CN103277980A

CN103277980A - 一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置

Info

Publication number: CN103277980A
Application number: CN2013102341491A
Authority: CN
Inventors: 李舒宏; 李献亮; 张小松; 丁洁
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-13
Also published as: CN103277980B

Abstract

本发明公布了一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，本发明结合了二氧化碳及相关混合物的物理性质的研究，通过低温的方式首先进行气液分离，得到部分液态二氧化碳，气液分离之后，对剩余的混合气体继续降温凝华分离二氧化碳，凝华后的干冰收集到冷凝池里，其压力控制在二氧化碳的三相点压力之上，使凝华分离得到的干冰升温后直接融化为液态而非升华为气体。分离出二氧化碳的混合气体，再经过双级精馏塔分离出氮气和氧气，整个系统通过合理的设计充分回收了氮气冷量；排出的氧气直接导入锅炉内进行富氧燃烧。本装置有效的提高了二氧化碳的捕集纯度、增加了二氧化碳的捕集率，同时弥补了部分富氧燃烧系统中所需氧气的制取能耗高的缺点，提高了系统的冷量回收率。

Description

一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置

技术领域

本发明将富含二氧化碳的原料气通过压缩、冷却方式将其中大部分的二氧化碳液化进行初步分离，之后将液化分离后的气体进行进一步的冷却，通过低温凝华的方式分离出来，属于制冷与低温技术领域。

背景技术

快速的工业发展进程给人们带来便捷生活的同时也给人们带来巨大的环境问题，据美国能源部统计，每年因燃烧化石燃料而排放的二氧化碳达到300亿吨以上，而且还在不断增长。二氧化碳的过量排放会导致一系列环境问题，2012年北极海冰面积打破最低记录；据政府间气候变化专门委员会(IPCC)预测，2100年的大气中二氧化碳的浓度可达570ppm，会导致全球平均气温上升1.9℃，与此同时海平面将上升3.8m。

另一方面，二氧化碳是一种非常宝贵的资源,具有较高的民用和工业价值,现已广泛用于食品工业、化学工业、机械工业、农业、商业、运输、石油开采、国防、消防等部门。主要包括物理利用及化学利用：二氧化碳的主要物理用途包括用于干冰、超临界萃取溶剂、饮料和啤酒的添加剂、灭火剂、香料和药物的提取剂、清洗剂、用于烟丝膨胀、代替氯氟烃用作发泡剂、气体肥料以及用于强化石油开采（EOR）等；其化学应用主要是以二氧化碳为原料可生产多种有机和无机化工产品，主要是生产尿素、纯碱和碳酸氢铵。

富氧燃烧是一种捕集二氧化碳的重要技术路线，其吸引力在于可以较为简单的分离二氧化碳，不需要溶剂；系统设备的尺寸也相对较小，可以在原有工厂中直接改进；有利于燃烧反应完全；所需空气量减少，使得烟气量也减少，并且使其浓度提升，便于高效处理。但由于使用纯氧燃烧会导致锅炉内温度较高，应注意燃烧器采用耐高温材料，为改进这一点，采用混合空气与氧气的方法进行部分富氧燃烧，一方面降低温度，另一方面减少制氧能耗。但是部分富氧燃烧仍然存在一些缺点，如空分制取氧气能耗依旧较大；二氧化碳的捕集率并不是很高，并且排放到空中的二氧化碳浓度也较大，可达20%以上。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，该装置主要针对部分富氧燃烧烟气的二氧化碳捕集分离，提高二氧化碳的捕集纯度、增加二氧化碳的捕集率；同时，该装置将氮氧分离与二氧化碳捕获相结合，回收部分氧气，减小了富氧燃烧中制氧单元的能耗与规模。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，它包括了依次连接的过滤器、吸附器、干燥器、第一换热器、压缩机和第二换热器；所述的第二换热器的出口与第三换热器的三号原料气入口连接，第三换热器的接口还包括三号原料气出口，所述的三号原料气出口与第四换热器的入口连接，第四换热器的出口与第五换热器的五号原料气入口连接；所述的第五换热器的接口还包括五号液体二氧化碳入口、五号液体二氧化碳出口和五号原料气出口，所述的五号原料气出口与气液分离塔的气液分离塔原料气入口连接；所述的气液分离塔的接口还包括了气液分离塔二氧化碳出口和精馏塔塔顶气体回收入口，所述的气液分离塔二氧化碳出口与一号泵入口连接，一号泵的出口与精馏塔的精馏塔二氧化碳入口连接，所述的精馏塔的接口还包括精馏塔二氧化碳出口和精馏塔塔顶气体出口，精馏塔塔顶气体出口与气液分离塔的气体回收入口连接，精馏塔二氧化碳出口与五号液态二氧化碳入口连接，五号液态二氧化碳出口与二号泵入口连接，二号泵的出口与储液器连接。

