CN103127800A - 一种高效co2吸收分离装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种高效CO₂吸收分离装置，包括：筒体，所述筒体顶部设有出气口，所述筒体的侧上部设有开口；同流腔管，所述同流腔管穿过所述开口伸入所述筒体内部，所述同流腔管的垂直段端口设置在所述筒体底部中央的上方；气液混合室，为一筒形结构，位于所述筒体的底部；涡轮旋转锥，设置在所述垂直段端口正下方，所述涡轮旋转锥位于所述气液混合室的中央；文丘里集群孔板，水平布置在所述同流腔管的垂直段端口的上方，其内缘与所述同流腔管的下部外壁无缝连接，其外缘与所述气液混合室的内壁无缝连接；气液分离导流板，位于所述筒体的上部，其内缘与所述同流腔管的外壁无缝连接，其外缘与所述筒体的内壁无缝连接。

Description

一种高效CO2吸收分离装置及方法

技术领域

本发明涉及石油气/煤气/烟气中二氧化碳的捕集分离领域，尤其涉及一种高效CO₂捕集分离装置及方法。

背景技术

油气田、煤气田从地下提采出来的天然气/煤气，及燃料燃烧产生的烟气中含有二氧化碳，现世界范围内都在采取办法把CO₂捕集分离出来或利用或液化注入地层深处掩埋，以减少排放大气，降低温室效应。目前，多采用传统捕集分离CO₂技术为：利用碱性乙醇胺溶液与酸性二氧化碳发生可逆反应，即碱性胺溶液在40～55℃左右吸收CO₂，生成水溶性盐；吸收CO₂后的富胺液升温至90～110℃左右发生逆向反应，解析出CO₂，解析后的贫胺液降温后再次进入吸收CO₂程序，如此循环捕集分离CO₂。实施该技术设备内置多段填料，形成多段吸收CO₂结构的吸收塔，待分离净化烟气由吸收塔底部进入吸收塔上行，碱性乙醇吸收液自吸收塔顶喷淋而下。气液两相逆向而行，通过填料层表面形成的液膜与气体在填料层空隙中曲折上行时两相接触发生化学反应，把CO₂吸收到胺液中去。填料层形成的液膜面积越大，则气液两相的接触反应吸收CO₂量越快，为确保煤气中CO₂气相杂质得到足够量的去除效果，通常所要填料层高度较高。辽河油田和克拉玛依煤气田，对＜48％CO₂浓度的原煤气进行CO₂捕集分离所用吸收塔高度在120米以上，可见其建设投资居高不下，建设难度也较高的。在国际上对CO₂捕集分离吸收塔高，吸收容量低的情况有所技术上的突破，据《天然气化工》杂志2011年4月第55页钱佰章报道称，美国westec环境解决方案有限公司于2010年10月研制出一种新的气液吸收技术，并与澳大利亚加工集团合作联合开发生产一种叫“多相接触器”的CO₂吸收装备——WES吸收器，它在吸收器内每0.5米高的单级段层就有10个理论传质段，从而大大地提高吸收效果，在同等条件下可降低吸收塔高度50％，提高了溶剂吸收CO₂负荷量，但是其技术十分复杂。综上所述，国内外普遍存在着CO₂捕集分离装置或设备——吸收塔高，吸收负荷量低并由此带来建设投资较大，建设难度也较大的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种高效CO₂吸收分离装置，包括：

