CN114558428A - 烟气中二氧化碳的捕集装置以及方法 - Google Patents

烟气中二氧化碳的捕集装置以及方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了烟气中二氧化碳的捕集装置以及方法。具体的，待处理烟气由第一气体混合单元输入第一膜分离组件，第一膜分离组件的渗透气输入第二气体混合单元，第一膜分离组件的非渗透气输入第二膜分离组件，第二膜分离组件的渗透气再次输入第一气体混合单元，第二气体混合单元的待处理气体输入第三膜分离组件，第三膜分离组件的渗透气输入第五膜分离组件，第三膜分离组件的非渗透气输入第四膜分离组件，第四膜分离组件的渗透气和第五膜分离组件的非渗透气再次输入第二气体混合单体。本申请提供的二氧化碳捕集装置在二氧化碳浓度较低的情况下，仍然具有较高的二氧化碳回收率，高回收率意味着较低的捕集能耗和较低的捕集综合成本。

Description

烟气中二氧化碳的捕集装置以及方法
技术领域
本申请涉及二氧化碳回收技术领域，尤其涉及烟气中二氧化碳的捕集装置以及方法。
背景技术
全球变暖是目前世界上主要的环境问题之一，在导致气候变化的各种温室气体中，二氧化碳对地球升温影响最大，控制二氧化碳排放已成为应对气候变暖的重要技术路线之一。
高纯度的二氧化碳是一种重要的工业气体，分离捕集的二氧化碳不仅可以注入石油和天然气，提高油气采收率，也可以广泛用于合成有机化合物、制造碳酸饮料等，实现资源化利用。
目前二氧化碳的捕集回收方法中，膜分离是较为有效的方法之一。膜分离法的主要原理是两种或两种以上的气体混合物通过高分子膜时，由于各种气体在膜中的溶解度和扩散系数的不同，导致不同气体在膜中相对渗透速率有差异，其中渗透速率相对快的气体能够优先通过渗透膜而被富集，渗透速率相对较慢的气体则在膜的滞留侧被富集，从而达到混合气体分离的目的。
在公开号为CN112516757A的专利中，公开了一种用于烟气二氧化碳捕集的三级三段膜分离系统及方法，该专利虽然可以达到较高的二氧化碳回收率，但是由于其采用了三段压缩，能耗较高；另外，该专利中膜分离过程需要加湿，耗水量大；此外，在二氧化碳烟气浓度较低的情况下，二氧化碳的回收率并不高。
在公开号为CN107899377A的专利中，公开了烟气中二氧化碳的捕集回收装置及方法，但是，该专利中二氧化碳回收率不高，例如，其第一段膜分离二氧化碳的回收率经计算仅为58.00％，计算方式为：第一段膜分离渗透气流量1332*第一段膜分离渗透气中二氧化碳含量54.19％/(原料气流量10000*原料气中二氧化碳含量12.37％)；第二段膜分离二氧化碳的回收率经计算仅为54.00％，计算方式为：第二段膜分离渗透气流量699*第二段膜分离渗透气中二氧化碳含量97.11％/(原料气流量10000*原料气中二氧化碳含量12.37％)。
发明内容
本申请的一个目的在于提供一种综合能耗低的烟气中二氧化碳的捕集装置以及方法。
一种烟气中二氧化碳的捕集装置，包括：第一气体混合单元、第二气体混合单元、第一膜分离组件、第二膜分离组件、第三膜分离组件、第四膜分离组件、第五膜分离组件，
所述第一膜分离组件具有第一进气口、第一渗透气出口以及第一非渗透气出口，所述第一进气口与所述第一气体混合单元连通，从而所述第一气体混合单元的气体适于进入所述第一膜分离组件，所述第一渗透气出口适于与所述第二气体混合单元连通，从而所述第一膜分离组件的渗透气适于进入所述第二气体混合单元；
所述第二膜分离组件具有第二进气口、第二渗透气出口以及第二非渗透气出口，所述第二进气口与所述第一非渗透气出口连通，所述第二渗透气出口与所述第一气体混合单元连通；
所述第三膜分离组件具有第三进气口、第三渗透气出口以及第三非渗透气出口，所述第三进气口与所述第二气体混合单元连通，从而第二气体混合单元的气体适于进入所述第三膜分离组件；
所述第四膜分离组件具有第四进气口、第四渗透气出口以及第四非渗透气出口，所述第四进气口与所述第三非渗透气出口连接，所述第四渗透气出口与所述第二气体混合单元连接；
