CN110272046A - 一种二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，包括第一分离器、干燥器以及过滤单元，所述第一分离器的出气口通过管路与所述过滤单元的进气端相连接，所述干燥器的进气口通过管路与所述过滤单元的出气端相连接，所述过滤单元包括换热器和膜组件，二者按照烟气通过的先后顺序依次地设置于所述过滤单元的进气端与出气端之间并通过管路相连接。与现有技术相比，该系统富集程度高，工艺简单，并且能耗低，占地小，操作简单，维护成本低，安全可靠，能够完美地解决火力发电厂的二氧化碳分离与捕集的问题。

Description

一种二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统

技术领域

本发明涉及环保技术领域，尤其涉及一种二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统。

背景技术

随着社会发展与人民生活水平的提高，人们对能源的需求量越来越大，2017年我国能源消费总量约为45亿吨标准煤，相比2007年增长了44％，与此同时，我国的二氧化碳排放总量也达到了惊人的92亿吨。由于大气中的二氧化碳吸收长波辐射，因而会造成温室效应，导致全球变暖，数据显示，1880到2012年间，全球海洋和陆地的平均表面温度升高了0.85℃，而全球变暖的最终结果就是冰川融化，海平面上升，危及人类的生存环境。为应对全球气候变化，中国启动了碳排放交易市场，承诺将在2030年达到碳排放峰值。

在我国目前的能源消费结构中，化石能源仍然占据主导地位，煤炭、石油、天然气的消费比重占能源消费总量的86％。而火力发电厂是化石能源消耗与碳排放大户，全球35％左右的二氧化碳排放来自电力及热能行业，以630MW燃煤机组为例，单位电能碳排放量约900g/(kWh)，年二氧化碳排放量可达490万吨，因此，火力发电厂具有二氧化碳排放量大，且排放集中的特点，也正是如此，将二氧化碳减排技术应用于火力发电厂的可操作空间较大，并且具有重要的意义。

采取某种方法将发电厂排放的二氧化碳进行捕集、压缩后输送并封存或利用的一种技术，称为碳捕集、利用与封存技术，这种技术可有效缓解温室效应，被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖可行的方法。发电厂烟气二氧化碳捕集技术可分为：富氧燃烧技术、燃烧前捕集技术、燃烧后捕集技术，其中，燃烧后捕集技术是指对燃料燃烧后产生烟气中的二氧化碳进行分离回收，该技术对现有发电厂系统改造较小，只须在现有烟气处理系统后增加二氧化碳捕集装置即可，因此是当前最具市场化潜力的捕集技术。

目前，燃烧后捕集技术中针对二氧化碳的主要分离方法有：物理吸附法(利用吸附剂材料吸附二氧化碳)、化学吸收法(利用碱性溶液吸收二氧化碳)、膜分离法(利用薄膜材料过滤二氧化碳)，所捕集到的二氧化碳，经压缩提纯后可广泛应用于食品加工、离岸驱油、化学产品生产等工业化利用领域。在上述分离方法当中，膜分离法具有能耗低，占地小，操作简单，维护便宜等优点，其原理在于：当含有不同气体的混合物通过高分子膜时，由于不同气体的扩散系数和溶解度不同，因而不同气体的渗透量有所差别，据此，二氧化碳可以从烟气中分离出来。

然而，对于火力发电厂而言，由于其产生的烟气量巨大，要求捕集的二氧化碳量也巨大，因此，现有技术工艺中利用膜分离法处理燃煤电厂烟气时仍旧存在富集程度低、工艺复杂的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，该系统富集程度高，工艺简单，并且能耗低，占地小，操作简单，维护成本低，安全可靠，能够完美地解决火力发电厂的二氧化碳分离与捕集的问题。

基于此，本发明提供了一种二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，包括第一分离器、干燥器以及过滤单元，所述第一分离器的出气口通过管路与所述过滤单元的进气端相连接，所述干燥器的进气口通过管路与所述过滤单元的出气端相连接，所述过滤单元包括换热器和膜组件，二者按照烟气通过的先后顺序依次地设置于所述过滤单元的进气端与出气端之间并通过管路相连接。