筒体，所述筒体顶部设有出气口，所述筒体的侧上部设有开口；

同流腔管，所述同流腔管穿过所述开口伸入所述筒体内部，所述同流腔管的垂直段端口设置在所述筒体底部中央的上方；

气液混合室，为一筒形结构，位于所述筒体的底部；

涡轮旋转锥，设置在所述垂直段端口正下方，所述涡轮旋转锥位于所述气液混合室的中央；

文丘里集群孔板，水平布置在所述同流腔管的垂直段端口的上方，其内缘与所述同流腔管的下部外壁无缝连接，其外缘与所述气液混合室的内壁无缝连接；

气液分离导流板，位于所述筒体的上部，其内缘与所述同流腔管的外壁无缝连接，其外缘与所述筒体的内壁无缝连接。

优选地，所述文丘里集群孔板为布设有通孔的中厚板，所述通孔直径小于0.5mm。

优选地，所述文丘里集群孔板上的通孔均匀布设，所述文丘里集群孔板的通透率为20～50％。

优选地，所述气液分离导流板，由多层底边折边带钩形的薄片排列而成的组件形成。

优选地，所述筒体直径为3.5～4.5m，高度为18～22m。

优选地，所述同流腔管由水平段、拐弯段和垂直段依次连接组成。

本发明提供了一种CO₂吸收分离方法，包括如下步骤：

步骤S10：将以气雾和液流形态混合的乙醇胺溶剂与含有CO₂的化工煤气一同输入所述同流腔管，形成气溶胶气液同向流，对CO₂进行第一次流捕集分离；

步骤S20：气溶胶气液同向流从所述同流腔管的垂直段端口冲出，进入所述气液混合室并带动所述涡轮旋转锥旋转，加强混合乙醇胺溶剂对CO₂的捕集分离，对CO₂进行第二次流捕集分离；

步骤S30：气液混合室中的气液混合物液位上升，穿越所述文丘里集群孔板，在穿越过程中，对CO₂进行第三次流捕集分离；

步骤S40：气液混合物通过所述气液分离导流板(4)，对CO₂进行第四次流捕集分离后，气体通过所述开口(51)排出筒体。

优选地，步骤S40后还包括如下步骤S50：充分吸收CO₂的饱和态溶剂通过所述出筒体底部的排液管排出筒体。

本发明提供的分离装置，强制增大气液两相之间的接触面积和CO₂向液相溶剂的扩散传质的强度，提高溶剂的吸收负荷量，从而使吸收装置高度下降75％，建设投资下降30％以上。

本发明提供的分离方法，简单实用，效率高。

附图说明

图1为本发明提供的CO₂吸收分离装置的结构示意图；

图2为本发明提供的CO₂吸收分离装置的气液分离导流板的结构示意图。

附图标记分述如下：

1-同流腔管；11-垂直段端口；12-拐弯段；13-垂直段；14-水平段；2-气液混合室；22-涡轮旋转锥；3-文丘里集群孔板；4-气液分离导流板；5-筒体；51-开口；52-出气口。

具体实施方式

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、手段、化合物未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

如图1所示，本发明创造提供的高效CO₂吸收分离装置，包括：筒体5，筒体5顶部设有出气口52，筒体5的侧上部设有开口51；同流腔管1，同流腔管1穿过开口51伸入筒体5内部，同流腔管1的垂直段端口11设置在筒体5底部中央的上方；气液混合室2，为一筒形结构，位于筒体5的底部；涡轮旋转锥22，设置在垂直段端口11正下方，涡轮旋转锥22位于气液混合室2的中央；文丘里集群孔板3，水平布置在同流腔管1的垂直段端口11的上方，其内缘与同流腔管1的下部外壁无缝连接，其外缘与气液混合室2的内壁无缝连接；气液分离导流板4，位于筒体5的上部，其内缘与同流腔管1的外壁无缝连接，其外缘与筒体5的内壁无缝连接。

涡轮旋转锥22，其叶片形状，可以类似离心水泵及风机叶轮的线型结构，衍设在正对同流腔管1垂直段端口11的下方。

文丘里集群孔板3为布设有通孔的中厚板，通孔直径小于0.5mm。

文丘里集群孔板3上的通孔均匀布设，文丘里集群孔板3的通透率为20～50％。

如图所2所示，气液分离导流板4，由多层底边折边带钩形的薄片排列而成的组件形成。一般地，气液分离导流板4是由底边折边带钩形的薄片按一定间距及倾斜度规则整齐排列组合而成的组件，布置有多层。

