CN107149865A - 基于水蒸气传质强化余热回收的co2化学吸收系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，它包括CO2吸收设备、CO2再生设备、富液泵、贫液泵、贫液冷却器、三通分流阀、贫富液热交换器、增压风机和中空纤维膜接触器组件。本发明在冷富液进行贫富液换热之前，将部分冷富液分流用于回收热再生塔顶CO2和H2O(g)再生气的余热，同时采用具有纳米膜孔的耐高温无机中空纤维膜接触器作为分流冷富液与再生气之间的换热介质，替换原有再生塔顶的再生气外界水冷却器，并利用H2O(g)在膜孔内的毛细冷凝实现H2O(g)传质强化与CO2传质阻塞，强化再生气向冷富液的对流换热量，大幅提升再生气余热回收效率，从而较大幅度地降低单位CO2的再生热耗。
Description
技术领域
本发明涉及富CO2气体中CO2化学吸收工艺节能降耗技术领域，具体涉及一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统与方法。
背景技术
基于气液化学反应原理的CO2化学吸收技术是目前沼气、垃圾填埋气、生物质热解气和燃煤烟气等富CO2气体中主流的CO2分离技术之一，其具有技术成熟、商业应用广、对气体适应性强、操作简单和CO2分离效率高、目标气纯度高等优点。传统的富CO2气体中CO2化学吸收技术面临的主要瓶颈在于CO2分离成本高，其可归因于富CO2吸收剂溶液再生热耗巨大，因而对CO2再生过程进行优化或创新来降低富CO2吸收剂溶液的热再生能耗是十分有必要的。富CO2吸收剂溶液的再生热耗一般可采用再沸器热负荷来体现，其主要由三部分组成：(1)再生显热，用于将富CO2吸收剂溶液从再生塔入口温度提升到再生所需温度；(2)再生反应热，用于破坏吸收剂与CO2分子之间的化学键能；(3)水蒸发潜热，用于蒸发富CO2吸收剂溶液中的水而在再生塔内建立合适的传质推动力。显然，再生反应热取决于吸收剂的性能，这也是近年来众多研究者试图筛选或开发能同时满足“高CO2吸收速率、高CO2循环携带量和低再生反应热”要求的新型吸收剂的主要原因。除吸收剂研究外，融合新型膜技术和减压再生技术的真空膜减压再生新工艺(中国专利ZL 201010169524.5)可以采用较低的再生温度达到较好的再生效果，从而可大规模利用废热或低品位热，能有效节约高品位热能。同时，采用变浓度再生技术(中国专利ZL 201310449986.6)提高再生过程中的富CO2吸收剂溶液浓度，从而降低富CO2吸收剂溶液中水含量和提高富CO2吸收剂溶液的CO2分压，进而降低再生过程中水的蒸发潜热，实现再生热耗的降低。另外，对富CO2吸收剂溶液再生过程中的余热进行回收也有助于降低再生热耗，如采用富CO2吸收剂溶液分流工艺(美国专利4152217)回收热再生塔顶热再生气(CO2和H2O(g)混合气，CO2和H2O(g)的摩尔比可达到1:2)所携带的潜热，降低再生塔顶出口再生气的温度，从而实现再沸器热负荷的降低。相对而言，对热再生塔顶再生气的余热进行回收来实现再生热耗的降低这一方式可能更容易实现，因为其无需对现有工艺系统进行大的改造，也可适合于任一种热再生吸收剂体系，可实现在新吸收剂体系自身降耗的基础上进一步降低再生能耗。
热再生塔顶高温再生气的余热回收目前主要采用的是分流冷富CO2吸收剂溶液在再生塔内与再生气直接混合而对再生气进行降温，或在再生塔顶设置一通用换热器，用分流的冷富CO2吸收剂溶液与再生气进行热交换，再生气冷凝释放的潜热通过导热的形式传递到冷富CO2吸收剂溶液，使冷富CO2吸收剂溶液升温。但对于前者，必须对冷富CO2吸收剂溶液分流量进行限制，否则会导致工艺中的贫CO2吸收剂溶液(简称贫液)冷却器热负荷过高，再加上气液接触时间较短，因而再生热耗下降幅度有限(约5～10％)。而对于后者，再生气降温所释放的潜热只能以单一导热形式传递到冷富CO2吸收剂溶液侧，系统换热系数较小，一般只能保证20K(开尔文)左右的经济换热温差，此时再生热耗降低幅度低(约6％)。如要实现更高的降耗幅度，必须将换热温差降低到5～10K，但此时必然将带来换热面积的大幅增加，导致占地面积大和投资高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统与方法，该系统与方法能在保持原有成熟的CO2吸收与富液再生技术的基础上高效回收富液热再生塔顶排出的高温再生气余热，可较大幅度地降低再生热耗，同时还能降低再生气余热回收所需的换热器体积与投资。
