CN107744722A - 基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***及方法，能够有效捕集二氧化碳，并利用光催化将捕获的二氧化碳转化成甲醇；所述***包括：吸收解吸塔、水蒸气发生装置和光催化反应器；吸收解吸塔，用于二氧化碳捕集和解吸，其内有吸收剂填料层，吸收时利用太阳能驱动空气在塔内流动，解吸时利用水蒸气使二氧化碳解吸出来，解吸后的混合气体输向光催化反应器；水蒸气发生装置用于利用太阳能产生水蒸气；光催化反应器用于二氧化碳和水发生制甲醇反应，在太阳光和催化剂的共同作用下产生氧气和甲醇；本发明在常温常压下，利用光能捕集二氧化碳，再生吸收溶液和解吸二氧化碳，光催化二氧化碳转化为甲醇。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集和再利用技术领域，具体涉及一种基于太阳能驱动的捕集大气中二氧化碳并利用二氧化碳制备甲醇的***和方法。
背景技术
随着经济的快速发展，二氧化碳大量排放带来的环境问题日益严重，因此二氧化碳的捕集和回收研究受到国内外的广泛关注。然而，二氧化碳的捕集主要面对火电厂等固定排放源，其方法是利用碱性溶液(如氨水溶液NH3·H2O，一乙醇胺MEA，碳酸氢钠NaHCO3)对烟气进行洗涤，脱除烟气中的二氧化碳。该方法虽然吸收速率快、脱除效果好，但吸收后产物较为稳定、再生能耗高，故难以处理、易造成二次污染。并且，现有的二氧化碳捕集和回收技术主要注重于二氧化碳的捕集，而对于捕集后二氧化碳回收或存储涉及较少。现有的对捕集后的二氧化碳的处理方法主要为地质封存与填埋，但这种方法不仅技术难度大、成本高，而且在遇到地壳剧烈运动时，存在大规模泄漏的风险。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***及方法，该***采用易再生吸收剂对大气中二氧化碳进行捕集，利用太阳能驱动气体流动吸收大气中二氧化碳，再利用太阳能提供解吸热源和解吸气在常压下实现二氧化碳解吸，最后利用太阳光和催化剂将解吸后的二氧化碳转化为甲醇；因此，本发明的目的在于减少二氧化碳吸收解吸工艺的能耗、实现解吸后二氧化碳的零排放与再利用。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***，包括第一吸收解吸塔3、第二吸收解吸塔25、水蒸气产生装置22和光催化反应器29；
所述第一吸收解吸塔3为间歇性反应器，能够在吸收和解吸两种模式间进行切换；其内有负载型固体吸收剂填料层，外表面覆盖有吸光材料2和加热层4，第一吸收解吸塔3包括位于第一吸收解吸塔3底部的第一进气口6、第一水蒸气进口5和第一出液口7以及设置在第一吸收解吸塔3顶部的第一出气口1；所述加热层4，其表面涂有吸光材料，其内有加热电阻，利用太阳能或电辅热加热吸收剂填料层到指定温度，吸收时为30‐50℃，解吸时为80℃‐100℃；在第一吸收解吸塔3内，由于吸收剂固定在填料床中，吸收剂对二氧化碳的吸收和解吸是间隙性的，即吸收剂先吸收二氧化碳，当吸收达到饱和后进行解吸，解吸完成后再进行吸收，如此循环；吸收时，吸光材料2吸收太阳光，使第一吸收解吸塔3内产生上下温差，驱动空气从下向上流动，气体通过第一进气口6进入吸收解吸塔3底部，流经负载型固体吸收剂填料层，气体中的二氧化碳被吸收剂吸收后，经第一出气口1排出进入第一气液分离器11；解吸时，水蒸气发生装置22产生的水蒸气经由第一水蒸气进口5进入第一吸收解吸塔3，加热解吸剂填料层，并将吸收剂解吸的二氧化碳携带出第一吸收解吸塔3，经第一出气口1排出进入第一气液分离器11；
所述第二吸收解吸塔25，具体结构和工作原理与第一吸收解吸塔3一致，包括第二进气口27、第二水蒸气进口26、第二出气口24和第二出液口28；
所述水蒸气发生装置22，上端安装有第一太阳光聚光器21，利用太阳光和电辅热产生高温水蒸气，在解吸时通入第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25中，作为促进二氧化碳解吸的解吸气提气；
