用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统及方法

1.本发明属于直接空气捕碳技术领域，涉及一种用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统及方法。

背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.直接空气捕碳(dac)技术是碳达峰、碳中和背景下新兴的一种负碳技术。与传统的固定源co2捕集、利用和存储(ccus)技术相比，dac技术可以捕获来自于交通运输、家庭取暖以及工业建筑等较为分散的排放源释放到大气环境中的co2，并且dac装置不受空间位置的限制，可以根据应用场景的需要放置于任何地点。因此，dac技术在灵活性上具有不可取代的优势。
4.直接空气捕碳技术按照吸收剂种类可以分为液体吸收法和固体吸附法。液体吸收法采用碱溶液作为co2吸收剂，再生温度高达888℃，造成了极大地能量损耗。而固体吸附法通常采用多孔材料作为固体吸附剂，再生温度低于188℃，与液体吸收法相比能耗显著降低。然而，吸附剂再生加热的能量供给来自于化石燃料燃烧产生的电能，dac系统中的风机等电力设备也需要化石燃料供能，这个过程中额外产生的co2不利于dac技术的长足发展。太阳能、风能等清洁能源发电技术的使用不仅有助于dac技术真正实现零碳、负碳，也将促进能源结构由化石能源向可再生能源转变。专利cn 114515496 a公开了一种可再生能源耦合驱动捕集空气中co2的系统和方法，该方法利用太阳能、风能等可再生能源为系统中的耗电设备提供驱动力，但该系统采用相变吸收剂作为co2吸收剂，需要额外的固液分离设备，工艺流程较为复杂，装置占地面积较大。专利cn 114584924 a公开了一种模块式直接空气二氧化碳捕集装置及过程强化方法，该装置采用多吸附回程的方式通过固体吸附剂进行co2富集，装置紧凑、吸附效果好。然而，对于直接空气捕碳来说，其目的是降低空气中的co2浓度，若将co2从浓度极低的空气中富集至更高纯度，势必要增加能耗和经济成本。
5.另一方面，随着全国粮食需求的日益增长，温室大棚的使用量不断攀升。研究表明，1％浓度的co2有助于植物的光合作用。目前温室大棚增加co2浓度的方式有燃烧法、化学法、有机肥发酵法、固态干冰法以及高压液体气瓶法等。然而，上述方式由于反应不可控、产生有害气体、成本高等原因无法大规模普及，亟需开发新型农业温室co2气肥技术。

