CN114832593A - 一种液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液—液分相的二氧化碳吸收和解吸系统，除吸收塔、解吸塔和热交换装置外，还包括若干液—液分离池、若干两相混合池、富相混合池、贫液混合池。吸收塔有若干级，且相互串联；若干液—液分离池、若干两相混合池使吸收液流量、CO2负载和粘度逐级递减；富相混合池的CO2富相经过热诱导分层、冷富液分流等，进入解吸塔再生；贫液混合池的各路CO2贫液返回吸收塔循环利用；吸收液为贫水性混合胺溶剂，含活性成分、促相分离剂、抗粘剂和少量水。本发明的液—液分相式二氧化碳吸收和解吸系统，溶剂负载CO2后粘度低，吸收速率和容量高，富相CO2被提浓，解吸压力高，各单元持液量少，能耗低，设备尺寸小，降低了整体碳捕集成本。

Description

一种液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集技术领域，尤其是涉及一种液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统。
背景技术
碳捕集是CCUS全链条中成本最高的环节，在现有的捕集技术路线中，燃烧后捕集无需新建项目，只需对现有排碳源加装捕集装置，设施改造要求低，是较为可行的推广方案。燃烧后捕集的技术手段中，吸收法具有良好的工艺可操作性和工程可放大性，最有望实现大规模商业化应用。吸收法利用吸收溶剂的CO2贫液在低温低压下与排碳源烟气混合气体中的CO2发生化学反应，将其选择性吸收，脱碳后的净化气体排放至外界环境，所得的CO2富液在高温高压下发生逆反应，解吸出较纯净的CO2，从而实现CO2从混合气体中的分离，同时再生吸收溶剂的CO2贫液恢复吸收CO2的能力，如此循环往复。
应用于燃烧后捕集的CO2吸收溶剂经历了诸多发展，目前常见的包括有机胺溶液、冷却氨溶液、离子液体、氨基酸盐溶液、活化碳酸盐溶液以及上述的混合液体系等。CO2吸收溶剂开发的难点是寻找能兼顾吸收速率、捕集容量和溶剂的稳定性、挥发性、腐蚀性和粘性的新型配方，从而实现吸收工艺的低物耗和能耗。此外，不同溶剂采用的捕集工艺、操作条件也不尽相同，工艺流程的改进，如余热、余压利用等高效热集成和耦合手段，对降低捕集能耗，减小工艺过程本身的碳足迹，实现捕集系统整体的成本优化也有重要意义。当前，由于吸收溶剂和工艺开发的瓶颈，燃烧后捕集的能耗和成本居高不下，这也是大规模推广应用该技术亟需解决的关键问题。
近年来，基于溶剂吸收CO2后发生液—液相变的新型碳捕集工艺获得快速发展，根据文献已披露的此类溶剂，如复合有机胺溶液、离子液体等，在吸收塔捕集CO2后分层成极性不同的亲水相和亲油相，且吸收的CO2绝大部分富集在其中一相(通常是亲水相)里，只需将CO2富相经简单的分液操作，输送至解吸塔进行再生，如此可显著降低解吸能耗。这类体系的缺点是，由于氢键、范德华力等分子间相互作用，CO2富相粘度增大，吸收操作温度下可达100cp以上，不利于CO2传质，也使工艺能耗(如用于溶液输送、热交换等)显著提升；此外，现有的相变工艺较单一，没有充分发挥相变对减小工艺能耗的潜力。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于，基于传统两相溶剂体系，通过在 CO2吸收和解吸过程中采取多重液—液相分离或相合流的工艺改进，并在配方中引入抗粘性添加剂，干扰分子间相互作用力，不仅将吸收过程中CO2富相的粘度维持在50cp以下，克服了随粘度增加吸收反应动力学速率迅速下降的缺点，增加了CO2负载容量，而且减小了设备尺寸和工艺能耗，达到整体降低捕集成本的目的。为此，本发明采用的技术方案是：
一种液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，包括吸收塔、解吸塔、若干液—液分离池、若干两相混合池、富相混合池、贫液混合池和若干热交换装置；
所述吸收塔有若干个，且相互串联连接；外部含二氧化碳的待处理烟气通过管线与所述若干吸收塔中一级吸收塔下部的烟气入口连通，所述一级吸收塔顶部的烟气出口与下一级吸收塔下部的烟气入口连通，依此类推，末级吸收塔顶部的烟气出口与外界连通；
所述若干吸收塔中每一级吸收塔底部的CO2富液出口分别与其对应的液—液分离池的液体入口连通，各级液—液分离池的CO2富相出口分别通过管线与富相混合池的入口连通，各级液—液分离池的CO2贫相出口分别通过管线与对应吸收塔上部的CO2贫液入口连通，且进入富相混合池的CO2富相比例大于返回相应吸收塔的CO2贫相比例；一级液—液分离池分离出部分CO2贫相，输送至所述贫液混合池的入口，其余各级液—液分离池分离出部分CO2贫相和部分 CO2富相，分别通过管线输送至对应的两相混合池，搅拌均匀的混合液通过管线进一步输送至上一级吸收塔上部的CO2贫液入口；