为解决上述技术问题，本发明所设计的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于，它包括CO2吸收设备、CO2再生设备、再沸器、输入端与CO2吸收设备出液口连接的富液泵、输出端与CO2吸收设备的吸收液输入口连接的贫液泵、输出端与贫液泵输入口连接的贫液冷却器、三通分流阀、贫富液热交换器、输出端与CO2吸收设备的进气口连接的增压风机、中空纤维膜接触器组件，其中，CO2吸收设备的出液口通过富液泵连接三通分流阀的第一端口，三通分流阀的第二端口连接中空纤维膜接触器组件的富液壳程入口，三通分流阀的第三端口连接贫富液热交换器的低温富液入口，贫富液热交换器的高温富液出口连接CO2再生设备的第一富液输入口，CO2再生设备的底端排液口连接再沸器的富液输入口，再沸器的贫液输出口连接贫富液热交换器的高温贫液入口，再沸器的再沸器顶端排气口连接CO2再生设备的底端进气口，所述再沸器还具有蒸汽输入口和高温水输出口，CO2再生设备的顶部排气口连接中空纤维膜接触器组件的管程气相入口，中空纤维膜接触器组件的管程液相出口连接CO2再生设备的顶端冷凝水回流入口，中空纤维膜接触器组件的富液壳程出口连接CO2再生设备的第二富液输入口，中空纤维膜接触器组件还具有管程气相出口，贫富液热交换器的低温贫液的输出口连接贫液冷却器的贫液入口，贫液冷却器的贫液出口通过贫液泵连接CO2吸收设备的吸收液输入口，CO2吸收设备的顶部还设有顶端排气口。
一种利用上述系统的CO2化学吸收方法，它包括如下步骤：
步骤1：富CO2气体通过增压风机增压后由进气口进入CO2吸收设备，与从CO2吸收设备内的吸收液输入口进入的CO2化学吸收剂形成逆流接触，富CO2气体中CO2被吸收，净化气从CO2吸收设备顶端经过除雾后从顶端排气口排出，CO2吸收设备内的吸收剂吸收CO2后生成的初始吸收剂富CO2溶液由CO2吸收设备的出液口进入富液泵；
步骤2：初始吸收剂富CO2溶液经由富液泵进入三通分流阀中进行分流，分流的一部分初始吸收剂富CO2溶液经三通分流阀的第二端口进入中空纤维膜接触器组件的富液壳程入口，分流的另一部分初始吸收剂富CO2溶液经三通分流阀的第三端口进入贫富液热交换器，在热交换器中与再沸器的贫液输出口输出的再生后的100～120℃的高温热贫液进行热交换，使分流的另一部分初始吸收剂富CO2溶液被加热到80～100℃，然后被加热到80～100℃初始吸收剂富CO2溶液进入CO2再生设备的第一富液输入口；
步骤3：经三通分流阀分流之后的40～60℃分流冷富液在无机中空纤维膜接触器组件壳程中与在管程中逆向流动的90～100℃高温CO2和H2O(g)再生气进行热交换，利用H2O(g)在膜孔内的热质传递耦合，实现再生气余热回收性能的强化，90～100℃的高温CO2和H2O(g)再生气经CO2再生设备顶端出气口进入中空纤维膜接触器组件管程入口，在90～100℃的再生气温度和0.1～0.2Mpa压力条件下，管程内CO2和H2O(g)再生气中部分H2O(g)接触冷膜后，在中空纤维膜接触器组件的膜管程内冷凝，释放的H2O(g)潜热的一部分沿中空纤维膜接触器组件的膜方向传递，使中空纤维膜接触器组件的膜加热，释放的H2O(g)潜热的另一部分以跨膜导热的形式传递到中空纤维膜接触器组件壳程冷富液侧，同时，管程内CO2和H2O(g)再生气中的另一部分H2O(g)以对流传质的形式通过中空纤维膜膜孔到达富液侧，并在富液侧冷凝释放潜热，两种传热方式的共同作用使40～60℃的富液升温到80～90℃，在中空纤维膜膜孔中H2O(g)的对流传质过程中，由于膜孔温度相较于CO2和H2O(g)再生气温度较低，部分H2O(g)会在膜孔内冷凝成H2O(l)，CO2和H2O(g)再生气中的H2O(g)则在膜孔内通过冷凝、扩散、蒸发的方式通过中空纤维膜接触器组件的冷凝段，同时，CO2和H2O(g)再生气中的CO2透过膜孔向富液的传质受到阻塞，在强化H2O(g)传质的同时获得高H2O(g)/CO2选择分离系数，即H2O(g)被回收的同时没有CO2通过膜传质，CO2和H2O(g)再生气与40～60℃的冷富液之间的传热系数大幅增强，气液之间的换热温差可降低到5～10K，CO2和H2O(g)再生气的温度降至45～65℃，然后CO2从中空纤维膜接触器组件的管程出口排出，回收了CO2和H2O(g)再生气余热后的分流冷富液，即形成回收余热后的富CO2溶液经中空纤维膜接触器组件的富液壳程出口流入CO2再生设备的第二富液输入口；
