本发明涉及太阳能辅助碳捕集技术领域，具体涉及到一种太阳能有机朗肯循环辅助的真空变压变温耦合吸附碳捕集系统。以太阳能有机朗肯循环发电技术和真空变压变温耦合吸附碳捕集技术为核心，满足低能耗下捕集二氧化碳的需求。
背景技术：
联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第5次评估报告显示二氧化碳在大气中的浓度已经比工业化之前高出了40％，作为最主要的温室气体，二氧化碳的过量排放会造成温室效应和气候变化，故控制大型二氧化碳排放源如电厂、水泥厂和化工厂的二氧化碳排放至关重要。目前的主要措施是利用碳捕集与封存(CCS)技术对烟气进行脱碳，现有的碳捕集技术可分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集，其中应用较为广泛的是燃烧后捕集，即利用化学吸收或物理吸附等方法对燃烧生成的烟气进行二氧化碳捕集。
一方面，传统碳捕集技术较为关注捕集工艺或者系统的可行性，造成相关技术的开发面临商业化应用困境。例如许多研究关注在比较成熟的化学吸收法，但是其解吸过程需要潜热、显热和吸收热三部分能量来完成化学解吸，故捕集能耗较高，约为3-4GJ/ton。相比之下，吸附法碳捕集在单位捕捉能力、固体解吸能量要求等方面比吸收法更加具有优势。吸附法碳捕集有变温吸附、变压吸附和变电吸附三种基本方式，以及多种耦合吸附方式。
另一方面，太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源，一直受到世界各国的广泛关注。作为主要的清洁能源，太阳能光热利用技术发展迅猛，常用的太阳能集热器包括平板集热器、槽式集热器、碟式集热器、复合抛物线集热器、塔式集热器等。同时，有机工质由于其低沸点特性，在低温条件下可以获得较高的蒸汽压力，推动涡轮机做功，适合于低温热源做功发电。因此，太阳辐照低能流密度、易于转换为低温热源的物理特性与有机朗肯循环(ORC)之间具有潜在的联系，把两者有机结合，可以形成基于ORC的太阳能低温发电系统。该系统通过低聚焦比集热装置把太阳辐照转换为低温热能，通过ORC把低温热能转换为机械能和电能。此外，太阳能有机朗肯循环中冷凝器大量冷凝热可以作为低温余热进行利用。
如果利用太阳能有机朗肯循环对吸附式碳捕集系统进行电力和热能供应，既能最大程度地有效利用可再生能源，又能满足对大型排放源进行二氧化碳减排的要求。因此，从全新的降低能耗的出发点，开发一种有效利用太阳能并且捕集能耗较低的碳捕集系统，是有效缓解二氧化碳排放的一个理想技术方案。
目前，相关专利文献有以下报道：
一方面，在二氧化碳吸附材料方面进行创新。例如，公开号为CN103861557A的中国发明专利申请中提出了一种新型固态胺二氧化碳吸附剂，首次添加表面活性剂的方法来降低二氧化碳在固态胺吸附剂内的扩散阻力，提高胺的利用率，进而提高材料的二氧化碳的吸附性能。公开号为CN103203220A的中国发明专利申请披露了一种二氧化碳吸附剂的制备方法，主要是利用苯胺与Y型分子筛进行聚合反应，得到固体颗粒；将固体颗粒进行碳化反应，得到二氧化碳吸附剂，该材料合成简单，性能优于活性炭。公开号为CN103120931A的中国专利申请提出一种笼形二氧化碳吸附材料及其制备方法，该方法包括蒙脱石的酸化改性以及笼形二氧化碳吸附材料的合成，该复合材料中有机胺有效负载量在10～60％之间，具有良好的吸附和脱附能力，且稳定性良好。但是，以上专利只是在新型材料角度的创新，并没有涉及具体的二氧化碳捕集过程和循环；此外，对低能耗材料的盲目追求，容易导致对捕集工艺能耗的错误理解，出现材料能耗降低，工艺能耗却上升的情况。
另一方面，在二氧化碳吸附塔结构上进行创新。例如公告号为CN203990246U的中国实用新型专利提出了一种二氧化碳变压吸附塔，采用了矩形结构的气体吸附通道，并用过折流板隔开，形成折流式固定吸附塔。该结构具有气体均匀性好、气体流程长、吸附剂利用率高和床层稳定等优势。公开号为CN105749696A的中国发明专利申请提出了一种基于低品位热能的二氧化碳变温吸脱附系统，其新型的吸附塔结构以烟气中的低品位热能作为能量来源，并捕集烟气中的二氧化碳。公开号为CN101795750A的专利文献中提出一种独立式结构的吸附塔和汽提塔，其适于从燃烧化石燃料的发电站的废气流中捕获二氧化碳。但是，这些专利仅是在吸附塔结构上进行创新，过多追求吸附捕集装置结构的优化，但实际市场化的产品很难做到理想的优化加工要求，同时该类发明的特征很难在降低捕集能耗方面有所突破。
