CN105771550A - 一种利用节流膨胀原理促进二氧化碳吸收剂再生的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用节流膨胀原理促进二氧化碳吸收剂再生的方法，包括以下步骤：A、使负载CO₂的吸收剂流经节流装置中节流元件的上游侧；B、使吸收剂在一定压差下透过节流元件中的孔道到达下游侧，实现吸收剂的再生，再生贫液与CO₂分别从节流装置的再生贫液出口和CO₂气体出口流出，未透过节流元件的吸收剂从吸收剂残液出口流出；C、分别收集再生贫液与CO₂气体。本发明利用节流膨胀原理，在吸收剂透过节流元件微孔的瞬间，促进刚刚解吸出来的CO₂微小气泡在吸收剂液滴中的快速聚并及膨胀，大幅度提高了CO₂与吸收剂分离的速率，可使吸收剂于再生设备内的停留时间缩短到数秒，并通过降低再生过程温度，降低了再生能耗及吸收剂物耗。

Description

一种利用节流膨胀原理促进二氧化碳吸收剂再生的方法

技术领域

本发明属于CO₂吸收剂再生技术领域，具体涉及一种利用节流膨胀原理促进二氧化碳吸收剂再生的方法。

背景技术

在未来可见的一段时间内，在碳捕集与封存(CarbonCaptureandStorage，CCS)技术依然是解决温室气体问题的唯一经济性可行途径。而在CCS技术中，捕集成本占整个操作成本的80％，再生能耗约占整个捕集过程能耗的1/2-2/3以上，因此低能耗再生技术的开发已经成为实现CCS技术的关键所在。基于化学吸收的燃烧后烟气CO₂分离技术是主流的碳捕集手段。IEA(InternationalEnergyAgency)2004报告指出，传统再生工艺存在吸收剂中CO₂的再生反应及气液传质分离等过程，存在着再生温度高、吸收剂降解及气液传质效果差等问题。文献(《环境与工业气体净化技术》，北京：化学工业出版社，2001.5:153-156)公布的两种典型的使用塔板装置再生CO₂吸收剂的工艺参数，其再生温度均为120℃，根据其提供的数据估算的吸收剂平均停留时间分别在5小时和6小时左右。有研究者通过改进填料塔、开发新型再生工艺希望通过提高传质效率以提升其再生效率，如中国专利申请(申请号201310607156.1，公开日2014年3月19日)公开了一种利用超声强化CO₂吸收剂再生的技术，通过超声技术加速CO₂的再生，该工艺是基于填料塔设备的改进，从流量等估算其停留时间仍在数小时左右；中国专利申请(申请号201210016741.X，公开日2013年7月24日)公开了一种利用超重力技术再生脱碳吸收剂的技术，其再生温度为100-140℃，但存在设备体积大、成本高等问题；中国专利申请(申请号201010169524.3,公开日2010年09月08日)公开了一种利用中空纤维膜接触器减压再生进行CO₂吸收剂再生的技术，其再生温度为60-80℃，相比传统填料塔再生装置有较大幅度的降低。在该技术中，利用疏水膜的阻挡作用，吸收剂只在膜的一侧进行流动而不会透过膜到达另一侧，通过升温、吹扫或减压等方式，使溶解在液相中的CO₂通过膜孔扩散到膜的另一侧，疏水性中空纤维膜起到了良好的分隔气液两相的作用，使其操作弹性大幅提高。通过该研究者的相关文献数据表明，该技术典型的吸收剂停留时间约为140-200秒。

综上，目前CO₂吸收剂再生工艺存在能耗及物耗两个问题：a.基于化学吸收的再生过程是一个吸热过程，传统再生设备因其气液传质效率相对较低，必须要通过提高温度来提高传质推动力，以达到合适的传质效果。维持高温条件不仅会引起能耗上升，同时高温所引起的吸收剂中水的大量蒸发也产生了大量无效能耗；b.吸收剂因高温和长停留时间易造成氧化降解，并带来较大的物耗。

