CN110115913A - 一种抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统及方法，属于烟气净化技术领域。通过在吸收塔内设置亲水填料组件，一方面能够增加吸收剂与烟气的接触面积，从而增加吸收剂与烟气的反应活性；另一方面，亲水填料组件能够提高烟气中二氧化碳与其它气体的分离效果，大幅减少吸收塔上段水分和吸收剂的损失。与传统的二氧化碳捕集系统相比，由于能够对吸收剂挥发起到显著的抑制作用，因此不需要在吸收塔内设置水洗段和泵等相关设备来回收随脱碳烟气排出的水分和吸收剂蒸汽，减少了设备的投资成本和运行成本，简化了系统构成。

Description

一种抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统及方法
技术领域
本发明属于烟气净化技术领域，具体涉及一种抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统及方法。
背景技术
因工业开发活动和大气中二氧化碳浓度持续上升导致的全球变暖已成为一种日渐增长的问题。大气中二氧化碳浓度上升的主要原因是能源行业使用诸如煤炭、石油和液化天然气等化石燃料。自十九世纪初工业化开始以来，大气中的酸性气体，如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、硫化氢(H2S)、硫化羰(COS)等的浓度已经上升，自二十世纪中叶起浓度上升迅速。因温室气体浓度上升导致的全球变暖现象加剧，有关排放和处理的法规变得越来越严。二氧化碳减排的一项著名技术是二氧化碳分离和回收技术，与各种二氧化碳分离技术相比，基于化学吸收方法的技术的可行性体现在既可处理大量气体，又可分离低浓度气体。因此，此类技术享有在大多数行业和发电厂应用的优势。为此，MW级的大规模二氧化碳捕集方法，包括加拿大的边界大坝，均采用基于化学吸收技术的方法流程分离获得高纯度二氧化碳。另外，一系列新型吸收剂的研究也正在进行中，以解决使用单乙醇胺二氧化碳吸收剂的当前工业流程存在的诸如高能量消耗、吸收剂老化和塔腐蚀等问题。多项研究的重点是二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)N-l甲基二乙醇胺(MDEA)、烷醇胺基吸收剂的位阻胺。位阻胺的优点包括吸收能力强、酸性气体选择性好、再生能量需求低，研究提供了对2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)和2-哌啶乙醇(PE)等的发现成果。
除对使用胺基吸收剂方法的研究，目前开展的研究包括使用氨溶液大幅度降低再生温度。另外，还进行了解决氨气泄漏造成的二次污染和盐沉淀问题的研究。虽然二氧化碳脱除效率和吸收剂量可视为使用此类湿吸收剂分离技术中最重要的设计因素，但是还有一些其他关键设计因素，包括吸收剂的挥发性。这是因为吸收剂损失随着挥发性升高而升高，因而需要补充吸收剂而造成运行成本上升。因此，装置设计过程中应考虑此类吸收剂的挥发特性。很多方法中会采用一些措施，例如在吸收塔内安装洗涤段以抑制吸收剂的挥发，但是这样一来又提高了设备的投资和运行维护成本。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统及方法，增加吸收剂与烟气的接触面积、减少吸收塔内水分和吸收剂的损失，降低投资和运行成本。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，包括吸收塔、富液管道、再生塔、贫液管道和贫富换热器；吸收塔上设有烟气进气管和脱碳烟气排出管；吸收塔底部通过富液管道与再生塔上的富液入口连通，富液管道上设有富液泵；再生塔底部的贫液出口通过贫液管道与吸收塔上的贫液入口连通，再生塔连通有再沸器，再生塔上设有二氧化碳排出管，贫液管道上设有贫液泵；富液管道与贫液管道通过贫富换热器进行热交换；吸收塔内部设有液体分布器和能够增加吸收塔内液态二氧化碳吸收剂与烟气的接触面积的亲水填料组件，亲水填料组件与吸收塔内壁固定，液体分布器设在亲水填料组件上方，液体分布器与贫液入口连接。