此外，一些发明者从太阳能辅助碳捕集技术的角度出发进行研究。例如：申请号为US2010/0005966A1的专利文献中提出利用太阳能集热器收集的热量直接供给燃煤电厂吸收法(乙醇胺)碳捕集系统的再沸器，代替汽轮机低温低压抽汽。公开号为CN103752142A的专利文献中提出了一种太阳能辅助二氧化碳捕集的集成系统，将太阳能集热子系统与发电子系统及二氧化碳捕集子系统之间相关部件的能量需求品位的高低进行了合理的分配及集成，实现了能量的梯级利用。公开号为CN103372371A的专利文献中提出一种太阳能辅助燃煤电厂碳捕集的系统，利用太阳能集热器收集的热能，先驱动有机朗肯循环发电，发电量供给碳捕集系统的泵、压缩机等，再利用冷凝器的凝结热为碳捕集系统的再沸器供能。公开号为CN104307308A的专利文献提出一种利用光伏辅助燃煤机组脱碳的工艺系统，由光伏系统加热吸收碳捕集系统减少汽轮机抽汽。公开号为CN105435581A的专利文献提出一种太阳能光伏驱动变压吸附空气碳捕集系统及控制方法，太阳能光伏产生的电能用于碳捕集系统的耗电部件。但是，以上专利多大部分针对太阳能辅助吸收法碳捕集，然而吸收法碳捕集本身的再生能耗较高，限制了碳捕集技术的发展；此外，太阳能光伏辅助碳捕集技术会面临光伏电池板的成本和寿命问题，且光伏电池板的生产过程会消耗大量的能量。
综合以上可以看出，现有相关专利并不能很好的达到上文所述的降低碳捕集能耗并有效缓解温室气体排放的理想目标，目前亟需开发一种通过太阳能有机朗肯循环辅助的真空变压变温耦合吸附碳捕集系统。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的不足，由太阳能有机朗肯循环提供真空变压变温耦合吸附碳捕集所需要的电力和热量，同时确保二氧化碳产品气的纯度、回收率和产量。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种太阳能有机朗肯循环辅助的真空变压变温耦合吸附碳捕集系统，包括太阳能集热单元、有机朗肯循环发电单元和吸附碳捕集单元，所述太阳能集热单元包括与太阳能集热器相连的蒸发器，所述蒸发器通过管道依次与一储油罐和一导热油泵相连；所述有机朗肯循环发电单元包括与蒸发器相连的汽轮机，所述汽轮机通过管道依次与一冷凝器和工质泵A相连；所述吸附碳捕集单元包括气体增压泵、真空泵A、真空泵B、四通换向阀、工质泵B和多组双反应塔结构，所述气体增压泵的进气口与经过预处理的含二氧化碳混合气的管道入口相连，所述气体增压泵的排气口连接有输气总管路；所述输气总管路上通过管件并联有多条支管路；多组双反应塔的结构相同，每组双反应塔结构设置在每条支管路的末端与所述四通换向阀之间；所述双反应塔结构包括与每条支管路末端并联的两条输气管道，两条输气管道分别连接有吸附反应塔A和吸附反应塔B；每组双反应塔结构中，所述吸附反应塔A和吸附反应塔B的上部出口分别通过真空泵A和真空泵B连接至所述四通换向阀的两个进口；所述四通换向阀的一个出口通向大气，所述四通换向阀的另一个出口通向高浓度二氧化碳管道出口；所述冷凝器的出口分别与所述吸附反应塔A和吸附反应塔B的加热工质进口相连；所述吸附反应塔A和吸附反应塔B的加热工质出口均连接至工质泵B，所述工质泵B连接至冷凝器的进口；所述吸附反应塔A和吸附反应塔B的进气口和出气口、加热工质进口和出口处均分别设有电控阀；所述汽轮机生产的电力为导热油泵、工质泵A、气体增压泵、真空泵A、真空泵B和工质泵B提供动力。
进一步讲，本发明中，所述有机朗肯循环发电单元的工质为甲苯；所述吸附反应塔A和吸附反应塔B的加热工质为水；所述吸附反应塔A和吸附反应塔B中填充的吸附材料为沸石13X。
所述太阳能集热器为槽式集热器，集热温度在250℃以上。
所述冷凝器提供100℃-130℃的低压水蒸气辅助吸附反应塔A和吸附反应塔B的解吸过程。