其中，所述的第三换热器的接口还包括三号氮氧气分离入口和三号氮氧气分离气出口；所述的气液分离塔的接口还包括气液分离塔氮氧气出口、气液分离塔氮氧气入口、气液分离塔混合气出口；其中，三号氮氧气分离入口与气液分离塔氮氧气出口连接；所述的气液分离塔的气液分离塔混合气出口与凝华分离塔的凝华分离塔混合气入口连接，所述的凝华分离塔的接口还包括凝华分离塔氮氧气入口、凝华分离塔氮氧气出口、凝华分离塔二氧化碳出口和凝华分离塔混合气出口；所述的凝华分离塔氮氧气出口与气液分离塔氮氧气入口连接，凝华分离塔氮氧气入口与双级精馏塔的出口连接，凝华分离塔二氧化碳出口与五号液体二氧化碳入口连接，所述的凝华分离塔混合气出口与膨胀机的入口连接，膨胀机的出口与双级精馏塔的入口连接。

其中，所述的五号原料气出口通过管道经过凝华分离塔的冷凝池与气液分离塔的气液分离塔原料气入口连接。

其中，所述的膨胀机为低温透平膨胀机。

其中，凝华分离塔的制冷设备为复叠式制冷机。

其中，凝华分离塔内部的换热器外表面设有电动旋转刮刀。

本发明将原料气首先依次通过过滤器、吸附器和干燥器，使原料气在捕集分离二氧化碳之前先进行干燥、净化。接着通过多次低温处理装置，通过气液分离塔将原料气分离出液态二氧化碳，之后继续降温凝华分离出干冰。通过凝华分离之后的气体，混合气体中含有二氧化碳的含量较低，确保不产生干冰损坏设备，通过双级精馏塔将混合气分离出氮气和氧气且气体带有冷量，通过第三换热器将冷量传递给原料气，分离出的氧气可直接导入锅炉提供燃烧。该装置结构简单、收集的二氧化碳纯度高、节能。

有益效果：（1）该系统二氧化碳捕集率较高，分离得到的二氧化碳纯度较高，在一些领域可直接应用，分离处理后气体基本实现二氧化碳零排放；

（2）与得到气态二氧化碳产物的传统方法相比，捕获后的二氧化碳为液体，可以直接用泵增压至溶液储存，节省液化能耗；

（3）凝华分离与氮氧分离相结合，减少了空分过程中一些步骤的重复（如压缩、除杂、脱水等）。

（4）得到了副产品氮气和氧气，氧气可直接导入锅炉，降低了制氧单元的规模。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，它包括了依次连接的过滤器1、吸附器2、干燥器3、第一换热器4、压缩机5和第二换热器6。原料气通过过滤器1、吸附器2和干燥器3，使得原料气在捕集二氧化碳气体之前就先进行干燥、净化；通过过滤器1脱除一些固体杂质，然后通过吸附器2吸收H₂S、NO_X、SO_X等酸性气体，最后通过干燥器3除去水分。假定经过上述初步处理后的原料气中各组分的体积比：氮气15.7%，二氧化碳77.6%，氧气6.7%，0.1MPa，398.15K。

原料气通过压缩机5的作用，使得原料气先进行压缩，然后进入第二换热器6进行水冷作用，将气体预冷到常温，此时的参数变为2MPa，313.15K。第二换热器6的出口与第三换热器7的三号原料气入口连接，第三换热器7的接口还包括三号原料气出口、三号氮氧气分离入口和三号氮氧气分离气出口，三号原料气出口与第四换热器8的入口连接，三号氮氧气分离出口分离出的氮气，通过第三换热器7回收冷量后，回收起来；分离出的氧气直接导入锅炉内燃烧，实现部分富氧燃烧。第四换热器8的出口与第五换热器9的五号原料气入口连接，第五换热器9的接口还包括五号液体二氧化碳入口、五号液体二氧化碳出口和五号原料气出口；五号原料气出口通过管道经过凝华分离塔11的冷凝池与气液分离塔10的气液分离塔原料气入口连接，使得从第五换热器9出来的二氧化碳进一步冷却。经过以上步骤，进入气液分离塔10内进行气液分离。

所述的气液分离塔10的接口还包括了气液分离塔氮氧气出口、气液分离塔氮氧气入口、气液分离塔混合气出口和气液分离塔二氧化碳出口；气液分离塔10的气液分离塔混合气出口与凝华分离塔11的凝华分离塔混合气入口连接，凝华分离塔11的制冷设备为复叠式制冷机，用来提供制冷效果，同时回流的低温流体也起到了制冷的作用，凝华分离塔11内部的换热器外表面安装电动旋转刮刀，将生成的干冰固体刮下。

