CN113413736A - 一种水泥窑尾烟低浓度co2提纯装置及提纯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置及提纯方法，压缩机将低浓度CO2原料气增压送入膜分离器中，CO2在膜的渗透气侧富集，N2、O2等杂质气体经过尾气放空；膜分离器渗透气侧富集的CO2通过第一阀门或第二阀门进入VSA真空吸附装置中，CO2作为吸附相被吸附塔所截留，非吸附气经过第五阀门或第六阀门排空；真空泵通过第三阀门或第四阀门将纯的CO2抽出；纯净CO2一部分被用于通过第一阀门或第二阀门吹扫VSA真空吸附塔内残留的非吸附气。通过本发明可以将低浓度CO2提纯到99.9％以上，收率≥60％较高。

Description

一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置及提纯方法
技术领域
本发明属于CO2提纯技术领域，尤其涉及一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置及提纯方法。
背景技术
CO2是温室气体之一，据了解水泥窑生产1吨孰料约排放二氧化碳0.86吨。据2018年统计，水泥生产所排放的CO2约占全球排放总量的7％，因此水泥行业二氧化碳减排任务异常艰巨。水泥工业可以通过采取各种不同的技术措施来降低CO2排放，例如富氧燃烧提高能量效率、使用替代燃料、替代原料等，然而这些技术革新所带来的减排效果有限。CO2捕获和储存(CCS)技术近年来被逐步应用于减少水泥工业CO2排放，被公认为是水泥工业深入全面碳减排的重大举措，被欧洲列为《2050欧洲低碳发展技术路线图》。我国也将CCS技术作为节能减排大力推举和扶持的措施之一。
二氧化碳回收和提纯分离是CCS技术的关键，而水泥窑排放烟气中成分复杂、CO2含量低(15～40％V/V)等导致CO2回收和提纯面临技术难度大、工艺复杂、成本较高等特点。目前有MEA化学吸收法、纯氧(O2+CO2，CO2为目标气体)燃烧法、冷却氨水法、膜分离法、分体式钙循环法和集成式钙循环法等多种CO2捕获和减排工艺流程，其中应用较广的CO2捕集技术是MEA吸收法，然而MEA吸收工艺设备投入较大、收率低，对于中小型生产线投资占比过重、收益不佳，尤其是碳交易指标越来越引起重视。如何降低设备投资、提高CO2收率、降低占地和运营成本等将成为水泥窑CO2捕获项目大范围推广所面临的关键问题。
现有技术中专利申请号为CN202022159488.6提供了一种CO2提纯精馏塔塔顶分离结构，包括精馏塔，精馏塔内设置有填料段和冷凝段，填料段和冷凝段之间设置有隔板；填料段下端的精馏塔的侧壁上设置有二氧化碳进气口；隔板与填料段之间的精馏塔通过一输送管道与精馏塔塔顶连通，所述冷凝段与隔板之间的精馏塔侧壁上设置有液态二氧化碳回流口，所述隔板与填料段之间的精馏塔的侧壁上设置有液态二氧化碳进口，所述的液态二氧化碳回流口与液态二氧化碳进口通过相应的管道连通。该实用新型通过在精馏塔内设置隔板，从而使得气体自上而下，通过改变气体流向，杜绝不凝废气排放带出不纯的产品二氧化碳，提高产能，降低生产运行成本；从而减少产品的损失，提高装置的的效率和降低其能耗比。但是该专利主要为精馏获得液态二氧化碳，较为复杂，投入较大，不适宜低浓度CO2的回收提纯及大面积推广使用。
发明内容
本发明提供一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置及提纯方法，可以将包括但不限于水泥窑尾烟所排放的低浓度CO2高效回收并提纯，不仅可以获得99.9％的高纯CO2，而且获得60％以上的收率。
一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置，包括压缩机，压缩机的一端和原料气进气管连接，另一端通过管路和膜分离器连接，膜分离器通过导流管路和VSA真空吸附装置连接，导流管路上设有阀门组件A，VSA真空吸附装置另一端设有排气管路，排气管路上设有阀门组件C，真空泵一端通过抽出管路和真空吸附装置连接，真空泵另一端和存储装置连接，抽出管路上设有阀门组件B，存储装置通过管路和阀门组件A连接。
原料气可以为干式水泥窑尾烟，成分如下：
二氧化碳 CO<sub>2</sub> 33.5％