优选地，亲水填料组件包括填料床和装填在填料床上的填料，填料外表面为亲水聚合物层。
进一步优选地，填料采用不锈钢填料或聚合物填料。
进一步优选地，液态二氧化碳吸收剂为胺、氨基酸盐、无机盐溶液和氨溶液的一种或多种。
进一步优选地，亲水聚合物层为聚氨酯基聚合物层或聚甲基丙烯酸甲酯基聚合物层。
进一步优选地，亲水聚合物层的厚度为0.1～1mm。
进一步优选地，填料为规整填料或散装填料。
进一步优选地，吸收塔(2)内设有除沫器，除沫器能够去除填料床和液体分布器产生的雾沫。
本发明还公开了采用上述抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统进行二氧化碳捕集的方法，包括：烟气由烟气进气管进入吸收塔，通过亲水填料组件时，烟气中的二氧化碳被液态二氧化碳吸收剂吸附，脱碳后的烟气从脱碳烟气排出管排出吸收塔；吸附二氧化碳的液态二氧化碳吸收剂即富液，经富液管道被富液泵泵入再生塔，经再沸器加热，分离出二氧化碳，二氧化碳经二氧化碳排出管排出再生塔，脱除二氧化碳的液态二氧化碳吸收剂即贫液，经贫液管道被贫液泵泵入吸收塔，被液体分布器均匀分散，开始下一个吸收/再生循环，在循环过程中，富液管道与贫液管道通过贫富换热器进行热交换。
优选地，吸收塔内的运行温度为25～60℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，通过在吸收塔内设置亲水填料组件，一方面能够增加吸收剂与烟气的接触面积，从而增加吸收剂与烟气的反应活性；另一方面，亲水填料组件能够提高烟气中二氧化碳与其它气体的分离效果，大幅减少吸收塔上段水分和吸收剂的损失。与传统的二氧化碳捕集系统相比，由于能够对吸收剂挥发起到显著的抑制作用，因此不需要在吸收塔内设置水洗段和泵等相关设备来回收随脱碳烟气排出的水分和吸收剂蒸汽，减少了设备的投资成本和运行成本，简化了系统构成。
进一步地，亲水填料组件包括填料床和装填在填料床上的填料，便于更换填料，填料外表面涂覆亲水聚合物层，结构简单，能够批量生产。
更进一步地，填料的材质为不锈钢或聚合物，坚固、耐腐蚀、成本较低。
更进一步地，胺、氨基酸盐、无机盐溶液和氨溶液属于碱性材料，对酸性气体CO2的吸收效果好，且容易再生。
更进一步地，亲水聚合物层为聚氨酯基聚合物层或聚甲基丙烯酸甲酯基聚合物层，在胺、氨基酸盐、无机盐溶液和氨溶液中的稳定性好，不会溶解；而且在高温条件下的热耐久性好，使用寿命长。
更进一步地，亲水聚合物层的厚度为0.1～1mm，在保证坚固耐久、发挥亲水性能的前提下，节约了成本。
更进一步地，填料可以采用规整填料也可以采用散装填料，均能起到显著的效果，可以视实际情况进行选择。
更进一步地，吸收塔内设置除沫器，能够去除填料床和液体分布器产生的雾沫，减少雾沫夹带带来的液体损失。
本发明公开的采用上述抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统进行二氧化碳捕集的方法，利用亲水填料组件增加吸收剂与烟气的接触面积进而增加吸收反应的活性，同时由于亲水填料组件能够使吸收剂和吸收剂中的水分浸润在亲水填料组件上，减少水分和吸收剂的损失，减少了设备的投资成本和运行成本，且方法操作简单、二氧化碳的脱除效率高。
进一步地，吸收塔内的运行温度为25～60℃，能够保证吸收剂最大效率。
附图说明
图1为本发明的系统构成示意图。
图中：1-烟气进气管，2-吸收塔，3-富液管道，4-再生塔，5-再沸器，6-贫液管道，7-脱碳烟气排出管，8-二氧化碳排出管，9-富液泵，10-贫液泵，11-贫富换热器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