要解决上述问题，需要开发一种高效率的传质技术以降低再生温度并缩短吸收剂在再生阶段的停留时间，从而减少水蒸发所带来无效能耗，并减小吸收剂的降解损失。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种利用节流膨胀原理促进二氧化碳吸收剂再生的方法，采用该方法可显著降低吸收剂的停留时间和再生温度，有利于降低再生能耗及吸收剂物耗。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种利用节流膨胀原理促进二氧化碳吸收剂再生的方法，包括以下步骤：

A、使负载CO₂的吸收剂在一定流速下流经节流装置中节流元件的上游侧，所述节流装置上设有吸收剂进口、吸收剂再生贫液出口、CO₂气体出口和吸收剂残液出口；

B、使上述吸收剂在一定压差下透过节流元件中的孔道到达下游侧，实现吸收剂的再生，得到的吸收剂再生贫液与CO₂分别从节流装置的吸收剂再生贫液出口和CO₂气体出口流出；只在节流元件一侧流动未透过节流元件的吸收剂不实现解吸，从吸收剂残液出口流出；

C、分别收集再生贫液与CO₂气体；

其中，上游侧、下游侧均以节流元件上的孔为参照。

进一步，步骤A、B中操作温度为50-80℃，吸收剂上游侧绝对压力100-200kPa，压差为50至100kPa。其中，压差定义为节流元件上游侧与下游侧绝对压力之差。

进一步，步骤A、B中所述节流装置为板孔式节流装置时，其节流元件为节流孔板，节流孔板的材质可以是金属、陶瓷、PP、PVDF、PES、PTFE中的一种或多种的复合。所述节流孔板上开有节流孔，节流孔的孔径为2-50μm，孔隙率35-85％。

进一步，步骤A、B中所述节流装置为中空纤维管式节流装置时，其节流元件为中空纤维管。中空纤维管的材质可以是金属、陶瓷、PP、PVDF、PES、PTFE中的一种或多种的复合。中空纤维管式节流装置由多根中空纤维管集合在一壳体内制成，中空纤维管管壁上微孔的孔径为0.1-100μm，孔隙率为35-85％。

进一步，其特征在于，CO₂吸收剂在节流装置中的停留时间t范围为0＜t≤10秒，CO₂解吸率为50-99％。

进一步，在进入步骤C之前，检测步骤B穿过节流元件而得到的吸收剂再生贫液是否达到再生要求；若未达到再生要求，则重复步骤A、B，直至吸收剂再生贫液达到再生要求后，进入步骤C。

进一步，所述CO₂吸收剂为氨水、胺类CO₂吸收剂溶液、氨基酸类CO₂吸收剂溶液或它们的复配混合物，吸收剂负载的CO₂浓度为0.5-5mol/L。

本发明利用节流膨胀原理，在负载CO₂的吸收剂穿过节流元件的节流孔时，在节流孔下游侧表面，因压力的急剧降低促进刚刚解吸出来的CO₂微小气泡在吸收剂液滴中的聚并及膨胀，因而大幅度提高了CO₂与吸收剂液相分离的速率，从而可使吸收剂于再生设备内的停留时间缩短到数秒，并通过降低再生过程温度，使得吸收剂的氧化降解和吸收剂中水的蒸发等问题都得到了极大的缓解，有利于降低再生能耗及吸收剂物耗。节流元件中所存在的大量细小孔道，使透过节流孔的吸收剂被分散为极小的液滴，从而大大提高了其传质面积，使总的传质效率大幅提升。

附图说明

图1是用于实现本发明方法的二氧化碳吸收剂再生装置的结构示意图，其中节流元件为节流板孔；

图2是用于实现本发明方法的二氧化碳吸收剂再生装置的结构示意图，其中节流元件为中空纤维管。

附图标记：

1.储液槽；2.流体输送及增压装置；3.节流装置；3-1节流孔板；3-2.中空纤维管；3-3.吸收剂进口；3-4.吸收剂残液出口；3-5.吸收剂再生贫液出口；3-6.CO₂气体出口；4.真空泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明所提供的一种利用节流膨胀原理促进二氧化碳吸收剂再生的方法，包括以下步骤：