氮气 N<sub>2</sub> 63.4％
氧气 O<sub>2</sub> 2.9％
一氧化碳 CO 0.2％
优选的是，所述阀门组件A至少包括第一阀门或第二阀门。
上述任一方案优选的是，所述阀门组件B至少包括第三阀门或第四阀门(V04)。
上述任一方案优选的是，所述压缩机出口压力≥0.2MPa。
上述任一方案优选的是，所述膜分离器渗透气通过导流管路进入VSA真空吸附装置，所述膜分离器尾气端安装有调节阀门，尾气经调压后直接排空。
上述任一方案优选的是，所述VSA真空吸附装置包括至少两个并列设置的真空吸附塔。
上述任一方案优选的是，所述阀门组件C包括第五阀门或第六阀门。
上述任一方案优选的是，所述导流管路的一端设有导流分管，导流分管分别和真空吸附装置连接，抽出管路的一端设有抽出分管，真空泵一端通过抽出分管和导流分管连通，第三阀门或第四阀门分别设置在抽出分管上。
一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置的提纯方法，包括以下步骤：
步骤(1)、压缩机将低浓度CO2原料气增压送入膜分离器中，CO2在膜分离器的渗透气侧富集，杂质气体经过膜分离器尾气端调压后直接排空；
步骤(2)、膜分离器渗透气侧富集的CO2通过导流管路和阀门组件A进入VSA真空吸附装置中，CO2作为吸附相被吸附塔所截留，非吸附气经过阀门组件C排空；
步骤(3)、真空泵通过阀门组件B将纯净CO2抽出，纯净CO2一部分被用于通过阀门组件A吹扫VSA真空吸附塔内残留的非吸附气。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中膜分离器尾气端安装有调节阀门，尾气经调节阀门调压后直接排空。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中压缩机出口压力要求≥0.2MPa。
上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中阀门组件A至少包括第一阀门或第二阀门。
上述任一方案优选的是，所述步骤(3)中阀门组件B至少包括第三阀门或第四阀门。
上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中VSA真空吸附装置包括至少两个并列设置的真空吸附塔。
上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中阀门组件C包括第五阀门或第六阀门。
上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中导流管路的一端设有导流分管，导流分管分别和真空吸附装置连接，抽出管路的一端设有抽出分管，真空泵一端通过抽出分管和导流分管连通，第三阀门或第四阀门分别设置在抽出分管上。
有益效果
(1)本发明公开一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置，压缩机将低浓度CO2原料气(其余为空气)增压送入膜分离器中，CO2在膜的渗透气侧富集，N2、O2等杂质气体经过尾气放空；膜分离器渗透气侧富集的CO2通过第一阀门或第二阀门进入VSA真空吸附装置中，CO2作为吸附相被吸附塔所截留，非吸附气经过第五阀门或第六阀门排空；真空泵通过第三阀门或第四阀门将纯的CO2抽出；纯净CO2一部分被用于通过第一阀门或第二阀门吹扫VSA真空吸附塔内残留的非吸附气。通过本发明可以将低浓度CO2提纯到99.9％以上，收率≥60％较高。
(2)本发明中压缩机兼顾膜分离器和VSA真空吸附装置的动力源，能耗较低。
附图说明
图1为一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置的结构示意图。
图中：M01、压缩机；M02、真空泵；C01、膜分离器；C02、VSA真空吸附装置；V01、第一阀门；V02、第二阀门；V03、第三阀门；V04、第四阀门；V05、第五阀门；V06、第六阀门；V07、调节阀门；g01、导流管路；g02、导流分管；g03、抽出管路；g04、抽出分管，g05、回流管路；g06、回流分管；g07、排出管路；g08排出分管；7、存储装置。