步骤4：经第一富液输入口进入CO2再生设备的经过热交换器的初始吸收剂富CO2溶液和经第二富液输入口进入CO2再生设备的回收余热后的富CO2溶液在CO2再生设备与CO2和H2O(g)再生气逆向接触进行再次加热后，由CO2再生设备的底端输出口流入再沸器中加热分离出CO2和吸收剂，再沸器中加热分离出的CO2携带饱和水蒸气由再沸器的再沸器顶端排气口通过CO2再生设备的底端进气口沿CO2再生设备向上流动；
步骤5：再沸器内产生的再生后得到的100～120℃的高温贫液经再沸器贫液输出口进入贫富液热交换器进行一次冷却，随后再经贫液冷却器二次冷却到所需温度后返回CO2吸收设备中再次吸收CO2。
本发明的有益效果：
1、本发明利用耐高温无机中空纤维膜接触器作为再生气与冷富液之间的换热介质，能利用H2O(g)在膜孔内的毛细冷凝实现H2O(g)传质强化与CO2传质阻塞，强化再生气向冷富液的对流换热量，大幅提升再生气向冷富液的传热效率，使再生气的余热回收效率大大增强，可使单位CO2的再生能耗降低25％以上(如附表1所示)，具有良好的再生热耗降低潜能。
2、本发明所使用的中空纤维膜接触器作为气液传热介质，具有比表面积大、投资省、操作简单和装卸方便等独有优势，能实现较小的气液换热温差，且结构紧凑、占地小、质量轻等。
3、本发明所构建的系统与方法可移植到烟气、沼气、垃圾填埋气等富含水蒸气的气体水热回收中，当采用较低温度水作为水热回收载体时，利用H2O(g)在膜孔内的毛细冷凝机制，可实现更好的H2O(g)回收效果和优异的热回收性能，且能有效抑制气体中其他杂质气体向回收水中的传质，能大幅降低回收水中总无机碳与硫化物含量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明H2O(g)在膜内热质耦合传递机理示意图。
其中，1—增压风机、2—CO2吸收设备、2.1—顶端排气口、2.2—吸收液输入口、2.3—进气口、2.4—出液口、3—富液泵、4—三通分流阀、4.1—第一端口、4.2—第二端口、4.3—第三端口、5—贫富液热交换器、5.1—低温富液入口、5.2—低温贫液的输出口、5.3—高温富液出口、5.4—高温贫液入口、6—贫液冷却器、6.1—贫液入口、6.2—贫液出口、7—贫液泵、8—中空纤维膜接触器组件、8.1—富液壳程入口、8.2—管程气相出口、8.3—富液壳程出口、8.4—管程液相出口、8.5—管程气相入口、9—CO2再生设备、9.1—第一富液输入口、9.2—第二富液输入口、9.3—顶端冷凝水回流入口、9.4—顶部排气口、9.5—底端进气口、9.6—底端排液口、10—再沸器、10.1—贫液输出口、10.2—富液输入口、10.3—再沸器顶端排气口、10.4—蒸汽输入口、10.5—高温水输出口、11.1—第一流量传感器、11.2—第二流量传感器、11.3—第三流量传感器、12.1—第一温度传感器、12.2—第二温度传感器、12.3—第三温度传感器、12.4—第四温度传感器、12.5—第五温度传感器、12.6—第六温度传感器、12.7—第七温度传感器、12.8—第八温度传感器、12.9—第九温度传感器、13—湿度传感器、14.1—第一气体压力传感器、14.2—第二气体压力传感器
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，它包括CO2吸收设备2、CO2再生设备9、再沸器10、输入端与CO2吸收设备2出液口2.4连接的富液泵3、输出端与CO2吸收设备2的吸收液输入口2.2连接的贫液泵7、输出端与贫液泵7输入口连接的贫液冷却器6、三通分流阀4、贫富液热交换器5、输出端与CO2吸收设备2的进气口2.3连接的增压风机1、中空纤维膜接触器组件8，其中，CO2吸收设备2的出液口2.4通过富液泵3连接三通分流阀4的第一端口4.1，三通分流阀4的第二端口4.2连接中空纤维膜接触器组件8的富液壳程入口8.1，三通分流阀4的第三端口4.3连接贫富液热交换器5的低温富液入口5.1，贫富液热交换器5的高温富液出口5.3连接CO2再生设备9的第一富液输入口9.1，CO2再生设备9的底端排液口9.6连接再沸器10的富液输入口10.2，再沸器10的贫液输出口10.1连接贫富液热交换器5的高温贫液入口5.4，再沸器10的再沸器顶端排气口10.3连接CO2再生设备9的底端进气口9.5，所述再沸器10还具有蒸汽输入口10.4(用于接蒸汽发生器的蒸汽出口)和高温水输出口10.5(高温水输出口10.5排出的是纯水蒸气)，CO2再生设备9的顶部排气口9.4连接中空纤维膜接触器组件8的管程气相入口8.5，中空纤维膜接触器组件8的管程液相出口8.4连接CO2再生设备9的顶端冷凝水回流入口9.3，中空纤维膜接触器组件8的富液壳程出口8.3连接CO2再生设备9的第二富液输入口9.2，中空纤维膜接触器组件8还具有管程气相出口8.2，贫富液热交换器5的低温贫液的输出口5.2连接贫液冷却器6的贫液入口6.1，贫液冷却器6的贫液出口6.2通过贫液泵7连接CO2吸收设备2的吸收液输入口2.2，CO2吸收设备2的顶部还设有顶端排气口2.1。
