CN103071364A

CN103071364A - 一种多级捕集烟道气中二氧化碳的系统和方法

Info

Publication number: CN103071364A
Application number: CN2012105730745A
Authority: CN
Inventors: 徐冬; 郭桦; 彭妮·肖; 保罗·韦伯利; 翟玉春
Original assignee: GUODIAN NEW ENERGY TECHNOLOGY INSTITUTE
Current assignee: National Energy Group New Energy Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: CN103071364B

Abstract

本发明涉及一种多级捕集烟道气中二氧化碳的系统和方法，其中系统包括至少两组变压吸附装置；每一组变压吸附装置含有至少一个吸附床；第一级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为疏水性吸附材料；第一级以后的各级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为二氧化碳吸附材料；而方法为将烟道气通过上述系统。本发明利用简单的循环步骤设计了多级VSA工艺。在第一级步骤中，采用疏水性吸附剂材料，可以使12%的CO₂浓缩至浓度至40–60%，并且保证高于90%的CO₂回收率。第一级操作结束后，大部分水蒸气直接穿透吸附床而被排除。在第一级以后的各级操作中，采用13X作为吸附剂，可以使40–60%的CO₂很容易被提纯至浓度为95%以上。

Description

一种多级捕集烟道气中二氧化碳的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种多级捕集烟道气中二氧化碳的系统和方法，尤其涉及一种利用多级真空变压吸附技术捕集烟道气中的高湿二氧化碳的系统和方法。

背景技术

在真空变压吸附（vacuum swing adsorption，VSA）分离烟道气中CO₂的工艺中，活性炭和13X沸石分子筛一直都是最广泛应用的吸附剂材料。如果对比活性炭和13X分子筛的分离效果，由于13X具有较高的CO₂吸附量和较高的吸附选择性，13X分子筛具有更好的分离CO₂的效果。但是水蒸气的存在会使13X被污染而失去活性。

除了以上两种吸附剂外，类滑石材料及金属有机框架类材料（MOF）等吸附剂由于具有特殊的孔结构也是近年来研究的热点。然而，这些材料也才仅仅处在研究的起步阶段，离工业化阶段还需要十几年或者更长时间。

实际烟道气中含有5–10%的饱和水蒸气不能被除去，13X会被水蒸气严重污染。如果分离CO₂之前通过干燥设备除去水蒸气也会大大增加分离CO₂的运行成本。反过来，虽然活性炭对水蒸气并不敏感，但是由于较低的分离选择性，活性炭分离CO₂的纯度相对较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用二级变压吸附的原理，当烟道气通过第一级疏水性吸附剂材料时，大部分水蒸气穿过吸附床吸附床而被除去。从第一级吸附装置解吸下来首次浓缩的CO₂作为第二级吸附装置的进气，高浓度的进气可以在很简单操作步骤条件下得到高纯度的CO₂，最终达到仅用简单吸附装置在解决水蒸气问题的同时，高效捕集CO₂。

本发明所述的二级真空变压吸附工艺，详细内容如下：

首先进气中含有12%CO₂和50°C下饱和水蒸气的烟道气由第一级VSA分离。第一级VSA中采用的吸附剂为活性炭，原因是水蒸气对活性炭对分离CO₂的影响很小。操作过程中控制进气时间，从而保证很高的（90%以上）CO₂回收率。但是由于活性炭较差的CO₂/N₂选择性，第一级VSA中分离的CO₂纯度较低（40-60%）。由吸附床中解吸下来的产品气混有高于饱和蒸汽压下浓度的水蒸气，经过减压装置后会大部分凝聚成液态水。产品气流经存储罐后由于温度的下降与会使水蒸气进一步凝聚成液态水。经过两次凝聚后，CO₂的纯度因为水蒸气浓度的减小会相应地提高，并且此时产品气中只含有少量的水蒸气。

