一种以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和储存利用系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和储存利用系统与方法，新鲜沼液经过储存、过滤和浓缩后与外源添加剂及回流的贫碳沼液混合形成混合沼液，沼气、垃圾填埋气、生物质热解气或烟气等富CO2气体中的CO2被混合沼液吸收形成富碳沼液。沼液需求量较大时，大部分富碳沼液进入富碳沼液混合储存设备，稀释后直接用于农林生态应用，将携带的CO2储存在作物或植物机体和土壤及含水层中。沼液需求量较小时，大部分富碳沼液进入CO2再生设备中，经过升温和空气吹扫辅助再生，形成贫碳沼液，贫碳沼液进入沼液混合设备中进行循环利用，从而降低CO2分离成本和CO2的再生能耗，并实现CO2的大规模利用和储存。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到CO2吸收和储存利用
，具体涉及一种以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和储存利用系统和方法。
技术介绍
基于气液化学反应原理的沼气、垃圾填埋气、生物质热解气和燃煤烟气等低压富CO2气体中CO2的化学吸收技术是上述领域的主流CO2分离技术之一，其具有技术成熟、商业应用广、对气体适应性广、操作简单和CO2分离效率高、目标气纯度高(如在沼气和垃圾填埋气的CO2中，CH4为目标产品)等优点，是近期可以大规模推广应用的技术。但传统化学吸收技术也存在CO2分离成本过高等关键瓶颈亟待解决。CO2分离成本高主要归因于化学吸收工艺系统运行能耗高，尤其是吸收剂富CO2溶液再生热耗巨大。针对化学吸收法CO2分离成本高、尤其是吸收剂富CO2溶液再生能耗高的难题，目前的应对模式主要有二种：(1)在传统CO2化学吸收法工艺基础上，利用新型高效低能耗CO2吸收剂或对CO2吸收与再生过程进行优化或创新来降低CO2分离过程中的热再生能耗。在新型吸收剂方面，如采用氨水、N-甲基二乙醇胺和哌嗪混合吸收剂等新型吸收剂替代传统乙醇胺(MEA)吸收剂而进行应用，从而期望获得高CO2吸收速率和低再生能耗的双重优势。在CO2吸收过程优化方面，如采用吸收塔内冷(inter-cooling)技术来控制吸收剂溶液在CO2吸收过程中温升，通过提高吸收剂的CO2吸收能力来达到降低吸收剂流量、进而降低再生能耗的目的。在CO2再生过程优化方面，如采用新型的膜减压再生工艺替代传统塔再生过程，将高比表面积的膜材料技术与减压再生技术有机结合，从而达到降低再生温度和利用低品位热能的目的。但此种模式依然立足于传统CO2化学吸收工艺，保留了高耗能的富CO2吸收剂溶液的热再生过程，即使采用新吸收剂，其再生过程也依然受制于反应动力学和热力学等方面的限制，再生能耗降幅有限，很难达到大幅度降低再生能耗的目标。同时，吸收或再生过程的优化可能会增加工艺系统的复杂性，从而增加系统的操作难度，而且还会增加系统的总体投资。(2)吸收剂不循环利用的CO2吸收、利用和储存一体化模式。此种模式摈弃了传统化学吸收法中能耗最高的富CO2溶液的再生过程，对吸收剂不循环使用，而是直接将CO2吸收与高附加值产品生产一体化，将CO2转换成有较高附加值的化工产品。此种模式舍弃了CO2的再生过程，因而无需消耗高温再生蒸汽，系统能耗大幅降低，可有效降低CO2分离成本，同时获得的高附加值产品的销售也可以补贴CO2分离成本。此种模式下，最典型的是以氨水为吸收剂吸收CO2生成碳酸氢铵工艺。但是此工艺依赖氨水等化学吸收剂，需要大量利用氨水等商业化工产品，大规模应用将可能会导致化工产品的严重供不应求，同时碳酸氢铵等肥料的需求量也有限。因此，此种模式的应用规模有限，只能在小范围内使用。