CN114558414A - 一种基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，包括以下步骤：将来自集中CO2排放源的烟气冷凝后加热，分别通入若干组并联的碳捕集单元对其中的湿法再生CO2捕集材料进行干燥；采用干燥后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2吸附，再通过水喷淋的方式对CO2吸附后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2解吸附；采用真空泵将得到的CO2抽进缓冲装置，再依次经除湿、压缩，得到CO2气体储存；通过若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元重复上述步骤进行连续产气或间歇产气，实现从集中二氧化碳排放源中脱碳。该方法采用特定步骤、条件及参数，实现整体较好的相互作用，能够降低材料、设备及运行成本，提高产品气体纯度，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及CO2捕集与脱除技术领域，更具体地说，是涉及一种基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法。
背景技术
二氧化碳是主要的温室气体，过度的二氧化碳排放带来的严重后果已经不允许任何一个国家忽视。据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)公布的最新评估报告，如果全球温升1.5℃，各地极端天气包括高温、风暴、洪水以及其带来的危害将增加，全球升温对生物多样性和生态系统的影响显著增加，且对健康、生计、粮食安全、水供应、人类安全和经济增长的气候相关风险预估会随着全球升温而加大；全球温升2℃，不可逆转的气候风险将增加，极端高温将频繁出现，威胁粮食安全、水资源、人类安全、并造成更大范围的动植物物种灭绝等恶劣后果。报告还称，截至2020年，全球平均温度已经比工业化前升高了1.2℃。作为一个有担当的大国，中国也在2020年9月提出“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取在2060年前完成碳中和”的“两碳”目标。这对二氧化碳的捕集及利用带来了更广阔的机遇也提出了更高的要求。
电厂、钢厂、水泥厂等以化石燃料燃烧为主的工业过程仍是CO2的主要排放源，现有的从烟气中捕集CO2技术多采用碱液吸收、物理固体吸附、膜分离等方式，因其原料再生能耗大、成本高、设备腐蚀严重、效率低下等问题而饱受诟病。因此，提供一种低能耗、无污染、再生成本低的工业过程技术的发展迫在眉睫。
目前，化学吸收法(参考文献：《烟气二氧化碳捕集胺类吸收剂研究进展》，作者：林海周)应用广泛且较成熟，它是利用碱性化学试剂与CO2发生可逆反应以达到吸收和解吸CO2的目的，常用的吸收剂有：醇胺溶液、氨水、氢氧化钾溶液等。以有机胺为吸收剂的碳捕集工艺为例，在众多燃烧后烟气CO2捕集技术中，它是目前最成熟也是工业化应用最多的技术。典型的胺液化学吸收法碳捕集工艺流程如图1所示。经除尘、脱硫和初步冷却等预处理后的烟气进入吸收塔内，与塔顶喷淋下来的吸收剂贫CO2溶液(简称贫液)逆相接触反应，其中脱碳后烟气从吸收塔上部排出，而吸收了CO2的吸收剂富CO2吸收液(简称富液)经贫富液热交换器与热贫液进行热交换后，被送入解吸塔中再生。产品气CO2经冷凝和干燥脱水后进行压缩，以利于后续的存储运输。而解吸塔底的贫液则经过贫富液换热器换热和贫液冷却器冷却到所需的温度后重新喷入吸收塔中，从而实现系统的循环。但是，氨水等碱性溶液往往易挥发、有刺激性气味、醇胺等碱性溶液腐蚀性强，因而导致对操作人员健康造成危害及对设备腐蚀较为严重等一系列不良后果；且碱性溶液与CO2结合能力强，原料再生及CO2释放所需能耗巨大，反而带来更严重的碳排放。
而膜分离法(参考文献：《电厂烟气中CO2膜法分离实验研究与模拟计算》，作者：李博扬；《膜法分离燃煤电厂烟气中CO2的研究现状及进展》，作者：孙亚伟)是利用隔离分散对粒径和压力差的不同要求来实现物质的分离和分类的。这是一种较为新型的技术，它利用特定膜的选择性作用，通过膜与烟气中的CO2之间的物理或化学反应来进行选择性吸收的，可分为无机膜和有机膜。首先，利用膜单元进行预浓缩，把CO2的浓度从15％增加到40％；渗透侧流动速率超过100L/min，足以满足变压吸附的容量；然后利用变压吸附进一步提高CO2的纯度；变压吸附循环由加压、吸附、排污、冲洗、解吸5步组成，最后可以实现99％的CO2纯度。首先通过膜分离进行CO2的预浓缩，以提高废气中CO2的浓度，然后再进行低温分离，最后获得高浓度、高压力的液态CO2。研究结果显示，当CO2浓度在15％～30％之间时，相比于较成熟的化学吸收(以MEA为例)法，此复合过程可以减少捕集能耗。当CO2的回收率和纯度分别为85％和89％时，膜/低温蒸馏复合法的最低的能耗为3GJ/tCO2(包括将CO2压缩至110bar所需能耗)。液化空气公司研究开发出基于低温膜操作和低温蒸馏的经济有效的复合法。烟气经过压缩和干燥等预处理后被输送到低温膜系统，高选择性的膜单元对CO2的浓度进行了预浓缩，然后在CO2液化器中进一步进行分离，最后高纯度液态CO2产品可以用来提高原油开采率或被封存。参见图2所示，图2为并联的两级两段膜法分离CO2过程示意图。但是，膜分离法中用到的膜材料存在制造成本高、机械性能差、形状固定、高温性能下降严重等劣势而发展受限。
