CN107557088B - 一种气体水合物分解及反应液回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体水合物分解及反应液回收装置，包括三相分离器、气体水合物分解单元、二氧化碳收集罐、吸收液再生单元、化学吸收塔、储存有乙醇胺溶液的吸收液储存罐、浆液泵、背压阀、第一耐腐蚀泵、第二耐腐蚀泵、第三耐腐蚀泵。本装置解决了水合物分解的热量供应问题；旋流腔使得进入的水合物浆液在腔中保持更长的时间，浆液在旋流过程中下降，气体上升，且在旋流过程中，旋流中心形成真空，有利于水合物的分解；排气扇有利于所分解的气体快速排出，减少了气体损耗和可能出现的水合物二次生成；旋流腔锥底及下腔体的内腔外壁开设的滤孔，有利于高温的再生气进入旋流腔内部与讲题进行对流换热，极大地提高了水合物的分解效率。

Description

一种气体水合物分解及反应液回收装置

技术领域

本发明涉及水合物生成和分解领域，尤其涉及一种适用于水合物法联合化学吸收法的气体水合物分解及反应液回收装置。

背景技术

整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)所产生的燃料气(40％mol CO2/60％molH2)是全球二氧化碳减排的主要标的物。美国能源部(DOE)和EPRI最近展开的详细研究清楚地表明，该系统的二氧化碳捕集工艺会使得每净千瓦功率的成本提高32％。因此，一种有效且能够极大降低能耗的二氧化碳捕集工艺对于IGCC系统的推广和进一步发展具有十分重要的意义。当前，二氧化碳捕集的工艺主要包括化学吸收法、吸附法和膜分离法等。然而，这些工艺在实际使用过程中都有其各自的应用限制。化学吸收法虽然在实践中取得了较好的分离效果，但其捕集成本过高；吸附法的分离效率低及吸附剂的再次利用一直是其进一步发展的重要制约因素；膜分离法的工艺还不成熟。基于此，各国的研究者多年来致力于探索一种有效的气体分离与捕集技术，其中基于水合物法的二氧化碳分离与捕集技术被认为是一种非常具有前景的工艺。该方法的操作工艺简单，绿色且没有二次污染。然而，该技术也有其不可避免的缺点。目前该技术的一次分离后的气体二氧化碳的摩尔浓度大概在6％-12％之间，要想进一步提高其分离效果，则需进行二次分离。对于该二氧化碳浓度范围内的气体，其二次分离所需要的压力相较于一次分离将成倍的增加，其带来的经济成本优势将会迅速恶化。因此，研究人员提出采用化学吸收法处理水合物法一次分离后的气体，并取得了较好的效果。然而，水合物反应液的循环利用及气体的解吸对于水合物法联合化学吸收法的气体分离工艺至关重要，且回收的高浓度二氧化碳气体依然具有很多的工业化用途。

当前，水合物的分解装置主要包括二大类，一种是依靠环境温度自然分解，但这种方法的水合物分解速率慢；另一种是依靠加热装置进行加热分解，而提供热量的能源主要包括太阳能和电能。对于太能能来说，其受天气的制约较为严重。而对于电能来说，其虽然较为稳定，但需消耗额外的能源，并不经济。专利“一种基于太阳能技术的天然气水合物浆液分解方法与装置”(201410392978.7，公开(公告)号CN 104152202 A)提出了一种采用太能能来提供能量分解水合物的装置。专利“一种水合物法连续分离天然气中二氧化碳的装置与方法”(201110176249.4，公开(公告)号CN 102295967 A)提出了一种采用加热器加热的方式来达到水合物分解的目的。专利“一种利用热力射流开采天然气水合物的方法及系统”(201510522831.X，公开(公告)号CN 105134152 A)提出了采用热力射流的方式来分解水合物。此外，对于水合物法联合化学吸收法来说，其吸收液再生过程中，很多的气体余热并未充分利用，造成了很大的能源浪费。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种分解速度快，成本低、且能够充分利用气体余热的气体水合物分解及反应液回收装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种气体水合物分解及反应液回收装置，包括三相分离器、气体水合物分解单元、二氧化碳收集罐、吸收液再生单元、化学吸收塔、储存有乙醇胺溶液的吸收液储存罐、浆液泵、背压阀、第一耐腐蚀泵、第二耐腐蚀泵、第三耐腐蚀泵；所述三相分离器的输入端与水合物浆液入口相接，三相分离器的第一输出端通过浆液泵与气体水合物分解单元的第一输入端相接，气体水合物分解单元的第一输出口与水合物分解液输出口相接，气体水合物分解单元的第二输出端与所述二氧化碳收集罐的输入端连接；三相分离器的第二输出端与所述化学吸收塔的第一输入端连接，化学吸收塔的第一输出端通过第一耐腐蚀泵与所述吸收液再生单元的输入端连接；所述吸收液再生单元的第一输出端与所述气体水合物分解单元的第二输入端连接，吸收液再生单元的第二输出端通过第二耐腐蚀泵与所述吸收液储存罐的输入端连接，吸收液储存罐的输出端通过第三耐腐蚀泵与所述化学吸收塔的第二输入端连接，化学吸收塔设置有用于输出高纯氢的氢输出端。