总体而言，针对传统CO2化学吸收法工艺存在的关键问题，吸收剂不循环利用的CO2吸收、利用和储存一体化模式具有低CO2分离成本优势，非常值得关注，但其需要解决的关键问题在于开发新型的低成本和可再生的CO2吸收剂来替代传统的商业化工吸收剂进行应用，同时也需拓展富CO2吸收剂的应用范围，从而达到大规模、低成本的CO2利用与储存。而在CO2储存方面，除了地质和海洋等储存方式外，土壤和植物固碳也应值得关注。土壤作为最大的碳源和碳汇地，如果能将分离的CO2有效储存在土壤中，将会有效拓展CO2的储存渠道，实现CO2的大规模储存。同样，如果能将CO2有效储存在植物机体中，也将会大幅扩展CO2的应用途径，降低CO2储存利用的风险性。因此，需要开发一种以“低成本、低毒性和可再生”吸收剂为载体的CO2吸收和储存利用一体化工艺系统和方法，以达到降低CO2分离成本和CO2的再生能耗的目的，并且其能通过可再生吸收剂将CO2进行吸收后，将分离出的CO2转移到土壤和植物机体中，从而实现CO2的大规模利用和储存。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和储存利用系统和方法，该系统和方法能显著降低CO2分离成本和CO2的再生能耗，同时拓展CO2的储存利用方向。为实现此目的，本专利技术所设计的一种以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和储存利用系统，包括三通管路阀门、富碳沼液输送泵、富碳沼液混合储存设备、再生富碳沼液输送泵、贫富换热器、富碳沼液CO2再生设备、通过管道依次连通的新鲜沼液储存设备、沼液过滤设备、沼液浓缩设备、沼液混合设备、加热器、CO2吸收设备；所述三通管路阀门的第一端口连接CO2吸收设备的混合液输出口，三通管路阀门的第二端口通过富碳沼液输送泵连接富碳沼液混合储存设备的富碳沼液进液口，富碳沼液混合储存设备的稀相输入口连接沼液浓缩设备的稀相排液口；所述三通管路阀门的第三端口通过再生富碳沼液输送泵连接贫富换热器的低温流体入口，贫富换热器的低温流体出口与富碳沼液CO2再生设备的再生富碳沼液进液口通过管道相连；富碳沼液CO2再生设备的贫碳沼液排液口与贫富换热器的高温流体入口通过管道相连，贫富换热器的高温流体出口通过贫碳沼液输送泵连通所述沼液混合设备的贫碳沼液输入口；所述三通管路阀门的第二端口和富碳沼液输送泵之间的管路上设有流量计；所述沼液混合设备的贫碳沼液输入口和贫碳沼液输送泵之间的管路上设有流量计和浓度传感器；所述沼液混合设备具有外源添加剂进液口；所述CO2吸收设备具有富CO2气体进气口和混合液输入口，所述富CO2气体进气口位于CO2吸收设备的下部，混合液输入口位于CO2吸收设备的上部，所述沼液混合设备通过加热器连接CO2吸收设备的混合液输入口；所述富碳沼液混合储存设备具有富碳沼液排液口；所述富碳沼液CO2再生设备的底部具有空气进气口，所述富碳沼液CO2再生设备的顶部具有再生气排气口。上述技术方案中，所述富碳沼液CO2再生设备内设有加热元件，所述富碳沼液CO2再生设备的空气进气口通过加热器与空气泵相连，所述富碳沼液CO2再生设备的再生气排气口与冷凝装置通过管道相连；所述沼液过滤设备和沼液浓缩设备之间的管路上设有液体流量控制器和流量计；所述沼液浓缩设备的稀相排液口和富碳沼液混合储存设备的稀相输入口之间的管路上设有流量计；所述沼液浓缩设备内设有卷式纳滤膜；所述沼液过滤设备具有滤渣排出口；所述CO2吸收设备具有净化气排气口。