所述光催化反应器29由外至内依次包括保温壳体、电加热器34和反应室32；第二太阳光聚光器30安置在反应室32上端，用于汇聚太阳光；所述电加热器34具有加热电阻圈和温控装置，电加热器34的加热电阻圈设置在保温壳体和反应室32之间，电加热器34的温控装置的温度传感器放置在反应室32中液体内部，为反应室提供40‐100℃的温度；所述反应室32为常压透光容器，使汇聚后的太阳光能够透过反应室壁面照射到反应室内催化剂和水溶液；反应室32设有搅拌装置、第三进气口31、第三出气口40、进料口38、排料口35和液体浓度传感器37；解吸出的二氧化碳和水蒸汽混合气体通过第三进气口31进入反应室32；二氧化碳与水在催化剂和太阳光的共同作用下发生反应，制得甲醇和氧气；氧气和未被吸收的水蒸气经第三出气口40和第三气液分离器41后直接排入大气或送回反应室32；反应室32进料口38和排料口上分别设有第一液体阀39和第二液体阀36。
所述的一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***，还包括：
第一气液分离器11，设置在第一吸收解吸塔3的第一出气口1处，底部与第一液体回收装置12连接，上端与第一排气阀8和第二排气阀10连接，第一气液分离器11用于将二氧化碳和水蒸气的混合气体中携带水蒸气液滴分离出来，分离后的液体通过连接管道送入第一液体回收装置12，分离后的气体经第一排气阀8或第二排气阀10排出；第一排气阀8与反应室32的第三进气口31连接；第二排气阀10与大气相通，出口设有第一二氧化碳浓度传感器9；当第一吸收解吸塔3处于吸收过程时，第一排气阀8关闭，第二排气阀10打开，分离后的气体经第二排气阀10排入大气；当处于解吸过程时，第一排气阀8打开，第二排气阀10关闭，分离后的气体经第一排气阀8送入光催化反应器29；
第二气液分离器18，具体结构和工作原理与第一气液分离器11一致，设置在第二吸收解吸塔25的第二出气口24处，底部与第一液体回收装置12连接，上端与第三排气阀15和第四排气阀17连接，第三排气阀15与反应室32的第三进气口31连接；第四排气阀17与大气相通，出口处安装有第二二氧化碳浓度传感器16；当第二吸收解吸塔25处于吸收过程时，第三排气阀15关闭，第四排气阀17打开，分离后的气体经第四排气阀17排入大气；当处于解吸过程时，第三排气阀15打开，第四排气阀17关闭，分离后的气体经第三排气阀15送入光催化反应器29；
第三气液分离器41，设置在反应室32的第三出气口40处，底部与反应室32的进料口38连接，上端与第五排气阀43和第六排气阀44连接，第三气液分离器41用于将反应室出口气体中的水蒸气冷凝并与氧气分离，分离后的液体经第一进料口38送回反应室32，分离后的气体经第三二氧化碳浓度传感器42后经第五排气阀43或第六排气阀44排出；第五排气阀43与反应室32的第三进气口31连接；第六排气阀44与大气连接，出口处安装有第三二氧化碳浓度传感器42；
第一二氧化碳浓度传感器9、第二二氧化碳浓度传感器16和第三二氧化碳浓度传感器42分别用于检测第一气液分离器11、第二气液分离器18和第三气液分离器41分离的气体中二氧化碳浓度；
液体浓度传感器37，设于反应室32的液体中，用于感应反应室32液体中甲醇的浓度，当甲醇浓度高于规定值(5％‐10％)时，打开排料口35的第二液体阀36将溶液排出甲醇储存装置45，再关闭第二液体阀36并打开进料口38的第一液体阀39，向反应室中加入规定体积的水溶液；
第一液体回收装置12，与第一气液分离器11和第二气液分离器18的下端相连接，用于回收和储存气液分离器分离出的冷凝后的水蒸气，回收后的液体送入水蒸气发生装置22重新利用。
所述的一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***，还包括：第二液体回收装置23，与第一出液口7和第二出液口28相连，用于储存第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25中解吸时冷凝的水蒸气，回收后的液体送入水蒸气发生装置22重新利用。
所述第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25对二氧化碳的吸收和解吸两个环节是间隙性进行的，但当第一吸收解吸塔3进行吸收，第二吸收解吸塔25进行解吸时；或当第一吸收解吸塔4进行解吸，第二吸收解吸塔25进行吸收解吸时，能够保证二氧化碳的吸收和解吸两个环节的同时进行。
