CN107081045A - 一种捕集烟气中二氧化碳的方法及其专用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种捕集烟气中二氧化碳的方法及其专用设备，其中，捕集烟气中二氧化碳的方法包括：对烟气进行除尘前处理，除尘后的烟气经压缩增压后通过膜分离技术分离为渗透气和截留气两部分，该渗透气包含烟气中80～90％的二氧化碳，对该渗透气先进行稳压处理，然后经压缩冷却形成液化气体，液化气体经精馏空分后得到高纯度冷却液化的二氧化碳；该方法将二氧化碳捕集和压缩冷却液化一体化操作，与传统吸收法加空分液化相比，可大幅节约运行成本，进而大大降低碳捕集成本。该方法的专用设备包括依次连接的微孔陶瓷滤膜、一级压缩机、气体分离膜、缓冲气柜、二级压缩机、深冷器和精馏塔；该设备可节约高品位的电能，进一步降低碳捕集的成本。

Description

一种捕集烟气中二氧化碳的方法及其专用设备
技术领域
本发明涉及一种捕集烟气中二氧化碳的方法及其专用设备，特别涉及一种采用膜分离和空分技术捕集烟气中二氧化碳的方法及其专用设备。
背景技术
随着工业化步伐的加快，人类大规模地使用煤、石油、天然气等含碳化合物燃料，这类燃料燃烧后产生的二氧化碳排放入大气，致使大气中二氧化碳的浓度逐年增加。作为一种主要的温室气体，二氧化碳的无限制排放势必对全球生态系统、农业、水资源和海洋等产生深远的影响。另一方面，二氧化碳也是一种重要的化工原料，是制造尿素、干冰、碳酸氢氨、灭火剂、食品添加剂等重要原材料。如果能将排放的二氧化碳脱除加以回收，那么既可以减少碳排放缓解气候变暖，又可以治理工业废气带来的环境污染。
膜分离法也是一种干法脱碳技术，是利用气体中各组分在膜中透过速率的差异而实现的气体分离过程，各种膜过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求。其共同特点是工艺流程短、设备少、经济性好、操作方便、开停车灵活；一般无相变、分离系数大、动力及传动设备少、占地面积小、维修方便，无“三废”、无二次污染，系统放大简单，可大规模集成等优点。CN200610012944.6、CN201110034922.0均提到采用膜分离法提纯变换气中的H2，采用的分离膜一般为氢膜。然而，变换气中H2是主要成分，CO2的含量一般在30％以下，脱除大部分的H2显然没有脱除较少含量的CO2经济。之所以大部分的膜分离过程无法适用于变换气脱碳，是因为这些分离膜对H2也同时具有透过性，造成CO2/H2无法分离。
促进传递膜是近年来研发的一种分离机制区别于传统膜分离过程的新型膜材料，它是利用分离膜中的固定或移动载体，即官能团如-NH2、-COOH等与CO2分子发生可逆反应，从而实现CO2选择性透过的功能，相关化学反应如下：
氮气、氧气、氢气由于不能与官能团发生反应所以透过性较差，这样就可以实现CO2和其他组分的分离。
2015年，在美国国家碳捕集研究中心MTR使用第一代规模化制备的PolarisTM膜进行了1MWe烟道气(20吨/天)的中试规模试验，进行了超过1000个小时的连续性真实烟道气测试，CO2捕集率约为85％，CO2的纯度约为45％。该试验使用带有空气吹扫的二段过程，原料气先被压缩至较低的压力(不高于0.2MPa)，在第一段的渗透侧进行抽真空操作，第一段的渗透气即为产品气，第一段的截留气进入第二段进行分离，第二段的截留气主要含有N2，可直接排放，第二段的渗透气通过空气吹扫返回至燃烧炉，以提高CO2回收率。
上述二氧化碳捕集方法存在捕集效果差或捕集成本高等问题，亟需研究新的二氧化碳捕集方法。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术中捕集成本高等问题，提供一种捕集烟气中二氧化碳的方法，并提供该方法的专用设备。
技术方案：本发明所述的一种捕集烟气中二氧化碳的方法，包括如下步骤：对烟气进行除尘前处理，除尘后的烟气经压缩增压后通过膜分离技术分离为渗透气和截留气两部分，其中，截留气中只含有少量二氧化碳，可直接放空；渗透气包含烟气中80～90％的二氧化碳，对该渗透气先进行稳压处理，然后经压缩冷却形成液化气体，液化气体经精馏空分后得到高纯度冷却液化的二氧化碳。
