CN114806660A - 一种水合物法分离封存混合气中co2耦合蓄冷的装置 - Google Patents
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Abstract
一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，其属于天然气水合物技术应用的技术领域，该装置包括气体压缩装置、制冷循环装置、水合物生成/分解装置、水合物蓄冷装置、水循环装置、气体水合物封存装置和传感监测装置。以分离封存沼气为例，制冷循环装置可实现对沼气、各级分解气、水合物和循环水的降温处理，提供水合物生成所需的低温条件。水合物蓄冷装置可充分利用水合物相变潜热，提供用户端所需冷量。水循环装置可实现分解水的循环利用，保证水合物的连续生成。该气体分离装置可以有效分离常温沼气中的甲烷和二氧化碳气体，且装置可多级串联以获得高纯度气体。同时该装置利用水合物相变潜热高的优势，充分利用其能量实现制冷，减少了系统的能量损失，提高能量利用率。气体水合物封存装置则可以将捕获的CO2以水合物的形式封存在多孔介质中，有效缓解CO2气体排放。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物技术应用领域，涉及一种利用水合物法回收封存混合气中二氧化碳的实验装置。
背景技术
由于全球变暖所引起的全球气候剧变已经越来越受到各国政府及人民的重视，而二氧化碳捕集封存应用技术作为应对全球变暖的有效手段，已经越来越受到全球学者的关注与重视，水合物法碳捕集封存技术具有重要的应用前景。
目前，水合物法碳捕集封存技术应用领域较广，集中在纯二氧化碳气体的捕获封存，混合气的分离封存设备国内外尚没有成熟的一体化应用集成系统装备。同时，结合水合物相变潜热高的优势，水合物捕集封存二氧化碳耦合蓄冷可以最大程度上减少能量损失，提高能量利用率。此外，海洋中封存二氧化碳潜力巨大，可封存二氧化碳达万亿吨，开发高效低能耗的二氧化碳捕获封存一体化技术，对我国实现“碳达峰-碳中和”发展战略有着重大意义。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，该装置不仅具有科研教学价值，更具有成果应用示范作用，将有力提高水合物法碳减排领域的研究水平，能够推动该领域的技术发展。
本发明采用的技术方案为：一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，以分离封存沼气中CO2为例，该装置的气体分离系统分设有一级分离干路和两级并联分离支路，一级分离干路为沼气瓶经过一级气体压缩机连接至一级沼气制冷循环换热器再由二级气体压缩机连接至二级沼气制冷循环换热器，再依次连接一级水合物生成反应器和一级水合物分解反应器；所述一级水合物分解反应器经一级水合物泵、一级水合物换热器后连接至一级水合物生成反应器；所述一级沼气制冷循环换热器与一级沼气冷却塔进行循环换热，二级沼气制冷循环换热器与二级沼气冷却塔进行循环换热；
二级并联分离支路包括两条：第一条是对较高浓度甲烷分离气中二氧化碳气体的回收，第二条是对一级水合分解气中二氧化碳气体的提纯；第一条支路依次一级水合物生成反应器经过二级高浓度甲烷压缩机、二级高浓度甲烷换热器、二级高浓度甲烷水合物生成反应器和二级高浓度甲烷水合物分解反应器；二级高浓度甲烷水合物分解反应器经过甲烷水合物分解水泵、甲烷水合物分解水换热器连接至二级高浓度甲烷水合物生成反应器；所述二级高浓度甲烷换热器与二级高浓度甲烷冷却塔进行循环换热，甲烷水合物分解水换热器与甲烷水合物分解水冷却塔进行循环换热；
第二条支路由一级水合物分解反应器依次经过二级高浓度二氧化碳压缩机、二级高浓度二氧化碳换热器、二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器和二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器；二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器经二氧化碳水合物分解水泵、二氧化碳水合物分解水换热器后连接至二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器；所述二级高浓度二氧化碳换热器与二级高浓度二氧化碳冷却塔进行换热循环，二氧化碳水合物分解水换热器与二氧化碳水合物分解水冷却塔进行循环换热。
