一种基于光谱调制的二氧化碳分离及利用的系统和方法

本发明涉及太阳能碳捕集，具体涉及一种基于光谱调制的二氧化碳分离及利用的系统和方法。

背景技术：

1、全球变暖带来的影响日益显著，二氧化碳的大量排放所造成的温室效应不容忽视。全球各国不得不采取节能减排措施，其中碳捕集封存与利用是减碳有效措施。利用太阳能为碳捕集过程供能有助于减少对传统能源为碳捕集过程供能的依赖性，缓解全球变暖危机。

2、目前利用太阳能主要是通过光电转换以及间接的光热利用，直接利用太阳能参与碳捕集过程，尤其是利用太阳能不同波段实现碳捕集过程的不同阶段则较为少见。分波段利用太阳能参与碳捕集过程，具有能量利用率高、能量总量大的优势。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于光谱调制的二氧化碳分离及利用的系统和方法，考虑到利用单一波段太阳能的局限性，本发明基于特制玻璃对太阳光谱的调制作用以及石墨烯量子点对太阳光的吸收特性，利用了可见光波段到近红外波段的太阳能，实现了太阳能驱动的二氧化碳分离和利用。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于光谱调制的二氧化碳分离及利用的系统，由碳捕集部分、二氧化碳蓄冷部分组成。

4、所述碳捕集部分包括气泵1、气固混合室2、二氧化碳吸收腔体3、太阳能聚光器4、离心分离器5、第一单向颗粒释放阀6和第二单向颗粒释放阀8、二氧化碳脱附腔体7、颗粒过滤层9、复合碳捕集颗粒循环以及相关管路；进口管路1-1入口连接混合气体源，进口管路1-1上设置气泵1，进口管路1-1出口连接气固混合室2的混合气体入口；气固混合室2的回收口连接回收管路2-4，气固混合室2的出口通过出口管路2-1与二氧化碳吸收腔体3下部连接；二氧化碳吸收腔体3的一侧壁面为特制玻璃，二氧化碳吸收腔体3顶部通过顶部管路2-2与离心分离器5入口连接；离心分离器5的气体出口通过气体出口管路1-2连接至脱碳尾气处理部分，离心分离器5的固体出口通过带有第一单向颗粒释放阀6的固体出口管路2-3连接至二氧化碳脱附腔体7顶部；二氧化碳脱附腔体7的一侧壁面通过颗粒过滤层9与侧部管路3-5入口相连，另一侧壁面上部设置滤光材料，另一侧下部通过带有第二单向颗粒释放阀8的下部管路2-4与气固混合室2相连；侧部管路3-5入口连接颗粒过滤层9，出口一分为二，一路连接反应器进口管路3-1，另一路去往二氧化碳收集；

5、所述二氧化碳蓄冷部分包括增压泵16、压力控制阀10、反应器11、第一单向控制阀13、第二单向控制阀14、第三单向控制阀15、蓄冷罐12、热交换器17、反应溶液补充器18、循环泵19以及相关管路；反应器进口管路3-1入口连接侧部管路3-5的一路出口，反应器进口管路3-1上沿二氧化碳流动方向依次设置增压泵16、压力控制阀10，反应器进口管路3-1出口与反应器11二氧化碳入口连接；反应器11的反应溶液入口通过带有第一单向控制阀13、循环泵19的反应溶液入口管路3-3与反应溶液补充器18反应溶液出口相连接，反应器11的二氧化碳水合物出口通过带有第二单向控制阀14的二氧化碳水合物出口管路3-2与蓄冷罐12的二氧化碳水合物入口相连；蓄冷罐12二氧化碳水合物出口通过带有第三单向控制阀15的二氧化碳水合物出口管路3-4与热交换器17相连；热交换器17二氧化碳水合物出口通过反应溶液补充器入口管路3-6与反应溶液补充器18回收入口相连。

