CN113731134B

CN113731134B - 一种船载二氧化碳捕集与封存装置及方法

Info

Publication number: CN113731134B
Application number: CN202111153727.XA
Authority: CN
Inventors: 唐晓佳; 朱益民; 田悦; 樊铭鹏; 闯恒超
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2041-09-29
Also published as: CN113731134A

Abstract

本发明公开了一种船载二氧化碳捕集与封存的装置及方法，用于解决船舶运输中的温室气体排放问题，包括船端系统和岸端系统，其中船端系统包括：脱碳塔、循环池、固液分离器、喷雾干燥器、储罐；岸端系统包括：煅烧炉、压缩机、水化反应器。船舶废气进入脱碳塔，被氨基酸盐和氢氧化镁组成的混合吸收液捕集，吸收液经固液分离得到氨基酸盐溶液回用至循环池中，分离得到的产物为碳酸镁固体，经喷雾干燥后储存在储罐中，待船舶靠岸时转移至岸端系统的煅烧炉分解为氧化镁和高浓度CO₂，氧化镁通过水化制得氢氧化镁浆料回用至船上。本发明利用氨基酸盐与氢氧化镁的混合吸收液，通过船岸的有效结合，实现了船舶碳减排的国际战略目标。

Description

一种船载二氧化碳捕集与封存装置及方法

技术领域

本发明涉及船舶废气治理技术领域，尤其涉及到船载二氧化碳捕集与封存装置及方法。

背景技术

全球贸易的90％是通过海运完成的，船舶航运带来的环境问题也受到国际社会的高度关注。自2016年《巴黎协定》生效以来，航运业脱碳呼声不断增强。2020年8月4日，国际海事组织(IMO)第四次温室气体研究(GHG4)报告显示，2018年航运业碳排放量占全球排放总量中的2.89％。若保持目前的增长态势，预测全球船舶碳排放量在2050年将增长90％～130％，减少温室气体排放已成为国际航运的紧迫问题。为此，IMO在MEPC 72决议中制定了航运业温室气体减排的初步战略。

二氧化碳捕集与封存技术(CCS)作为一种高效的温室气体减排手段在陆源碳减排领域发挥着重要作用，但受限于船舶的特殊应用环境，船载CCS技术的研究尚处于起步阶段。英国、瑞典、芬兰、挪威、日本等传统船配强国近几年竞相提出了各自的船载CCS技术方案，技术路线大多以陆基成熟的醇胺法(以单乙醇胺MEA为代表)为技术蓝本：如挪威船级社的欧洲之星(Eurostar)项目、日本三菱公司的CC-Ocean项目、挪威科技工业研究院的CCShip项目，荷兰应用科学研究组织的DecrisCO2项目等，芬兰瓦锡兰公司和瑞典阿法拉伐公司也表示通过改造其船舶废气洗涤脱硫塔，更换醇胺溶剂可用于脱碳处理，并已通过实船验证。醇胺法碳捕集方案具有技术成熟、捕集效率高的优势，但吸收液需要加热再生，能耗极高，同时存在装置体积庞大、腐蚀严重、吸收液易挥发和降解等问题，严重制约了其船舶应用。另外部分研发机构尝试了采用低温冷冻法用于船舶废气的碳捕集：如英国的PMW公司的A3C项目，日本邮船主导的decarbonICE项目。但传统的低温冷冻法主要用于CO₂浓度较高(大于90％)的工况，而船舶废气中CO₂浓度普遍低于6％，且存在其他可凝性气体，如水蒸气，在低温冷却废气过程中其他可凝性气体导致的管道堵塞是限制该技术的主要瓶颈。我国在船载CCS方面的研究较晚，仅在近几年公开了几个相关专利，如CN201410621722.9公开了以乙醇胺捕集回收利用船舶废气中CO₂的技术方案，CN201910217968.2公开的以氢氧化钠吸收废气中的CO₂，采用氢氧化钙再生氢氧化钠。CN201710589328.5公开了以氢氧化钠吸收CO₂，采用电解的方式再生吸收液并收集析出的高浓度CO₂。CN202010712441.X公开了一种以PTFE高压膜分离配合GLY-PZ吸收捕集船舶废气中CO₂的技术方案。CN201710281609.4公开了一种利用膜分离器捕集脱硫后船舶废气中CO₂的方法。所提出的技术方案要么与国外研究相似，要么是基于尚未成熟的膜分离法系统。航运业碳减排形势紧迫，2020年至2030年是形成可用技术的关键窗口期，急需发展和成熟一种高效可用船载CCS技术方案，为我国应对IMO战略实施和履行碳排放国际承诺提供技术支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效可行的用于船舶废气中CO₂的捕集与封存的装置及方法，旨在解决船舶运输过程中产生的温室气体排放问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种船载二氧化碳捕集与封存装置，包括船端系统和岸端系统；

