CN113975938B - 一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及二氧化碳捕集技术领域，具体涉及一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置及方法。所述装置包括：旋转式吸附单元、供排气单元、动力单元、换热单元和二氧化碳(CO2)回收单元；所述旋转式吸附单元吸附烟气中的二氧化碳；所述供排气单元控制装置中的气流流量及方向；所述动力单元为所述旋转式吸附单元提供动力；所述换热单元为所述旋转式吸附单元提供冷量和解吸热量；所述二氧化碳(CO2)回收单元用于处理并回收所述旋转式吸附单元解吸后的富集气。本发明提所述装置及方法，能实现大规模低能耗的烟气CO2捕集。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集技术领域，具体涉及一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置及方法。
背景技术
碳捕集封存与利用(CCUS)的强劲需求推动了烟气CO2捕集技术的发展，基于吸收法和吸附法的烟气CO2捕集技术已得到广泛的应用，在电力、水泥、钢铁等行业中进行了广泛的中试和商业运行，国内外诸多学者和公司在新型吸收/吸附剂开发、设备改造、工艺改进等方面进行了大量研究。数据显示基于吸附法的碳捕工艺的再生能耗约占总成本的70％，基于吸收法的碳捕工艺的再生能耗约占总成本的50％。当前基于溶剂吸收法和固体吸附法的烟气CO2捕集技术尚处于商业运行、工业示范的发展阶段，过高的捕集能耗吸附法与吸收法过高的单位捕集能耗限制了大部分当前烟气CO2捕集与回收技术的大规模商业化应用。吸收法与吸附法捕集烟气中CO2的高能耗主要是由三个方面共同决定的，首先是材料本身的再生解吸消耗，吸收/吸附材料本身的性质和扩散特性决定了再生温度与再生能耗；烟气处理的特性(低浓度大流量)使得化学吸收液或吸附剂固定床带来了过高的压阻，导致了动力损耗；当前吸收/吸附工艺的非连续特点使得系统需要间断切换操作，使得带来了额外的内部热量损耗。目前吸收法的单位捕集能耗在2.3-3.7MJ/kg，吸附法的单位捕集能耗在2.0-4.7MJ/kg范围内，烟气CO2捕集的需求促使国内外对烟气CO2捕集技术进行了大量研究，但能耗过高问题尚未得到很好的解决，在实际应用中仍存在局限性。
转轮吸附技术作为一种成熟的技术在污染治理、空气调节等多个领域得到了广泛的应用，在处理大流量气流时具备独特的优势。对于基于转轮吸附的气体分离技术，在材料方面，整体式吸附床吸脱附动力学快、再生温度与再生能耗低、比表面积高、稳定性好、压阻低(处理大流量气流时优势明显)、环境友好；在工艺方面，工艺在无阀门切换条件下保障工艺连续，解吸热利用率及回收率高、预处理要求低、流体力学特性与机械结构易于大型化。综上所述，转轮吸附技术的优势使其在一定程度上避免了当前吸附法和吸收法存在的高能耗与环境问题，与未来大流量烟气CO2捕集的需求更为契合。目前应用最广泛的转轮吸附技术是在VOCs(挥发性有机化合物)治理领域，其需要250℃以上的再生温度(可由富集的VOCs燃烧自行提供热量)，同时工作原理决定了其难以实现解吸气的浓度在90％以上的目标。不同于VOCs转轮吸附捕集工艺，CO2捕集需要实现较高的富集浓度才具备商业化和环保价值，同时由于CO2捕集的超大规模，必须要考虑到能耗问题，所以要在保证捕集能力的基础上尽可能的降低再生温度。所以对于一般的转轮工艺而言，应用于烟气CO2捕集领域存在着瓶颈，首先是工艺的富集浓度难以达到目标要求；其次在于脱附温度过高而使得低品位余热难以得到利用，致使整体运行能耗较高。
现有技术之一提出一种VOCs蜂窝转轮吸附浓缩装置。该装置利用转轮的转动连续浓缩VOCs,将大流量低浓度废气浓缩为小流量较高浓度的废气，适用于较大流量的VOCs废气处理。但该装置存在两个关键问题，使其无法简单用于烟气CO2的处理，其一在于其脱附温度高，能耗较高；其二为其浓缩气的浓度不高，对于CO2捕集而言，回收浓度之间关系到技术是否具备商业化的价值。故该技术未能在烟气CO2捕集领域受到重视。
现有技术之二提出一种基于回转式固定床的二氧化碳高温循环脱除方法。其采用两区式的固定床用于CO2的脱除，固定床采用钙基吸附剂填充，在吸附区CO2烟气中CO2被钙基吸收剂填料脱除并形成CaCO3，脱除CO2后烟气排出，CaO则通过碳酸化反应转化为CaCO3；固定床转子继续携带已转化为CaCO3的填料旋转至燃料气侧通道，燃料气与纯氧通入该区域发生燃烧并放出热量为CaCO3分解供热，释放出高浓度CO2，随后CO2由该反应区排出并被封存或作他用，CaCO3分解再生为CaO。通过两区循环实现烟气CO2捕集。该技术存在五个主要的问题，首先是由于没有冷却区，固定床整体温度较高，吸附效果不佳；其二在于需要燃料气提供高温来进行吸附剂的再生，能耗较高；其三在于采用填充床的形式使得床层的压阻过高，动力消耗大；其四在于吸附剂颗粒易受到磨损损坏和高温加热使结构受损，需要频繁更换吸附剂；其五该技术也存在捕集的CO2浓度不够高的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置及方法，实现大规模低能耗的烟气CO2捕集。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置，所述装置包括：