所述第五膜分离组件具有第五进气口、第五渗透气出口以及第五非渗透气出口，所述第五进气口与所述第三渗透气出口连接，所述第五非渗透气出口与所述第二气体混合单元连接；
外部待处理烟气适于输入所述第一气体混合单元，所述第一渗透气出口以及所述第五渗透气出口适于输出不同浓度的二氧化碳气体。
进一步地，所述二氧化碳捕集装置还包括第一高压能回收单元，所述第二非渗透气出口与所述第一高压能回收单元连接，从而通过所述第一高压能回收单元回收利用所述第二非渗透气出口的高压气体的压缩能。
进一步地，所述二氧化碳捕集装置还包括第二高压能回收单元，所述第四非渗透气出口与所述第二高压能回收单元连接，从而通过所述第二高压能回收单元回收利用所述第四非渗透气出口的高压气体的压缩能。
进一步地，所述第一高压能回收单元和所述第二高压能回收单元为膨胀发电机。
进一步地，所述二氧化碳捕集装置还包括第一压缩单元，所述第一压缩单元设置在所述第一气体混合单元与所述第一膜分离组件之间，适于对所述第一气体混合单元的气体进行增压，并将增压后的气体输送至所述第一膜分离组件。
进一步地，所述二氧化碳捕集装置还包括第二压缩单元，所述第二压缩单元设置在所述第二气体混合单元与所述第三膜分离组件之间，适于对所述第二气体混合单元的气体进行增压，并将增压后的气体输送至所述第三膜分离组件。
进一步地，所述第一膜分离组件、所述第二膜分离组件、所述第三膜分离组件、所述第四膜分离组件、所述第五膜分离组件各自独立地选自中空纤维膜、卷式膜中的一种或多种的组合。
本申请还提供一种烟气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于，包括：
将待处理烟气通入第一膜分离组件；
将所述第一膜分离组件产生的非渗透气通入第二膜分离组件，将所述第一膜分离组件产生的渗透气通入第三膜分离组件，将所述第二膜分离组件产生的渗透气与待处理烟气混合后通入所述第一膜分离组件；
将所述第三膜分离组件产生的非渗透气通入第四膜分离组件，将所述第三膜分离组件产生的渗透气通入第五膜分离组件；
将所述第四膜分离组件产生的渗透气、所述第五膜分离组件产生的非渗透气与所述第一膜分离组件产生的渗透气混合后通入所述第三膜分离组件。
进一步地，本申请的捕集方法还包括步骤：回收所述第二膜分离组件产生的高压非渗透气的压缩能，回收所述第四膜分离组件产生的高压非渗透气的压缩能。
进一步地，待处理烟气与所述第二膜分离组件产生的渗透气混合后，再经第一压缩单元增压后输送入所述第一膜分离组件；所述第四膜分离组件产生的渗透气、所述第五膜分离组件产生的非渗透气与所述第一膜分离组件产生的渗透气混合后，再经第二压缩单元增压后输送入所述第三膜分离组件。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：本申请提供的二氧化碳捕集装置在二氧化碳浓度较低的情况下，仍然具有较高的二氧化碳回收率，高回收率意味着较低的捕集能耗和较低的捕集综合成本。
附图说明
图1为本申请的烟气中二氧化碳的捕集装置的一个实施例的示意图；
图中：11、第一气体混合单元；12、第二气体混合单元；21、第一膜分离单元；22、第二膜分离单元；23、第三膜分离单元；24、第四膜分离单元；25、第五膜分离单元；31、第一高压能回收单元；32、第二高压能回收单元；41、第一压缩单元；42、第二压缩单元。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本申请提供一种烟气中二氧化碳的捕集装置，包括第一气体混合单元11、第二气体混合单元12、第一膜分离组件21、第二膜分离组件22、第三膜分离组件23、第四膜分离组件24以及第五膜分离组件25。
待处理的烟气适于通入到第一气体混合单元11内与其它含二氧化碳的气体进行混合，混合后再输送至第一膜分离组件21。经过浓缩后的含二氧化碳气体适于通入第二气体混合单元12内与其它含二氧化碳的气体进行混合，混合后再输送至第三膜分离组件23。
