CN103120886A

CN103120886A - 一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中co2的方法

Info

Publication number: CN103120886A
Application number: CN2013100290211A
Authority: CN
Inventors: 闫云飞; 张力; 张智恩; 鞠顺祥; 杨仲卿; 陈艳容; 唐强; 冉景煜; 蒲舸
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: CN103120886B

Abstract

本发明公开了一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，将余热锅炉的烟气除尘后进入烟气换热器降温；输入中空纤维膜接触器Ⅰ中与吸收液发生化学反应，脱除二氧化碳后直接排入空气；反应后的吸收液输入烟气换热器升温，部分二氧化碳从吸收液中解吸；再输入中空纤维膜接触器Ⅱ，加热分离出二氧化碳；脱除二氧化碳后的吸收液返回吸收液箱，循环利用；脱除后含有少量水蒸气的二氧化碳经二氧化碳冷却器冷凝，进入气液分离器分离出高浓度的二氧化碳，并储存。本发明具有二氧化碳高脱除率，余热利用充分，节约能源，再生能耗低，再生的二氧化碳纯度高，易放大等显著优点,在电厂及其他工业上有很好的应用前景。

Description

一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO2的方法

技术领域

本发明涉及化工分离领域，尤其涉及一种膜吸收法脱除烟气中二氧化碳的方法。

背景技术

近年来，随着温室效应的加剧，减少以CO₂为主的温室气体排放受到世界各国与学术界的密切关注。而针对燃煤电厂尾部烟气中大量的CO₂进行吸收处理也尤为重要。现今工业上分离烟气中CO₂的方法众多，包括吸收、吸附、膜分离、低温蒸馏等传统技术。吸收法分离回收CO₂的纯度高达99.9％以上，技术上已经成熟，而膜分离法能耗较低，所以一种将膜基气体分离与化学吸收法相结合的膜吸收耦合技术，因其具有气液接触面积大、传质速率快、无雾沫夹带、操作弹性大和设备紧凑等优势备受关注，并具备良好的发展前景。相对于传统的分离方法，膜吸收法是一种高效、低成本的烟气处理方法。

目前，膜接触器已广泛应用于医疗和污水净化等工业领域。膜组件由大量的膜材料（如平板薄膜或膜管等）组成膜芯，再和壳体、接口和固定件等元件，按照一定的技术条件要求组成。膜组件按结构可分为圆管式和平板式两种型式。而圆管式又分为管式、毛细管式和中空纤维膜式三种结构。中空纤维膜组件除具备了管式膜组件流动状态好，流速易控制，安装、拆卸、换膜和维修方便等特点外，还具有耐高压，单位体积内的有效膜表面积比率高，使用寿命长等优点，可做成一种效率高、成本低、体积小和重量轻的膜分离装置。因此，中空纤维膜接触器得到了广泛应用。

膜吸收法中的气体和吸收液不直接接触，气液两相界面是固定的，且两者分别在微孔膜两侧流动。膜本身对气体没有选择性，只起到隔绝气体和吸收液的作用，CO₂在浓度梯度作用下经膜扩散到液相侧。理论上膜孔可以允许膜一侧被分离的气体分子不需要很高的压力就可以穿透到膜另一侧，主要依靠吸收剂的选择性而达到分离气体的目的。

目前，国内外基于膜吸收法脱除烟气中二氧化碳的研究多处于基础性研究，系统的能耗大，未对锅炉尾气的余热进行利用。同时吸收液解吸再生过程中存在二氧化碳能耗高，吸收液热化学性质不稳定，脱除效率仅在90%左右等问题。

发明内容

针对现有技术中二氧化碳脱除过程中高能耗问题，本发明的目的在于提供提高二氧化碳的脱除效率和回收纯度的一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，在该方法中采用了一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的系统，该系统包括中空纤维膜接触器Ⅰ、烟气换热器、中空纤维膜接触器Ⅱ、吸收液箱、吸收液输送泵、吸收液过滤器、二氧化碳冷却器和气液分离器；

该方法包括如下步骤：

1）、将余热锅炉的烟气经烟气净化器除尘后，进入烟气换热器降温至30-60℃；

2）、将降温后的烟气输入中空纤维膜接触器Ⅰ，与吸收液在膜组件内逆向流动，烟气中的二氧化碳透过膜孔与吸收液发生化学反应，形成弱连接的化合物，脱除二氧化碳后的烟气直接排入空气；

