用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统

1.本发明涉及碳捕集、利用和封存技术领域，特别涉及一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统。


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，并不必然构成现有技术。
3.由于化石燃料燃烧和水泥生产等人类活动，大气中co2含量已达到了工业革命前水平的149％，浓度现已超过417ppm。作为主要的温室气体，co2浓度的不断升高会加剧温室效应，导致全球气候变暖，进而引发一系列重大灾难，如冰川融化、海平面上升、海洋酸化和干旱等。鉴于此，实现经济、社会的绿色能源转型并大力减小co2排放水平，努力达成“净零”(net-zero)排放甚至“负碳”(negative)排放尤为重要。
4.碳捕集、利用和封存(carbon capture，utilization and storage，ccus)技术被认为是减少co2排放、控制大气co2浓度、减缓全球变暖的重要人工碳汇方法。特别是直接空气捕集(direct air capture，dac)技术，近年来逐渐受到广泛关注。dac技术一般指的是利用吸收剂(或吸附剂)直接从空气中吸收并捕集二氧化碳，其系统一般由co2捕集、co2解吸、吸收(附)剂再生及co2储存部分等组成。
5.不同于传统ccus技术，dac技术的应用位置分布较为灵活，可针对广泛的“分散”碳源进行布置，通过直接从环境空气中捕集二氧化碳，dac不仅能在中短期内帮助控制大气co2浓度的快速上升，理论上也可帮助实现真正的“负碳”排放。
6.然而，目前dac系统中用于co2捕集的反应器普遍存在运行能耗高、噪声大、co2吸收效率低、结构复杂等问题，无法实现真正的“负碳”排放。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统，简化了反应器结构，提高了co2吸收效率，降低了运行能耗，减小了因风(扇)机等送气机械导致的强噪音。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明第一方面提供了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器。
10.一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，至少包括：反应器壳体以及位于反应器壳体内底部呈空间网状分布的多个气泡发生器，气泡发生器包括管道和开有微孔的中空球体，管道的第一端与中空球体的中空空间连通，管道的第二端用于接受空气。
11.作为本发明第一方面进一步的限定，管道的底部设有空气缓冲气腔，空气缓冲气腔与各个气泡发生器的管道第二端连通，空气缓冲气腔与气体入口连通。
12.作为本发明第一方面更进一步的限定，气体入口处设有流量传感器。
13.作为本发明第一方面进一步的限定，反应器壳体的底部连接有与反应器壳体内部空间连通的吸收剂或者吸附剂出口。
14.作为本发明第一方面进一步的限定，反应器壳体的顶部连接有反应器端盖，反应器端盖上连接有与反应器壳体内部空间连通的吸收剂或吸附剂入口以及气体出口。
15.作为本发明第一方面更进一步的限定，反应器端盖与反应器壳体活动连接。
16.作为本发明第一方面进一步的限定，反应器壳体内连接有液位传感器和温度传感器。
17.作为本发明第一方面进一步的限定，气泡发生器制造微小空气泡越小，反应器高度越低，气泡发生器制造微小空气泡越大，反应器高度越高。
18.本发明第二方面提供了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器的工作方法。
19.一种本发明第一方面所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器的工作方法，包括以下过程：
20.通过反应器端盖的吸收剂或吸附剂入口注入co2吸收剂或者吸附剂，观察液位传感器传达的液面高度信息，当co2吸收剂或吸附剂达到目标用量时，停止注入co2吸收剂或吸附剂，关闭吸收剂或吸附剂入口；
21.通过反应器壳体底部的气体入口泵送空气，空气在空气缓冲气腔内均匀分散并进而到达气泡发生器，空气经过气泡发生器的微孔以微小气泡的形式进入反应器内部，微小气泡在浮力作用下自下而上运动，随着气泡内co2不断被吸收剂或者吸附剂吸收，气泡体积和直径有所减小，此时气泡的上升速度亦可能有所降低，为剩余co2与吸收剂或者吸附剂的充分反应提供时间；
22.气泡直径的不断减小还会增大气泡的比表面积，不断强化气泡与吸收剂或吸附剂的传质过程，剩余气体通过反应器端盖的气体出口排出，反应完全后，停止泵送空气，关闭气体入口，打开吸收剂或吸附剂出口，负载co2的吸收剂或吸附剂通过吸收剂或吸附剂出口排出至后续的co2解吸设备和吸收剂或吸附剂再生设备。
23.本发明第三方面提供了一种直接空气捕集系统。
24.一种直接空气捕集系统，包括本发明第一方面所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.1、本发明创新性地提出了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统，简化了反应器结构，提高了co2吸收效率，降低了运行能耗，减小了因风(扇)机等送气机械导致的强噪音。