所述船端系统包括：脱碳塔、循环池、固液分离器、喷雾干燥器、储罐I、储罐II和储罐III；

其中，所述脱碳塔自下部的进气口至顶部的排气口之间依次设置有喷淋吸收区和除雾器；

所述脱碳塔底部的吸收液出口与循环池相连，所述循环池的出口经循环泵后分两路相连：第一路与喷淋吸收区的进口相连，第二路通过调节阀与固液分离器的进口相连；

所述固液分离器的固相出口与喷雾干燥器的进料口相连，所述喷雾干燥器的出料口与储罐III相连；

所述储罐I、储罐II与循环池相连；

所述岸端系统包括：煅烧炉、压缩机、储罐IV和水化反应器；

所述煅烧炉的排气口依次与压缩机、储罐IV相连；

所述煅烧炉的出口与水化反应器进口相连；

船舶靠岸后，所述煅烧炉与储罐III相连；

所述水化反应器的出口与储罐II相连。

上述技术方案中，进一步地，所述装置还包括与脱碳塔的进气口相连的废气冷却系统，所述废气冷却系统包括喷淋冷却管、冷却喷淋泵；船用内燃机排气管经喷淋冷却管与脱碳塔的进气口相连，所述喷淋冷却管的底部设置有冷却液排放口，所述喷淋冷却管与冷却喷淋泵相连。

上述技术方案中，进一步地，所述装置还包括气-气式换热器，所述气-气式换热器与喷雾干燥器的进气口相连，气-气式换热器的热源来自脱船用内燃机排气管，利用船舶废气余热为干燥喷雾器提供热源。

上述技术方案中，进一步地，所述除雾器上设置有除雾器清洗喷嘴，所述除雾器清洗喷嘴与固液分离器的液相出口相连。

本发明还提供了一种船载二氧化碳捕集与封存方法，所述方法包括：

(1)经脱硫、脱硝、除尘后的船舶废气经船用内燃机排气管由脱碳塔的进气口进入，与氨基酸盐和氢氧化镁组成的喷淋吸收液接触反应脱除二氧化碳，随后经除雾器去除夹带液滴由脱碳塔顶部排气口排入大气；

(2)吸收二氧化碳后的喷淋吸收液经脱碳塔底部的吸收液出口进入循环池，经循环泵提升后分成两路，其中一路进入脱碳塔的喷淋吸收层后再次进入循环池，以实现循环喷淋，另一路进入固液分离器进行分离，分离得到的清液为氨基酸盐溶液，回用至除雾器清洗喷嘴，用于冲洗除雾器和维持塔内液位平衡，分离得到的碳酸镁进入喷雾干燥器，经干燥后储存在储罐III中；由储罐Ⅰ和储罐Ⅱ分别定期向循环池中补充少量的氨基酸盐和氢氧化镁浆料；

(3)船舶靠港时，将储罐III中的碳酸镁转移至岸端系统，进入煅烧炉，经煅烧后分解为氧化镁和高纯CO₂，得到的氧化镁经水化反应器制得氢氧化镁浆料，储存在储罐Ⅱ中，作为喷淋吸收液循环使用。

塔内同时发生CO₂吸收、氢氧化镁溶解、CO₂固化封存和氨基酸盐再生的反应，如下所示：

(1)CO₂吸收：

2H₂NRCOO^-+CO₂→^-OOCRNHCOO^-+⁺H₃NRCOO^-

^-OOCRNHCOO^-+H₂O→H₂NRCOO^-+HCO₃ ^-

HCO₃ ^-→H⁺+CO₃ ^2-

(2)氢氧化镁溶解：

Mg(OH)₂→Mg²⁺+2OH^-

(3)CO₂固化封存：

CO₃ ^2-+Mg²⁺→MgCO₃

(4)氨基酸盐再生：

⁺H₃NRCOO^-+OH^-→H₂NRCOO^-+H₂O

上述技术方案中，进一步地，所述步骤(1)中经脱硫、脱硝、除尘后的船舶废气进入废气冷却系统中进行冷却，冷却液为海水，由冷却液喷淋泵2.2泵送至喷淋冷却管对高温废气进行冷却，之后海水经冷却液排放口直接排海。