上述技术方案中，所述贫液泵7的输出端与CO2吸收设备2的吸收液输入口2.2之间的管路内设有第一温度传感器12.1，所述贫富液热交换器5的低温贫液的输出口5.2与贫液冷却器6的贫液入口6.1之间的管路内设有第三温度传感器12.3，贫富液热交换器5的高温富液出口5.3与CO2再生设备9的第一富液输入口9.1之间的管路内设有第四温度传感器12.4，再沸器10的贫液输出口10.1与贫富液热交换器5的高温贫液入口5.4之间的管路内设有第五温度传感器12.5，中空纤维膜接触器组件8的管程气相出口8.2设有第六温度传感器12.6，中空纤维膜接触器组件8的富液壳程出口8.3与CO2再生设备9的第二富液输入口9.2之间的管路没有第七温度传感器12.7，CO2再生设备9的顶部排气口9.4与中空纤维膜接触器组件8的管程气相入口8.5之间的管路内设有第八温度传感器12.8，所述CO2再生设备9的底端排液口9.6与再沸器10的富液输入口10.2之间的管路上设有第九温度传感器12.9。
上述技术方案中，所述富液泵3与三通分流阀4的第一端口4.1之间的管路上设有第一流量传感器11.1，第一流量传感器11.1与三通分流阀4的第一端口4.1之间的管路上设有第二温度传感器12.2，贫液冷却器6的贫液出口6.2与贫液泵7的输入端之间的管路上设有第二流量传感器11.2，三通分流阀4的第二端口4.2与中空纤维膜接触器组件8的富液壳程入口8.1之间设有第三流量传感器11.3。
上述技术方案中，所述中空纤维膜接触器组件8的管程气相出口8.2上设有湿度传感器13。
上述技术方案中，所述中空纤维膜接触器组件8的管程气相出口8.2上设有第一气体压力传感器14.1，CO2再生设备9的顶部排气口9.4与中空纤维膜接触器组件8的管程气相入口8.5之间的管路上设有第二气体压力传感器14.2。
上述技术方案中，富液在通过贫富液热交换器5之前经过三通分流阀4进行分流(质量流量分流比可达到20～35％)，分流后的大部分冷富液(三通分流阀4的第三端口4.3)经过贫富液热交换器5加热后直接送至CO2再生设备9的第一富液输入口9.1，与CO2再生设备9顶部的CO2和H2O(g)再生气直接接触，对再生气进行喷淋冷却，而分流的冷富液(三通分流阀4的第二端口4.2)则直接进入中空纤维膜接触器组件8的富液壳程入口8.1，在膜接触器中回收在管程流动的热再生气的余热，使再生气温度大幅下降。
上述技术方案中，在再生气温度和压力条件下，管程内流动的CO2和H2O(g)再生气中部分H2O(g)接触冷膜后，在膜管程内冷凝释放潜热，释放的潜热部分沿膜方向传递，使膜加热，部分以跨膜导热的形式传递到壳程冷富液侧，使冷富液升温。CO2和H2O(g)再生气中的部分H2O(g)以对流传质的形式通过膜孔达到富液测，并在富液侧冷凝释放潜热，从而使富液温度升高。H2O(g)的传质通量越大，在富液测释放的潜热就越大，对再生气的余热回收越有利，在H2O(g)的对流传质过程中，由于膜孔温度较低，部分H2O(g)会在膜孔内冷凝形成H2O(l)。通过选择合适的膜孔径，可控制H2O(g)在膜孔通道内合适的区段冷凝，再生气中的H2O(g)则在膜孔内通过“冷凝-扩散-蒸发”的方式通过冷凝段，并使H2O(g)传质大幅强化，有助于大幅提升再生气余热向冷富液传递。同时，由于CO2在H2O(l)中溶解度较小，CO2透过膜孔向富液的传质收到阻塞，在强化H2O(g)传质的同时获得高的H2O(g)/CO2选择分离系数。
上述技术方案中，所述流量传感器、温度传感器、湿度传感器和压力传感器均用于测量各处溶液或混合气的相关参数，确定本系统是否在正常的范围运行，有不足或者超过相关参数，将对三通分流阀，增压风机进气量，再沸器中加热蒸汽温度等进行调节，保证系统的正常工作。