6、一种基于光谱调制的二氧化碳分离及利用的方法，具体包括以下步骤：

7、步骤1，二氧化碳捕集与分离：混合气体经气泵1增压后，通过进口管路1-1进入气固混合室2，卷吸由第二单向颗粒释放阀8释放的复合碳捕集颗粒后形成气固混合物，通过出口管路2-1进入二氧化碳吸收腔体3，在二氧化碳吸收腔体3内，复合碳捕集颗粒内部相变材料在由太阳能聚光器4聚集、特制玻璃转化的近红外波长太阳光照射下吸热，同时二氧化碳吸附于复合碳捕集颗粒表面的二氧化碳吸收膜层，气固混合物通过顶部管路2-2沿径向进入离心分离器5，在离心分离器5的作用下，经过碳捕集后的气体从离心分离器5顶部的气体出口管路1-2离开，吸附二氧化碳的复合碳捕集颗粒落入离心分离器5底部，第一单向颗粒释放阀6打开，复合碳捕集颗粒进入二氧化碳脱附腔体7，第一单向颗粒释放阀6关闭，在由太阳能聚光器4聚集、滤光材料筛选后的太阳光照射下复合碳捕集颗粒中的二氧化碳脱附，随后复合碳捕集颗粒落入二氧化碳脱附腔体7底部，进入下部管路2-4，第二单向颗粒释放阀8打开，复合碳捕集颗粒进入气固混合室2开始下一轮循环，第二单向颗粒释放阀8关闭；分离出的二氧化碳在压力的作用下穿过颗粒过滤层9经侧部管路3-5输送收集以及反应器进口管路3-1输送进行再利用；

8、步骤2，二氧化碳利用：第一单向控制阀13打开，反应溶液通过反应器进口管路3-1进入反应器11，第一单向控制阀13关闭；第二单向控制阀14关闭；压力控制阀10打开，二氧化碳经过增压泵16后压力升高，二氧化碳进入反应器11，达到反应所需压力后压力控制阀10关闭；二氧化碳水合物生成，第二单向控制阀14打开，二氧化碳水合物经过二氧化碳水合物出口管路3-2进入蓄冷罐12储存；有供冷需求时，第三单向控制阀15打开，二氧化碳水合物通过二氧化碳水合物出口管路3-4进入热交换器17向用户供冷后沿着反应溶液补充器入口管路3-6进入反应溶液补充器18，经过补充后，反应溶液从反应溶液补充器18离开，第一单向控制阀13打开，反应溶液经反应溶液入口管路3-3在循环泵19推动下进入反应器11参与二氧化碳水合物制备。

9、所述二氧化碳吸收腔体3的一侧壁面设置的特制玻璃，由以s、se、te为主要阴离子的硫系玻璃掺杂少量yb3+、tm3+等稀土元素，经过煅烧、成膜、退火、抛光等工艺制备；特制玻璃将短波太阳光转换至近红外波长(800nm-1100nm)后向二氧化碳吸收腔体3内部投射。

10、所述二氧化碳脱附腔体7另一侧壁面上部设置的滤光材料采用透射波长范围为300nm-600nm的短通滤光片对可见光等短波长光的透光率大于0.9，而对红外波长的太阳光透光率小于0.1，与二氧化碳脱附腔体7密切连接，保证太阳光的有效进入以及二氧化碳脱附腔体7内部密封性。

11、所述二氧化碳吸收腔体3内盛装有复合碳捕集颗粒是尺寸为微米级的壳-核结构微胶囊，内部为相变储热材料，外部为二氧化碳吸收膜层；所述二氧化碳吸收膜层是有机基团配位以及有机聚合物反应制备的多孔材料，并在其表面掺杂纳米石墨烯量子点，该膜层能够在近红外太阳光照射下，完成二氧化碳的吸附，在可见光照射下吸热释放二氧化碳；所述纳米石墨烯量子点为纳米级颗粒，能够快速吸收紫外及可见光波长范围内的太阳能并转化为热能向二氧化碳吸收膜层传递。

12、所述离心分离器5气体出口压力始终大于环境压力，保证气体出口空间不受其他气体污染；

13、所述二氧化碳脱附腔体7中颗粒过滤层9采用高纤维材料形成致密网状结构，保证二氧化碳顺利通过，同时颗粒不形成堵塞。

14、所述反应器11与外界换热良好，保证反应器内温度不超过15℃。

15、所述反应器11内反应溶液主要成分为1％wt nacl水溶液。

16、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

17、本发明利用特制玻璃对太阳能光谱的调制作用、石墨烯量子点对太阳能的吸收和转化作用，实现太阳能不同波段辅助碳捕集过程中的吸收和释放，采用气体-复合碳捕集颗粒混合物在腔体内实现高效的二氧化碳分离过程，同时对分离的二氧化碳进行利用，实现了一种太阳能驱动的二氧化碳分离及利用的系统和方法。