筒体5直径为3.5～4.5m，高度为18～22m。

筒体5是带底的筒壳体，筒径略大于气液混流室2筒体的外缘直径，筒体5底部还设有排液管。

同流腔管1由水平段11、拐弯段12和垂直段13三部分平滑过渡依次连接组成。一般地，拐弯段12为90°拐弯。同流腔管1通常制作成圆截面型，也可制作成方形或其他形状，其水平段14和垂直段12的长度视建设环境可设置不同比例的长度，甚至可去消90°拐弯段12和水平段14，仅保留垂直段13。

一种CO₂吸收分离方法，包括如下步骤：

步骤S10：将以气雾和液流形态混合的乙醇胺溶剂与含有CO₂的化工煤气一同输入同流腔管1，形成气溶胶气液同向流，对CO₂进行第一次流捕集分离；

含CO₂烟气汇同吸收CO₂溶剂以气雾和液流形态一并从同流腔管1输入，形成气溶胶气液同向流，同流腔管1内有比表面积很大的溶剂气雾均匀分散在烟气中，使烟气中的CO₂与溶剂气雾发生很大面积接触，并持续整个同流腔管1的流程中，这就是溶剂的气溶胶同向流捕集分离CO₂技术手段。

步骤S20：气溶胶气液同向流从同流腔管1的垂直段端口11冲出，进入气液混合室2并带动涡轮旋转锥22旋转，加强混合乙醇胺溶剂对CO₂的捕集分离，对CO₂进行第二次流捕集分离；

气溶胶气液同流物和液相溶剂从同流腔管1的垂直段端口11以一定流速下行冲出进入气液混合室2，首先受到涡轮旋转锥22上的叶片的阻挡，气液混合物的动能一部分转化为推动涡轮旋转锥22的力，使之形成惯性旋转，反之气液混合流也一并随之转动并产生加速运动，形成超重力并由此加强了气液的混合和溶剂对CO₂的捕集分离，其中一部分溶剂气雾在惯性的重力作用下凝聚成液态与原吸吸液相溶剂一并积存在气液混合室2，使气液混合室2内液位升高并透过文丘里集群孔板3。

步骤S30：气液混合室2中的气液混合物液位上升，穿越文丘里集群孔板3，在穿越过程中，对CO₂进行第三次流捕集分离；

气液混合室2内的液位不断上溢，气液混合物又不断冲入气液混合室2，并受挡折返上升，穿越唯一通道——文丘里集群孔板3，气液混合物同时穿越文丘里集群孔板3的各个细微通孔时流速上升压力下降，CO₂气体和吸收溶剂的挤压却增强，又一次加强了CO₂向溶剂的扩散传质。

步骤S40：气液混合物通过气液分离导流板4，对CO₂进行第四次流捕集分离后，气体通过开口51排出筒体5；

气液混合物同时穿越文丘里集群孔板3后，液相溶剂则滞留在文丘里集群孔板3上形成溶剂介质过滤层，它不断形成又不断径向外流溢出气液混合室2筒体上沿，最终趟入筒体5的底部，而气液混合物中的烟气则被文丘里集群孔板3切割成具有最大比表面积的无数细微气柱，并保持原速度上升穿越文丘里集群孔板3上的溶剂介质过滤层，受到充分过滤清洗，烟气中的CO₂以细微气柱半径短的扩散距离，极强的传质效果充分向溶剂过滤层扩散传质而被充分捕集分离；

经过CO2捕集分离技术手段净化后的烟气，还可能带有少量的液滴或液雾，在其上升进入气液分离导流板4内弯曲上行，由于上升流动惯性作用，密度相对高的液滴液雾将粘附到气液分离导流板4面上，集成液膜滴淌入气液分离导流板4下方的倒钩槽内集聚成流，沿筒体5的内壁流淌至底部，而充分被捕集分离除去CO2的烟气继续上升从筒体5上部出气口52排走。

