CN103861444A - 一种基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置及方法，属于水合物应用技术领域，包括气-水输送部分、水合物生成分解控制部分和产物储存排出部分。水合物生成分解控制部分包括前后二级结构，水合物生成条件为气过饱和。第一级的水合物生成残余气和分解水作为第二级原料，经两级处理后得到淡水并储存，N2通过排气安全阀排放至大气，二氧化碳通入气罐封存。本发明适用于沿海地区的化石燃料电站实现二氧化碳捕集与海水淡化联产，可满足烟气CO2/N2电站的二氧化碳捕集需要；采用换热器预冷，减少冷量损耗，提高能量利用率；水合物生成过程中通过高速搅拌提高反应速率；排放物为N2及浓缩后海水，对环境无污染。

Description

一种基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置及方法

技术领域

本发明属于水合物应用技术领域，涉及到一种基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置及方法。

背景技术

随着温室效应的日益严重，二氧化碳捕集与封存技术受到了广泛的关注；同时由于淡水资源的紧缺，海水淡化技术也被广泛研究。现有二氧化碳捕集技术和海水淡化技术普遍存在能耗较高的问题，水合物技术的应用在能耗降低方面具有一定潜力。基于水合物法的CO2捕集技术的原理在于通过使混合气中的水合剂成分（CO2）形成水合物，从而实现水合剂气体与非水合剂气体（N2、H2等）的分离。水合物法海水淡化的技术展开了研究。其基本原理是基于当海水中的水分子和水合剂结合生成水合物时，海水中Na⁺、Mg²⁺、Cl^-等离子在水合剂形成水合物后无法进入晶格而留存在溶液中（排盐效应），再将水合物从溶液中分离后使其分解，即可得到淡水。不论是基于水合物法的CO2捕集和还是水合物法海水淡化，单独运行时都存在耗能较高，气体分离效率或淡水产量较低的问题。如果能将二者联产，无论是能量利用效率还是淡水产量都将获得显著提升。目前基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产系统还属空白。本作品拟提供一种基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置及方法，其目的是在进行烟气或可燃气中二氧化碳捕集的同时进行海水淡化联产，提高能量利用效率和淡水产量，且洁净环保，分离后的N2和海水淡化后的废液可直接排放，不造成环境污染。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置及方法，其目的是在进行烟气或可燃气中二氧化碳捕集的同时进行海水淡化联产，提高能量利用效率和淡水产量，且洁净环保，分离后的N2和海水淡化后的废液可直接排放，不造成环境污染。

本发明包括前后二级结构，水合物生成条件为气过饱和。第一级的水合物生成残余气和分解水作为第二级原料，经两级处理后得到淡水并储存，N2通过排气安全阀排放至大气，二氧化碳通入气罐封存。换热器用于预冷进入水合物生成反应器的海水和溶液，减少冷量耗散，提高能量利用率。

一种基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置，该装置包括气-水输送部分、水合物生成分解控制部分、产物储存排出部分；

水合物生成分解控制部分由相同的两级组成，每一级都包括管式换热器、水合物生成反应器、离心机、水合物分解反应器、气液分离器和制冷循环器。

第一级的管式换热器与第一级的水合物生成反应器入口相连，第一级的水合物生成反应器的气液出口与第一级的气液分离器相连，第一级的水合物生成反应器的含水合物出口与第一级的离心机通过闸阀相连，第一级的气液分离器的液体出口与第一级的离心机相连，第一级的气液分离器的气体出口与第二级中的管式换热器入口相连。

第一级的离心机的水合物出口通过闸阀与第一级的水合物分解反应器入口相连，第一级的离心机的液体出口通过抽水泵与第一级的管式换热器腔体入口相连。第一级的水合物分解反应器出口与第一级的气液分离器相连，第一级的气液分离器的液体出口与第二级中的管式换热器入口相连，第一级的气液分离器的气体出口通过止回阀与产物储存排出部分的二氧化碳储气罐相连。水合物生成反应器与水合物分解反应器均置于制冷循环器中。

第二级各组件连接方式与第一级基本相同，区别在于第二级的水合物生成反应器出口与第二级的气液分离器相连，第二级的气液分离器气体出口与产物储存排出部分的排气安全阀相连。第二级的水合物分解反应器出口与第二级的气液分离器相连，第二级的气液分离器气体出口与产物储存排出部分的二氧化碳储气罐相连，第二级的气液分离器液体出口与产物储存排出部分的淡水罐相连。

各个水合物生成反应器、各个水合物分解反应器和第一级的管式换热器入口处均接有压力传感器与温度传感器，压力传感器与温度传感器分别通过数据线与A/D转换模块相连，A/D转换模块通过数据线与工控机相连。