该装置的二氧化碳封存系统设有气体水合物封存装置，它可汇集气体分离装置得到的全部二氧化碳气体，将其以气体水合物形式封存在多孔介质中。分离得到的二氧化碳经过封存气体压缩机加压后，通过二氧化碳注入口注入多孔介质中以二氧化碳水合物的形式稳定封存。为维持多孔介质压力稳定，设置出水口。期间以封存监测系统实时监测多孔介质的各项参数。
该装置还包括总制冷系统，它采用系统换热器经管路分别连接至一级水合物生成反应器、二级高浓度甲烷水合物生成反应器和二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器。
该装置还包括蓄冷系统，它采用一级水合物分解换热器、二级高浓度甲烷水合物分解反应器和二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器分别通过管路连接至用户端换热器，用户端换热器与用户端进行换热循环。
该装置还包括传感监测设备，设备包括温度传感器、压力传感器、位移传感器、计算机，计算机用于处理数据及信号，温度传感器、压力传感器、位移传感器用于将相应信号转换为电信号传送至计算机。
本发明的有益效果：本发明提出了一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置。该装置能够实现对常温沼气中甲烷气体和二氧化碳气体的多级分离，并可对二氧化碳气体进行多次提纯，得到高浓度的清洁燃烧气体-甲烷和高浓度的温室气体-二氧化碳，最终可对分离得到的二氧化碳气体进行有效封存。进一步地，该装置可以根据用户所需，多级串联该装置，以达到更高纯度的甲烷气体和二氧化碳气体。进一步地，该装置包括的水合物蓄冷装置可通过板式换热器将水合物剩余冷量传递给用户端，以代替传统的蒸汽压缩制冷系统，可有效地降低制冷能耗。该装置操作简单，过程能耗低，过程中无添加化学试剂，不产生二次污染，具有较好的环保效益和经济效益。
附图说明
图1是一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置的流程图。
图中：1、沼气瓶，2、第一阀门，3、一级气体压缩机，4、第二阀门，5、一级沼气制冷循环换热器，6、一级沼气冷却塔，7、二级气体压缩机，8、第三阀门，9、二级沼气制冷循环换热器，10、二级沼气冷却塔，11、第四阀门，12、一级水合物生成反应器，13、第五阀门，14、一级水合物分解反应器，15、第六阀门，16、一级水合物泵，17、第七阀门，18、一级水合物换热器，19、一级水合物冷却塔，20、第八阀门，21、二级高浓度甲烷压缩机，22、第九阀门，23、二级高浓度甲烷换热器，24、二级高浓度甲烷冷却塔，25、第十阀门，26、甲烷一级出口阀，27、二级高浓度甲烷水合物生成反应器，28、第十一阀门，29、二氧化碳一级出口阀，30、二级高浓度甲烷水合物分解反应器，31、甲烷水合物分解水泵，32、第十二阀门，33、甲烷水合物分解水换热器，34、甲烷水合物分解水冷却塔，35、二级高浓度二氧化碳压缩机，36、第十三阀门，37、二级高浓度二氧化碳换热器，38、二级高浓度二氧化碳冷却塔，39、第十四阀门，40、甲烷二级出口阀，41、二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器，42、第十五阀门，43、二氧化碳二级出口阀，44、二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器，45、第十六阀门，46、二氧化碳水合物分解水泵，47、第十七阀门，48、二氧化碳水合物分解水换热器，49、二氧化碳水合物分解水冷却塔，50、第十八阀门，51、系统换热器，52、系统冷却塔，53、第十九阀门，54、用户阀，55、用户端换热器，56、用户端，57、封存气体压缩机，58、二氧化碳注入口，59、封存监测系统，60、出水口，61、多孔介质。
具体实施方式
图1示出了一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，以分离封存沼气中二氧化碳为例，它包括气体压缩装置、制冷循环装置、水合物生成/分解装置、水合物蓄冷装置、水循环装置、气体水合物封存装置和传感监测装置。
该分离封存装置的气体分离系统设有一级分离干路和两级并联分离支路，一级分离干路为沼气瓶1依次经过一级气体压缩机3、一级沼气制冷循环换热器5、二级气体压缩机7、二级沼气制冷循环换热器9、一级水合物生成反应器12和一级水合物分解反应器14。
