CN108423681B - 一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，包括如下工艺：a、捕集烟道废气，b、脱除SO2和NO2，c、初步脱水、压缩，d、二次脱水、降温，e、吸附、深度脱水，f、液化，g、精馏，h、减压、储存。本发明提供了一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，利用现有中空纤维膜接触器捕集CO2气体，并通过多级洗涤塔对气体中的SO2和NO2进行脱除回收，充分利用液化精馏等步骤，把沸点高又难以除去的N2、NO与O2等低沸点的杂质在精馏塔内一并去除，无需外加设备，节能降耗，生产出高品质高纯度的CO2。

Description

一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺
技术领域
本发明属于燃煤减排技术领域，具体涉及一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺。
背景技术
大气中的CO2是引起温室效应气体的主要成分，SO2、NOx是引起酸雨等环境污染的酸性气体，燃煤电站是产生CO2、SO2和NOx的最大污染源，脱除燃煤电站的CO2、SO2和NOx，是一项长期而艰巨的任务。
现阶段燃煤电厂一般使用石灰石-石膏湿法和选择性催化还原脱销装置联用来脱硫脱硝，该工艺投资巨大，采用昂贵的催化剂和液氨还原剂，装置庞大，运行成本高，产生大量的固体副产物，且不能对废气中的CO2进行回收利用。二氧化碳捕集再利用与封存技术是目前唯一能够大幅降低化石燃料发电产生的二氧化碳排放的有效方案，但在碳捕集回收CO2再制备高纯度CO2装置中，SO2与NOx易于同CO2一起液化并混杂在产品中，导致现有技术所得液体二氧化碳含量较低。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术所存在的不足而提供一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺的技术方案，利用现有中空纤维膜接触器捕集CO2气体，并通过多级洗涤塔对气体中的SO2和NO2进行脱除回收，充分利用液化精馏等步骤，把沸点高又难以除去的N2、NO与O2等低沸点的杂质在精馏塔内一并去除，无需外加设备，节能降耗，生产出高品质高纯度的CO2，本工艺具有工艺简洁，一体化实现脱硫、脱硝、回收液体二氧化碳，可以省去FGD脱硫和SCR脱硝装置，设备投资省，变废为宝，运行成本低，并且生产的二氧化碳纯度高，可达到99.99％，可作为食品添加剂。
一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，其特征在于，包括如下工艺：
a、捕集烟道废气
采用中空纤维膜接触器捕集吸收电厂烟道气中的CO2混合气体，依靠气体与薄膜材料之间的化学或者物理作用，使得CO2快速溶解并穿过该薄膜，从而使得CO2在膜的另一侧达到富集，最终被回收，这种捕集器对CO2选择性高，回收率高，成本更低。
b、脱除SO2和NO2
将得到的CO2混合气体通入多级洗涤塔底部，多级洗涤塔内设置有碱液，碱液是由循环泵输送并循环利用，气体通过碱液并经由多级洗涤塔的上方排至冷却器中，烟气中的SO2和NO2等酸性气体通过碱液时被吸收并发生反应，使得硫氧化物和NO2脱除率接近100％，从而实现SO2和NO2的回收，水洗式废气处理系统，价格便宜、处理方法简单。
在多级洗涤塔内发生的反应方程式为：
(1)SO2+2Na2CO3+H2O＝Na2SO3+2NaHCO3
(2)NaHCO3+SO2＝NaHSO3+CO2
(3)2NO2+2Na2CO3＝NaNO3+NaNO2+CO2
(4)NO+2NO2+2Na2CO3＝2NaNO2+CO2
c、初步脱水、压缩
将多级洗涤塔内的CO2气体通入冷却器中，冷凝水直接从冷凝器底部排出，冷却后的气体通入压缩机中，调节压缩机使压缩机升压至2.5～3.0MPa，通过多级洗涤塔之后气体在碱液的作用下会升温，且气体带有一定的水汽，经过冷却器低温除水后再进入压缩机中，对压缩机的材质影响很小，压缩机选型更容易，气体经过压缩机压缩后体积变小。
d、二次脱水、降温