具体实施方式
为了更好理解本发明的技术方案和优点，以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明做进一步说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置，包括压缩机M01，压缩机M01的一端和原料气进气管连接，另一端通过管路和膜分离器C01连接，压缩机M01出口压力≥0.2MPa。
膜分离器C01通过导流管路和VSA真空吸附装置C02连接，导流管路上设有阀门组件A，阀门组件A包括第一阀门V01或第二阀门V02。
VSA真空吸附装置C02另一端设有排气管路，排气管路上设有阀门组件C，真空泵M02一端通过抽出管路和真空吸附装置C02连接，阀门组件C包括第五阀门V05或第六阀门V06。真空泵M02另一端和存储装置连接，抽出管路上设有阀门组件B，阀门组件B包括第三阀门V03或第四阀门V04。
本实施例进一步优化的技术方案是，存储装置通过回流管路g05和阀门组件A连接。具体的，回流管路g05一端和回流分管g06连通。
本实施例进一步优化的技术方案是，膜分离器C01渗透气通过导流管路进入VSA真空吸附装置C02，所述膜分离器C01尾气端安装有调节阀门，尾气经调压后直接排空。
本实施例进一步优化的技术方案是，VSA真空吸附装置C02包括两个并列设置的真空吸附塔。VSA真空吸附装置(C02)结合V01～V06完成流程控制，双塔按照顺序完成吸附和再生。
本实施例进一步优化的技术方案是，导流管路g01的一端设有导流分管g02，导流分管g02分别和真空吸附装置C02连接，抽出管路g03的一端设有抽出分管g04，真空泵M02一端通过抽出分管g04和导流分管g02连通，第三阀门V03或第四阀门V04分别设置在抽出分管g04上。
实施例2
一种采用实施例1的水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置的提纯方法，包括以下步骤：
步骤(1)、压缩机M01将低浓度CO2原料气增压至0.2MPa送入膜分离器C01中，CO2在膜分离器C01的渗透气侧富集，杂质气体经过膜分离器C01尾气端调压到0.1MPa后直接排空；
压缩机M01出口压力要求≥0.2MPa。
膜分离器C01为基于聚酰胺等材料所制的中空纤维膜。
低浓度CO2原料气为干式水泥窑尾烟，具体成分如下：
二氧化碳 CO<sub>2</sub> 33.5％
氮气 N<sub>2</sub> 63.4％
氧气 O<sub>2</sub> 2.9％
一氧化碳 CO 0.2％
膜分离器C01尾气端安装有调节阀门V07，尾气经调节阀门调压后直接排空。
步骤(2)、膜分离器C01渗透气侧富集的CO2通过导流管路和阀门组件A进入VSA真空吸附装置C02中，VSA真空吸附装置C02设置吸附压力为0.15MPa，脱附压力为0.01MPa，阀门组件A包括第一阀门V01或第二阀门V02。
VSA真空吸附装置C02包括两个并列设置的真空吸附塔。CO2作为吸附相被吸附塔所截留，非吸附气经过排出分管g08排空，具体的，和两个真空吸附塔连接的排出分管g08上分别设有第五阀门V05或第六阀门V06(阀门组件C),两侧的排出分管g08进一步和排出管路g07连通，非吸附气最终经排出管路g07排出。
导流管路g01的一端设有导流分管g02，导流分管g02分别和真空吸附装置(C02)连接，
步骤(3)、真空泵M02通过阀门组件B以及抽出管路g03将纯净CO2抽出，真空泵M02真空度/脱附压力设置为0.01MPa。
阀门组件B包括第三阀门V03和第四阀门V04。纯净CO2一部分被用于通过阀门组件A吹扫VSA真空吸附塔内残留的非吸附气。抽出管路g03的一端设有抽出分管g04，真空泵M02一端通过抽出分管g04和导流分管g02连通，第三阀门V03或第四阀门V04分别设置在抽出分管上g04。
本发明的低浓度CO2提纯装置能够将33％的低浓度CO2提纯到99.9％的纯度，CO2收率达到60％以上。
实施例3
一种采用实施例1的低浓度CO2提纯装置的提纯方法，操作方法和实施例2相似，不同的是，CO2浓度为15.0％。
对比例1：采用现有技术常用的膜分离方法，如膜分离仅采用膜分离器C01进行提纯，对浓度为33.0％的水泥窑尾烟低浓度CO2进行提纯，各个实施例检测结果如下表1所示：