水合物浆液和气体一起经水合物分解液输出口进入气体水合物分解单元，被分离后的浆液通过浆液泵进入气体水合物分解单元，被分离后的气体经背压阀进入化学吸收塔进一步脱除剩余的二氧化碳气体；脱除过程中，吸收液从吸收液储存罐中经第三耐腐蚀泵的作用下被送入化学吸收塔的顶部，气体与吸收液在化学吸收塔中充分接触以脱除其中的二氧化碳；吸收了二氧化碳的吸收液在第一耐腐蚀泵的作用下被送入吸收液再生单元内再生，再生后的吸收液在第二耐腐蚀泵的作用下被送入吸收液储存罐中，水合物分解后的气体和再生气进入二氧化碳收集罐内。

所述气体水合物分解单元包括外腔、设置在外腔内的内腔、进口膨胀式疏水阀、第一单向液阀、第二单向液阀和第一单向气阀；所述内腔内设置有丝网捕雾器、密集滤网、浮球、锥底和圆筒体；所述外腔与内腔的对称轴重合，并且外腔与内腔之间设有供高温来气通过及换热的圆筒形空间；所述内腔由上而下包括上腔体、旋流腔、下腔体和排液腔；上腔体和旋流腔之间由所述丝网捕雾器分隔开，所述旋流腔由所述圆筒体与锥底围成，锥底将旋流腔与下腔体分隔开，所述密集滤网将下腔体与排液腔分隔开；所述锥底开设有若干均匀分布的第一滤孔，位于下腔体的内腔外币开设有第二滤孔；所述进口膨胀式疏水阀设置在气体水合物分解单元的第二输入端的管路上，气体水合物分解单元的第二输入端的管路接入外腔的底部；所述第一单向液阀设置在气体水合物分解单元的第一输出端的管路上，气体水合物分解单元的第一输出端的管路接入排液腔的底部；所述第二单向液阀设置在气体水合物分解单元的第一输入端的管路上，气体水合物分解单元的第一输入端的管路以圆筒体的切线方向接入旋流腔的上部；所述第一单向气阀设置在气体水合物分解单元的第二输出端的管路上，气体水合物分解单元的第二输出端的管路接入外腔的顶部；所述浮球设置在排液腔的底部，并且浮球直径与第一输出端的管路内径相切；所述上腔体顶部开设有气体出口，并且该气体出口设置有排气扇。吸收液再生单元的高温来气经由进口膨胀式疏水阀脱除大部分其携带液滴后由外腔的锥形结构底部进入，由下而上从外腔的锥形结构顶部流出；排气扇有助于及时将内腔的气体排出；旋流腔锥底和下腔体的内墙外壁开设的滤孔，有利于高温的再生气进入旋流腔内部与浆液进行对流换热，极大地提高了水合物的分解效率。

所述内腔与外腔的制作材料均为316不锈钢，所述外腔的顶部与底部均采用锥形结构。

所述外腔的高度为1.5～2m，其筒体直径为1.2～1.5m，其设计承压为8～10MPa；所述内腔的高度为1～1.5m，其筒体直径为0.8～1.2m，其设计压力为8～10MPa；所述旋流腔的高度占整个内腔高度的55～65％。