作为优选方案，所述过滤单元还包括鼓风机，所述鼓风机设于所述换热器之前，所述鼓风机的进气口即为所述过滤单元的进气端，所述鼓风机的出气口通过管路与所述换热器的进气口相连接。

作为优选方案，所述过滤单元还包括第二分离器，所述第二分离器设于所述换热器与所述膜组件之间，所述第二分离器的进气口通过管路与所述换热器的出气口相连接，所述第二分离器的出气口通过管路与所述膜组件的进气口相连接。

作为优选方案，所述过滤单元还包括真空泵，所述真空泵设于所述膜组件之后，所述真空泵的进气口通过管路与所述膜组件的渗透气体出口相连接，所述真空泵的出气口即为所述过滤单元的出气端。

作为优选方案，所述过滤单元设为两个或两个以上，各所述过滤单元按照烟气通过的先后顺序依次地设置于所述第一分离器与所述干燥器之间，所述第一分离器的出气口通过管路与最前的所述过滤单元的进气端相连接，所述干燥器的进气口通过管路与最后的所述过滤单元的出气端相连接，而对于任意相邻的两个所述过滤单元而言，在前的所述过滤单元的出气端通过管路与在后的所述过滤单元的进气端相连接。

作为优选方案，对于任意相邻的两个所述过滤单元而言，在后的所述过滤单元的膜组件的渗余气体出口通过管路与在前的所述过滤单元的膜组件的进气口相连接。

作为优选方案，还包括冷却系统，所述冷却系统包括蒸发器和第一冷却泵，所述换热器和所述干燥器并联后与所述蒸发器、所述第一冷却泵依次串联并形成第一冷却回路。

作为优选方案，所述冷却系统还包括压缩机、冷凝器以及膨胀阀，所述蒸发器、所述压缩机、所述冷凝器以及所述膨胀阀依次串联并形成第二冷却回路，所述第二冷却回路通过所述蒸发器冷却所述第一冷却回路。

作为优选方案，所述冷却系统还包括第二冷却泵和冷却塔，所述冷凝器、所述第二冷却泵以及所述冷却塔依次串联并形成第三冷却回路，所述第三冷却回路通过所述冷凝器冷却所述第二冷却回路。

作为优选方案，所述换热器所在的并联支管上设有第一调节阀，所述干燥器所在的并联支管上设有第二调节阀。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、通过将部分工序集中化和单元化，本发明提供的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统富集程度高，工艺简单，并且能耗低，占地小，操作简单，维护成本低，安全可靠，能够完美地解决火力发电厂的二氧化碳分离与捕集的问题；

2、设有干燥器，克服了传统膜法分离得到的二氧化碳纯度低、含有水蒸汽杂质等问题，据统计，采用该系统最终捕集得到的二氧化碳的纯度可达95％以上；

3、相比直接用自来水冷却，本发明提供的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统所用的冷却系统的水温更低，冷却效果好，并且所需的水流量更小，可节约大量的水资源；