烟道气进入第一级吸附装置的量有两种选择，一种是要保证控制体积浓度小于3%以内的CO₂穿过吸附床；另一种情况使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与进气中二氧化碳含量相当，这中情况下使大于3%以后的那部分排出废气重新送到进气口与进气混合。不保证CO₂通过第一组装置的回收率达90%（体积百分比）以上。

在第二级步骤中，以第一级VSA中浓缩的40–60%的CO₂为进气，很容易被提纯至浓度为95%以上。由于较大的P/F（冲洗/进气）比率，痕量的水蒸气不会污染13X而被很容易解吸出来或者保证在吸附床内很低的浓度锋面而不上升。

穿过第二级吸附床的进气有三种选择，一种为控制小于3%以内的CO₂穿过吸附床；另一种情况使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与烟道中二氧化碳含量相当，这中情况下使大于3%以后的那部分排出废气重新送到第一组装置的进气口与烟道气混合；第三种情况是使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与第二级进气中二氧化碳含量相当，这种情况下使CO₂浓度大于一定值（2-10%）后的那部分排出废气重新送到第二组装置的进气口与进气混合。

第一级装置的两种选择与第二级选择的两种选择可以根据实际需要随意组合。

本吸附装置设计的进气方向为从下往上，这样烟道气就由吸附床下方流进，而未被吸附的废气（主要含有氮气和水蒸气）由吸附床上方流走。

解吸的方向为从上至下，这样被解吸下来的CO₂及H₂O和少量N₂就会由吸附床下方流出被减压装置并打进产品罐。

从吸附床上解吸下来的浓缩的二氧化碳气体被减压装置打进产品罐。

其中，湿度传感器被安装在吸附床的下端入口处，监测进气及被解吸气体的湿度，本发明中烟道气中水蒸气的体积浓度为5-20%。

不同浓度范围内的CO₂浓度传感器被分别安装在进气口处、出气口处和产品罐处，随时监测进气、废气和产品气中CO₂的瞬时浓度。其中烟道气中CO₂所占的体积百分比为5-30%

温度传感器、流速计和压力传感器分别安装在不同的单元内监测不同循环条件下的气体温度、流速和气体的压力值。其中烟道气的温度为20-150°C，进气流量为50-500L/min，变压操作的正压范围之内运行的绝对压力值为100-300kPa，变压操作的在负压范围之内运行的绝对压力值为0-100kPa。通过减压装置获取用来解吸的负压。

为了实现各种步骤的循环操作，在吸附床两头都各安装了气动转换阀。通过程序控制下的转化阀的闭合可以实现不同操作步骤间的互相转换。

操作程序通过GEFANUC PLC操作系统控制，电脑显示界面由Citect/SCADA控制。

疏水性吸附材料选自活性炭、活性炭分子筛、活性炭纤维及其组合。

吸CO₂的吸附剂主要选自13X沸石分子筛、LiX沸石分子筛、CaX沸石分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝、金属有机框架类材料（MOF）、水滑石类材料（Hydrotalcite-like compounds）及其组合。

二氧化碳的捕集发生在烟道气除尘、烟气脱硫脱销之后。

本发明提供的一种多级捕集烟道气中二氧化碳的系统和方法，包含如下技术方案如下：

（1）一种多级捕集烟道气中二氧化碳的方法，将烟道气通过至少两组变压吸附装置；每一组吸附装置含有至少一个吸附床；第一级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为疏水性吸附材料；第一级以后的各级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为二氧化碳吸附材料。

（2）根据（1）所述的方法，在每一组变压吸附装置中进行气体吸附步骤和气体解吸步骤；所述气体吸附步骤为将烟道气通过变压吸附装置，将二氧化碳吸附在所述变压吸附装置的吸附床的吸附材料上，而未被吸附的废气流出所述吸附床；所述气体解吸步骤为减小所述吸附床中的压力使二氧化碳从吸附材料上解吸出来。