第一膜分离组件21具有第一进气口、第一渗透气出口以及第一非渗透气出口。第一进气口适于与第一气体混合单元11连通，从而第一气体混合单元11内的待处理烟气适于进入第一膜分离组件21。第一渗透气出口适于与第二气体混合单元12连通，从而第一膜分离组件21的渗透气适于进入第二气体混合单元12。第一非渗透气出口排出的气体适于进入第二膜分离组件22，第二膜分离组件22对非渗透气进行进一步的浓缩。值得一提的是，第一渗透气出口排出的是浓缩后的含二氧化碳的气体，同时，第一非渗透气出口排出的气体中仍然含有少量二氧化碳，为了降低二氧化碳的排放，本申请采用第二膜分离组件22对非渗透气进行进一步的浓缩，浓缩后二氧化碳浓度较高的渗透气通入到第一气体混合单元11，与待处理的烟气混合后再次进入第一膜分离组件21进行浓缩。
第二膜分离组件22具有第二进气口、第二渗透气出口以及第二非渗透气出口。第二进气口与第一非渗透气出口连通，从而第一膜分离组件21的非渗透气适于进入第二膜分离组件22。第二渗透气出口与第一气体混合单元11连通，从而第二膜分离组件22的渗透气适于进入第一气体混合单元11与待处理烟气混合，混合后再输入第一膜分离组件21。第二非渗透气出口排出的气体中二氧化碳浓度已经很低，可以直接排放，但是由于第二非渗透气出口排出的气体为压缩气体，可以利用高压能回收装置回收压缩能，以避免能源的浪费。
第三膜分离组件23具有第三进气口、第三渗透气出口以及第三非渗透气出口。第三进气口与第二气体混合单元12连通，从而第二气体混合单元12内的气体适于进入到第三膜分离组件23。第三渗透气出口与第五膜分离组件25连通，从而第三膜分离组件23的渗透气适于进入第五膜分离组件25进行进一步浓缩。第三非渗透气出口与第四膜分离组件连通，从而第三膜分离组件23的非渗透气适于进入第四膜分离组件进行浓缩。
第四膜分离组件24具有第四进气口、第四渗透气出口以及第四非渗透气出口。第四进气口与第三非渗透气出口连通，从而第三膜分离组件23的非渗透气适于进入第四膜分离组件24。第四渗透气出口与第二气体混合单元12连通，从而第四膜分离组件24的渗透气适于进入第二气体混合单元12与初步浓缩的含二氧化碳气体混合，混合后再输入第三膜分离组件23。第四非渗透气出口排出的气体中二氧化碳浓度已经很低，可以直接排放，但是由于第四非渗透气出口排出的气体为压缩气体，可以利用高压能回收装置回收压缩能，以避免能源的浪费。
第五膜分离组件25具有第五进气口、第五渗透气出口以及第五非渗透气出口。第五进气口与第三渗透气出口连通，从而第三膜分离自己23的渗透气适于进入第五膜分离组件25。第五渗透气出口排出高浓度二氧化碳气体，可以进行资源化利用。第五非渗透气出口与第二气体混合单元12连通，从而第五膜分离组件25产生的非渗透气适于进入第二气体混合单元12与初步浓缩的含二氧化碳气体混合，混合后再输入第三膜分离组件23。
本申请提供的烟气中二氧化碳的捕集装置采用两段多级正压膜分离，在典型较低烟气浓度工况下，第一膜分离单元21可获得不低于50％二氧化碳浓度的气体，第五膜分离单元25可获得不低于95％二氧化碳浓度的气体，满足二氧化碳梯级利用或储存的需求。
在一些实施例中，本申请的捕集装置还包括第一高压能回收单元31，第二非渗透气出口与第一高压能回收单元31连接，从而通过第一高压能回收单元31回收利用高压气体的压缩能。优选地，第一高压能回收单元31为膨胀发电机。
在一些实施例中，本申请的捕集装置还包括第二高压能回收单元32，第四非渗透气出口与第二高压能回收单元32连接，从而通过第二高压能回收单元32回收利用高压气体的压缩能。优选地，第二高压能回收单元32为膨胀发电机。
本申请提供的烟气中二氧化碳的捕集装置能够回收压缩能，降低二氧化碳捕集的综合能耗。
在一些实施例中，本申请的捕集装置还包括第一压缩单元41，第一压缩单元41设置在第一气体混合单元11与第一膜分离组件21之间，其适于对第一气体混合单元11的气体进行增压，并将增压后的气体输送至第一膜分离组件21。