4、设有DCS自动控制系统，可对压力，温度、液位等实行自控操作，可对超压、超温、超液位等状况实行自动报警与联锁停车。

附图说明

图1是本发明实施例的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的过滤单元的结构示意图；

图3是本发明实施例的冷却系统的结构示意图。

附图标记说明：

1、第一分离器；11、排渣口；2、干燥器；3、过滤单元；3a、第一过滤单元；3b、第二过滤单元；3c、第三过滤单元；31、换热器；32、膜组件；321、渗透气体出口；322、渗余气体出口；33、鼓风机；34、第二分离器；35、真空泵；4、冷却系统；41、蒸发器；42、第一冷却泵；43、压缩机；44、冷凝器；45、膨胀阀；46、第二冷却泵；47、冷却塔；48、第一调节阀；49、第二调节阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图2所示，本发明实施例提供一种二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，包括第一分离器1、干燥器2以及过滤单元3，第一分离器1的出气口通过管路与过滤单元3的进气端相连接，干燥器2的进气口通过管路与过滤单元3的出气端相连接；过滤单元3包括换热器31和膜组件32，二者按照烟气通过的先后顺序依次地设置于过滤单元3的进气端与出气端之间并通过管路相连接。基于此，烟气先经过第一分离器1，去除掉烟气中的颗粒物杂质；然后再经过过滤单元3的膜组件32，得到富含二氧化碳的渗透气体；最后经过干燥器2，去除掉二氧化碳气体中的水蒸汽杂质，得到高纯度的二氧化碳气体。需要指出的是，过滤单元3中的换热器31是用来冷却高温烟气的，防止其破坏膜组件32中的内封头和丝膜。

基于上述结构，一方面，通过将部分工序集中化和单元化，本发明提供的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统富集程度高，工艺简单，并且能耗低，占地小，操作简单，维护成本低，安全可靠，能够完美地解决火力发电厂的二氧化碳分离与捕集的问题；另一方面，通过设置干燥器2，本发明提供的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统克服了传统膜法分离得到的二氧化碳纯度低、含有水蒸汽杂质等问题，据统计，采用该系统最终捕集得到的二氧化碳的纯度可达95％以上。

进一步地，如图1至图2所示，为了提高分离捕集及冷却干燥系统对烟气中二氧化碳的过滤效果，过滤单元3还包括鼓风机33，鼓风机33设于换热器31之前，鼓风机33的进气口即为过滤单元3的进气端，也就是说，第一分离器1的出气口通过管路与鼓风机33的进气口相连接，鼓风机33的出气口通过管路与换热器31的进气口相连接，由此，鼓风机33可通过增加烟气的压力提高分离捕集及冷却干燥系统对烟气中二氧化碳的过滤效果。

进一步地，如图1至图2所示，为了进一步地分离掉烟气中的颗粒物杂质，过滤单元3还包括与第一分离器1结构相同的第二分离器34，第二分离器34设于换热器31与膜组件32之间，第二分离器34的进气口通过管路与换热器31的出气口相连接，第二分离器34的出气口通过管路与膜组件32的进气口相连接，也即，烟气在进入膜组件32之前又经过了一次颗粒物杂质的去除。

进一步地，如图1至图2所示，过滤单元3还包括真空泵35，真空泵35设于膜组件32之后，真空泵35的进气口通过管路与膜组件32的渗透气体出口321相连接，真空泵35的出气口即为过滤单元3的出气端，也就是说，干燥器2的进气口通过管路与真空泵35的出气口相连接。基于此，真空泵35可提供较高的负压，加快膜组件32内气体的渗透。

进一步地，如图1至图2所示，第一分离器1和第二分离器34均设有排渣口11，用于排出从烟气中分离出来的杂质。膜组件32还设有渗余气体出口322，用于排出不能通过膜组件32的富含氮气的渗余气体。

进一步地，如图1至图2所示，为了最大程度地提高得到的二氧化碳的纯度，过滤单元3一般设为两个或两个以上，各过滤单元3按照烟气通过的先后顺序依次地设置于第一分离器1与干燥器2之间，第一分离器1的出气口通过管路与最前的过滤单元3的进气端相连接，干燥器2的进气口通过管路与最后的过滤单元3的出气端相连接，而对于任意相邻的两个过滤单元3而言，在前的过滤单元3的出气端通过管路与在后的过滤单元3的进气端相连接，并且，在后的过滤单元3的膜组件32的渗余气体出口322通过管路与在前的过滤单元3的膜组件32的进气口相连接。基于上述结构，不仅烟气经过了多级的过滤，渗余气体也经过了多级的过滤，由此，烟气中的二氧化碳被最大程度地保留在了系统中，进而提高了最终捕集得到的二氧化碳的纯度。

