(shù)與其他技術(shù)進(jìn)行集成的角度出發(fā)進(jìn)行 研究。例如：公開號為CN104028079A的專利對水合物法碳捕集技術(shù)和其他捕集技術(shù)進(jìn)行集成，提出一種新的二氧化碳捕集方法，該技術(shù)綜合了離子液體法和水合物法兩種二氧化碳捕集方式，實(shí)現(xiàn)離子液體水溶液和氣體水合物對二氧化碳的雙重捕集，大為提升了對二氧化碳的捕集效率，具有更好的工業(yè)應(yīng)用價值。公開號為CN103861444A的專利對水合物法碳捕集系統(tǒng)和其他系統(tǒng)進(jìn)行集成，提出一種基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化聯(lián)產(chǎn)裝置，在滿足電站煙氣中二氧化碳捕集需要的同時，還可以生產(chǎn)淡水，適用于沿海地區(qū)的化石燃料電站實(shí)現(xiàn)二氧化碳捕集與海水淡化聯(lián)產(chǎn)。但是，以上專利只是針對二氧化碳水合物循環(huán)和系統(tǒng)的角度進(jìn)行創(chuàng)新，仍然會面臨能耗的問題，很難在捕集能耗降低的方向有所突破。
另一方面，一些實(shí)用新型者從水合物法碳捕集系統(tǒng)優(yōu)化的角度出發(fā)進(jìn)行研究。例如：公開號為CN102432008A的專利對水合物法碳捕集裝置進(jìn)行優(yōu)化，提出一種環(huán)形水合物法二氧化碳捕集裝置。該實(shí)用新型中設(shè)計的環(huán)形分離塔可以有效解決水合物形成速度慢、溫度響應(yīng)慢等問題，并且避免因水合物形成而引起的多孔介質(zhì)孔隙堵塞，能夠快速經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)水合物法二氧化碳捕集。公開號為CN105080323A的專利對水合物法碳捕集系統(tǒng)進(jìn)行改造，提出一種新的基于水合物法的二氧化碳捕集系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用工廠廢液實(shí)現(xiàn)對工廠二氧化碳廢氣的捕集。二氧化碳水合物晶體在常溫常壓下進(jìn)行分離，不僅可以捕集廢氣中的二氧化碳，還可以從廢液中提取純凈的水。但是，以上專利只是針對水合物法碳捕集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，對水合物系統(tǒng)的改造在實(shí)際市場中很難做到理想的優(yōu)化加工要求；此外，以上專利并不能保證二氧化碳捕集的連續(xù)性，出氣速度較慢。
此外，還有一些實(shí)用新型者從太陽能輔助碳捕集技術(shù)的角度出發(fā)進(jìn)行研究。例如：申請?zhí)枮閁S2010/0005966A1的專利提出利用太陽能集熱器收集的熱量直接供給燃煤電廠吸收法(乙醇胺)碳捕集系統(tǒng)的再沸器，代替汽輪機(jī)低溫低壓抽汽。公開號為CN103372371A的專利提出一種太陽能輔助燃煤電廠碳捕集的系統(tǒng)，利用太陽能集熱器收集的熱能，先驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電，發(fā)電量供給碳捕集系統(tǒng)的泵、壓縮機(jī)等，再利用冷凝器的凝結(jié)熱為碳捕集系統(tǒng)的再沸器供能。公開號為CN103752142A的專利提出了一種太陽能輔助二氧化碳捕集的集成系統(tǒng)，將太陽能集熱子系統(tǒng)與發(fā)電子系統(tǒng)及二氧化碳捕集子系統(tǒng)之間相關(guān)部件的能量需求品位的高低進(jìn)行了合理的分配及集成，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級利用。公開號為CN104307308A的專利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)加熱吸收碳捕集系統(tǒng)減少汽輪機(jī)抽汽。但是，以上專利只是針對太陽能利用和吸收法碳捕集的結(jié)合，并沒有涉及到其他的捕集方法，然而吸收法碳捕集本身的再生能耗較高，若碳捕集系統(tǒng)的能耗100％由太陽能供給的話，電廠經(jīng)濟(jì)效益將大幅下降，這就限制了太陽能輔助吸收法碳捕集技術(shù)的發(fā)展。