步骤S50：充分吸收CO₂的饱和态溶剂通过出筒体5底部的排液管排出筒体5。

采用配方乙醇胺吸收溶剂对煤气中40％含量的CO₂进行捕集分离，这种高效CO₂捕集分离装置底面尺寸为3.5～4.5m×3.5～4.5m，装置组成的吸收CO₂塔高约为18～22m。

相对国内传统多层填料CO₂吸收塔对40％左右CO₂含量的化工煤气进行CO₂捕集分离，其吸收塔直径3.6m，高120m，相对本发明将使吸收塔高降低75％以上，投资建设费用降低30％以上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高效CO₂吸收分离装置，其特征在于，包括：

筒体(5)，所述筒体(5)顶部设有出气口(52)，所述筒体(5)的侧上部设有开口(51)；

同流腔管(1)，所述同流腔管(1)穿过所述开口(51)伸入所述筒体(5)内部，所述同流腔管(1)的垂直段端口(11)设置在所述筒体(5)底部中央的上方；

气液混合室(2)，为一筒形结构，位于所述筒体(5)的底部；

涡轮旋转锥(22)，设置在所述垂直段端口(11)正下方，所述涡轮旋转锥(22)位于所述气液混合室(2)的中央；

文丘里集群孔板(3)，水平布置在所述同流腔管(1)的垂直段端口(11)的上方，其内缘与所述同流腔管(1)的下部外壁无缝连接，其外缘与所述气液混合室(2)的内壁无缝连接；

气液分离导流板(4)，位于所述筒体(5)的上部，其内缘与所述同流腔管(1)的外壁无缝连接，其外缘与所述筒体(5)的内壁无缝连接。

2.根据权利要求1所述的高效CO₂吸收分离装置，其特征在于，所述文丘里集群孔板(3)为布设有通孔的中厚板，所述通孔直径小于0.5mm。

3.根据权利要求2所述的高效CO₂吸收分离装置，其特征在于，所述文丘里集群孔板(3)上的通孔均匀布设，所述文丘里集群孔板(3)的通透率为20～50％。

4.根据权利要求2所述的高效CO₂吸收分离装置，其特征在于，所述气液分离导流板(4)，由多层底边折边带钩形的薄片排列而成的组件形成。

5.根据权利要求2所述的高效CO₂吸收分离装置，其特征在于，所述筒体(5)直径为3.5～4.5m，高度为18～22m。

6.根据权利要求2所述的高效CO₂吸收分离装置，其特征在于，所述同流腔管(1)由水平段(14)、拐弯段(12)和垂直段(13)依次连接组成。

7.一种CO₂吸收分离方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S10：将以气雾和液流形态混合的乙醇胺溶剂与含有CO₂的化工煤气一同输入所述同流腔管(1)，形成气溶胶气液同向流，对CO₂进行第一次流捕集分离；

步骤S20：气溶胶气液同向流从所述同流腔管(1)的垂直段端口(11)冲出，进入所述气液混合室(2)并带动所述涡轮旋转锥(22)旋转，加强混合乙醇胺溶剂对CO₂的捕集分离，对CO₂进行第二次流捕集分离；

步骤S30：气液混合室(2)中的气液混合物液位上升，穿越所述文丘里集群孔板(3)，在穿越过程中，对CO₂进行第三次流捕集分离；

步骤S40：气液混合物通过所述气液分离导流板(4)，对CO₂进行第四次流捕集分离后，气体通过所述开口(51)排出筒体(5)。

8.根据权利要求7所述的CO₂吸收分离方法，其特征在于，步骤S40后还包括如下步骤：

步骤S50：充分吸收CO₂的饱和态溶剂通过所述出筒体(5)底部的排液管排出筒体(5)。

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