（3）根据（1）-（2）任一项所述的方法，通过减压装置实现减小所述吸附床中的压力。

（4）根据（1）-（3）任一项所述的方法，烟道气首先通过含有疏水吸附剂材料的第一级装置。

（5）根据（1）-（4）任一项所述的方法，含高湿水蒸气的烟道气经疏水材料吸附床后，大部分水蒸气穿过吸附床被废气带走，小部分水蒸气被吸附在吸附剂表面，这部分水蒸气在解析过程中同产品气一起被解析下来；含有二氧化碳吸附剂的吸附床中吸附的少量水蒸气也可以随产品气一起被解析下来。

（6）根据（1）-（5）任一项所述的方法，从每级吸附装置解吸下来的饱和水蒸气因为解析后的温度低于吸附床内时的温度，经冷凝后排除。

（7）根据（1）-（6）任一项所述的方法，不回收第一级变压吸附装置中产生的尾气，将第一级以后的变压吸附装置产生的尾气送回进气口，与烟道气混合。

（8）根据（1）-（7）任一项所述的方法，将各级变压吸附装置产生的尾气送回进气口，与烟道气混合。

（9）根据（1）-（8）任一项所述的方法，所述变压吸附装置的进气方向为从下往上，烟道气由吸附床下方流进，而未被吸附的废气由吸附床上方流出；解吸的方向为从上至下，被解吸出来的气体由吸附床下方流出。

（10）根据（1）-（9）任一项所述的方法，所述疏水性吸附材料选自活性炭、活性炭分子筛、活性炭纤维及其组合；所述二氧化碳吸附材料选自13X沸石分子筛、LiX沸石分子筛、CaX沸石分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝、金属有机框架类材料、水滑石类材料及其组合。

（11）根据（1）-（10）任一项所述的方法，第一级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为活性炭，吸附时间为10-20s，解吸时间为10-20s；第一级以后的变压吸附装置的吸附床的吸附材料为13X沸石分子筛，吸附时间为10-20s，解吸时间为10-20s；吸附压力最高为150kPa，最低真空解析压力为2kPa。

（12）根据（1）-（11）任一项所述的方法，将烟道气通过两组变压吸附装置。

（13）根据（1）-（12）任一项所述的方法，当中烟道气进入含有疏水吸附材料第一组吸附装置的量有两种选择，一种是要保证控制体积浓度小于3%以内的二氧化碳穿过吸附床；另一种情况使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与进气中二氧化碳含量相当，这中情况下使大于3%以后的那部分排出废气重新送到进气口与进气混合。

（14）根据（1）-（13）任一项所述的方法，从第一组变压吸附装置中解吸下来的部分水蒸气和二氧化碳经过真空解析泵后，95%以上水蒸气会在减压装置内发生冷凝被除去，通过减压装置的全部二氧化碳和小于5%以下的水蒸气又作为进气通过第二组吸附装置。

（15）根据（1）-（14）任一项所述的方法，穿过第二组吸附装置吸附床的进气有三种选择，一种为控制小于3%以内的二氧化碳穿过吸附床；另一种情况使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与烟道中二氧化碳含量相当，这种情况下使大于3%以后的那部分排出废气重新送到第一组装置的进气口与烟道气混合；第三种情况是使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与第第二组进气中二氧化碳含量相当，这中情况下使二氧化碳浓度大于预定值后的那部分排出废气重新送到第二组装置的进气口与进气混合。

（16）根据（1）-（15）任一项所述的方法，所述烟道气含有占总体积5-30%的二氧化碳和5-20%的水蒸气；所述烟道气的温度为20-150°C，流量为50-500L/min。

（17）根据（1）-（16）任一项所述的方法，在气体吸附步骤之前还包括烟道气除尘步骤和脱硫脱硝步骤。

（18）根据（1）-（17）任一项所述的方法，变压操作是在正压范围之内运行，其压力值为100-300kPa。

（19）根据（1）-（18）任一项所述的方法，变压操作是在负压范围之内运行，其压力值为0-100kPa。

（20）一种多级捕集烟道气中二氧化碳的系统，包括至少两组变压吸附装置；每一组变压吸附装置含有至少一个吸附床；第一级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为疏水性吸附材料；第一级以后的各级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为二氧化碳吸附材料。