具体的，烟气中包括二氧化碳、氧气和氮气，其中，二氧化碳的摩尔比为5～18％，氧气的摩尔比为0～10％，其余为氮气。
上述渗透气中二氧化碳的浓度为40～60％。
本发明所述的一种捕集烟气中二氧化碳的方法的专用设备，包括依次连接的对烟气进行除尘净化的微孔陶瓷滤膜、对除尘后的烟气进行压缩增压的一级压缩机、将压缩增压后的烟气分离为渗透气和截留气的气体分离膜、对渗透气进行稳压处理的缓冲气柜、对稳压处理后的渗透气进行压缩冷却的二级压缩机和深冷器、以及对压缩冷却后的液化气体进行精馏空分的精馏塔。
优选的，微孔陶瓷滤膜的孔径为亚微米级。更优的，微孔陶瓷滤膜由氧化铝、氧化锆及助剂制备而成，其中，氧化铝和氧化锆的质量分数为99％；制得的微孔陶瓷滤膜的孔径为50nm。
进一步的，一级压缩机、二级压缩机采用蒸汽驱动。
较优的，该专用设备还可包括与微孔陶瓷滤膜连接的罗茨风机，烟气经罗茨风机抽取后经微孔陶瓷滤膜深度净化除尘。
有益效果：本发明的显著优点在于：(1)本发明采用烟气除尘前处理、膜分离、精馏空分等操作实现烟气中的二氧化碳低成本捕集，将二氧化碳捕集和压缩冷却液化一体化操作，与传统吸收法加空分液化相比，可大幅节约运行成本，进而大大降低碳捕集成本；(2)采用本发明的专用设备捕集烟气中的二氧化碳，工艺过程中的主要能耗为两台压缩机和前处理的罗茨风机，这些动设备采用蒸汽驱动，可节约高品位的电能，进一步降低碳捕集的成本；(3)本发明的二氧化碳捕集方法对烟气中二氧化碳的捕集率可达75-95％，而且，产品气二氧化碳纯度为99.9％以上，达到食品级二氧化碳标准，可直接作为商品气体装罐或进入管道输送出界区。
附图说明
图1为本发明的捕集烟气中二氧化碳的专用设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种捕集烟气中二氧化碳的方法，是采用烟气除尘前处理、膜分离、精馏空分等操作实现对烟气中的二氧化碳的低成本捕集。
具体来说，该方法包括如下步骤：首先对烟气进行前处理，主要是除尘净化处理，然后将除尘后的烟气进行压缩增压，增压后的烟气通过膜分离技术分离为渗透气和截留气两部分，其中，截留气中只含有少量二氧化碳，可直接放空；渗透气包含烟气中80～90％的二氧化碳以及其他气体，对该渗透气先进行稳压处理，然后进行压缩冷却、使渗透气液化，对液化后的气体进行精馏空分，即可得到高纯度冷却液化的二氧化碳。
该方法将二氧化碳捕集和压缩冷却液化一体化操作，与传统吸收法加空分液化相比，可大幅节约运行成本，进而大大降低碳捕集成本。该方法对烟气中二氧化碳的捕集率可达75-95％，且经精馏空分后最终得到的二氧化碳纯度为99.9％以上，达到了食品级二氧化碳标准，可直接作为商品气体装罐或进入管道输送出界区。
上述处理的烟气为锅炉烟气，如燃煤锅炉、天然气锅炉等燃烧后的烟气，其成分一般包括5～18％(摩尔比)的二氧化碳和0～10％(摩尔比)的氧气，其余为氮气。经膜分离后得到的渗透气中除二氧化碳外，还包括其他气体，其中二氧化碳的浓度为40～60％。
如图1，本发明的捕集烟气中二氧化碳的方法的专用设备，包括依次连接的微孔陶瓷滤膜1、一级压缩机2、气体分离膜3、缓冲气柜4、二级压缩机5、深冷器6和精馏塔7。
该专用设备还可包括与微孔陶瓷滤膜1连接的罗茨风机8，烟气经罗茨风机8抽取后经微孔陶瓷滤膜1深度净化除尘。
微孔陶瓷滤膜1的孔径为亚微米级。该微孔陶瓷滤膜1可由氧化铝、氧化锆及助剂制备而成，其中，氧化铝、氧化锆为主要原料，两者的质量分数为99％，制得的微孔陶瓷滤膜的孔径为50nm；该微孔陶瓷滤膜为高效低压降滤膜，经其净化除尘的烟气的进气压力为8～100kPa；对于达到超净排放要求的过滤除尘，常规技术要求进气压力400～800kPa；本发明的高效低压降滤膜，在不超过100kPa的条件下，净化后的烟气尘含量小于5mg/m3，有效降低了过滤除尘的能耗；
烟气经微孔陶瓷滤膜1深度净化除尘后，进入一级压缩机2，增压后的烟气进入气体分离膜3，烟气中80-90％的二氧化碳优先通过气体分离膜3，含40-60％高浓度二氧化碳的渗透气进入缓冲气柜4，在缓冲气柜4中调节至恒定压力，缓冲气柜4中的气体经二级压缩机5压缩后进入深冷器6，压缩冷却后的气体液化，液化后的气体进入精馏塔7，在精馏塔7中根据不同密度进行分离，得到高纯度的冷却液化后的二氧化碳。