綜合以上可以看出，現(xiàn)有相關(guān)專利并不能很好的達(dá)到上文所述的降低碳捕集能耗并有效緩解溫室氣體排放的理想目標(biāo)，目前亟需開發(fā)一種通過利用太陽能輔助低能耗的水合物 法碳捕集的系統(tǒng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，由太陽能光伏發(fā)電輔助水合物法碳捕集所需的電耗，同時雙塔(或多塔)循環(huán)模式能夠確保水合物捕集過程的連續(xù)性和有效性。
為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出的一種太陽能光伏驅(qū)動的水合物法碳捕集系統(tǒng)包括太陽能光伏發(fā)電單元和水合物法碳捕集單元，所述太陽能光伏發(fā)電單元包括與太陽能光伏電池板相連的蓄能裝置，所述蓄能裝置通過電線與一逆變器相連；所述水合物法碳捕集單元包括氣體增壓泵、恒溫槽、溫度控制箱、四通換向閥和多組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)，所述氣體增壓泵的進(jìn)氣口與電廠煙氣的管道入口相連，所述氣體增壓泵的排氣口連接有輸氣總管路；所述輸氣總管路上通過管件并聯(lián)有多條支管路；多組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)相同，每組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)設(shè)置在每條支管路的末端與所述四通換向閥之間；所述雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)包括與每條支管路末端并聯(lián)的兩條輸氣管道，兩條輸氣管道分別連接有水合物反應(yīng)塔A和水合物反應(yīng)塔B，每條輸氣管道上分別設(shè)有一個電控閥；多組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)中的水合物反應(yīng)塔A和水合物反應(yīng)塔B均設(shè)置在所述恒溫槽中，所述恒溫槽與所述溫度控制箱相連；每組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)中，所述水合物反應(yīng)塔A和水合物反應(yīng)塔B的上部出口分別連接至所述四通換向閥的兩個進(jìn)口；所述四通換向閥的一個出口通向大氣出口，所述四通換向閥的另一個出口依次連接有壓力調(diào)節(jié)器和真空泵，最后通向高濃度二氧化碳管道出口；所述逆變器與所述氣體增壓泵、兩個電控閥、溫度控制箱、四通換向閥、壓力調(diào)節(jié)器和真空泵電連。
進(jìn)一步講，所述水合物反應(yīng)塔A和水合物反應(yīng)塔B中添加有濃度為0.6mol％的四丁基氟化銨溶液。所述水合物反應(yīng)塔A和水合物反應(yīng)塔B中填充有多孔硅膠微球，所述多孔硅膠微球的粒度為75-200um，孔隙直徑為100nm，孔隙容積為0.8ml/g。所述溫度控制箱的控溫范圍為-5℃～20℃，所述水合物反應(yīng)塔A和水合物反應(yīng)塔B中的壓力范圍為1MPa-8MPa。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：
(1)太陽能光伏發(fā)電單元能夠?yàn)樗衔锓ㄌ疾都瘑卧暮碾娫O(shè)備提供全部電力，減少了化石燃料的消耗和碳捕集過程的二次碳排放；
(2)太陽能光伏發(fā)電單元添加蓄能裝置可以保證為水合物法碳捕集單元供電的連續(xù)性；
(3)采用兩個(或多個)反應(yīng)塔的循環(huán)模式能夠確保水合物法碳捕集過程的連續(xù)性，提高二氧化碳捕集速率。
附圖說明
圖1為本實(shí)用新型一種太陽能光伏驅(qū)動的水合物法碳捕集系統(tǒng)示意圖。
圖中：
1-電廠煙氣的管道入口 2-氣體增壓泵 3、4-電控閥
5-水合物反應(yīng)塔A 6-水合物反應(yīng)塔B 7-恒溫槽
8-溫度控制箱 9-四通換向閥 10-大氣出口
11-壓力調(diào)節(jié)器 12-真空泵 13-高濃度二氧化碳管道出口
14-太陽輻射 15-太陽能光伏電池板 16-蓄能裝置
17-逆變器