上述所述基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用方法，包括以下步骤：
(1)在第一吸收解吸塔3中，进行二氧化碳的吸收过程，吸光材料2利用太阳能在第一吸收解吸塔3内部产生的上下温度差，驱动塔内的空气自下向上流动，空气从第一吸收解吸塔3底端第一进气口6送入，空气和吸收剂填料层接触进行吸收传质。被吸收了二氧化碳后的气体经第一气液分离器11后直接排入大气中；
(2)在第二吸收解吸塔25中，进行二氧化碳的解吸过程，加热层利用太阳能将第二吸收解吸塔25加热到指定温度，水蒸气发生装置22利用太阳能产生的水蒸气从第二水蒸气进口26进入第二吸收解吸塔25；水蒸气与吸收了二氧化碳后的吸收剂填料层接触，从吸收剂中解吸的二氧化碳被水蒸气携带从第二吸收解吸塔25上端排出。当第一吸收解吸塔3中的吸收剂吸收二氧化碳达到饱和时(第一二氧化碳浓度传感器9检测到出口气体中二氧化碳的浓度高于规定值时)，两个吸收解吸塔的吸收和解吸模式切换，第一吸收解吸塔3进行解吸过程，第二吸收解吸塔25进行吸收环节；当第二吸收解吸塔25中的吸收剂吸收二氧化碳达到饱和时(第二二氧化碳浓度传感器16检测到出口气体中二氧化碳的浓度高于规定值时)，两个吸收解吸塔的吸收和解吸模式再次切换，如此循环；
(3)从第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25出来的二氧化碳和水蒸气混合气体经反应室32的第三进气口31进入光催化反应器29；电加热器34的温控装置控制加热电阻圈对反应室32进行加热；在反应室32内，二氧化碳和水在太阳光与催化剂33的作用下，发生二氧化碳和水的制甲醇反应，产生甲醇和氧气；生成的氧气和部分水蒸气，从第三出气口40排出，经第三气液分离器41，排入大气或送回反应室32继续反应；
(4)当液体浓度传感器37检测到反应室32中液体的甲醇浓度高于规定值时，将液体输向甲醇储存装置45，并向反应室32补充液体。
步骤(1)和(2)中第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25中吸收剂为易再生的N‐甲基二乙醇胺(MDEA)溶液或功能性离子溶液浸渍的活性炭或固体颗粒小球，具体负载材料、溶液配方和浓度依气体中二氧化碳浓度来定。
步骤(3)中，所述反应室32中催化剂为Cu/TiO2或Th/TiO2，利用硫酸铜、硝酸铜、氯化铜或硫酸铜以及氧化钍、硅酸钍、硝酸钍或四氯化钍溶液浸渍氧化钛小球，将Cu或Th离子负载在TiO2小球上制备相应负载催化剂。
所述反应室中水溶液，主要成分为水，利用碳酸氢钠或酸溶液来适当调节水溶液的酸碱度。
所述第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25采用太阳能驱动空气在塔内流动，并为吸收剂解吸再生提供热能和解吸气提气即水蒸气，所述光催化反应器29采用太阳能为光催化反应过程提供热源。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)捕集***简单，选址要求低，吸收剂适应性强，可以在任意位置设立***对大气中二氧化碳进行捕获，使得整个***应用范围广。
(2)采用易解吸再生且挥发性低的负载型固体吸收剂，可在***中实现吸收剂的解吸再生及重复循环利用，避免吸收产物造成二次污染，可有效较低原料成本。
(3)采用太阳能驱动吸收塔内气体流动，同时也为吸收剂解吸再生提供热能，在有太阳能的情况下无需为***提供能量，因此整个***的能耗极低。
(4)将解吸后的二氧化碳转化为有巨大工业应用价值的甲醇，有效避免地质储存二氧化碳存在的风险，实现二氧化碳的再利用和零排放。
附图说明
图1是本发明一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***的实施例结构示意图。
