CN106979664B - 气体二氧化碳液化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体二氧化碳液化方法，包括以下步骤：1）二氧化碳原料气的压缩和冷却，2）增压后气体二氧化碳的净化，3）净化后气体二氧化碳的预冷和不凝气体的冷能回收，4）预冷后的气体二氧化碳部分气体经过低温液化工序冷却成液体二氧化碳，5）液体二氧化碳经过低温精馏工序脱除液体二氧化碳中不凝气体。本发明不需要采用液氨作为制冷剂对气体二氧化碳进行降温液化，提高了系统的安全性，采用低温精馏塔和低温换热器取代昂贵的制冷设备，更利于气体二氧化碳液化，大大降低了气体二氧化碳液化的成本，实现了二氧化碳气体循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体二氧化碳的压缩和冷却液化方法，尤其是一种先将气体二氧化碳进行净化，然后再进行预冷和低温液化的方法，属于气体加工技术领域。
背景技术
二氧化碳是一种广泛存在于空气中的无色无味的气体，是温室气体的主要来源。二氧化碳的过多排放，已造成全球气候变暖。二氧化碳作为一种重要资源，具有广泛的用途，如制冷剂、食品添加剂、灭火剂、化工原料、油气开采、农业生产等。若将二氧化碳进行回收、储存和应用，不仅提高了碳资源的利用，而且减少了温室气体的排放。
现有的二氧化碳回收方法主要有化学吸收法、变压吸附法、膜分离法和低温分离法。化学吸收法、变压吸附法和膜分离法得到的二氧化碳产品纯度低、并且为气态，不利于储存与运输；低温法可以获得高纯度的液体二氧化碳，采用低温罐存储、槽车运输。现有二氧化碳低温分离法通常采用液氨作为制冷剂，对气体二氧化碳进行降温液化。液氨是一种无色的液体，具有强烈刺激性气味、可燃烧、容易挥发、容易爆炸，泄漏到大气中对生命财产和环境造成极大的危害。整个液氨制冷系统导致设备投资较大、工艺复杂和安全性差等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体二氧化碳液化方法，以代替液氨制冷液化二氧化碳，避免液氨泄漏到大气中对生命财产和环境造成危害。
本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种气体二氧化碳液化方法，包括以下步骤：
1）二氧化碳原料气的压缩和冷却
将含有杂质的气体二氧化碳经过原料气压缩机的两段连续压缩冷却后，提高了气体二氧化碳的压力，降低了气体二氧化碳的温度；
2）增压后气体二氧化碳的净化
增压后的气体二氧化碳输入数个并列的吸附塔中的一个吸附塔，经过对应的输入开关阀和输出开关阀的切换，使得其中一个吸附塔处于吸附阶段，其中另一个吸附塔处于加热再生阶段；脱除二氧化碳中的水、硫和其他有害杂质；
3）净化后气体二氧化碳的预冷和不凝气体的冷能回收
低温精馏器排出的不凝气体经过分离器、预冷换热器复温到常温，然后去再生气加热器加热到高温气体，再去另一个吸附塔对吸附剂加热再生后排放；通过对应的开关阀的开启或关闭，使数个吸附塔分别处于吸附阶段或加热再生或冷吹阶段；净化后的气体二氧化碳经过预冷换热器预冷降温，回收来自低温精馏塔排放的富含CH4、N2不凝气体的冷能；
4）预冷后的气体二氧化碳部分气体经过低温液化工序冷却成液体二氧化碳
预冷后的气体二氧化碳分为二股，其中一股气体二氧化碳通过低温精馏塔底部的绕管式再沸器作为热源而被冷却成液体二氧化碳，另一股气体二氧化碳经过低温换热器被冷却成液体二氧化碳；上述二股液体二氧化碳经过各自的节流阀节流降压后合并成一股液体二氧化碳；
5）液体二氧化碳经过低温精馏工序脱除液体二氧化碳中不凝气体