上述技术方案中，所述新鲜沼液储存设备和沼液过滤设备之间通过沼液输送泵连通，沼液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和储存利用系统，其特征在于：包括三通管路阀门(21)、富碳沼液输送泵(7)、富碳沼液混合储存设备(8)、再生富碳沼液输送泵(9)、贫富换热器(10)、富碳沼液CO2再生设备(11)、通过管道依次连通的新鲜沼液储存设备(1)、沼液过滤设备(2)、沼液浓缩设备(3)、沼液混合设备(4)、加热器(5)、CO2吸收设备(6)；所述三通管路阀门(21)的第一端口(21.1)连接CO2吸收设备(6)的混合液输出口(6.4)，三通管路阀门(21)的第二端口(21.2)通过富碳沼液输送泵(7)连接富碳沼液混合储存设备(8)的富碳沼液进液口(8.3)，富碳沼液混合储存设备(8)的稀相输入口(8.2)连接沼液浓缩设备(3)的稀相排液口(3.1)；所述三通管路阀门(21)的第三端口(21.3)通过再生富碳沼液输送泵(9)连接贫富换热器(10)的低温流体入口(10.1)，贫富换热器(10)的低温流体出口(10.2)与富碳沼液CO2再生设备(11)的再生富碳沼液进液口(11.1)通过管道相连；富碳沼液CO2再生设备(11)的贫碳沼液排液口(11.2)与贫富换热器(10)的高温流体入口(10.3)通过管道相连，贫富换热器(10)的高温流体出口(10.4)通过贫碳沼液输送泵(13)连通所述沼液混合设备(4)的贫碳沼液输入口(4.2)；所述三通管路阀门(21)的第二端口(21.2)和富碳沼液输送泵(7)之间的管路上设有流量计(14)；所述沼液混合设备(4)的贫碳沼液输入口(4.2)和贫碳沼液输送泵(13)之间的管路上设有流量计(14)和浓度传感器(16)；所述沼液混合设备(4)具有外源添加剂进液口(4.1)；所述CO2吸收设备(6)具有富CO2气体进气口(6.1)和混合液输入口(6.3)，所述富CO2气体进气口(6.1)位于CO2吸收设备(6)的下部，混合液输入口(6.3)位于CO2吸收设备(6)的上部，所述沼液混合设备(4)通过加热器(5)连接CO2吸收设备(6)的混合液输入口(6.3)；所述富碳沼液混合储存设备(8)具有富碳沼液排液口(8.1)；所述富碳沼液CO2再生设备(11)的底部具有空气进气口(11.3)，所述富碳沼液CO2再生设备(11)的顶部具有再生气排气口(11.4)。...

【技术特征摘要】
1.一种以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和储存利用系统，其特
征在于：包括三通管路阀门(21)、富碳沼液输送泵(7)、富碳沼液
混合储存设备(8)、再生富碳沼液输送泵(9)、贫富换热器(10)、
富碳沼液CO2再生设备(11)、通过管道依次连通的新鲜沼液储存设
备(1)、沼液过滤设备(2)、沼液浓缩设备(3)、沼液混合设备(4)、
加热器(5)、CO2吸收设备(6)；所述三通管路阀门(21)的第一端
口(21.1)连接CO2吸收设备(6)的混合液输出口(6.4)，三通管路
阀门(21)的第二端口(21.2)通过富碳沼液输送泵(7)连接富碳
沼液混合储存设备(8)的富碳沼液进液口(8.3)，富碳沼液混合储
存设备(8)的稀相输入口(8.2)连接沼液浓缩设备(3)的稀相排
液口(3.1)；所述三通管路阀门(21)的第三端口(21.3)通过再生
富碳沼液输送泵(9)连接贫富换热器(10)的低温流体入口(10.1)，
贫富换热器(10)的低温流体出口(10.2)与富碳沼液CO2再生设备
(11)的再生富碳沼液进液口(11.1)通过管道相连；富碳沼液CO2再生设备(11)的贫碳沼液排液口(11.2)与贫富换热器(10)的高
温流体入口(10.3)通过管道相连，贫富换热器(10)的高温流体出
口(10.4)通过贫碳沼液输送泵(13)连通所述沼液混合设备(4)
的贫碳沼液输入口(4.2)；所述三通管路阀门(21)的第二端口(21.2)
和富碳沼液输送泵(7)之间的管路上设有流量计(14)；所述沼液混
合设备(4)的贫碳沼液输入口(4.2)和贫碳沼液输送泵(13)之间
的管路上设有流量计(14)和浓度传感器(16)；所述沼液混合设备

\t(4)具有外源添加剂进液口(4.1)；所述CO2吸收设备(6)具有富
CO2气体进气口(6.1)和混合液输入口(6.3)，所述富CO2气体进气