优选的，如图1至图2所示，在本实施例中，过滤单元3设为三个，将三个过滤单元3分别记为第一过滤单元3a、第二过滤单元3b以及第三过滤单元3c，第一分离器1的出气口通过管路与第一过滤单元3a的鼓风机33的进气口相连接，第一过滤单元3a的真空泵35的出气口通过管路与第二过滤单元3b的鼓风机33的进气口相连接，第二过滤单元3b的真空泵35的出气口通过管路与第三过滤单元3c的鼓风机33的进气口相连接，第三过滤单元3c的真空泵35的出气口通过管路与干燥器2的进气口相连接。并且，第二过滤单元3b的膜组件32的渗余气体出口322与第一过滤单元3a的膜组件32的进气口相连接，第三过滤单元3c的膜组件32的渗余气体出口322与第二过滤单元3b的膜组件32的进气口相连接。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统还包括冷却系统4，冷却系统4包括蒸发器41、第一冷却泵42、压缩机43、冷凝器44、膨胀阀45、第二冷却泵46和冷却塔47。第一过滤单元3a的换热器31、第二过滤单元3b的换热器31、第三过滤单元3c的换热器31以及干燥器2并联后与蒸发器41、第一冷却泵42依次串联并形成第一冷却回路，并且，换热器31所在的并联支管上设有第一调节阀48，干燥器2所在的并联支管上设有第二调节阀49，第一调节阀48和第二调节阀49均用来控制流量；蒸发器41、压缩机43、冷凝器44以及膨胀阀45依次串联并形成第二冷却回路，第二冷却回路通过蒸发器41吸收热量，以冷却第一冷却回路；冷凝器44、第二冷却泵46以及冷却塔47依次串联并形成第三冷却回路，第三冷却回路经过循环，通过冷凝器44吸收第二冷却回路中的热量，再经冷却塔排出，以冷却第二冷却回路。基于上述结构，该冷却系统4的工作流程如下：

在第一冷却回路中，高温水经蒸发器41吸热变成低温水；然后被第一冷却泵42分别送至第一过滤单元3a的换热器31、第二过滤单元3b的换热器31、第三过滤单元3c的换热器31以及干燥器2，用于带走烟气的热量；经此过程，低温水又变为高温水，最后再次进入蒸发器41开始下一循环。

在第二冷却回路中，液态制冷剂在蒸发器41中蒸发，吸收第一冷却回路中高温水的热量并变为饱和气态；气态制冷剂经压缩机43压缩，形成高温高压的制冷剂蒸气，然后经冷凝器44释放热量，冷凝成饱和液态；液态制冷剂进入膨胀阀45，节流降温降压后再次进入蒸发器41蒸发，实现制冷循环。

在第三冷却回路中，低温水经过冷凝器44并吸收第二冷却回路中制冷剂蒸气冷凝成饱和液态时释放的热量，由此形成高温水；高温水被第二冷却泵46送至冷却塔47，在冷却塔47中与室外空气进行显热与潜热交换，向空气中散热，形成低温水；然后再次进入冷凝器44，实现冷却循环。

相比直接用自来水冷却，该冷却系统4的水温更低，冷却效果好，并且所需的水流量更小，可节约大量的水资源。

优选的，本发明实施例提供的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统还设有DCS自动控制系统，其通过设置于管路上的压力、温度、液位传感器，对分离捕集及冷却干燥系统的压力，温度、液位等实行自控操作，例如，第一冷却泵42、第二冷却泵46、压缩机43、第一调节阀48、第二调节阀49与温度传感器联动：当检测到分离捕集及冷却干燥系统温度过高时，增加压缩机43的功率，加大第一冷却泵42和第二冷却泵46的流量以及相应的调节阀的开度，增大制冷量，使分离捕集及冷却干燥系统的温度快速降下来；反之，当检测到分离捕集及冷却干燥系统温度过低时，减小压缩机43的功率，减小第一冷却泵42和第二冷却泵46的流量以及相应的调节阀的开度，降低制冷量，使分离捕集及冷却干燥系统的温度升高。除此之外，DCS自动控制系统还对超压、超温、超液位等状况实行自动报警与联锁停车，停车后，膜组件32可自动进入自我保护状态。