此外，低温分离法是通过低温冷凝分离CO2的一种物理过程。CO2在常温常压下是以为气态形式出现的，而低温分离则是根据烟气中不同组分气体挥发性的差异，将烟气进行重复压缩和冷凝，达到CO2的临界值，从而使CO2从气态变液态，从混合气体中分离出来。该方法能提纯较为纯净的CO2，可直接做食品添加剂使用。但是，其反复压缩和冷凝将带来的巨大能耗损失和额外的碳排放，且其设备投资运行费用高，进一步提高了成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，与化学吸收法相比，一方面，降低对设备及操作人员的危害：设备运行无特殊化学试剂添加，无刺激性气味，无强腐蚀性介质，对设备及操作人员友好；另一方面，降低CO2再生成本及设备运行成本：CO2的吸附与解吸仅需控制湿度，一次性投资成本且运行成本低廉；与膜分离法相比，能够降低设备投资成本：材料制作原料易得，处理工艺简单；提高材料形状多变性：基于湿法再生CO2捕集材料有较强的机械性能，可以制成膜状、波浪状、丝状等形状，适应不同工况环境；与低温分离法相比，降低设备运行成本：CO2的吸附与再生是基于湿度的控制，无需将原料气反复压缩和冷凝，大大降低碳捕集能耗。
本发明提供了一种基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，包括以下步骤：
a)将来自集中CO2排放源的烟气通过碱性溶液直接接触式冷凝后，加热至不低于烟气饱和温度以上15℃或更高，然后分别通入若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元中，对所述湿法再生CO2捕集材料进行干燥；
b)采用步骤a)干燥后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2吸附，再通过水喷淋的方式对上述CO2吸附后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2解吸附；
c)采用真空泵将步骤b)得到的CO2抽进缓冲装置中，再依次经除湿、压缩，得到CO2气体储存；
通过所述若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元重复上述步骤a)～c)，进行连续产气或间歇产气，实现从集中二氧化碳排放源中脱碳。
优选的，步骤a)中所述烟气的流速不低于100000Nm3/h；所述烟气中CO2的体积分数不低于1％。
优选的，步骤a)中所述直接接触式冷凝后的烟气温度降至饱和温度以下或更低。
优选的，步骤a)中所述若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元为四组；所述湿法再生CO2捕集材料为通过离子置换搭载碳酸根离子或磷酸根离子的多孔树脂膜材料。
优选的，步骤a)中所述干燥的时间为50min～70min。
优选的，步骤b)中所述CO2吸附的时间为20min～40min。
优选的，步骤b)中所述水喷淋的出水量满足在1min内将湿法再生CO2捕集材料全部打湿；所述CO2解吸附的时间不少于30min。
优选的，所述步骤b)还包括：
CO2解吸附前，将碳捕集单元中残留的气体抽出后排出。
优选的，所述连续产气的过程采用四组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元连续交错运行实现，第一组碳捕集单元按照上述步骤a)干燥、步骤b)CO2吸附、步骤b)CO2解吸附、步骤c)储存四个过程连续循环进行，第二组捕集装置对应按照步骤b)CO2吸附、步骤b)CO2解吸附、步骤c)储存、步骤a)干燥四个过程连续循环进行，第三组捕集装置对应按照步骤b)CO2解吸附、步骤c)储存、步骤a)干燥、步骤b)CO2吸附四个过程连续循环进行，第四组捕集装置对应按照步骤c)储存、步骤a)干燥、步骤b)CO2吸附、步骤b)CO2解吸附四个过程连续循环进行，实现连续循环产生CO2气体。
优选的，所述间歇产气的过程采用四组以上并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元同时运行实现。