一种利用上述系统的CO2化学吸收方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：富CO2气体通过增压风机1增压后由进气口2.3进入CO2吸收设备2，与从CO2吸收设备2内的吸收液输入口2.2进入的CO2化学吸收剂形成逆流接触，富CO2气体中CO2被吸收，净化气从CO2吸收设备2顶端经过除雾后从顶端排气口2.1排出，CO2吸收设备2内的吸收剂吸收CO2后生成的初始吸收剂富CO2溶液由CO2吸收设备2的出液口2.4进入富液泵3；
步骤2：初始吸收剂富CO2溶液(一般为40～55℃，与选择的吸收剂及是否采用吸收内冷技术相关)经由富液泵3进入三通分流阀4中进行分流，分流的一部分初始吸收剂富CO2溶液经三通分流阀4的第二端口4.2进入中空纤维膜接触器组件8的富液壳程入口8.1，分流的另一部分初始吸收剂富CO2溶液经三通分流阀4的第三端口4.3进入贫富液热交换器5，在热交换器5中与再沸器10的贫液输出口10.1输出的再生后的100～120℃的高温热贫液进行热交换，使分流的另一部分初始吸收剂富CO2溶液被加热到80～100℃(具体由再生温度和贫富液换热器的经济换热温差(15～20K)来共同确定)，然后被加热到80～100℃初始吸收剂富CO2溶液进入CO2再生设备9的第一富液输入口9.1；
步骤3：经三通分流阀4分流之后的40～60℃分流冷富液在无机中空纤维膜接触器组件8壳程中与在管程中逆向流动的90～100℃高温CO2和H2O(g)再生气进行热交换，利用H2O(g)在膜孔内的热质传递耦合，实现再生气余热回收性能的强化(具体热质耦合传递机理如附图2所示)，90～100℃的高温CO2和H2O(g)再生气经CO2再生设备9顶端出气口9.4进入中空纤维膜接触器组件8管程入口8.5，在90～100℃的再生气温度和0.1～0.2Mpa压力条件下，管程内CO2和H2O(g)再生气中部分H2O(g)接触冷膜后，在中空纤维膜接触器组件8的膜管程内冷凝，释放的H2O(g)潜热的一部分沿中空纤维膜接触器组件8的膜方向传递，使中空纤维膜接触器组件8的膜加热，释放的H2O(g)潜热的另一部分以跨膜导热的形式传递到中空纤维膜接触器组件8壳程冷富液侧，同时，管程内CO2和H2O(g)再生气中的另一部分H2O(g)以对流传质的形式通过中空纤维膜膜孔到达富液侧，并在富液侧冷凝释放潜热，两种传热方式的共同作用使40～60℃的富液升温到80～90℃(H2O(g)传质通量越大，在富液侧释放的潜热越大，对再生气余热的回收越有利)，在中空纤维膜膜孔中H2O(g)的对流传质过程中，由于膜孔温度相较于CO2和H2O(g)再生气温度较低，部分H2O(g)会在膜孔内冷凝成H2O(l)(通过选择合适的膜孔径，可控制H2O(g)在膜孔通道内合适的区段冷凝)，CO2和H2O(g)再生气中的H2O(g)则在膜孔内通过冷凝、扩散、蒸发的方式通过中空纤维膜接触器组件8的冷凝段，同时，CO2和H2O(g)再生气中的CO2透过膜孔向富液的传质受到阻塞，在强化H2O(g)传质的同时获得高H2O(g)/CO2选择分离系数，即H2O(g)被回收的同时没有CO2通过膜传质，由于H2O(g)的热质传递耦合增效及中空纤维膜高比表面积等优势，CO2和H2O(g)再生气与40～60℃的冷富液之间的传热系数大幅增强，H2O(g)传质通量越大，在富液侧释放的潜热越大，对再生气余热的回收越有利，气液之间的换热温差可降低到5～10K，CO2和H2O(g)再生气的温度降至45～65℃(具体温度由冷富液进口温度与余热回收时的换热温差共同确定)，然后CO2从中空纤维膜接触器组件8的管程出口8.2排出，回收了CO2和H2O(g)再生气余热后的分流冷富液，即形成回收余热后的富CO2溶液经中空纤维膜接触器组件8的富液壳程出口8.3流入CO2再生设备9的第二富液输入口9.2；
步骤4：经第一富液输入口9.1进入CO2再生设备9的经过热交换器的初始吸收剂富CO2溶液和经第二富液输入口9.2进入CO2再生设备9的回收余热后的富CO2溶液在CO2再生设备9与CO2和H2O(g)再生气逆向接触进行再次加热后，由CO2再生设备9的底端输出口9.6流入再沸器10中加热分离出CO2和吸收剂，再沸器10中加热分离出的CO2携带饱和水蒸气由再沸器10的再沸器顶端排气口10.3通过CO2再生设备9的底端进气口9.5沿CO2再生设备9向上流动；
步骤5：再沸器10内产生的再生后得到的100～120℃的高温贫液经再沸器10贫液输出口10.1进入贫富液热交换器5进行一次冷却，随后再经贫液冷却器6二次冷却到所需温度后返回CO2吸收设备2中再次吸收CO2。
上述技术方案的步骤2中从CO2吸收设备2底端出液口2.4排出的初始富液温度为40～55℃，通过控制三通分流阀4调节分流阀4的第二端口4.2和第三端口4.3处流量，使分流阀4的第二端口4.2与第三端口4.3之间的富液分流比为20～35％。