旋转式吸附单元、供排气单元、动力单元、换热单元和二氧化碳(CO2)回收单元；
所述旋转式吸附单元吸附烟气中的二氧化碳；
所述供排气单元控制装置中的气流流量及方向；
所述动力单元为所述旋转式吸附单元提供动力；
所述换热单元为所述旋转式吸附单元提供冷量和解吸热量；
所述二氧化碳(CO2)回收单元用于处理并回收所述旋转式吸附单元解吸后的富集气；
所述供排气单元、动力单元、换热单元和二氧化碳回收单元均与所述旋转式吸附单元连接。
进一步地，所述旋转式吸附单元包括：整体式吸附床、机械安装架、转轴、若干密封辐条和三对挡板；
整体式吸附床位于机械安装架内部；转轴插入所述机械安装架的转轴孔，固定所述整体式吸附床；
所述挡板成对设置在所述机械安装架上下内壁，不与所述整体式吸附床接触，并与机械安装架密封(焊接)；三对所述挡板将所述机械安装架分隔为三个区域；所述三个区域分别为吸附区、脱附区和冷却区，所述吸附区、脱附区和冷却区所占区域面积之比为10：1-5：1-5，根据实际的烟气处理量、现场条件(烟气成分，现场余热)和装置规模进行调整；
所述密封辐条设置位置包括：挡板和整体式吸附床之间缝隙、整体式吸附床与所述机械安装架之间的缝隙，用于实现各区域之间的动态密封。
进一步地，所述整体式吸附床是通过动力单元将动力传至转轴带动所述整体式吸附床转动。
进一步地，为保证密封，所述三个区域的挡板与整体式吸附床之间、整体式吸附床的圆周、转轴与机械安装架之间均设置所述密封辐条，所述密封辐条为耐高温、耐溶剂的氟橡胶密封材料。
进一步地，整体式吸附床是技术的核心，提供吸附富集能力；整体式吸附床的主体是蜂窝状的陶瓷纤维骨架，吸附剂负载于陶瓷纤维骨架上形成整体式吸附床，其具备吸脱附动力学快、再生温度与再生能耗低、比表面积高、稳定性好、压阻低(处理大流量气流时优势明显)的优点。
进一步地，所述吸附区用于吸附烟气中的二氧化碳；
所述脱附区用于脱附并富集二氧化碳。
所述冷却区用于降低吸附床的温度。
进一步地，所述吸附剂包括13x、5A、斜发沸石、NaY、NaX、LiX、有序介孔碳、多孔碳、固体胺，活性炭负载胺和MCM-41中的一种或两种以上；吸附剂对CO2具有强烈的吸附选择性，可将CO2吸附至床层。
进一步地，所述旋转式吸附单元还包括吸附区进气管道、吸附区脱碳后烟气排气管道、脱附区解吸气进气管道、脱附区富集气排气管道、冷却区冷空气进气管道、冷却区热空气排气管道和转轴孔；
所述吸附区进气管道、吸附区脱碳后烟气排气管道分别设置在所述机械安装架的吸附区上下位置；
所述脱附区解吸气进气管道、脱附区富集气排气管道分别设置在所述机械安装架的脱附区上下位置；
所述冷却区冷空气进气管道、冷却区热空气排气管道分别设置在所述机械安装架的冷却区上下位置；
所述转轴孔设置在所述机械安装架中心上下位置。
进一步地，所述供排气单元包括处理风机、脱附风机和冷却风机；
所述处理风机为所述旋转式吸附单元提供烟气，设置在所述吸附区进气管道前；
所述脱附风机将部分浓缩的CO2送至所述换热单元中的换热器，同时将剩余部分浓缩的CO2送往CO2回收单元；所述脱附风机设置在所述换热器和脱附区富集气排气管道之间；
所述冷却风机将冷空气送至冷却区。
进一步地，所述动力单元包括驱动电机，为所述整体式吸附床的转动提供动力；所述驱动电机通过皮带将动力传至转轴带动所述整体式吸附床转动。
进一步地，所述换热单元包括冷却塔与换热器；
冷却塔用于将烟气温度降低至常温，设置在所述处理风机和吸附区进气管道之间；
换热器用于加热解吸气，使解吸气的温度升至再生温度，设置在脱附区解吸气进气管道前。
进一步地，所述CO2回收单元包括CO2处理压缩装置和用于暂时储存捕集的CO2的CO2储存罐；富集气经CO2处理压缩装置进入CO2储存罐。
进一步地，所述CO2处理压缩装置包括用于去除CO2的杂质的过滤器和用于将常压的CO2压缩至高压状态(以便储存)的CO2压缩机；
CO2首先经过滤后再进入压缩机，最后进入储存罐。
本发明的另一目的在于提供一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的方法，所述方法采用上述装置对烟气中二氧化碳进行吸附捕集和回收；所述方法包括吸附阶段、脱附阶段和冷却阶段；具体包括：
所述整体式吸附床在吸附阶段、脱附阶段和冷却阶段中均处于连续转动状态；
吸附阶段：烟气通过处理风机经冷却塔冷却处理至30-40℃后进入吸附区，吸附区将CO2吸附至床层内，脱碳后的烟气通过烟囱排入大气中；
脱附阶段：整体式吸附床吸附饱和的部分整体式吸附床随着连续的转动转至脱附区，高温的解吸气进入脱附区，依靠高温解吸气的吹扫将脱附区吸附的CO2脱附，从脱附区出来的富集气被抽取一部分进入CO2处理压缩装置(二氧化碳回收单元)，剩余的富集气通过脱附风机与从冷却区出来的部分热空气混合后送至换热器中被来自工厂的余热加热至脱附温度成为新的解吸气，然后再次送入脱附区用于CO2的脱附；
冷却阶段：脱附区内整体式吸附床完成脱附的部分随着连续的转动转至冷却区，冷空气在冷却风机的抽取下被送入冷却区，将冷却区的床层冷却至吸附温度，冷空气被加热后部分热空气排空，另一部分与所述脱附阶段的解吸气混合作为新的解吸气，整体式吸附床中完成冷却的部分随着连续的转动转至吸附区继续吸附烟气；