所述吸附反应塔A和吸附反应塔B中的吸附温度为10℃-50℃，吸附压力为1atm-5atm；解吸温度为80℃-130℃，解吸压力为1kPa-10kPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)有机朗肯循环发电单元可以有效利用太阳能集热单元的低温热，对太阳能的应用具有普适性意义；
(2)有机朗肯循环发电单元能够为整个系统的主要动力部件提供电力，并且冷凝器的冷凝热量可以辅助吸附反应塔的解吸过程，实现了能量的高效利用。
(3)在加热升温辅助的条件下进行真空变压解吸，既能保证捕集效果如产品气浓度、回收率和产量，又能大幅度降低真空泵的动力能耗。
附图说明
图1为本发明太阳能有机朗肯循环辅助的真空变压变温耦合吸附碳捕集系统示意图。
图中：
1-太阳能集热器 2-蒸发器 3-储油罐
4-导热油泵 5-汽轮机 6-冷凝器
7-工质泵A 8-气体增压泵 9-吸附反应塔A
10-吸附反应塔B 11-真空泵A 12-真空泵B
13-四通换向阀 14-工质泵B 15-电控阀
16-电控阀 17-电控阀 18-电控阀
19-电控阀 20-电控阀 21-电控阀
22-电控阀 23-大气 24-高浓度二氧化碳出口
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明太阳能有机朗肯循环辅助的真空变压变温耦合吸附碳捕集系统是以太阳能有机朗肯循环技术和真空变压变温耦合吸附碳捕集技术为核心，并满足捕集二氧化碳的需求。该太阳能有机朗肯循环辅助的真空变压变温耦合吸附碳捕集系统包括太阳能集热单元、有机朗肯循环发电单元和吸附碳捕集单元。
如图1所示，本发明提出的太阳能有机朗肯循环辅助的真空变压变温耦合吸附碳捕集系统，包括太阳能集热单元、有机朗肯循环发电单元和吸附碳捕集单元。
所述太阳能集热单元包括与太阳能集热器1相连的蒸发器2，所述蒸发器2通过管道依次与一储油罐3和一导热油泵4相连。所述太阳能集热器1为槽式集热器，并保证集热温度在250℃以上。
所述有机朗肯循环发电单元包括与蒸发器2相连的汽轮机5，所述汽轮机5通过管道依次与一冷凝器6和工质泵A7相连。所述有机朗肯循环发电单元的工质为甲苯，所述冷凝器6的冷凝温度为152℃，冷凝器可以确保提供100℃-130℃的低压水蒸气用于吸附反应塔的热能供给。
所述吸附碳捕集单元包括气体增压泵8、真空泵A11、真空泵B12、四通换向阀13、工质泵B14和多组双反应塔结构，所述气体增压泵8的进气口与经过预处理的含二氧化碳混合气的管道入口相连，所述气体增压泵8的排气口连接有输气总管路；所述输气总管路上通过管件并联有多条支管路；多组双反应塔的结构相同，每组双反应塔结构设置在每条支管路的末端与所述四通换向阀13之间；所述双反应塔结构包括与每条支管路末端并联的两条输气管道，两条输气管道分别连接有吸附反应塔A9和吸附反应塔B10，所述吸附反应塔A9和吸附反应塔B10的加热工质为水；所述吸附反应塔A9和吸附反应塔B10中填充的吸附材料为沸石13X。所述吸附反应塔A9和吸附反应塔B10中的吸附温度为10℃-50℃，吸附压力为1atm-5atm；解吸温度为80℃-130℃，解吸压力为1kPa-10kPa。
每组双反应塔结构中，所述吸附反应塔A9和吸附反应塔B10的上部出口分别通过真空泵A11和真空泵B12连接至所述四通换向阀13的两个进口；所述四通换向阀13的一个出口通向大气23，所述四通换向阀13的另一个出口通向高浓度二氧化碳管道出口24；
所述冷凝器6的出口分别与所述吸附反应塔A9和吸附反应塔B10的加热工质进口相连，所述冷凝器6提供100℃-130℃的低压水蒸气辅助吸附反应塔A9和吸附反应塔B10的解吸过程。所述吸附反应塔A9和吸附反应塔B10的加热工质出口均连接至工质泵B14，所述工质泵B14连接至冷凝器6的进口。
每条输气管道上分别设有一个电控阀，如图1所示，所述吸附反应塔A9的进气口处设有电控阀15，所述吸附反应塔B10的进气口处设有电控阀16，所述吸附反应塔A9的出气口处设有电控阀17，所述吸附反应塔B10的出气口处设有电控阀18；每组双反应塔结构中的每个反应塔(吸附反应塔A9和吸附反应塔B10)的进气口和出气口都由电控阀控制；各组双反应塔结构中并联的两个反应塔(吸附反应塔A9和吸附反应塔B10)中，其中一个反应塔的出口并联集中成一路，另外一个反应塔的出口并联集中成另一路后再分别进入四通换向阀13的两个进口，如图1所示，所述吸附反应塔A9和吸附反应塔B10的上部出口分别连接至所述四通换向阀13的两个进口；所述四通换向阀13的一个出口通向大气出口23，所述四通换向阀13的另一个出口通向高浓度二氧化碳管道出口24。所述吸附反应塔A9的加热工质进口处设有电控阀21、出口处设有电控阀19，所述吸附反应塔B10的加热工质进口处设有电控阀22、出口处设有电控阀20。