所述外腔的高度为1.8m，其筒体直径为1.4m；所述内腔的高度为1.3m，其筒体直径为1m；所述旋流腔的高度占整个内腔高度的60％。

所述第一滤孔的直径为0.5～1cm，所述第二滤孔的直径为2～4cm。

所述第一滤孔的直径为0.8cm，所述第二滤孔的直径为3.5cm。

所述密集滤网的目数为3～6目。

所述密集滤网的目数为3目。

与现有技术对比，本发明的优点在于：

(1)该装置能够充分利用化学吸收液再生过程中所释放的二氧化碳气体所携带的热量，将其用于水合物的分解，解决了水合物分解的热量供应问题。

(2)旋流腔的设置能够使得进入的水合物浆液在腔中保持更长的时间，浆液在旋流过程中下降，气体上升，且在旋流过程中，旋流中心形成真空，有利于水合物的分解。

(3)上腔体排气扇的设置，有利于所分解的气体快速排出水合物分解装置，使得腔体内的气相流动更加流畅，减少了气体损耗和可能出现的水合物二次生成。

(4)旋流腔锥底及下腔体的内腔外壁开设的滤孔，有利于高温的再生气进入旋流腔内部与讲题进行对流换热，极大地提高了水合物的分解效率。

附图说明

图1为本发明实施例化学吸收液再生及水合物分解的流程原理图；

图2为本发明实施例气体水合物分解单元的结构示意图。

图中附图标记含义：1、进口膨胀式疏水阀；2、第一单向液阀；3、第二单向液阀；4、第一单向气阀；5、外腔；6、排气扇；7、内腔；8、丝网捕雾器；9、密集滤网；10、浮球；11、锥底；12、圆筒体；13、第一截止阀；14、三相分离器；15、第二截止阀；16、浆液泵；17、第三截止阀；18、气体水合物分解单元；19、第四截止阀；20、第二单向气阀；21、二氧化碳收集罐；22、第三单向气阀；23、背压阀；24、化学吸收塔；25、第五截止阀；26、第一耐腐蚀泵；27、吸收液再生单元；28、第二耐腐蚀泵；29、第六截止阀；30、吸收液储存罐；31、第七截止阀；32、第三耐腐蚀泵；33、第四单向气阀；34、上腔体；35、旋流腔；36、下腔体；37、排液腔；38、氢输出端；39、水合物浆液入口；40、水合物分解液输出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1和图2，为一种气体水合物分解及反应液回收装置，包括三相分离器14、气体水合物分解单元18、二氧化碳收集罐21、吸收液再生单元27、化学吸收塔24、储存有乙醇胺溶液的吸收液储存罐30、浆液泵16、背压阀23、第一耐腐蚀泵26、第二耐腐蚀泵28、第三耐腐蚀泵32；本实施例中各结构之间采用管路连接，管路上根据实际需要增添若干截止阀及单向气阀。经过水合物法一次分离的IGCC合成气及其浆液依次从水合物浆液入口39、第一截止阀13的输入端输入，第一截止阀13的输出端与三相分离器14的输入端连接；三相分离器14的第一输出端与第二截止阀15的输入端连接，第二截止阀15的输出端与浆液泵16的输入端连接；浆液泵16的输出端与第三截止阀17的输入段连接；第三截止阀17的输出端与气体水合物分解单元18的第一输入端连接；气体水合物分解单元18的第一输出端与第四截止阀19的输入端连接，水合物分解液从第四截止阀19的输出端输出后，从水合物分解液输出口40输出；气体水合物分解单元18的第二输出端与第二单向气阀20的输入端连接；第二单向气阀20的输出端与二氧化碳收集罐21的输入端连接；三相分离器14的第二输出端与第三单向气阀22的输入端连接，第三单向气阀22的输出端与背压阀23的输入端连接；背压阀23的输出端与化学吸收塔24的第一输入端连接；化学吸收塔24的一输出端第五截止阀25的输入端连接；第五截止阀25的输出端与第一耐腐蚀泵26的输入端连接；第一耐腐蚀泵26的输出端与吸收液再生单元27的输入端连接；吸收液再生单元27的第一输出端与第四单向气阀33的输入端连接，第四单向气阀33的输出端与气体水合物分解单元18的第二输入端连接；吸收液再生单元27的第二输出端与第二耐腐蚀泵28的输入端连接；第二耐腐蚀泵28的输出端与第六截止阀29的输入端连接；第六截止阀29的输出端与吸收液储存罐30的输入端连接；

