CN105727729A - 基于原位吸附/脱附方式的连续循环二氧化碳捕集系统 - Google Patents

基于原位吸附/脱附方式的连续循环二氧化碳捕集系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于碳捕集技术相关设备领域，并公开了一种基于原位吸附/脱附方式的连续循环二氧化碳捕集系统，其包括依次相连的烟气净化模块、增压模块、等温碳捕集循环反应器组、出气冷凝装置、负压模块等，其中等温循环碳捕集反应器组被设计为由彼此贴合设置在一起进行传热的碳酸化反应器和再生反应器共同组成，两者在反应进行到一定时间后可执行功能切换；此外所述碳酸化反应器配备有增压模块，所述再生反应器(42)配备有负压模块并持续供给适量的水蒸气。通过本发明，与现有连续碳捕集方式相比能够显著提高整体反应效率，消除固体吸附剂颗粒因碰撞发生的磨损，并使得吸附与脱附之间的温差大为降低，同时具备经济性和环境友好性等优点。

Description

基于原位吸附/脱附方式的连续循环二氧化碳捕集系统
技术领域
本发明属于碳捕集技术相关设备领域，更具体地，涉及一种基于原位吸附/脱附方式的碳连续循环捕集系统。
背景技术
二氧化碳(CO2)是导致全球气候变暖的温室气体的主要成分之一，对温室效应的贡献率高达55％，由于CO2等温室气体排放所引起的气候变化已成为全世界关注的焦点问题。碳捕集与封存技术(CCS技术)是指将二氧化碳从相关集中排放燃烧源中捕获并分离出来，并采用各种方法存储以避免其排放到大气中的一种技术，是应对气候变化最有效的技术路径之一。其中，相比较对CO2的压缩，输运与封存，从燃煤电站捕集烟气中CO2的成本最高，占CCS费用的75％以上，因此如何经济、有效地规模化捕集CO2成为当今科研机构与企业研究的重点与热点。
目前已有的二氧化碳捕集方法主要有富氧燃烧捕集、燃烧前捕集和燃烧后捕集三种，其中，燃烧后捕集是应用较为普遍的方法。所谓燃烧后捕集，是系统从一次燃料在空气中燃烧所产生的烟道气体中分离CO2，包括变压吸附、膜分离、物理吸收及化学吸收等，能直接应用于现有生产设备，投入相对较少，原理简单，适用范围广。例如，由于化学反应的存在，化学吸收法用于CO2捕集时，吸收能力强，平衡分压低，吸收过程中能维持足够高的传质推动力，可确保高捕集效率，具有较高的可操作性及广阔的市场前景。
基于碱金属氧化物和碱土金属氧化物的固体吸附剂循环捕集CO2技术被认为是最具有前景的一种燃烧后捕集CO2的技术手段之一，它可以直接运用于常规燃煤电厂或者水泥厂，钢厂等。其工作原理是：含有高浓度CO2的烟气通入吸附反应器中，固体吸附剂吸收CO2，然后生成固体产物通过串行双流化床系统输运到另一个温度更高的脱附反应器中，固体吸附剂得以再生，同时获得高浓度的CO2，进而压缩、输运和封存。
然而，进一步的研究表明，该技术仍然存在若干技术难题。首先，碱金属氧化物和碱土金属氧化物的耐磨性普遍较差，在传统的串行双流化床反应器中破碎太严重；其次，采用传统流程的循环装置，由于热力学的限制，吸附和脱附反应的温差较大，如采用CaO的吸附和脱附温差为350℃，采用MgO的吸附和脱附温差为250℃，因此，传统流程的热经济性较差；其三，由于串行双流化床的系统复杂，操作不便而且限制了气固反应速率的进一步提升空间。相应地，本领域亟需作出进一步的研究和改进，以便更好地发挥固体吸附剂循环捕集CO2技术的优势。