27.2、本发明创新性地提出了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统，气泡发生器呈空间网状分布，通过合理设计气泡发生器排布，根据具体应用条件，实现了气泡数量的最优化，获得了更高的co2吸收效率。
28.3、本发明创新性地提出了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统，利用微气泡在气液传质中的优点，强化了co2捕集效果，微气泡的比表面积(表面积/体积，s/v)较高，通过增加与吸收(附)剂的接触机会，强化了气泡内气体组分与吸收(附)剂的传质过程。
29.4、本发明创新性地提出了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统，微气泡尺寸较小(一般为微米到厘米尺度)，减小了微空气泡中co2分子向气-液界面
的传质距离，可帮助其快速到达吸收界面；微气泡密度小于吸收(附)剂，气泡可在浮力作用下自下而上地浮动，实现了与吸收(附)剂的相对运动，有望帮助降低运行能耗。
30.5、本发明创新性地提出了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统，微气泡与吸收(附)剂的相对运动可导致气泡内部产生动态变化的流场，间接增强了对流(convection)耦合扩散(diffusion)的传质过程，帮助提高co2分子的吸收效率。
31.6、本发明创新性地提出了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统，反应器分为壳体部分和顶部端盖部分，结构简单可靠，便于安装、检修反应器内部结构。
附图说明
32.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。
33.图1为本发明实施例提供的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器的结构示意图；
34.图2为本发明实施例提供的气泡发生器结构示意图；
35.图3为本发明实施例提供的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器三维模型示意图；
36.其中，1、反应器壳体；2、空气缓冲气腔；3、反应器端盖；4、吸收(附)剂入口；5、气体出口；6、吸收(附)剂出口；7、气体入口；8、气泡发生器；8-a、管道；8-b、开有为空的中空球体；9、液位传感器；10、流量传感器；11、温度传感器。
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.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.实施例1：
42.如图1和图3所示，本发明实施例1提供了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，包括：反应器壳体1以及位于反应器壳体1内底部呈空间网状分布的多个气泡发生器8，提高了反应器的co2吸收率，如图2所示，气泡发生器8包括管道8-a和开有微孔的中空球体8-b，开有微孔的中空球体8-b为空气创造了立体式气泡发生位点，具体分布数量可根据具体的应用条件做出调整，管道8-a的第一端与开有微孔的中空球体8-b的中空空间连通，管道8-a的第二端用于接受空气。
43.优选地，本实施例中，管道的底部设有空气缓冲气腔2，空气缓冲气腔2与各个气泡
发生器8的管道第二端连通，空气缓冲气腔2与气体入口7连通。
44.本实施例中，优选地，管道为圆形直管，可以理解的，在其他一些实现方式中，这里的管道也可以是方形直管或者其他形状直管，或者，也可以采用弯管，本领域技术人员可以根据具体工况选择，这里不再赘述。
45.本实施例中，优选地，管道与开有微孔的中空球体一体成型或者固定连接，本领域技术人员可以根据具体工况选择，这里不再赘述。
46.本实施例中，优选地，气体入口7处设有流量传感器10，用以测量和/或控制空气的进气流量，反应器壳体1的底部连接有与反应器壳体1内部空间连通的吸收(附)剂出口6。
47.本实施例中，优选地，反应器壳体1的顶部连接有反应器端盖3，反应器端盖3上连接有与反应器壳体1内部空间连通的吸收(附)剂入口4以及气体出口5。
48.可选的，反应器端盖3与反应器壳体1活动连接；可以理解的，在其他一些实现方式中，反应器端盖3与反应器壳体1也可以采用法兰连接，或者直接通过螺栓连接，本领域技术人员可以根据具体工况选择，这里不再赘述。
49.本实施例中，优选地，反应器壳体1内连接有液位传感器9和温度传感器11，分别用以检测吸收(附)剂的液位和反应温度，液位传感器9和温度传感器11均可以是一个或者多个，本领域技术人员可以根据具体工况选择，这里不再赘述。
50.本实施例中，优选地，所述反应器高度一定程度上取决于气泡发生器8制造的微小空气泡的尺寸，微小空气泡越小，在吸收(附)剂中的上升速度越慢，较低的反应器高度即可使co2与吸收(附)剂实现充分反应；反之，微空气泡尺寸越大，在反应器中的上升速度越快，为保证co2的充分吸收，所述反应器高度将相应增大。
51.本实施例中上述反应器的工作方法，包括：