图1为本发明的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，包括吸收塔2、富液管道3、再生塔4、贫液管道6和贫富换热器11；
吸收塔2上设有烟气进气管1和脱碳烟气排出管7；吸收塔2底部通过富液管道3与再生塔4上的富液入口连通，富液管道3上设有富液泵9；再生塔4底部的贫液出口通过贫液管道6与吸收塔2上的贫液入口连通，再生塔4连通有再沸器5，再生塔4上设有二氧化碳排出管8，贫液管道6上设有贫液泵10；富液管道3与贫液管道6通过贫富换热器11进行热交换；
吸收塔2内部设有液体分布器和能够增加吸收塔2内液态二氧化碳吸收剂与烟气的接触面积的亲水填料组件，亲水填料组件可以采用以下组成方案：亲水填料组件包括填料床和装填在填料床上的填料，填料可以采用规整填料或散装填料，填料的材质可以为不锈钢或聚合物，填料外表面为亲水聚合物层，可以采用聚氨酯基聚合物层或聚甲基丙烯酸甲酯基聚合物层，亲水聚合物层的厚度优选0.1～1mm。亲水填料组件与吸收塔2内壁固定，液体分布器设在亲水填料组件上方，液体分布器与贫液入口连接。液态二氧化碳吸收剂可以采用胺、氨基酸盐、无机盐溶液和氨溶液的一种或多种组合使用。还可以在吸收塔2内设置除沫器，除沫器能够去除填料床和液体分布器产生的雾沫。
本发明的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统的工作方法，包括两级：
第一级：二氧化碳吸收
冷却后的烟气用气体鼓风机经烟气进气管1输送到吸收塔2下段，然后与塔顶贫液管道6流入的贫液发生反应，在亲水填料组件中，烟气中的二氧化碳被液态二氧化碳吸收剂吸收。填料表面涂覆了聚氨酯基或聚甲基丙烯酸甲酯基亲水聚合物，上述聚合物不溶于胺基二氧化碳吸收剂，并且在二氧化碳吸收工艺流程长期运行过程中不存在稳定性问题，因为该材料在高达100℃温度条件下具有热耐久性。亲水聚合物涂层采用覆膜机涂覆，出于装置坚固耐久和成本的综合考虑，聚合物膜涂层的厚度定为0.1～1毫米。穿过涂覆上述亲水聚合物填料脱除二氧化碳后的剩余气体继续穿过安装在吸收塔上段的除沫器，脱除填料床和液体分布器产生的雾沫后，经脱碳烟气排出管7排出吸收塔2。
聚氨酯的化学结构图如下：
聚甲基丙烯酸甲酯的化学结构图如下：
第二级：二氧化碳再生
吸收了二氧化碳的富液经富液管道3从吸收塔2底部排出，由富液泵9输入贫富换热器11，被高温贫液加热后，送至再生塔4上段。进入再生塔上段的富液沿再生塔向下流动过程中，被再生塔下段再沸器5加热，使二氧化碳得以脱除，吸收剂得到再生。
解析后的贫液经贫液管道6被贫液泵10送回吸收塔2继续吸收二氧化碳。在再生塔4上段，再生气经过冷凝分离出再生气中的水分和吸收剂，获得高纯度(>99％)二氧化碳经二氧化碳排出管8排出再生塔4。根据所用吸收剂的类型，再生塔的运行温度各有不同，范围一般介于80～140℃。
下面通过实施例和对比例对本发明的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统进行效果验证：
实施例1
烟气通过吸收塔下段的烟气进气管1以2.0m3/小时的流量注入吸收塔2，烟气中的二氧化碳体积浓度调节到14％，温度在流出燃烧室并穿过冷凝器后控制在40℃。单乙醇胺用作二氧化碳吸收剂，其重量比为30wt％，吸收剂循环量设置为100ml/min，出再生塔4穿过贫富换热器11进入吸收塔2上段的吸收剂温度设置为40℃，吸收塔2内部包括采用环形散装填料的两层填料床(分别为IMTP#25和Koch-glitsch)。填料床上填料表面涂覆一层亲水性聚氨酯基聚合物膜，膜厚保持在0.5mm，在上述操作条件下连续运行5小时。在连续运行过程中，测量气体从吸收塔2穿过除水器(安装在吸收塔外)时除水器内捕获的水量。
实施例2
除吸收塔2内填料表面涂覆的是一层厚度为0.5mm的亲水性聚甲基丙烯酸甲酯聚合物膜外，其余条件均与实施例1相同。
对比例1
除吸收塔2内填料表面涂覆一层厚度为0.5mm的疏水性聚苯乙烯聚合物膜外，其余条件均与实施例1相同。
对比例2