1—第一出气口，2—吸光材料，3—第一吸收解吸塔，4—加热层，5—第一水蒸气进口，6—第一进气口，7—第一出液口，8—第一排气阀，9—第一二氧化碳浓度传感器，10—第二排气阀，11—第一气液分离器，12—第一液体回收装置，13—第一进气阀，14—第二进气阀，15—第三排气阀，16—第二二氧化碳浓度传感器，17—第四排气阀，18—第二气液分离器，19—第三进气阀，20—第四进气阀，21—第一太阳光聚光器，22—水蒸气发生装置，23—第二液体回收装置，24—第二出气口，25—第二吸收解吸塔，26—第二水蒸气进口，27—第二进气口，28—第二出液口，29—光催化反应器，30—第二太阳光聚光器，31—第三进气口，32—反应室，33—催化剂，34—电加热器，35—排料口，36—第二液体阀，37—液体浓度传感器，38—进料口，39—第一液体阀，40—第三出气口，41—第三气液分离器，42—第三二氧化碳浓度传感器，43—第五排气阀，44—第六排气阀，45—甲醇储存装置。
具体实施方式
首先对本反应的吸收解吸和光催化再生原理进行说明：
本发明中二氧化碳与易再生的负载型固体吸收剂(以N‐甲基二乙醇胺负载活性炭颗粒为例)发生吸收解吸的化学反应为：
上述反应为可逆反应，在40℃左右的温度下，吸收剂吸收气体中的二氧化碳成分，生成非稳定的碳酸氢盐；在80℃‐100℃的加热和水蒸气气提条件下，反应沿逆向进行，碳酸氢盐分解为二氧化碳，二氧化碳从液相传质到气相，生成水蒸气和二氧化碳的混合气体。
本发明中光催化二氧化碳制备甲醇的化学反应为：
二氧化碳在催化剂和太阳光的共同作用下可在常温常压条件下发生重整反应，生成甲醇和氧气，其中生成的甲醇可经工业提纯后作为高效清洁的燃料，生成的氧气可直接排入大气或回收供工业应用。
为进一步公开发明的技术方案，下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
实施例
如图1所示，一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***包括：第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25，其利用太阳能驱动塔内气体自下向上流动，使其内负载型固体吸收剂对二氧化碳进行间歇性吸收和解吸；水蒸气发生装置22，其利用太阳能产生解吸气提气—水蒸气；光催化反应器29，其内在太阳光和催化剂的共同作用下二氧化碳与水发生反应重组生成甲醇。
第一吸收解吸塔3，其内有负载型固体吸附剂填料层，包括：吸光材料2，第一进气口6，第一出气口1，第一水蒸气进口5，第一出液口7和加热层4。加热层4，其表面涂有吸光材料，其内有加热电阻，利用太阳能或电辅热加热吸收剂填料层到指定温度，吸收时为40℃左右，解吸时为80℃-100℃。由于第一吸收解吸塔3中吸收剂固定在填料层中，因此吸收剂对二氧化碳的吸收和解吸是间隙性的，也就是说吸收剂先吸收二氧化碳，当吸收达到饱和后进行解吸，解吸完成后再进行吸收，如此循环。吸收时，上端吸光材料2吸收太阳光，吸收塔内产生上下温差，驱动空气从下向上流动，气体通过第一进气口6进入第一吸收解吸塔3底部，流经负载型固体吸收剂填料层，气体中的二氧化碳被吸收剂吸收后，经第一出气口1排出进入第一气液分离器11。解吸时，水蒸气发生装置22产生的水蒸气经由第一水蒸气进口5进入第一吸收解吸塔3，吸收剂解吸的二氧化碳由水蒸气携带出第一吸收解吸塔3，经第一出气口1排出进入第一气液分离器11。第一吸收解吸塔3中冷凝的水蒸气经第一出液口7流入第二液体回收装置23。
第一气液分离器11，用于分离第一出气口1气体中的水滴，分离后的气体经第一排气阀8或第二排气阀10排出，分离后的液体进入第一液体回收装置12。
第二吸收解吸塔25，具体结构和工作原理与第一吸收解吸塔3一致，包括：第二进气口27，第二水蒸气进口26，第二出气口24和第二出液口28。
第二气液分离器18，具体结构和工作原理与第一气液分离器11一致，设置在第二出气口24处，底部与第一液体回收装置12连接，上端与第三排气阀15和第四排气阀17连接。
第一液体回收装置12和第二液体回收装置23，用于回收和储存气液分离器分离的水蒸汽或吸收解吸塔中冷凝的水蒸汽，回收后的液体可送入水蒸气发生装置22进行重新利用。
第一排气阀8(第三排气阀15)和第二排气阀10(第四排气阀17)用于控制气体的去向，也用于切换吸收和解吸时气体的流向。第一排气阀8(第三排气阀15)与光催化反应器29的第三进气口31相连，第二排气阀10(第四排气阀17)与大气相连，其出口处有第一二氧化碳浓度传感器9(第二二氧化碳浓度传感器16)，用于探测第二排气阀10(第四排气阀17)出口气体中二氧化碳的浓度。
