CN103463955A

CN103463955A - 一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺

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Publication number: CN103463955A
Application number: CN2013104206085A
Authority: CN
Inventors: 梁志武; 高红霞; 童柏栋; 那艳清
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-16
Also published as: CN103463955B

Abstract

本发明公开了一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，其主要利用能量高度集成手段—热泵精馏技术，该工艺是：预处理后的工业尾气进入吸收塔底部，与从吸收塔顶部进入的吸收液逆流接触，得到富液；所述富液通过富液泵后经分流器分为两股，第一股富液从解吸塔顶喷淋进入；第二股富液从解吸塔中下部进入解吸塔解吸，被解吸出来带有少量水蒸汽的二氧化碳由解吸塔顶排出；解吸后的贫液与第一股富液换热后经贫液冷却器冷却后从吸收塔顶部进入吸收塔循环利用。该工艺基于传统二氧化碳捕集工艺，整合分流解吸与热泵精馏工艺，有效利用解吸塔顶蒸汽潜热，极大降低系统运行过程中能量的消耗，工艺流程简单，运行成本低，还可获得高纯度的二氧化碳产品，减少温室气体排放。

Description

一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺

技术领域

本发明涉及工业尾气净化及二氧化碳捕集及循环利用技术，具体为一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺。

背景技术

随着人类工业活动的增加，大量化石燃料（石油、天然气、煤）被使用，虽然促进了世界经济的快速发展，但造成能源短缺和日益严重的生态环境问题。能源是世界经济发展的命脉，而化石燃料又在能源利用中占主导地位。化石燃料的燃烧是目前最大的大气环境污染源，也是最大的二氧化碳温室气体排放源。因此为了控制二氧化碳的排放，二氧化碳捕集技术可以整合到工业生产中，捕集分离尾气中的二氧化碳。研究工业尾气二氧化碳的排放控制和分离回收技术对于应对全球变暖、温室效应问题具有重要意义。

目前可供选择的二氧化碳捕集技术有很多，但从工业实用性和经济性的角度来说，仅有很少的方法可以使用。现在被公认为是适合短中期商业开发的二氧化碳捕集技术主要有三种，即燃烧前捕获、富氧燃烧捕获和燃烧后捕获。二氧化碳的捕获分离技术大致可分为低温精馏法、膜分离法、吸收法、吸附法等，其中吸收法按吸收原理不同可分为化学吸收法、物理吸收法，但都存在一定的不足之处。从目前技术进展来看，吸收法是最成熟、应用最广泛的二氧化碳分离技术，且对二氧化碳的吸收效果好，分离回收的二氧化碳纯度高达99.9%以上，缺点是成本较高。

针对目前传统脱碳流程能耗大这一问题，近年来，诸多研究者致力于传统流程的改进。2005年Chang 和Shih开发了中间冷却吸收解吸流程，即通过较高的填料高度和较低的烟道气温度来增加富液二氧化碳负载。Rochelle研究小组开发了吸收多压解吸流程，该系统是将解吸塔与一个9级压缩机的前两级结合起来，此外还开发了带有蒸汽压缩的吸收解吸流程。此外诸多研究者还开发了吸收真空解吸流程、吸收多压分流解吸流程、带有蒸汽再压缩的吸收多压解吸流程等。上述流程虽在某种程度上降低了热能消耗，但是蒸汽再压缩，多级压缩等流程仍存在压缩功耗高等问题，整体上并未降低运行能耗。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，该工艺基于传统二氧化碳捕集工艺流程，整合分流解吸与热泵精馏工艺，有效利用解吸塔顶蒸汽潜热，极大降低系统运行过程中能量的消耗，工艺流程简单，运行成本低，还可获得高纯度的二氧化碳产品，减少温室气体排放。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，包括吸收塔和解吸塔，具体工艺步骤为：

1）预处理后的工业尾气进入吸收塔（1）底部，在吸收塔内自下向上与从吸收塔（1）顶部进入的吸收液逆流接触，二氧化碳被吸收液吸收，得到富液；净化后的脱碳尾气由吸收塔（1）塔顶直接排出；所述吸收液为质量浓度为20%-50%的单乙醇胺溶液，吸收液温度为30℃-50℃；

2）所述富液从吸收塔（1）底部流出通过富液泵（3）后经分流器（4）分为第一股富液和第二股富液两部分，其中第二股富液占富液的摩尔百分含量为4%-20%；第一股富液经管道I（16）送至贫富换热器（5）换热后，从解吸塔（2）顶喷淋进入；第二股富液经管道II（17）在第一换热器（6）中被加热后经管道III（18）由解吸塔中下部进入解吸塔（2）中解吸，解吸液温度为115℃-125℃，解吸后得到带有水蒸汽的二氧化碳以及贫液；

3）所述贫液由解吸塔底管道IV（19）流出，经再沸器（11）换热后通过管道V（20）进入贫富换热器（5）中与第一股富液换热，然后依次经混合器（12）、补充罐（13）、贫液泵（14）和贫液冷却器（15）后从吸收塔顶部进入吸收塔循环利用；

