CN105080324B - 一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔及喷射吸收测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔及喷射吸收测试系统和方法，包括新型喷射塔实现的醇胺溶液高效喷雾捕集烟气中的二氧化碳和其工艺系统。喷射塔内醇胺溶液通过雾化喷嘴喷入喷射塔，与底部进入的烟气接触反应，实现二氧化碳高效吸收过程。该的喷射塔设置由多个喷嘴连接，主要分为储液段、稳定段和扩压段。该喷射塔避免了传统填料塔由于填料存在而产生的一系列问题，优化了气液传质效果，并扩大液气比操作范围，减少了设备投资和维护费用。本发明实现高效的醇胺溶液喷雾捕集二氧化碳过程，具有结构简单、投资成本低、传质效果好、脱除率高等特点。

Description

一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔及喷射吸收测试系统 和方法

技术领域

本发明属于烟气净化技术领域，具体涉及一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔及喷射吸收测试系统和方法。

背景技术

全球变暖和温室效应是世界各国可持续发展面临的重大挑战。二氧化碳是主要的温室气体，其对温室效应的贡献大于60％，因此，对二氧化碳减排的研究至关重要。燃烧化石燃料的电厂烟气是二氧化碳的主要来源，而在中国尤其显著，所以其低碳排放或者零排放是实现二氧化碳减排的关键。目前，常用的碳捕集及封存(CCS)技术主要有燃烧前捕集、富氧燃烧、化学链燃烧和燃烧后捕集。燃烧后捕集技术由于其可以通过对现有电厂进行适度改造实现被认为是现阶段最有前景的碳捕集技术。燃烧后捕集技术主要包括化学吸收、深冷分离、膜分离和吸附等。其中，以醇胺溶液为吸收剂的化学吸收法是目前最接近工业应用的方法。传统醇胺溶液吸收过程存在的主要问题是解吸时能耗较高，导致运行费用高不利于工业应用。因此，开展电厂烟气中二氧化碳捕集强化研究降低电厂二氧化碳捕集成本，对于保护环境，废物资源化利用具有重要意义，符合我国能源系统的绿色可持续发展战略，具有显著的科学探索意义和社会应用价值。

填料塔是最常用的吸收设备，研究者们对不同吸收剂、不同填料条件下填料塔吸收性能做了大量研究工作，也得出了许多有指导意义的结论。但是，传统填料塔通常存在气体压降较大、液体沟流和洪流、填料表面易沉积等一些问题而限制其推广应用。以喷射器为基础开发全喷射过程的喷射吸收塔可较好的完成该捕集过程，同时可以解决塔系统成本高的问题。因此，围绕关键喷射塔，研究高效塔的强化技术与方法，对于实现电厂烟气的高效减排，具有重大现实意义。

目前所开发的常规二氧化碳捕集系统和喷射器系统主要有如下几类：

(1)常规二氧化碳捕集系统：二氧化碳的捕集研究开展较早，其中研究最多且最接近工业推广应用的是以醇胺溶液为吸收剂的化学吸收法捕集工艺。此类烟道气净化系统具有处理量大、稳定性好等特点(Shakerian F,Kim K H,Szulejko J E.A comparativereview between amines and ammonia as sorptive media for post-combustion CO₂capture.Applied Energy,2015,148:10-22.Manzolini G,Fernandez ES,RezvaniS.Economic assessment of novel amine based CO₂ capture technologiesintegrated in power plants based on European Benchmarking Task Forcemethodology.Applied Energy.2015；138:546-558.)。但是净化过程巨大的能量消耗和关键设备的投资和维护成本成为应用此类捕集技术的主要制约因素。

(2)喷射器(装置)对反应塔的强化系统：除了传统反应塔器，研究者们已经发展了喷射装置作为反应塔强化内件提高其性能，提高了气液相传质效率。(Khan Z,Joshi JB.Comparison of k–ε,RSM and LES models for the prediction of flow pattern injet loop reactor.Chemical Engineering Science,2015,127:323-333.)。缺点是现有研究仅仅侧重于喷射装置对于局部过程的强化，导致含喷射器(装置)的反应塔系统成本高。

