CN108452644A - 一种燃煤电厂二氧化碳膜捕集耦合氮气制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃煤电厂二氧化碳膜捕集耦合氮气制备工艺，所述工艺由二氧化碳膜捕集版块、氮气富集版块、氮气制备版块组成；通过二氧化碳膜捕集版块捕集烟道气中的二氧化碳，利用第一级膜组件的高压截留气作为氮气源；在氮气富集版块，通过膜组件将烟气中大部分的氧气和少量的二氧化碳组分与氮气分离，利用含有高浓度、高分压氮气的截留气在氮气制备版块通过变压吸附技术制备高纯度氮气，渗透气可为燃煤锅炉提供氧气源，渗透气中的二氧化碳组分有利于提升进入捕集系统的燃煤电厂烟道气的二氧化碳浓度，降低二氧化碳捕集所需能耗，同时提高工艺的经济效益。

Description

一种燃煤电厂二氧化碳膜捕集耦合氮气制备工艺
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集技术领域，尤其涉及一种燃煤电厂二氧化碳膜捕集耦合氮气制备工艺。
背景技术
化石燃料的大量燃烧导致空气中二氧化碳浓度增加迅速，目前大气中二氧化碳的浓度已经超过400ppm，加剧了温室效应程度促使北极、南极冰川的融化。《巴黎协定》确定了限制全球平均气温的上升远低于前工业化时代的2℃，并努力控制到1.5℃的气候目标。
燃烧煤炭、天然气和石油用来发电和取暖是世界上最大的与能源相关的单一碳排放源，其中燃煤发电排放的二氧化碳所占比例最大，约占总量的40%左右，对全球二氧化碳减排的贡献潜力最大。
目前应用于燃煤电厂的二氧化碳捕集技术中主要有溶剂吸收法、吸附法、膜分离法、低温深冷等技术，其中醇胺吸收法应用最广泛，但存在吸收剂再生耗能高，吸收剂的泄露或挥发造成环境污染等问题。膜分离法虽然占地面积小、能耗低、无相变、操作简便，但由于燃煤电厂烟道气的压强较小，实际运行中需要通过压缩机增加二氧化碳的分压，当捕集的二氧化碳纯度不低于95%时，随着捕集率的增加所需膜组件以及压缩机等设备投资成本和运行成本将随之增加，这是目前阻碍膜分离法工业应用的主要因素。
因此，研究一种燃煤电厂烟道气二氧化碳膜捕集技术捕集燃煤电厂烟道气中二氧化碳，降低碳排放的同时利用捕集系统内含有高压和高浓度氮气的截留气制备氮气，增加碳捕集系统的经济性，降低单独制备氮气时的能耗，提高工艺整体的能源利用效率，对全球燃煤电厂二氧化碳减排具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃煤电厂二氧化碳膜捕集耦合氮气制备工艺，
通过二氧化碳膜捕集版块捕集烟道气中的二氧化碳，利用第一级膜组件的高压截留气在氮气富集版块进一步加压；在氮气富集版块，通过膜组件分离作用使烟气中的氧气和少量的二氧化碳组分与氮气分离，得到含有更高纯度氮气的截留气并作为氮气源，提高工艺经济性，将渗透气作为燃煤电厂空气源提升烟道气中的二氧化碳组分浓度，降低工艺的二氧化碳捕集能耗。
本发明提供的技术方案如下：
一种燃煤电厂二氧化碳膜捕集耦合氮气制备工艺，步骤如下：
在二氧化碳膜捕集版块，燃煤电厂烟道气除杂净化完成后，通过加压、干燥后，进入2级膜分离环节，通过利用压缩机和真空泵的组合调控合适的压缩比降低捕集系统的能耗，在第2级膜组件的渗透气中得到纯度超过95%的二氧化碳气体，在第1级膜组件的截留气通入到氮气富集版块；在氮气富集版块来自于二氧化碳膜捕集版块中的烟气先经过加压然后经过空气分离膜，将烟气中氧气和二氧化碳组分与氮气分离，在渗透气中得到的体积分数略高于空气中氧气而且含有少量二氧化碳的气体，通过将该气体与燃煤锅炉所需空气混合，在实现二氧化碳膜捕集版块二氧化碳捕集率降低时，系统总体二氧化碳捕集率不低于90%，从而降低单位二氧化碳捕集能耗；在氮气制备版块利用氮气富集版块的截留气比空气中氮气组分浓度高的特点，通过变压吸附的技术制备高纯度氮气，整合了二氧化碳膜捕集版块和氮气富集版块膜组件进料气对压强的需求，增加了系统的能源利用效率，同时增加了工艺的经济效益。
附图说明
下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行更详细的说明：
图1为本发明燃煤电厂二氧化碳膜捕集耦合氮气制备工艺的一种实施结构示意图。
附图中标号说明：
1、燃煤电厂烟道气净化装置2、9、16、内制冷压缩机；3、10、14、换热器；4、气液分离器；5、制冷装置；6、气体混合器；7、11、17、膜组件；8、12、真空泵；13、多级压缩机；15、液体泵；18、氮气制备装置；19、液体分流器。
具体实施方式
为了更好的说明本发明现有的技术方案，下面将结合现有技术方案描述中所需附图进行详细说明。
参照图1，本发明的一种燃煤电厂二氧化碳膜捕集耦合氮气制备工艺包括：
二氧化碳膜捕集版块、氮气富集版块、氮气制备版块；二氧化碳膜捕集版块包括烟气净化与压缩环节、降温和干燥环节、膜分离环节、加压液化环节；在烟气净化与压缩环节，来自燃煤电厂的烟道气通过S1进入燃煤电厂烟道气净化装置1中，在燃煤电厂烟道气净化装置1中使烟气中的杂质满足氮气制备版块中氮气制备装置18对烟气中杂质的要求，烟道气经过除杂后通过S2进入内制冷压缩机2中，加压后烟气进入降温和干燥环节。
在降温和干燥环节，来自内置冷压缩机2中的高压烟气经过S3进入换热器3中，在换热器3中降温后通过S4进入气液分离器4中；在气液分离器4中，气体组分通过S5进入气体混合器6中与来自膜组件11中截留气混合均匀后进入膜分离环节；在气液分离器4中得到的冷凝水通过S6进入制冷装置5中，系统循环水通过S7按照一定比例与S6共同为换热器3提供低温能量；制冷装置5中制备的低温水通过S8为换热器3提供低温能量后通过S9进入液体分流器19中；为别通过S27、S28为换热器14和换热器10提供低温能量，在换热器14中升温后通过S29进入循环水系统，在换热器10中升温后通过S30进入循环水系统。
在膜分离环节，膜组件7的进料气侧与S10相连，截留气侧与S21相连，渗透气侧与S11相连；来自气体混合器6中的烟气通过S10进入膜组件7后，二氧化碳组分优先于其它气体组分进入渗透气侧，富集二氧化碳的渗透气通过S11与真空泵8相连；在真空泵8的抽吸下，提高了膜组件7对二氧化碳组分的分离效果，压强在真空泵8的出气口恢复大气压，然后通过S12进入内制冷压缩机9；经过加压到与S5中烟气压强相同后，经过S13进入换热器10中；在换热器10中降温后通过S14进入膜组件11中；在膜组件11，二氧化碳组分富集到渗透气中，通过S16进入真空泵12，截留气通过S15进入气体混合器6中；膜组件11的渗透气中二氧化碳组分浓度不低于95%，在真空泵抽吸作用下提升了膜组件11对二氧化碳的分离效果，渗透气在真空泵12的出气口恢复大气压强，然后通过S17进入加压液化环节。
在加压液化环节，来自真空泵12中的烟气同S17进入多级压缩机13中；多级压缩机13为内制冷配置，通过控制S27流量和多级压缩机13降温后的温度值以及通过液体泵15加压后升温效果，在S19可以得到液态二氧化碳，在S20得到超临界二氧化碳，经过换热器14降温后的液体通过S19进入液体泵15中，经过液体泵加压到所需值，通过S20进入下一环节商业用途。
氮气富集版块通过利用二氧化碳膜捕集版块膜组件7的截留气作为氮气源，将来自S21中的烟气通过内制冷压缩机16进一步加压，然后通过S22进入膜组件17中；膜组件17的进料气侧与S22相连，截留气与S23相连，渗透气与S24相连；在膜组件17中，利用空气分离膜拥有较大的氧气氮气分离系数，使进料气中大部分的氧气和二氧化碳渗透到渗透气侧；渗透气满足略高与空气中氧气组分浓度，膜组件7截留气中的二氧化碳在膜组件17的渗透气侧也得到富集，渗透气通过S24为燃煤锅炉提供氧源；截留气通过S23进入氮气制备版块。
氮气制备版块氮气制备装置18采用变压吸附技术，制备的高纯度氮气通过S25进入商业用途，废气从S26排放；利用截留气的高压高纯的特点，比直接利用空气制备高纯度氮气所需能量低，提升了系统能量利用效率。