本发明提供了一种基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，包括以下步骤：a)将来自集中CO2排放源的烟气通过碱性溶液直接接触式冷凝后，加热至不低于烟气饱和温度以上15℃或更高，然后分别通入若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元中，对所述湿法再生CO2捕集材料进行干燥；b)采用步骤a)干燥后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2吸附，再通过水喷淋的方式对上述CO2吸附后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2解吸附；c)采用真空泵将步骤b)得到的CO2抽进缓冲装置中，再依次经除湿、压缩，得到CO2气体储存；通过所述若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元重复上述步骤a)～c)，进行连续产气或间歇产气，实现从集中二氧化碳排放源中脱碳。现有的从烟气中捕集CO2技术多采用碱液吸收、物理固体吸附、膜分离法等，因其原料再生能耗大、成本高、设备腐蚀严重、效率低下等问题而饱受诟病；与现有技术相比，本发明提供的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法采用特定步骤、条件及参数，实现整体较好的相互作用，能够实现以下有益效果：(1)降低材料成本：材料制作原料易得，加工工艺简单，材料形状多变，能适应多种工况；(2)降低设备成本：设备组成为塔、罐、泵、管道等常规工业设备，一次性投资，运行、维护简单；(3)降低运行成本：材料可实现近万次循环，再生能耗仅为水且可循环使用，无腐蚀性化学试剂，成本低且设备连续运转，生产效率高，可实现连续产出CO2；(4)提高产品气体纯度：可根据需要生产各种浓度的CO2，且气体纯度高、用途广；(5)助力国家实现“碳中和、碳达峰”目标：烟气的碳排放较多，从中捕碳至关重要，弥补当前烟气中捕集CO2技术的劣势，整个碳捕集过程绿色无污染，对环境友好，实现负碳排放，彰显大国担当。
附图说明
图1为现有技术中典型的胺液化学吸收法碳捕集工艺流程图；
图2为现有技术中并联的两级两段膜法分离CO2过程示意图；
图3为本发明实施例提供的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法的工艺流程图；
图4为本发明实施例提供的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法中材料循环流程示意图；
图5为本发明实施例提供的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法中设备间歇运行示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，包括以下步骤：
a)将来自集中CO2排放源的烟气通过碱性溶液直接接触式冷凝后，加热至不低于烟气饱和温度以上15℃或更高，然后分别通入若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元中，对所述湿法再生CO2捕集材料进行干燥；
b)采用步骤a)干燥后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2吸附，再通过水喷淋的方式对上述CO2吸附后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2解吸附；
c)采用真空泵将步骤b)得到的CO2抽进缓冲装置中，再依次经除湿、压缩，得到CO2气体储存；
通过所述若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元重复上述步骤a)～c)，进行连续产气或间歇产气，实现从集中二氧化碳排放源中脱碳。
在本发明中，所述脱碳即脱除CO2。
本发明首先将来自集中CO2排放源的烟气通过碱性溶液直接接触式冷凝后，加热至不低于烟气饱和温度以上15℃或更高，然后分别通入若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元中，对所述湿法再生CO2捕集材料进行干燥。在本发明中，所述集中CO2排放源优选为电厂、钢厂、水泥厂等CO2集中排放源。
在本发明中，所述烟气的流速优选不低于100000Nm3/h，更优选不低于200000Nm3/h(Nm3/h指标准立方米每小时：0℃、101.325Kpa下，每小时1立方米的气体流速)；所述烟气中CO2的体积分数优选不低于1％，更优选>3％(含有较高浓度CO2的烟气)。
在本发明中，所述直接接触式冷凝优选采用直接接触式冷凝器实现；所述直接接触式冷凝后的烟气温度降至饱和温度以下或更低。