吸收液储存罐30的输出端与第七截止阀31的输入端连接；第七截止阀31的输出端与第三耐腐蚀泵32的输入端连接；第三耐腐蚀泵32的输出端与化学吸收塔24的第二输入端连接；化学吸收塔24设置有用于输出高纯氢的氢输出端38。

水合物浆液和气体一起经水合物分解液输出口40进入气体水合物分解单元18，被分离后的浆液通过浆液泵16进入气体水合物分解单元18，被分离后的气体经背压阀23进入化学吸收塔24进一步脱除剩余的二氧化碳气体；脱除过程中，吸收液从吸收液储存罐30中经第三耐腐蚀泵32的作用下被送入化学吸收塔24的顶部，气体与吸收液在化学吸收塔24中充分接触以脱除其中的二氧化碳；吸收了二氧化碳的吸收液在第一耐腐蚀泵26的作用下被送入吸收液再生单元27内再生，再生后的吸收液在第二耐腐蚀泵28的作用下被送入吸收液储存罐30中，水合物分解后的气体和再生气进入二氧化碳收集罐21内。

气体水合物分解单元18包括外腔5、设置在外腔5内的内腔7、进口膨胀式疏水阀1、第一单向液阀2、第二单向液阀3和第一单向气阀4；内腔7内设置有丝网捕雾器8、密集滤网9、浮球10、锥底11和圆筒体12；外腔5与内腔7的对称轴重合，并且外腔5与内腔7之间设有供高温来气通过及换热的圆筒形空间；内腔7由上而下包括上腔体34、旋流腔35、下腔体36和排液腔37；上腔体34和旋流腔35之间由丝网捕雾器8分隔开，旋流腔35由圆筒体12与锥底11围成，锥底11将旋流腔35与下腔体36分隔开，密集滤网9将下腔体36与排液腔37分隔开；锥底11开设有若干均匀分布的第一滤孔，位于下腔体36的内腔7外币开设有第二滤孔；进口膨胀式疏水阀1设置在气体水合物分解单元18的第二输入端与第四单向气阀33之间的管路上，气体水合物分解单元18的第二输入端的管路接入外腔5的底部；第一单向液阀2设置在气体水合物分解单元18的第一输出端与第四截止阀19之间的管路上，气体水合物分解单元18的第一输出端的管路接入排液腔37的底部；第二单向液阀3设置在气体水合物分解单元18的第一输入端的管路上，并且第三截止阀17位于第二单向液阀3与浆液泵16之间的管路上，气体水合物分解单元18的第一输入端的管路以圆筒体12的切线方向接入旋流腔35的上部；第一单向气阀4设置在气体水合物分解单元18的第二输出端与第二单向气阀20之间的管路上，气体水合物分解单元18的第二输出端的管路接入外腔5的顶部；浮球10设置在排液腔37的底部，并且浮球10直径与第一输出端的管路内径相切；上腔体34顶部开设有气体出口，并且该气体出口设置有排气扇6。吸收液再生单元27的高温来气经由进口膨胀式疏水阀1脱除大部分其携带液滴后由外腔5的锥形结构底部进入，由下而上从外腔5的锥形结构顶部流出；排气扇6有助于及时将内腔7的气体排出；旋流腔35锥底11和下腔体36的内墙外壁开设的滤孔，有利于高温的再生气进入旋流腔35内部与浆液进行对流换热，极大地提高了水合物的分解效率。

内腔7与外腔5的制作材料均为316不锈钢，外腔5的顶部与底部均采用锥形结构。

优选的，外腔5的高度为1.5～2m，其筒体直径为1.2～1.5m，其设计承压为8～10MPa；内腔7的高度为1～1.5m，其筒体直径为0.8～1.2m，其设计压力为8～10MPa；旋流腔35的高度占整个内腔7高度的55～65％。