采用该专用设备捕集烟气中的二氧化碳，工艺过程中的主要能耗为一级压缩机2、二级压缩机5和前处理的罗茨风机8，两台压缩机和罗茨风机可采用蒸汽驱动，从而可节约高品位的电能，进一步降低碳捕集的成本。
实施例
处理对象：燃煤锅炉烟气；烟气处理量：20000Nm3/h；烟气中CO2含量：15％(摩尔比)。
采用本发明的专用设备捕集燃煤锅炉烟气中的二氧化碳，其中，一级压缩机2、二级压缩机5、罗茨风机8采用蒸汽驱动。
如图1，烟气A由罗茨风机8抽入，经微孔陶瓷滤膜1深度净化除尘后，进入一级压缩机2，增压后的烟气进入气体分离膜3，烟气中80-90％的二氧化碳优先通过气体分离膜3，截留气B中只含有少量二氧化碳、直接放空，含40-60％高浓度二氧化碳的渗透气进入缓冲气柜4，在缓冲气柜4中调节至恒定压力，缓冲气柜4中的气体经二级压缩机5压缩后进入深冷器6，压缩冷却后的气体液化，液化后的气体进入精馏塔7，在精馏塔7中根据不同密度进行分离，最终分离出高纯度的冷却液化后的二氧化碳D，剩余的杂质气体C排空。
最终CO2捕集率为80％，回收CO2 3.8×104吨/年，每吨CO2捕集和压缩液化总成本320元/吨。
对比例
处理对象：燃煤锅炉烟气；烟气处理量：42000Nm3/h，烟气中CO2含量：15％(摩尔比)。
采用某MEA溶剂吸收再生法烟气二氧化碳捕集及压缩液化装置，最终捕集率为80％，回收CO2 8×104吨/年，每吨CO2的捕集成本320元，压缩液化成本120元，总成本440元/吨。
可见，采用本发明的捕集烟气中二氧化碳的方法及其专用设备，可在保证二氧化碳捕集率的情况下，大大降低二氧化碳捕集成本；而且，这个捕集工艺较为简单。

Claims (8)

1.一种捕集烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：对烟气进行除尘前处理，除尘后的烟气经压缩增压后通过膜分离技术分离为渗透气和截留气两部分，该渗透气包含烟气中80～90％的二氧化碳，对该渗透气先进行稳压处理，然后经压缩冷却形成液化气体，液化气体经精馏空分后得到高纯度冷却液化的二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的捕集烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，所述烟气中包括摩尔比为5～18％的二氧化碳、摩尔比为0～10％的氧气以及余量的氮气。
3.根据权利要求1所述的捕集烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，所述渗透气中二氧化碳的浓度为40～60％。
4.一种权利要求1所述捕集烟气中二氧化碳的方法的专用设备，其特征在于，包括依次连接的对烟气进行除尘净化的微孔陶瓷滤膜(1)、对除尘后的烟气进行压缩增压的一级压缩机(2)、将压缩增压后的烟气分离为渗透气和截留气的气体分离膜(3)、对渗透气进行稳压处理的缓冲气柜(4)、对稳压处理后的渗透气进行压缩冷却的二级压缩机(5)和深冷器(6)、以及对压缩冷却后的液化气体进行精馏空分的精馏塔(7)。
5.根据权利要求4所述的捕集烟气中二氧化碳的方法的专用设备，其特征在于，所述微孔陶瓷滤膜(1)的孔径为亚微米级。
6.根据权利要求4所述的捕集烟气中二氧化碳的方法的专用设备，其特征在于，所述微孔陶瓷滤膜(1)由氧化铝、氧化锆及助剂制备而成，其中，氧化铝和氧化锆的质量分数为99％，制得的微孔陶瓷滤膜(1)的孔径为50nm。
7.根据权利要求4所述的捕集烟气中二氧化碳的方法的专用设备，其特征在于，所述一级压缩机(2)、二级压缩机(5)采用蒸汽驱动。
8.根据权利要求4所述的捕集烟气中二氧化碳的方法的专用设备，其特征在于，该专用设备还包括与微孔陶瓷滤膜(1)连接的罗茨风机(8)，烟气经罗茨风机(8)抽取后经微孔陶瓷滤膜(1)深度净化除尘。
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