技术实现要素：

6.本发明为了解决上述问题，提出了一种用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统及方法。本发明利用风能、太阳能互补发电，能够实现从空气中捕集co2，而不额外产生co2，在降低空气中co2浓度的同时，实现co2的就地利用；本发明连续不间断的生产1％～2％浓度的co2产品，满足温室大棚的co2气肥供给需求，使直接空气捕碳技术的能耗和成本进一步降低。
7.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
8.一种用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统，包括风光电互补供电装置、co2吸附-热再生反应器、co2储气罐、温室co2布风装置和管路阀门，其中：
9.所述风光电互补供电装置，包括光伏太阳能板、风力发电机以及电池，用于为系统其他用电设备提供电力；
10.所述co2吸附-热再生反应器的内部设置有加热组件，顶部设有空气入口、吹扫气体入口，底部设有净化空气出口和再生气体出口；
11.所述co2储气罐的入口与co2吸附-热再生反应器的再生气体出口连接；
12.所述温室co2布风装置位于需要增加co2浓度的装置的顶部，包括若干连通的气体管道和设置在所述管道上的若干气体喷头，所述气体管道的入口与co2吸附-热再生反应器的再生气体出口和co2储气罐的气体出口连接；
13.各管道或/和入/出口处设置有独立的管路阀门。
14.作为可选择的实施方式，所述风光电互补供电装置中的光伏太阳能板和风力发电机均和储能电池连接，所述电池在光伏太阳能板和风力发电机无法提供即时电力时为所有用电设备供电。
15.作为可选择的实施方式，所述co2吸附-热再生反应器为间歇式双层固定床反应器，其上部和下部分别放置co2吸附剂，其中间为加热丝。通过空气入口的入口处、吹扫气体入口的入口处的阀门切换以及加热丝的温度控制，从而实现co2吸附和加热再生功能转换。
16.作为可选择的实施方式，所述co2吸附-热再生反应器的空气入口与风机相连接，吹扫气体入口与预热器出口相连接。
17.作为可选择的实施方式，所述co2吸附-热再生反应器至少为两台，且各co2吸附-热再生反应器并联。
18.作为可选择的实施方式，所述温室co2布风装置的各气体管道呈矩阵均匀排列，且各气体喷头呈矩阵均匀排列。以保证布风的均匀性。
19.一种温室大棚，包括上述系统，且所述温室co2布风装置设置于温室大棚内。
20.上述系统的工作方法，包括以下步骤：
21.光伏太阳能板接收太阳能并将其转化为电力，风力发电机接收风能并将其转化为电力，为所有用电设备供电，并将多余的电力储存在电池中，当光伏太阳能板和风力发电机均无法工作时，电池为所有用电设备供电。
22.将环境中的空气鼓入co2吸附-热再生反应器，空气与co2吸附-热再生反应器中的co2吸附剂接触后将co2捕集下来，净化空气从反应器的净化空气出口处直接排放至大气；
23.加热组件将温度加热至指定温度并保持此温度一段时间，co2吸附剂中吸附的co2在加热作用下脱附出来，吸附剂实现再生；将吹扫空气加热到设定温度后送入co2吸附-热再生反应器内，将co2吸附剂脱附的co2浓度稀释至设定浓度，co2随着吹扫空气气流被带出反应器；
24.设定浓度的co2由反应器下方的再生气体出口管道进入的co2布风装置，由气体喷头排出，连续供给co2，多余的co2存储至co2储气罐中。
25.作为可选择的实施方式，co2捕集过程中，空气中的co2浓度为358～558ppm。
26.作为可选择的实施方式，所述吸附剂是以固体多孔材料为载体，通过负载有机胺
制备而成的固态胺吸附剂。可选地，所述固体多孔材料为沸石、硅基多孔材料、炭基多孔材料、γ-al2o3、mof材料或者树脂材料中的一种。可选地，所述有机胺为聚乙烯亚胺(pei)或者四乙烯五胺(tepa)。所述固态胺吸附剂由物理浸渍法制备所得。
27.作为可选择的实施方式，控制所述加热组件的指定温度和保持时间，以能够完全脱除吸附剂捕集的co2，并且吸附剂在该温度下保持稳定。
28.作为可选择的实施方式，co2捕集以及吸附剂再生的步骤在同一co2吸附-热再生反应器内交替进行；在不同反应器内，co2捕集和吸附剂再生交错进行。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
30.(1)本发明通过太阳能和风能为系统供电，充分利用自然界的可再生能源，避免了传统化石能源发电带来的二次污染问题，同时风光电能够互补为系统中的所有用电设备供电，实现了系统连续不间断的运行。
31.(2)本发明通过多台co2吸附-热再生反应器间歇交替操作，实现了空气中co2的连续捕集和co2产品的连续供应，co2捕集效率高、能耗低，能够根据需求灵活调节系统规模。
32.(3)本发明可以应用于温室大棚内，不仅实现了空气降碳，还实现了co2产品的就地利用，提高了大棚作物产量，增加了作物碳汇，使空气捕碳技术的能耗和成本进一步降低。
33.(4)本发明还可以应用至其他需要co2的场合或装置内，具有广泛的应用前景。
附图说明
34.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
35.图1为本发明的用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统及方法示意图。
36.上述附图中标记分别代表：1-光伏太阳能板；2-风力发电机；3-风机；4-预热器；5-空气入口；6-吹扫气体入口；7-加热组件；8-净化空气出口；9-再生气体出口；18-co2储气罐；11-co2布风装置。
具体实施方式
37.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.实施例一