光催化反应器29由外至内依次包括保温壳体、电加热器34和反应室32。第二太阳光聚光器30，安置在反应室32上端，用于汇聚太阳光。电加热器34，具有加热电阻圈和温控装置，加热电阻圈设置在保温壳体和反应室32之间，温控装置的温度传感器放置在反应室32中液体内部，可为反应室32提供40-100℃温度。
反应室32，为常压透光容器，使汇聚后的太阳光能够透过反应室壁面照射到反应室32内催化剂33和水溶液。反应室32设有搅拌装置、第三进气口31、第三出气口40、进料口38、排料口35、液体浓度传感器37。解吸出的二氧化碳和水蒸汽混合气体通过第三进气口31进入反应室32。二氧化碳与水在催化剂33和太阳光的共同作用下发生反应，制得甲醇和氧气。氧气和未被吸收的水蒸气经第三出气口40和第三气液分离器41后直接排入大气或送回反应室32。反应室32进料口38和排料口上分别有第一液体阀39和第二液体阀36。反应室32内液体中放置液体浓度传感器37，用于感应反应室32中液体的甲醇浓度。
第三气液分离器41，设置在反应室32的第三出气口31处，用于将反应室32第三出气口40气体中的水蒸气冷凝并与氧气分离，分离后的液体经第一进料口38送回反应室32，分离后的气体经第三二氧化碳浓度传感器42后可经第五排气阀43或第六排气阀44排出。第五排气阀43与反应室32的第三进气口31连接，第六排气阀44与大气连接。第三二氧化碳浓度传感器42用于分别检测第三气液分离器41分离的气体中二氧化碳浓度。
虽然一个吸收解吸塔对二氧化碳的吸收和解吸是间歇性的，但当两个吸收解吸塔共同运行时可以保证二氧化碳的同时吸收和解吸。具体二氧化碳捕集与回收再利用的步骤说明如下：
首先，第一吸收解吸塔3处于吸收阶段，第二吸收解吸塔25处于解吸再生阶段。第一进气阀13打开，第二进气阀14关闭，吸光材料2吸收太阳光，在第一吸收解吸塔3内产生上下温差，驱动空气流动，空气经第一进气口6送入第一吸收解吸塔3底端，空气流经第一吸收解吸塔3中的吸收剂填料塔。空气中的二氧化碳被吸收剂吸收后，经第一出气口1进入第一气液分离器11。此时，第一排气阀8关闭，第二排气阀10打开，第一气液分离器11分离后的气体直接排入大气中，气体中二氧化碳的浓度受第一二氧化碳浓度传感器9检测。与此同时，第二吸收解吸塔25的加热层4将吸收剂填料层加热到指定解吸温度，第三进气阀19关闭，第四进气阀20打开，水蒸气发生装置22产生的水蒸气经第二水蒸气进口26进入第二吸收解吸塔25底部，水蒸气流经第二吸收解吸塔25中的吸收剂填料层，吸收剂发生再生解吸出二氧化碳，解吸后的二氧化碳被水蒸气携带出第二吸收解吸塔25经第二出气口24进入第二气液分离器18。此时，第三排气阀15打开，第四排气阀17关闭，分离后的气体经第三排气阀15排出，直接由第三进气口31进入光催化反应器29。
当第一二氧化碳浓度传感器9检测到出口气体中二氧化碳的浓度高于规定值时(当进口气体为空气时，选0.1％)，认为第一吸收解吸塔3中吸收剂达到饱和，此时切换第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25的吸收和解吸状态，即第一吸收解吸塔3变为解吸再生阶段，第二吸收解吸塔25变为吸收阶段。第一进气阀13关闭，第二进气阀14打开，吸光材料2吸收太阳光，第二吸收解吸塔25内产生上下温差，驱动空气自下向上流动，空气经第二进气口27进入第二吸收解吸塔25；第三进气阀19打开，第四进气阀20关闭，水蒸气发生装置22产生的水蒸气改为送入到第一吸收解吸塔3。在第一吸收解吸塔3内，吸收剂进行再生，解吸出二氧化碳；在第二吸收解吸塔25中，吸收剂吸收二氧化碳。相应的，第一排气阀8打开，第二排气阀10关闭，第一吸收解吸塔3解吸后的二氧化碳和水蒸气混合气体直接进入光催化反应器29；第三排气阀15关闭，第四排气阀17打开，第二吸收解吸塔25中被吸收了二氧化碳的气体直接排入大气，同时气体中二氧化塔的浓度也由第二二氧化碳浓度传感器16检测。
当第二二氧化碳浓度传感器16检测到出口气体中二氧化碳的浓度高于规定值时(当进口气体为空气时，选0.1％)，认为第二吸收解吸塔25中吸收剂达到饱和，再次切换第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25的吸收和解吸状态，即第一吸收解吸塔3变为吸收阶段，第二吸收解吸塔25变为解吸再生阶段，如此循环。