口(6.1)位于CO2吸收设备(6)的下部，混合液输入口(6.3)位于
CO2吸收设备(6)的上部，所述沼液混合设备(4)通过加热器(5)
连接CO2吸收设备(6)的混合液输入口(6.3)；所述富碳沼液混合
储存设备(8)具有富碳沼液排液口(8.1)；所述富碳沼液CO2再生
设备(11)的底部具有空气进气口(11.3)，所述富碳沼液CO2再生
设备(11)的顶部具有再生气排气口(11.4)。
2.根据权利要求1所述的一种以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收
和储存利用系统，其特征在于：所述富碳沼液CO2再生设备(11)内
底部设有加热元件(18)，所述富碳沼液CO2再生设备(11)的空气
进气口(11.3)通过加热器(5)与空气泵(12)相连，所述富碳沼
液CO2再生设备(11)的再生气排气口(11.4)与冷凝装置(19)通
过管道相连；所述沼液过滤设备(2)和沼液浓缩设备(3)之间的管
路上设有液体流量控制器(17)和流量计(14)；所述沼液浓缩设备
(3)的稀相排液口(3.1)和富碳沼液混合储存设备(8)的稀相输
入口(8.2)之间的管路上设有流量计(14)；所述沼液浓缩设备(3)
内设有卷式纳滤膜；所述沼液过滤设备(2)具有滤渣排出口(2.1)；
所述CO2吸收设备(6)具有净化气排气口(6.2)。
3.根据权利要求2所述的一种以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收
和储存利用系统，其特征在于：所述新鲜沼液储存设备(1)和沼液
过滤设备(2)之间通过沼液输送泵(20)连通，沼液过滤设备(2)

\t和沼液浓缩设备(3)之间通过沼液输送泵(20)连通，沼液浓缩设
备(3)和沼液混合设备(4)之间通过沼液输送泵(20)连通；所述
新鲜沼液储存设备(1)和沼液过滤设备(2)之间的管路上设有流量
计(14)和温度传感器(15)；所述沼液过滤设备(2)和沼液浓缩设
备(3)之间的管路上设有温度传感器(15)；所述沼液浓缩设备(3)
和沼液混合设备(4)之间的管路上设有流量计(14)和温度传感器
(15)；所述三通管路阀门(21)的第一端口(21.1)和CO2吸收设
备(6)的混合液输出口(6.4)之间的管路上设有流量计(14)和温
度传感器(15)；所述贫富换热器(10)高温流体入口(10.3)和富
碳沼液CO2再生设备(11)的贫碳沼液排液口(11.2)之间的管路上
设有流量计(14)和温度传感器(15)；所述沼液混合设备(4)和
CO2吸收设备(6)之间的管路上设有浓度传感器(16)；所述贫富换
热器(10)低温流体出口(10.2)和富碳沼液CO2再生设备(11)的
再生富碳沼液进液口(11.1)之间的管路上设有流量计(14)。
4.一种利用权利要求3所述以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和
储存利用系统的以厌氧发酵沼液为载体的CO2吸收和储存利用的方
法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1：将新鲜沼液储存在新鲜沼液储存设备(1)中，密闭静
置储存形成沼液上清液；
步骤2：步骤1中所述沼液上清液从新鲜沼液储存设备(1)中
引出而进入沼液过滤设备(2)中依次进行粗滤和精滤，逐步脱除沼
液中直径大于5μm的悬浮颗粒物，悬浮颗粒物通过滤渣排出口(2.1)

\t排出，精滤后的滤液进...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏水平，蔡凯，贺清尧，曹敏慧，王文超，王媛媛，艾平，吴兰兰，张衍林，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42