所述富相混合池接受来自各级液—液分离池的CO2富相，搅拌均匀后的混合液发生液—液分层，并通过富相混合池的三个出口流出，第一出口直接连通分层的CO2贫相和所述贫液混合池的入口，第二出口直接连通部分分层的CO2富相和所述解吸塔的上部第一入口，第三出口连通剩余分层的CO2富相和贫富液换热器的冷液入口，所述贫富液换热器的冷液出口通过管线连通第三液—液分离池的入口；
所述第三液—液分离池接受来自富相混合池，在贫富液换热器中被加热的部分CO2富相，该部分CO2富相发生升温诱导的相变，产生气—液—液三相，并通过第三液—液分离池的三个出口流出，第一出口通过管线连通顶空气体和冷凝器的气体入口，第二出口直接连通分层的CO2贫相与所述贫液混合池的入口，第三出口连通分层的CO2富相与所述解吸塔的中部入口；
所述解吸塔下部设有再沸器，所述再沸器上设有饱和蒸汽入口和冷凝水出口，所述再沸器的进液口通过管线与所述解吸塔下部的CO2富液出口连通，所述再沸器的气液出口与所述解吸塔下部的CO2贫液入口连通，所述解吸塔底部的CO2贫液出口与贫富液换热器的热流进口连通，所述贫富液换热器的热流出口与所述贫液混合池的入口连通；所述贫液混合池内设有搅拌装置，第一出口通过管线连通末级吸收塔上部的CO2贫液入口；各级吸收塔上部的CO2贫液入口处分别设有各级级间冷却器，用于冷却进入相应吸收塔的CO2贫液。
本发明所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其中，还包括气体压缩机、气—液分离器和二氧化碳压缩机；所述气体压缩机的入口连通第三液—液分离池的第一出口，所述气体压缩机的出口连通所述冷凝器的气体入口，所述解吸塔顶部的气体出口也与冷凝器的气体入口连通，所述冷凝器的气液出口与所述气—液分离器的入口连通，所述气—液分离器的冷凝液出口与所述解吸塔的上部第二入口连通，所述气—液分离器的气体出口与二氧化碳压缩机连通。
本发明所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其中，还包括接触式冷却塔、洗涤塔、碱液储罐、洗涤液储罐和进料分离器；外部含二氧化碳的待处理烟气与所述接触式冷却塔下部的烟气入口连通，所述接触式冷却塔顶部的烟气出口与所述一级吸收塔下部的烟气入口连通；所述末级吸收塔顶部的烟气出口与所述洗涤塔下部的烟气入口连通，所述洗涤塔顶部的净化烟气出口与外界连通；所述接触式冷却塔上部的碱液入口通过管线与所述碱液储罐的出口连通，所述接触式冷却塔底部的碱液出口通过管线与所述进料分离器的入口连通，所述进料分离器的出口与所述碱液储罐的入口连通；所述洗涤塔上部的洗涤液进口通过管线与所述洗涤液储罐的出口连通，所述洗涤塔底部的洗涤液出口与所述洗涤液储罐的入口连通。
本发明所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其中，还包括溶剂回收装置和新鲜溶剂储槽；所述贫液混合池的第二出口与所述溶剂回收装置的入口连通，所述新鲜溶剂储槽的出口和溶剂回收装置的出口通过管线与末级吸收塔上部的CO2贫液入口连通。
本发明所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其中，还包括加压风机和若干液体泵；外部含二氧化碳的待处理烟气和所述接触式冷却塔之间的管线上设有加压风机，所述碱液储罐的出口和接触式冷却塔上部的碱液入口之间的管线上设有碱液泵，所述洗涤液储罐的出口和洗涤塔上部的洗涤液进口之间的管线上设有洗涤液泵；各级液—液分离池的CO2富相与所述富相混合池之间的管线上分别设有各级富相泵，各级液—液分离池的CO2贫相与相应吸收塔上部的 CO2贫液入口之间的管线上分别设有各级回流泵，各级两相混合池与上一级吸收塔之间的管线上分别设有各级混相泵。
本发明所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其中，一级液—液分离池和所述贫液混合池之间的管线上设有第一贫相泵，所述富相混合池第一出口与所述贫液混合池之间的管线上设有第二贫相泵，所述第三液—液分离池第二出口与贫液混合池之间的管线上设有第三贫相泵，所述贫富液换热器热流出口与贫液混合池之间的管线上设有第四贫液泵；