A、使负载CO₂的吸收剂在一定流速下流经节流装置中节流元件的上游侧，所述节流装置上设有吸收剂进口、吸收剂再生贫液出口、CO₂气体出口和吸收剂残液出口；

B、使上述吸收剂在一定压差下透过节流元件中的孔道到达下游侧，实现吸收剂的再生，得到的吸收剂再生贫液与CO₂分别从节流装置的再生贫液出口和CO₂气体出口流出，未透过节流元件的吸收剂从吸收剂残液出口流出；

C、分别收集再生贫液与CO₂气体。

本文中，上游侧、下游侧均以节流元件上的孔为参照。

本发明步骤B中，负载CO₂的吸收剂透过节流装置的过程中，负载CO₂的吸收剂透过节流元件的孔道时，在节流膨胀作用下，在节流元件下游侧表面附近，刚刚解吸出来的CO₂微小气泡在吸收剂液相中不断地发生快速聚并和膨胀，从而加快了CO₂与吸收剂液相分离的速率，降低了再生时间。节流元件中所存在的大量细小孔道，使透过节流孔的吸收剂被分散为极小的液滴，从而大大提高了其传质面积，使总的传质效率大幅提升。

本发明的方法适用于各种CO₂吸收剂的再生过程。所述CO₂吸收剂可以为氨水、胺类CO₂吸收剂溶液、氨基酸类CO₂吸收剂溶液或它们的复配混合物。吸收剂负载的CO₂浓度为0.5-5mol/L。

优选情况下，步骤B的操作压差可设在50-100kPa。

步骤A、B的操作温度可设在50-80℃，优选为60-70℃。

本发明中，从负载CO₂的吸收剂开始进入节流装置到系统各部分达到稳态(在此过程中吸收剂解吸率及气路中CO₂含量是变化的)需要一定的时间，当系统达到稳态时，经检测可知，CO₂吸收剂在节流装置中的停留时间t范围为0＜t≤10秒，CO₂解吸率约为50-99％。

在本发明一种实施方案中，步骤A中所采用的节流装置可以是板孔式节流装置。板孔式节流装置的节流元件是节流孔板，节流孔板上开有节流孔，节流孔的孔径可以为2-50μm。

本发明采用板孔式节流装置时，一种典型的操作方式为：负载CO₂的吸收剂从节流板孔的上游侧进入，在流动的过程中，负载CO₂的吸收剂透过节流孔板中节流孔到达下游侧，在节流孔板下游侧实现快速气液分离。

在本发明另一种实施方案中，步骤A中所采用的节流装置可以为中空纤维管式节流装置，其节流元件为中空纤维管。中空纤维管式节流装置由多根中空纤维管集合在一壳体内制成，中空纤维管管壁上微孔的孔径为0.1-100μm，孔隙率为35-85％。

采用中空纤维管式节流装置时，一种典型的操作方式为：负载CO₂的吸收剂从中空纤维管管束内进入，在流动的过程中，中空纤维管内负载CO₂的吸收剂透过中空纤维管管壁上微孔中到达另一侧，在中空纤维管束外侧实现快速气液分离。

本发明中节流孔板或中空纤维管的材质可以是金属、陶瓷、PP、PVDF、PES、PTFE中的一种或多种的复合。

本发明中，在进入步骤C之前，检测步骤B得到的吸收剂再生贫液是否达到再生要求；若未达到再生要求，则重复步骤A、B，直至吸收剂再生贫液达到再生要求后，进入步骤C。

本发明的方法可借助于图1、2的配套装置实现二氧化碳吸收剂的再生。图1、2仅本发明的示意性视图。

如图1或图2所示，实现本方法的配套装置包括储液槽1、节流装置3，储液槽1和节流装置3之间连接有流体输送及增压装置2，节流装置3上设有吸收剂进口3-3、吸收剂残液出口3-4、吸收剂再生贫液出口3-5和CO₂气体出口3-6，节流装置3的吸收剂再生贫液出口3-5及CO₂气体出口3-6均连接有真空泵4。操作压差通过流体输送及增压装置2和真空泵4调节。