进一步优选的，外腔5的高度为1.8m，其筒体直径为1.4m；内腔7的高度为1.3m，其筒体直径为1m；旋流腔35的高度占整个内腔7高度的60％。

优选的，第一滤孔的直径为0.5～1cm，第二滤孔的直径为2～4cm。

进一步优选的，第一滤孔的直径为0.8cm，第二滤孔的直径为3.5cm。

优选的，密集滤网9的目数为3～6目。

进一步优选的，密集滤网9的目数为3目。

本实施例的具体实施方案如下：

1)水合物浆液和气体一起经由第一截止阀13进入三相分离器14中进行分离，被分离后的浆液通过第二截止阀15、浆液泵16、第三截止阀17进入水合物分解单元中；而经三相分离器14分离后的气体经由第二单向气阀20并在背压阀23的作用下进入化学吸收塔24进一步脱除剩余的二氧化碳气体。脱除过程中，吸收液从吸收液储存罐30中经由第七截止阀31在第三耐腐蚀泵32的作用下被送入化学吸收塔24的顶部，气体和吸收液在化学吸收塔24中充分接触以脱除其中的二氧化碳，其化学吸收液为传统的乙醇胺溶液。

2)吸收了二氧化碳的吸收液(富液)经过第五截止阀25在第一耐腐蚀泵26的作用下被送入吸收液再生单元27再生，再生后的吸收液在第二耐腐蚀泵28的作用下，经由第六截止阀29被送入吸收液储存罐30，解吸后的气体(CO2)由于温度较高，经由第三单向气阀22被送入气体水合物分解单元18为水合物分解提供热量。水合物分解后的气体(CO2)和再生气经由第一单向气阀4进入二氧化碳收集罐21。

3)再生后的气体首先通过进口膨胀式疏水阀1脱除部分携带液滴后，从气体水合物分解单元18的锥形结构底部流入，进入内外腔5所组成的圆筒形空间，气体从下向上运动与内腔7进行充分的热交换，为了保证热交换的效率，这部分高温的气体除了与内腔7进行热传导外，还可以通过下腔体36的内腔7外壁和锥底11部分的第一滤孔进入内腔7与里面的水合物浆液进行热对流，为水合物的分解提供能量。

4)气体水合物分解单元18的旋流腔35为传统的旋流分离器结构，浆液从旋流腔35的圆筒体12的切线方向流入，在旋流运动下，一方面在旋流中心真空的作用下加速了水合物的分解，另一方面，再生后的高温来气由于温度较高向上运动，与浆液充分进行了热交换大大加速了水合物的分解。