上述技术方案中，进一步地，所述步骤(3)中将得到的高纯CO₂冷却、压缩、液化储存在储罐IV中。

上述技术方案中，进一步地，所述喷淋吸收液中氢氧化镁固含量为5～15wt％，氨基酸盐浓度为0.5～1mol/L。

上述技术方案中，进一步地，所述氨基酸盐为甘氨酸、精氨酸、丙氨酸、脯氨酸、肌氨酸、赖氨酸的钾盐、钠盐或锂盐的一种或多种。

上述技术方案中，进一步地，煅烧炉的能源来自风电、光电或生物质燃料，同时利用氧化镁水化的反应热为煅烧炉提供热源。

本发明以氢氧化镁和氨基酸盐为混合吸收液，氨基酸盐具有醇胺法同等的CO₂捕集效率，其吸收CO₂形成的中间体与氢氧化镁反应原位再生氨基酸盐，实现氨基酸盐循环。CO₂以碳酸镁的形式安全储存，待船舶靠港后碳酸镁转移至岸上经煅烧分解为氧化镁和高纯CO₂(可直接压缩利用)，实现镁循环。

本发明技术方案具有以下有益效果：

1、本发明整个系统分为船端系统和岸端系统，船舶废气中的CO₂通过捕集，以碳酸镁的形式安全储存，待船舶靠港后碳酸镁转移至岸端经煅烧分解为氧化镁和高纯CO₂实现镁循环和船舶废气的资源化利用；

2、本发明以氢氧化镁和氨基酸盐为混合吸收液，吸收CO₂形成的中间体与氢氧化镁反应原位再生氨基酸盐，实现氨基酸盐循环利用，并且这种以化学再生法代替传统的热再生方法，能耗极大降低；

3、氨基酸盐是一种新型绿色二氧化碳吸收剂，具有离子性，克服了醇胺法的腐蚀、挥发、降解等问题，同时避免了醇胺法系统的腐蚀、挥发、降解等难题；以氨基酸盐吸收CO₂，加快了CO₂在水中的溶解，克服了氢氧化镁碱液吸收CO₂效率低的问题；氢氧化镁是已知可用于矿化封存CO₂的矿物中单位质量储存CO₂容量最大的物质，可达76w/w％(氢氧化钙储存效率为59w/w％))；氢氧化镁作为船舶常备的脱硫剂，用于船舶废气脱碳处理具备优势应用条件；

4、碳酸镁分解吸热为117.8kJ/mol，氧化镁水化放热为81.2kJ/mol，将煅烧炉设置在停靠岸上，使煅烧所需额外能源可采用船舶上难以直接使用，而在陆上又可方便获取的风电、光电等零碳能源。

5、这种船端捕集安全封存-岸端利用可再生能源分解的组合方式相当于以本发明技术为桥梁，间接完成了可再生能源在船舶的应用。

附图说明

图1为本发明一种船载二氧化碳捕集与封存装置结构示意图；

其中：1、船用内燃机排气管；2、脱碳塔，2.1、喷淋冷却管，2.2、冷却喷淋泵，2.3、冷却液排放口，2.4、喷淋吸收区，2.5、除雾器，2.6、除雾器清洗喷嘴；3、循环池；4、循环泵；5、固液分离器；6、喷雾干燥器，6.1、气-气式换热器；7、储罐I；8、储罐II；9、储罐III；10、煅烧炉；11、压缩机；12、储罐IV；13、水化反应器；14、调节阀。

具体实施方式

以下实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

一种船载二氧化碳捕集与封存装置，如图1所示，包括设置在船体内的船端系统和设置在码头停靠岸内的岸端系统；

其中船端系统包括：脱碳塔2、循环池3、循环泵4、固液分离器5、喷雾干燥器6、储罐I7、储罐II8、储罐III9，岸端系统包括：煅烧炉10、压缩机11、储罐IV12、水化反应器13；