4）在上述传统工艺基础之上，本工艺充分利用解吸塔顶蒸汽潜热，即利用高度集成手段—热泵技术。所述带有水蒸汽的二氧化碳由解吸塔（2）顶部流出，经压缩机（10）压缩，进入第一换热器（6）中与第二股富液换热后经第一冷却器（8）、分离器（9）分离得到水和二氧化碳，水从分离器底部流出，进入混合器（12）中回用，二氧化碳从分离器顶部排出进入精制工序。

步骤1）中所述工业尾气中二氧化碳的摩尔含量优选为在0.1%~50%。

步骤1）中所述工业尾气的进料压力优选为0.8-1.2个大气压。

步骤2）中第二股富液占富液的质量百分含量优选为4%-20%。

步骤2）中第二股富液优选由解吸塔第1~12块理论板进入解吸塔解吸。

步骤2）中第二股富液更优选由解吸塔第2~12块理论板进入解吸塔解吸。

步骤4）中压缩机压力优选为20KPa -100KPa。

本发明的工艺是整合了热泵技术与分流解吸工艺，是一种热量高度集成工艺技术。

下面对本发明做进一步解释和说明：

本发明提出一种二氧化碳分离回收系统，其包括：二氧化碳吸收塔，用于吸收燃煤电厂烟道气中的二氧化碳；二氧化碳吸收液解吸塔，连接塔底再沸器，用于二氧化碳吸收富液的再生；贫富液换热器，利用解吸塔底流出的贫液与吸收塔底的富液进行换热；富液泵，将吸收了二氧化碳的吸收剂进行加压，便于二氧化碳的解吸；压缩机，将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源，降低解吸塔底再沸器负荷；第一换热器，将解吸塔顶蒸汽与吸收塔底流出一股富液进行换热；气液分离器，用于分离来自经冷却后的液态水和二氧化碳气体；分流器，将吸收塔底流出的富液分为两部分进入解吸塔。

所述的二氧化碳分离回收系统中还包括第一冷却器，又称贫液冷却器，用于冷却经贫富换热器换热后的再生贫液，使其温度降至40℃左右；第二冷却器，经压缩机压缩后带有水蒸汽的二氧化碳气体与第二股富液换热，将自身潜热传递给上述富液，降温后得到液态水和二氧化碳气体，获得较高纯度的二氧化碳产品气。

所述的二氧化碳分离回收系统中还包括补充罐，用于补充吸收解吸过程中损失的水和单乙醇胺溶剂。

所述的二氧化碳分离回收系统，二氧化碳吸收液为30wt%的单乙醇胺溶液。

该方法使用了Promax3.2商业模拟软件，模拟结果真实可靠。

依据本发明提出的一种二氧化碳分离回收方法，在传统工艺流程基础上整合分流解吸与热泵技术，用于分离工业尾气中的二氧化碳，整个工艺流程为：将工业排放尾气经脱硫、脱硝、除尘处理后经冷却器降温，经鼓风机加压后进入该吸收解吸系统。1）预处理后的工业尾气首先进入吸收塔底部进行二氧化碳吸收，在吸收塔内，尾气自下向上流动，与从顶部进入吸收塔的吸收液逆流接触，二氧化碳与吸收剂发生化学反应被脱除，净化后的脱碳尾气由塔顶直接排入大气；2）吸收了二氧化碳的吸收液通过富液泵后经分流器分为2股，第一股物料（摩尔分数90%）送至贫富换热器与再生贫液进行换热后，从解析塔顶喷淋进入；第二股物料在第一换热器中被塔顶经压缩机压缩后的高温蒸汽加热后由解吸塔中下部进入解吸塔进行解吸；3）富液中二氧化碳组分在解吸塔中被解吸出来，随同大量水蒸汽及少量活性组分蒸汽由解吸塔顶流出；4）塔顶流出的气体经压缩机压缩，与第二股富液换热后进入分离器汽水分离后进入二氧化碳储罐，有效利用蒸汽潜热；5）解吸出二氧化碳的贫液由解吸塔底流出，经贫富换热器换热后，用贫液泵送至冷却器，冷却后返回到吸收塔顶部循环使用。吸收剂循环使用构成了连续吸收和解吸二氧化碳的工艺过程。

本发明整合了热泵精馏和分流解吸工艺两者的优势，与现有技术相比，具有以下优势：

1、本发明的工艺可明显降低运行过程中的能量消耗，整个系统的运行能耗最低为0.36-0.45GJ/t CO₂，与传统流程相比，降低了34.2%，实现节能减排的目标。

2、本工艺有效利用能量高度集成技术—热泵精馏技术，充分利用解吸塔顶蒸汽潜热，降低系统热量消耗。即解吸塔顶不包含塔顶冷凝器，塔顶气体经压缩机压缩后作为一股富液的热源，从而使气体冷凝潜热得以合理利用，减小对再沸器的依赖，极大降低热量消耗，同时节省冷凝水的用量，降低系统的运行成本。