3）、将中空纤维膜接触器Ⅰ内发生化学反应后的吸收液输入烟气换热器，在烟气换热器内升温到80-100℃，部分二氧化碳从吸收液中解吸；

4）、解吸后的二氧化碳和吸收液输入经蒸汽吹扫的中空纤维膜接触器Ⅱ，进一步加热分离出二氧化碳；

5）、脱除二氧化碳后的吸收液经吸收液输送泵和吸收液过滤器返回吸收液箱，再供中空纤维膜接触器Ⅰ使用，实现吸收液循环利用；

6）、脱除后含有少量水蒸气的二氧化碳经二氧化碳冷却器冷凝，进入气液分离器分离出高浓度的二氧化碳，并储存。

作为本发明的一种优选方案，在步骤5）中，脱除二氧化碳后的吸收液首先经吸收液换热器冷却后输入吸收液输送泵。

作为本发明的另一种优选方案，在步骤6）中，进入气液分离器分离出高浓度的二氧化碳用真空泵抽吸，进行储存。

作为本发明的又一种优选方案，所述中空纤维膜接触器Ⅰ由多个中空纤维膜接触器串联或并联形成。

作为本发明的一种改进方案，所述中空纤维膜接触器Ⅰ和中空纤维膜接触器Ⅱ内的吸收液为单一吸收液甲基二乙醇胺或由乙醇胺和2-氨基-2-甲基-1-丙醇组成的混合吸收液。

作为本发明的另一种改进方案，所述中空纤维膜接触器Ⅰ和中空纤维膜接触器Ⅱ内的膜材料为表面覆盖一层薄且致密的可渗透层改性后的聚丙烯或聚四氟乙烯，且为非对称疏水性中空纤维膜，膜组件内部每根膜丝内径为0.3-0.9mm，外径为0.4-1.5mm，孔径为0.1-0.2

Figure 2013100290211100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001

，孔隙率为40-80%。

作为本发明的又一种改进方案，在步骤4）中，蒸汽来源于蒸汽发生器，且温度为75-85℃。

与现有技术相比，本发明的一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，具有如下优点：

1、本方法将锅炉排放的高温烟气通入烟气换热器对富含二氧化碳的吸收液进行加热解吸，充分利用了烟气的余热，节省了能源。

2、中空纤维膜接触器Ⅰ采用多个串联或并联的形式排列，将脱除效率从90%提高至95%以上，减少了二氧化碳的排空，并且更易放大。

3、将中空纤维膜接触器Ⅰ内发生化学反应后的吸收液通过烟气换热器进行初次升温解吸，然后进入中空纤维膜接触器Ⅱ加热并解吸出二氧化碳，提高了二氧化碳的解吸效率，降低了脱除二氧化碳所需能耗，提高了吸收液的纯度和热化学稳定性，以备循环利用。

4、中空纤维膜为聚丙烯、聚四氟乙烯等具有低表面能和高疏水性的膜材料，膜表面覆盖一层薄且致密的可渗透层修饰，显著减轻了膜的润湿性。

5、中空纤维膜接触器内部错流结构保证了流体的均匀分布，增加了气液的反应时间，解决了传质效率较低等问题。

6、采用低温蒸汽作为吹扫气，容易得到且避免了对膜材料的腐蚀问题，同时与二氧化碳分离简单，降低了脱除二氧化碳的吸收液所需能耗；冷却后进入气液分离器分离，同时采用真空泵进行抽吸，提高了二氧化碳的纯度。

7、气液分离器中分离出的水，返回到蒸汽发生器，作为其一部分水源，提高了水的回收利用。

附图说明

图1为一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的系统的结构示意图。

附图中： 1—中空纤维膜接触器； 2—中空纤维膜接触器； 3—烟气换热器； 4—中空纤维膜接触器Ⅱ； 5—二氧化碳冷却器； 6—气液分离器； 7—真空泵； 8—蒸汽发生器； 9—吸收液换热器； 10—吸收液输送泵； 11—吸收液过滤器； 12—吸收箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，在该方法中采用了一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的系统。一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的系统的结构如图1所示，该系统包括中空纤维膜接触器Ⅰ、烟气换热器3、中空纤维膜接触器Ⅱ4、吸收液箱12、吸收液输送泵10、吸收液过滤器11、二氧化碳冷却器5、气液分离器6、真空泵7、蒸汽发生器8和吸收液换热器9。其中，中空纤维膜接触器Ⅰ可由多个中空纤维膜接触器串联或并联形成，本实施例中，中空纤维膜接触器Ⅰ由中空纤维膜接触器1和中空纤维膜接触器2串联形成，以实现系统处理能力的放大。

一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法包括如下步骤：

1）、余热锅炉烟气温度为170-200℃，经烟气净化器除尘后，进入烟气换热器3降温至30-60℃。

2）、将降温后的烟气输入中空纤维膜接触器Ⅰ（即送入串联的中空纤维膜接触器1和中空纤维膜接触器2），与吸收液在膜组件（膜组件为现有技术，再次不再赘述）内逆向流动，烟气中的二氧化碳透过膜孔与吸收液发生化学反应，形成弱连接的化合物，脱除二氧化碳后的烟气直接排入空气。

3）、将中空纤维膜接触器Ⅰ内发生化学反应后的吸收液输入烟气换热器3，在烟气换热器3内升温到80-100℃，部分二氧化碳从吸收液中解吸。

4）、解吸后的二氧化碳和吸收液输入经蒸汽吹扫的中空纤维膜接触器Ⅱ4，进一步加热分离出二氧化碳。

5）、脱除二氧化碳后的吸收液首先经吸收液换热器9冷却后，然后经吸收液输送泵10和吸收液过滤器11返回吸收液箱12，再供中空纤维膜接触器1和中空纤维膜接触器2使用，实现吸收液循环利用。

