CN106669365B - 一种热-电共驱的胺法捕集co2系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热‑电共驱的胺法捕集CO2系统，包括内置电化学系统的吸收塔和内置电化学系统的解吸塔，吸收塔和解吸塔均连接换热器；重点是在吸收塔和解吸塔中添加电极以形成内置的电化学系统，从而促进吸收和解吸过程，降低能耗。该电化学系统可高效利用传统胺法无法利用的反应热，并且可大幅度降低解吸温度，从而实现小温差循环捕集CO2。本发明提出的热‑电共驱的胺法捕集CO2过程可高效低能耗捕集CO2，对于电厂等工业高效低成本减排CO2具有重要的工程应用价值。

Description

一种热-电共驱的胺法捕集CO2系统
技术领域
本发明属于反应设备设计领域，具体涉及一种热-电共驱的胺法捕集CO2系统。
背景技术
我国每年排放约100亿吨CO2，其中电厂等工业是主要来源，大量的排放带来了严重的温室效应，给地球生态系统和人类生存环境地带来巨大的威胁。捕集CO2对于实现可持续发展，提高人类的生活水品更具有重大意义。捕集二氧化碳的主要方法有吸收法、吸附法、深冷捕集、膜分离和化学链燃烧法等。其中，吸收法可分为化学吸收和物理吸收。胺法是吸收法捕集CO2最具工业应用前景的方法之一，在该方法中，单醇胺是典型的吸收溶剂，蒸汽是解吸热源，吸收和解吸过程常在填料塔中进行。电池法捕集的研究起步较晚：吸收塔中胺吸收CO2形成富液，电池中电极与富液发生电化学作用使富液解吸为胺和CO2，实现的无热力解吸且副产反应热使其能耗大幅度降低。对于胺法和电池法捕集CO2的最新研究包括以下几种：
(1)针对胺法捕集CO2的传质机理研究：目前已获得胺与CO2的反应动力学以及传质系数与气膜和液膜特性的关联式(Sebastia-Saez D,Gu S,Ranganathan P,PapadikisK.Meso-scale CFD study of the pressure drop,liquid hold-up,interfacial areaand mass transfer in structured packing materials.International Journal ofGreenhouse Gas Control.2015；42:388-399.)。
(2)关于胺法捕集CO2的填料塔气液两相流研究：采用气液两相活塞流研究MEA、DEA、 AMP和MDEA等胺溶液对于CO2的吸收，将气液相速度关联为气液两相平均流量、界面面积、空隙率、液相持液量，填料波纹角等的经验关联式(Cormos AM,Gaspar J.Assessmentof mass transfer and hydraulic aspects of CO2absorption in packedcolumns.International Journal of Greenhouse Gas Control.2012；6:201-9.)。缺点是缺少系统深入的关于流动机理(流型等)对于吸收CO2的影响研究。
(3)采用经验模型研究胺法捕集CO2的传热过程：将冷却水和非挥发油在填料塔中与空气的两相传热经验模型直接应用于CO2-MEA体系气液两相传热研究中(Pacheco MA,Rochelle GT.Rate-Based Modeling of Reactive Absorption of CO2and H2S intoAqueous Methyldiethanolamine.Industrial&Engineering Chemistry Research.1998；37:4107-17.)。但由此获得的气相和液相温度的实验值与模拟值存在一定误差。
(4)电池法捕集CO2的研究：可以采用Nernst-Planck模型研究离子迁移过程，以电荷、离子浓度和电导率等关联电势(Hamelers HVM,Schaetzle O,Paz-García JM,Biesheuvel PM,Buisman CJN.Harvesting Energy from CO2Emissions.EnvironmentalScience&Technology Letters. 2014；1:31-5.)。但是，电池法捕集CO2仍处于实验阶段，缺少系统的流动传热传质理论模型。
综上所述，由于各种缺陷，现有的CO2捕集系统在系统设计、节能、环保等方面还有很大的开发空间，还不能有效实现节能、低成本等目标。同时，对于胺法与电池法耦合的研究较少。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种热-电共驱的胺法捕集CO2系统，相对目前开发的CO2捕集系统具有反应温度低、溶液用量少、能耗低等优势，可有效提高目前CO2捕集系统的能源利用效率，对于工业上大规模捕集CO2实现节能减排具有重大意义。