由于上述各种缺陷，已有的电厂二氧化碳捕集系统在优化设计、节能降耗、和性能强化等方面还有很大的开发空间，尚未高效实现低能耗、低成本高效率等目标。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔及喷射吸收测试系统和方法，本发明喷射塔结构设计合理，气液传质效果好，能够有效扩大气液比操作范围，设备操作容易、维护便捷。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔，该喷射塔自上至下依次由倒锥形的扩压段、圆柱形的稳定段和锥形的储液段组成，在扩压段上设有用于喷入醇胺溶液的多喷嘴结构，在稳定段底部的侧壁上设有烟气入口。

所述的用于喷入醇胺溶液的多喷嘴结构有3个喷嘴，1个设置在扩压段顶壁，其余2个对称设置在扩压段两侧壁上。

烟气入口为两个，对称设置在稳定段底部的侧壁上。

在储液段底部还设有出液口。

本发明还公开了基于上述喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔的吸收测试系统，在喷射塔的一侧设有贫液罐，贫液罐通过管路与喷射塔的喷嘴相连，在贫液罐与喷射塔相连的管路上设有泵，在喷射塔的另一侧设有模拟烟气混合装置；在喷射塔的顶部设有干燥塔，干燥塔通过管路与喷射塔的喷嘴相连，在干燥塔的出气管管路上还设有气体分析仪，气体分析仪与计算机终端相连；在喷射塔的底部设有富液罐。

所述模拟烟气混合装置包括氮气瓶、二氧化碳气瓶和气体混合罐，氮气瓶和二氧化碳气瓶的出气管均汇入气体混合罐的进气管，气体混合罐的出气管与喷射塔侧壁的烟气入口相连通。

在气体混合罐与喷射塔相连的管路上依次设有第一压力表和第一气体流量计，在喷射塔的侧壁上设有第二压力表，在喷射塔顶部的出气管路上设有第三压力表和第二气体流量计；在泵和喷射塔相连的管路上设有液体流量计。

本发明还公开了基于上述吸收测试系统测试二氧化碳吸收效果的方法，包括以下步骤：

1)贫液罐中的醇胺溶液通过泵打入喷射塔的喷嘴中，经喷嘴均匀分散后，在喷射塔上的倒锥形扩压段形成液体弥散区，经重力作用沿喷射塔塔壁竖直向下流动，在喷射塔底部的圆锥形储液段停留形成液封；

2)由气体混合罐输出的烟气通过喷射塔稳定段底部的烟气入口进入喷射塔，烟气经圆柱形稳定段后流向倒锥形扩压段，与喷射塔空间中经喷嘴均匀分散的醇胺溶液小液滴逆流接触，雾化的醇胺溶液将烟气中的二氧化碳吸收；

3)脱除二氧化碳后的烟气沿喷射塔顶部扩压段的喷嘴流出喷射塔，部分吸收后烟气通过干燥塔进入气体分析仪测量二氧化碳含量，另外一部分直接排空。

当醇胺溶液由喷射塔上部扩压段两侧壁上的喷嘴喷入与烟气交叉流接触吸收时，吸收二氧化碳后的烟气由扩压段顶壁上的喷嘴流出喷射塔；当醇胺溶液由喷射塔上部扩压段顶壁上的喷嘴喷入与烟气逆流接触吸收时，吸收二氧化碳后的烟气由扩压段两侧壁上的喷嘴流出喷射塔。

所述醇胺溶液采用质量浓度为5％～40％的单乙醇胺溶液，醇胺溶液的流量控制在60～120L/h；

烟气中二氧化碳的体积分数为8％～20％，烟气流量控制在1～5m³/h；

喷雾粒径为30～100μm，喷射塔中喷淋的醇胺溶液中醇胺与二氧化碳摩尔比为2～30：1，反应温度为10～50℃，系统压力为0.1～1MPa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔，喷射塔结构新颖，由锥形储液段，圆柱形稳定段和倒锥形扩压段组成，并具有多喷嘴结构，喷射塔内醇胺溶液通过雾化喷嘴喷入喷射塔，与底部进入的烟气交叉流或逆流接触反应，实现二氧化碳高效吸收过程。该喷射塔避免了传统填料塔由于填料存在而产生的一系列问题，优化了气液传质效果，并扩大液气比操作范围，该喷射塔结构设计合理，气液传质效果好，设备操作容易、维护便捷。