热空气与富集气混合得到的解吸气中，要求二氧化碳体积浓度范围为30-90％，热空气与富集气混合的比例根据该范围进行调整；
吸附阶段、脱附阶段和冷却阶段连续循环进行，实现烟气CO2的连续化捕集。
进一步地，其中余热的热量来自于现场的低品位余热(如热烟气、废蒸汽等)，可以降低烟气CO2的捕集能耗，减少运行成本实现自循环热解吸气再生方式；被抽取的部分富集气通过CO2处理压缩装置处理后送入CO2储存罐暂时储存；整体式吸附床转动的动力来自于驱动电机。
进一步地，所述整体式吸附床转动的转速为：3-11r/H。
进一步地，所述烟气进气流速为0.1-5m/s。
进一步地，所述方法中吸附温度30-40℃，脱附温度100-150℃，换热器温度130-180℃，解吸气进气浓度30-90％，富集气浓度60-95％。
进一步地，本发明针对现有烟气CO2捕集技术综合捕集能耗高的问题，本发明设计的烟气CO2低温转轮吸附捕集技术可实现大规模烟气CO2捕集与回收的连续化进行，可显著降低工艺的运行成本，实现CO2的大规模低能耗捕集。
进一步地，本发明针对现有技术难以实现动态密封的问题，工艺在无阀门切换条件下保障工艺连续，采用特制的密封元件，各个区域与外界可实现动态密封。
进一步地，本发明针对吸收法/吸附法工艺不连续，需阀门切换的问题，提供一种烟气CO2转轮吸附捕集技术，蜂窝状的整体式吸附床分为扇形的吸附区、脱附区、冷却区，通过整体式吸附床的转动来实现二氧化碳吸附脱附的连续进行。
进一步地，本发明针对现有吸收法/吸附法易受污染影响的问题，提供一种烟气CO2低温转轮吸附捕集技术，可在存在较多污染物(NOx、SOx和颗粒物等)的情况下具有很好的抗性，减少了对烟气预处理的需求。
进一步地，本发明针对现有转轮吸附技术产品气浓度低的问题，采用热解吸气循环再生，高温的解吸气加热后再次用于脱附，解吸热利用率及回收率高，同时使CO2产品气浓度更高，并实现了比一般转轮吸附技术更低的捕集能耗。
进一步地，本发明针对现有转轮吸附技术再生温度较高的问题，本发明的整体式吸附床能在更低温度(100-150℃)下再生。
进一步地，针对现有转轮吸附技术再生热量消耗高的问题，由于本发明的吸附剂在较低温度下再生，同时本发明采用自循环热解吸气再生方式(热量可取自现场的余热)。
进一步地，针对颗粒吸附剂扩散系数低的问题，本发明的整体式吸附床基于平行板接触器设计，比表面积高，极短的扩散路径使吸附剂具备快速的吸附动力学。
进一步地，针对吸收法/吸附法在大流量条件下高压阻的问题，整体式吸附床是以平行排列的流动通道组织的吸附剂，吸附剂层之间有一定的间距(0.8-3mm)，规定的壁厚(0.1-0.3mm)，显著降低了床层压降，提升了渗透性能，节约了动力消耗。
进一步地，针对现有吸收剂/吸附剂损耗问题，本发明提供的整体式吸附床的结构更稳定更耐用，吸附特性得到优化，节约了吸附剂更换成本，保证了设备高效稳定运行。
进一步地，针对现有吸收剂/吸附剂制备污染问题，本发明采用由无害的材料制成的整体式吸附床，不会产生废物副产品或逃逸排放，也不会造成重大的环境、健康或安全风险。
进一步地，本发明采用的烟气中CO2旋转式低温吸附捕集装置有吸附区、脱附区和冷却区，脱附区连接自循环热解吸系统用以加热从脱附区出来的富集气，自循环热解吸系统包括换热器、解吸气与富集气的循环管路、热空气与富集气的混合管路，换热器采用来自现场余热管道用以吸收余热。
进一步地，本发明采用特定的CO2吸附剂为13x、5A、斜发沸石、NaY、LiX、有序介孔碳、多孔碳、固体胺，活性炭负载胺、MCM-41中一种或几种的组合，将吸附剂负载于蜂窝体的陶瓷纤维上制备得到整体式CO2吸附剂，此陶瓷纤维横截面的形状为蜂窝状。
进一步地，本发明具有自循环热解吸功能，可将部分富集气与热空气混合利用作为新的解吸气；
进一步地，本发明利用部分冷却区出来的热空气用于稀释富集气作为新的解吸气，通过掺混热空气的量来控制进入脱附区的解吸气浓度。
进一步地，本发明利用自循环热解吸装置可有效提高并根据实际需求来控制富集气的浓度，可根据不同的烟气工况来调节工艺参数实现烟气脱碳的目的；
进一步地，本发明通过对烟气进行冷却预处理降低了吸附区的温度，提升了吸附的效果。
进一步地，本发明具备特定的烟气进气流速0.1-5m/s，整体式吸附床(转轮)转速3-11r/H，吸附温度30-40℃，脱附温度100-150℃，换热器温度130-180℃，解吸气进气中二氧化碳浓度范围30-90％，富集气中二氧化碳体积浓度范围60-95％。
进一步地，本发明采用专有的整体式低温吸附剂、自循环热解吸装置和解吸气浓度控制方法，实现了烟气CO2低温、低能耗、高浓度及大规模捕集。
进一步地，本发明采用的整体式吸附床为独有设计，其在常温下吸附，脱附温度低，可有效利用现场的低品位余热，具有快速的吸脱附动力学。
本发明的装置和方法至少具有如下有益技术效果：
(1)本发明可连续对大流量烟气进行脱碳处理，实现90％以上的CO2脱除率。
(2)本发明采用自循环热解吸装置实现的自循环解吸气再生的工艺可可得到在60-95％范围内的可变CO2产品气浓度；
(3)同时提升了热量回收率，降低了再生热量消耗；