压缩后的CO2气体继续通入预冷器中，冷凝水等从预冷器底部排出，在气体被压缩之后对气体进行降温。
e、吸附、深度脱水
CO2气体进入吸附器中，吸附器内设置有吸附剂床层，气体由上向下经过吸附剂床层，气体中的杂质被吸附在吸附剂上，经吸附后的气体进入干燥器内，穿过干燥器内的固体干燥剂，气体经过吸附器后吸附剂床层可将气体中微量的硫、油水杂等脱除，干燥器使气体深度脱水至≤20ppmm。
f、液化
CO2气体从干燥器中出来后进入液化器中，制冷系统提供液化器所需的制冷，液化器能使气体温度下降，直至气体变为液体。
g、精馏
液化后的CO2液体从精馏塔中间进入，在塔顶冷凝器和塔釜再沸器的作用下，精馏塔的下塔段的蒸汽沿精馏塔上升，精馏塔的上塔段冷凝的液体沿精馏塔下降，汽液两相逆流接触，将气体杂质排出精馏塔，精馏塔利用气体混合物中各组分具有不同的挥发度，使液相中的低沸物转移到气相中，气相中的高沸物转移到液相中，从而实现分离的目的，精馏塔将O2、N2、NO等杂质与液体CO2分开，得到高纯度的CO2。
h、减压、储存
将塔釜再沸器中的液体CO2通入到减压阀，然后将减压后的CO2液体通入成品储槽进行存放，减压阀通过控制阀体内的启闭件的开度来调节CO2液体的流量，从而将CO2液体的压力降低，从而降低管路的工作压力。
进一步，在步骤b中，多级洗涤塔的操作温度为20～30℃，多级洗涤塔的洗涤塔级数为4～6级，多级洗涤塔为串联式洗涤塔，20～30℃是洗涤塔洗涤气体的最佳工作温度，且4～6级洗涤塔正好能够保证全部的SO2和NO2被碱液吸收。
进一步，在步骤c中，冷却器的操作温度为10～20℃，压缩机的操作压力为2.5～2.8Mpa。
进一步，在步骤d中，预冷器的操作温度为5～10℃，预冷器的最佳操作温度为5～10℃。
进一步，在步骤e中，吸附器和干燥器串联连接，优选台数为2台。
进一步，在步骤f中，液化器的操作温度为-20～-25℃，制冷系统采用氨或氟利昂复叠制冷，液化器最佳的操作温度-20～-25℃，较佳操作温度-10～-30℃，优选的操作温度为-15～-28℃。
进一步，在步骤g中，精馏塔的最佳操作压力为2.0～2.3Mpa，塔顶冷凝器的最佳操作温度为-25～-28℃，塔釜再沸器的最佳操作温度为-15～-18℃。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明具有工艺简洁，一体化实现脱硫、脱硝、回收液体二氧化碳，可以省去FGD脱硫和SCR脱硝装置，设备投资省，变废为宝，运行成本低的优点，利用中空纤维膜接触器捕集回收电厂烟道气中的CO2气体，并将捕集的CO2气体通入到多级洗涤塔中，通过与多级洗涤塔内的碱液发生化学反应脱除SO2和NO2等酸性气体，然后进入冷却器降温粗脱水之后到压缩机中加压，然后在进入预冷器中再次降温脱水后，气体进入吸附器中，在吸附器中吸附剂床层能够脱除微量的硫、油水杂等杂质，然后气体进入干燥器中进行深度脱水，干燥后的气体进入液化器中进行液化，液化后的液体进入精馏塔内，在塔顶冷凝器和塔釜再沸器的作用下实现液体与气体等杂质的分离，通过塔顶放空阀将排出，塔釜产出的高纯度液体经过减压阀减压后，进入储槽进行储存。
本发明提供了一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，利用现有膜法捕集CO2气体，并通过多级洗涤塔对气体中的SO2和NO2进行脱除回收，充分利用液化精馏等步骤，把沸点高又难以除去的NO在精馏塔内与O2、N2、等低沸点的杂质一并去除，无需外加设备，节能降耗，生产出高品质高纯度的CO2，本工艺具有工艺简洁，一体化实现脱硫、脱硝、回收液体二氧化碳，可以省去FGD脱硫和SCR脱硝装置，设备投资省，变废为宝，运行成本低，并且生产的二氧化碳纯度高，可达到99.99％，可作为食品添加剂。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明中一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺的流程示意图。
图中：1-多级洗涤塔；2-循环泵；3-冷却器；4-压缩机；5-预冷器；6-吸附器；7-干燥器；8-液化器；9-精馏塔；10-制冷系统；11-塔顶冷凝器；12-塔釜再沸器；13-减压阀；14-塔顶放空阀；15-储槽。
具体实施方式