气-水输送部分包括海水澄清池、气源、抽水泵、气体增压泵和过滤器。其中海水澄清池经抽水泵与过滤器入口相连，过滤器出口与水合物生成分解控制部分中第一级的管式换热器液体入口相连。气源经气体增压泵与第一级的管式换热器气体入口相连。

产物储存排出部分包括废液罐、二氧化碳储气罐、淡水罐和排气安全阀。其中两个废液罐分别与水合物生成分解控制部分中第一级的管式换热器、第二级的管式换热器壳体出口相连；二氧化碳储气罐与两级水合物分解反应器出口的气液分离器液体出口相连；淡水罐与第二级水合物分解反应器出口的气液分离器气体出口相连；排气安全阀与第二级的水合物生成反应器的气液分离器气体出口相连。

管式换热器对进入水合物生成反应器前的气体和液体进行预冷，减少反应过程中制冷的能量消耗，气液进入水合物生成反应器后在水浴控温条件下生成水合物，水合物及剩余溶液进入离心机进行固液分离，水合物通过管道进入分解反应器发生分解，第一级分解水继续作为第二级反应原料再次生成水合物，经过与第一级相似过程后使水合物分解获得淡水，同时将二氧化碳气体封存。

其中，管式换热器为固定管板式换热器；水合物生成反应器为不锈钢加工，其采用内置搅拌器用于加速水合物生成过程，耐压值≥30Mpa；气液分离器为重力沉降式气液分离器；离心机为过滤式离心机；制冷循环器为低温水浴，控温范围-10-50℃；水合物分解反应器为不锈钢加工，耐压值≥30Mpa。

本发明的有益效果是：适用于沿海地区的化石燃料电站实现二氧化碳捕集与海水淡化联产；可满足烟气主要成分为CO2/N2电站的二氧化碳捕集需要；采用换热器预冷，减少冷量损耗，提高能量利用率；水合物生成过程中通过高速搅拌提高反应速率；通过两级反应提高淡水品质和二氧化碳回收率；排放物为N2及浓缩后海水，对环境无污染。系统结构合理紧凑，满足工业生产要求，运行过程稳定可靠，成本低廉，节能环保。

附图说明

图1是一种水合物法二氧化碳捕集和海水淡化联产装置及方法工作流程图。

图2是一种水合物法二氧化碳捕集和海水淡化联产装置及方法系统图。

图中：1海水澄清池；2气源；3抽水泵；4气体增压泵；5废液罐；6淡水罐；7二氧化碳储气罐；8管式换热器；9水合物生成反应器；10水合物分解反应器；11离心机；12过滤器；13气液分离器；14针阀；15闸阀；16止回阀；17排气安全阀；18温度传感器；19压力传感器；20A/D转换模块；21工控机；22制冷循环器。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

如图所示，按所述的装置结构连接，使用该装置进行二氧化碳捕集和海水淡化联产的方法，步骤如下：

（1）气-水输送：将海水引入澄清池1，抽水泵3将海水抽入过滤器12，气源2中的气体经过气体增压泵4增压至二氧化碳水合物相平衡压力的2倍左右后，同海水一起进入第一级中的管式换热器8预冷，进入管式换热器前的气液压力通过压力传感器18进行监测，混合气和海水经管式换热器出口处阀门14进入水合物生成反应器9；

（2）水合物生成分解控制：第一级中，首先开启水合物生成反应器的制冷循环器22并设定温度为不高于3℃，在水合物生成过程中反应器内进行高速搅拌，待水合物生成后，打开第一级水合物生成反应器气液出口处的针阀14，气液混合物经过气液分离器13，气体进入第二级中的管式换热器8，液体进入离心机11。打开与第一级水合物生成反应器水合物出口相连的闸阀15，使水合物与溶液混合物进入离心机11进行固液分离，分离完毕后固态水合物经离心机水合物出口处闸阀15进入第一级水合物分解反应器10，液体经抽水泵3抽入第一级管式换热器8的壳体内。开启水合物分解反应器所在的制冷循环器22至25℃左右进行分解，水合物在水合物分解反应器10中发生分解，分解产物经气液分离器13，液体进入第二级的管式换热器8预冷，作为第二级反应原料，气体进入二氧化碳储气罐7。第二级流程与第一级类似，原料为第一级水合物分解反应器中的分解水与第一级水合物生成反应器中的残余气体，最后得到的淡水与二氧化碳进行分别储存。各级反应器的温度压力通过压力传感器18与温度传感器19分别监测并通过A/D转换模块20处理后由工控机21进行分析和储存；

（3）产物储存与排出：第一级与第二级中的管式换热器8壳体中的废液分别排入与之相连的废液罐5。第一级水合物分解反应器10中的分解气体经气液分离器13进入二氧化碳储存罐7，类似地，第二级水合物分解反应器10的分解气体进入二氧化碳储存罐7，淡水进入淡水罐6，氮气经排气安全阀17排入大气。