本发明还公开了基于上述喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔的吸收测试系统，相对于目前开发的烟气净化系统而言具有结构简单、成本较低、传质效果较好等优势，可有效提高目前烟气净化系统的气液传质效果，并大幅度降低关键设备投资、维护成本，有利用实现该系统的大规模工业推广应用。

本发明还公开了基于上述测试系统测试二氧化碳吸收效果的工艺，醇胺溶液经喷嘴进入喷射塔中，经喷嘴分散后在在喷射塔上的倒锥形扩压段形成液体弥散区，经重力作用沿喷射塔塔壁竖直向下流动，在喷射塔底部的圆锥形储液段停留形成液封，烟气通过喷射塔稳定段底部的烟气入口进入喷射塔，烟气经圆柱形稳定段后流向倒锥形扩压段，与喷射塔空间中经喷嘴均匀分散的醇胺溶液小液滴接触，喷雾化的醇胺溶液将烟气中的二氧化碳吸收。本发明方法以二氧化碳脱除率和总体积传质系数作为传质性能评价指标。同时，比较了喷射塔和传统填料塔的吸收性能，得出本发明的新型喷射塔具有更好的气液传质性能。

附图说明

图1为本发明的喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔结构示意图；

图2为本发明的喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔的吸收测试系统结构示意图；

图3为液气比对传质性能的影响结果图；

图4为醇胺溶液与二氧化碳摩尔比对传质性能的影响结果图；

图5为本发明的喷射塔与传统填料塔的吸收性能比较结果图。

其中，1为氮气瓶；2为二氧化碳气瓶；3为气体混合罐；4为第一压力表；5为第一气体流量计；6为喷射塔，6-1为扩压段，6-2为稳定段，6-3为储液段；7为第二气体流量计；8为第三压力表；9为第二压力表；10为富液罐；11为干燥塔；12为气体分析仪；13为计算机终端；14为液体流量计；15为泵；16为贫液罐。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明的喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔，自上至下依次由倒锥形的扩压段6-1、圆柱形的稳定段6-2和锥形的储液段6-3组成，在扩压段6-1上设有用于喷入醇胺溶液的多喷嘴结构，在稳定段6-2底部的侧壁上设有烟气入口。所述的用于喷入醇胺溶液的多喷嘴结构有3个喷嘴，1个喷嘴a设置在扩压段6-1顶壁，其余2个(喷嘴b和c)对称设置在扩压段6-1两侧壁上。烟气入口为两个(d和e)，对称设置在稳定段6-2底部的侧壁上。在储液段6-3底部还设有出液口f。

参见图2，为本发明的喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔的吸收测试系统，由氮气瓶1、二氧化碳气瓶2、气体混合罐3、压力表4，8，9、气体流量计5，7、喷射塔6、富液罐10、干燥塔11、气体分析仪12、计算机13、液体流量计14、泵15、贫液罐16构成；

在喷射塔6的一侧设有贫液罐16，贫液罐16通过管路与喷射塔6的喷嘴相连，在贫液罐16与喷射塔6相连的管路上设有泵15，在喷射塔6的另一侧设有模拟烟气混合装置；模拟烟气混合装置包括氮气瓶1、二氧化碳气瓶2和气体混合罐3，氮气瓶1和二氧化碳气瓶2的出气管均汇入气体混合罐3的进气管，气体混合罐3的出气管与喷射塔6侧壁的烟气入口相连通。

