CN107062798B - 气体二氧化碳液化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体二氧化碳液化系统及方法，系统包括原料气压缩机、循环压缩机、数台并列的吸附塔、再生气加热器、低温换热器、精馏提纯塔、多个开关阀和数个节流阀，方法包括：1）二氧化碳原料气的压缩和冷却，2）增气体二氧化碳的深度净化，3）气体二氧化碳的低温液化，4）脱除液体二氧化碳中不凝气体，5）低压二氧化碳气体的循环压缩。本发明的系统结构紧凑、效率高、设备投资和运行成本较小、可靠性高，本发明的方法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的系统，还涉及一种使用该系统将气体二氧化碳进行净化、预冷和低温液化的方法，属于气体加工技术领域。
背景技术
无色无味的二氧化碳(CO2)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，冰川融化。但二氧化碳又是一种具有广泛用途的重要资源，如用于制冷剂、食品添加剂、灭火剂、化工原料、油气开采、农业生产等。若将二氧化碳进行捕集回收、储存应用，不仅提高了碳资源的利用，而且能够有效减少温室气体的排放。
目前，二氧化碳捕集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获得的二氧化碳产品纯度低、且为气态，不利于二氧化碳的储存与运输；低温法可以获得高纯度的液体二氧化碳，采用低温罐进行产品存储、采用槽车运输到下游市场。
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。整个液氨制冷系统存在着设备投资较大、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系统及方法，以代替液氨制冷设备液化二氧化碳，避免液氨泄漏到大气中对生命财产和环境造成严重危害。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种气体二氧化碳液化系统,包括原料气压缩机、循环压缩机、数台并列的吸附塔、再生气加热器、低温换热器、精馏提纯塔、多个开关阀和数个节流阀，二氧化碳原料气与原料气压缩机输入端相连，原料气压缩机输出端通过对应的开关阀分别与数台吸附塔顶部的输入端相连，数台吸附塔底部的输出端分别通过对应的开关阀汇成一路后与低温换热器的第一端相连，并与循环压缩机的输出端相连；数台吸附塔底部的输出端之间还分别通过开关阀相连；每个吸附塔顶部的输入端还分别通过对应的开关阀汇成一路后通过一路的总开关阀与低温换热器第二端相连，并分别通过对应的开关阀与不凝气体排放管相连；数台吸附塔底部的输出端还分别通过对应的开关阀汇合成一路后与低温换热器的第一端相连；数台吸附塔底部的输出端另外通过对应的开关阀汇合成一路通过再生气加热器与带有总开关阀的一路并联；低温换热器的第三端与循环压缩机的输入端相连，低温换热器的第四端依次通过两个节流阀与再沸器的输出端相连，再沸器的输入端与低温换热器的第一端相连；精馏提纯塔下端与液体二氧化碳输送管相连，并通过对应的节流阀与精馏提纯塔顶部的冷凝器的输入端相连，冷凝器的输出端通过节流阀与低温换热器的第六端相连；精馏提纯塔的顶部输出端与低温换热器的第五端相连；在与低温换热器的第四端相连的两个节流阀之间还与精馏提纯塔中部相连。
前述的气体二氧化碳液化系统，其中所述低温换热器为三通道换热器。其中所述再沸器采用列管式再沸器或板翅式换热器，所述冷凝器采用立式列管冷凝器。
一种气体二氧化碳液化方法，包括以下步骤：
1)二氧化碳原料气的增压和冷却
将含有杂质的气体二氧化碳经过原料气压缩机增压冷却到压力为5.0～7.0MPa，温度为35℃。
2)增压后气体二氧化碳的深度净化
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，通过对应的开关阀的开启或关闭，脱除气体二氧化碳中的水、硫和其他有害杂质；来自低温换热器第二端的不凝气体通过对应的开关阀的开启或关闭后进入一个吸附塔进行冷却吹扫，吹扫后的不凝气体去再生气加热器加热，加热后的高温不凝气体去另一个吸附塔对吸附剂进行加热再生，再生后的不凝气体去界外集中排放或作为燃料气烧掉；通过对应的开关阀的开启或关闭，使数个吸附塔依次处于“吸附—加热再生—冷吹”状态，实现连续稳定深度脱除气体二氧化碳中微量有害杂质的功能。
3)净化后气体二氧化碳的低温液化