如图1所示，为本发明一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，包括如下工艺：
a、捕集烟道废气
采用中空纤维膜接触器捕集吸收电厂烟道气中的CO2混合气体，依靠气体与薄膜材料之间的化学或者物理作用，使得CO2快速溶解并穿过该薄膜，从而使得CO2在膜的另一侧达到富集，最终被回收，这种捕集器对CO2选择性高，回收率高，成本更低。
b、脱除SO2和NO2
将得到的CO2混合气体原料通入多级洗涤塔1底部，多级洗涤塔1内设置有碱液，碱液是由循环泵2输送并循环，气体通过碱液并经由多级洗涤塔1的上方排至下一装置，烟气中的SO2和NO2等酸性气体通过碱液时被吸收并发生反应，使得硫氧化物和NO2脱除率接近100％，从而实现SO2和NO2的回收，水洗式废气处理系统，价格便宜、处理方法简单。
在多级洗涤塔1内发生的化学反应方程式为：
(1)SO2+2Na2CO3+H2O＝Na2SO3+2NaHCO3
(2)NaHCO3+SO2＝NaHSO3+CO2
(3)2NO2+2Na2CO3＝NaNO3+NaNO2+CO2
(4)NO+2NO2+2Na2CO3＝2NaNO2+CO2
c、初步脱水、压缩
多级洗涤塔1内的CO2气体通入冷却器3中，冷凝水直接从冷凝器3底部排出，冷却后的CO2气体通入压缩机4中，调节压缩机4使压缩机4升压至2.5～3.0MPa，通过多级洗涤塔1之后气体在碱液的作用下会升温，且气体带有一定的水汽，经过冷却器3低温除水后再进入压缩机4中，对压缩机4的材质影响很小，压缩机4选型更容易，气体经过压缩机4压缩后体积变小。
d、二次脱水、降温
压缩后的CO2气体继续通入预冷器5中，冷凝水等从预冷器5底部排出，在气体被吸附之前对气体进行降温。
e、吸附、深度脱水
CO2气体进入吸附器6中，吸附器6内设置有吸附剂床层，气体由上向下经过吸附剂床层，气体中的杂质被吸附在吸附剂上，经吸附后的气体进入干燥器7内，干燥器7内设置有固体干燥剂，气体经过吸附器6后吸附剂床层可将气体中微量的硫、油水杂等脱除，干燥器7使气体深度脱水至≤20ppmm。
f、液化
CO2气体从干燥器7中出来后进入液化器8中，制冷系统10提供液化器8所需的制冷量，液化器8能使气体温度下降，直至气体变为液体。
g、精馏
液化后的CO2液体从精馏塔9中间进入，在塔顶冷凝器11和塔釜再沸器12的作用下，精馏塔9的下塔段的蒸汽沿精馏塔9上升，精馏塔9的上塔段冷凝的液体沿精馏塔9下降，汽液两相逆流接触，将气体杂质排出精馏塔9，精馏塔9利用气体混合物中各组分具有不同的挥发度，使液相中的低沸物转移到气相中，气相中的高沸物转移到液相中，从而实现分离的目的，精馏塔9将O2、N2、NO等杂质与液体CO2分开，得到高纯度的CO2。
h、减压、储存
将塔釜再沸器12中的下降的CO2液体通入到减压阀13，然后将减压后的CO2液体通入成品储槽15进行存放，减压阀13通过控制阀体内的启闭件的开度来调节CO2液体的流量，从而将CO2液体的压力降低，从而降低管路的工作压力。
多级洗涤塔1的操作温度为20～30℃，多级洗涤塔1的洗涤塔级数为4～6级，多级洗涤塔1为串联，20～30℃是洗涤塔洗涤气体的最佳工作温度，且4～6级洗涤塔正好能够保证全部的SO2和NO2被碱液吸收。冷却器3的操作温度为10～20℃，压缩机4的操作压力为2.5～2.8Mpa。预冷器5的操作温度为5～10℃。在步骤e中，吸附器6和干燥器7串联连接，优选台数为2台。制冷系统10采用氨或氟利昂复叠制冷，液化器8最佳操作温度为-20～-25℃，较佳操作温度-10～-30℃，优选的操作温度为-15～-28℃。精馏塔9的最佳操作压力为2.0～2.3Mpa，塔顶冷凝器11的最佳操作温度为-25～-28℃，塔釜再沸器12的最佳操作温度为-15～-18℃。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明具有工艺简洁，一体化实现脱硫、脱硝、回收液体二氧化碳，可以省去FGD脱硫和SCR脱硝装置，设备投资省，变废为宝，运行成本低的优点，利用中空纤维膜接触器捕集回收电厂烟道气中的CO2气体，并将捕集的CO2气体通入到多级洗涤塔1中，通过与多级洗涤塔1内的碱液发生化学反应脱除SO2和NO2等酸性气体，然后进入冷却器3降温粗脱水之后到压缩机4中加压，然后在进入预冷器5中再次降温脱水后，气体进入吸附器6中，在吸附器6中吸附剂床层能够脱除微量的硫、油水杂等杂质，然后气体进入干燥器7中进行深度脱水，干燥后的气体进入液化器8中进行液化，液化后的液体进入精馏塔9内，在塔顶冷凝器11和塔釜再沸器12的作用下实现液体与气体等杂质的分离，通过塔顶放空阀14将排出，塔釜产出的高纯度液体经过减压阀13减压后，进入储槽15进行储存。