步骤4）的液体二氧化碳去低温精馏塔进行精馏提纯，脱除液体二氧化碳中CH4、N2等不凝气体，低温精馏塔塔底的液体二氧化碳分为三股，第一股液体二氧化碳经过节流阀节流降温后去低温精馏塔塔顶冷凝蒸发器提供冷源，蒸发后的气体去低温换热器；第二股液体二氧化碳经过节流阀节流降温后与蒸发的气体二氧化碳混合后去低温换热器为气体二氧化碳的液化提供冷源；剩余的液体二氧化碳作为高纯液体二氧化碳产品去界外储存。
本发明还可以通过以下技术措施来进一步实现。
进一步的，步骤1）中的原料气体二氧化碳经过连续二段原料气压缩机增压冷却，其中第一段压缩机出口压力控制在0.8~0.9MPa，温度控制在35℃；第二段压缩机入口增加一个入口通道，第二段压缩机增压冷却到5.0~7.0MPa，温度控制在35℃。
进一步的，步骤2）的吸附塔中充填多种脱水专用的改型4A分子筛、脱硫专用的改型活性炭的高效吸附剂。步骤2）中加热再生温度为180~220℃。
进一步的，步骤3）中的低温精馏塔采用规整填料塔，塔底采用内置式绕管式再沸器，塔顶内置换热器式冷凝蒸发器。步骤3）中低温精馏塔的操作压力为2.0MPa。
进一步的，步骤4）中经过换热器复温的低压二氧化碳气体进入二段压缩机第二段入口，与来自压缩机第一段出口的气体二氧化碳混合后经过压缩机二段增压回收。
本发明不需要采用液氨作为制冷剂对气体二氧化碳进行降温液化，提高了系统的安全性；采用低温精馏塔和低温换热器取代昂贵的制冷设备，大大降低了气体二氧化碳液化的成本。本发明将气体二氧化碳分离出的富含CH4、N2等不凝气体去预冷换热器回收冷能，复温后不凝气体去净化工序作为高效吸附剂的再生气，从而降低了气体二氧化碳进行降温液化的成本。本发明的低温精馏塔塔底的液体二氧化碳分为三股，其中一股去低温换热器为气体二氧化碳的液化提供冷源；另一股去低温精馏塔为塔顶冷凝蒸发器提供冷源，蒸发气体与其中一股液体二氧化碳混合，再去低温换热器为气体二氧化碳液化提供冷源，剩余的液体二氧化碳作为高纯液体二氧化碳产品去界外储存。上述途径更利于气体二氧化碳液化，且降低了气体二氧化碳液化成本。经过换热器复温的低压二氧化碳气体再去二段压缩机第二段入口，与来自压缩机第一段出口的气体二氧化碳混合后经过压缩机二段增压回收，实现了二氧化碳气体循环利用。
本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
附图说明
图1是本发明的流程框图；
图2是本发明的气体二氧化碳液化方法的系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的作进一步的详细描述，图中单箭头表示气体二氧化碳或不凝气体的走向，空心箭头表示液体二氧化碳的走向。
如图1和图2所示，本发明的一种气体二氧化碳液化方法，包括以下步骤：
1）二氧化碳原料气的压缩和冷却
将含有杂质的气体二氧化碳经过原料气压缩机1的第一段压缩机11和第二段压缩机12连续压缩冷却后，提高了气体二氧化碳的压力，降低了气体二氧化碳的温度。其中第一段压缩机出口压力控制在0.8~0.9MPa，温度控制在35℃；第二段压缩机入口增加一个入口通道13，第二段压缩机12增压冷却到5.0~7.0MPa，温度控制在35℃。
2）增压后气体二氧化碳的净化
增压后的气体二氧化碳输入2个并列的吸附塔中的第一吸附塔21或第二吸附塔22，经过分别与第一吸附塔21入口端、出口端，第二吸附塔22入口端、出口端对应的输入开关阀和输出开关阀的切换，使得其中的第一吸附塔21处于吸附阶段，第二吸附塔22处于加热再生阶段，脱除二氧化碳中的水、硫和其他有害杂质。
图2给出了第一吸附塔21和第二吸附塔22的2吸附塔切换工艺流程，当第一开关阀31、第五开关阀35打开，第二开关阀32、第七开关阀37和第九开关阀39关闭时，第一吸附塔21吸附塔处于吸附阶段。