Claims (3)

1.一种燃煤电厂二氧化碳膜捕集耦合氮气制备工艺，其特征在于：
由二氧化碳膜捕集版块、氮气富集版块、氮气制备版块组成；在二氧化碳膜捕集版块，燃煤电厂烟道气除杂净化完成后，通过加压、干燥后，进入2级膜分离环节，在第1级膜组件的截留气通入到氮气富集版块；在氮气富集版块来自于二氧化碳膜捕集版块中的烟气先经过加压然后经过空气分离膜，将烟气中氧气和二氧化碳组分与氮气分离，在渗透气中得到的体积分数略高于空气中氧气而且含有少量二氧化碳的气体，作为燃煤锅炉的氧气源，在实现二氧化碳膜捕集版块二氧化碳捕集率降低时，系统总体二氧化碳捕集率不低于90%，从而降低单位二氧化碳捕集能耗；在氮气制备版块，利用氮气富集版块膜组件的截留气比空气中氮气组分浓度高的特点，通过整合二氧化碳膜捕集版块和氮气富集版块膜组件进料气、变压吸附技术制备高纯度氮气都需要加压的需求，增加了系统的能源利用效率，同时增加了工艺的经济效益。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳膜捕集版块，其特征在于：
利用烟道气降温干燥得到的冷凝水作为制冷装置的水源之一，通过将系统循环水与冷凝水按照一定比例进料，制备的低温水先为干燥环节降温，然后为膜分离环节和加压液化环节降温，升温后进入循环水系统；通过为进料气降温提升了膜组件对二氧化碳与其它组分的分离系数，低温环节有利于降低得到液体二氧化碳所需的压强，降低二氧化碳压缩液化过程中的能耗。
3.根据权利要求1所述的氮气富集版块，其特征在于：
先对二氧化碳膜捕集版块截留气进一步加压，提高进料气压强提升氧气渗透效果，满足氮气制备版块变压吸附所需压强；通过将二氧化碳膜捕集版块截留气中大部分的氧气和二氧化碳与氮气分离达到富集氮气的目的，同时有利于降低氮气制备版块变压吸附环节气体组分分离的难度和成本；渗透气含有略高于空气中氧气浓度的氧气同时还有少量组分的二氧化碳，作为燃煤锅炉的氧气源后有利于提高二氧化碳膜捕集版块进料气中二氧化碳浓度，降低捕集能耗。
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