本发明提供了一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，利用现有膜法捕集CO2气体，并通过多级洗涤塔1对气体中的SO2和NO2进行脱除回收，充分利用液化精馏等步骤，把沸点高又难以除去的NO在精馏塔9内与O2、N2、等低沸点的杂质一并去除，无需外加设备，节能降耗，生产出高品质高纯度的CO2，本工艺具有工艺简洁，一体化实现脱硫、脱硝、回收液体二氧化碳，可以省去FGD脱硫和SCR脱硝装置，设备投资省，变废为宝，运行成本低，并且生产的二氧化碳纯度高，可达到99.99％，可作为食品添加剂。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，其特征在于，包括如下工艺：
a、捕集烟道废气
采用中空纤维膜接触器捕集吸收电厂烟道气中的CO2混合气体；
b、脱除SO2和NO2
将得到的CO2混合气体通入多级洗涤塔底部，所述多级洗涤塔的操作温度为20～30℃，所述多级洗涤塔的洗涤塔级数为4～6级，多级洗涤塔内设置有碱液，碱液由循环泵输送并循环利用，CO2混合气体通过碱液并经由多级洗涤塔的上方排至冷却器中，得到CO2气体；
在多级洗涤塔内发生的反应方程式为：
（1）SO2 + 2Na2CO3 + H2O = Na2SO3 + 2NaHCO3
（2）NaHCO3 + SO2 = NaHSO3 + CO2
（3）2NO2 + Na2CO3 = NaNO3 + NaNO2 + CO2
（4）NO + NO2 + Na2CO3 = 2NaNO2 + CO2；
c、初步脱水、压缩
多级洗涤塔内的CO2气体通入冷却器后，冷凝水直接从冷却器底部排出，所述冷却器的操作温度为10～20℃，冷却的CO2气体通入压缩机中，调节压缩机使压缩机升压至2.5～2.8MPa，CO2气体进入压缩机中；
d、二次脱水、降温
压缩后的CO2气体继续通入预冷器中，冷凝水从预冷器底部排出，降温后的 CO2气体进入吸附器中；
e、吸附、深度脱水
CO2气体进入吸附器中，吸附器内设置有吸附剂床层，CO2气体由上向下经过吸附剂床层，气体中的杂质被吸附在吸附剂上，吸附后的CO2气体进入干燥器内，穿过干燥器内部的固体干燥剂后进入到液化器中；
f、液化
CO2气体从干燥器中出来后进入液化器中，制冷系统提供液化器所需的制冷剂，制冷剂使液化器内温度下降达到CO2气体液化温度；
g、精馏
液化后的CO2液体从精馏塔中间进入，在塔顶冷凝器和塔釜再沸器的作用下，精馏塔的下塔段的蒸汽沿精馏塔上升，精馏塔的上塔段冷凝的液体沿精馏塔下降，汽液两相逆流接触，将气体杂质由塔顶放空阀排出精馏塔；
h、减压、储存 将塔釜再沸器中的CO2液体通入到减压阀，然后将减压后的液体通入成品储槽进行存放。
2.根据权利要求1所述的一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，其特征在于：在所述步骤d中，所述预冷器的操作温度为5～10℃。
3.根据权利要求1所述的一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，其特征在于：在所述步骤e中，所述吸附器和所述干燥器串联连接。
4.根据权利要求1所述的一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，其特征在于：在所述步骤f中，所述液化器的操作温度为-20～-25℃，所述制冷系统采用氨或氟利昂复叠制冷。
5.根据权利要求1所述的一种吸收与精馏组合的碳捕集气脱硝净化工艺，其特征在于：在所述步骤g中，精馏塔的操作压力为2.0～2.3Mpa，所述塔顶冷凝器的操作温度为-25～-28℃，所述塔釜再沸器的操作温度为-15～-18℃。
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