除吸收塔2内填料表面为没有涂覆聚合物薄膜涂层的不锈钢SUS-316材料外，其余条件均与实施例1相同。
实施例与对比例的实验条件和对吸收剂挥发的抑制效果的对比如表1：
表1实施例与对比例对吸收剂挥发的抑制效果对比
由表1可以看出，填料床上填料表面有亲水膜的实施例1和实施例2与对比例1和对比例2相比，吸收塔顶排出的脱碳烟气携带走的水量大幅度减少；同时，不同类型亲水膜对水蒸发的抑制性能仅存在轻微差异。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，其特征在于，包括吸收塔(2)、富液管道(3)、再生塔(4)、贫液管道(6)和贫富换热器(11)；
吸收塔(2)上设有烟气进气管(1)和脱碳烟气排出管(7)；吸收塔(2)底部通过富液管道(3)与再生塔(4)上的富液入口连通，富液管道(3)上设有富液泵(9)；再生塔(4)底部的贫液出口通过贫液管道(6)与吸收塔(2)上的贫液入口连通，再生塔(4)连通有再沸器(5)，再生塔(4)上设有二氧化碳排出管(8)，贫液管道(6)上设有贫液泵(10)；富液管道(3)与贫液管道(6)通过贫富换热器(11)进行热交换；
吸收塔(2)内部设有液体分布器和能够增加吸收塔(2)内液态二氧化碳吸收剂与烟气的接触面积的亲水填料组件，亲水填料组件与吸收塔(2)内壁固定，液体分布器设在亲水填料组件上方，液体分布器与贫液入口连接。
2.根据权利要求1所述的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，其特征在于，亲水填料组件包括填料床和装填在填料床上的填料，填料外表面为亲水聚合物层。
3.根据权利要求2所述的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，其特征在于，填料采用不锈钢填料或聚合物填料。
4.根据权利要求2所述的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，其特征在于，液态二氧化碳吸收剂为胺、氨基酸盐、无机盐溶液和氨溶液的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，其特征在于，亲水聚合物层为聚氨酯基聚合物层或聚甲基丙烯酸甲酯基聚合物层。
6.根据权利要求2所述的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，其特征在于，亲水聚合物层的厚度为0.1～1mm。
7.根据权利要求2所述的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，其特征在于，填料为规整填料或散装填料。
8.根据权利要求2所述的抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统，其特征在于，吸收塔(2)内设有除沫器，除沫器能够去除填料床和液体分布器产生的雾沫。
9.采用权利要求1～8任意一项所述抑制吸收剂挥发的二氧化碳捕集系统进行二氧化碳捕集的方法，其特征在于，包括：
烟气由烟气进气管(1)进入吸收塔(2)，通过亲水填料组件时，烟气中的二氧化碳被液态二氧化碳吸收剂吸附，脱碳后的烟气从脱碳烟气排出管(7)排出吸收塔(2)；吸附二氧化碳的液态二氧化碳吸收剂即富液，经富液管道(3)被富液泵(9)泵入再生塔(4)，经再沸器(5)加热，分离出二氧化碳，二氧化碳经二氧化碳排出管(8)排出再生塔(4)，脱除二氧化碳的液态二氧化碳吸收剂即贫液，经贫液管道(6)被贫液泵(10)泵入吸收塔(2)，被液体分布器均匀分散，开始下一个吸收/再生循环，在循环过程中，富液管道(3)与贫液管道(6)通过贫富换热器(11)进行热交换。
10.根据权利要求9所述的二氧化碳捕集方法，其特征在于，吸收塔(2)内的运行温度为25～60℃。
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