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于原位吸附/脱附方式的连续循环二氧化碳捕集系统，其中通过结合固体吸附剂捕集工艺的特点来展开针对性研究，并采用原位吸附/脱附的反应机理来对整个反应体系的组成重新进行设计，特别是对关键组件如反应器组、增压模块和负压模块等的具体组成及设置方式做出调整，相应与现有碳连续捕集方式相比能够显著提高整体反应效率，消除固体吸附剂颗粒因碰撞发生的磨损，并使得吸附与脱附之间的温差大为降低，相应优化了吸附剂的循环稳定性及反应活性。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于原位吸附/脱附方式的连续循环二氧化碳捕集系统，其特征在于，该二氧化碳连续循环捕集系统包括依次相连的烟气净化模块、等温碳捕集循环反应器组、出气冷凝装置和CO2压缩储存单元，其中：
所述烟气净化模块用于接收待处理的工业烟气，对其执行除尘脱硫处理，然后继续输送至所述等温碳捕集循环反应器组；
所述等温碳捕集循环反应器组的数量至少有两组，各组之间彼此并联，并且由彼此贴合设置在一起进行传热的碳酸化反应器和再生反应器共同组成；其中对于碳酸化反应器而言，它的内部存储有固体吸附剂且与增压风机模块可切换地保持相连，由此用于与获得增压后的烟气进行反应以吸附其中的CO2，同时将吸附CO2后的尾气向外排放；对于再生反应器而言，它的内部存储有CO2与固体吸附剂反应会生成的固体产物，同时还与负压引风模块和水蒸气供应源可切换地保持相连，由此用于在有水蒸气吹扫的负压状态下对所述固体产物执行煅烧脱附，进而获得CO2/H20的混合气体；
所述出气冷凝装置与所述再生反应器保持相连，并用于对CO2/H20混合气体中的H2O执行冷凝分离，然后将高纯度的CO2继续输送至所述CO2压缩储存单元以便后期的应用或者封存；
此外，上述碳连续循环捕集系统还具有吸附-脱附切换模块，该吸附-脱附切换模块用于对各个所述等温碳捕集循环反应器组彼此独立地执行操作，使得所述碳酸化反应器和所述再生反应器两者之间发生进出气的气路切换，相应将所述碳酸化反应器转换为执行所述再生反应器的功能，同时将所述再生反应器转换为执行所述碳酸化反应器的功能。
作为进一步优选地，对于同一组的等温碳捕集循环反应器组而言，进入到所述碳酸化反应器的烟气增压为≧0.15MPa，根据实际运行情况以及经济型的考虑，优选为0.2～0.5MPa；所述再生反应器内的负压为≦0.08MPa,优选被设定为0.03MPa～0.06MPa。
作为进一步优选地，所述水蒸气在再生反应器中的体积浓度为10％～60％、优选按照30％～40％水蒸气浓度提供给所述再生反应器，并采用喷头的方式执行吹扫。
作为进一步优选地，对于同一组的等温碳捕集循环反应器组而言，所述碳酸化反应器与所述再生反应器两者之间的反应速率被设定为基本保持一致。
作为进一步优选地，所述碳酸化反应器中的内部温度与所述再生反应器中的内部温度相比，两者之间的温差为100℃以下。
总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备下列优点：
1、通过对作为系统关键组件之一的等温碳捕集循环反应器组的具体组成结构及其设置方式重新进行设计，固体吸附剂和反应产物均保持在相对固定的空间内，也即CO2吸附和脱附过程均可在原位进行，无需像现有技术那样必需沿着流化床来不断位移，相应可从根源上消除固体颗粒因相互碰撞而发生的磨损，这不仅能够提高整体的碳捕集反应效率，而且能够更为充分地发挥譬如碱金属和碱土金属氧化物之类固体吸附剂的优点，并大大提高吸附剂在循环利用中的寿命，降低生产成本；