如图1所示，节流装置3采用板孔式节流装置时，其节流元件为节流板孔3-1。所述板孔式节流装置包括壳体和设在壳体内的节流板孔3-1，节流板孔3-1垂直于流体流动方向设在节流装置内。操作时，负载CO₂的吸收剂从吸收剂进口3-3流入壳体，从节流板孔3-1的节流孔处透过节流板孔3-1并实现快速气液分离，经再生的吸收剂从吸收剂再生贫液出口3-5流出，再生出的CO₂气体从CO₂气体出口3-6流出，未透过节流板孔3-1的吸收剂从吸收剂残液出口3-4流出。

如图2所示，节流装置3采用中空纤维管式节流装置时，其节流元件为中空纤维管3-2。所述中空纤维管式节流装置由多根中空纤维管3-2集合在一壳体内制成。操作时，负载CO₂的吸收剂从吸收剂进口3-3流入中空纤维管内，从中空纤维管3-2的上游侧透过中空纤维管壁上的微孔到达下游侧，并实现快速气液分离，吸收剂再生贫液从吸收剂再生贫液出口3-5流出，再生出的CO₂气体从CO₂气体出口3-6流出，未透过中空纤维管3-2管壁微孔的吸收剂从吸收剂残液出口3-4流出。

CO₂解吸率的计算方法由下式得到：

$R=(1-\frac{c_{\mathrm{out}}}{c_{\mathrm{in}}})\·100\%$ ①；

式①中，c_in为吸收剂进口3-3处吸收剂中CO₂浓度，c_out为吸收剂再生贫液出口3-5处吸收剂再生贫液中CO₂浓度。

以下结合图1、2以具体的实施例详细说明本发明。

实施例1

采用质量组成20％MDEA+40％NHD+40％H₂O的吸收剂(初始负载CO₂浓度为1.30mol/L)，使用名义孔径为2μm、水力直径为4.8cm的金属烧结板作为节流元件，实验装置如图1所示。操作条件：压差为70kPa(节流元件上游侧绝压100kPa，下游侧绝压30kPa)，再生温度为70℃，吸收剂流速为0.9L/h。

系统达到稳态时，检测自吸收剂再生贫液出口3-5流出的吸收剂再生贫液中CO₂浓度0.06mol/L，CO₂解吸率为95.1％，吸收剂在节流装置内平均停留时间7.2s。

实施例2

采用质量组成10％MDEA+50％NHD+40％H₂O的吸收剂(初始负载CO₂浓度为0.786mol/L)，使用装填根数n为10根、孔径为0.65μm、孔隙率65％的PTFE中空纤维膜组件作为节流元件，实验装置如图2所示。操作条件：压差为70kPa(节流元件上游侧(中空纤维管内侧)绝压100kPa，下游侧(中空纤维管外侧)绝压30kPa)，再生温度为60℃，吸收剂流速为1.2L/h。

系统达到稳态时，检测自吸收剂再生贫液出口3-5流出的吸收剂再生贫液中CO₂浓度为0.14mol/L，解吸率为82.8％，吸收剂在节流装置内平均停留时间6.3s。

实施例3

采用质量组成30％MDEA+30％NHD+40％H₂O的吸收剂(初始负载CO₂浓度为2.01mol/L)，使用名义孔径为2μm、水力直径为4.8cm的金属烧结板作为节流元件，实验装置如图1所示。操作条件：压差为100kPa(节流元件上游侧绝压200kPa，下游侧绝压100kPa)，再生温度为70℃，吸收剂流速为72L/h。