净化后的气体二氧化碳分为二股，一股气体二氧化碳去精馏提纯塔底部作为再沸器的热源而被冷却成液体二氧化碳，然后经过第二节流阀节流成低压流体，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，然后通过第一节流阀节流成低压二氧化碳。上述两股气体二氧化碳合并成一股液体二氧化碳后去精馏提纯塔进行精馏提纯，脱除液体二氧化碳中CH4、N2等不凝气体，生产出高纯度的液体二氧化碳产品；
4)液体二氧化碳经过低温精馏提纯工序脱除液体二氧化碳中不凝气体
来自低温换热器第四端的液体二氧化碳经过节流降压后与精馏提纯塔底部再沸器输出端的液体二氧化碳节流降压后混合成液体二氧化碳，然后去精馏塔提纯塔脱除液体二氧化碳中CH4、N2等不凝气体。精馏提纯塔顶部出来的不凝气体去低温换热器回收冷量而被复温。精馏塔底部出来的液体二氧化碳分为三股。第一股液体二氧化碳节流降温后为精馏提纯塔塔顶的冷凝器提供冷源，蒸发的气体二氧化碳去低温换热器；第二股液体二氧化碳节流降温后与第一股蒸发的气体二氧化碳混合，为气体二氧化碳的液化提供冷源；第三股液体二氧化碳作为高纯液体二氧化碳产品去界外储存。
5)低压二氧化碳气体的循环压缩
通过低温换热器复温后的低压二氧化碳气体去循环压缩机输入端，增压冷却后的气体二氧化碳气体与净化后的气体二氧化碳混合成一股气体二氧化碳，然后去低温液化换热器冷却液化，从而实现液体二氧化碳循环节流制冷。
前述的气体二氧化碳液化方法，其中步骤2)的吸附塔中充填多种脱水专用分子筛、脱硫专用的活性炭的高效吸附剂。
本发明的系统由原料气压缩机、数个吸附塔，低温换热器、精馏提纯塔、循环压缩机和多个开关阀及节流阀通过管道连接而成。结构紧凑、效率高、设备投资和运行成本较小、可靠性高，能生产出高纯度液体二氧化碳产品。本发明的方法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，采用二氧化碳循环压缩机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等不凝气体去低温换热器回收冷能，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。本发明的精馏提纯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；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，另一股去低温精馏塔为塔顶冷凝蒸发器提供冷源，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。经过低温换热器复温后的低压二氧化碳气体去循环压缩机输入端，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2所示，本发明的气体二氧化碳液化系统包括原料气压缩机1、循环压缩机2、3台并列的第一吸附塔31、第二吸附塔32和第三吸附塔33，还包括再生气加热器4、低温换热器5、精馏提纯塔6、多个开关阀和数个节流阀，二氧化碳原料气100输出端与原料气压缩机输入端11相连，原料气压缩机输出端12通过对应的开关阀分别与三台吸附塔顶部的输入端相连，三台吸附塔底部的输出端分别通过对应的开关阀汇成一路后与低温换热器第一端51相连，并与循环压缩机输出端22相连，3台吸附塔底部的输出端之间还分别通过第19开关阀119、第20开关阀120和第21开关阀121相连。每个吸附塔顶部输入端还分别通过对应的开关阀汇成一路后通过一路的总开关阀8与低温换热器第二端52相连，并分别通过对应的开关阀与不凝气体排放管7相连；3台吸附塔底部的输出端还分别通过对应的开关阀汇合成一路后与低温换热器第一端51相连。吸附塔内充填多种脱水专用分子筛、脱硫专用的活性炭的高效吸附剂。
3台吸附塔底部的输出端另外通过对应的开关阀汇合成一路通过再生气加热器4与带有总开关阀8的一路并联。低温换热器第三端53与循环压缩机输入端21相连，低温换热器第四端54依次通过第一节流阀91、第二节流阀92与再沸器输出端612相连，再沸器输入端611与低温换热器第一端51相连。精馏提纯塔6下端与液体二氧化碳输送管10相连，并通过对应的节流阀与精馏提纯塔6顶部的冷凝器输入端621相连，冷凝器输出端622与低温换热器第六端56相连；精馏提纯塔底部输出端613通过第三节流阀93与冷凝器输入端621相连，还通过第四节流阀94与低温换热器第六端56相连；精馏提纯塔顶部输出端623与低温换热器第五端55相连；在与低温换热器第四端54相连的第一节流阀91、第二节流阀92之间还通过管道与精馏提纯塔6中部相连。