在本发明中，直接接触式冷凝器内部的冷却用水通过泵进行水循环；与此同时，考虑到烟气脱硫脱硝等预处理不够完全，气体含有酸性物质而与冷却水多次接触后使冷却水呈酸性，对设备造成腐蚀影响，故可通过碱性溶液泵入直接接触式冷凝器中，使循环水呈中性。
本发明优选通过热交换器进行加热，至不低于烟气饱和温度以上15℃或更高。
在本发明中，所述若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元优选为四组。在本发明中，所述湿法再生CO2捕集材料为通过离子置换搭载碳酸根离子或磷酸根离子(包括但不限于碳酸根离子及磷酸根离子)的多孔树脂膜材料，能在干燥时吸收CO2，环境湿度高时释放出CO2。
本发明采用上述湿法再生CO2捕集材料，可根据环境湿度的变化控制材料对CO2的吸/脱附；鉴于此，本发明将该材料用于从电厂、钢厂、水泥厂、化工厂等集中CO2排放源中捕集CO2，来自工业过程的烟气具有CO2含量高、湿度高、温度高、含硫含硝、有飞尘杂质等特点，为更好地捕集烟气中的CO2，首先需对排放的烟气进行脱硫、脱硝、除尘等预处理，而后进行脱碳。在本发明中，所述湿法再生CO2捕集材料可循环吸附、脱附，并且CO2捕集材料的再生通过湿度控制，能耗低。
在本发明中，所述干燥的温度即上述技术方案中所述的加热至不低于烟气饱和温度以上15℃或更高；所述干燥的时间优选为50min～70min，更优选为60min。
干燥后，本发明采用干燥后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2吸附，再通过水喷淋的方式对上述CO2吸附后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2解吸附。在本发明中，所述CO2吸附的时间优选为20min～40min，更优选为30min；材料在干燥阶段仍吸附有部分CO2，可视为仅在吸附阶段计算。
在本发明中，所述水喷淋的出水量优选满足在1min内将湿法再生CO2捕集材料全部打湿；所述CO2解吸附的时间优选不少于30min。
在本发明中，所述步骤b)优选还包括：
CO2解吸附前，将碳捕集单元中残留的气体(原有的残留烟气及空气等其他气体)抽出后排出。在本发明中，所述湿法再生CO2捕集材料进行CO2吸附结束后，通过真空泵将碳捕集单元中原有的残留烟气及空气等其他气体抽出后排出；不同的抽真空程度，可以产生不同浓度的CO2气体。
最后，本发明采用真空泵将得到的CO2抽进缓冲装置中，再依次经除湿、压缩，得到CO2气体储存。在本发明中，所述除湿优选采用除湿机；所述压缩优选采用压缩机。
在本发明中，所述CO2气体储存的装置优选为CO2储罐；设置CO2储罐中原有的真空度参数不同可调节所捕集的罐中CO2浓度。
本发明能够实现湿法再生CO2捕集材料CO2吸附、CO2解吸附循环：
通过所述若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元重复上述步骤a)～c)，进行连续产气或间歇产气，实现从集中二氧化碳排放源中脱碳。
在本发明中，所述连续产气的过程优选采用四组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元连续交错运行实现，第一组碳捕集单元按照上述步骤a)干燥、步骤b)CO2吸附、步骤b)CO2解吸附、步骤c)储存四个过程连续循环进行，第二组捕集装置对应按照步骤b)CO2吸附、步骤b)CO2解吸附、步骤c)储存、步骤a)干燥四个过程连续循环进行，第三组捕集装置对应按照步骤b)CO2解吸附、步骤c)储存、步骤a)干燥、步骤b)CO2吸附四个过程连续循环进行，第四组捕集装置对应按照步骤c)储存、步骤a)干燥、步骤b)CO2吸附、步骤b)CO2解吸附四个过程连续循环进行，实现连续循环产生CO2气体。
在本发明中，所述间歇产气的过程优选采用四组以上并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元同时运行实现。
本发明提供了一种基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，包括以下步骤：a)将来自集中CO2排放源的烟气通过碱性溶液直接接触式冷凝后，加热至不低于烟气饱和温度以上15℃或更高，然后分别通入若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元中，对所述湿法再生CO2捕集材料进行干燥；b)采用步骤a)干燥后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2吸附，再通过水喷淋的方式对上述CO2吸附后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2解吸附；c)采用真空泵将步骤b)得到的CO2抽进缓冲装置中，再依次经除湿、压缩，得到CO2气体储存；通过所述若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元重复上述步骤a)～c)，进行连续产气或间歇产气，实现从集中二氧化碳排放源中脱碳。