2、此外，通过将各个反应器组中的碳酸化反应器和再生反应器设置为彼此贴合且进行热传导，不仅能够使得整体反应体系更为紧凑和便于操作，更重要的是能够在取得原位吸附/脱附机理的基础之上，充分利用了碳酸化反应所产生的热能，并将其直接近距离传递给相匹配安装的再生反应器，进而更快地促进煅烧反应的升温过程和整体反应效率，这反过来会直接影响到吸附反应与脱附反应之间的温差问题；与此同时，通过设置切换模块来调换各反应器组中两个反应器之间的功能，相应每隔一段生产周期后仅需简单的气路切换即刻快捷、高效地实现连续捕集CO2的功能；
3、本发明在整个捕集系统中专门设置有增压模块和负压模块并分别作用于碳酸化反应器和再生反应器，较多的对比测试表明，与不设置这些模块的方案相比，这样能够更为充分地利用平衡分压与反应温度之间的相互影响，不仅可显著同时提高吸附反应、脱附反应这两种互逆过程的反应速率，而且还能大大减低这两种互逆过程之间温差过大的问题，从而进一步有助于提高整体反应效率，并达到节省能耗的效果；
4、通过对本发明中的再生反应器增加水蒸气供应源并对其供应量的范围继续进行研究，测试表明，适当量的水蒸气注入不仅能够使得二氧化碳的分压降低，而且这反过来会促进煅烧反应的进行，同时在后续的冷凝器还能够帮助水蒸气与CO2之间的分别，相应能够进一步提高操作可控性和整体反应效率。
5、提出水蒸气负压条件下煅烧，大大降低了煅烧反应温度，解决了吸收剂因高温烧结而导致的活性降低的问题。大大提高了固体吸收剂的循环捕集效率，延长了吸收剂的使用寿命。
6、较多的实验数据表明，石灰石吸收剂经过10次循环反应后，等温循环条件下的吸附容量是变温条件下的10倍，基于本发明的等温循环捕集CO2过程，能够大幅度的提高碱土金属氧化物的循环CO2捕集能力；
7、再生反应器排气经过冷凝后，可以获得近乎纯的CO2气体，可以进行收集利用或者封存。
8、通过设置至少2组反应器组，使得吸收剂既可以连续进料和出料，又可以间歇的进料和出料。其中若干个反应器进行进出料期间，可以保证还有并联的至少一对碳酸化反应器和再生反应器在连续的进行CO2的捕集。换料期间不需要停机。
附图说明
图1显示了现有技术中基于固体吸附剂的变温碳捕集流化床系统的主体结构示意图；
图2是按照本发明优选实施方式所构建的基于原位吸附/脱附方式的碳连续循环捕集系统的主体结构示意图；
图3是用于具体显示图2中所示等温碳捕集循环反应器组的组成结构及工作原理示意图；
图4是石灰石吸收剂的传统循环(650℃-950℃)与等温循环(800℃-800℃)捕集CO2技术的循环吸附数据对比；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-烟气净化模块2-气体切换阀件3-增压风机模块4-等温碳捕集循环反应器组5-出气冷凝装置6-气体切换阀件7-负压引风模块8-吸附剂进料/出料机构41-碳酸化反应器42-再生反应器101-传统流化床中的碳酸化反应器102-传统流化床中的再生反应器
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1显示了现有技术中基于固体吸附剂的变温碳捕集流化床系统的主体结构示意图。如图1中所示，这种传统的串行双流化床反应器中，碳酸化反应器和再生反应器都是分开设置在反应路径的不同位置，固体吸附剂必需沿着沿着反应路径不断发生位移，因相互碰撞而发生的磨损或破碎比较严重，直接影响到整体的反应效率；而且对于这种传统流程的循环装置来说，吸附和脱附反应两者之间的温差往往较大，如采用CaO的吸附和脱附温差约为350℃，采用MgO的吸附和脱附温差约为250℃，等等。
正是基于对以上技术问题的认识以及重新研究，本发明中相应对碳连续循环捕集系统的整体构造体系以及多个关键组件的结构及设置方式进行了针对性的重新设计和调整，以便全面解决以上的诸多技术难题，包括固体吸附剂破损、吸附-脱附反应温差过大、整体反应效率偏低以及结构复杂难以操控等。