光催化反应器29的第二太阳光聚光器30汇聚太阳光为反应室32提供光源和热源，为反应室提供40-100℃温度。水蒸气和二氧化碳的混合气体从吸收解吸塔出来后，经第三进气口31进入反应室32。在反应室32内，二氧化碳与水在太阳光和催化剂33的共同作用下发生重整反应生成甲醇和氧气，甲醇直接溶解在水溶液中，氧气、未反应的二氧化碳与水蒸气形成混合气体经第三出气口40进入第三气液分离器41。经第三气液分离器41分离后的溶液再经进料口38送回反应室32，分离后的气体经第三气液分离器41上端排出。第三气液分离器41上端设有第三二氧化碳浓度传感器42，用于感应分离后气体中二氧化碳的浓度，当二氧化碳浓度高于规定值(0.01％-0.03％)，第五排气阀43关闭，第六排气阀44打开，分离后的气体再经第三进气口311进入反应室32；当二氧化碳浓度低于规定值，第五排气阀43打开，第六排气阀44关闭，分离后的气体直接排入大气中，或可进一步提纯氧气以供工业使用。
反应室32内水溶液中间放置溶液浓度传感器37，检测水溶液中甲醇的浓度，当甲醇浓度超过规定值(5％‐10％)，打开第二液体阀36，水溶液经排料口35排入甲醇储存装置45，可经进一步提纯后供工业应用或作为清洁燃料。随后关闭第二液体阀36，打开第一液体阀39，经进料口38向反应室32中送入新的水溶液，继续在反应室32中进行二氧化碳光催化制备甲醇的反应。
还需特别说明的是，当在夜晚或雨天等无太阳光的情况下，暂时无法进行二氧化碳的解吸和光催化再生过程，但仍可以进行二氧化碳的吸收过程。此时，第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25均为二氧化碳的吸收状态：第一进气阀13和第二进气阀14打开，第三进气阀19和第四进气阀20关闭，空气从第一进气口6和第二进气口27分别进入第一吸收解吸塔3和第二吸收解吸塔25，与塔内的吸收剂填料层接触进行吸收传质；第一排气阀8和第三排气阀15关闭，第二排气阀10和第四排气阀17打开，两个吸收解吸塔中被吸收了二氧化碳后的空气分别经第二排气阀10和第四排气阀17排入大气中。待太阳光出现后，再同时启动二氧化碳的解吸再生和催化制备甲醇的过程。
应当说明的是，上述具体实施例可根据实际应用进行若干改动，需要指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以以做出若干改动和调整，这些改动和调整也应该为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***，其特征在于，包括第一吸收解吸塔(3)、第二吸收解吸塔(25)、水蒸气产生装置(22)和光催化反应器(29)；
所述第一吸收解吸塔(3)为间歇性反应器，能够在吸收和解吸两种模式间进行切换；其内有负载型固体吸收剂填料层，外表面覆盖有吸光材料(2)和加热层(4)，第一吸收解吸塔(3)包括位于第一吸收解吸塔(3)底部的第一进气口(6)、第一水蒸气进口(5)和第一出液口(7)以及设置在第一吸收解吸塔(3)顶部的第一出气口(1)；所述加热层(4)，其表面涂有吸光材料，其内有加热电阻，利用太阳能或电辅热加热吸收剂填料层到指定温度，吸收时为30-50℃，解吸时为80℃-100℃；在第一吸收解吸塔(3)内，由于吸收剂固定在填料床中，吸收剂对二氧化碳的吸收和解吸是间隙性的，即吸收剂先吸收二氧化碳，当吸收达到饱和后进行解吸，解吸完成后再进行吸收，如此循环；吸收时，吸光材料(2)吸收太阳光，使第一吸收解吸塔(3)内产生上下温差，驱动空气从下向上流动，气体通过第一进气口(6)进入吸收解吸塔(3)底部，流经负载型固体吸收剂填料层，气体中的二氧化碳被吸收剂吸收后，经第一出气口(1)排出进入第一气液分离器(11)；解吸时，水蒸气发生装置(22)产生的水蒸气经由第一水蒸气进口(5)进入第一吸收解吸塔(3)，加热解吸剂填料层，并将吸收剂解吸的二氧化碳携带出第一吸收解吸塔(3)，经第一出气口(1)排出进入第一气液分离器(11)；
所述第二吸收解吸塔(25)，具体结构和工作原理与第一吸收解吸塔(3)一致，包括第二进气口(27)、第二水蒸气进口(26)、第二出气口(24)和第二出液口(28)；
所述水蒸气发生装置(22)，上端安装有第一太阳光聚光器(21)，利用太阳光和电辅热产生高温水蒸气，在解吸时通入第一吸收解吸塔(3)和第二吸收解吸塔(25)中，作为促进二氧化碳解吸的解吸气提气；