现有的从烟气中捕集CO2技术多采用碱液吸收、物理固体吸附、膜分离法等，因其原料再生能耗大、成本高、设备腐蚀严重、效率低下等问题而饱受诟病；与现有技术相比，本发明提供的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法采用特定步骤、条件及参数，实现整体较好的相互作用，能够实现以下有益效果：(1)降低材料成本：材料制作原料易得，加工工艺简单，材料形状多变，能适应多种工况；(2)降低设备成本：设备组成为塔、罐、泵、管道等常规工业设备，一次性投资，运行、维护简单；(3)降低运行成本：材料可实现近万次循环，再生能耗仅为水且可循环使用，无腐蚀性化学试剂，成本低且设备连续运转，生产效率高，可实现连续产出CO2；(4)提高产品气体纯度：可根据需要生产各种浓度的CO2，且气体纯度高、用途广；(5)助力国家实现“碳中和、碳达峰”目标：烟气的碳排放较多，从中捕碳至关重要，弥补当前烟气中捕集CO2技术的劣势，整个碳捕集过程绿色无污染，对环境友好，实现负碳排放，彰显大国担当。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用的湿法再生CO2捕集材料是指将大孔强碱树脂颗粒(D201，苯乙烯和二乙烯基苯共聚物上负载有季铵基团的阴离子交换树脂)镶嵌在聚合物基质中，制成离子交换膜，用于脱除烟气中的CO2。该材料原用于水处理，膜上含有约60wt.％的树脂颗粒和一层用于增强机械性能的尼龙纤维。膜中原有的可交换阴离子为Cl-，离子交换容量为2.0～2.2mmol/g；在离子交换膜上进行了用包括但不限于碳酸盐溶液、磷酸盐溶液中的洗涤过程，用CO3 2-离子或PO4 2-取代Cl-离子；具体来说，将上述初始膜材料在90℃～95℃的0.5mol/L碳酸钠溶液或磷酸钠溶液中浸泡1h，使膜材与溶液充分接触；然后每隔4h更换一次相同浓度的碳酸钠或磷酸钠溶液，共计更换不少于4次，以进行充分的离子交换，并在每次更换洗涤后用去离子水冲洗膜；将完成离子交换的的膜在浸泡在室温下的去离子水中备用，然后可进行CO2吸收/解吸试验。
实施例
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法的工艺流程图；其中，1、2、15、17、19、21、22、23、24、25、26、27、28、29、35-气体阀门，3-直接接触式冷凝器，4、5、9、10、43-泵，14、16、18、20、49-水阀门，30、31、32、33-气体三通阀门，34、37-风机，38-真空泵、41-压缩机，6-碱液罐，7-排废水处，8、12、13-热交换器，11-热泵，36-排气筒，39-气体缓冲罐，40-除湿机，42-CO2储罐，44-循环水箱，45、46、47、48-装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元，49-烟气入口。
具体工作过程如下：
来自工业过程的烟气(包括但不限于电厂、钢厂、水泥厂、化工厂等集中CO2排放源)从烟气入口(49)以不低于200000Nm3/h(Nm3/h指标准立方米每小时：0℃、101.325Kpa下，每小时1立方米的气体流速)流入并通过气体阀门(1)而进入整个碳捕集工艺过程，温度较高的烟气经过直接接触式冷凝器(3)将气体温度降至饱和温度以下或更低。
适用烟气中主要成分的含量限定表参见表1所示。
表1适用烟气中主要成分的含量限定表
| 成分 | 含量(体积分数) |
| CO<sub>2</sub> | >3％ |
| H<sub>2</sub>O | 任意 |
| O<sub>2</sub> | 2～7％ |
| N<sub>2</sub> | 70～80％ |
| 其他杂质 | <0.01％ |
直接接触式冷凝器(3)内部的冷却用水通过泵(4)进行水循环；与此同时，考虑到烟气脱硫脱硝等预处理不够完全，气体含有酸性物质而与冷却水多次接触后使冷却水呈酸性，对设备造成腐蚀影响，故可通过泵(5)将碱液罐(6)中的碱性溶液泵入直接接触式冷凝器(3)中，使循环水呈中性；烟气冷凝产生的液态水一部分补充至循环水箱(44)，多余的废水通过排水处(7)排出；随着气体的冷却，循环水的温度升高，此时通过泵(9)将载冷剂与循环水在热交换器(8)中发生热交换、进一步与热泵(11)换热，泵(10)将热媒从热泵处泵入热交换器(13)中，由此经过冷却的烟气通过热交换器(13)而加热至不低于烟气饱和温度以上15℃或更高；如果热交换器(13)出口温度过高，可将热交换器(12)通入冷却水进行降温。
(1)材料干燥：