41.如图1所示，本发明提供用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统，包括风光电互补供电装置、co2吸附-热再生反应器、co2储气罐、温室co2布风装置和管路阀门。
42.所述风光电互补供电装置由光伏太阳能板1、风力发电机2以及电池组成，用于为系统中的风机3、预热器4和加热组件7等用电设备提供电力；所述co2吸附-热再生反应器的顶部设有空气入口5、吹扫气体入口6；所述co2吸附-热再生反应器的底部设有净化空气出口8和再生气体出口9；所述co2储气罐的入口与再生气体出口9连接；所述温室co2布风装置11位于温室大棚顶部，由气体管道和气体喷头组成，气体管道的入口与co2吸附-热再生反应器的再生气体出口9和co2储气罐的气体出口连接；所述空气入口5的入口处、吹扫气体入口6的入口处、净化空气出口8的出口处、再生气体出口9的出口处、co2储气罐入口的入口处、co2储气罐出口的出口处、co2布风装置的气体管道入口的入口处均设有管路阀门。
43.进一步的，所述co2吸附-热再生反应器为间歇式双层固定床反应器，其上部和下部分别放置co2吸附剂，其中间为加热组件7。通过空气入口5的入口处、吹扫气体入口6的入口处的阀门切换以及加热组件7的温度控制，从而实现co2吸附和加热再生功能转换。具体为：吸附阶段，打开空气入口5的阀门和净化空气出口8的阀门，关闭吹扫气体入口6的阀门和再生气体出口9的阀门，吸附完毕后进入加热再生阶段；关闭空气入口5的阀门和净化气体出口8的阀门，打开吹扫气体入口6的阀门和再生气体出口9的阀门，加热组件7升温至指定温度，使吸附剂中的co2脱附出来并随吹扫气体排出反应器，实现吸附剂的再生。
44.进一步的，所述吹扫气体入口6与预热器4出口相连接。所述空气入口5与风机3相连接；预热器4入口与风机3相连接，用于加热空气以得到吹扫气体。
45.可以理解的是，在所述实施例一的基础上，还可衍生出包括但不限于以下的技术方案，以解决不同的技术问题，实现不同的发明目的，具体示例如下：
46.实施例二
47.在部分实施例中，co2吸附-热再生反应器为三台，三台co2吸附-热再生反应器的空气入口5均与风机3相连接；三台co2吸附-热再生反应器的吹扫气体入口6均与预热器4出口相连接；三台co2吸附-热再生反应器的再生气体出口9均与co2储气罐入口和温室co2布风装置11气体管道入口相连接。通过这些co2吸附-热再生反应器的入口、出口处阀门的切换还可以实现co2吸附-热再生反应器的吸附-再生的间歇操作和并联操作。具体为：打开第一台和第二台反应器空气入口5的阀门和净化空气出口8的阀门，关闭吹扫气体入口6的阀门和再生气体出口9的阀门，使其处于吸附阶段，吸附完毕后进入加热再生阶段；同时，关闭第三台反应器空气入口5的阀门和净化气体出口8的阀门，打开吹扫气体入口6的阀门和再生气体出口9的阀门，加热丝7升温至指定温度，使其处于加热再生阶段，再生阶段完成后进入吸附阶段。
48.上述步骤的同时，在同一反应器内，吸附阶段和脱附阶段交替进行。
49.实施例三
50.一种用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳方法，采用上述实施例中的系统进行，包括如下步骤：
51.(1)风光电互补发电：光伏太阳能板接收太阳能并将其转化为电力，风力发电机接收风能并将其转化为电力。二者同时工作，为所有用电设备供电，多余的电力储存在电池中。
52.当天气状况适宜时，二者同时工作，为所有用电设备供电，多余的电力储存在电池中；当有太阳无风时，光伏太阳能板为所有用电设备供电，若供电量不足，则电池与光伏太
阳能板同时供电；当有风无太阳时，风力发电机为所有用电设备供电，若供电量不足，则电池与风力发电机同时供电；当光伏太阳能板和风力发电机均无法工作时，电池为所有用电设备供电。具有较高的灵活性，可以长时间提供电能。
53.(2)空气co2捕集：风机在电力驱动下将co2浓度为488ppm的空气鼓入co2吸附-热再生反应器的空气入口管道，空气与co2吸附-热再生反应器中的co2吸附剂接触后将co2捕集下来，吸附过程保持38min，净化空气中co2浓度为28ppm，从反应器的净化空气出口处直接排放至大气。
54.(3)吸附剂热再生：co2捕集完成后，加热组件将温度以5℃/min的加热速率加热至88℃并保持此温度15min，co2吸附剂中吸附的co2在加热作用下脱附出来，吸附剂实现再生；吹扫空气由风机鼓入预热器，吹扫空气被加热至68℃后进入co2吸附-热再生反应器内，将co2吸附剂脱附的co2浓度稀释至1％，co2随着吹扫空气气流被带出反应器。
55.(4)co2存储和利用：1％浓度的co2由反应器下方的再生气体出口管道进入温室大棚的co2布风装置，由气体喷头排出，为温室大棚内的农作物连续供给co2气肥，多余的co2存储至co2储气罐中。
56.存储在co2储气罐中的气体可以运输至其余地点进行利用，也可以为温室大棚补充供给co2。具有较高的灵活性和冗余性。
57.上述步骤(2)和步骤(3)在同一台反应器内交替进行。
58.在2台或2台以上的不同反应器内，步骤(2)和步骤(3)交错进行，这样可以保证温室大棚co2气肥的连续供应。
59.上述步骤(2)中吸附剂是以x-5大孔吸附树脂为载体，通过物理浸渍法负载四乙烯五胺(tepa)制备得到的，负载量为38wt％，粒径为48-68目。吸附剂制备步骤如下：将tepa溶解在无水甲醇中，在48℃下搅拌38min后加入市场采购的x-5大孔吸附树脂，继续搅拌8h。搅拌完成后，将混合物在68℃真空干燥过夜，得到tepa/x-5树脂吸附剂。
60.上述各实施例中所提到的数值，仅为示例性数值，在其他实施例中，可以根据具体环境、应用对象要求或者其他因素进行调整。并不仅限于上述示例。
61.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：

