CN115445391A

CN115445391A - 海洋碳捕获和储存的装置及方法

Info

Publication number: CN115445391A
Application number: CN202210995833.0A
Authority: CN
Inventors: 徐谢亲; 赵晟; 桂峰; 周倩; 刘竞怡
Original assignee: Zhejiang Ocean University ZJOU
Current assignee: Zhejiang Ocean University ZJOU
Priority date: 2022-08-19
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2022-12-09

Abstract

本发明公开海洋碳捕获和储存的装置及方法，包括集水器，集水器的顶部设置有水分配器，集水器和水分配器组合形成碳捕获装置，燃烧器的输出端通过管道与集水器连接，集水器的底部设置有排放管，水分配器的顶部设置有烟囱，侧壁上设置有进水管，进水管的端部设置有可变流量泵。采用天然工程方法，用天然海水洗涤溶解二氧化碳实现碳捕获；用天然海水碳酸盐中和生成的碳酸氢盐在水体中实现海洋碳储存。可以应用在大型碳排放源密集的沿海区域扩大碳捕集和储存的商业应用规模。

Description

海洋碳捕获和储存的装置及方法

技术领域

本发明属于海洋科学技术领域，涉及碳捕获技术，具体是海洋碳捕获和储存的装置及方法。

背景技术

二氧化碳的捕获和储存（CCS），是减少大气中温室气体的技术解决方案。然而，现存的CCS技术都是昂贵的地质储存策略，从经济负担的方面看，这些策略远离实际应用，难以实现大规模减排。

大量研究表明海洋每年从大气中以约6Gt/y的速率吸收了二氧化碳，且多数流向了深海。研究还表明二氧化碳是自然存在的产物，其对海洋环境的总体影响很小，因为海洋碳储层规模很大（比陆地储层大许多倍）。这些研究的结论说明，海洋碳储存是应对气候变化的最经济和最有前景的策略，也是最安全和最有效的。但是如果继续使用地质储存的高浓度二氧化碳的储存模式，将会导致海洋生物死亡，严重破坏了注入区的生态环境。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种海洋碳捕获和储存的装置及方法的技术方案。

所述的海洋碳捕获和储存的装置，包括集水器，集水器的顶部设置有水分配器，集水器和水分配器组合形成碳捕获装置，燃烧器的输出端通过管道与集水器连接，集水器的底部设置有排放管，水分配器的顶部设置有烟囱，侧壁上设置有进水管，进水管的端部设置有可变流量泵。

进一步的，可变流量泵与动力设备连接，动力设备包括风力驱动装置和水驱动装置，分别通过动力传输装置与可变流量泵连接。

进一步的，可变流量泵上设置有海水入口或者可变流量泵上设置有抽水管，抽水管的端部设置有海水入口，海水入口浸没设置在海水中。

进一步的，燃烧器设置在陆地或设置在船舶中，燃烧器为化石燃料燃烧器。

进一步的，碳捕获装置设置有两组，上下排列设置，上方的集水器与下方的水分配器通过连接管连接。

进一步的，管道设置在下方的集水器的底部，排放管分别从集水器的底部向外延伸，并连接至排放总管中，排放总管的端部设置有排水出口，两组进水管与进水总管连接，进水总管与可变流量泵连接。

海洋碳捕获和储存的方法，包括以下步骤：

（1）将燃烧器排出的含有二氧化碳的烟气持续导入碳捕获装置中；

（2）通过可变流量泵持续往碳捕获装置中导入海水；

（3）在碳捕获装置中设置填料，提高烟气与海水的接触面积，对烟气进行洗涤并吸收烟气中的二氧化碳；

（4）洗涤后的烟气通过烟囱排放至大气中；

（5）吸收了二氧化碳的海水通过排放管持续排入海洋中。排放位置为碳储存位置。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

本发明适用于沿海发电厂，船舶和其他燃烧化石燃料的海洋设施排放的二氧化碳的捕获和储存。采用天然工程方法，用天然海水洗涤溶解二氧化碳实现碳捕获；用天然海水碳酸盐中和生成的碳酸氢盐在水体中实现海洋碳储存；使用风力和水驱动装置，节约能源，出水符合环保规定。提供了使用碳汇和储层的海洋生态***来响应气候变化的经济和绿色的有效手段。可以应用在大型碳排放源密集的沿海区域扩大碳捕集和储存的商业应用规模。在这种情况下，规模效应突出，碳储存效果好。

附图说明

图1为应用于沿海发电厂的装配示意图；

图2为应用于船舱的装配示意图；

图3为海水碳捕获和储存过程的实施步骤示意图;