系统达到稳态时，检测自吸收剂再生贫液出口3-5流出的吸收剂再生贫液中CO₂浓度0.62mol/L，解吸率为69.4％，吸收剂在节流装置内平均停留时间0.1s。

实施例4

将实施例3中再生后的吸收剂进行第二级节流膨胀再生处理，节流装置和操作条件同实施例3。

系统达到稳定时，检测自吸收剂再生贫液出口3-5流出的吸收剂再生贫液中CO₂浓度0.23mol/L，解吸率为63.1％，吸收剂在节流装置内平均停留时间0.1s。

综合实施例3和4可以看出，经过两级再生，吸收剂在节流装置内总停留时间约在0.2s，总的再生效果为88.6％，吸收剂负载CO₂浓度从2.01mol/L下降到0.23mol/L。

实施例5

采用质量组成30％MDEA+30％NHD+40％H₂O的吸收剂(初始负载CO₂浓度为1.99mol/L)，使用名义孔径为50μm、水力直径为4.8cm的金属烧结板作为节流元件，实验装置如图1所示。操作条件：压差为100kPa(节流元件上游侧绝压200kPa，下游侧绝压100kPa)，再生温度为60℃。

系统达到稳定时，检测自吸收剂再生贫液出口3-5流出的吸收剂再生贫液中CO₂浓度0.75mol/L，解吸率为62.6％，吸收剂在节流装置内平均停留时间0.1s。

实施例6

采用质量组成10％MDEA+50％NHD+40％H₂O的吸收剂(初始负载CO₂浓度为0.56mol/L)，使用名义孔径为20μm、水力直径为4.8cm的金属烧结板作为节流元件，实验装置如图1所示。操作条件：压差为70kPa(节流元件上游侧绝压100kPa，下游侧绝压30kPa)，再生温度为50℃，吸收剂流速为0.9L/h。

系统达到稳态时，检测自吸收剂再生贫液出口3-5流出的吸收剂再生贫液中CO₂浓度0.29mol/L，解吸率为56.1％，吸收剂在节流装置内平均停留时间4.8s。

上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种利用节流膨胀原理促进二氧化碳吸收剂再生的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、使负载CO₂的吸收剂由吸收剂进口进入，在一定流速下流经节流装置中节流元件的上游侧，所述节流装置上设有吸收剂进口、吸收剂再生贫液出口、CO₂气体出口和吸收剂残液出口；

B、使上述吸收剂在一定压差下透过节流元件中的孔道到达下游侧，实现吸收剂的再生，得到的吸收剂再生贫液与CO₂分别从节流装置的吸收剂再生贫液出口和CO₂气体出口流出，未透过节流元件的吸收剂从吸收剂残液出口流出；

C、分别收集再生贫液与CO₂气体；

其中，上游侧、下游侧均以节流元件上的孔为参照。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A、B中操作温度为50-80℃，节流元件上游侧绝对压力100-200kPa，压差为50至100kPa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A、B中所述节流装置为板孔式节流装置时，其节流元件为节流孔板，节流孔板的材质是金属、陶瓷、PP、PVDF、PES、PTFE中的一种或多种的复合；所述节流孔板上开有节流孔，节流孔的孔径为2-50μm，孔隙率35-85％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A、B中所述节流装置为中空纤维管式节流装置时，其节流元件为中空纤维管；中空纤维管式节流装置由多根中空纤维管集合在一壳体内制成，中空纤维管管壁上微孔的孔径为0.1-100μm，孔隙率为35-85％。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，中空纤维管的材质是金属、陶瓷、PP、PVDF、PES、PTFE中的一种或多种的复合。

6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，CO₂吸收剂在节流装置中的停留时间t范围为0＜t≤10秒，CO₂解吸率为50-99％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进入步骤C之前，检测步骤B得到的吸收剂再生贫液是否达到要求；若未达到再生要求，则重复步骤A、B，直至吸收剂再生贫液达到要求后，进入步骤C。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CO₂吸收剂为氨水、胺类CO₂吸收剂溶液、氨基酸类CO₂吸收剂溶液或它们的复配混合物，吸收剂负载的CO₂浓度为0.5-5mol/L。