一种热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统，包括：主要由热泵冷凝器和热泵蒸发器组成的热泵子系统和主要由第一吸附床

【技术实现步骤摘要】
一种热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统


[0001]本专利技术涉及直接空气碳捕集
，具体地，涉及一种热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统
。

技术介绍

[0002]随着经济的发展和工业的进步，化石燃料的使用量日益增加，空气中的
CO2浓度随之急剧升高，这对生态环境以及人类健康产生了严重的影响
。
近年来，一种负排放技术
——
直接空气碳捕集
(Direct Air Capture,DAC)
成为研究热点，由于其能从大气环境中直接捕集
CO2、
不受时间空间限制
、
布置灵活
、
土地
/
水资源占用率低等优点而被认为是维系适宜大气环境
、
保障人类身体健康
、
助力我国低碳领域研究和行业发展的必要方案
。
[0003]目前
DAC
技术存在的主要问题是较高的捕集能耗
。
一方面，
DAC
的解吸能耗一般为6～
8GJ/t
甚至更高，远高于烟气捕集2～
4GJ/t
的能耗；另一方面，空气中的
H2O
和
CO2存在竞争吸附问题，在实际应用中，
CO2封存或者工业利用领域对
CO2产品气的浓度往往有较高要求，这也就意味着
H2O
‑
CO2混合产气中
CO2的分离和提纯所需的冷凝能耗较大
>。
因此，开发高效低能耗的高浓度产气
DAC
系统至关重要
。
[0004]热泵是一种能够将低品位热能高效转化为高品位热能的技术
。
将热泵系统冷热端的冷量和热量耦合匹配至上述
DAC
系统的再生能耗与冷凝能耗处，有望为开发低能耗的
DAC
系统提供一种具有前景的解决方案
。
经过检索，专利文献
CN115077130B
公开了一种双热源热泵型空气碳直接捕集系统，其中，高温供热热泵子系统的蒸发器用于回收低品位废热，和空气
CO2连续直接捕集子系统中的吸附床并联连接形成系统的双热源供给，向高温供热热泵子系统中的喷射泵输入两股冷媒流体；经喷射泵流出的冷媒流体进入空气
CO2连续直接捕集子系统中解吸床，用于提供其解吸所需热量
。
该系统通过热泵蒸发器的低品位废热与
DAC
吸附床的吸附热产生高品位热源用于
DAC
的再生过程，有效提高了热泵系统的性能并降低了
DAC
的再生能耗
。
然而，当前技术存在如下问题：
1)
未考虑
DAC
子系统中较大的冷凝能耗；
2)
尽管热泵子系统的性能大幅提升，但其与
DAC
子系统的耦合仅局限于热泵热端，没有充分考虑热泵冷端与
DAC
系统的深入耦合；由于
DAC
中较大冷凝能耗的存在，热泵
‑
DAC
系统整体效益较低；
3)
未充分考虑热泵
‑
DAC
系统的热力循环优化，如
DAC
子系统中解吸床的显热废热利用
、
吸附床处理气出口的潜热回收以及自然冷源的使用等，而这对
DAC
系统的深度能量整合
、
捕集能耗的降低
、
系统总体性能的提升是十分重要且必要的
。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中的问题，本专利技术提供了一种热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统
。
该系统充分利用热泵冷热端的冷量与热量，将其分别应用于产气中
H2O
的冷凝和解吸床的内热解吸过程，提升了热泵子系统的热力学利用效率，有效降低了
DAC
子系统的捕集与分离提纯的综合能耗
。
在此基础上，当利用吸附床处理气出口的潜热冷量或冷却塔冷量为
DAC
子系统提供内冷源时，系统还引入了吸附床与解吸床之间的被动回热与串联回热方
案，有利于延长有效吸附
/
解吸时间并降低解吸能耗输入，极大提高了系统的综合能源利用效率与总体收益
。
[0006]一种热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统，包括：主要由热泵冷凝器和热泵蒸发器组成的热泵子系统和主要由第一吸附床
、
第二吸附床以及用于冷凝产气的第一冷凝器组成的
DAC
子系统；