（21）根据（20）所述的系统，通过管道将第一级以后的变压吸附装置尾气出口与烟道气进气口相连，使第一级以后的变压吸附装置产生的尾气送回进气口，与烟道气混合。

（22）根据（20）-（21）任一项所述的系统，通过管道将各级变压吸附装置尾气出口与烟道气进气口相连，使各级变压吸附装置产生的尾气送回进气口，与烟道气混合。

（23）根据（20）-（22）任一项所述的系统，所述变压吸附装置的进气方向为从下往上，烟道气由吸附床下方流进，而未被吸附的废气由吸附床上方流出；解吸的方向为从上至下，被解吸出来的气体由吸附床下方流出。

（24）根据（20）-（23）任一项所述的系统，所述疏水性吸附材料选自活性炭、活性炭分子筛、活性炭纤维及其组合；所述二氧化碳吸附材料选自13X沸石分子筛、LiX沸石分子筛、CaX沸石分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝、金属有机框架类材料、水滑石类材料及其组合。

（25）根据（20）-（24）任一项所述的系统，在所述吸附床的两端都安装了气动转换阀，通过所述气动转换阀的闭合实现不同操作步骤间的互相转换。

（26）根据（20）-（25）任一项所述的系统，还包括减压装置，所述减压装置与吸附床相连，用于减小吸附床中的气压。

（27）根据（20）-（26）任一项所述的系统，还包括温度传感器、流速计和压力传感器分别安装在不同的单元内检测不同循环条件下的气体温度、流速和压力值。

（28）根据（1）-（27）任一项所述的方法或系统，CO₂体积浓度的上限范围（C_上）为15-30%，CO₂体积浓度的下限范围（C_上）为5-15%。

（29）根据（1）-（28）任一项所述的方法或系统，水蒸气的体积浓度的上限范围（W_上）为10-20%，水蒸气的体积浓度的下限范围（W_下）为5-10%。

（30）根据（1）-（29）任一项所述的方法或系统，烟道气的进气流速的上限范围（L_上）为300-500L/min，烟道气的进气流速的下限范围（L_下）为50-200L/min。

（31）根据（1）-（30）任一项所述的方法或系统，吸附压力上限范围（P_h-上）为200-300kPa，解吸压力的下限范围（P_h-下）为100-160kPa。

（32）根据（1）-（31）任一项所述的方法或系统，解吸压力上限范围（P_L-上）为8-15kPa，解吸压力的下限范围（P_L-下）为0-5kPa。

在具体实施过程中，烟道气中的CO₂体积浓度有一个上限范围即作C_上和下限范围即作C_下。CO₂体积浓度的上限范围（C_上）为15-30%，在这个范围内C_上可以低于25%，理想值为22%；C_上甚至可以低于22%，理想值为18%。CO₂体积浓度的下限范围（C_上）为5-15%，在这个范围内C_下可以高于6%，理想值为8%；C_上甚至可以高于10%，理想值为12%。

烟道气中饱和水蒸气的体积浓度有一个上限范围即作W_上和一个下限范围即作W_下。水蒸气的体积浓度的上限范围（W_上）为10-20%，在这个范围内W_上可以低于18%，理想值为15%；W_上甚至可以低于14%，理想值为12%。水蒸气的体积浓度的下限范围（W_下）为5-10%，在这个范围内W_下可以高于6%，理想值为7%；W_下甚至可以高于8%，理想值为9%。