当第十开关阀310、第八开关阀38和第四开关阀34打开，第三开关阀33、第六开关阀36和第十一开关阀311关闭时，第二吸附塔22则处于加热再生阶段。来自低温精馏塔4排放的作为吸附剂的再生气体和不凝气体经过预冷换热器5复温到常温气体，然后去再生气加热器6加热到180~220℃的高温气体，再生气加热器7由电或其它热媒（蒸汽、导热油等）提供热源。高温不凝气体先后通过第十开关阀310、第八开关阀38去第二吸附塔22对吸附剂进行加热再生，加热解析出吸附剂中的微量水、硫等有害杂质，解析后的不凝气体通过第四开关阀34去界外不凝气排放管200集中排放或作为燃料气烧掉。当关闭再生气加热器7时，第二吸附塔22处于冷吹阶段，冷却后吸附剂处于工作吸附初始状况。
当第一吸附塔21吸附饱和时，第十一开关阀311打开、第十开关阀310第八开关阀38和第四开关阀34关闭，通过旁路9排放不凝气体。第九开关阀39打开，将第二吸附塔22内压力上升到与第一吸附塔21一致，然后打开第二阀门32、第七阀门37、关闭第一阀门31、第五阀门35和第九阀门39，第二吸附塔22处于吸附阶段。
打开第十阀门310、第六阀门36和第三阀门33，关闭第十一阀门311，打开再生气加热器7，第二吸附塔22处于加热再生阶段。当加热再生结束后，关闭再生气加热器7，第一吸附塔21处于冷吹阶段。冷吹结束后，等待下一个吸附周期。按照上述步骤进行阀门开关，实现第一吸附塔21和第二吸附塔22的切换，脱除二氧化碳中的微量水、硫和其他有害杂质。
两个吸附塔中分别充填多种脱水专用的改型4A分子筛、脱硫专用的改型活性炭的高效吸附剂。
3）净化后气体二氧化碳的预冷和不凝气体的冷能回收
经过第一吸附塔21净化后的气体二氧化碳经过预冷换热器5预冷降温，回收来自低温精馏塔4排放的富含CH4、N2等不凝气体的冷能。
低温精馏塔4采用规整填料塔，塔底内置绕管式再沸器41，塔顶内置换热器式冷凝蒸发器42。低温精馏塔4的操作压力一般控制在2.0MPa，塔底热源由经过预冷换热器5预冷后气体二氧化碳提供，通过调节气体二氧化碳的流量，控制塔底的绕管式再沸器41流出的液体二氧化碳的纯度。塔顶的蒸发温度由液体二氧化碳节流后温度控制，通过调节控制换热器式冷凝蒸发器42的液位高度，控制塔顶冷凝液的温度及分离器8的液体量，从而控制低温精馏塔4的回流液量。
低温精馏塔4内部上升的气体进入换热器式冷凝蒸发器42被冷却降温后进入分离器8，分离的液体作为低温精馏塔4的回流液从塔顶进入，分离的气体作为富含CH4、N2等不凝气体去预冷换热器5回收冷能，复温后的不凝气体去第一吸附塔21或第二吸附塔22作为吸附剂的再生气。
通过对应的开关阀的开启或关闭，使2个吸附塔分别处于吸附阶段或加热再生或冷吹阶段；净化后的气体二氧化碳经过预冷换热预冷降温，回收来自低温精馏塔4排放的富含CH4、N2不凝气体的冷能。富含CH4、N2的不凝气体通过旁路9、第十一开关阀311排放。
4）预冷后的气体二氧化碳部分气体经过低温液化工序冷却成液体二氧化碳
预冷后的气体二氧化碳分为二股，其中一股气体二氧化碳通过低温精馏塔4底部的绕管式再沸器41作为热源而被冷却成液体二氧化碳，另一股气体二氧化碳经过低温换热器6被冷却成液体二氧化碳；上述二股液体二氧化碳经过分别通过第一节流阀81、第二节流阀82节流降压后合并成一股液体二氧化碳。
5）液体二氧化碳经过低温精馏工序脱除液体二氧化碳中不凝气体
前述液体二氧化碳去低温精馏塔4进行精馏提纯，脱除液体二氧化碳中CH4、N2等不凝气体，低温精馏塔4塔底的液体二氧化碳分为三股，第一股液体二氧化碳经过第三节流阀83节流降温后去低温精馏塔4塔顶的换热器式冷凝蒸发器42提供冷源，蒸发后的气体去低温换热器6。第二股液体二氧化碳经过第四节流阀84节流降温后与蒸发的气体二氧化碳混合后去低温换热器6为气体二氧化碳的液化提供冷源；剩余的液体二氧化碳作为高纯液体二氧化碳产品通过液体二氧化碳管道100去界外储存。
