本发明属于二氧化碳捕集的，涉及一种二氧化碳直接空气捕集系统及方法，具体涉及一种融合聚光太阳能集热发电技术的基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集系统及方法。
背景技术：
1、随着社会经济的发展和人类活动的增加，大气中以co2为主的温室气体浓度持续增长，目前大气层中的co2浓度达到人类出现后的最高值，导致全球气候变化和海洋酸化，对生态系统和人类生产生活产生了诸多不利影响。二氧化碳直接空气捕集(direct aircapture，dac)技术可以实现负碳排放，是极具前景的碳中和技术。不同于传统的固定点源碳捕集技术，dac技术可以直接在适宜地质/海洋封存区进行co2的就地捕集封存或利用，无需co2输送系统。dac技术将大量捕集空气中的二氧化碳形成全球净负碳排放，减少大气、海洋和陆地生物量中的过量二氧化碳。通过dac捕集到的co2可作为碳源，通过生物转化(微藻、气体肥料)、化学转化(合成甲醇、汽油等)、能源开发及矿化等方式实现资源化利用。
2、dac模块一般经历三个阶段：吸附阶段、再生阶段和冷却阶段。在吸附阶段，大多先通过引风机将空气吸入模块内，再利用吸附剂脱除co2；再生阶段主要通过高温脱附等方法对材料进行再生；冷却阶段主要通过各种冷却手段将吸附剂冷却至吸附温度。
3、基于高活性碱金属基固体吸附剂的dac技术能在较低温度下(约60℃)实现二氧化碳的捕集，且吸附剂不易失活，无二次污染和设备腐蚀等问题，故具有较好的应用前景。碱金属基固体吸附剂捕集co2的过程主要包括如下两个反应：
4、碳酸化反应：m2co3(s)+co2(g)+h2o(g)→2mhco3(s)
5、吸附剂再生反应：2mhco3(s)→m2co3(s)+co2(g)+h2o(g)(m＝k，na)
6、其中，吸附剂再生反应是吸热反应，需要外部能量为再生反应提供热源，且增压风机吸入空气也有一定的电耗，这两部分使得系统能耗较大。直接空气捕集技术目前已有的系统普遍综合能耗高，需要优化和设计新型的系统来解决高能耗的问题。
7、cn202011032726.5提出了一种快速变温吸附转轮式直接空气二氧化碳捕集系统及方法，使用负压蒸汽再生吸附剂，有效地降低了系统能耗。cn115671949提供一种工业余热驱动的近零能耗直接空气捕集系统，通过将外部热源提供的低压蒸汽输送到dac系统中带动蒸汽膨胀机为风机和二氧化碳压缩机提供动能降低dac系统的能耗，并且蒸汽膨胀机工作产生的乏汽为汽水分离器提供能量而使汽水分离器无需另外提供电能，降低了系统能耗。但这些方法主要是对外部热源的优化，忽略了系统内部的大量余热利用。cn111344413使用太阳能来驱动直接空气捕集生成co2以及水分解成氢气，进而转化为醇。但该方法忽略了太阳能系统中的余热利用和直接空气捕集系统的高能耗问题，对二者的耦合缺少深入的研究。
8、综上，现有的直接空气捕集技术目前普遍存在综合能耗高的问题，且相关研究主要是对外部热源的优化，忽略了系统内部的大量余热利用。基于此，提供一种融合聚光太阳能集热发电技术的基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集系统及方法，以实现能量的梯级高效利用，并有效降低直接空气捕集系统的能耗，是亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、本发明的目的之一在于提供一种融合聚光太阳能集热发电技术的基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集系统。
2、本发明的目的之二在于提供一种融合聚光太阳能集热发电技术的基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集方法。
3、本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种融合聚光太阳能集热发电技术基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集系统，包括：直接空气捕集子系统、聚光太阳能集热发电子系统、空气源热泵、第一有机朗肯循环系统和第二有机朗肯循环系统；
4、所述直接空气捕集子系统包括：增压风机、固定床吸附反应器、初步预热器、二次预热器、固定床再生反应器、吸附剂冷却器、气体冷却器、气液分离器及若干连接管道；
5、所述聚光太阳能集热发电子系统包括增压水泵、分级预热器、一号蒸发器、分级过热器、中央接收塔、高压汽轮机、一号再热器、低压汽轮机、减压阀、小汽机、凝汽器及若干连接管道；
6、所述固定床吸附反应器与初步预热器之间连接有空气源热泵(ashp)，所述凝汽器回水出口连接二次预热器；二次预热器余热出口连接第二有机朗肯循环系统；所述低压汽轮机蒸汽出口连接固定床再生反应器；固定床再生反应器余热出口连接第一有机朗肯循环系统；第一有机朗肯循环系统(orc1)和第二有机朗肯循环系统(orc2)产生的电能用于对系统内用电设备供电。