附图说明

图 1 为一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺工艺流程示意图；

其中，1是吸收塔，2是解吸塔，3是富液泵，4是分流器，5是贫富换热器，6是第一换热器，7是截止阀，8是第一冷却器，9是分离器，10是压缩机，11是再沸器，12是混合器，13是补充罐，14是贫液泵，15是贫液冷却器，16是第一股富液经管道I，17是第二股富液经管道II，18是管道III，19是管道IV，20是管道V。

具体实施方式

为了更好的阐述本发明为达到预定的发明目的所采取的技术手段可行，将结合附图，对本发明提出的分离方法及具体实施方式进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，包括吸收塔1和解吸塔2，具体工艺步骤为：

1）预处理后的工业尾气进入吸收塔1底部，在吸收塔内自下向上流动，与从吸收塔1顶部进入的吸收液逆流接触，二氧化碳被吸收液吸收，得到富液；净化后的脱碳尾气由吸收塔1塔顶直接排出；所述吸收液为质量浓度为20%-50%的单乙醇胺溶液，吸收液温度为30℃-50℃；

2）所述富液通过富液泵3后经分流器4分为第一股富液和第二股富液两部分，其中第二股富液占富液的摩尔百分含量为4%-20%；第一股富液经管道I 16送至贫富换热器5与再生贫液进行换热后，从解吸塔2顶喷淋进入；第二股富液经管道II 17在第一换热器6中被加热后经管道III 18由解吸塔中下部进入解吸塔2进行解吸，解吸液温度为115℃-125℃，解吸后得到带有水蒸汽的二氧化碳以及贫液；

3）所述带有水蒸汽的二氧化碳由解吸塔2顶部流出，经压缩机10压缩，进入第一换热器6中与第二股富液换热后经第一冷却器8、分离器9分离后得到水和二氧化碳，水从分离器底部流出，进入混合器中回用，二氧化碳从分离器顶部排出进入精制工序；

4）所述贫液由解吸塔底管道IV19流出，经再沸器11换热后通过管道V20进入贫富换热器5中与第一股富液换热，然后依次经混合器12、补充罐13、贫液泵14和贫液冷却器15后从吸收塔顶部进入吸收塔循环利用。

限定工业尾气中二氧化碳的摩尔含量为在15%，工业尾气的进料压力为1个大气压，所述吸收液为质量浓度为30%的单乙醇胺溶液，吸收温度为40℃；解吸温度为120℃。

当第二股富液占富液的摩尔百分含量为4%-20%时，其再沸器负荷由2.418GJ/t CO₂下降至1.704 GJ/t CO₂，压缩功由0.127 GJ/t CO₂增加至0.195 GJ/t CO₂，将蒸汽消耗转化为电工，核算后的总能耗先增加后降低。

当第二股富液占富液的摩尔百分含量为10%，整个系统的运行能耗（将热转化为功后的总能耗）最低为0.450GJ/t CO₂。

实施例2

其它工艺过程同实施例1，当压缩机压力变化为40KPa时，总运行能耗最低为0.365 GJ/t CO₂，与传统流程相比，降低了34.2%。

Claims

1.一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，包括吸收塔（1）和解吸塔（2），其特征是，具体工艺步骤为：

1）预处理后的工业尾气进入吸收塔（1）底部，在吸收塔内自下向上与从吸收塔（1）顶部进入的吸收液逆流接触，二氧化碳被吸收液吸收，得到富液；净化后的脱碳尾气由吸收塔（1）塔顶直接排入大气；所述吸收液为质量浓度为20%-50%的单乙醇胺溶液，吸收液温度为30℃-50℃；

3）所述带有水蒸汽的二氧化碳由解吸塔（2）顶部流出，经压缩机（10）压缩，进入第一换热器（6）中与第二股富液换热后经第一冷却器（8）、分离器（9）分离得到水和二氧化碳，水从分离器底部流出，进入混合器（12）中回用，二氧化碳从分离器顶部排出进入精制工序；

4）所述贫液由解吸塔底管道IV（19）流出，经再沸器（11）换热后通过管道V（20）进入贫富换热器（5）中与第一股富液换热，然后依次经混合器（12）、补充罐（13）、贫液泵（14）和贫液冷却器（15）后从吸收塔顶部进入吸收塔循环利用。

2.根据权利要求1所述一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，其特征是，步骤1）中所述工业尾气中二氧化碳的摩尔含量为在0.1%~50%。

3.根据权利要求1所述一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，其特征是，步骤1）中所述工业尾气的进料压力为0.8-1.2个大气压。

4.根据权利要求1所述一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，其特征是，步骤2）中第二股富液占富液的质量百分含量为4%-20%。

5.根据权利要求1所述一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，其特征是，步骤2）中第一股富液由解吸塔第1~12块理论板进入解吸塔解吸。

6.根据权利要求5所述一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，其特征是，步骤2）中第二股富液由解吸塔第2~12块理论版进入解吸塔解吸。

7.根据权利要求1所述一种从工业尾气中分离回收二氧化碳的工艺，其特征是，步骤3）中压缩机压力变化为20 KPa -100KPa。