图4为碳捕获装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，海洋碳捕获和储存的装置，包括集水器22，集水器22的顶部设置有水分配器21，集水器22和水分配器21组合形成碳捕获装置2，燃烧器1的输出端通过管道11与集水器22连接，集水器22的底部设置有排放管7，水分配器21的顶部设置有烟囱6，侧壁上设置有进水管31，进水管31的端部设置有可变流量泵3。碳捕获装置2一般设置在海平面10的上方。

可变流量泵3与动力设备9连接，动力设备9包括风力驱动装置91和水驱动装置92，分别通过动力传输装置93与可变流量泵3连接。可变流量泵3上设置有海水入口4或者可变流量泵上设置有抽水管32，抽水管32的端部设置有海水入口4，海水入口4浸没设置在海水中。

燃烧器1设置在陆地或设置在船舱8中，燃烧器1为化石燃料燃烧器。

实施例1

如图1所示，燃烧器1设置在陆地上，其中，碳捕获装置2包括水分配器21和集水器22，在集水器22中设有填料层23，填料层由工业散装填料或多孔板填料组成，设置有多层。碳捕获装置2的海水出水口 5 与排放管7相连，排放管7的出口位于海洋中。动力设备9包括风力驱动装置91和动力传输装置93，它与海水抽水设备相连，本实施例中采用的是可变流量泵3。将风力驱动装置91提供的动力传输给可变流量泵3。

排放管7 与碳捕获装置2下的集水器22相连。排放管7的出口位于海洋的水体中，以便将含有二氧化碳的洗涤海水排入海洋。风力驱动装置91设置有垂直轴转子，垂直轴转子被用于风力驱动装置中，设计成垂直开启，有利于捕捉风。风力驱动装置91将捕获的风能转化为旋转的机械能，以驱动海水抽水设备直接抽取海水。

实施例2

如图2所示，燃烧器1设置在船舱8中，其中碳捕获装置2设置有两组，上下排列设置，上方的集水器22与下方的水分配器21通过连接管23连接。管道11设置在下方的集水器22的底部，排放管7分别从集水器22的底部向外延伸，并连接至排放总管中，排放总管的端部设置有排水出口5，两组进水管31与进水总管连接，进水总管与可变流量泵3连接。

发动机的烟气在运行的船舶上用海水进行洗涤，不添加任何化学制剂。所排出的洗涤海水与进口海水的pH值之差不大于2个pH单位。因此，洗涤海水可直接排入海洋中。动力设备 9包括水驱动装置92和动力传输装置93，它与海水抽水设备相连，将水驱动装置92提供的动力传输到海水抽水设备上，动力传输装置93是一种机械传输装置。

结合图4，海洋碳捕获和储存的方法，包括以下步骤：

（1）将燃烧化石燃料的燃烧器排出的含有二氧化碳的烟气持续导入碳捕获装置中；

（2）通过可变流量泵持续往碳捕获装置中导入海水；

（4）洗涤后的烟气通过烟囱排放至大气中；

（5）吸收了二氧化碳的海水通过排放管持续排入海洋中。排放位置为碳储存位置。排放时，调节碳捕获产物中海水体积与二氧化碳体积的比例，以调节排放到海洋中的碳捕获产物的pH值。

本发明使用的原理是，二氧化碳是一种可溶于海水的天然物质，在海水中含量丰富，在海洋中可以大量，长期，环境友好地储存二氧化碳。本发明中，从化石燃料中排放的烟气被海水洗涤，通过烟气中的二氧化碳在海水中溶解达到碳捕获的目的，然后将溶解了烟气中二氧化碳的海水排放到海洋中，在pH值等相关指标符合环境规定的条件下，达到碳储存的目的。此外，海流的扩散可以减少碳储存对海洋环境的有害影响，进一步提高海洋碳储存的效果。二氧化碳根据以下的反应溶解在海水中：

碳酸氢根离子是海水中二氧化碳的主要形式。碳酸，碳酸氢根离子和碳酸根离子统称为溶解的无机碳(DIC)。

通常二氧化碳在水中的溶解度非常低，因此，海水洗涤产生低浓度的二氧化碳，即洗涤后的海水含有低浓度的DIC。 "低浓度"应与现有技术相比较来理解，在现有技术中，碳捕获的产物是纯液态二氧化碳，致密气体或固体形式，其中二氧化碳的浓度比本发明中的二氧化碳浓度高几个数量级。