(4)本发明可利用电力、钢铁、水泥工厂的现场余热来进行吸附剂的再生，实现热量的充分利用；
(5)本发明具有整体式吸附床再生能耗低，压阻低，工艺连续化热量回收率高的特点，可在保证脱除率的同时，实现单位CO2捕集能耗的大幅度下降。
附图说明
图1为本发明实施例中旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳旋转式低温吸附捕集的装置示意图。
图2A为本发明实施例中三个区域在整体式吸附床上影射的正面结构示意图。
图2B为本发明实施例中三个区域在整体式吸附床上影射的立体结构示意图。
图3A为本发明实施例中旋转式吸附单元外部立体结构示意图。
图3B为本发明实施例中旋转式吸附单元外部正面结构示意图。
图4为图3B中A-A’面剖视图，为本发明实施例中整体式吸附床、机械安装架、挡板和密封辐条结构示意图。
附图标记说明：1-处理风机；2-整体式吸附床；3-吸附区；4-烟囱；5-脱附区，6-脱附风机，7-冷却塔，8-CO2处理压缩装置，9-换热器，10-余热，11-冷却区，12-冷却风机，13-驱动电机，14-CO2储存罐，15-转轴，16-挡板，17-吸附区进气管道，18-吸附区脱碳后烟气排气管道，19-脱附区解吸气进气管道，20-脱附区富集气排气管道，21-冷却区冷空气进气管道，22-冷却区热空气排气管道，23-转轴孔，24-机械安装架，25-密封辐条。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的实质和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面的实施例起说明本发明的作用。在实施例中，除非另有说明，份数按重量份数计算，百分率按重量百分率计算，温度为摄氏度。按重量计算的分数和按体积计算的份数之间的关系与克和立方厘米之间的关系相同。
本发明实施例提出一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置，所述装置包括：
旋转式吸附单元、供排气单元、动力单元、换热单元和二氧化碳(CO2)回收单元；
所述旋转式吸附单元吸附烟气中的二氧化碳；
所述供排气单元控制装置中的气流流量及方向；
所述动力单元为所述旋转式吸附单元提供动力；
所述换热单元为所述旋转式吸附单元提供冷量和解吸热量；
所述二氧化碳(CO2)回收单元用于处理并回收所述旋转式吸附单元解吸后的富集气；
所述供排气单元、动力单元、换热单元和二氧化碳回收单元均与所述旋转式吸附单元连接。
所述旋转式吸附单元包括：整体式吸附床2、机械安装架24、转轴15、若干密封辐条25和三对挡板16；
整体式吸附床2位于机械安装架24内部；转轴15插入所述机械安装架24的转轴15孔，固定所述整体式吸附床2；
所述挡板16成对设置在所述机械安装架24上下内壁，但不与所述整体式吸附床2接触，并与机械安装架24密封(焊接)；三对所述挡板16将所述机械安装架24分隔为三个区域；所述三个区域分别为吸附区3、脱附区5和冷却区11，所述吸附区3、脱附区5和冷却区11所占区域之比为10：1-5：1-5，根据实际的烟气处理量、现场条件(烟气成分，现场余热)和装置规模进行调整；
所述密封辐条25位于挡板16和整体式吸附床2接触的缝隙中，用于实现各区域之间的动态密封。
所述整体式吸附床2是通过动力单元将动力传至转轴15带动所述整体式吸附床2转动。
为保证密封，所述三个区域的挡板16与整体式吸附床2之间、整体式吸附床2的圆周、转轴15与机械安装架24之间均设置所述密封辐条25，所述密封辐条25为耐高温、耐溶剂的氟橡胶密封材料。
整体式吸附床2是技术的核心，提供吸附富集能力；整体式吸附床2的主体是蜂窝状的陶瓷纤维骨架，沸石或其它吸附剂负载于陶瓷纤维骨架上形成整体式吸附床2，其具备吸脱附动力学快、再生温度与再生能耗低、比表面积高、稳定性好、压阻低(处理大流量气流时优势明显)的优点。
所述吸附区3用于吸附烟气中的二氧化碳；
所述脱附区5用于脱附并富集二氧化碳。
所述冷却区11用于降低吸附床的温度。
所述吸附剂包括13x、5A、斜发沸石、NaY、NaX、LiX、有序介孔碳、多孔碳、固体胺，活性炭负载胺和MCM-41中的一种或两种以上；吸附剂对CO2具有强烈的吸附选择性，可将CO2吸附至床层。
所述旋转式吸附单元还包括吸附区进气管道17、吸附区脱碳后烟气排气管道18、脱附区解吸气进气管道19、脱附区富集气排气管道20、冷却区冷空气进气管道21、冷却区热空气排气管道22和转轴孔23；
所述吸附区进气管道17、吸附区脱碳后烟气排气管道18分别设置在所述机械安装架24的吸附区上下位置；
所述脱附区解吸气进气管道19、脱附区富集气排气管道20分别设置在所述机械安装架24的脱附区上下位置；
所述冷却区冷空气进气管道21、冷却区热空气排气管道22分别设置在所述机械安装架24的冷却区11上下位置；
所述转轴孔23设置在所述机械安装架24中心上下位置。
所述供排气单元包括处理风机1、脱附风机6和冷却风机12；
所述处理风机1为所述旋转式吸附单元提供烟气，设置在所述吸附区进气管道17前；
所述脱附风机6将部分浓缩的CO2送至所述换热单元中的换热器9，同时将剩余部分浓缩的CO2送往CO2回收单元；所述脱附风机6设置在所述换热器9和脱附区富集气排气管道20之间；