所述富相混合池第二出口与所述解吸塔的上部第一入口之间的管线上设有第三富相泵，所述富相混合池第三出口与贫富液换热器冷液入口之间的管线上设有第四富相泵，所述第三液—液分离池第三出口与解吸塔的中部入口之间的管线上设有第五富相泵；所述贫液混合池的第一出口和所述末级吸收塔上部的CO2贫液入口之间的管线上设有第五贫液泵，所述贫液混合池的第二出口和溶剂回收装置之间的管线上设有第六贫液泵，所述溶剂回收装置和末级吸收塔上部的CO2贫液入口之间的管线上设有第七贫液泵，所述新鲜溶剂储槽的出口处设有补液泵。
本发明所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其中，采用贫水性混合有机胺溶剂，包含一种或多种有机胺或其衍生物类物质作为溶剂的活性成分，一种或多种促相分离剂，一种或多种抗粘性添加剂，以及少量水。
本发明所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其中，所述溶剂的活性成分包括速率活化剂和
Figure BDA0003643718810000051
碱，前者为伯胺或仲胺或其衍生物中的一种或多种，后者为叔胺或空间位阻胺或其衍生物中的一种或多种；所述促相分离剂为CO2惰性的有机溶剂中的一种或多种，包括但不限于1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、N-甲基吡咯烷酮、环丁砜或乙二醇二甲醚；所述抗粘剂为离散剂中的一种或多种，包括但不限于醇类、酚类、碱金属或碱土金属的有机或无机盐、酰胺、类酰胺、砜或胍盐类物质。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，除吸收塔、解吸塔和热交换装置外，还包括若干液—液分离池、若干两相混合池、富相混合池、贫液混合池。吸收塔有若干级，且相互串联连接；若干液—液分离池、若干两相混合池使吸收液流量、CO2负载和粘度逐级递减；富相混合池的CO2富相经过热诱导分层、冷富液分流等，进入解吸塔再生；贫液混合池的各路CO2贫液返回吸收塔循环利用。具体来说，在吸收过程中，配合多级吸收塔的多重液—液分相、分流、混相、回流等，以及溶剂中的抗粘性组分，CO2富相的粘度被控制在低水平，克服了各级吸收塔吸收过程中溶剂粘度增加对气—液—液传质和动力学速率的抑制效果，增加了捕集容量，降低了级间冷却、泵送等所需的能耗；在解吸过程中，配合机械、温度等诱导作用，待解吸的CO2富相预先进行多级液—液分相、分流等，将富相中CO2不断提浓，提升了富CO2产品气体的压力，降低了解吸过程中的显热和汽提潜热等蒸汽能耗，以及CO2压缩的电耗。通过上述改进，各操作单元中待处理的液体量降低，效率提高，工艺更节能，且吸收塔、解吸塔、各池、各热交换装置等尺寸减小，设备更紧凑，降低CO2捕集系统整体的成本。
附图说明
图1为本发明所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统的结构示意图。
下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
如图1所示，一种液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其主要结构包括：吸收塔A、解吸塔D1、若干液—液分离池PS、两相混合池LRM、富相混合池RM、贫液混合池LM、若干热交换装置HE、气体压缩机CC1、二氧化碳压缩机CC2、气—液分离器CS和若干液体泵。
所述吸收塔A有若干个，且相互串联连接。本实施例将吸收塔A设置为两个，即一级吸收塔A1和二级吸收塔A2，以此举例说明，实际应用时，所述两级塔亦可集成为一个较大的塔器。外部含二氧化碳的待处理烟气通过管线与一级吸收塔A1下部的烟气入口连通，一级吸收塔A1顶部的烟气出口与二级吸收塔A2下部的烟气入口连通，形成两级塔的串联连接，二级吸收塔A2顶部的烟气出口与外界连通。
一级吸收塔A1和二级吸收塔A2底部的CO2富液出口分别与一级液—液分离池PS1和二级液—液分离池PS2的液体入口连通，一级液—液分离池PS1的 CO2富相出口和二级液—液分离池PS2的CO2富相第一出口，分别通过管线与富相混合池RM的入口连通，所述管线上分别设有第一富相泵RP1和第二富相泵 RP2。一级液—液分离池PS1的CO2贫相第一出口和二级液—液分离池PS2的 CO2贫相第一出口，分别通过管线与一级级间冷却器HE1的暖流入口和二级级间冷却器HE2的暖流入口连通，所述管线上分别设有一级回流泵CP1和二级回流泵CP2。此外，在两级液—液分离池PS中，进入富相混合池RM的CO2富相比例大于返回对应吸收塔的CO2贫相比例；