上述技术方案的步骤3中采用的中空纤维膜接触器组件8的中空纤维膜膜孔径为4～10nm，且在中空纤维膜接触器组件8气相侧冷凝的H2O(g)将在管程内由CO2再生设备9的顶端冷凝水回流入口9.3回流至CO2再生设备9，中空纤维膜接触器组件8气液相回收水量总和将使吸收剂质量浓度保持恒定。
上述技术方案中，所述步骤4中再沸器10采用外部蒸汽加热，进入再沸器10的富CO2溶液加热温度为100～120℃(加热温度可由所选择的CO2化学吸收剂特性决定)。
上述技术方案的步骤5中，再生后得到的高温贫液经贫富液热交换器5进行一次冷却可到60～70℃，随后进入贫液冷却器6冷凝到35～45℃(具体温度根据贫液进入贫液冷却器温度和最佳贫液吸收剂温度决定)后返回吸收设备2中再次进行CO2吸收。
上述技术方案中，所有的管路系统及中空纤维膜接触器组件8外壁均包裹保温材料，以降低溶液和气体在管路中的热量损失，保证系统热损失率在5％以内。
上述技术方案中，CO2吸收设备2和CO2再生设备9的结构和种类可不限，既可以采用传统的填料塔式结构，也可以使用新型的中空纤维膜接触器等结构。
上述技术方案中，中空纤维膜主要采用亲水性陶瓷膜，壁面膜孔径4～10nm，也可以采用其他耐高温的无机膜材料。
上述技术方案中，用于CO2吸收的化学吸收剂是能够满足循环使用的可再生、低挥发性的吸收剂。
本发明利用中空纤维膜接触器组件相较于传统换热器表现出更高比表面积，占地小，重量轻，工艺简单等优势，以此作为CO2再生设备顶端CO2和H2O(g)再生气的回收介质，替换再生塔顶端的外置水冷却器，并利用分流的冷富液回收热量，实现H2O(g)热质传递耦合，提高再生气向富液的传热效率，回收大量H2O(g)携带的潜热，使得单位CO2的再生能耗降低25％以上(附表1)。
表1：以30％乙醇胺(MEA)溶液体系为例时，传统工艺与水蒸气传质强化余热回收工艺的对比
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于，它包括CO2吸收设备(2)、CO2再生设备(9)、再沸器(10)、输入端与CO2吸收设备(2)出液口(2.4)连接的富液泵(3)、输出端与CO2吸收设备(2)的吸收液输入口(2.2)连接的贫液泵(7)、输出端与贫液泵(7)输入口连接的贫液冷却器(6)、三通分流阀(4)、贫富液热交换器(5)、输出端与CO2吸收设备(2)的进气口(2.3)连接的增压风机(1)、中空纤维膜接触器组件(8)，其中，CO2吸收设备(2)的出液口(2.4)通过富液泵(3)连接三通分流阀(4)的第一端口(4.1)，三通分流阀(4)的第二端口(4.2)连接中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程入口(8.1)，三通分流阀(4)的第三端口(4.3)连接贫富液热交换器(5)的低温富液入口(5.1)，贫富液热交换器(5)的高温富液出口(5.3)连接CO2再生设备(9)的第一富液输入口(9.1)，CO2再生设备(9)的底端排液口(9.6)连接再沸器(10)的富液输入口(10.2)，再沸器(10)的贫液输出口(10.1)连接贫富液热交换器(5)的高温贫液入口(5.4)，再沸器(10)的再沸器顶端排气口(10.3)连接CO2再生设备(9)的底端进气口(9.5)，所述再沸器(10)还具有蒸汽输入口(10.4)和高温水输出口(10.5)，CO2再生设备(9)的顶部排气口(9.4)连接中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相入口(8.5)，中空纤维膜接触器组件(8)的管程液相出口(8.4)连接CO2再生设备(9)的顶端冷凝水回流入口(9.3)，中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程出口(8.3)连接CO2再生设备(9)的第二富液输入口(9.2)，中空纤维膜接触器组件(8)还具有管程气相出口(8.2)，贫富液热交换器(5)的低温贫液的输出口(5.2)连接贫液冷却器(6)的贫液入口(6.1)，贫液冷却器(6)的贫液出口(6.2)通过贫液泵(7)连接CO2吸收设备(2)的吸收液输入口(2.2)，CO2吸收设备(2)的顶部还设有顶端排气口(2.1)。