5)分解后的气体经由丝网捕雾器8脱除小液滴后，在排气扇6的作用下，高温的气体流出内腔7并从外腔5的锥形结构顶部流出水合物分解单元。

6)为了保证水合物分解的彻底性，在旋流腔35的锥底11出口处设置有密集滤网9，尚未分解的水合物在密集滤网9处停留等待进一步分解，而自由水经过滤网进入排液腔37，当排液腔37内的液体达到一定量时，浮球10浮起，液体开始排出气体水合物分解单元18，从而再次进入循环。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种气体水合物分解及反应液回收装置，其特征在于：包括三相分离器(14)、气体水合物分解单元(18)、二氧化碳收集罐(21)、吸收液再生单元(27)、化学吸收塔(24)、储存有乙醇胺溶液的吸收液储存罐(30)、浆液泵(16)、背压阀(23)、第一耐腐蚀泵(26)、第二耐腐蚀泵(28)、第三耐腐蚀泵(32)；所述三相分离器(14)的输入端与水合物浆液入口(39)相接，三相分离器(14)的第一输出端通过浆液泵(16)与气体水合物分解单元(18)的第一输入端相接，气体水合物分解单元(18)的第一输出口与水合物分解液输出口(40)相接，气体水合物分解单元(18)的第二输出端与所述二氧化碳收集罐(21)的输入端连接；三相分离器(14)的第二输出端与所述化学吸收塔(24)的第一输入端连接，化学吸收塔(24)的第一输出端通过第一耐腐蚀泵(26)与所述吸收液再生单元(27)的输入端连接；所述吸收液再生单元(27)的第一输出端与所述气体水合物分解单元(18)的第二输入端连接，吸收液再生单元(27)的第二输出端通过第二耐腐蚀泵(28)与所述吸收液储存罐(30)的输入端连接，吸收液储存罐(30)的输出端通过第三耐腐蚀泵(32)与所述化学吸收塔(24)的第二输入端连接，化学吸收塔(24)设置有用于输出高纯氢的氢输出端(38)；所述气体水合物分解单元(18)包括外腔(5)、设置在外腔(5)内的内腔(7)、进口膨胀式疏水阀(1)、第一单向液阀(2)、第二单向液阀(3)和第一单向气阀(4)；所述内腔(7)内设置有丝网捕雾器(8)、密集滤网(9)、浮球(10)、锥底(11)和圆筒体(12)；所述外腔(5)与内腔(7)的对称轴重合，并且外腔(5)与内腔(7)之间设有供高温来气通过及换热的圆筒形空间；所述内腔(7)由上而下包括上腔体(34)、旋流腔(35)、下腔体(36)和排液腔(37)；上腔体(34)和旋流腔(35)之间由所述丝网捕雾器(8)分隔开，所述旋流腔(35)由所述圆筒体(12)与锥底(11)围成，锥底(11)将旋流腔(35)与下腔体(36)分隔开，所述密集滤网(9)将下腔体(36)与排液腔(37)分隔开；所述锥底(11)开设有若干均匀分布的第一滤孔，位于下腔体(36)的内腔(7)外币开设有第二滤孔；所述进口膨胀式疏水阀(1)设置在气体水合物分解单元(18)的第二输入端的管路上，气体水合物分解单元(18)的第二输入端的管路接入外腔(5)的底部；所述第一单向液阀(2)设置在气体水合物分解单元(18)的第一输出端的管路上，气体水合物分解单元(18)的第一输出端的管路接入排液腔(37)的底部；所述第二单向液阀(3)设置在气体水合物分解单元(18)的第一输入端的管路上，气体水合物分解单元(18)的第一输入端的管路以圆筒体(12)的切线方向接入旋流腔(35)的上部；所述第一单向气阀(4)设置在气体水合物分解单元(18)的第二输出端的管路上，气体水合物分解单元(18)的第二输出端的管路接入外腔(5)的顶部；所述浮球(10)设置在排液腔(37)的底部，并且浮球(10)直径与第一输出端的管路内径相切；所述上腔体(34)顶部开设有气体出口，并且该气体出口设置有排气扇(6)。

2.根据权利要求1所述的气体水合物分解及反应液回收装置，其特征在于：所述内腔(7)与外腔(5)的制作材料均为316不锈钢，所述外腔(5)的顶部与底部均采用锥形结构。

3.根据权利要求1所述的气体水合物分解及反应液回收装置，其特征在于：所述外腔(5)的高度为1.5～2m，其筒体直径为1.2～1.5m，其设计承压为8～10MPa；所述内腔(7)的高度为1～1.5m，其筒体直径为0.8～1.2m，其设计压力为8～10MPa；所述旋流腔(35)的高度占整个内腔(7)高度的55～65％。

4.根据权利要求3所述的气体水合物分解及反应液回收装置，其特征在于：所述外腔(5)的高度为1.8m，其筒体直径为1.4m；所述内腔(7)的高度为1.3m，其筒体直径为1m；所述旋流腔(35)的高度占整个内腔(7)高度的60％。

5.根据权利要求1所述的气体水合物分解及反应液回收装置，其特征在于：所述第一滤孔的直径为0.5～1cm，所述第二滤孔的直径为2～4cm。

6.根据权利要求5所述的气体水合物分解及反应液回收装置，其特征在于：所述第一滤孔的直径为0.8cm，所述第二滤孔的直径为3.5cm。

7.根据权利要求1所述的气体水合物分解及反应液回收装置，其特征在于：所述密集滤网(9)的目数为3～6目。

8.根据权利要求7所述的气体水合物分解及反应液回收装置，其特征在于：所述密集滤网(9)的目数为3目。

Images