综上，本发明提供一种二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、通过将部分工序集中化和单元化，本发明提供的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统富集程度高，工艺简单，并且能耗低，占地小，操作简单，维护成本低，安全可靠，能够完美地解决火力发电厂的二氧化碳分离与捕集的问题；

2、设有干燥器2，克服了传统膜法分离得到的二氧化碳纯度低、含有水蒸汽杂质等问题，据统计，采用该系统最终捕集得到的二氧化碳的纯度可达95％以上；

3、相比直接用自来水冷却，本发明提供的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统所用的冷却系统4的水温更低，冷却效果好，并且所需的水流量更小，可节约大量的水资源；

4、设有DCS自动控制系统，可对压力，温度、液位等实行自控操作，可对超压、超温、超液位等状况实行自动报警与联锁停车。

应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，包括第一分离器、干燥器以及过滤单元，所述第一分离器的出气口通过管路与所述过滤单元的进气端相连接，所述干燥器的进气口通过管路与所述过滤单元的出气端相连接，所述过滤单元包括换热器和膜组件，二者按照烟气通过的先后顺序依次地设置于所述过滤单元的进气端与出气端之间并通过管路相连接。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，所述过滤单元还包括鼓风机，所述鼓风机设于所述换热器之前，所述鼓风机的进气口即为所述过滤单元的进气端，所述鼓风机的出气口通过管路与所述换热器的进气口相连接。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，所述过滤单元还包括第二分离器，所述第二分离器设于所述换热器与所述膜组件之间，所述第二分离器的进气口通过管路与所述换热器的出气口相连接，所述第二分离器的出气口通过管路与所述膜组件的进气口相连接。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，所述过滤单元还包括真空泵，所述真空泵设于所述膜组件之后，所述真空泵的进气口通过管路与所述膜组件的渗透气体出口相连接，所述真空泵的出气口即为所述过滤单元的出气端。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，所述过滤单元设为两个或两个以上，各所述过滤单元按照烟气通过的先后顺序依次地设置于所述第一分离器与所述干燥器之间，所述第一分离器的出气口通过管路与最前的所述过滤单元的进气端相连接，所述干燥器的进气口通过管路与最后的所述过滤单元的出气端相连接，而对于任意相邻的两个所述过滤单元而言，在前的所述过滤单元的出气端通过管路与在后的所述过滤单元的进气端相连接。

6.根据权利要求5所述的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，对于任意相邻的两个所述过滤单元而言，在后的所述过滤单元的膜组件的渗余气体出口通过管路与在前的所述过滤单元的膜组件的进气口相连接。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，还包括冷却系统，所述冷却系统包括蒸发器和第一冷却泵，所述换热器和所述干燥器并联后与所述蒸发器、所述第一冷却泵依次串联并形成第一冷却回路。

8.根据权利要求7所述的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，所述冷却系统还包括压缩机、冷凝器以及膨胀阀，所述蒸发器、所述压缩机、所述冷凝器以及所述膨胀阀依次串联并形成第二冷却回路，所述第二冷却回路通过所述蒸发器冷却所述第一冷却回路。

9.根据权利要求8所述的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，所述冷却系统还包括第二冷却泵和冷却塔，所述冷凝器、所述第二冷却泵以及所述冷却塔依次串联并形成第三冷却回路，所述第三冷却回路通过所述冷凝器冷却所述第二冷却回路。

10.根据权利要求9所述的二氧化碳分离捕集及冷却干燥系统，其特征在于，所述换热器所在的并联支管上设有第一调节阀，所述干燥器所在的并联支管上设有第二调节阀。