Claims (8)

1.一种基于水合物法的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置，该装置包括气-水输送部分、水合物生成分解控制部分和产物储存排出部分；其特征在于，

水合物生成分解控制部分由相同的两级组成，每一级都包括管式换热器、水合物生成反应器、离心机、水合物分解反应器、气液分离器和制冷循环器；

第一级的管式换热器与第一级的水合物生成反应器的入口相连，第一级的水合物生成反应器的气液出口与第一级的气液分离器相连，第一级的水合物生成反应器的含水合物出口与第一级的离心机通过闸阀相连，第一级的气液分离器的液体出口与第一级的离心机相连，第一级的气液分离器的气体出口与第二级中的管式换热器入口相连；

第一级的离心机的水合物出口通过闸阀与第一级的水合物分解反应器的入口相连，第一级的离心机的液体出口通过抽水泵与第一级的管式换热器腔体入口相连；第一级的水合物分解反应器的出口与第一级的气液分离器相连，第一级的气液分离器的液体出口与第二级中的管式换热器入口相连，第一级的气液分离器的气体出口通过止回阀与产物储存排出部分的二氧化碳储气罐相连；水合物生成反应器与水合物分解反应器均置于制冷循环器中；

第二级各组件连接方式与第一级基本相同，区别在于第二级的水合物生成反应器出口与第二级的气液分离器相连，第二级的气液分离器气体出口与产物储存排出部分的排气安全阀相连；第二级的水合物分解反应器出口与第二级的气液分离器相连，第二级的气液分离器气体出口与产物储存排出部分的二氧化碳储气罐相连，第二级的气液分离器液体出口与产物储存排出部分的淡水罐相连；

各个水合物生成反应器、各个水合物分解反应器和第一级的管式换热器入口处均接有压力传感器和温度传感器，压力传感器和温度传感器通过数据线均与A/D转换模块相连，A/D转换模块通过数据线与工控机相连；

气-水输送部分包括海水澄清池、气源、抽水泵、气体增压泵和过滤器，其中海水澄清池经抽水泵与过滤器入口相连，过滤器出口与水合物生成分解控制部分中第一级的管式换热器液体入口相连；气源经气体增压泵与第一级的管式换热器气体入口相连；

产物储存排出部分包括废液罐、二氧化碳储气罐、淡水罐和排气安全阀；其中两个废液罐分别与水合物生成分解控制部分中第一级的管式换热器、第二级的管式换热器壳体出口相连；二氧化碳储气罐与两级水合物分解反应器出口的气液分离器液体出口相连；淡水罐与第二级水合物分解反应器出口的气液分离器气体出口相连；排气安全阀与第二级的水合物生成反应器的气液分离器气体出口相连。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置，其特征在于，所述的管式换热器为固定管板式换热器。

3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置，其特征在于，水合物生成反应器为不锈钢加工，其采用内置搅拌器用于加速水合物生成过程，耐压值≥30Mpa；水合物分解反应器为不锈钢加工，耐压值≥30Mpa。

4.根据权利要求1或2所述的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置，其特征在于，气液分离器为重力沉降式气液分离器；离心机为过滤式离心机。

5.根据权利要求3所述的二氧化碳捕集和海水淡化联产装置，其特征在于，气液分离器为重力沉降式气液分离器；离心机为过滤式离心机。

6.使用权利要求1、2或5所述的装置用于二氧化碳捕集和海水淡化联产的方法，其特征在于，步骤如下：

（1）气-水输送：将海水引入澄清池，抽水泵将海水抽入过滤器，气源中的气体经过气体增压泵增压至二氧化碳水合物相平衡压力的2倍后，同海水一起进入第一级中的管式换热器预冷，进入管式换热器前的气液压力通过压力传感器进行监测，混合气和海水经管式换热器出口处阀门进入水合物生成反应器；

（2）水合物生成分解控制：第一级中，首先开启水合物生成反应器的制冷循环器并设定温度为不高于3℃，在水合物生成过程中反应器内进行搅拌，待水合物生成后，打开第一级水合物生成反应器气液出口处的针阀，气液混合物经过气液分离器，气体进入第二级中的管式换热器，液体进入离心机；打开与第一级水合物生成反应器水合物出口相连的闸阀，使水合物与溶液混合物进入离心机进行固液分离，分离完毕固态水合物经离心机水合物出口处闸阀进入第一级水合物分解反应器，液体经抽水泵抽入第一级管式换热器的壳体内；开启水合物分解反应器所在的制冷循环器22至25℃进行分解，水合物在水合物分解反应器中发生分解，分解产物经气液分离器，液体进入第二级的管式换热器预冷，作为第二级反应原料，气体进入二氧化碳储气罐；第二级流程与第一级类似，原料为第一级水合物分解反应器中的分解水与第一级水合物生成反应器中的残余气体，最后得到的淡水与二氧化碳进行分别储存；各级反应器的压力和温度分别通过压力传感器与温度传感器监测并通过A/D转换模块处理后由工控机进行分析和储存；