经过低温换热器6复温后的低压二氧化碳气体通过管道去原料气压缩机1的第二段压缩机12入口，与来自第二段压缩机11的气体二氧化碳混合，经过第二段压缩机12的增压冷却后去第一吸附塔21或第二吸附塔22，实现液化二氧化碳循环制冷回收利用。
以上给出的本发明实施方法已经对本发明进行了说明性而非限制性的描述，但是，在本发明的技术构思范围内，可对本发明的技术方案进行简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种气体二氧化碳液化方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)二氧化碳原料气的压缩和冷却
将含有杂质的二氧化碳原料气经过原料气压缩机的连续两段压缩冷却后，得到增压后的气体二氧化碳，其温度得到降低；
2)增压后的气体二氧化碳的净化
增压后的气体二氧化碳输入数个并列的吸附塔中的一个吸附塔，经过输入开关阀和输出开关阀的切换，使得其中一个吸附塔处于吸附阶段，其中另一个吸附塔处于加热再生阶段；脱除二氧化碳中的水、硫和其他有害杂质，得到净化后的气体二氧化碳；
3)净化后的气体二氧化碳的预冷和不凝气体的冷能回收
低温精馏器排出的不凝气体经过分离器、预冷换热器复温到常温，然后去再生气加热器加热到高温气体，再去另一个吸附塔对吸附剂加热再生后排放；通过对应的开关阀的开启或关闭，使数个吸附塔分别处于吸附阶段或加热再生或冷吹阶段；净化后的气体二氧化碳经过预冷换热器预冷降温，回收来自低温精馏塔排放的富含CH4、N2不凝气体的冷能；
4)预冷后的气体二氧化碳部分气体经过低温液化工序冷却成液体二氧化碳
预冷后的气体二氧化碳分为二股，其中一股气体二氧化碳通过低温精馏塔底部的再沸器而被冷却成液体二氧化碳，另一股气体二氧化碳经过低温换热器被冷却成液体二氧化碳；上述二股液体二氧化碳经过各自的节流阀节流降压后合并成一股液体二氧化碳；
5)液体二氧化碳经过低温精馏工序脱除液体二氧化碳中不凝气体
步骤4)合成的一股液体二氧化碳去低温精馏塔进行精馏提纯，脱除液体二氧化碳中CH4、N2不凝气体，精馏塔塔底的液体二氧化碳分为三股，第一股液体二氧化碳经过节流阀节流降温后去低温精馏塔塔顶冷凝蒸发器提供冷源，蒸发后的气体去低温换热器；第二股液体二氧化碳经过节流阀节流降温后与蒸发后的气体二氧化碳混合后去低温换热器为气体二氧化碳的液化提供冷源；剩余的液体二氧化碳作为高纯的液体二氧化碳产品去界外储存。
2.如权利要求1所述的气体二氧化碳液化方法，其特征在于：步骤1)中的二氧化碳原料气经过连续二段原料气压缩机增压冷却，其中第一段出口压力控制在0.8～0.9MPa，温度控制在35℃；第二段压缩机入口增加一个入口通道，第二段压缩机增压到5.0～7.0MPa，温度控制在35℃。
3.如权利要求1所述的气体二氧化碳液化方法，其特征在于：步骤2)的吸附塔中充填多种脱水专用的改型4A分子筛、脱硫专用的改型活性炭的高效吸附剂。
4.如权利要求1所述的气体二氧化碳液化方法，其特征在于：步骤2)中加热再生温度为180～220℃。
5.如权利要求1所述的气体二氧化碳液化方法，其特征在于：步骤3)中的低温精馏塔采用规整填料塔，塔底采用内置式绕管式再沸器，塔顶内置换热器式冷凝蒸发器。
6.如权利要求1所述的气体二氧化碳液化方法，其特征在于：步骤3)中低温精馏塔的操作压力为2.0MPa。
7.如权利要求2所述的气体二氧化碳液化方法，其特征在于：步骤5)中经过低温换热器复温的低压气体二氧化碳进入所述入口通道，与来自第一段出口的气体二氧化碳混合后经过第二段压缩机增压回收。
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