1.一种用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统，其特征是，包括风光电互补供电装置、co2吸附-热再生反应器、co2储气罐、温室co2布风装置和管路阀门，其中：所述风光电互补供电装置，包括光伏太阳能板、风力发电机以及电池，用于为系统其他用电设备提供电力；所述co2吸附-热再生反应器的内部设置有加热组件，顶部设有空气入口、吹扫气体入口，底部设有净化空气出口和再生气体出口；所述co2储气罐的入口与co2吸附-热再生反应器的再生气体出口连接；所述温室co2布风装置位于需要增加co2浓度的装置的顶部，包括若干连通的气体管道和设置在所述管道上的若干气体喷头，所述气体管道的入口与co2吸附-热再生反应器的再生气体出口和co2储气罐的气体出口连接；各管道或/和入/出口处设置有独立的管路阀门。2.如权利要求1所述的一种用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统，其特征是，所述风光电互补供电装置中的光伏太阳能板和风力发电机均和储能电池连接，所述电池在光伏太阳能板和风力发电机无法提供即时电力时为所有用电设备供电。3.如权利要求1所述的一种用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统，其特征是，所述co2吸附-热再生反应器为间歇式双层固定床反应器，其上部和下部分别放置co2吸附剂，其中间为加热丝；或，所述co2吸附-热再生反应器的空气入口与风机相连接，吹扫气体入口与预热器出口相连接；或，所述co2吸附-热再生反应器至少为两台，且各co2吸附-热再生反应器并联。4.如权利要求1所述的一种用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统，其特征是，所述温室co2布风装置的各气体管道呈矩阵均匀排列，且各气体喷头呈矩阵均匀排列。以保证布风的均匀性。5.一种温室大棚，其特征是，包括权利要求1-4中任一项所述的系统，且所述温室co2布风装置设置于温室大棚内。6.权利要求1-4中任一项所述系统的工作方法，其特征是，包括以下步骤：光伏太阳能板接收太阳能并将其转化为电力，风力发电机接收风能并将其转化为电力，为所有用电设备供电，并将多余的电力储存在电池中，当光伏太阳能板和风力发电机均无法工作时，电池为所有用电设备供电。将环境中的空气鼓入co2吸附-热再生反应器，空气与co2吸附-热再生反应器中的co2吸附剂接触后将co2捕集下来，净化空气从反应器的净化空气出口处直接排放至大气；加热组件将温度加热至指定温度并保持此温度一段时间，co2吸附剂中吸附的co2在加热作用下脱附出来，吸附剂实现再生；将吹扫空气加热到设定温度后送入co2吸附-热再生反应器内，将co2吸附剂脱附的co2浓度稀释至设定浓度，co2随着吹扫空气气流被带出反应器；设定浓度的co2由反应器下方的再生气体出口管道进入的co2布风装置，由气体喷头排出，连续供给co2，多余的co2存储至co2储气罐中。7.如权利要求6所述的方法，其特征是，co2捕集过程中，空气中的co2浓度为350～550ppm。
8.如权利要求6所述的方法，其特征是，所述吸附剂是以固体多孔材料为载体，通过负载有机胺制备而成的固态胺吸附剂；或进一步的，所述固体多孔材料为沸石、硅基多孔材料、炭基多孔材料、γ-al2o3、mof材料或者树脂材料中的一种；或进一步的，所述有机胺为聚乙烯亚胺或者四乙烯五胺；或进一步的，所述固态胺吸附剂由物理浸渍法制备所得。9.如权利要求6所述的方法，其特征是，控制所述加热组件的指定温度和保持时间，以能够完全脱除吸附剂捕集的co2，并且吸附剂在该温度下保持稳定。10.如权利要求6或9所述的方法，其特征是，co2捕集以及吸附剂再生的步骤在同一co2吸附-热再生反应器内交替进行；在不同的co2吸附-热再生反应器内，co2捕集以及吸附剂再生交错进行。

技术总结

本发明提供了一种用于温室大棚的风光电互补驱动直接空气捕碳系统和方法，本发明利用风能、太阳能互补发电，能够实现从空气中捕集CO2，而不额外产生CO2，在降低空气中CO2浓度的同时，实现CO2的就地利用和温室大棚的CO2气肥供给，从而降低直接空气捕碳技术的能耗和成本。本发明还可以通过CO2吸附-热再生反应器间歇交替操作，实现了空气中CO2的连续捕集和CO2产品的连续供应，CO2捕集效率效率高、吸附剂再生能耗低，能够根据需求灵活调节系统规模。本发明将空气捕碳与温室大棚气肥供给紧密结合，不仅实现了空气降碳，还实现了CO2产品的就地利用，提供了新型无污染的温室大棚CO2气肥技术，提高了大棚作物产量，增加了作物碳汇。增加了作物碳汇。增加了作物碳汇。