7、本发明的总体思路如下：本发明针对现有的直接空气捕集技术存在的能耗高、系统内部余热无法得到充分利用等问题，提供了一种融合聚光太阳能集热发电技术的基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集系统。该系统将聚光太阳能集热发电技术与直接空气捕集技术相结合，从空气捕集系统内部及外部分别进行路径的优化设计，实现进行多通道余热的回收，实现能量的梯级利用，有效降低直接空气捕集系统的能耗，提高系统的效率。
8、本发明结合碱金属基固体吸附剂自身特点，将再生阶段将分别初步预热、二次预热和再生反应三个步骤，并针对各步骤所需的温度的不同，设置不同的能量路径，为各阶段匹配不同的热源。在初步预热阶段，所需温度较低，将子系统内部固定床吸附反应器产生的高温脱碳空气为热源，对初步预热器中的碱金属基固体吸附剂进行初步预热，简单快捷。在二次预热阶段，利用聚光太阳能集热发电子系统中冷凝器出口回水的热量，对吸附剂进行二次预热。最后，在再生反应阶段，所需热能较高，此时直接采用聚光太阳能集热发电子系统中低压汽轮机产生的高温蒸汽作为热源，实现吸附剂的再生。
9、进一步地，考虑到利用冷凝器回水以及低压汽轮机产生的高温蒸汽对吸附剂进行二次预热和再生反应提供热能后，系统内仍存在大量可利用的余热，本发明还设置了两个有机朗肯循环系统，分别对两个子系统内部的余热进行回收，同时有机朗肯循环系统产生的电能可用于对系统内用电设备供电，实现了进一步降低综合能耗，提高能量利用效率的效果。
10、进一步地，所述直接空气捕集子系统采用的碱金属基固体吸附剂的初步预热温度为40～50℃，二次预热温度为110～120℃，再生反应温度为150～200℃。
11、进一步地，碱金属基固体吸附剂包括：钾基吸附剂和/或钠基吸附剂。
12、进一步地，吸附剂冷却器与气体冷却器产生的冷却回水汇合后进入凝汽器，对小汽机的排气进行冷却。
13、在本发明中，聚光太阳能集热发电子系统属于塔式聚光太阳能系统，其利用镜场将接收的太阳能反射到中央接收塔上的接收器中，这部分太阳能加热接收器中的工作流体使其变成高温流体，再利用高温流体再去加热水产生蒸汽进行发电。
14、优选地，加热接收器中的工作流体采用熔盐，按重量百分数计，包括以下组合中的一种：60％nano3+40％kno3、7％ nano3+40％ nano2+53％ kno3或7％ nano3+48％ ca(no3)2+45％ kno3。
15、进一步地，所述聚光太阳能集热发电子系统中，分级预热器包括一级预热器和二级预热器，分级过热器包括一级过热器和二级过热器。在本发明中，聚光太阳能集热发电子系统采用两级预热逐步升温，有助于减少热量损失，水在前置预热器和后置预热器之间不需要通过大温度差传递热量，从而提高系统的能源利用效率；采用两级过热的方式，使蒸汽具有一定的过热度，提高蒸汽的供能潜力和热效率，过热蒸汽更容易发电，膨胀效率更高，增加了能量输出。
16、进一步地，所述空气源热泵包括：二号蒸发器、内部换热器、压缩机、气体冷却器和膨胀阀。其中，二号蒸发器的热源来自固定床吸附反应器产生的高温脱碳空气，气体冷却器的热源来自第一有机朗肯循环系统中蒸发器的出口热流。
17、进一步地，所述第一有机朗肯循环系统包括：三号蒸发器、一号涡轮机、二号再热器、一号冷凝器和一号泵；所述三号蒸发器热水出口连接所述空气源热泵的气体冷却器。
18、在本发明中，空气源热泵的设置，一方面利用固定床吸附反应器产生的脱碳空气产生高温热水，对碱金属基固体吸附剂进行初步预热；另一方面还起到回收直接空气捕集系统余热(脱碳空气)和太阳能系统余热(orc1蒸发器的出口热流股)的作用，提高了系统的效率和能量利用效率。
19、进一步地，所述第二有机朗肯循环系统包括：四号蒸发器、二号涡轮机、三号再热器、二号冷凝器和二号泵。
20、进一步地，所述用电设备包括增压风机、空气源热泵中的压缩机、orc1中的泵、orc2中的泵、太阳能发电系统中的泵等设备。
21、优选地，太阳能发电系统的发电量可以通过增加进水量来提高发电量。在一些较好的实施方式中，太阳能发电系统的发电量达到工业级别，此时的发电量不仅可以满足这套系统自身用电需求，同时还有多余的电量可以为外部设备进行供电。
22、本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种根据本发明目的之一所述的直接空气捕集系统的融合聚光太阳能集热发电技术基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集方法，包括以下步骤：
23、s1、空气经增压风机增压后进入固定床吸附反应器，在固定床吸附反应器内与碱金属基固体吸附剂进行吸附反应，脱除空气中的co2；
24、s2、脱碳后的空气排出固定床反应器并作为低温热源进入空气源热泵来产生高温热水，碳酸化后的吸附剂在初步预热器中被高温热水进行初步预热；