图2是按照本发明优选实施方式所构建的基于原位吸附/脱附方式的连续循环二氧化碳捕集系统的主体结构示意图，图3是用于具体显示图2中所示等温碳捕集循环反应器组的组成结构及工作原理示意图。参见图2和图3，该碳连续循环捕集系统主要包括依次相连的烟气净化模块1、等温碳捕集循环反应器组4、出气冷凝装置5和CO2压缩储存单元等，下面对这些组件逐一进行具体的解释说明。
烟气净化模块1用于接收待处理的工业烟气，并譬如通过脱硫塔等手段为其执行除尘脱硫处理后，继续输送至等温碳捕集循环反应器组4集中进行碳捕集处理。
作为本发明的关键组件之一，等温碳捕集循环反应器组4的数量为至少两组，各组之间彼此并联，并且由彼此贴合设置在一起进行传热的碳酸化反应器41和再生反应器42共同组成。具体而言，对于碳酸化反应器41而言，它的内部存储有譬如MgO之类的固体吸附剂，并与增压风机模块3可切换地保持相连，这样在增压的碳酸化反应器中，MgO+CO2→MgCO3，反应放热，也即与获得增压后的烟气进行反应以吸附其中的CO2，同时将吸附CO2后的尾气向外排放；而对于再生反应器42而言，它的内部存储有CO2与固体吸附剂反应会生成的固体产物(譬如与前面相对应的MgCO3)，同时还与负压引风模块7和水蒸气供应源可切换地保持相连，这样在负压的再生反应器中，MgCO3→MgO+CO2↑，吸收剂得以再生并且获得高浓度的CO2，也即在掺杂有水蒸气的负压状态下对所述固体产物执行煅烧脱附，进而获得了CO2/H20的混合气体。
出气冷凝装置5则与所述再生反应器42保持可切换地相连，并用于对CO2/H20混合气体中的H2O执行冷凝分离，然后将高纯度的CO2继续输送至所述CO2压缩储存单元以便后期的应用，例如用于化工原料，或者直接进行隔离封存。
按照以上方式，当反应进行了一定阶段之后，碳酸化反应器中吸附剂达到一定的吸附容量，吸附活性降低，与此同时在再生反应器中，吸附剂基本获得再生，此时可以通过配套的吸附-脱附切换模块，如图2中所示的多个气体切换阀件2、6等来切换反应进出气管路，相应使得原碳酸化反应器转化为再生反应器，而原再生反应器转化为碳酸化反应器，由此通过便于操控、高效快捷的方式达到连续捕集CO2的目的，而且在切换前后仍保持原位吸附/脱附的工作机理。
此外，本申请中的固体吸附剂既可连续进料和出料，又可间歇进料和出料。其中一组反应器的吸附剂间歇换料以及维护期间，另外的不少于一对的反应器不需要停炉，仍可捕集CO2。对于失活的吸附剂，可经过一套合理的物料传送机构，进入消化池；而获得的碱金属氧化物和碱土金属氧化物废料可以用于前期的脱硫。水蒸气供应源可从工厂的循环水路系统譬如乏汽、轴封汽等)引出。
综上，本发明的特色主要在于：第一、固体吸附剂的CO2吸附和脱附过程原位进行，从根源上消除了固体颗粒因碰撞发生的磨损，使该装置能够很好地利用廉价的耐磨性很差的碱金属和碱土金属氧化物进行CO2捕集；第二、烟气在进入吸附反应器前，先通过增加风机进行增压，提高吸附反应速率；在再生反应器出口设置引风机抽负压，提高脱附反应效率，这种针对性设计能够达到进一步变压增强吸附-脱附的功效；第三、通过对各组反应器组内部组成元件的设计，能够明显优化两个反应器之间的传热，靠碳酸化反应显热加热再生反应器，不足的热量由富氧燃烧方式提供，这样既利于提高反应效率，也能够改善反应温差；第四、本发明使吸附剂在等温或近等温的条件下进行吸附-脱附循环反应，现有技术中吸附-脱附温差通常在200-400℃，而本发明通过热量原位利用以及增压吸附-负压脱附等一系列手段，能够使得吸附-脱附温差降低到100℃以下，解决了本领域关注的一个技术难题；这种原位反应机理上不仅大大降低了再生反应温度，还明显减缓固体吸收剂的失活趋势，优化了吸收剂的循环稳定性以及反应活性；最后，按照本发明的上述反应系统整体结构紧凑、便于操控，能够高效快捷地实现烟气CO2的连续循环捕集，并可获得纯度很高的CO2气体产物备用，因而在经济性和环境友好性方面均有优良表现。