二级并联分离支路包括两条：第一条是对较高浓度甲烷分离气中二氧化碳气体的回收，第二条是对一级水合分解气中二氧化碳气体的提纯。第一条支路依次经过二级高浓度甲烷压缩机21、二级高浓度甲烷换热器23、二级高浓度甲烷水合物生成反应器27和二级高浓度甲烷水合物分解反应器30；第二条支路依次经过二级高浓度二氧化碳压缩机35、二级高浓度二氧化碳换热器37、二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器41二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器44。
该装置的二氧化碳封存系统包括气体压缩装置、气体水合物封存装置和封存监测装置。气体压缩装置由封存气体压缩机57构成；气体水合物封存装置由二氧化碳注入口58、多孔介质61和出水口60构成；
气体压缩装置包括沼气气体压缩装置和各分解气气体压缩装置，沼气气体压缩装置由一级气体压缩机3、二级气体压缩机7及第一阀门2、第二阀门4和第三阀门8串联构成，各分解气气体压缩装置由二级高浓度甲烷压缩机21和二级高浓度二氧化碳压缩机35、第九阀门22和第十三阀门36构成。
制冷循环装置包括气体制冷装置、循环水制冷装置和水合物制冷装置；气体制冷装置包括一级沼气制冷装置、二级沼气制冷装置和各分解气制冷装置，一级沼气制冷装置由一级沼气冷却塔6和一级沼气制冷循环换热器5构成，二级沼气制冷装置由二级沼气冷却塔10和二级沼气制冷循环换热器9构成，各分解气制冷装置由二级高浓度甲烷冷却塔24和二级高浓度二氧化碳冷却塔38、二级高浓度甲烷换热器23和二级高浓度二氧化碳换热器37构成。
循环水制冷装置包括一级循环水制冷装置和二级循环水制冷装置，一级循环水制冷装置由一级水合物冷却塔19和一级水合物换热器18构成，二级循环水制冷装置由甲烷水合物分解水冷却塔34和二氧化碳水合物分解水冷却塔49、甲烷水合物分解水换热器33和二氧化碳水合物分解水换热器48构成。
水合物制冷装置包括一级水合物制冷装置和二级水合物制冷装置，由二氧化碳水合物分解水冷却塔49、二氧化碳水合物分解水换热器48、第十八阀门50构成。
水合物生成/分解装置包括一级水合物生成装置、一级水合物分解装置、二级水合物生成装置和二级水合物分解装置；一级水合物生成装置由一级水合物生成反应器12、进气管路、进水管路、出气管路、水合物浆输送管路、恒温制冷装置、第四阀门11和第五阀门20构成；一级水合物分解装置由水合物浆输送管路、出水管路、出气管路及第六阀门15构成；二级水合物生成装置和分解装置由两部分构成：第一部分是对较高浓度甲烷分离气中二氧化碳气体的回收，第二部分是对一级水合分解气中二氧化碳气体的提纯。第一部分的水合物生成装置由二级高浓度甲烷水合物生成反应器27、进气管路、进水管路、出气管路、水合物浆输送管路、恒温制冷装置、第十阀门25和甲烷一级出口阀26构成；二级水合物分解装置由水合物浆输送管路、出水管路、出气管路、二氧化碳一级出口阀29和第十九阀门53构成。第二部分的水合物生成装置由二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器41、进气管路、进水管路、出气管路、水合物浆输送管路、恒温制冷装置、第十四阀门39和甲烷二级阀40构成；二级水合物分解装置由水合物浆输送管路、出水管路、出气管路、二氧化碳二级阀门43和第十六阀门45构成。
水合物蓄冷装置包括一级水合物蓄冷装置和二级水合物蓄冷装置，两级装置并联而成；一级水合物蓄冷装置由一级水合物分解装置14、用户端换热器55、用户端56及用户阀54构成；二级水合物蓄冷装置由二级高浓度甲烷水合物分解反应器30和二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器44、用户端换热器55、用户端56及用户阀54构成。
水循环装置包括一级水循环装置和二级水循环装置；一级水循环装置由进水管路、一级水合物泵16、第七阀门17、一级循环水制冷装置和出水管路构成；二级水循环装置由进水管路、甲烷水合物分解水泵31和二氧化碳水合物分解水泵46、第十二阀门32和第十七阀门47、二级循环水制冷装置和出水管路构成。
传感监测设备包括温度传感器、压力传感器、位移传感器、计算机和信号线，所述计算机用于处理数据及信号，所述温度、压力、位移传感器用于将相应信号转换为电信号传送至计算机。
使用上述的水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，采用的步骤如下：