一级液—液分离池PS1的CO2贫相第二出口通过管线与贫液混合池LM的入口连通，所述管线上设有第一贫相泵LP1。二级液—液分离池PS2的CO2富相第二出口和CO2贫相第二出口，分别与两相混合池LRM的入口连通，所述两相混合池LRM内设有搅拌装置，出口通过管线与一级级间冷却器HE1的暖流入口连通，所述管线上设有混相泵MP，所述一级级间冷却器HE1的暖流出口与一级吸收塔A1上部的CO2贫液进口连通。
富相混合池RM内有搅拌装置并设有三个出口，液—液分层产生的CO2贫相经富相混合池RM第一出口通过管线直接与贫液混合池LM的入口连通，所述管线上设有第二贫相泵LP2；液—液分层产生的CO2富相，部分经富相混合池RM第二出口通过管线直接与解吸塔D1上部的第一入口连通，所述管线上设有第三富相泵RP3，部分经富相混合池RM第三出口通过管线与贫富液换热器HE3 的冷液入口连通，所述管线上设有第四富相泵RP4。
所述贫富液换热器HE3的冷液出口连通第三液—液分离池PS3的入口，所述第三液—液分离池PS3内发生高温诱导的相变，产生气—液—液三相，对应第三液—液分离池PS3的三个出口。顶空的产品气体由第三液—液分离池PS3 的第一出口通过管线与冷凝器HE4的气体入口连通，所述管线上设有气体压缩机CC1；液—液分层产生的CO2贫相由第三液—液分离池PS3第二出口通过管线与贫液混合池LM的入口连通，所述管线上设有第三贫相泵LP3；液—液分层产生的CO2富相由第三液—液分离池PS3第三出口通过管线与解吸塔D1的中部入口连通，所述管线上设有第五富相泵RP5。
所述解吸塔D1下部设有再沸器RB，所述再沸器RB上设有饱和蒸汽入口和冷凝水出口，再沸器RB的进液口通过管线与解吸塔D1下部的CO2富液出口连通，再沸器RB的气液出口与解吸塔D1下部的CO2贫液入口连通。解吸塔 D1顶部的气体出口与冷凝器HE4的气体入口连通，冷凝器HE4接受来自解吸塔D1顶部和气体压缩机CC1出口的等压产品气体并将之冷却，冷凝器HE4的气液出口与气—液分离器CS的入口连通，所述气—液分离器CS的冷凝液出口与解吸塔D1的上部第二入口连通，气—液分离器CS的气体出口与二氧化碳压缩机CC2连通。解吸塔D1底部的CO2贫液出口与贫富液换热器HE3的热流进口连通，所述贫富液换热器HE3的热流出口通过管线与贫液混合池LM的入口连通，所述管线上设有第四贫液泵LP4。
贫液混合池LM接受来自所述第一至第四贫相(液)泵的贫相(液)，混合液在贫液混合池LM中充分搅拌，贫液混合池LM的第一出口通过管线连通二级级间冷却器HE2的暖流入口，所述管线上设有第五贫液泵LP5。
所述的一种液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其结构还包括：接触式冷却塔DCC、洗涤塔WW、加压风机BF、碱液储罐BT、进料分离器CKD、洗涤液储罐WT、溶剂回收装置SR和新鲜溶剂储槽ST。
所述接触式冷却塔DCC下部的烟气入口通过管线连通外部含二氧化碳的待处理烟气，所述管线上设有所述加压风机BF，接触式冷却塔DCC顶部的烟气出口与一级吸收塔A1下部的烟气入口连通。接触式冷却塔DCC上部的碱液入口通过管线与所述碱液储罐BT的出口连通，所述管线上设有碱液泵BP；接触式冷却塔DCC底部的碱液出口通过管线与碱液储罐BT的入口连通，所述管线上设有进料分离器CKD，当碱液pH较低时，从进料分离器CKD中分离，并补充新鲜碱液。
所述二级吸收塔A2顶部的烟气出口与所述洗涤塔WW下部的烟气入口连通，洗涤塔WW顶部的净化烟气出口与外界连通。所述洗涤液储罐WT的出口通过管线与洗涤塔WW上部的洗涤液进口连通，所述管线上设有洗涤液泵WP，洗涤塔WW底部的洗涤液出口通过管线与洗涤液储罐WT的入口连通。
所述贫液混合池LM的第二出口通过管线与所述溶剂回收装置SR的入口连通，所述管线上设有第六贫液泵LP6。所述新鲜溶剂储槽ST的出口与补液泵SP 的入口连通，所述补液泵SP的出口和溶剂回收装置SR的出口，通过管线与二级级间冷却器HE2的暖流入口连通，所述管线上设有第七贫液泵LP7，所述二级级间冷却器HE2接受来自二级回流泵CP2，第五贫液泵LP5，第七贫液泵LP7 的贫液，混合液被冷却后，经由二级级间冷却器HE2的暖流出口流出，进入二级吸收塔A2上部的CO2贫液进口。
本发明的一种液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其详细工作流程举例说明如下：