所述冷却风机12将冷空气送至冷却区11。
所述动力单元包括驱动电机13，为所述整体式吸附床2的转动提供动力；
所述驱动电机13通过皮带将动力传至转轴15带动所述整体式吸附床2转动。
所述换热单元包括冷却塔7与换热器9；
冷却塔用于将烟气温度降低至常温，设置在所述处理风机1和吸附区进气管道17之间；
换热器9用于加热解吸气，使解吸气的温度升至再生温度，设置在脱附区解吸气进气管道19前。
所述CO2回收单元包括CO2处理压缩装置8和用于暂时储存捕集的CO2的CO2储存罐14；富集气经CO2处理压缩装置8进入CO2储存罐14。
所述CO2处理压缩装置8包括用于去除CO2的杂质的过滤器和用于将常压的CO2压缩至高压状态(以便储存)的CO2压缩机；
CO2首先经过滤后再进入压缩机，最后进入储存罐14。
本发明实施例的另一目的在于提供一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的方法，所述方法采用上述装置对烟气中二氧化碳进行吸附捕集和回收；所述方法包括吸附阶段、脱附阶段和冷却阶段；具体包括：
所述整体式吸附床2在吸附阶段、脱附阶段和冷却阶段中均处于连续转动状态；
吸附阶段：烟气通过处理风机1经冷却塔7冷却处理至30-40℃后进入位于吸附区3，吸附区3将CO2吸附至床层内，脱碳后的烟气通过烟囱4排入大气中；
脱附阶段：整体式吸附床2吸附饱和的部分随着连续的转动转至脱附区5，高温的解吸气进入脱附区5依靠高温解吸气的吹扫将脱附区5吸附的CO2脱附，从脱附区5出来的富集气被抽取一部分送入CO2处理压缩装置8，剩余的富集气通过脱附风机6与从冷却区11出来的部分热空气混合后送至换热器9中被来自工厂的余热10加热至脱附温度成为新的解吸气，然后再次送入脱附区5用于CO2的脱附；
冷却阶段：脱附区5内完成脱附的部分随着连续的转动转至冷却区11，冷空气在冷却风机12的抽取下被送入冷却区11，将冷却区11的床层冷却至吸附温度，冷空气被加热后部分热空气排空，部分热空气用于解吸，完成冷却的部分随着连续的转动转至吸附区3继续处理烟气；
吸附阶段、脱附阶段和冷却阶段连续循环进行，实现烟气CO2的连续化捕集。
其中余热10的热量来自于现场的低品位余热(如热烟气、废蒸汽等)，可以降低烟气CO2的捕集能耗，减少运行成本实现自循环热解吸气再生方式；被抽取的部分富集气通过CO2处理压缩装置8处理后送入CO2储存罐14暂时储存；整体式吸附床2转动的动力来自于驱动电机13。
所述整体式吸附床2转动的转速为：3-11r/H。
所述烟气进气流速为0.1-5m/s。
所述方法中吸附温度30-40℃，脱附温度100-150℃，换热器9温度130-180℃，解吸气进气浓度30-90％，富集气浓度60-95％。
实施例1
本实施例根据上述的旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置及方法，如图1所示，所述装置捕集与回收二氧化碳的内容包括：
吸附过程：含CO2的烟气通入吸附区3内，在30-40℃，常压的条件下吸附剂将CO2吸附至床层，剩余的脱碳后烟气送往烟囱4排出；
脱附过程：被加热的解吸气通入脱附区5，在高温(100-150℃)、常压的条件下将CO2吹扫脱附出来，部分富集气被抽取，剩余部分被加热后继续送入脱附区5用以脱附；
冷却过程：冷空气在冷却风机12的作用下，将完成脱附的床层冷却至吸附温度。部分出口的热空气用于脱附。
如图2A、2B、3和4所示，所述旋转式吸附单元包括的结构主要包括吸附区进气管道17、吸附区脱碳后烟气排气管道18、脱附区解吸气进气管道19、脱附区富集气排气管道20、冷却区冷空气进气管道21、冷却区热空气排气管道22、转轴孔23、整体式吸附床2、机械安装架24、转轴15、若干密封辐条25和三对挡板16；整体式吸附床位于机械安装架24内部；转轴15插入所述机械安装架24的转轴孔23，固定所述整体式吸附床2；
所述挡板16成对插入所述机械安装架24内，但不与所述整体式吸附床2接触，并与机械安装架24密封(焊接)；三对所述挡板16将所述机械安装架24分隔为三个区域；所述三个区域分别为吸附区3、脱附区5和冷却区11，所述吸附区3、脱附区5和冷却区11所占区域之比为10：1-5：1-5，根据实际的烟气处理量、现场条件(烟气成分，现场余热)和装置规模进行调整；
所述密封辐条25位于挡板16和整体式吸附床2接触的缝隙中，用于实现各区域之间的动态密封。
通过实验探究了合适的吸附剂负载方法，制备得到整体式CO2吸附剂，通过吸附穿透实验测试整体式吸附床2的吸脱附性能、循环稳定性及机械性能，结合实验数据调整负载方法和吸附剂原粉(13x，5A，斜发沸石，NaY，NaX，LiX)的选择，最后获取得到了符合性能要求的整体式CO2吸附剂；
根据实验室的小规模吸附实验，在吸附温度降低的时候，整体式吸附床2获得了更高的单位CO2吸附量，CO2的脱除率也有明显上升，但由于吸附温度降低，需要强化对入口烟气的冷却(考虑到换热限制，吸附温度高于气温5℃以上)，同时在同样脱附温度下的再生热量消耗也提升了。通过能源系统网络模型计算，综合分析并通过小型化的实验确定了进气流速，进气成分，冷却流量，再生流量，整体式吸附床(转轮)转速，吸附温度、脱附温度的关系，本工艺可适应多种状态下的烟气CO2捕集。