（3）产物储存与排出：第一级与第二级中的管式换热器壳体中的废液分别排入与之相连的废液罐；第一级水合物分解反应器中的分解气体经气液分离器进入二氧化碳储存罐，类似地，第二级水合物分解反应器的分解气体进入二氧化碳储存罐，淡水进入淡水罐，氮气经排气安全阀排入大气。

7.使用权利要求3所述的装置用于二氧化碳捕集和海水淡化联产的方法，其特征在于，步骤如下：

（1）气-水输送：将海水引入澄清池，抽水泵将海水抽入过滤器，气源中的气体经过气体增压泵增压至二氧化碳水合物相平衡压力的2倍后，同海水一起进入第一级中的管式换热器预冷，进入管式换热器前的气液压力通过压力传感器进行监测，混合气和海水经管式换热器出口处阀门进入水合物生成反应器；

（2）水合物生成分解控制：第一级中，首先开启水合物生成反应器的制冷循环器并设定温度为不高于3℃，在水合物生成过程中反应器内进行搅拌，待水合物生成后，打开第一级水合物生成反应器气液出口处的针阀，气液混合物经过气液分离器，气体进入第二级中的管式换热器，液体进入离心机；打开与第一级水合物生成反应器水合物出口相连的闸阀，使水合物与溶液混合物进入离心机进行固液分离，分离完毕固态水合物经离心机水合物出口处闸阀进入第一级水合物分解反应器，液体经抽水泵抽入第一级管式换热器的壳体内；开启水合物分解反应器所在的制冷循环器22至25℃进行分解，水合物在水合物分解反应器中发生分解，分解产物经气液分离器，液体进入第二级的管式换热器预冷，作为第二级反应原料，气体进入二氧化碳储气罐；第二级流程与第一级类似，原料为第一级水合物分解反应器中的分解水与第一级水合物生成反应器中的残余气体，最后得到的淡水与二氧化碳进行分别储存；各级反应器的压力和温度分别通过压力传感器与温度传感器监测并通过A/D转换模块处理后由工控机进行分析和储存；

（3）产物储存与排出：第一级与第二级中的管式换热器壳体中的废液分别排入与之相连的废液罐；第一级水合物分解反应器中的分解气体经气液分离器进入二氧化碳储存罐，类似地，第二级水合物分解反应器的分解气体进入二氧化碳储存罐，淡水进入淡水罐，氮气经排气安全阀排入大气。

8.使用权利要求3所述的装置用于二氧化碳捕集和海水淡化联产的方法，其特征在于，步骤如下：

（1）气-水输送：将海水引入澄清池，抽水泵将海水抽入过滤器，气源中的气体经过气体增压泵增压至二氧化碳水合物相平衡压力的2倍后，同海水一起进入第一级中的管式换热器预冷，进入管式换热器前的气液压力通过压力传感器进行监测，混合气和海水经管式换热器出口处阀门进入水合物生成反应器；

（2）水合物生成分解控制：第一级中，首先开启水合物生成反应器的制冷循环器并设定温度为不高于3℃，在水合物生成过程中反应器内进行搅拌，待水合物生成后，打开第一级水合物生成反应器气液出口处的针阀，气液混合物经过气液分离器，气体进入第二级中的管式换热器，液体进入离心机；打开与第一级水合物生成反应器水合物出口相连的闸阀，使水合物与溶液混合物进入离心机进行固液分离，分离完毕固态水合物经离心机水合物出口处闸阀进入第一级水合物分解反应器，液体经抽水泵抽入第一级管式换热器的壳体内；开启水合物分解反应器所在的制冷循环器22至25℃进行分解，水合物在水合物分解反应器中发生分解，分解产物经气液分离器，液体进入第二级的管式换热器预冷，作为第二级反应原料，气体进入二氧化碳储气罐；第二级流程与第一级类似，原料为第一级水合物分解反应器中的分解水与第一级水合物生成反应器中的残余气体，最后得到的淡水与二氧化碳进行分别储存；各级反应器的压力和温度分别通过压力传感器与温度传感器监测并通过A/D转换模块处理后由工控机进行分析和储存；

（3）产物储存与排出：第一级与第二级中的管式换热器壳体中的废液分别排入与之相连的废液罐；第一级水合物分解反应器中的分解气体经气液分离器进入二氧化碳储存罐，类似地，第二级水合物分解反应器的分解气体进入二氧化碳储存罐，淡水进入淡水罐，氮气经排气安全阀排入大气。

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