气液分离塔混合气出口分离出的混合气体的体积比：氮气52%，二氧化碳26%，氧气22%；气液分离塔氮氧气出口与三号氮氧气分离入口连接，将分离出的氮气和氧气导入第三换热器7，充分利用氮气和氧气携带出来的冷量。所述的气液分离塔二氧化碳出口与一号泵14入口连接，一号泵14的出口与精馏塔15的入口连接，使得二氧化碳通过精馏进一步提纯，所述的精馏塔15的接口还包括精馏塔二氧化碳液体出口和精馏塔塔顶出口，精馏塔塔顶出口气体通进气液分离塔10进行进一步的回收分离其中的二氧化碳，精馏塔15的出口与五号液态二氧化碳入口连接，再通过五号液态二氧化碳出口与二号泵16入口连接，二号泵16的出口与储液器17连接，二氧化碳液体经过二号泵16加压到11MPa存储在储液器17。

气液分离塔10的气液分离塔混合气出口与凝华分离塔11的凝华分离塔混合气入口连接，凝华分离塔11的接口还包括凝华分离塔氮氧气入口、凝华分离塔氮氧气出口、凝华分离塔二氧化碳出口和凝华分离塔混合气出口，由于凝华塔的冷凝池内压力高于二氧化碳三相点压力值，使得凝华分离出的干冰融化成液体而非直接升华为气体，并且纯度很高，将融化的二氧化碳液体通过凝华分离塔二氧化碳出口直接与五号液体二氧化碳入口连接进行收集；所述的凝华分离塔氮氧气出口与气液分离塔氮氧气入口连接，凝华分离塔氮氧气入口与双级精馏塔13的出口连接，双级精馏塔13可分离氮气和氧气，氮气和氧气携带的冷量继续供给凝华分离塔11和气液分离塔10所用，所述的凝华分离塔混合气出口与膨胀机12的入口连接，此时的混合气的温度为﹣155.8℃，二氧化碳浓度为1ppm，通过膨胀机12进行低温膨胀，回收膨胀功和冷量，由于此时的二氧化碳的浓度很低，所以不会在膨胀过程形成干冰损坏设备，该装置中膨胀机12采用的是多级的低温透平膨胀机。膨胀机12的出口与双级精馏塔13的入口连接，将处理过的混合气导入双级精馏塔13进行气体分离，分离出氮气和氧气。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，其特征在于：它包括了依次连接的过滤器（1）、吸附器（2）、干燥器（3）、第一换热器（4）、压缩机（5）和第二换热器（6）；所述的第二换热器（6）的出口与第三换热器（7）的三号原料气入口连接，第三换热器（7）的接口还包括三号原料气出口，所述的三号原料气出口与第四换热器（8）的入口连接，第四换热器（8）的出口与第五换热器（9）的五号原料气入口连接；所述的第五换热器（9）的接口还包括五号液体二氧化碳入口、五号液体二氧化碳出口和五号原料气出口，所述的五号原料气出口与气液分离塔（10）的气液分离塔原料气入口连接；所述的气液分离塔（10）的接口还包括了气液分离塔二氧化碳出口和精馏塔（15）塔顶气体回收入口，所述的气液分离塔二氧化碳出口与一号泵（14）入口连接，一号泵（14）的出口与精馏塔（15）的精馏塔二氧化碳入口连接，所述的精馏塔（15）的接口还包括精馏塔二氧化碳出口和精馏塔塔顶气体出口，精馏塔塔顶气体出口与气液分离塔（10）的气体回收入口连接，精馏塔二氧化碳出口与五号液态二氧化碳入口连接，五号液态二氧化碳出口与二号泵（16）入口连接，二号泵（16）的出口与储液器（17）连接。

2.根据权利要求1所述的一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，其特征在于：所述的第三换热器（7）还包括三号氮氧气分离入口和三号氮氧气分离气出口；所述的气液分离塔（10）还包括气液分离塔氮氧气出口、气液分离塔氮氧气入口、气液分离塔混合气出口；其中，三号氮氧气分离入口与气液分离塔氮氧气出口连接；所述的气液分离塔（10）的气液分离塔混合气出口与凝华分离塔（11）的凝华分离塔混合气入口连接，所述的凝华分离塔（11）还包括凝华分离塔氮氧气入口、凝华分离塔氮氧气出口、凝华分离塔二氧化碳出口和凝华分离塔混合气出口；所述的凝华分离塔氮氧气出口与气液分离塔氮氧气入口连接，凝华分离塔氮氧气入口与双级精馏塔（13）的出口连接，凝华分离塔二氧化碳出口与五号液体二氧化碳入口连接，所述的凝华分离塔混合气出口与膨胀机（12）的入口连接，膨胀机（12）的出口与双级精馏塔（13）的入口连接。

3.根据权利要求1所述的一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，其特征在于：所述的五号原料气出口通过管道经过凝华分离塔（11）的冷凝池与气液分离塔（10）的气液分离塔原料气入口连接。

4.根据权利要求1所述的一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，其特征在于：所述的膨胀机（12）为低温透平膨胀机。

5.根据权利要求1所述的一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，其特征在于：凝华分离塔（11）的制冷设备为复叠式制冷机。

6.根据权利要求1所述的一种部分富氧燃烧结合氮氧分离的二氧化碳捕捉装置，其特征在于：所述凝华分离塔（11）内部的换热器外表面设有电动旋转刮刀。