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對本實(shí)用新型進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本實(shí)用新型。
本實(shí)用新型一種太陽能光伏驅(qū)動的水合物法碳捕集系統(tǒng)是以太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和水合物法碳捕集技術(shù)為核心，并滿足捕集二氧化碳的需求。該太陽能光伏驅(qū)動的水合物法碳捕集系統(tǒng)包括太陽能光伏發(fā)電單元和水合物法碳捕集單元。
如圖1所示，所述太陽能光伏發(fā)電單元包括與太陽能光伏電池板15相連的蓄能裝置16，所述蓄能裝置16通過電線與逆變器17相連，蓄能裝置16可以為鋰電池等。
所述水合物法碳捕集單元包括氣體增壓泵2、恒溫槽7、溫度控制箱8、四通換向閥9和多組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)，所述氣體增壓泵2的進(jìn)氣口與經(jīng)過脫硫脫硝處理的電廠煙氣的管道入口1相連，所述氣體增壓泵2的排氣口連接有輸氣總管路；所述輸氣總管路上通過管件并聯(lián)有多條支管路；多組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)相同，每組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)設(shè)置在每條支管路的末端與所述四通換向閥9之間；所述雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)包括與每條支管路末端并聯(lián)的兩條輸氣管道，兩條輸氣管道分別連接有水合物反應(yīng)塔A5和水合物反應(yīng)塔B6，每條輸氣管道上分別設(shè)有一個電控閥3和4；多組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)中的水合物反應(yīng)塔A5和水合物反應(yīng)塔B6均設(shè)置在所述恒溫槽7中，所述恒溫槽7與所述溫度控制箱8相連，所述水合物反應(yīng)塔A5和水合物反應(yīng)塔B6塔內(nèi)的溫度由溫度控制箱8調(diào)控，所述溫度控制箱8的控溫范圍為-5℃～20℃，所述水合物反應(yīng)塔A5和水合物反應(yīng)塔B6中均自帶有壓力表，所述水合物反應(yīng)塔A5和水合物反應(yīng)塔B6的壓力為1MPa-8MPa。每組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)中，所述水合物反應(yīng)塔A5和水合物反應(yīng)塔B6中的溶液中添加濃度為0.6mol％的四丁基氟化銨(TBAF)溶液作為促進(jìn)劑。所述水合物反應(yīng)塔A5和水合物反應(yīng)塔B6中填充有多孔介質(zhì)材料，諸如多孔硅膠微球，其孔隙直徑為100nm，粒度分布為75-200um，孔隙容積為0.8ml/g。所述水合物反應(yīng)塔A5和水合物反應(yīng)塔B6的上部出口分別連接至所述四通換向閥9的兩個進(jìn)口；即每組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)中的每個反應(yīng)塔的進(jìn)氣口都由電控閥控制，各組雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)并聯(lián)的兩個反應(yīng)塔中，其中一個反應(yīng)塔的出口并聯(lián)集中成一路，另外一個反應(yīng)塔的出口并聯(lián)集中成另一路后在分別進(jìn)入四通換向閥9的兩個進(jìn)口。所述四通換向閥9的一個出口通向大氣出口10，所述四通換向閥9的另一個出口依次連接有壓力調(diào)節(jié)器11、真空泵12，最后通向高濃度二氧化碳管 道出口13。
所述逆變器17與所述氣體增壓泵2、兩個電控閥3、溫度控制箱8、四通換向閥9、壓力調(diào)節(jié)器11和真空泵12等耗電設(shè)備電連。