烟道气进气流速有一个上限范围即作L_上和一个下限范围即作L_下。烟道气的进气流速的上限范围（L_上）为300-500L/min，在这个范围内L_上可以低于450L/min，理想值为400L/min；L_上甚至可以低于350L/min，理想值为300L/min。烟道气的进气流速的下限范围（L_下）为50-200L/min，在这个范围内L_下可以高于60L/min，理想值为80L/min；L_下甚至可以高于100L/min，理想值为150L/min。

吸附过程的吸附压力P_h有一个上限范围即作P_h-上和一个下限范围即作P_h-下。吸附压力上限范围（P_h-上）为200-300kPa，在这个范围内P_h-上可以低于280kPa，理想值为260kPa；P_h-上甚至可以低于240kPa，理想值为220kPa。解吸压力的下限范围（P_h-下）为100-160kPa，在这个范围内P_h-下可以高于110kPa，理想值为120kPa；P_h-下甚至可以高于130kPa，理想值为140kPa。

解吸过程的解吸压力P_L有一个上限范围即作P_L-上和一个下限范围即作P_L-下。解吸压力上限范围（P_L-上）为8-15kPa，在这个范围内P_L-上可以低于13kPa，理想值为12kPa；P_h-上甚至可以低于10kPa，理想值为9kPa。解吸压力的下限范围（P_L-下）为0-5kPa，在这个范围内P_L- _下可以高于0.5kPa，理想值为1kPa；P_L-下甚至可以高于2kPa，理想值为3kPa。

在真空变压吸附具体实施过程中每个因素值可以选择上限值和下限值，并且可以在上限值和下限值之间任意选择。如烟道气中CO2的体积浓度可以在C_上和C_下之间任意选择；烟道气中水蒸气的浓度可以在W_上和W_下之间任意选择；烟道气进气流速可以在L_上和L_下之间任意选择；进气的吸附压力可以在P_h-上和P_h-下之间任意选择；解吸过程中的解吸压力可以在P_L-上和P_L-下之间任意选择。

表1包含了使用的本发明涉及到的上面五个参数的一些具体组合方式。

表1

本发明利用简单的循环步骤设计了多级VSA工艺。在第一级步骤中，采用疏水性吸附剂材料，可以使12%的CO₂浓缩至浓度至40–60%，并且保证高于90%的CO₂回收率。第一级操作结束后，大部分水蒸气直接穿透吸附床而被排除。在第一级以后各级操作中，采用13X作为吸附剂，可以使40–60%的CO₂很容易被提纯至浓度为95%以上。一般通过复杂操作步骤可以得到较高纯度的CO₂，但同时也会导致较低的CO₂回收率和较高的能量损耗。本发明工艺的另外一个优点就是通过简单的操作步骤（不需要冲洗等复杂步骤），就可以同时使CO₂的纯度和回收率都超过90%。

本发明利用多级变压吸附的原理在捕集烟道气中的二氧化碳的同时解决水蒸气污染CO₂吸附剂的问题，本发明不必增加预处理水蒸气的工艺，可大大节约碳捕集的成本。本发明中，多级变压吸附系统即为两套连续的吸附装置，第一级（第一套）装置捕集下来的含中等CO₂浓度的产品气作为第二级装置的进气，通过两次递进的浓缩过程，可以利用简单的操作装置就使烟道气中CO₂的回收率高于90%且同时得到纯度大于95%的产品气。一般仅用一套吸附装置即使加入冲洗等复杂操作步骤也很难使回收率和纯度同时超过90%。在吸附剂的选择上，第一级装置中选用疏水性吸附剂材料，目的是让尽可能多的水蒸气穿过吸附床而被排除，保证进入第二级系统的进气中含有尽可能少的水蒸气。但是疏水性吸附剂的缺点是对CO₂的吸附选择性不高，所以仅用一套疏水性吸附剂很难得到较高的纯度的CO₂产品气。第二级吸附剂主要选择对CO₂具有较大吸附量和较好吸附选择性的吸附剂材料。