在喷射塔6的顶部设有干燥塔11，干燥塔11通过管路与喷射塔6的喷嘴相连，在干燥塔11的出气管管路上还设有气体分析仪12，气体分析仪12与计算机终端13相连；在喷射塔6的底部设有富液罐10。在气体混合罐3与喷射塔6相连的管路上依次设有第一压力表4和第一气体流量计5，在喷射塔6的侧壁上设有第二压力表9，在喷射塔顶部的出气管路上设有第三压力表8和第二气体流量计7；在泵15和喷射塔6相连的管路上设有液体流量计14。

本发明基于上述吸收测试系统测试二氧化碳吸收效果的方法，包括以下步骤：

1)将醇胺溶液从喷射塔顶部单喷嘴a，或上部单侧喷嘴b或上部对称布置的两个喷嘴b，c喷入吸收塔，在喷射塔上部倒锥形区域分散形成吸收液弥散区，再受到重力作用沿塔内竖直向下流动，在喷射塔底部圆锥形储液段停留形成液封，储液段通过底部出口f间歇开闭来保持液位在一定高度；

2)烟气通过喷射塔下部对称布置两个烟气入口d，e进入喷射塔，在圆柱形的稳定段和圆锥形扩压段区域与经喷嘴分散均匀的醇胺溶液交叉流或逆流接触吸收，实现较好的二氧化碳脱除效果；

3)雾化的醇胺溶液与模拟烟气在喷射塔内充分接触吸收，脱除二氧化碳后的烟气沿喷射塔顶部出口a(当醇胺溶液由喷射塔上部侧面单喷嘴b或双喷嘴b，c喷入时)或上部对称布置的两个出口b，c(当醇胺溶液由喷射塔顶部单喷嘴a喷入时)流出喷射塔排空。

当醇胺溶液由喷射塔上部扩压段6-1两侧壁上的喷嘴b和c喷入时，吸收二氧化碳后的烟气由扩压段6-1顶壁上的喷嘴a流出喷射塔；当醇胺溶液由喷射塔上部扩压段6-1顶壁上的喷嘴a喷入时，吸收二氧化碳后的烟气由扩压段6-1两侧壁上的喷嘴b和c流出喷射塔。

在测试时：

贫液罐16中的醇胺溶液通过泵15送到一定压力(0.8MPa～1.0MPa)从喷射塔顶部单喷嘴a，或上部单侧喷嘴b或上部对称布置的两个喷嘴b，c喷入吸收塔6，通过喷嘴的雾化作用及流体与流体、流体与塔壁的撞击作用，在喷射塔上部倒锥形区域分散形成吸收液弥散区，再受到重力作用沿塔内竖直向下流动，在喷射塔底部圆锥形储液段停留形成液封，储液段通过底部出口f间歇开闭来保持液位在一定高度；

由氮气瓶1和二氧化碳气瓶2混合得到的模拟烟气，经气体混合罐3混合均匀后，通过喷射塔下部对称布置两个烟气入口d，e进入喷射塔，烟气进入喷射塔后压力突降，经过圆柱形稳定段稳定后流入倒锥形扩压段并很快充满整个空间，与空间中经喷嘴分散均匀的醇胺溶液小液滴逆流接触吸收，实现较好的二氧化碳脱除效果；

雾化的醇胺溶液与模拟烟气在喷射塔内充分接触吸收，脱除二氧化碳后的烟气沿喷射塔顶部出口a(当醇胺溶液由喷射塔上部侧面单喷嘴b或双喷嘴b，c喷入时)或上部对称布置的两个出口b，c(当醇胺溶液由喷射塔顶部单喷嘴a喷入时)流出喷射塔排空，部分吸收后的烟气通过干燥塔11进入气体分析仪12测量吸收后二氧化碳含量，结果反馈在计算机终端13上。

为了验证该新型喷射塔的吸收效果，

通过改变不同实验条件，包括：吸收液流量，MEA浓度，烟气流量、二氧化碳浓度、液气比和MEA与二氧化碳摩尔比等参数，研究其对二氧化碳吸收性能的影响。二氧化碳脱除率和总体积传质系数作为本次实验的传质性能评价指标。同时，比较了喷射塔和传统填料塔的吸收性能，得出新型喷射塔具有更好的气液传质性能。