2.根据权利要求1所述的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于：所述贫液泵(7)的输出端与CO2吸收设备(2)的吸收液输入口(2.2)之间的管路内设有第一温度传感器(12.1)，所述贫富液热交换器(5)的低温贫液的输出口(5.2)与贫液冷却器(6)的贫液入口(6.1)之间的管路内设有第三温度传感器(12.3)，贫富液热交换器(5)的高温富液出口(5.3)与CO2再生设备(9)的第一富液输入口(9.1)之间的管路内设有第四温度传感器(12.4)，再沸器(10)的贫液输出口(10.1)与贫富液热交换器(5)的高温贫液入口(5.4)之间的管路内设有第五温度传感器(12.5)，中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相出口(8.2)设有第六温度传感器(12.6)，中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程出口(8.3)与CO2再生设备(9)的第二富液输入口(9.2)之间的管路没有第七温度传感器(12.7)，CO2再生设备(9)的顶部排气口(9.4)与中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相入口(8.5)之间的管路内设有第八温度传感器(12.8)，所述CO2再生设备(9)的底端排液口(9.6)与再沸器(10)的富液输入口(10.2)之间的管路上设有第九温度传感器(12.9)。
3.根据权利要求1所述的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于：所述富液泵(3)与三通分流阀(4)的第一端口(4.1)之间的管路上设有第一流量传感器(11.1)，第一流量传感器(11.1)与三通分流阀(4)的第一端口(4.1)之间的管路上设有第二温度传感器(12.2)，贫液冷却器(6)的贫液出口(6.2)与贫液泵(7)的输入端之间的管路上设有第二流量传感器(11.2)，三通分流阀(4)的第二端口(4.2)与中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程入口(8.1)之间设有第三流量传感器(11.3)。
4.根据权利要求1所述的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于：所述中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相出口(8.2)上设有湿度传感器(13)。
5.根据权利要求1所述的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于：所述中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相出口(8.2)上设有第一气体压力传感器(14.1)，CO2再生设备(9)的顶部排气口(9.4)与中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相入口(8.5)之间的管路上设有第二气体压力传感器(14.2)。
6.一种利用权利要求1所述系统的CO2化学吸收方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：富CO2气体通过增压风机(1)增压后由进气口(2.3)进入CO2吸收设备(2)，与从CO2吸收设备(2)内的吸收液输入口(2.2)进入的CO2化学吸收剂形成逆流接触，富CO2气体中CO2被吸收，净化气从CO2吸收设备(2)顶端经过除雾后从顶端排气口(2.1)排出，CO2吸收设备(2)内的吸收剂吸收CO2后生成的初始吸收剂富CO2溶液由CO2吸收设备(2)的出液口(2.4)进入富液泵(3)；
步骤2：初始吸收剂富CO2溶液经由富液泵(3)进入三通分流阀(4)中进行分流，分流的一部分初始吸收剂富CO2溶液经三通分流阀(4)的第二端口(4.2)进入中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程入口(8.1)，分流的另一部分初始吸收剂富CO2溶液经三通分流阀(4)的第三端口(4.3)进入贫富液热交换器(5)，在热交换器(5)中与再沸器(10)的贫液输出口(10.1)输出的再生后的100～120℃的高温热贫液进行热交换，使分流的另一部分初始吸收剂富CO2溶液被加热到80～100℃，然后被加热到80～100℃初始吸收剂富CO2溶液进入CO2再生设备(9)的第一富液输入口(9.1)；