本发明所捕集的CO2来自集中排碳源末端排放至大气的含较低CO2浓度的烟气或尾气，包括但不限于火电、石化、化工、建材、钢铁、有色金属、造纸等行业。
外部含二氧化碳的待处理烟气从燃煤锅炉排出，经过选择性催化还原脱硝，袋式除尘和烟气脱硫等步骤，温度降至50～70℃，以体积分数计算，含水蒸汽 15～16％，二氧化碳13～14％。所述烟气在加压风机BF作用下，从下部进入接触式冷却塔DCC，在此进行烟气前处理。碱液储罐BT中的稀碱液(如NaOH或 KOH)，一般是～10％质量浓度，通过碱液泵BP从接触式冷却塔DCC上部进入，烟气和碱液在塔中直接逆流接触。经过碱液淋洗，烟气中的颗粒物、水溶性杂质、残存的酸性气体等被深度脱除，SO2浓度低于10ppm，最小化其对溶剂的失活作用，同时烟气被碱液冷却至30～50℃，从接触式冷却塔DCC顶部排出。预处理烟气的碱液从塔底流出进入进料分离器CKD，在此碱液被冷却，不溶物被过滤，来自烟气的多余冷凝水被除去(用于新鲜溶剂储槽ST中制备溶剂)，回到碱液储罐BT循环利用。当碱液的pH低于6，不再适合继续用于烟气预处理，此时储罐中需更换新鲜碱液。
经预处理的烟气从下部进入一级吸收塔A1，自下向上流动，并与经上部进入一级吸收塔A1喷淋而下的CO2贫溶液，直接逆流接触并发生反应，贫溶液吸收烟气中的二氧化碳变为CO2富溶液，从一级吸收塔A1底部排出。脱除部分二氧化碳的烟气经一级吸收塔A1顶部的烟气出口排出，从下部进入二级吸收塔 A2，与由上部进入二级吸收塔A2的CO2贫溶液，逆流接触并反应，贫溶液吸收二氧化碳变为CO2富溶液，从二级吸收塔A2底部排出。各级吸收塔的操作温度范围为30～50℃。脱除二氧化碳的烟气经二级吸收塔A2顶部的出口排出(超过 90％去除率)，从下部进入洗涤塔WW，在此进行烟气后处理。
所述烟气与经洗涤液泵WP从洗涤液储罐WT输送至洗涤塔WW上部的洗涤液逆流接触，洗涤液洁净烟气，脱去其中夹带的吸收溶剂组分，包括挥发性蒸气和形成的气溶胶，由洗涤塔WW底部排出，经冷却后返回至洗涤液储罐WT 循环利用，净化后的烟气从洗涤塔WW顶部排出至外部环境。
二级吸收塔A2的CO2富溶液从塔腔底部排出，进入二级液—液分离池PS2，由于两液体相的密度差异，于其中发生静态液—液分层，密度小的一相在上层，密度大的一相在下层，且>99％的CO2集中分布在其中一相(CO2富相)，<1％的CO2分布在另一相(CO2贫相)。如图1所示，CO2贫相在上层，CO2富相在下层(在其他情形下，亦可相反)，在40℃下两相粘度分别为<10cp和<50cp。部分(5～80wt％)CO2贫相通过第二回流泵CP2返回二级吸收塔A2，部分(15～90 wt％)CO2富相通过第二富相泵RP2进入富相混合池RM，由于吸收过程放热导致溶剂温度升高，设置中段回流可以带走释放的热量，保证吸收效果，且进入富相混合池RM的CO2富相比例需大于回流至二级吸收塔A2的CO2贫相比例。
在本发明中，CO2贫相粘度小，但对CO2吸收推动力不足，吸收溶剂所含速率活化组分只存在CO2富相中，所以二级液—液分离池PS2中CO2富相仅部分转移至富相混合池RM，剩余的CO2富相和CO2贫相进入两相混合池LRM，在此被搅拌均匀后，平均粘度和CO2负载量均低于进入二级液—液分离池PS2的CO2富溶液，经由混相泵MP从上部进入一级吸收塔A1，以保证一级吸收塔A1 中有足够的传质推动力和吸收速率。来自一级回流泵CP1和混相泵MP的混合液经过一级级间冷却器HE1被冷却后进入一级吸收塔A1，由于部分溶剂预先分流，一级级间冷却器HE1冷却负荷小，一级吸收塔A1溶剂流量负荷亦小，一级吸收塔A1的尺寸和设备成本也相应降低。
进入一级吸收塔A1塔腔的CO2贫溶液，吸收CO2后变成CO2富溶液，且吸收过程中，随溶液CO2负载量增加，组成CO2贫溶液的一部分CO2贫相(来自两相混合池LRM)转化为CO2富相，CO2富相体积分数亦增加。生成的CO2富溶液由塔腔底部排出，进入一级液—液分离池PS1并发生液—液分层，如图1 所示，CO2贫相在上层，CO2富相在下层，在40℃下两相粘度分别为<10cp和<50 cp，CO2贫相粘度几乎不变，且由于CO2负载量和CO2富相体积分数同时增加，CO2富相粘度仅略微增大。部分(5～80％)CO2贫相通过第一回流泵CP1返回一级吸收塔A1，100％的CO2富相通过第一富相泵RP1进入富相混合池RM，剩余的CO2贫相经第一贫相泵LP1进入贫相混合池LM。
两级液—液分离池PS均为连续操作，相分离速度快、时间短，故液体停留时间短，分离池尺寸小，且一级液—液分离池PS1持液量较二级液—液分离池 PS2少，尺寸更小，节省设备成本。