为了达到上述目的，本发明包括内置电化学系统的吸收塔和内置电化学系统的解吸塔，吸收塔和解吸塔均连接换热器。
所述吸收塔和解吸塔均包括塔体，塔体内的顶部和底部均设置有电池电极，顶部和底部的电池电极通过导线连接，导线连接电池，吸收塔的塔体底部接入烟气，塔体顶部设置有胺溶液入口，吸收塔内反应后的富液通过换热器后接入解吸塔中，解吸塔的底部通入作为热源的蒸汽，解吸塔上开设有CO2出口，解吸塔内的贫液通过换热器后接入吸收塔的胺溶液入口。
所述吸收塔顶部开设有尾气出口。
所述吸收塔下部开设有富液出口。
所述解吸塔上部开设有富液入口。
所述解吸塔的CO2出口开设在顶部。
所述解吸塔底部开设有贫液出口。
与现有技术相比，本发明包括内置电化学系统的吸收塔和内置电化学系统的解吸塔，吸收塔和解吸塔均连接换热器，重点是在吸收塔和解吸塔中添加电极以形成内置的电化学系统，从而促进吸收和解吸过程，降低能耗。该电化学系统可高效利用传统胺法无法利用的反应热，并且可大幅度降低解吸温度，从而实现小温差循环捕集CO2。本发明提出的热-电共驱的胺法捕集CO2过程可高效低能耗捕集CO2，对于电厂等工业高效低成本减排CO2具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1、吸收塔；2、解吸塔；3、换热器；4、塔体；5、电池电极；6、导线；7、电池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括内置电化学系统的吸收塔1和内置电化学系统的解吸塔2，吸收塔 1和解吸塔2均连接换热器3；
吸收塔1和解吸塔2均包括塔体4，塔体4内的顶部和底部均设置有电池电极5，顶部和底部的电池电极5通过导线6连接，导线6连接电池7，吸收塔1的塔体底部接入烟气，塔体顶部设置有胺溶液入口，吸收塔1下部开设有富液出口，解吸塔2上部开设有富液入口，吸收塔1内反应后的富液通过换热器3后接入解吸塔2中，吸收塔1顶部开设有尾气出口，解吸塔2的底部通入作为热源的蒸汽，解吸塔2顶部开设有CO2出口，解吸塔2底部开设有贫液出口，解吸塔2内的贫液通过换热器3后接入吸收塔1的胺溶液入口。
本发明的工作过程如下：烟气由吸收塔1底部通入，和吸收塔1顶部流下的胺溶液逆流接触，完成CO2的吸收；吸收塔1顶部和底部分别安装了电池电极5，其产生的电场和离子对吸收具有强化作用，起到了减少胺用量，降低显热消耗的效果。吸收完成后尾气由塔顶排出，富液经换热器3流至解吸塔塔顶，解吸塔2同样装有一对电池电极5，塔底通入蒸汽作为热源，在热源和电池上的电化学共同作用下，富液放出CO2，生成的CO2由解吸塔塔顶放空，贫液由塔底流入换热器3，与吸收塔1的富液进行热交换，并返回吸收塔1塔顶，完成一个循环。
为了验证热-电共驱的胺法捕集CO2系统性能，本发明开展了30％的乙醇胺溶液在有机玻璃填料塔中内置SCET1和SCET2电极对构成电化学系统的热-电共驱实验，吸收温度为298K，解吸温度为388K-398K(较常规胺法的解吸温度低大约20K)。CO2浓度采用IRMES红外气体分析仪测量，解吸能耗根据加热系统能耗和解吸CO2量进行计算。实验获得的结果如表1所示。
表1热-电共驱实验系统性能
系统 吸收时间/s 吸收效率％ 解吸能耗/GJ/t 电极对
热-电共驱 4085 90 3.12 SCET1
热-电共驱 4500 90 3.24 SCET2
常规胺法 4800 85 3.6 --
由表1可知，热-电共驱系统可明显提高CO2的吸收速率，尽快达到吸收率(90％)的要求，吸收时间降低为传统系统捕集时间的85.1％-93.75％，捕集效率提高了5％，能耗降低10％-13.33％。

Claims (1)

1.一种热-电共驱的胺法捕集CO2系统，其特征在于，包括内置电化学系统的吸收塔(1)和内置电化学系统的解吸塔(2)，吸收塔(1)和解吸塔(2)均连接换热器(3)；
所述吸收塔(1)和解吸塔(2)均包括塔体(4)，塔体(4)内的顶部和底部均设置有电池电极(5)，顶部和底部的电池电极(5)通过导线(6)连接，导线(6)连接电池(7)，吸收塔(1)的塔体底部接入烟气，塔体顶部设置有胺溶液入口，吸收塔(1)内反应后的富液通过换热器(3)后接入解吸塔(2)中，解吸塔(2)的底部通入作为热源的蒸汽，解吸塔(2)上开设有CO2出口，解吸塔(2)内的贫液通过换热器(3)后接入吸收塔(1)的胺溶液入口；
所述吸收塔(1)顶部开设有尾气出口；
所述吸收塔(1)下部开设有富液出口；
所述解吸塔(2)上部开设有富液入口；
所述解吸塔(2)的CO2出口开设在顶部；
所述解吸塔(2)底部开设有贫液出口。
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