附图说明

图1为二级真空变压吸附离CO₂和H₂O的流程图；

图2为第一级真空变压吸附分离CO₂和H₂O的循环步骤；

图3为第二级真空变压吸附分离CO₂和H₂O的循环步骤；

图4为第I种实施例条件下的二级VSA分离CO₂的结果流程图；

图5为第II种实施例条件下的二级VSA分离CO₂的结果流程图；

图6为第III种实施例条件下的二级VSA分离CO₂的结果流程图。

具体实施方式

现将参考附图来介绍实施例。

本发明使用的二级变压吸附流程介绍见图1。

第一级吸附装置参数、运行参数以及第一和第二级VSA中吸附剂规格见表1。其中，第一级VSA选用活性炭为疏水性吸附剂，第二级VSA中选用13X沸石分子筛为活性剂。

表1

第一级真空变压吸附操作步骤及结果描述如下：

第一级VSA采用三床9步的循环步骤，见图2。详细操作过程如下：

（1）第一步中1号床进行进气步骤，同时3号床进行解吸步骤。2号床轮空，为等待状态；

（2）第二步中1号床与2号床之间进行系统平衡，而3号床继续进行第一步中的解吸步骤；

（3）第三步中1号床与3号床之间进行系统平衡，而2号床为压力平衡步骤。第三步骤的时间非常短。

（4）前三个步骤完成了1号床的进气吸附和3号床的解吸步骤。紧接着第四步至第六步与第一至第三步骤相类似，发生同样的进气吸附、解吸和压力平衡步骤，只不过发生在不同的吸附床上。

（5）第四步至第六步骤完成了2号床的进气和1号床的解吸步骤。同样，第七至第九步完成了3号床的进气和2号床的解吸步骤。

（6）九个步骤之后，完成了三个吸附床分别的吸附和解吸步骤，接着进行下一轮循环操作。

本发明设计图2这样的三床9步循环设计的优点是：第一，增加了系统平衡和压力平衡步骤，可以提高CO₂的纯度，且节省能量消耗；第二，第一步、第四步和第九步中同时进行进气和解吸的操作，可以提高CO₂的分离效率。否则，如果只用单床操作，只能在吸附步骤结束之后再进行解吸步骤，会降低设备的利用率和CO₂的分离效率。

第一级VSA中的进气时间和解吸时间，以及吸附结果见表2。表中的CO₂纯度为水蒸气冷凝后的测试结果，表中P_L代表最低解吸压力值。

表2

由表2可见，当解吸压力为2.5kPa时，可以分离出浓度为70.38%的CO₂，此时CO₂的回收率为91.29%。随着解吸压力的升高，CO₂的纯度逐渐减小，这是我们所期望的。当解吸压力为5kPa时，CO₂的纯度仍可达57.51%。

第二级真空变压吸附操作步骤及结果描述如下：

第二级VSA采用双床6步的VSA循环设计，见图3。详细操作过程如下：

（1）第一步中1号床进行进气步骤，同时2号床进行解吸步骤；

（2）第二步中1号床与2号床之间进行系统平衡；

（3）第三步中1号床进行解吸步骤，而二号床为压力平衡步骤。

（4）紧接着第四步至第六步与第一至第三步骤相似，只不过不同步骤发生在互换的吸附床上。第二至第四步完成的是1号床的解吸和2号床的吸附，反过来第五至循环回来的第一步完成的是2号床的解吸和1号床的吸附步骤，紧接着进行下一轮循环操作。

该循环设计的优点是实现了进气吸附和解吸步骤同时操作的优点。并且因为解吸时间较长而进气时间较短，第三步操作同时实现了延长解吸时间和增加系统的压力平衡。

在本发明中，只有在第一级VSA中CO₂有流失，而第二级VSA中流走的CO₂将被循环利用到第一级进气中。故在第一级VSA中考虑通过控制进气时间从而控制CO₂的回收率。本研究的目的是保证CO₂的回收率在90%以上。