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于原位吸附/脱附方式的连续循环二氧化碳捕集系统，其特征在于，该连续循环二氧化碳捕集系统包括依次相连的烟气净化模块(1)、等温碳捕集循环反应器组(4)、出气冷凝装置(5)和CO2压缩储存单元，其中：
所述烟气净化模块(1)用于接收待处理的工业烟气，对其执行除尘脱硫处理，然后继续输送至所述等温碳捕集循环反应器组(4)；
所述等温碳捕集循环反应器组(4)的数量至少有两组，各组之间彼此并联，并且由彼此贴合设置在一起进行传热的碳酸化反应器(41)和再生反应器(42)共同组成；其中对于碳酸化反应器(41)而言，它的内部存储有固体吸附剂且与增压风机模块(3)可切换地保持相连，由此用于与获得增压后的烟气进行反应以吸附其中的CO2，同时将吸附CO2后的尾气向外排放；对于再生反应器(42)而言，它的内部存储有CO2与固体吸附剂反应生成的固体碳酸化产物，同时还与负压引风模块(7)和水蒸气供应源可切换地保持相连，由此用于在有水蒸气吹扫的负压状态下对所述固体产物执行煅烧脱附，进而获得CO2/H20的混合气体；
所述出气冷凝装置(5)与所述再生反应器(42)和负压引风装置(7)保持可切换地相连，并用于对CO2/H20混合气体中的H2O执行冷凝分离，然后将高纯度的CO2继续输送至所述CO2压缩储存单元以便后期的应用或者封存；
此外，上述连续循环二氧化碳捕集系统还具有吸附-脱附切换模块，该吸附-脱附切换模块用于对各个所述等温碳捕集循环反应器组(4)彼此独立地执行操作，使得所述碳酸化反应器(41)和所述再生反应器(42)两者之间发生进、出气的气路切换，相应将所述碳酸化反应器(41)转换为执行所述再生反应器(42)的功能，同时将所述再生反应器(42)转换为执行所述碳酸化反应器(41)的功能。
2.如权利要求1所述的连续循环二氧化碳捕集系统，其特征在于，对于同一组的等温碳捕集循环反应器组(4)而言，进入到所述碳酸化反应器(41)的烟气增压至≧0.15MPa，优选被增压至0.2MPa～0.5MPa；所述再生反应器(42)内的负压设定为≦0.08MPa，优选被设定为0.03MPa-0.06MPa。
3.如权利要求1或2所述的连续循环二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述水蒸气在再生反应器中的体积浓度为10％-60％、优选按照30％-40％体积浓度提供给所述再生反应器(42)，并采用喷头的方式执行吹扫。
4.如权利要求1-3任意一项所述的连续循环二氧化碳捕集系统，其特征在于，对于同一组的等温碳捕集循环反应器组(4)而言，所述碳酸化反应器(41)与所述再生反应器(42)两者之间的反应速率被设定为基本保持一致。
5.如权利要求1-4任意一项所述的连续循环二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述碳酸化反应器(41)中的内部温度与所述再生反应器(42)中的内部温度相比，两者之间的温差为100℃以下。
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