各级液—液分离池的富相在富相混合池RM中搅拌，富相混合池RM的操作温度范围在30～50℃(回收利用系统余热)，是由于来自各级的富相组成不同，混匀的富液按热力学平衡重新相分配并发生液—液分层，机械搅拌作用加速这一再平衡过程。新产生的CO2贫相通过第二贫相泵LP2直接返回至贫液混合池LM，新产生的CO2富相分成两股流进入解吸系统再生，一部分冷流10～90％不经过换热，通过第三富相泵RP3从上部第一入口直接进入解吸塔D1，如此可利用该冷液流冷却解吸塔D1顶部的热气流，使产品气体部分冷凝并返回解吸塔D1，从而降低解吸的潜热需求；剩余冷流经过第四富相泵RP4进入贫富液换热器HE3，被加热后进入密闭承压的第三液—液分离池PS3。第三液—液分离池PS3操作温度范围为80～100℃(仅需系统余热维持操作温度)，在此CO2富相初步解吸，得到的产品气体通过气体压缩机CC1压缩后，进入冷凝器HE4，液体受热导相变作用，进一步分解成贫富两相，新生成的CO2贫相通过第三贫相泵LP3返回贫液混合池LM，新生成的CO2富相经第五富相泵RP5从中部进入解吸塔D1。
在解吸塔D1中，从上部进入的冷液和从中部进入的热液混合，向下流动中被加热，分解释放CO2，特别在解吸塔D1下部，混合液进入再沸器RB(操作温度范围为120～140℃)，被低压饱和蒸汽加热并深度解吸，释放大量CO2并再生CO2贫溶液，气液流回到解吸塔D1塔腔中，饱和蒸汽冷却后形成冷凝水流出再沸器RB。CO2贫溶液从解吸塔D1底部流出，富含CO2的再生气体向上流动并从塔顶排出，与自气体压缩机CC1的产品气体合流，合流气体进入冷凝器HE4 被冷却，产生气液流经冷凝器HE4出口进入气—液分离器CS，冷凝液通过气—液分离器CS的液体出口回流至解吸塔D1上部的第二入口，较纯净的CO2产品气体通过气—液分离器CS的气体出口进入二氧化碳压缩机CC2被进一步压缩、干燥，经后续纯化、液化步骤，得到液态CO2进入临时储罐，用于下游CO2利用，由于CO2出口压力较高(100～120℃下可达6bar)，所需的解吸潜热和压缩功都降低。
由解吸塔D1底部流出的CO2贫溶液，经贫富液换热器HE3被冷却后，通过第四贫液泵LP4进入贫液混合池LM。经过第一至第四贫相(液)泵进入贫液混合池LM的各路CO2贫相(液)，部分由贫液混合池LM第一出口通过第五贫液泵LP5输送至二级吸收塔A2的上部入口，剩余部分由贫液混合池LM第二出口通过第六贫液泵LP6输送至溶剂回收装置SR。在溶剂回收装置SR中，经过多次吸收—解吸循环，CO2贫相(液)中的不溶物被过滤，降解形成的热稳定盐经离子交换去除。同时，为弥补溶剂损耗，新配制溶剂贮存在新鲜溶剂储槽 ST中，溶剂配制所需的水来自洗涤液储罐WT中排出的洗涤液，新鲜溶剂通过补液泵SP与来自溶剂回收装置SR回收、净化的溶剂汇合，通过第七贫液泵LP7 输送至二级吸收塔A2的上部入口。来自二级回流泵CP2、第五贫液泵LP5和第七贫液泵LP7的各路CO2贫相(液)经过二级级间冷却器HE2被冷却后进入二级吸收塔A2，作为吸收溶剂循环利用。
在本发明中，用于换热器的冷媒，除上述明确提及的以外，一般均指循环冷却水，系统可集成利用余热包括但不限于烟气余热，再沸器冷凝水余热，压缩机级间余热等。
本发明的一种液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，吸收溶剂采用有机胺及其衍生物类物质作为反应活性成分(20～50wt％)，辅以惰性促分相剂(5～40 wt％)和抗粘性添加剂(1～5wt％)，以及少量水(5～30wt％)，组成贫水性混合胺双液相溶剂。适用于本发明的吸收溶剂配方灵活，组分均可直接商业购得，其中所述反应活性成分，包括速率活化剂和
Figure BDA0003643718810000121
碱，前者包括但不限于一种或多种伯胺(如乙醇胺，二乙烯三胺等)或仲胺(如二乙醇胺，哌嗪等)，可增强溶剂的吸收速率；后者包括但不限于一种或多种叔胺(如N-甲基二乙醇胺， 1,4-双(2-羟乙基)哌嗪等)或空间位阻胺(如2-氨基-2-甲基-1-丙醇，2-(叔丁氨基) 乙醇，2-(异丙基氨基)乙醇等)，可增强溶剂的吸收容量。所述促分相剂，包括但不限于一种或多种CO2惰性有机溶剂，如1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，N-甲基吡咯烷酮，环丁砜，乙二醇二甲醚等，可促进液—液两相分离。