具体的采用单乙醇胺(MEA)溶液质量浓度在5％～40％，吸收液流量60-120L/h，烟气中二氧化碳体积分数为8％～20％，烟气流量为1～5m3/h，喷雾粒径为30～100微米，喷淋醇胺溶液中醇胺与二氧化碳摩尔比在2～30，反应温度为10～50℃，系统压力为0.1～1MPa。

喷射塔具体参数，如表1所示：

表1喷射塔参数

结果分析：参见图3和图4，由图不难看出随着液气比和MEA与二氧化碳摩尔比的增大，二氧化碳脱除率明显增大。由图3可知，当液气比由0.0136增加到0.0335时，二氧化碳脱除率由62.1％增加至92.4％。这是由于增大液气比，相当于增大液体流量，则液体流速增大，液相边界层厚度减小，从而减小液相传质阻力，加速反应进程。同时，增大液气比将增加气液接触面积，从而进一步提高传质性能。表现为二氧化碳脱除率随着液气比的增大而增大。由图4可知，在液气比保持0.0267不变的条件下，当MEA与二氧化碳摩尔比由6.39增加至25.54时，二氧化碳脱除率从81.7％增加至89.9％。这是由于，在同一液气比下，MEA与二氧化碳摩尔比增加，意味着有更多的活性MEA分子与二氧化碳分子接触和反应，导致二氧化碳脱除率增加。因此，可以得出液气比和MEA与二氧化碳摩尔比是影响二氧化碳捕集过程的重要因素。图5比较了该喷射塔与传统填料塔(Kuntz J,Aroonwilas A.Performance ofspray column for CO₂ capture application.Industrial&Engineering ChemistryResearch,2008,47(1):145-53.)的吸收性能。由图5可知，与贫液二氧化碳负荷为0.45mol/mol的填料塔相比，该喷射塔总体积传质系数明显大于填料塔。当二氧化碳负荷为0.15mol/mol时，差距有所减小但仍优于填料塔。这说明该新型喷射塔能实现优于传统规程填料塔的传质效果。另外，该喷射塔较填料塔结构更简单，投资维护费用更低。因此，可以考虑将该喷射塔引入二氧化碳吸收流程。

综上所述，本发明提供的一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的新型喷射塔及其工艺，利用喷射塔中醇胺溶液喷雾高效捕集电厂烟气中的二氧化碳。此系统相对于目前开发的烟气净化系统而言具有结构简单、成本较低、传质效果较好等优势，可有效提高目前烟气净化系统的气液传质效果，并大幅度降低关键设备投资、维护成本，有利用实现该系统的大规模工业推广应用。

采用本发明提供的一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的新型喷射塔及其工艺，具有简单、高效、脱除率高的特点。

Claims (8)

1.一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔，其特征在于，该喷射塔(6)自上至下依次由倒锥形的扩压段(6-1)、圆柱形的稳定段(6-2)和锥形的储液段(6-3)组成，在扩压段(6-1)上设有用于喷入醇胺溶液的多喷嘴结构，在稳定段(6-2)底部的侧壁上设有烟气入口；

所述的用于喷入醇胺溶液的多喷嘴结构有3个喷嘴，1个设置在扩压段(6-1)顶壁，其余2个对称设置在扩压段(6-1)两侧壁上；

在储液段(6-3)底部还设有出液口；

醇胺溶液经喷嘴分散后在喷射塔倒锥形的扩压段形成液体弥散区，经重力作用沿喷射塔塔壁竖直向下流动，在喷射塔底部圆锥形的储液段停留形成液封，烟气通过喷射塔稳定段底部的烟气入口进入喷射塔，烟气经圆柱形的稳定段后流向倒锥形的扩压段，与喷射塔空间中经喷嘴均匀分散的醇胺溶液小液滴接触，喷雾化的醇胺溶液将烟气中的二氧化碳吸收；