所述光催化反应器(29)由外至内依次包括保温壳体、电加热器(34)和反应室(32)；第二太阳光聚光器(30)安置在反应室(32)上端，用于汇聚太阳光；所述电加热器(34)具有加热电阻圈和温控装置，加热电阻圈设置在保温壳体和反应室(32)之间，温控装置的温度传感器放置在反应室(32)中液体内部，为反应室提供40-100℃的温度；所述反应室(32)为常压透光容器，使汇聚后的太阳光能够透过反应室壁面照射到反应室内催化剂和水溶液；反应室(32)设有搅拌装置、第三进气口(31)、第三出气口(40)、进料口(38)、排料口(35)和液体浓度传感器(37)；解吸出的二氧化碳和水蒸汽混合气体通过第三进气口(31)进入反应室(32)；二氧化碳与水在催化剂和太阳光的共同作用下发生反应，制得甲醇和氧气；氧气和未被吸收的水蒸气经第三出气口(40)和第三气液分离器(41)后直接排入大气或送回反应室(32)；反应室(32)的进料口(38)和排料口上分别设有第一液体阀(39)和第二液体阀(36)。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***，其特征在于，还包括：
第一气液分离器(11)，设置在第一吸收解吸塔(3)的第一出气口(1)处，底部与第一液体回收装置(12)连接，上端与第一排气阀(8)和第二排气阀(10)连接，第一气液分离器(11)用于将二氧化碳和水蒸气的混合气体中携带水蒸气液滴分离出来，分离后的液体通过连接管道送入第一液体回收装置(12)，分离后的气体经第一排气阀(8)或第二排气阀(10)排出；第一排气阀(8)与反应室(32)的第三进气口(31)连接；第二排气阀(10)与大气相通，出口设有第一二氧化碳浓度传感器(9)；当第一吸收解吸塔(3)处于吸收过程时，第一排气阀(8)关闭，第二排气阀(10)打开，分离后的气体经第二排气阀(10)排入大气；当处于解吸过程时，第一排气阀(8)打开，第二排气阀(10)关闭，分离后的气体经第一排气阀(8)送入光催化反应器(29)；
第二气液分离器(18)，具体结构和工作原理与第一气液分离器(11)一致，设置在第二吸收解吸塔(25)的第二出气口(24)处，底部与第一液体回收装置(12)连接，上端与第三排气阀(15和第四排气阀(17连接，第三排气阀(15与反应室(32)的第三进气口(31)连接；第四排气阀(17)与大气相通，出口处安装有第二二氧化碳浓度传感器(16)；当第二吸收解吸塔(25)处于吸收过程时，第三排气阀(15)关闭，第四排气阀(17)打开，分离后的气体经第四排气阀(17)排入大气；当处于解吸过程时，第三排气阀(15)打开，第四排气阀(17)关闭，分离后的气体经第三排气阀(15)送入光催化反应器(29)；
第三气液分离器(41)，设置在反应室(32)的第三出气口(40)处，底部与反应室(32)的进料口(38)连接，上端与第五排气阀(43)和第六排气阀(44)连接，第三气液分离器(41)用于将反应室出口气体中的水蒸气冷凝并与氧气分离，分离后的液体经第一进料口(38)送回反应室(32)，分离后的气体经第三二氧化碳浓度传感器(42)后经第五排气阀(43)或第六排气阀(44)排出；第五排气阀(43)与反应室(32)的第三进气口(31)连接；第六排气阀(44)与大气连接，出口处安装有第三二氧化碳浓度传感器(42)；
第一二氧化碳浓度传感器(9)、第二二氧化碳浓度传感器(16)和第三二氧化碳浓度传感器(42)分别用于检测第一气液分离器(11)、第二气液分离器(18)和第三气液分离器(41)分离的气体中二氧化碳浓度；
液体浓度传感器(37)，设于反应室(32)的液体中，用于感应反应室(32)液体中甲醇的浓度，当甲醇浓度高于规定值时，打开排料口(35)的第二液体阀(36)将溶液排出甲醇储存装置(45)，再关闭第二液体阀(36)并打开进料口(38)的第一液体阀(39)，向反应室中加入规定体积的水溶液；
第一液体回收装置(12)，与第一气液分离器(11)和第二气液分离器(18)的下端相连接，用于回收和储存气液分离器分离出的冷凝后的水蒸气，回收后的液体送入水蒸气发生装置(22)重新利用。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***，其特征在于，还包括：第二液体回收装置(23)，与第一出液口(7)和第二出液口(28)相连，用于储存第一吸收解吸塔(3)和第二吸收解吸塔(25)中解吸时冷凝的水蒸气，回收后的液体送入水蒸气发生装置(22)重新利用。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***，其特征在于：