其中化石燃料选自煤，石油和天然气。燃烧器选自沿海发电厂或海洋船舶的蒸汽轮机的锅炉，为内燃机和燃气轮机。烟气由化石燃料燃烧产生。步骤2的海水为从海洋中抽取的直接用于洗涤的海水，或从海洋中抽出的海水首先用于冷却燃烧器，然后再用于洗涤。在步骤5中，连续排出的含有二氧化碳的海水的pH值下降与排出位置的海水的pH值之间的差异不超过2个pH单位，排出含有二氧化碳的海水PH值范围为5.5～6.5之间。该pH值是通过配置引入碳捕获装置的烟气量，洗涤海水量和气液比来实现的。在进气口设置有烟气流量计及进气调节阀，在进水口设置有水流量计及可变流量泵，在排水口设置有PH值监测装置。当PH值偏高时，增大进气口的烟气流量，或者减小进水口的水流量；当PH值偏低时，减小进气口的烟气流量，或者增大进水口的水流量。其目的是为了符合海洋排水的相关法律和技术标准。

“海水”指源于海洋的天然海水，包括用于冷却工业设施的天然海水；“洗涤”指海水与气体接触以捕获二氧化碳；“碳捕获”指在洗涤过程中捕获烟气中的气体二氧化碳；在洗涤过程中，部分二氧化碳溶解在海水中，成为洗涤后海水中的溶解无机碳(DIC)。“碳储存”指在大气压力下通过管道将洗涤后含二氧化碳的海水直接排放到海洋中，在储碳过程中，排放前不需要浓缩的二氧化碳。如果需要，可以通过加入额外的海水来调节排出的海水的pH值以符合环境法规，从而进行二氧化碳的进一步稀释。在海洋的不同区域，包括海洋的不同深度，可能需要对排出的海水的pH值有不同的要求。流动的海水可以提高海洋碳储存的效果。如果碳捕获的产物被排放到没有通过泵送洗涤海水的入口的海流中，可以防止排放的海水回流到入口。

一定量的水可以溶解有限的二氧化碳（通常来说1m³淡水可吸收在室温和大气压下的二氧化碳约0.8m³，相比淡水，海水可以吸收更多的二氧化碳），如果需要捕获大量烟气中的二氧化碳，就需要大量的洗涤海水。通过填料洗涤和风力驱动/水驱动装置可以降低碳捕获的能耗，将CCS技术的总成本降低到实用水平。

本发明可以应用在大型碳排放源密集的沿海区域扩大碳捕集和储存的商业应用规模。在这种情况下，规模效应突出，碳储存效果好。

Claims

1.海洋碳捕获和储存的装置，其特征在于包括集水器（22），集水器（22）的顶部设置有水分配器（21），集水器（22）和水分配器（21）组合形成碳捕获装置（2），燃烧器（1）的输出端通过管道（11）与集水器（22）连接，集水器（22）的底部设置有排放管（7），水分配器（21）的顶部设置有烟囱（6），侧壁上设置有进水管（31），进水管（31）的端部设置有可变流量泵（3）。

2.根据权利要求1所述的海洋碳捕获和储存的装置，其特征在于可变流量泵（3）与动力设备（9）连接，动力设备（9）包括风力驱动装置（91）和水驱动装置（92），分别通过动力传输装置（93）与可变流量泵（3）连接。

3.根据权利要求2所述的海洋碳捕获和储存的装置，其特征在于可变流量泵（3）上设置有海水入口（4）或者可变流量泵上设置有抽水管（32），抽水管（32）的端部设置有海水入口（4），海水入口（4）浸没设置在海水中。

4.根据权利要求1所述的海洋碳捕获和储存的装置，其特征在于燃烧器（1）设置在陆地或设置在船舱（8）中，燃烧器（1）为化石燃料燃烧器。

5.根据权利要求4所述的海洋碳捕获和储存的装置，其特征在于碳捕获装置（2）设置有两组，上下排列设置，上方的集水器（22）与下方的水分配器（21）通过连接管（23）连接。

6.根据权利要求5所述的海洋碳捕获和储存的装置，其特征在于管道（11）设置在下方的集水器（22）的底部，排放管（7）分别从集水器（22）的底部向外延伸，并连接至排放总管中，排放总管的端部设置有排水出口（5），两组进水管（31）与进水总管连接，进水总管与可变流量泵（3）连接。

7.应用权利要求1-6任一所述的海洋碳捕获和储存的方法，其特征在于包括以下步骤：

（2）通过可变流量泵持续往碳捕获装置中导入海水；

（4）洗涤后的烟气通过烟囱排放至大气中；

（5）吸收了二氧化碳的海水通过排放管持续排入海洋中。

8.根据权利要求7所述的海洋碳捕获和储存的方法，其特征在于步骤（5）中排放位置为碳储存位置。

9.根据权利要求7所述的海洋碳捕获和储存的方法，其特征在于步骤（5）排放时，调节碳捕获产物中海水体积与二氧化碳体积的比例，以调节排放到海洋中的碳捕获产物的pH值。