经过冷却及加热后的烟气进入装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元(45)中，利用烟气的较高温度(不低于烟气饱和温度以上15℃或更高)对材料进行60分钟干燥，此时气体通过气体阀门(23)、气体三通阀门(30)、风机(37)进入直接接触式冷凝器(3)，后续冷却及加热与前所述一致。
(2)材料吸附CO2：
材料干燥结束后，材料在上述干燥温度下进行吸附CO2阶段，持续时间30分钟，材料在干燥阶段仍吸附有部分CO2，可视为仅在吸附阶段计算；此时气体通过气体阀门(23)、气体三通阀门(30)、风机(34)并经由排气筒排至大气。
(3)材料解吸附CO2：
材料吸附阶段结束后，关闭气体阀门(15)和(23)，打开气体阀门(22)及真空泵(38)将碳捕集单元(45)中原有的残留烟气及空气等其他气体抽出后排出；而后关闭气体阀门(22)，打开水阀门(14)、(49)及泵(43)将循环水箱(44)中的室温下的水泵入并喷淋装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元(45)，水打湿材料后通过水阀门(14)进入循环水箱(44)，出水量应满足在1min内将碳捕集单元内的全部材料打湿，装填材料量视碳捕集单元容量大小而定；材料经水打湿后，关闭水阀门(14)、(49)及泵(43)；使材料在浸湿水后在当下温度(为原有吸附温度经喷淋水降温后)释放出捕集的CO2，材料解吸附CO2持续时间不少于30min。
(4)CO2储存：
打开真空泵(38)，将材料脱附产生的CO2抽进气体缓冲罐(39)中，再进入除湿机(40)中除湿，再经过压缩机(41)，将气体储存在CO2储罐(42)中。设置CO2储罐(42)中原有的真空度参数不同可调节所捕集的罐中CO2浓度。
(5)材料吸附、解吸附循环：
材料在单个装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元中的干燥、吸附、解吸附、储存如前所述；在碳捕集单元(45)的每个碳捕集循环进行到30分钟、60分钟、90分钟时，装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元(46)、(47)、(48)也单独进行与装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元(45)一样的干燥、吸附、解吸附、储存过程，阀门启闭流程与装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元(45)一致，这样可以实现装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元连续循环产生CO2气体；材料循环流程示意图参见图4所示。
同时，本发明的设备运行方式可以是上述四个碳捕集单元连续交错运行以连续产气，也可以是四个或更多碳捕集单元并联运行，材料仅在脱附时产生CO2，运行方式为间歇型，示意图如图5所示。
设备间歇产生CO2时，前述气体冷却及加热与连续型运行一致，区别在于：碳捕集单元(45)运行的同时，打开其余的碳捕集单元(46)(47)(48)，而非间隔30、60、90分钟后打开，其余操作与阀门启闭与碳捕集单元(45)类似；并且，碳捕集单元的数量不限于4个。
此外，直接接触式冷凝器(2)也可被管式冷凝器等非直接接触式换热器替代；在此情况下，热交换器(8)将被移除，来自热泵(11)与泵(9)的载冷剂直接进入管式冷凝器与烟气换热，使烟气中的水分冷凝。
每个气体三通阀门(30)或(31)或(32)或(33)可以由三通管路加两只气体阀门替代。
综上，本发明相比现有技术具有如下有益效果：
(1)针对化学吸收法：该方法应用广泛且较成熟，但氨水等碱性溶液往往易挥发、有刺激性气味、醇胺等碱性溶液腐蚀性强，对操作人员健康造成危害或对设备腐蚀较为严重等一系列不良后果。且碱性溶液与CO2结合能力强，原料再生及CO2释放所需能耗巨大；本发明的优点：对设备及操作人员的危害低：设备运行无特殊化学试剂添加，无刺激性气味，无强腐蚀性介质，对设备及操作人员友好；CO2再生成本及设备运行成本低：CO2的吸附与解吸仅需控制湿度，且可以多次循环，一次性投资成本及运行成本低廉。
(2)针对膜分离法：膜分离技术是利用隔离分散对粒径和压力差的不同要求来实现物质的分离和分类的；这是一种较为新型的技术，它利用特定膜的选择性作用，通过膜与烟气中的CO2之间的物理或化学反应来进行选择性吸收的，可分为无机膜和有机膜；但是此类膜因其制造成本高、机械性能差、形状固定、高温性能下降严重等劣势而发展受限；本发明的优点：设备投资成本低：材料制作原料易得，处理工艺简单；材料形状多变：基于湿法再生CO2捕集材料有较强的机械性能，可以制成膜状、波浪状、丝状等形状，适应不同工况环境；