低温换热器5为三通道换热器。再沸器61采用列管式再沸器或板翅式换热器，冷凝器62采用立式列管冷凝器。
如图1和图2所示，使用上述系统的方法包括以下步骤：
1)二氧化碳原料气的增压和冷却
将含有杂质的气体二氧化碳经过原料气压缩机1增压冷却到压力为5.0～7.0MPa，温度为35℃。
2)增压后气体二氧化碳的深度净化
增压后的气体二氧化碳输入3个并列的吸附塔中的第一吸附塔31、第二吸附塔32和第三吸附塔33，通过对应的开关阀的开启或关闭，脱除气体二氧化碳中的水、硫和其他有害杂质；使3个吸附塔依次处于“吸附—加热再生—冷吹”状态，连续稳定深度脱除气体二氧化碳中的微量有害杂质。
如图2所示，当第1开关阀101、第4开关阀104打开，第7开关阀107、第13开关阀113、第10开关阀110、第16开关阀116、第19开关阀119、第20开关阀120和第21开关阀121关闭，第一吸附塔31处于吸附状态。当第11开关阀111和第8开关阀108打开，第5开关阀105、第17开关阀117、第2开关阀102和第14开关阀114关闭，第二吸附塔32处于冷吹状态。当第18开关阀118和第15开关阀115打开，第6开关阀106、第12开关阀112、第3开关阀103和第9开关阀109关闭，第三吸附塔33处于加热再生状态。此时，原料气压缩机1后的气体二氧化碳经过第一吸附塔31吸附脱除微量杂质，不凝气体进入第二吸附塔32进行冷却吹扫，吹扫后的气体二氧化碳去再生气加热器4加热，高温气体温度一般控制在180～220℃，再生气加热器4由电或其它热媒(蒸汽、导热油等)提供加热热源。加热后的不凝气体去第三吸附塔33对吸附剂进行加热再生，再生后的不凝气体通过不凝气体排放管7去界外集中排放或作为燃料气烧掉。
当第一吸附塔31吸附饱和时，打开总开关阀8，第12开关阀112和第8开关阀108，将不凝气体旁通到再生气加热器4。打开第19开关阀119，提升第二吸附塔32的操作压力，打开第7开关阀107和第10开关阀110、关闭第1开关阀101和第4开关阀104，使第二吸附塔32处于吸附状态；打开第6开关阀106和第3开关阀103，关闭第18开关阀118和第15开关阀115，使高温不凝气体通过第一吸附塔31，此时第一吸附塔31处于加热再生状态。
打开第17开关阀117和第14开关阀114、关闭总开关阀8，使不凝气体通过第三吸附塔33，此时第三吸附塔33处于冷吹状态。当第二吸附塔32吸附饱和时，按照上述类似的阀门开与关进行吸附塔的切换，实现冷却后的第三吸附塔33进入吸附状态，饱和的第二吸附塔32进入加热再生状态，加热再生的第一吸附塔31处于冷吹状态，从而使三个吸附塔依次处于“吸附—加热再生—冷吹”状态，实现连续稳定深度脱除气体二氧化碳中微量有害杂质的功能。
3)净化后气体二氧化碳的低温液化
净化后的气体二氧化碳分为二股，第一股气体二氧化碳去精馏提纯塔6底部作为再沸器61热源而被冷却成液体二氧化碳，第二股气体二氧化碳物流经过低温换热器5被冷却成液体二氧化碳。上述二股液体二氧化碳经过节流阀降压后合并成一股液体二氧化碳，然后去精馏提纯塔6进行精馏提纯，脱除液体二氧化碳中CH4、N2等不凝气体。
4)液体二氧化碳经过低温精馏提纯工序脱除液体二氧化碳中不凝气体
低温换热器第四端54液体二氧化碳经过第一节流阀91节流降压后与精馏提纯塔6底部再沸器61输出端的液体二氧化碳经第二节流阀92节流降压后混合，混合后去精馏塔提纯塔中部入口。
精馏提纯塔6内部上升的气体进入内置的冷凝器6的立式列管，与列管外侧的低温液体二氧化碳换热而被冷却降温，液体二氧化碳作为回流液沿列管内侧回流到精馏提纯塔6。列管内上升的气体作为富含CH4、N2等不凝气体去低温换热器5回收冷能，复温后的不凝气体去三个吸附塔作为吸附剂加热再生气。
精馏提纯塔6塔底出来的液体二氧化碳分为三股。第一股液体二氧化碳节流降温后为精馏提纯塔6塔顶的冷凝器62提供冷源，蒸发的气体二氧化碳去低温换热器5；第二股液体二氧化碳节流降温后与第一股蒸发的气体二氧化碳混合，为气体二氧化碳的液化提供冷源；第三股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输送管10去界外储存。
5)低压二氧化碳气体的循环压缩