表1
组别 原料气体CO<sub>2</sub>含量 CO<sub>2</sub>纯度 收率
实施例2 33.0％ ≥99.9％ ≥60.0％
实施例3 15.0％ ≥99.9％ ≥60.0％
对比例1 33.0％ ≤95.0％ ≥70.0％
本发明的低浓度CO2提纯装置能够将15％以上的低浓度CO2提纯到99.9％纯度，CO2收率达到60％以上。
需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置，其特征在于：包括压缩机(M01)，压缩机(M01)的一端和原料气进气管连接，另一端通过管路和膜分离器(C01)连接，膜分离器(C01)通过导流管路和VSA真空吸附装置(C02)连接，导流管路上设有阀门组件A，VSA真空吸附装置(C02)另一端设有排气管路，排气管路上设有阀门组件C，真空泵(M02)一端通过抽出管路和真空吸附装置(C02)连接，真空泵(M02)另一端和存储装置连接，抽出管路上设有阀门组件B，存储装置通过管路和阀门组件A连接。
2.如权利要求1所述的水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置，其特征在于：所述膜分离器(C01)渗透气通过导流管路进入VSA真空吸附装置(C02)，所述膜分离器(C01)尾气端安装有调节阀门，尾气经调压后直接排空。
3.如权利要求2所述的水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置，其特征在于：所述VSA真空吸附装置(C02)包括至少两个并列设置的真空吸附塔。
4.如权利要求1所述的水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置，其特征在于：所述导流管路的一端设有导流分管，导流分管分别和真空吸附装置(C02)连接，抽出管路的一端设有抽出分管，真空泵(M02)一端通过抽出分管和导流分管连通，第三阀门(V03)或第四阀门(V04)分别设置在抽出分管上。
5.一种水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置的提纯方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)、压缩机(M01)将低浓度CO2原料气增压送入膜分离器(C01)中，CO2在膜分离器(C01)的渗透气侧富集，杂质气体经过膜分离器(C01)尾气端调压后直接排空；
步骤(2)、膜分离器(C01)渗透气侧富集的CO2通过导流管路和阀门组件A进入VSA真空吸附装置(C02)中，CO2作为吸附相被吸附塔所截留，非吸附气经过阀门组件C排空；
步骤(3)、真空泵(M02)通过阀门组件B将纯净CO2抽出，纯净CO2一部分被用于通过阀门组件A吹扫VSA真空吸附塔内残留的非吸附气。
6.如权利要求5所述的水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置的提纯方法，其特征在于：所述步骤(1)中膜分离器(C01)尾气端安装有调节阀门，尾气经调节阀门调压后直接排空。
7.如权利要求5所述的水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置的提纯方法，其特征在于：所述步骤(1)中压缩机(M01)出口压力要求≥0.2MPa。
8.如权利要求5所述的水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置的提纯方法，其特征在于：所述步骤(2)中VSA真空吸附装置(C02)包括至少两个并列设置的真空吸附塔。
9.如权利要求5所述的水泥窑尾烟低浓度CO2提纯装置的提纯方法，其特征在于：所述步骤(2)中导流管路的一端设有导流分管，导流分管分别和真空吸附装置(C02)连接，抽出管路的一端设有抽出分管，真空泵(M02)一端通过抽出分管和导流分管连通，第三阀门(V03)或第四阀门(V04)分别设置在抽出分管上。
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