[0007]所述热泵冷凝器通过带有第九切换阀的进液管路和带有第十切换阀的回液管路分别与第一吸附床
、
第二吸附床的换热通道相连构成内热源循环管路；
[0008]所述热泵蒸发器通过管路与第一冷凝器的介质管路相连构成冷凝循环管路
。
[0009]所述换热通道可以为设置在第一吸附床
、
第二吸附床上的加热盘管
。
本专利技术通过换热通道对第一吸附床
、
第二吸附床提供解吸热量或者吸附所用内冷源；通过冷凝循环管路对产气提供冷凝冷量
。
[0010]作为一种实施方式，所述内热源循环管路中还包括热水箱和热水泵，所述热水箱和热水泵设置在热泵冷凝器出口与第九切换阀之间的进液管路上
。
热水箱用于热水的稳态控制，热水泵用于提供循环动力
。
热泵冷凝器产生的热水依次经过热水箱
、
热水泵
、
进液管路进入处于解吸状态的吸附床中，放热后，经过回液管路循环回流至热泵冷凝器中再被加热
。
[0011]作为一种实施方式，所述冷凝循环管路中还包括冷水箱和冷水泵，所述冷水箱
、
冷水泵设置在热泵蒸发器出口与第一冷凝器介质管路入口之间的管路上
。
冷水箱和冷水泵与热水箱和热水泵功能相似
。
热泵蒸发器产生的冷水介质依次经过冷水箱
、
冷水泵
、
进液管路，最终进入第一冷凝器的介质管路中，吸热后，经过回液管路循环回流至热泵蒸发器中实现降温
。
[0012]作为一种优选，所述第九切换阀和第十切换阀为三通切换阀
。
在第一吸附床
/
第二吸附床处于解吸状态时，第九切换阀和第十切换阀对应的通路导通，分别使热泵冷凝器与处于解吸状态下的第一吸附床
/
第二吸附床连接，提供解吸所需热量
。
[0013]实际连接时，所述第一吸附床
、
第二吸附床进风口通过带有切换阀的管路与第一空气进口管连接，实现进风；所述第一吸附床
、
第二吸附床的出风口分别通过带有切换阀的支路与处理气出口管...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统，其特征在于，包括：主要由热泵冷凝器和热泵蒸发器组成的热泵子系统和主要由第一吸附床
、
第二吸附床以及用于冷凝产气的第一冷凝器组成的
DAC
子系统；所述热泵冷凝器通过带有第九切换阀的进液管路和带有第十切换阀的回液管路分别与第一吸附床
、
第二吸附床的换热通道相连构成内热源循环管路；所述热泵蒸发器通过管路与第一冷凝器的介质管路相连构成冷凝循环管路
。2.
根据权利要求1所述的热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统，其特征在于，还包括冷却塔；所述冷却塔通过带有第十一切换阀的进液管路和带有第十二切换阀的回液管路分别与第一吸附床
、
第二吸附床的所述换热通道相连构成内冷源循环管路，用于提供
DAC
子系统吸附过程中所用内冷源
。3.
根据权利要求2所述的热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统，其特征在于，所述热泵冷凝器出口与第九切换阀之间的内热源循环管路上设有第十四切换阀；所述热泵冷凝器回流口与第十切换阀之间的内热源循环管路上设有第十五切换阀；所述第十四切换阀
、
第十五切换阀为三通切换阀，其中第十四切换阀的第三端口与所述热泵冷凝器回流口和第十五切换阀之间的内热源循环管路相连，第十五切换阀的第三端口与所述第十四切换阀和第九切换阀之间的内热源循环管路相连
。4.
根据权利要求1所述的热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统，其特征在于，还包括冷却塔；所述
DAC
子系统中还设有与所述第一冷凝器串联用于初步冷凝产气的所述第二冷凝器；该冷却塔通过管路与第二冷凝器的介质管路相连构成初步冷凝循环管路；所述第二冷凝器的冷凝管路入口与
DAC
子系统的解吸气管路相连，出口与所述第一冷凝器的冷凝管路相连
。5.
根据权利要求4所述的热泵驱动的回热型直接空气碳捕集系统，其特征在于，还包括蒸发冷却器；所述蒸发冷却器分别通过带有第十一切换阀的进液管路和带有第十二切换阀的回液管路与所述第一吸附...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛天舒，徐静，赵俊德，潘权稳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：