第一步，沼气通过两级压缩装置通入一级装置；
将沼气在气路中依次通入一级气体压缩机3和二级气体压缩机7，两级压缩机级间冷却通过一级制冷装置中的一级沼气制冷循环换热器5实现；二级气体压缩机7的出口沼气压力达到一级水合生成的压力条件，出口沼气的降温过程通过二级制冷装置中的二级沼气制冷循环换热器9实现，从二级沼气制冷循环换热器9流出的沼气的温度压力满足水合物生成的要求条件，通入一级水合物生成反应器12进行合成，完成一次甲烷和二氧化碳的分离过程，生成的水合物浆体通过第五阀门13进入一级水合物分解反应器14进行降压分解，分解得到二氧化碳气体。
第二步，一级生成装置产生的较高浓度甲烷通入二级装置；
一级水合物生成装置产生的较高浓度甲烷气体通过二级高浓度甲烷压缩机21，压缩气经过制冷装置中的二级高浓度甲烷换热器23降温，高压低温的较高浓度甲烷混合气进入二级高浓度甲烷水合物生成反应器27进行水合生成，完成二次较高浓度甲烷和二氧化碳的分离过程，生成的水合物浆体通过第十一阀门28进入二级高浓度甲烷水合物分解反应器30进行降压分解，分解得到较高纯度的二氧化碳气体。
第三步，一级分解装置产生的较高浓度的二氧化碳通入二级装置；
一级水合物分解装置产生的较高浓度的二氧化碳气体通过二级高浓度二氧化碳压缩机35，压缩气经过制冷装置中的二级高浓度二氧化碳换热器37降温，高压低温的较高浓度二氧化碳混合气进入二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器41进行水合生成，完成二次较高浓度二氧化碳和甲烷碳的分离过程，生成的水合物浆体通过第十五阀门42进入二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器44进行降压分解，分解得到高浓度的二氧化碳气体。
第四步，制冷循环装置维持各级水合物生成装置恒低温条件；
制冷循环装置采用水循环制冷方式，冷却水通过系统冷却塔52降温成为冷冻水，冷冻水通过系统换热器51将冷量传递给中间介质，利用中间介质维持一级水合物生成反应器12、二级高浓度甲烷水合物生成反应器27和二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器41的恒低温条件。
第五步，水合物蓄冷装置实现水合物分解冷量再利用，保证用户端制冷；
一级水合物分解反应器14、二级高浓度甲烷水合物分解反应器30和二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器44中的水合物降压分解后，气体通过气体管路流入后续装置，水合物分解剩余冷量通过用户端换热器55传递给用户端56，保证用户端56处的制冷过程。
第六步，水循环装置实现分解水的循环利用，保证水合物连续生成；
一级水合物分解反应器14产生的分解水通过一级水合物泵16提供循环动力，加压后的分解水通过制冷循环装置的降温处理，通过制冷装置中的一级水合物换热器18降温至水合物生成的温度条件，通入一级水合物生成反应器14，保证水合物的连续生成。
二级装置采用：二级高浓度甲烷水合物分解反应器30产生的分解水通过甲烷水合物分解水泵31提供循环动力，加压后的分解水通过制冷循环装置的降温处理，通过制冷装置中的甲烷水合物分解水换热器33降温至水合物生成的温度条件，通入二级高浓度甲烷水合物分解反应器30，保证水合物的连续生成。
同时，二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器41产生的分解水通过二氧化碳水合物分解水泵46提供循环动力，加压后的分解水通过制冷循环装置的降温处理，通过制冷装置中的二氧化碳水合物分解水换热器48降温至水合物生成的温度条件，通入二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器41，保证水合物的连续生成。
第七步，汇集气体分离装置得到的二氧化碳气体以气体水合物形式稳定封存于多孔介质。
通过并联管路汇集气体分离装置得到的二氧化碳气体，将其通入封存气体压缩机57中进行加压压缩。待气体压力满足二氧化碳水合物的生成压力条件后，通过二氧化碳注入口58将其通入多孔介质61中。在适当的条件下，二氧化碳气体与多孔介质61中的水生成二氧化碳水合物，即二氧化碳以水合物的形式稳定封存。为保持多孔介质61的压力稳定，设置出水口60。同时，为保证整个封存过程的顺利进行，设置单独的封存监测系统对各项参数进行实时监测。