脱碳塔2自下部的进气口至顶部的排气口之间依次设置有喷淋吸收区2.4和除雾器2.5；

脱碳塔2底部的吸收液出口与循环池3相连，循环池3的出口经循环泵4后分两路相连：第一路与固液分离器5的进口相连，第二路通过调节阀14与喷淋吸收区2.4的进口相连；

固液分离器5的固相出口与喷雾干燥器6的进料口相连，喷雾干燥器6的出料口与储罐III9相连；

储罐I7、储罐II8与循环池3相连；

煅烧炉10的排气口依次与压缩机11、储罐IV12相连；

煅烧炉10的出口与水化反应器13进口相连；

船舶靠岸后，煅烧炉10与储罐III9相连；

所述水化反应器13的出口与储罐II8相连。

储罐Ⅰ为氨基酸盐溶液储罐，储罐Ⅱ为氢氧化镁浆料储罐，储罐Ⅲ为碳酸镁储罐，储罐Ⅳ为液态CO₂储罐。

本发明的一种实施方式中，还包括与脱碳塔2的进气口相连的废气冷却系统，废气冷却系统包括喷淋冷却管2.1、冷却喷淋泵2.2；船用内燃机排气管1经喷淋冷却管2.1与脱碳塔的进气口相连，喷淋冷却管2.1的底部设置有冷却液排放口2.3，喷淋冷却管2.1与冷却喷淋泵2.2与相连。

本发明的一种实施方式中，还包括气-气式换热器6.1，气-气式换热器6.1与喷雾干燥器6的进气口相连，气-气式换热器6.1的热源来自脱船用内燃机排气管1，从而利用船舶废气余热为干燥喷雾器提供热源，节约能源。

本发明的一种实施方式中，除雾器2.5上设置有除雾器清洗喷嘴2.6，除雾器清洗喷嘴2.6与固液分离器5的液相出口相连。

利用上述装置进行船载二氧化碳捕集与封存的方法，包括以下步骤：

(1)经脱硫、脱硝、除尘后的船舶废气经船用内燃机排气管1进入喷淋冷却管2.1，冷却液为海水，由冷却液喷淋泵2.2泵送至喷淋冷却管2.1对高温废气进行冷却，之后海水经冷却液排放口2.3直接排海，船舶废气由脱碳塔下部的进气口进入，氨基酸盐和氢氧化镁分别由储罐Ⅰ7和储罐Ⅱ8进入循环池3中，氨基酸盐和氢氧化镁组成的喷淋吸收液通过循环泵4进入喷淋吸收区2.4，接触反应脱除二氧化碳，随后经除雾器2.5去除夹带液滴由脱碳塔2顶部的排气口排入大气；

(2)吸收二氧化碳后的喷淋吸收液经脱碳塔2底部的吸收液出口进入循环池3，经循环泵4提升后其中一路重新进入脱碳塔的喷淋吸收层2.4进行循环喷淋，另一部分经调节阀14进入固液分离器5进行分离，分离得到的清液为氨基酸盐溶液，回用至脱碳塔内除雾器清洗喷嘴2.6，用于冲洗除雾器和维持塔内液位平衡，分离得到的碳酸镁进入喷雾干燥器6，干燥热源来自于船舶废气余热，经干燥后临时储存在储罐III9中，由储罐Ⅰ7和储罐Ⅱ8分别定期向循环池3中补充少量的氨基酸盐和氢氧化镁浆料；

(3)船舶靠岸时，将储罐III9与煅烧炉10连接，将储罐III9中的碳酸镁转移至煅烧炉10，经煅烧后分解为氧化镁和高纯CO₂，将得到的高纯CO₂冷却、压缩、液化储存在储罐IV12中，得到的氧化镁经水化反应器13反应制得氢氧化镁浆料，储存在储罐Ⅱ8中，作为喷淋吸收液循环使用，煅烧炉10的能源来自风电、光电或生物质燃料，同时利用氧化镁水化的反应热为煅烧炉10提供热源。

需要说明的是，由于随着循环池3中吸收CO₂后的喷淋吸收液中的氨基酸盐浓度降低，不能满足脱碳塔2中喷淋吸收液的浓度要求，因而将其通入固液分离器5中进行分离。

需要说明的是，具体的喷淋吸收液是由氢氧化镁与氨基酸盐按照氢氧化镁固含量5～15wt％，氨基酸盐浓度0.5～1mol/L的比例配置而成的混合溶液；其中，氨基酸盐为甘氨酸、精氨酸、丙氨酸、脯氨酸、肌氨酸、赖氨酸的钾盐、钠盐或锂盐的一种或多种。

以上实施例仅仅是本发明的优选施例，并非对于实施方式的限定。本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种船载二氧化碳捕集与封存方法，其特征在于，利用船载二氧化碳捕集与封存装置，所述装置包括：船端系统和岸端系统；