第二级VSA的操作条件详见表3。其中进气CO₂浓度是第一级VSA的产品气与第二级VSA的回收气混合后的浓度值。水蒸气的浓度仍为50°C下的饱和水蒸气浓度，其他的大部分水蒸气都在第一级VSA中冷凝。在第二级VSA中通过调节解吸时间使得最低解吸压力为10kPa。三种不同发明条件的区别之一是进气CO₂浓度不同。区别之二是因为进气流速不同，为了保证较高CO₂纯度，在较小进气流速的发明条件中减小了吸附床的高度。

表3

最终三种不同实施例条件下的二级VSA结果分别见图4、图5和图6。可见，三种操作情况下都可以在第二级VSA中得到纯度大于99%的CO₂。由于第二级VSA中CO₂回收率为100%，故最终二级VSA中的CO₂回收率为第一级VSA中的数值，均大于90%。

上述实施例并非具体实施方式的穷举，还可有其他的实施例，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，所有由本发明简单变化而来的应用均落在本发明的保护范围内。

此专利说明书使用实例去展示本发明，其中包括最佳模式，并且使熟悉本领域的技术人员制造和使用此项发明。此发明可授权的范围包括权利要求书的内容和说明书内的具体实施方式和其它实施例的内容。这些其它实例也应该属于本发明专利权要求的范围，只要它们含有权利要求相同书面语言所描述的技术特征，或者它们包含有与权利要求无实质差异的类似字面语言所描述的技术特征。

所有专利，专利申请和其它参考文献的全部内容应通过引用并入本申请文件。但是如果本申请中的一个术语和已纳入参考文献的术语相冲突，以本申请的术语优先。

本文中公开的所有范围都包括端点，并且端点之间是彼此独立地组合。

需要注意的是，“第一”，“第二”或者类似词汇并不表示任何顺序，质量或重要性，只是用来区分不同的技术特征。结合数量使用的修饰词“大约”包含所述值和内容上下文指定的含义。（例如：它包含有测量特定数量时的误差）

Claims

1.一种多级捕集烟道气中二氧化碳的方法，其特征在于：将烟道气通过至少两组变压吸附装置；每一组吸附装置含有至少一个吸附床；第一级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为疏水性吸附材料；第一级以后的各级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为二氧化碳吸附材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在每一组变压吸附装置中进行气体吸附步骤和气体解吸步骤；所述气体吸附步骤为将烟道气通过变压吸附装置，将二氧化碳吸附在所述变压吸附装置的吸附床的吸附材料上，而未被吸附的废气流出所述吸附床；所述气体解吸步骤为减小所述吸附床中的压力使二氧化碳从吸附材料上解吸出来。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：通过减压装置实现减小所述吸附床中的压力。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：烟道气首先通过含有疏水吸附剂材料的第一级装置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：含高湿水蒸气的烟道气经疏水材料吸附床后，大部分水蒸气穿过吸附床被废气带走，小部分水蒸气被吸附在吸附剂表面，这部分水蒸气在解析过程中同产品气一起被解析下来；含有二氧化碳吸附剂的吸附床中吸附的少量水蒸气也可以随产品气一起被解析下来。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：从每级吸附装置解吸下来的饱和水蒸气因为解析后的温度低于吸附床内时的温度，经冷凝后排除。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：不回收第一级变压吸附装置中产生的尾气，将第一级以后的变压吸附装置产生的尾气送回进气口，与烟道气混合。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将各级变压吸附装置产生的尾气送回进气口，与烟道气混合。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述变压吸附装置的进气方向为从下往上，烟道气由吸附床下方流进，而未被吸附的废气由吸附床上方流出；解吸的方向为从上至下，被解吸出来的气体由吸附床下方流出。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述疏水性吸附材料选自活性炭、活性炭分子筛、活性炭纤维及其组合；所述二氧化碳吸附材料选自13X沸石分子筛、LiX沸石分子筛、CaX沸石分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝、金属有机框架类材料、水滑石类材料及其组合。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第一级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为活性炭，吸附时间为10-20s，解吸时间为10-20s；第一级以后的变压吸附装置的吸附床的吸附材料为13X沸石分子筛，吸附时间为10-20s，解吸时间为10-20s；吸附压力最高为150kPa，最低真空解析压力为2kPa。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将烟道气通过两组变压吸附装置。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：当中烟道气进入含有疏水吸附材料第一组吸附装置的量有两种选择，一种是要保证控制体积浓度小于3%以内的二氧化碳穿过吸附床；另一种情况使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与进气中二氧化碳含量相当，这中情况下使大于3%以后的那部分排出废气重新送到进气口与进气混合。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：从第一组变压吸附装置中解吸下来的部分水蒸气和二氧化碳经过真空解析泵后，95%以上水蒸气会在减压装置内发生冷凝被除去，通过减压装置的全部二氧化碳和小于5%以下的水蒸气又作为进气通过第二组吸附装置。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：穿过第二组吸附装置吸附床的进气有三种选择，一种为控制小于3%以内的二氧化碳穿过吸附床；另一种情况使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与烟道中二氧化碳含量相当，这种情况下使大于3%以后的那部分排出废气重新送到第一组装置的进气口与烟道气混合；第三种情况是使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与第第二组进气中二氧化碳含量相当，这中情况下使二氧化碳浓度大于预定值后的那部分排出废气重新送到第二组装置的进气口与进气混合。