52.通过反应器端盖3的吸收(附)剂入口4注入co2吸收(附)剂，观察液位传感器传达的液面高度信息，当co2吸收(附)剂达到目标用量时，停止注入co2吸收(附)剂，关闭吸收(附)剂入口4；
53.通过反应器壳体1底部的气体入口7泵送空气，空气在空气缓冲气腔2内均匀分散并进而到达气泡发生器8，空气经过气泡发生器8的微孔以微小气泡的形式进入反应器内部；
54.微小气泡在浮力作用下自下而上运动，随着气泡内co2不断被吸收(附)剂吸收，气泡体积和直径有所减小，此时气泡的上升速度亦可能有所降低，为剩余co2与吸收(附)剂的充分反应提供了时间；
55.同时，气泡直径的不断减小还会增大气泡的比表面积，不断强化气泡与吸收(附)剂的传质过程，剩余气体通过反应器端盖3的气体出口5排出；
56.反应完全后，停止泵送空气，关闭气体入口7，打开吸收(附)剂出口6，负载co2的吸收(附)剂通过吸收(附)剂出口6排出至后续的co2解吸设备和吸收(附)剂再生设备；
57.本发明所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器还可与co2解吸设备和吸收(附)剂再生设备整合，能够形成一套完整的包含co2捕集、解吸附、吸收(附)剂再生及循环利用一体化dac系统。
58.实施例2：
59.本发明实施例2提供了一种直接空气捕集系统，包括本发明实施例1所述的用于直
接空气碳捕集的微气泡塔式反应器。
60.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，其特征在于，至少包括：反应器壳体以及位于反应器壳体内底部呈空间网状分布的多个气泡发生器，气泡发生器包括管道和开有微孔的中空球体，管道的第一端与中空球体的中空空间连通，管道的第二端用于接受空气。2.如权利要求1所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，其特征在于，管道的底部设有空气缓冲气腔，空气缓冲气腔与各个气泡发生器的管道第二端连通，空气缓冲气腔与气体入口连通。3.如权利要求2所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，其特征在于，气体入口处设有流量传感器。4.如权利要求1所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，其特征在于，反应器壳体的底部连接有与反应器壳体内部空间连通的吸收剂或者吸附剂出口。5.如权利要求1所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，其特征在于，反应器壳体的顶部连接有反应器端盖，反应器端盖上连接有与反应器壳体内部空间连通的吸收剂或吸附剂入口以及气体出口。6.如权利要求5所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，其特征在于，反应器端盖与反应器壳体活动连接。7.如权利要求1所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，其特征在于，反应器壳体内连接有液位传感器和温度传感器。8.如权利要求1-7任一项所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器，其特征在于，气泡发生器制造微小空气泡越小，反应器高度越低，气泡发生器制造微小空气泡越大，反应器高度越高。9.一种权利要求1-8任一项所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器的工作方法，其特征在于，通过反应器端盖的吸收剂或吸附剂入口注入co2吸收剂或者吸附剂，观察液位传感器传达的液面高度信息，当co2吸收剂或吸附剂达到目标用量时，停止注入co2吸收剂或吸附剂，关闭吸收剂或吸附剂入口；通过反应器壳体底部的气体入口泵送空气，空气在空气缓冲气腔内均匀分散并进而到达气泡发生器，空气经过气泡发生器的微孔以微小气泡的形式进入反应器内部，微小气泡在浮力作用下自下而上运动，随着气泡内co2不断被吸收剂或者吸附剂吸收，气泡体积和直径有所减小，此时气泡的上升速度亦可能有所降低，为剩余co2与吸收剂或者吸附剂的充分反应提供时间；气泡直径的不断减小还会增大气泡的比表面积，不断强化气泡与吸收剂或吸附剂的传质过程，剩余气体通过反应器端盖的气体出口排出，反应完全后，停止泵送空气，关闭气体入口，打开吸收剂或吸附剂出口，负载co2的吸收剂或吸附剂通过吸收剂或吸附剂出口排出至后续的co2解吸设备和吸收剂或吸附剂再生设备。10.一种直接空气捕集系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器。

技术总结
本发明提供了一种用于直接空气碳捕集的微气泡塔式反应器、方法及系统，所述反应器至少包括：反应器壳体以及位于反应器壳体内底部呈空间网状分布的多个气泡发生器，气泡发生器包括管道和开有微孔的中空球体，管道的第一端与中空球体的中空空间连通，管道的第二端用于接受空气；本发明简化了反应器结构，提高了CO2吸收效率，降低了运行能耗，减小了因风(扇)机等送气机械导致的强噪音。等送气机械导致的强噪音。等送气机械导致的强噪音。


技术研发人员：秦宁 张颖龙 胡杰 赵培 陈庆霖 郑俊杰 魏剑锋 张博森 解元昊
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/6