本发明中太阳能集热单元的工作流程是：在天气晴朗的时候，太阳能集热器1完成对太阳能热量的收集，升温的导热油输送到蒸发器2，储油罐3保证了太阳能集热单元中导热油循环的连续性和稳定性，导热油泵4为导热油循环的运行提供了动力。蒸发器2中的热量为有机朗肯循环发电单元中的工质蒸发提供热量。
本发明中有机朗肯循环发电单元的工作流程是：循环工质在蒸发器2中与导热油换热、吸收热量蒸发，推动汽轮机5做功发电，做功之后的乏汽在冷凝器6中凝结，由工质泵A7输运回蒸发器2。工质泵A7为有机朗肯循环的运行提供了动力。冷凝器6中的冷凝热为吸附碳捕集单元的解吸过程提供热量。汽轮机5为整个系统中主要的动力部件提供电力，包括导热油泵4、工质泵A7、气体增压泵8、真空泵A11、真空泵B12、工质泵B14等。
本发明中吸附碳捕集单元的工作流程是：经过预处理的含二氧化碳的混合气从管道入口经过气体增加泵8输送到系统内。通过气体增压泵8的含二氧化碳的混合气被输气总管路上的多条支管路分散输送，此时，通过与每条支管路末端相连的输气管道上位于吸附反应塔A9和吸附反应塔B10进气口处的电控阀15和16、出气口处的电控阀17和18设定，电控阀交替打开，真空泵11和真空泵12同样交替运行，如当电控阀15和17处于打开状态时，电控阀16处于关闭状态，真空泵11停止，真空泵12运行。经过增压的含二氧化碳的混合气进入吸附反应塔A9进行二氧化碳捕集，余下的脱碳气体经过四通换向阀13从管道的大气出口23排放到大气中，此时四通换向阀13的状态如图1中的状态1所示。假设吸附反应塔A9在上一个循环完成了二氧化碳的解吸过程，吸附反应塔A9进行二氧化碳吸附，吸附反应塔B10进行二氧化碳的解吸，吸附反应塔入口处的电控阀16关闭，出口处的电控阀18打开，位于吸附反应塔B10加热工质进口处和出口处的电控阀22和电控阀20打开，加热工质吸收冷凝器6中的冷凝热后升温，辅助吸附反应塔B10升温，同时启动真空泵12抽真空，进行真空变压变温解吸，吸附反应塔B10释放高浓度的二氧化碳，高浓度的二氧化碳经过四通换向阀13，从高浓度二氧化碳出口24排出。经过一段时间的运行，通过外界控制电控阀15和电控阀16、电控阀17和电控阀18、电控阀19和电控阀20、电控阀21和电控阀22与四通换向阀13完成切换，此时，电控阀15、电控阀20和电控阀22变为关闭状态，电控阀16、电控阀19和电控阀21变为打开状态，真空泵11运行，真空泵12停止，四通换向阀13顺时针转90度，如图1中示出的四通换向阀13的状态2，吸附反应塔A9开始进行解吸过程，释放二氧化碳，吸附反应塔B10则进行二氧化碳吸附过程，实现双塔吸收和解吸的运行切换，保证持续稳定的二氧化碳捕集。
本发明中，在太阳能集热单元和吸附碳捕集单元中间增加有机朗肯循环发电单元，更加有效的实现了可再生能源技术与碳捕集技术的集成，有机朗肯循环发电单元中生产的电力e和冷凝热均提供给系统，实现了能源的高效利用。此外，传统变温吸附碳捕集由于吸附时间较长，降低了生产能力；变压吸附又会面临电力能耗高的问题。通过加热辅助吸附反应塔A9和B10的真空解吸过程可以大幅度降低动力部件真空泵A11和真空泵B12的电力消耗，并保证产品气的纯度、回收率和产量。
本发明中，通过对太阳能的利用，减少了对化石燃料的消耗和吸附碳捕集过程的二次碳排放，实现了有效利用可再生能源并降低碳捕集系统能耗的目标，此外，还能够获得高浓度的二氧化碳产品。本发明能够有效缓解温室气体的排放，非常适合太阳能资源丰富地区的二氧化碳捕集，具有一定的普适性意义。太阳能集热器的占地面积和有机朗肯循环的容量取决于吸附碳捕集单元中解吸过程所需热量和电力以及相应的运行策略要求等。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况做出的变形，均属于本发明的保护之内。