所述抗粘剂，包括但不限于一种或多种离散剂，包括醇类(如乙醇，2-丙醇，丁醇等)，酚类(如苯酚，苯甲酚等)，碱金属、碱土金属的有机或无机盐(如乙酸锂，高氯酸锂，氯化镁等)，酰胺、类酰胺、砜、胍盐类物质(如尿素，硫脲，二甲基亚砜，环丁砜，盐酸胍，硝酸胍等)，表面活性剂(如十二烷基硫酸钠，季铵盐等)等，可干扰、破坏由氢键、范德华力等介导的分子间作用力，降低溶剂粘度。所述贫水性混合有机胺吸收溶剂，在CO2贫液状态下为均相或两相，在CO2富液状态下自动自发或受环境条件(如温度、压力等)变化诱导成为液—液两相，两相存在极性差异，CO2贫相主要由未反应的溶剂分子构成，构成亲油相，仅有少量物理溶解的CO2，CO2富相含大量氨基甲酸酯、碳酸盐/碳酸氢盐等CO2吸收反应的离子和两性分子产物，构成亲水相。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其特征在于：包括吸收塔(A)、解吸塔(D1)、若干液—液分离池(PS)、若干两相混合池(LRM)、富相混合池(RM)、贫液混合池(LM)和若干热交换装置(HE)；
所述吸收塔(A)有若干个，且相互串联连接；外部含二氧化碳的待处理烟气通过管线与所述若干吸收塔(A)中一级吸收塔(A1)下部的烟气入口连通，所述一级吸收塔(A1)顶部的烟气出口与下一级吸收塔下部的烟气入口连通，依此类推，末级吸收塔顶部的烟气出口与外界连通；
所述若干吸收塔(A)中每一级吸收塔底部的CO2富液出口分别与其对应的液—液分离池(PS)的液体入口连通，各级液—液分离池(PS)的CO2富相出口分别通过管线与富相混合池(RM)的入口连通，各级液—液分离池(PS)的CO2贫相出口分别通过管线与对应吸收塔上部的CO2贫液入口连通，且进入富相混合池(RM)的CO2富相比例大于返回相应吸收塔的CO2贫相比例；一级液—液分离池(PS1)分离出部分CO2贫相，输送至所述贫液混合池(LM)的入口，其余各级液—液分离池(PS)分离出部分CO2贫相和部分CO2富相，分别通过管线输送至对应的两相混合池(LRM)，搅拌均匀的混合液通过管线进一步输送至上一级吸收塔上部的CO2贫液入口；
所述富相混合池(RM)接受来自各级液—液分离池(PS)的CO2富相，搅拌均匀后的混合液发生液—液分层，并通过富相混合池(RM)的三个出口流出，第一出口直接连通分层的CO2贫相和所述贫液混合池(LM)的入口，第二出口直接连通部分分层的CO2富相和所述解吸塔(D1)的上部第一入口，第三出口连通剩余分层的CO2富相和贫富液换热器(HE3)的冷液入口，所述贫富液换热器(HE3)的冷液出口通过管线连通第三液—液分离池(PS3)的入口；
所述第三液—液分离池(PS3)接受来自富相混合池(RM)，在贫富液换热器(HE3)中被加热的部分CO2富相，该部分CO2富相发生升温诱导的相变，产生气—液—液三相，并通过第三液—液分离池(PS3)的三个出口流出，第一出口通过管线连通顶空气体和冷凝器(HE4)的气体入口，第二出口直接连通分层的CO2贫相与所述贫液混合池(LM)的入口，第三出口连通分层的CO2富相与所述解吸塔(D1)的中部入口；
所述解吸塔(D1)下部设有再沸器(RB)，所述再沸器(RB)上设有饱和蒸汽入口和冷凝水出口，所述再沸器(RB)的进液口通过管线与所述解吸塔(D1)下部的CO2富液出口连通，所述再沸器(RB)的气液出口与所述解吸塔(D1)下部的CO2贫液入口连通，所述解吸塔(D1)底部的CO2贫液出口与贫富液换热器(HE3)的热流进口连通，所述贫富液换热器(HE3)的热流出口与所述贫液混合池(LM)的入口连通；所述贫液混合池(LM)内设有搅拌装置，第一出口通过管线连通末级吸收塔上部的CO2贫液入口；各级吸收塔上部的CO2贫液入口处分别设有各级级间冷却器，用于冷却进入相应吸收塔的CO2贫液。
2.根据权利要求1所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其特征在于：还包括气体压缩机(CC1)、气—液分离器(CS)和二氧化碳压缩机(CC2)；所述气体压缩机(CC1)的入口连通第三液—液分离池(PS3)的第一出口，所述气体压缩机(CC1)的出口连通所述冷凝器(HE4)的气体入口，所述解吸塔(D1)顶部的气体出口也与冷凝器(HE4)的气体入口连通，所述冷凝器(HE4)的气液出口与所述气—液分离器(CS)的入口连通，所述气—液分离器(CS)的冷凝液出口与所述解吸塔(D1)的上部第二入口连通，所述气—液分离器(CS)的气体出口与二氧化碳压缩机(CC2)连通。