25、s3、初步预热后的碱金属基固体吸附剂进入二次预热器中，被凝汽器产生的高温回水二次预热；
26、s4、二次预热后的碱金属基固体吸附剂进入再生反应器中，在低压汽轮机产生的高温蒸汽的作用下，进行再生反应；再生反应产生的co2和水蒸气排出再生反应器，经气体冷却器冷却和气液分离器后获得高纯度co2；
27、s5、再生后的碱金属基固体吸附剂进入冷却阶段，使用冷却水通过吸附剂冷却器将再生后的碱金属基固体吸附剂冷却至吸附温度，冷却后的碱金属基固体吸附剂进入固定床吸附反应器中，进行下一个吸附-再生循环。
28、进一步地，所述方法中，利用第一有机朗肯循环系统对固定床再生反应器的余热进行回收，利用第二有机朗肯循环系统对二次预热器的余热进行回收，提高了系统的发电效率和能量利用效率。
29、进一步地，利用聚光太阳能集热发电子系统、第一有机朗肯循环系统和第二有机朗肯循环系统产生的电能对系统内用电设备进行供电。
30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
31、(1)本发明提供的融合聚光太阳能集热发电技术的基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集系统，以可再生的清洁能源太阳能为外部能源，利用其余热为直接空气捕集子系统的再生反应提供热量，与其他如工业燃烧余热的系统相比，可以有减少集成系统的碳足迹，实现负碳排放。
32、(2)本发明提供的融合聚光太阳能集热发电技术的基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集系统，还设置了空气源热泵和两个有机朗肯循环系统。其中，空气源热泵的引入，将太阳能发电系统的余热和直接空气捕集系统的余热结合起来，提高了系统内部的能量利用效率；此外，本发明将直接空气捕集系统和太阳能发电系统集成后作为一个整体的系统，内部的余热还通过第一有机朗肯循环系统orc1和第二有机朗肯循环系统orc2进行回收，这样能够进一步降低直接空气捕集系统的综合能耗，提高了能量利用效率。
33、(3)本发明提供的融合聚光太阳能集热发电技术的基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集方法，与其他预热碳酸化后吸附剂的优化方式相比，不仅实现了两级预热，显著降低了再生反应能耗，而且将聚光太阳能集热发电子系统和直接空气捕集子系统的内部余热作为热源，实现能量梯级利用的同时又提高了系统的效率。直接空气捕集子系统所需的热耗以及电耗，完全由可再生清洁太阳能提供，对于实现碳中和的目标具有重要的意义，具备广阔的推广及应用前景。
1.一种融合聚光太阳能集热发电技术基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集系统，其特征在于，包括：直接空气捕集子系统、聚光太阳能集热发电子系统、空气源热泵、第一有机朗肯循环系统和第二有机朗肯循环系统；
2.根据权利要求1所述的直接空气捕集系统，其特征在于，所述直接空气捕集子系统采用的碱金属基固体吸附剂的初步预热温度为40～50℃，二次预热温度为110～120℃，再生反应温度为150～200℃。
3.根据权利要求1所述的直接空气捕集系统，其特征在于，碱金属基固体吸附剂包括：钾基吸附剂和/或钠基吸附剂。
4.根据权利要求1所述的直接空气捕集系统，其特征在于，吸附剂冷却器(8)与气体冷却器(9)产生的冷却回水汇合后进入凝汽器(33)，对小汽机(32)的排气进行冷却。
5.根据权利要求1所述的直接空气捕集系统，其特征在于，所述聚光太阳能集热发电子系统中，分级预热器包括一级预热器(22)和二级预热器(23)，分级过热器包括一级过热器(25)和二级过热器(26)。
6.根据权利要求1所述的直接空气捕集系统，其特征在于，所述空气源热泵包括：二号蒸发器(11)、内部换热器(12)、压缩机(13)、气体冷却器(14)和膨胀阀(15)。
7.根据权利要求6所述的直接空气捕集系统，其特征在于，所述第一有机朗肯循环系统包括：三号蒸发器(16)、一号涡轮机(17)、二号再热器(18)、一号冷凝器(19)和一号泵(20)；所述三号蒸发器(16)热水出口连接所述空气源热泵的气体冷却器(16)。
8.根据权利要求1所述的直接空气捕集系统，其特征在于，所述第二有机朗肯循环系统包括：四号蒸发器(36)、二号涡轮机(37)、三号再热器(38)、二号冷凝器(39)和二号泵(40)。
9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的直接空气捕集系统的融合聚光太阳能集热发电技术基于碱金属基固体吸附剂的直接空气捕集方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的直接空气捕集方法，其特征在于，所述方法还包括：