所述船端系统包括：脱碳塔（2）、循环池（3）、固液分离器（5）、喷雾干燥器（6）、储罐I（7）、储罐II（8）和储罐III（9）；其中，所述脱碳塔（2）自下部的进气口至顶部的排气口之间依次设置有喷淋吸收区（2.4）和除雾器（2.5）；所述脱碳塔（2）底部的吸收液出口与循环池（3）相连，所述循环池（3）的出口经循环泵（4）后分两路相连：第一路与喷淋吸收区（2.4）的进口相连，第二路通过调节阀（14）与固液分离器（5）的进口相连；所述固液分离器（5）的固相出口与喷雾干燥器（6）的进料口相连，所述喷雾干燥器（6）的出料口与储罐III（9）相连；所述储罐I（7）、储罐II（8）与循环池（3）相连；

所述岸端系统包括：煅烧炉（10）、压缩机（11）、储罐IV（12）和水化反应器（13）；所述煅烧炉（10）的排气口依次与压缩机（11）、储罐IV（12）相连；所述煅烧炉（10）的出口与水化反应器（13）进口相连；船舶靠岸后，所述煅烧炉（10）与储罐III（9）相连；所述水化反应器（13）的出口与储罐II（8）相连；

所述方法包括以下步骤：

S1、经脱硫、脱硝、除尘后的船舶废气经船用内燃机排气管（1）由脱碳塔（2）下部的进气口进入，与氨基酸盐和氢氧化镁组成的喷淋吸收液接触反应脱除二氧化碳，随后经除雾器去除夹带液滴由脱碳塔（2）顶部的排气口排入大气；

S2、吸收二氧化碳后的喷淋吸收液经脱碳塔（2）底部的吸收液出口进入循环池（3），经循环泵（4）提升后其中一路进入脱碳塔的喷淋吸收区（2.4）进行循环喷淋，另一路进入固液分离器（5）进行分离，分离得到的清液为氨基酸盐溶液，回用至脱碳塔并用于冲洗除雾器和维持塔内液位平衡，分离得到的碳酸镁进入喷雾干燥器（6），经干燥后储存在储罐III（9）中；

S3、船舶靠岸时，将储罐III（9）与煅烧炉（10）连接，将储罐III（9）中的碳酸镁转移至煅烧炉（10），经煅烧后分解为氧化镁和高纯CO₂，得到的氧化镁经水化反应器（13）制得氢氧化镁浆料，储存在储罐Ⅱ（8）中，作为喷淋吸收液循环使用。

2.根据权利要求1所述的捕集与封存方法，其特征在于，所述装置还包括废气冷却系统，所述废气冷却系统包括喷淋冷却管（2.1）、冷却喷淋泵（2.2）；所述喷淋冷却管（2.1）与脱碳塔（2）下部的进气口相连，所述喷淋冷却管（2.1）的底部设置有冷却液排放口（2.3），所述喷淋冷却管（2.1）与冷却喷淋泵（2.2）与相连。

3.根据权利要求1所述的捕集与封存方法，其特征在于，所述装置还包括气-气式换热器（6.1），所述气-气式换热器（6.1）与喷雾干燥器（6）的进气口相连。

4.根据权利要求1所述的捕集与封存方法，其特征在于，所述除雾器（2.5）上设置有除雾器清洗喷嘴（2.6），所述除雾器清洗喷嘴（2.6）与固液分离器（5）的液相出口相连。

5.根据权利要求1所述的捕集与封存方法，其特征在于，所述方法还包括：所述步骤S1中经脱硫、脱硝、除尘后的船舶废气进入废气冷却系统中进行冷却，冷却液为海水，由冷却液喷淋泵（2.2）泵送至喷淋冷却管（2.1）对高温废气进行冷却，之后海水经冷却液排放口（2.3）直接排海。

6.根据权利要求1所述的捕集与封存方法，其特征在于，所述步骤S3中将得到的高纯CO₂冷却、压缩、液化储存在储罐IV（12）中。

7.根据权利要求1所述的捕集与封存方法，其特征在于，所述喷淋吸收液中氢氧化镁固含量为5~15 wt%，氨基酸盐浓度为0.5~1 mol/L。

8.根据权利要求1所述的捕集与封存方法，其特征在于，所述氨基酸盐为甘氨酸、精氨酸、丙氨酸、脯氨酸、肌氨酸、赖氨酸的钾盐、钠盐或锂盐的一种或多种。