(3)针对低温分离法：低温分离法是通过低温冷凝分离CO2的一种物理过程。CO2在常温常压下是以气态形式出现的，而低温分离则是根据烟气中不同组分气体挥发性的差异，将烟气进行重复压缩和冷凝，达到CO2的临界值，从而使CO2从气态变液态，从混合气体中分离出来；该方法能提纯较为纯净的CO2，可直接做食品添加剂使用，但是其反复压缩和冷凝将带来的巨大能耗损失和额外的碳排放，且其设备投资运行费用高，进一步提高了成本；本发明的优点：降低设备运行成本：CO2的吸附与再生是基于湿度的控制，无需将原料气反复压缩和冷凝，大大降低碳捕集能耗。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，包括以下步骤：
a)将来自集中CO2排放源的烟气通过碱性溶液直接接触式冷凝后，加热至不低于烟气饱和温度以上15℃或更高，然后分别通入若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元中，对所述湿法再生CO2捕集材料进行干燥；
b)采用步骤a)干燥后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2吸附，再通过水喷淋的方式对上述CO2吸附后的湿法再生CO2捕集材料进行CO2解吸附；
c)采用真空泵将步骤b)得到的CO2抽进缓冲装置中，再依次经除湿、压缩，得到CO2气体储存；
通过所述若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元重复上述步骤a)～c)，进行连续产气或间歇产气，实现从集中二氧化碳排放源中脱碳。
2.根据权利要求1所述的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，其特征在于，步骤a)中所述烟气的流速不低于100000Nm3/h；所述烟气中CO2的体积分数不低于1％。
3.根据权利要求1所述的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，其特征在于，步骤a)中所述直接接触式冷凝后的烟气温度降至饱和温度以下或更低。
4.根据权利要求1所述的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，其特征在于，步骤a)中所述若干组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元为四组；所述湿法再生CO2捕集材料为通过离子置换搭载碳酸根离子或磷酸根离子的多孔树脂膜材料。
5.根据权利要求1所述的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，其特征在于，步骤a)中所述干燥的时间为50min～70min。
6.根据权利要求1所述的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，其特征在于，步骤b)中所述CO2吸附的时间为20min～40min。
7.根据权利要求1所述的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，其特征在于，步骤b)中所述水喷淋的出水量满足在1min内将湿法再生CO2捕集材料全部打湿；所述CO2解吸附的时间不少于30min。
8.根据权利要求1所述的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，其特征在于，所述步骤b)还包括：
CO2解吸附前，将碳捕集单元中残留的气体抽出后排出。
9.根据权利要求1所述的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，其特征在于，所述连续产气的过程采用四组并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元连续交错运行实现，第一组碳捕集单元按照上述步骤a)干燥、步骤b)CO2吸附、步骤b)CO2解吸附、步骤c)储存四个过程连续循环进行，第二组捕集装置对应按照步骤b)CO2吸附、步骤b)CO2解吸附、步骤c)储存、步骤a)干燥四个过程连续循环进行，第三组捕集装置对应按照步骤b)CO2解吸附、步骤c)储存、步骤a)干燥、步骤b)CO2吸附四个过程连续循环进行，第四组捕集装置对应按照步骤c)储存、步骤a)干燥、步骤b)CO2吸附、步骤b)CO2解吸附四个过程连续循环进行，实现连续循环产生CO2气体。
10.根据权利要求1所述的基于湿法再生二氧化碳捕集材料的从集中二氧化碳排放源中脱碳的方法，其特征在于，所述间歇产气的过程采用四组以上并联的装有湿法再生CO2捕集材料的碳捕集单元同时运行实现。
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2022
- 2022-03-09 CN CN202210224231.5A patent/CN114558414A/zh active Pending
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