且进入喷射塔中的醇胺溶液采用质量浓度为5％～40％的单乙醇胺溶液，醇胺溶液的流量控制在60～120L/h，烟气中二氧化碳的体积分数为8％～20％，烟气流量控制在1～5m³/h。

2.根据权利要求1所述的一种喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔，其特征在于，烟气入口为两个，对称设置在稳定段(6-2)底部的侧壁上。

3.基于权利要求1～2中任意一项所述喷雾捕集烟气中二氧化碳的喷射塔的吸收测试系统，其特征在于，在喷射塔(6)的一侧设有贫液罐(16)，贫液罐(16)通过管路与喷射塔(6)的喷嘴相连，在贫液罐(16)与喷射塔(6)相连的管路上设有泵(15)，在喷射塔(6)的另一侧设有模拟烟气混合装置；

在喷射塔(6)的顶部设有干燥塔(11)，干燥塔(11)通过管路与喷射塔(6)的喷嘴相连，在干燥塔(11)的出气管管路上还设有气体分析仪(12)，气体分析仪(12)与计算机终端(13)相连；在喷射塔(6)的底部设有富液罐(10)。

4.根据权利要求3所述的吸收测试系统，其特征在于，所述模拟烟气混合装置包括氮气瓶(1)、二氧化碳气瓶(2)和气体混合罐(3)，氮气瓶(1)和二氧化碳气瓶(2)的出气管均汇入气体混合罐(3)的进气管，气体混合罐(3)的出气管与喷射塔(6)侧壁的烟气入口相连通。

5.根据权利要求4所述的吸收测试系统，其特征在于，在气体混合罐(3)与喷射塔(6)相连的管路上依次设有第一压力表(4)和第一气体流量计(5)，在喷射塔(6)的侧壁上设有第二压力表(9)，在喷射塔顶部的出气管路上设有第三压力表(8)和第二气体流量计(7)；在泵(15)和喷射塔(6)相连的管路上设有液体流量计(14)。

6.一种基于权利要求3所述的吸收测试系统测试二氧化碳吸收效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)贫液罐中的醇胺溶液通过泵打入喷射塔的喷嘴中，经喷嘴均匀分散后，在喷射塔上的倒锥形扩压段形成液体弥散区，经重力作用沿喷射塔塔壁竖直向下流动，在喷射塔底部的圆锥形储液段停留形成液封；

2)由气体混合罐输出的烟气通过喷射塔稳定段底部的烟气入口进入喷射塔，烟气经圆柱形稳定段后流向倒锥形扩压段，与喷射塔空间中经喷嘴均匀分散的醇胺溶液小液滴逆流接触，雾化的醇胺溶液将烟气中的二氧化碳吸收；

3)脱除二氧化碳后的烟气沿喷射塔顶部扩压段的喷嘴流出喷射塔，部分吸收后烟气通过干燥塔进入气体分析仪测量二氧化碳含量，另外一部分直接排空。

7.根据权利要求6所述的测试二氧化碳吸收效果的方法，其特征在于，当醇胺溶液由喷射塔上部扩压段(6-1)两侧壁上的喷嘴喷入与烟气交叉流接触吸收时，吸收二氧化碳后的烟气由扩压段(6-1)顶壁上的喷嘴流出喷射塔；当醇胺溶液由喷射塔上部扩压段(6-1)顶壁上的喷嘴喷入与烟气逆流接触吸收时，吸收二氧化碳后的烟气由扩压段(6-1)两侧壁上的喷嘴流出喷射塔。

8.根据权利要求6所述的测试二氧化碳吸收效果的方法，其特征在于，

醇胺溶液采用质量浓度为5％～40％的单乙醇胺溶液，醇胺溶液的流量控制在60～120L/h；

烟气中二氧化碳的体积分数为8％～20％，烟气流量控制在1～5m³/h；

喷雾粒径为30～100μm，喷射塔中喷淋的醇胺溶液中醇胺与二氧化碳摩尔比为2～30：1，反应温度为10～50℃，系统压力为0.1～1MPa。