3.根据权利要求1所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其特征在于：还包括接触式冷却塔(DCC)、洗涤塔(WW)、碱液储罐(BT)、洗涤液储罐(WT)和进料分离器(CKD)；外部含二氧化碳的待处理烟气与所述接触式冷却塔(DCC)下部的烟气入口连通，所述接触式冷却塔(DCC)顶部的烟气出口与所述一级吸收塔(A1)下部的烟气入口连通；所述末级吸收塔顶部的烟气出口与所述洗涤塔(WW)下部的烟气入口连通，所述洗涤塔(WW)顶部的净化烟气出口与外界连通；所述接触式冷却塔(DCC)上部的碱液入口通过管线与所述碱液储罐(BT)的出口连通，所述接触式冷却塔(DCC)底部的碱液出口通过管线与所述进料分离器(CKD)的入口连通，所述进料分离器(CKD)的出口与所述碱液储罐(BT)的入口连通；所述洗涤塔(WW)上部的洗涤液进口通过管线与所述洗涤液储罐(WT)的出口连通，所述洗涤塔(WW)底部的洗涤液出口与所述洗涤液储罐(WT)的入口连通。
4.根据权利要求1所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其特征在于：还包括溶剂回收装置(SR)和新鲜溶剂储槽(ST)；所述贫液混合池(LM)的第二出口与所述溶剂回收装置(SR)的入口连通，所述新鲜溶剂储槽(ST)的出口和溶剂回收装置(SR)的出口通过管线与末级吸收塔上部的CO2贫液入口连通。
5.根据权利要求1所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其特征在于：还包括加压风机(BF)和若干液体泵；外部含二氧化碳的待处理烟气和所述接触式冷却塔(DCC)之间的管线上设有加压风机(BF)，所述碱液储罐(BT)的出口和接触式冷却塔(DCC)上部的碱液入口之间的管线上设有碱液泵(BP)，所述洗涤液储罐(WT)的出口和洗涤塔(WW)上部的洗涤液进口之间的管线上设有洗涤液泵(WP)；各级液—液分离池(PS)的CO2富相与所述富相混合池(RM)之间的管线上分别设有各级富相泵(RP)，各级液—液分离池(PS)的CO2贫相与相应吸收塔上部的CO2贫液入口之间的管线上分别设有各级回流泵(CP)，各级两相混合池(LRM)与上一级吸收塔之间的管线上分别设有各级混相泵。
6.根据权利要求5所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其特征在于：一级液—液分离池(PS1)和所述贫液混合池(LM)之间的管线上设有第一贫相泵(LP1)，所述富相混合池(RM)第一出口与所述贫液混合池(LM)之间的管线上设有第二贫相泵(LP2)，所述第三液—液分离池(PS3)第二出口与贫液混合池(LM)之间的管线上设有第三贫相泵(LP3)，所述贫富液换热器(HE3)热流出口与贫液混合池(LM)之间的管线上设有第四贫液泵(LP4)；
所述富相混合池(RM)第二出口与所述解吸塔(D1)的上部第一入口之间的管线上设有第三富相泵(RP3)，所述富相混合池(RM)第三出口与贫富液换热器(HE3)冷液入口之间的管线上设有第四富相泵(RP4)，所述第三液—液分离池(PS3)第三出口与解吸塔(D1)的中部入口之间的管线上设有第五富相泵(RP5)；所述贫液混合池(LM)的第一出口和所述末级吸收塔上部的CO2贫液入口之间的管线上设有第五贫液泵(LP5)，所述贫液混合池(LM)的第二出口和溶剂回收装置(SR)之间的管线上设有第六贫液泵(LP6)，所述溶剂回收装置(SR)和末级吸收塔上部的CO2贫液入口之间的管线上设有第七贫液泵(LP7)，所述新鲜溶剂储槽(ST)的出口处设有补液泵(SP)。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其特征在于：采用贫水性混合有机胺溶剂，包含一种或多种有机胺或其衍生物类物质作为溶剂的活性成分，一种或多种促相分离剂，一种或多种抗粘性添加剂，以及少量水。
8.根据权利要求7所述的液—液分相式的二氧化碳吸收和解吸系统，其特征在于：所述溶剂的活性成分包括速率活化剂和
Figure FDA0003643718800000041
碱，前者为伯胺或仲胺或其衍生物中的一种或多种，后者为叔胺或空间位阻胺或其衍生物中的一种或多种；所述促相分离剂为CO2惰性的有机溶剂中的一种或多种，包括但不限于1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、N-甲基吡咯烷酮、环丁砜或乙二醇二甲醚；所述抗粘剂为离散剂中的一种或多种，包括但不限于醇类、酚类、碱金属或碱土金属的有机或无机盐、酰胺、类酰胺、砜或胍盐类物质。
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