本實(shí)用新型中太陽能光伏發(fā)電單元的工作流程是：在天氣晴朗的時候，太陽能光伏電池板15利用太陽能實(shí)現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的直流電通向蓄能裝置16(例如鋰電池等)中進(jìn)行電能儲存。蓄能裝置16可以全天候供應(yīng)電能。蓄能裝置16產(chǎn)生的直流電經(jīng)過電線連接通向逆變器17，實(shí)現(xiàn)了直流電向交流電的變換。經(jīng)逆變器17變換后的交流電可以向水合物法碳捕集單元中的耗能部件(例如氣體增壓泵2、電控閥3和4、溫度控制箱8、四通換向閥9、壓力調(diào)節(jié)器11、真空泵12等)供電。
本實(shí)用新型中水合物法碳捕集單元的工作流程是：經(jīng)過處理的電廠煙氣從電廠煙氣的管道入口1后經(jīng)過氣體增壓泵2輸送到系統(tǒng)內(nèi)。通過氣體增壓泵2的電廠煙氣被輸氣總管路上的多條支管路分散輸送，此時，通過與每條支管路末端相連的輸氣管道上的電控閥3和4設(shè)定，兩個電磁閥3和4交替打開，如：當(dāng)電控閥3處于打開狀態(tài)時，電控閥4處于關(guān)閉狀態(tài)，經(jīng)過增壓的煙氣進(jìn)入水合物反應(yīng)塔A5進(jìn)行二氧化碳捕集，余下的煙氣經(jīng)過四通換向閥9從管道的大氣出口10排放到大氣中，此時四通換向閥9的狀態(tài)如圖1中的狀態(tài)1所示。假設(shè)水合物反應(yīng)塔B6在上一個循環(huán)，完成了二氧化碳的捕集過程，則在此次循環(huán)中，水合物反應(yīng)塔A5進(jìn)行二氧化碳的捕集，水合物反應(yīng)塔B6在壓力調(diào)節(jié)器11和真空泵12的作用下調(diào)節(jié)壓力，使水合物反應(yīng)塔B6中的二氧化碳水合物分解，并釋放出高濃度的二氧化碳，高濃度的二氧化碳經(jīng)過四通換向閥9、壓力調(diào)節(jié)器11和真空泵12，從高濃度二氧化碳管道出口13排出，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的捕集。經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，通過外界控制電控閥3、電控閥4和四通換向閥9完成切換，此時，電控閥3變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，電控閥4為打開狀態(tài)，四通換向閥9順時針轉(zhuǎn)90度，如圖1中虛線所述的狀態(tài)2，水合物反應(yīng)塔A5開始進(jìn)行水合物分解過程，釋放二氧化碳，水合物反應(yīng)塔B6則進(jìn)行水合物合成，即二氧化碳捕集過程，實(shí)現(xiàn)雙塔吸收解吸的運(yùn)行切換。水合物反應(yīng)塔A5和B6的周期性吸收解吸實(shí)現(xiàn)了從電廠煙氣中持續(xù)性的分離二氧化碳。
水合物反應(yīng)塔A5和B6中的溶液中添加有濃度為0.6mol％的四丁基氟化銨(TBAF)溶液作為促進(jìn)劑；內(nèi)部填充有多孔硅膠微球，其粒度分布為75-200um，孔隙直徑為100nm，孔隙容積為0.8ml/g；且在水合物生成過程中會有攪拌，以提高水合物生成速率。
若水合物法碳捕集單元包括多組并聯(lián)的雙反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)，則在每個反應(yīng)塔的進(jìn)氣口處均安裝一個電控閥，多反應(yīng)塔并聯(lián)結(jié)構(gòu)對二氧化碳同時吸收和解吸，下游管路分兩條管路集中后再通向四通換向閥9。
本實(shí)用新型中，太陽能光伏電池板的占地面積和蓄能裝置的容量取決于水合物法碳捕集單元中所有耗電部件的總功率、當(dāng)?shù)靥柲茌椛滟Y源和相應(yīng)的運(yùn)行策略要求等。
采用雙反應(yīng)塔(或多組雙反應(yīng)塔)水合物法碳捕集技術(shù)和添加蓄電裝置的措施可以持 續(xù)有效地分離二氧化碳。太陽能光伏電池板產(chǎn)生的電能用于水合物法碳捕集單元的耗電部件，減少了對化石燃料的消耗和水合物法碳捕集過程的二次碳排放，實(shí)現(xiàn)了有效利用可再生能源并降低電廠碳捕集系統(tǒng)能耗的目標(biāo)，此外，還能夠獲得高濃度的二氧化碳產(chǎn)品。本實(shí)用新型能夠有效緩解溫室氣體的排放，非常適合太陽能資源豐富地區(qū)的電廠煙氣中二氧化碳的捕集。
盡管上面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)之內(nèi)。