Claims (5)
1.一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，其特征在于：该装置的气体分离系统设有一级分离干路和两级并联分离支路，一级分离干路为沼气瓶（1）经过一级气体压缩机（3）连接至一级沼气制冷循环换热器（5）再由二级气体压缩机（7）连接至二级沼气制冷循环换热器（9），再依次连接一级水合物生成反应器（12）和一级水合物分解反应器（14）；所述一级水合物分解反应器（14）经一级水合物泵（16）、一级水合物换热器（18）后连接至一级水合物生成反应器（12）；所述一级沼气制冷循环换热器（5）与一级沼气冷却塔（6）进行循环换热，二级沼气制冷循环换热器（9）与二级沼气冷却塔（10）进行循环换热；
二级并联分离支路包括两条：第一条是对较高浓度甲烷分离气中二氧化碳气体的回收，第二条是对一级水合分解气中二氧化碳气体的提纯；第一条支路由一级水合物生成反应器（12）依次经过二级高浓度甲烷压缩机（21）、二级高浓度甲烷换热器（23）、二级高浓度甲烷水合物生成反应器（27）和二级高浓度甲烷水合物分解反应器（30）；二级高浓度甲烷水合物分解反应器（30）经过甲烷水合物分解水泵（31）、甲烷水合物分解水换热器（33）连接至二级高浓度甲烷水合物生成反应器（27）；所述二级高浓度甲烷换热器（23）与二级高浓度甲烷冷却塔（24）进行循环换热，甲烷水合物分解水换热器（33）与甲烷水合物分解水冷却塔（34）进行循环换热；
第二条支路由一级水合物分解反应器（14）依次经过二级高浓度二氧化碳压缩机（35）、二级高浓度二氧化碳换热器（37）、二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器（41）和二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器（44）；二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器（44）经二氧化碳水合物分解水泵（46）、二氧化碳水合物分解水换热器（48）后连接至二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器（41）；所述二级高浓度二氧化碳换热器（37）与二级高浓度二氧化碳冷却塔（38）进行循环换热，二氧化碳水合物分解水换热器（48）与二氧化碳水合物分解水冷却塔（49）进行循环换热；
该装置还设有气体水合物封存装置，二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器（44）经二氧化碳二级出口阀（43）与二级高浓度甲烷水合物分解反应器（30）经二氧化碳一级出口阀（29）分离得到的二氧化碳经过封存气体压缩机（57）加压后，通过二氧化碳注入口（58）注入多孔介质（61）中以二氧化碳水合物的形式稳定封存。
2.根据权利要求1所述的一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，其特征在于：该装置还包括总制冷系统，它采用系统换热器（51）经管路分别连接至一级水合物生成反应器（12）、二级高浓度甲烷水合物生成反应器（27）和二级高浓度二氧化碳水合物生成反应器（41）。
3.根据权利要求1所述的一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，其特征在于：该装置还包括蓄冷系统，它采用一级水合物分解换热器（14）、二级高浓度甲烷水合物分解反应器（30）和二级高浓度二氧化碳水合物分解反应器（44）分别通过管路连接至用户端换热器（55），用户端换热器（55）与用户端（56）进行换热循环。
4.根据权利要求1所述的一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，其特征在于：该装置还包括传感监测设备，设备包括温度传感器、压力传感器、位移传感器、计算机，计算机用于处理数据及信号，温度传感器、压力传感器、位移传感器用于将相应信号转换为电信号传送至计算机。
5.根据权利要求1所述的一种水合物法分离封存混合气中CO2耦合蓄冷的装置，其特征在于：其特征在于：所述多孔介质（61）上设置出水口（60），封存期间以封存监测系统（59）实时监测多孔介质（61）的各项参数。
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