在一些实施例中，本申请的捕集装置还包括第二压缩单元42，第二压缩单元42设置在第二气体混合单元12与第三膜分离组件23之间，其适于对第二气体混合单元12的气体进行增压，并将增压后的气体输送至第三膜分离组件23。
在一些实施例中，第一膜分离组件21、第二膜分离组件22、第三膜分离组件23、第四膜分离组件24、第五膜分离组件25各自独立地选自中空纤维膜、卷式膜中的一种或多种的组合。
优选地，第一膜分离组件21、第二膜分离组件22、第三膜分离组件23、第四膜分离组件24、第五膜分离组件25的CO2/N2分离系数为10-100。
值得一提的是，第一气体混合单元11和第二气体混合单元12均为混合罐。第一压缩单元41和第二压缩单元42均为压缩机。
本申请还提供一种烟气中二氧化碳的捕集方法，包括以下步骤：
将待处理烟气通入第一膜分离组件21；
将所述第一膜分离组件21产生的非渗透气通入第二膜分离组件22，将所述第一膜分离组件21产生的渗透气通入第三膜分离组件23，将所述第二膜分离组件22产生的渗透气与待处理烟气混合后通入所述第一膜分离组件21；
将所述第三膜分离组件23产生的非渗透气通入第四膜分离组件24，将所述第三膜分离组件产生的渗透气通入第五膜分离组件25；
将所述第四膜分离组件24产生的渗透气、所述第五膜分离组件25产生的非渗透气与所述第一膜分离组件21产生的渗透气混合后通入所述第三膜分离组件23。
在一些实施例中，回收所述第二膜分离组件22产生的高压非渗透气的压缩能，回收所述第四膜分离组件24产生的高压非渗透气的压缩能。
在一些实施例中，待处理烟气与所述第二膜分离组件22产生的渗透气混合后，再经第一压缩单元41增压后输送入所述第一膜分离组件21；所述第四膜分离组件24产生的渗透气、所述第五膜分离组件25产生的非渗透气与所述第一膜分离组件21产生的渗透气混合后，再经第二压缩单元42增压后输送入所述第三膜分离组件23。
【实施例1】
对某待处理烟气进行捕集试验，衡算图1所示装置对烟气中二氧化碳的捕集效果，物料衡算结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003601795390000081
实施例1中，原料烟气中二氧化碳浓度为15％，经过初步浓缩后二氧化碳浓度为55.5％，满足进一步利用的工艺要求。
计算二氧化碳回收率＝252*55.5％/(1000*15.0％)＝93.2％。
【实施例2】
对某待处理烟气进行捕集试验，衡算图1所示装置对烟气中二氧化碳的捕集效果，物料衡算结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003601795390000082
实施例2中，原料烟气中二氧化碳浓度为15％，经过多次浓缩后二氧化碳浓度为95.4％，满足进一步利用的工艺要求。
计算二氧化碳回收率＝144*95.4％/(1000*15.0％)＝91.6％。
以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种烟气中二氧化碳的捕集装置，其特征在于，包括第一气体混合单元、第二气体混合单元、第一膜分离组件、第二膜分离组件、第三膜分离组件、第四膜分离组件、第五膜分离组件，其中：
所述第一膜分离组件具有第一进气口、第一渗透气出口以及第一非渗透气出口，所述第一进气口与所述第一气体混合单元连通，从而所述第一气体混合单元的气体适于进入所述第一膜分离组件，所述第一渗透气出口适于与所述第二气体混合单元连通，从而所述第一膜分离组件的渗透气适于进入所述第二气体混合单元；
所述第二膜分离组件具有第二进气口、第二渗透气出口以及第二非渗透气出口，所述第二进气口与所述第一非渗透气出口连通，所述第二渗透气出口与所述第一气体混合单元连通；
所述第三膜分离组件具有第三进气口、第三渗透气出口以及第三非渗透气出口，所述第三进气口与所述第二气体混合单元连通，从而第二气体混合单元的气体适于进入所述第三膜分离组件；