来自低温换热器5第三端口53的低压二氧化碳气体去循环压缩机2输入端21，增压冷却后的气体二氧化碳气体22与净化后的气体二氧化碳42混合成一股气体二氧化碳43，然后去低温换热器5冷却液化，从而实现液体二氧化碳循环节流制冷。
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 (6)
1.一种气体二氧化碳液化系统,其特征在于：包括原料气压缩机、循环压缩机、数台并列的吸附塔、再生气加热器、低温换热器、精馏提纯塔、多个开关阀和数个节流阀，二氧化碳原料气储罐与原料气压缩机输入端相连，原料气压缩机输出端通过对应的开关阀分别与数台吸附塔顶部的输入端相连，数台吸附塔底部的输出端分别通过对应的开关阀汇成一路后与低温换热器的第一端相连，并与循环压缩机的输出端相连；数台吸附塔底部的输出端之间还分别通过开关阀相连；每个吸附塔顶部的输入端还分别通过对应的开关阀汇成一路后通过一路的总开关阀与低温换热器第二端相连，并分别通过对应的开关阀与不凝气体排放管相连；数台吸附塔底部的输出端还分别通过对应的开关阀汇合成一路后与低温换热器的第一端相连；数台吸附塔底部的输出端另外通过对应的开关阀汇合成一路后再通过再生气加热器与带有总开关阀的一路并联；低温换热器的第三端与循环压缩机的输入端相连，低温换热器的第四端依次通过两个节流阀与再沸器的输出端相连，再沸器的输入端与低温换热器的第一端相连；精馏提纯塔下端与液体二氧化碳输送管相连，并通过对应的节流阀与精馏提纯塔顶部的冷凝器的输入端相连，冷凝器的输出端通过节流阀与低温换热器的第六端相连；精馏提纯塔的顶部输出端与低温换热器的第五端相连；在与低温换热器的第四端相连的两个节流阀之间还与精馏提纯塔中部相连。
2.如权利要求1所述的气体二氧化碳液化系统,其特征在于：所述低温换热器为三通道换热器。
3.如权利要求1所述的气体二氧化碳液化系统,其特征在于：所述再沸器采用列管式再沸器或板翅式换热器，所述冷凝器采用立式列管冷凝器。
4.一种使用如权利要求1所述的气体二氧化碳液化系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)二氧化碳原料气的增压和冷却
将含有杂质的气体二氧化碳经过原料气压缩机增压冷却到压力为5.0～7.0MPa，温度为35℃；
2)增压后气体二氧化碳的深度净化
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，通过对应的开关阀的开启或关闭，脱除气体二氧化碳中的水、硫和其他有害杂质；使数个吸附塔依次处于“吸附—加热再生—冷吹状态”，连续稳定深度脱除气体二氧化碳中的微量有害杂质；
3)净化后气体二氧化碳的低温液化
净化后的气体二氧化碳分为二股，第一股气体二氧化碳去精馏提纯塔底部作为再沸器热源而被冷却成液体二氧化碳，第二股气体二氧化碳物流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节流阀降压后合并成一股液体二氧化碳，然后去精馏提纯塔进行精馏提纯，脱除液体二氧化碳中CH4、N2等不凝气体；
精馏提纯塔塔底出来的液体二氧化碳分为三股； 第一股液体二氧化碳节流降温后为精馏提纯塔塔顶的冷凝器提供冷源，蒸发的气体二氧化碳去低温换热器；第二股液体二氧化碳节流降温后与第一股蒸发的气体二氧化碳混合，为气体二氧化碳的液化提供冷源；第三股液体二氧化碳作为高纯液体二氧化碳产品去界外储存；
4)液体二氧化碳经过低温精馏提纯工序脱除液体二氧化碳中不凝气体不凝气体进入一个吸附塔进行冷却吹扫，吹扫后的不凝气体去再生气加热器加热，加热后的高温不凝气体去另一个吸附塔对吸附剂进行加热再生，再生后的不凝气体去界外集中排放或作为燃料气烧掉；通过对应的开关阀的开启或关闭，使数个吸附塔依次处于“吸附—加热再生—冷吹”状态，实现连续稳定深度脱除气体二氧化碳中微量有害杂质的功能；
5)低压二氧化碳气体的循环压缩
通过低温换热器复温后的低压二氧化碳气体去循环压缩机输入端，增压冷却后的气体二氧化碳气体与净化后的气体二氧化碳混合成一股气体二氧化碳，然后去低温换热器冷却液化，从而实现液体二氧化碳循环节流制冷。
5.如权利要求4所述的气体二氧化碳液化系统的方法，其特征在于：步骤2)的吸附塔中充填多种脱水专用的分子筛、脱硫专用的活性炭的高效吸附剂。
6.如权利要求4所述的气体二氧化碳液化系统的方法，其特征在于：步骤2)中加热再生温度为180～220℃。
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