所述第一吸收解吸塔(3)和第二吸收解吸塔(25)对二氧化碳的吸收和解吸两个环节是间隙性进行的，但当第一吸收解吸塔(3)进行吸收，第二吸收解吸塔(25)进行解吸时；或当第一吸收解吸塔(4)进行解吸，第二吸收解吸塔(25)进行吸收解吸时，能够保证二氧化碳的吸收和解吸两个环节的同时进行。
5.权利要求1至4任一项所述的一种基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用***的二氧化碳捕集与回收再利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在第一吸收解吸塔(3)中，进行二氧化碳的吸收过程，吸光材料(2)利用太阳能在第一吸收解吸塔(3)内部产生的上下温度差，驱动塔内的空气自下向上流动，空气从第一吸收解吸塔(3)底端第一进气口(6)送入，空气和吸收剂填料层接触进行吸收传质；被吸收了二氧化碳后的气体经第一气液分离器(11)后直接排入大气中；
(2)在第二吸收解吸塔(25)中，进行二氧化碳的解吸过程，加热层(4)利用太阳能将第二吸收解吸塔(25)加热到指定温度，水蒸气发生装置(22)利用太阳能产生的水蒸气从第二水蒸气进口(26)进入第二吸收解吸塔(25)；水蒸气与吸收了二氧化碳后的吸收剂填料层接触，从吸收剂中解吸的二氧化碳被水蒸气携带从第二吸收解吸塔(25)上端排出；当第一吸收解吸塔(3)中的吸收剂吸收二氧化碳达到饱和时即第一二氧化碳浓度传感器(9)检测到出口气体中二氧化碳的浓度高于规定值时，两个吸收解吸塔的吸收和解吸模式切换，第一吸收解吸塔(3)进行解吸过程，第二吸收解吸塔(25)进行吸收环节；当第二吸收解吸塔(25)中的吸收剂吸收二氧化碳达到饱和时即第二二氧化碳浓度传感器(16)检测到出口气体中二氧化碳的浓度高于规定值时，两个吸收解吸塔的吸收和解吸模式再次切换，如此循环；
(3)从第一吸收解吸塔(3)和第二吸收解吸塔(25)出来的二氧化碳和水蒸气混合气体经反应室(32)的第三进气口(31)进入光催化反应器(29)；电加热器(34)的温控装置控制加热电阻圈对反应室(32)进行加热；在反应室(32)内，二氧化碳和水在太阳光与催化剂(33)的作用下，发生二氧化碳和水的制甲醇反应，产生甲醇和氧气；生成的氧气和部分水蒸气，从第三出气口(40)排出，经第三气液分离器(41)，排入大气或送回反应室(32)继续反应；
(4)当液体浓度传感器(37检测到反应室(32)中液体的甲醇浓度高于规定值时，将液体输向甲醇储存装置(45)，并向反应室(32)补充液体。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述步骤(1)和(2)中第一吸收解吸塔(3)和第二吸收解吸塔(25)中的吸收剂为易再生的N-甲基二乙醇胺MDEA溶液或功能性离子溶液浸渍的活性炭或固体颗粒小球，具体负载材料、溶液配方和浓度依气体中二氧化碳浓度来定。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，所述反应室(32)中的催化剂为Cu/TiO2或Th/TiO2，利用硫酸铜、硝酸铜、氯化铜、硫酸铜或氧化钍以及硅酸钍、硝酸钍或四氯化钍溶液浸渍氧化钛小球，将Cu或Th离子负载在TiO2小球上制备相应负载催化剂。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述步骤(4)中反应室内的液体，主要成分为水，利用碳酸氢钠或酸溶液来调节水溶液的酸碱度。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述第一吸收解吸塔(3)和第二吸收解吸塔(25)采用太阳能驱动空气在塔内流动，并为吸收剂解吸再生提供热能和解吸气提气即水蒸气，所述光催化反应器(29)采用太阳能为光催化反应过程提供热源。
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