所述第四膜分离组件具有第四进气口、第四渗透气出口以及第四非渗透气出口，所述第四进气口与所述第三非渗透气出口连接，所述第四渗透气出口与所述第二气体混合单元连接；
所述第五膜分离组件具有第五进气口、第五渗透气出口以及第五非渗透气出口，所述第五进气口与所述第三渗透气出口连接，所述第五非渗透气出口与所述第二气体混合单元连接；
外部待处理烟气适于输入所述第一气体混合单元，所述第一渗透气出口以及所述第五渗透气出口适于输出不同浓度的二氧化碳气体。
2.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳的捕集装置，其特征在于，还包括第一高压能回收单元，所述第二非渗透气出口与所述第一高压能回收单元连接，从而通过所述第一高压能回收单元回收利用所述第二非渗透气出口的高压气体的压缩能。
3.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳的捕集装置，其特征在于，还包括第二高压能回收单元，所述第四非渗透气出口与所述第二高压能回收单元连接，从而通过所述第二高压能回收单元回收利用所述第四非渗透气出口的高压气体的压缩能。
4.如权利要求2或3所述的烟气中二氧化碳的捕集装置，其特征在于，所述高压能回收单元为膨胀发电机。
5.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳的捕集装置，其特征在于，还包括第一压缩单元，所述第一压缩单元设置在所述第一气体混合单元与所述第一膜分离组件之间，适于对所述第一气体混合单元的气体进行增压，并将增压后的气体输送至所述第一膜分离组件。
6.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳的捕集装置，其特征在于，还包括第二压缩单元，所述第二压缩单元设置在所述第二气体混合单元与所述第三膜分离组件之间，适于对所述第二气体混合单元的气体进行增压，并将增压后的气体输送至所述第三膜分离组件。
7.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳的捕集装置，其特征在于，所述第一膜分离组件、所述第二膜分离组件、所述第三膜分离组件、所述第四膜分离组件、所述第五膜分离组件各自独立地选自中空纤维膜、卷式膜中的一种或多种的组合。
8.一种烟气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待处理烟气通入第一膜分离组件；
将所述第一膜分离组件产生的非渗透气通入第二膜分离组件，将所述第一膜分离组件产生的渗透气通入第三膜分离组件，将所述第二膜分离组件产生的渗透气与待处理烟气混合后通入所述第一膜分离组件；
将所述第三膜分离组件产生的非渗透气通入第四膜分离组件，将所述第三膜分离组件产生的渗透气通入第五膜分离组件；
将所述第四膜分离组件产生的渗透气、所述第五膜分离组件产生的非渗透气与所述第一膜分离组件产生的渗透气混合后通入所述第三膜分离组件。
9.如权利要求8所述的烟气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于，还包括步骤：回收所述第二膜分离组件产生的高压非渗透气的压缩能，回收所述第四膜分离组件产生的高压非渗透气的压缩能。
10.如权利要求8所述的烟气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于，待处理烟气与所述第二膜分离组件产生的渗透气混合后，再经第一压缩单元增压后输送入所述第一膜分离组件；所述第四膜分离组件产生的渗透气、所述第五膜分离组件产生的非渗透气与所述第一膜分离组件产生的渗透气混合后，再经第二压缩单元增压后输送入所述第三膜分离组件。
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