步骤3：经三通分流阀(4)分流之后的40～60℃分流冷富液在无机中空纤维膜接触器组件(8)壳程中与在管程中逆向流动的90～100℃高温CO2和H2O(g)再生气进行热交换，利用H2O(g)在膜孔内的热质传递耦合，实现再生气余热回收性能的强化，90～100℃的高温CO2和H2O(g)再生气经CO2再生设备(9)顶端出气口(9.4)进入中空纤维膜接触器组件(8)管程入口(8.5)，在90～100℃的再生气温度和0.1～0.2Mpa压力条件下，管程内CO2和H2O(g)再生气中部分H2O(g)接触冷膜后，在中空纤维膜接触器组件(8)的膜管程内冷凝，释放的H2O(g)潜热的一部分沿中空纤维膜接触器组件(8)的膜方向传递，使中空纤维膜接触器组件(8)的膜加热，释放的H2O(g)潜热的另一部分以跨膜导热的形式传递到中空纤维膜接触器组件(8)壳程冷富液侧，同时，管程内CO2和H2O(g)再生气中的另一部分H2O(g)以对流传质的形式通过中空纤维膜膜孔到达富液侧，并在富液侧冷凝释放潜热，两种传热方式的共同作用使40～60℃的富液升温到80～90℃，在中空纤维膜膜孔中H2O(g)的对流传质过程中，由于膜孔温度相较于CO2和H2O(g)再生气温度较低，部分H2O(g)会在膜孔内冷凝成H2O(l)，CO2和H2O(g)再生气中的H2O(g)则在膜孔内通过冷凝、扩散、蒸发的方式通过中空纤维膜接触器组件(8)的冷凝段，同时，CO2和H2O(g)再生气中的CO2透过膜孔向富液的传质受到阻塞，在强化H2O(g)传质的同时获得高H2O(g)/CO2选择分离系数，即H2O(g)被回收的同时没有CO2通过膜传质，CO2和H2O(g)再生气与40～60℃的冷富液之间的传热系数增强，气液之间的换热温差可降低到5～10K，CO2和H2O(g)再生气的温度降至45～65℃，然后CO2从中空纤维膜接触器组件(8)的管程出口(8.2)排出，回收了CO2和H2O(g)再生气余热后的分流冷富液，即形成回收余热后的富CO2溶液经中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程出口(8.3)流入CO2再生设备(9)的第二富液输入口(9.2)；
步骤4：经第一富液输入口(9.1)进入CO2再生设备(9)的经过热交换器的初始吸收剂富CO2溶液和经第二富液输入口(9.2)进入CO2再生设备(9)的回收余热后的富CO2溶液在CO2再生设备(9)与CO2和H2O(g)再生气逆向接触进行再次加热后，由CO2再生设备(9)的底端输出口(9.6)流入再沸器(10)中加热分离出CO2和吸收剂，再沸器(10)中加热分离出的CO2携带饱和水蒸气由再沸器(10)的再沸器顶端排气口(10.3)通过CO2再生设备(9)的底端进气口(9.5)沿CO2再生设备(9)向上流动；
步骤5：再沸器(10)内产生的再生后得到的100～120℃的高温贫液经再沸器(10)贫液输出口(10.1)进入贫富液热交换器(5)进行一次冷却，随后再经贫液冷却器(6)二次冷却到所需温度后返回CO2吸收设备(2)中再次吸收CO2。
7.根据权利要求6所述的CO2化学吸收方法，其特征在于：所述步骤2中从CO2吸收设备(2)底端出液口(2.4)排出的初始富液温度为40～55℃，通过控制三通分流阀(4)调节分流阀(4)的第二端口(4.2)和第三端口(4.3)处流量，使分流阀(4)的第二端口(4.2)与第三端口(4.3)之间的富液分流比为20～35％。
8.根据权利要求6所述的CO2化学吸收方法，其特征在于：所述步骤3中采用的中空纤维膜接触器组件(8)的中空纤维膜膜孔径为4～10nm，且在中空纤维膜接触器组件(8)气相侧冷凝的H2O(g)将在管程内由CO2再生设备(9)的顶端冷凝水回流入口(9.3)回流至CO2再生设备(9)，中空纤维膜接触器组件(8)气液相回收水量总和将使吸收剂质量浓度保持恒定。
9.根据权利要求6所述的CO2化学吸收方法，其特征在于：所述步骤4中再沸器(10)采用外部蒸汽加热，进入再沸器(10)的富CO2溶液加热温度为100～120℃。
10.根据权利要求6所述的CO2化学吸收方法，其特征在于：所述步骤5中，再生后得到的高温贫液经贫富液热交换器(5)进行一次冷却可到60～70℃，随后进入贫液冷却器(6)冷凝到35～45℃后返回吸收设备(2)中再次进行CO2吸收。
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