完成小型化的实验探究后，通过现场的中试装置验证了吸附剂、吸附温度和脱附温度对CO2捕集效率和能耗的影响。在吸附温度为35℃的时候，吸附剂的单位CO2吸附量可达79.64mg/g，总体CO2脱除率达到92％，CO2纯度达到95％，但脱附温度保持一致的情况下再生能耗较50℃上升了0.2GJ/t，综合能耗则上升了0.12GJ/t。采用LiX、NaY沸石制备得到整体式吸附床(转轮)在低吸附温度(25-35℃)下具备更好的吸附能力，适合用于烟气温度较低的工况，而基于13x，5A，斜发沸石的整体式吸附床(转轮)在更高的吸附温度下也保留了快速的吸附动力学特性和高吸附容量，更适合用于烟气温度较高的工况，考虑到烟气的特性，13x，5A，斜发沸石等实际上更适用于本烟气CO2转轮吸附捕集工艺。
如图1所示，为本发明的整体结构示意图。从图1可明晰烟气中CO2旋转式低温吸附捕集方法的流程。
首先，烟气通过收集风机经冷却塔冷却至35℃后被送入外壳内的吸附区3，其中烟气的浓度为12％CO2、相对湿度20％、NOx为60ppm、SOx为70ppm，吸附区3的温度为35℃，流量为700m3/h。在吸附区将CO2吸附至床层内，脱碳后的烟气通过烟囱4排入大气中，脱碳后的烟气CO2浓度在1000ppm以下。
之后，整体式吸附床(转轮)吸附饱和的部分随着连续的转动转至脱附区5，高温的解吸气进入脱附区5，依靠高温解吸气的吹扫将脱附区5的CO2脱附，从脱附区5出来的富集气部分送入CO2压缩机，之后送至CO2储存罐14。剩余的富集气和部分冷却出口气(热空气)通过脱附风机6送至换热器9中被来自工厂的余热管道中的余热加热至脱附温度，脱附温度为130℃，然后再次送入脱附区5用于CO2的脱附，解吸气进气的CO2浓度为50％。其中余热的热量来自于现场的低品位余热(如热烟气、废蒸汽等)，可以降低烟气CO2的捕集能耗，减少运行成本。被抽取的流量(储存的流量)与循环回脱附区5的流量(脱附流量)之比为0.49，换热温度为170℃，换热方式为间壁式换热，换热器9类型为管壳式换热器9。
最后脱附区5内完成脱附的部分整体式吸附床(转轮)随着连续的转动转至冷却区11，冷空气在冷却风机12的抽取下被送入冷却区11，将冷却区11的床层冷却至吸附温度，吸附温度为35℃，完成冷却的部分随着连续的转动转至吸附区3继续处理烟气，如此连续循环进行，实现烟气CO2的连续化捕集。其中整体式吸附床(转轮)转动来自于驱动马达的动力。从冷却区11出来的部分空气送入换热器9与解吸气一起被加热用于CO2的脱附，使解吸气进气气流的CO2浓度维持在50％，以保持较好的脱附能力，避免了因解吸气进气气流中CO2浓度过高而是脱附效果变差。
在吸附过程中，进气流速调整为1m/s，整体式吸附床(转轮)转速设置为6转每小时；冷却气温度为27℃，冷却气流量为70m3/h；脱附温度为130℃，解吸气流量为20m3/h。
本实施例中整体式吸附床2的直径为0.545m，厚度为0.18m(烟气流量除以进气流速得到吸附区3的面积，再根据比例计算得到整体式吸附床(转轮)面积)，其中吸附区3、脱附区5和冷却区11所占区域之比为10:1:1。吸附剂为13x、5A和斜发沸石。
实施例2
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为1m/s，整体式吸附床2的转速为9转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为130℃，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例3
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气成分为：CO2的体积浓度为9％，相对湿度为40％，NOx的体积浓度为50ppm，SOx的体积浓度为120ppm。
实施例4
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气成分为：CO2的体积浓度为9％，相对湿度为40％，NOx的体积浓度为50ppm，SOx的体积浓度为120ppm。吸附温度为45℃，整体式吸附床2的转速为8转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为65m3/h；脱附温度为140℃，解吸气进气流量为25m3/h。
实施例5
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气成分：CO2的体积浓度为9％，相对湿度为40％，NOx的体积浓度为50ppm，SOx的体积浓度为120ppm。吸附温度为50℃，整体式吸附床2的转速为8转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为60m3/h；脱附温度为150℃，解吸气进气流量为20m3/h。
实施例6
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为1m/s，整体式吸附床2的转速为3转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为130℃，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例7