6）、脱除后含有少量水蒸气的二氧化碳经二氧化碳冷却器5冷凝，进入气液分离器6分离出高浓度的二氧化碳，用真空泵抽吸、储存。

烟气换热器中热流体为经烟气净化器处理后具有一定温度（170-200℃）的烟气，烟气换热器中冷流体为含有二氧化碳的吸收液。吸收液为单一吸收液甲基二乙醇胺（MDEA）或由乙醇胺（MEA）和2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）组成的混合吸收液。中空纤维膜接触器1、中空纤维膜接触器2和中空纤维膜接触器Ⅱ4内的膜材料为表面覆盖一层薄且致密的可渗透层改性后，低成本的聚丙烯（PP）或稳定性最强的聚四氟乙烯（PTFE），且为非对称疏水性中空纤维膜，膜组件内部每根膜丝内径为0.3-0.9mm，外径为0.4-1.5mm，孔径为0.1-0.2

Figure DEST_PATH_247963DEST_PATH_IMAGE001

，孔隙率为40-80%。中空纤维膜接触器Ⅱ4中吹扫气氛为水蒸汽，对膜材料无腐蚀性，无污染，安全可靠，也易得到。水蒸汽来源于蒸汽发生器8，温度为75-85℃（80℃左右）；气液分离器6中分离出的水，返回到蒸汽发生器，作为其一部分水源，实现了凝结水的循环利用。

本方法将锅炉排放的高温烟气通入烟气换热器对富含二氧化碳的吸收液进行加热解吸，充分利用了烟气自身的热量。同时串联连接形式的中空纤维膜接触器Ⅰ吸收二氧化碳，将脱除效率从90%提高至95%以上，减少了二氧化碳的排放。富含二氧化碳的吸收液通过烟气换热器进行初次升温解吸，然后在中空纤维膜接触器Ⅱ4中再次被低温蒸汽吹扫、加热，进一步提高了二氧化碳的解吸效率和吸收液的纯度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，其特征在于：在该方法中采用了一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的系统，该系统包括中空纤维膜接触器Ⅰ、烟气换热器（3）、中空纤维膜接触器Ⅱ（4）、吸收液箱（12）、吸收液输送泵（10）、吸收液过滤器（11）、二氧化碳冷却器（5）和气液分离器（6）；

该方法包括如下步骤：

1）、将余热锅炉的烟气经烟气净化器除尘后，进入烟气换热器（3）降温至30-60℃；

3）、将中空纤维膜接触器Ⅰ内发生化学反应后的吸收液输入烟气换热器（3），在烟气换热器（3）内升温到80-100℃，部分二氧化碳从吸收液中解吸；

4）、解吸后的二氧化碳和吸收液输入经蒸汽吹扫的中空纤维膜接触器Ⅱ（4），进一步加热分离出二氧化碳；

5）、脱除二氧化碳后的吸收液经吸收液输送泵（10）和吸收液过滤器（11）返回吸收液箱（12），再供中空纤维膜接触器Ⅰ使用，实现吸收液循环利用；

6）、脱除后含有少量水蒸气的二氧化碳经二氧化碳冷却器（5）冷凝，进入气液分离器（6）分离出高浓度的二氧化碳，并储存。

2.根据权利要求1所述的一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，其特征在于：在步骤5）中，脱除二氧化碳后的吸收液首先经吸收液换热器（9）冷却后输入吸收液输送泵（10）。

3.根据权利要求1所述的一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，其特征在于：在步骤6）中，进入气液分离器（6）分离出高浓度的二氧化碳用真空泵（7）抽吸，进行储存。

4.根据权利要求1所述的一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，其特征在于：所述中空纤维膜接触器Ⅰ由多个中空纤维膜接触器串联或并联形成。

5.根据权利要求1所述的一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，其特征在于：所述中空纤维膜接触器Ⅰ和中空纤维膜接触器Ⅱ（4）内的吸收液为单一吸收液甲基二乙醇胺或由乙醇胺和2-氨基-2-甲基-1-丙醇组成的混合吸收液。

6.根据权利要求1所述的一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，其特征在于：所述中空纤维膜接触器Ⅰ和中空纤维膜接触器Ⅱ（4）内的膜材料为表面覆盖一层薄且致密的可渗透层改性后的聚丙烯或聚四氟乙烯，且为非对称疏水性中空纤维膜，膜组件内部每根膜丝内径为0.3-0.9mm，外径为0.4-1.5mm，孔径为0.1-0.2

Figure 2013100290211100001DEST_PATH_IMAGE001

，孔隙率为40-80%。

7.根据权利要求1所述的一种中空纤维疏水膜高效脱除烟气中CO₂的方法，其特征在于：在步骤4）中，蒸汽来源于蒸汽发生器（8），且温度为75-85℃。