16.根据权利要求1-15任一项所述的方法，其特征在于：所述烟道气含有占总体积5-30%的二氧化碳和5-20%的水蒸气；所述烟道气的温度为20-150°C，流量为50-500L/min。

17.根据权利要求1-15任一项所述的方法，其特征在于：在气体吸附步骤之前还包括烟道气除尘步骤和脱硫脱硝步骤。

18.根据权利要求1-15任一项所述的方法，其特征在于：变压操作是在正压范围之内运行，其压力值为100-300kPa。

19.根据权利要求1-15任一项所述的方法，其特征在于：变压操作是在负压范围之内运行，其压力值为0-100kPa。

20.一种多级捕集烟道气中二氧化碳的系统，其特征在于：包括至少两组变压吸附装置；每一组变压吸附装置含有至少一个吸附床；第一级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为疏水性吸附材料；第一级以后的各级变压吸附装置的吸附床的吸附材料为二氧化碳吸附材料。

21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于：通过管道将第一级以后的变压吸附装置尾气出口与烟道气进气口相连，使第一级以后的变压吸附装置产生的尾气送回进气口，与烟道气混合。

22.根据权利要求20所述的系统，其特征在于：通过管道将各级变压吸附装置尾气出口与烟道气进气口相连，使各级变压吸附装置产生的尾气送回进气口，与烟道气混合。

23.根据权利要求11所述的系统，其特征在于：所述变压吸附装置的进气方向为从下往上，烟道气由吸附床下方流进，而未被吸附的废气由吸附床上方流出；解吸的方向为从上至下，被解吸出来的气体由吸附床下方流出。

24.根据权利要求11所述的系统，其特征在于：所述疏水性吸附材料选自活性炭、活性炭分子筛、活性炭纤维及其组合；所述二氧化碳吸附材料选自13X沸石分子筛、LiX沸石分子筛、CaX沸石分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝、金属有机框架类材料、水滑石类材料及其组合。

25.根据权利要求20-24任一项所述的系统，其特征在于：在所述吸附床的两端都安装了气动转换阀，通过所述气动转换阀的闭合实现不同操作步骤间的互相转换。

26.根据权利要求20-24任一项所述的系统，其特征在于：还包括减压装置，所述减压装置与吸附床相连，用于减小吸附床中的气压。

27.根据权利要求20-24任一项所述的系统，其特征在于：还包括温度传感器、流速计和压力传感器分别安装在不同的单元内检测不同循环条件下的气体温度、流速和压力值。