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为1m/s，整体式吸附床2的转速为11转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为130℃，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例8
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为120m3/h，进气流速为0.1m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为12m3/h；脱附温度为130℃，解吸气流量为3.5m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例9
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为720m3/h，进气流速为0.6m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为72m3/h；脱附温度为130℃，解吸气流量为21m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例10
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为2400m3/h，进气流速为2m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为240m3/h；脱附温度为130℃，解吸气流量为70m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例11
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为6000m3/h，进气流速为5m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为600m3/h；脱附温度为130℃，解吸气流量为175m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例12
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为0.5m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为100℃，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例13
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为0.5m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为120℃，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例13
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为0.5m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为150℃，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例14
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为0.5m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为130℃，解吸气进气浓度为30％，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例15
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为0.5m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为130℃，解吸气进气浓度为90％，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例16
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为0.5m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为130℃，解吸气进气浓度为60％，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
实施例17
其他操作步骤与实施例1一致，区别在于：烟气流量为1200m3/h，进气流速为0.5m/s，整体式吸附床2的转速为5转每小时；冷却温度为27℃，冷却气流量为120m3/h；脱附温度为130℃，解吸气进气浓度为70％，解吸气流量为35m3/h。整体式吸附床2的直径为0.714m，厚度为0.18m。
根据上述实施例得到如下表数据：
Claims (9)
1.一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置，其特征在于，所述装置包括：
旋转式吸附单元、供排气单元、换热单元和二氧化碳回收单元；
所述旋转式吸附单元吸附烟气中的二氧化碳；
所述供排气单元控制气流流量及方向；
所述换热单元为所述旋转式吸附单元提供冷量和解吸热量；
所述二氧化碳回收单元用于处理并回收所述旋转式吸附单元解吸后的富集气；
所述供排气单元、换热单元和二氧化碳回收单元均与所述旋转式吸附单元连接；
所述旋转式吸附单元设有吸附区、脱附区和冷却区，脱附区连接自循环热解吸系统用以加热从脱附区出来的富集气，所述自循环热解吸系统包括换热单元、解吸气与富集气的循环管路、热空气与富集气的混合管路；
所述旋转式吸附单元包括：整体式吸附床、机械安装架、转轴、若干密封辐条和三对挡板；
整体式吸附床位于机械安装架内部；转轴插入所述机械安装架的转轴孔，固定所述整体式吸附床；
所述挡板成对设置在所述机械安装架上下内壁，不与所述整体式吸附床接触；
三对所述挡板将所述机械安装架分隔为三个区域；
所述密封辐条设置位置包括：挡板和整体式吸附床之间缝隙、整体式吸附床与所述机械安装架之间的缝隙；
通过整体式吸附床的转动来实现二氧化碳吸附脱附的连续进行。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置，其特征在于，所述三个区域分别为吸附区、脱附区和冷却区，所述吸附区、脱附区和冷却区所占区域面积之比为10：1-5：1-5。
3.根据权利要求1所述的一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置，其特征在于，所述整体式吸附床包括陶瓷纤维骨架和吸附剂，所述吸附剂负载于陶瓷纤维骨架上。
4.根据权利要求1所述的一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置，其特征在于，所述旋转式吸附单元还包括吸附区进气管道、吸附区脱碳后烟气排气管道、脱附区解吸气进气管道、脱附区富集气排气管道、冷却区冷空气进气管道和冷却区热空气排气管道；
所述吸附区进气管道、吸附区脱碳后烟气排气管道分别设置在所述机械安装架的吸附区上下位置；
所述脱附区解吸气进气管道、脱附区富集气排气管道分别设置在所述机械安装架的脱附区上下位置；
所述冷却区冷空气进气管道、冷却区热空气排气管道分别设置在所述机械安装架的冷却区上下位置；
所述转轴孔设置在所述机械安装架中心上下位置。
5.一种如权利要求1~4任一项所述装置用于旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，所述方法包括吸附阶段、脱附阶段和冷却阶段；具体包括：
整体式吸附床在吸附阶段、脱附阶段和冷却阶段中均处于连续转动状态；
吸附阶段：烟气经冷却后进入吸附区，吸附区将CO2吸附至床层内，脱碳后的烟气排入大气中；
脱附阶段：整体式吸附床吸附饱和的部分随着连续的转动转至脱附区，高温的解吸气进入脱附区；从脱附区出来的富集气一部分进入二氧化碳回收单元，另一部分与从冷却区出来的部分热空气混合后送至换热单元中的换热器中并加热，成为新的解吸气再次进入脱附区用于新一轮CO2的脱附；
冷却阶段：脱附区内整体式吸附床完成脱附的部分随着连续的转动转至冷却区，冷空气进入冷却区，将冷却区的床层冷却至吸附温度，冷空气被加热后部分排空，另一部分与所述脱附阶段的富集气混合作为新的解吸气，整体式吸附床中完成冷却的部分随着连续的转动转至吸附区继续吸附烟气；
所述解吸气中二氧化碳体积浓度范围为30-90%；
吸附阶段、脱附阶段和冷却阶段连续循环进行；
可得到在60-95％范围内的可变CO2产品气浓度。
6.根据权利要求5所述的一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，所述整体式吸附床转动的转速为：3-11r/H。
7.根据权利要求5所述的一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，所述烟气进气流速为0.1-5m/s。
8.根据权利要求5所述的一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，所述方法中吸附温度30-40℃，脱附温度100-150℃，换热器温度130-180℃，解吸气进气浓度30-90%，富集气浓度60-95%。
9.根据权利要求5所述的一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的方法，其特征在于，所述脱附区连接自循环热解吸系统用以加热从脱附区出来的富集气，自循环热解吸系统包括换热单元中的换热器、解吸气与富集气的循环管路、热空气与富集气的混合管路。
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