CN114917726B - 一种co2捕集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CO2捕集装置，该装置通过设置第一解吸结构和第二解吸结构，并通过将第一解吸结构的排液口分别与吸收结构的中下部以及第二解吸结构的顶部连通，实现了分级解吸和半贫液循环，使得CO2脱除率达到99％以上，同时解吸热单耗较传统单塔解吸工艺下降5％以上，从而实现了在低耗能情况下达到高的CO2脱除率。
Description
技术领域
本发明涉及烟气净化处理技术领域，具体涉及一种CO2捕集装置。
背景技术
二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)技术是指将CO2从相关排放源捕集并分离出来，输送到海洋、油气田等地点进行长期封存，从而减少温室气体排放的技术。该技术被认为是最具前景的碳减排技术。CO2捕集技术又是CCUS技术的关键环节，目前，CO2捕集工艺可以分为以下三类:燃烧前捕集、富氧燃烧捕集(燃烧中捕集)以及燃烧后捕集，绝大多数CO2的捕集都是采用燃烧后捕集技术。
针对化石燃料燃烧后CO2捕集的主流技术有化学吸收法、物理吸收法、吸附分离法和膜分离法等，其中化学吸收法因其吸收速度快、吸收容量大，市场前景较好，应用最为广泛。化学吸收法的原理是：低温下溶剂与CO2发生化学反应将其吸收，加热时饱和吸收剂发生吸收的逆反应，从而将CO2解吸出来。
图1为传统化学吸收工艺装置的结构示意图，其中具备一定CO2浓度的烟气经过预处理后进入吸收塔，与碱性吸收剂(即贫液)逆流接触，通过传质、扩散和反应等过程，CO2与吸收剂发生化学反应，形成可溶解于水的不稳定化合物，吸收了CO2的吸收剂(即富液)经换热器升温后流入再生塔中并与高温蒸汽再次发生热交换，不稳定化合物受热发生分解释放出CO2，从塔顶解吸出的CO2再经过后续降温、干燥和净化流程，即可获得纯度较高的CO2，同时解吸出CO2的吸收剂(即贫液)再经换热器降温后，返回吸收塔循环吸收CO2。
然而，传统化学吸收工艺装置存在低能耗和高CO2脱除率不可兼顾的问题，从而制约其推广。
因此，需要开发一种CO2捕集装置，其能够同时实现低能耗和高CO2脱除率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种CO2捕集装置，该装置通过设置第一解吸结构和第二解吸结构，并通过将第一解吸结构的排液口分别与吸收结构的中下部以及第二解吸结构的顶部连通，实现了分级解吸和半贫液循环，使得CO2脱除率达到99％以上，同时解吸热单耗较传统单塔解吸工艺下降5％以上，从而实现了在低耗能情况下达到高的CO2脱除率。
为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案。
一种CO2捕集装置，包括：
吸收结构，所述吸收结构的顶部设有第一进液口，其底部设有第一进气口和第一排液口，所述吸收结构的中下部设有第二进液口；
第一解吸结构，所述第一解吸结构的顶部设有第一排气口，中上部设有第三进液口，底部设有第二排液口和第二进气口，其中所述第三进液口与所述第一排液口连通，所述第二排液口与所述第二进液口连通；以及
第二解吸结构，所述第二解吸结构的顶部设有第二排气口和第四进液口，其底部设有第三排液口，所述第四进液口与所述第二排液口连通，所述第二排气口与所述第二进气口连通，所述第三排液口与所述第一进液口连通。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1、本发明提供了一种CO2捕集装置，该装置通过设置用于初步解吸的第一解吸结构和用于精解吸的第二解吸结构，并通过将第一解吸结构的排液口分别与吸收结构的中下部以及第二解吸结构的顶部连通，实现了分级解吸和半贫液循环，其中经初步解吸后所得半贫液(含有部分CO2)中的一部分进入第二解吸结构进行精解吸，精解吸后所得贫液循环至吸收结构的顶部用于重新吸收CO2，而另一部分半贫液则循环至吸收结构的中下部用于继续吸收CO2，该装置通过分级解吸和半贫液循环，使得CO2脱除率达到99％以上，同时解吸热单耗较传统单塔解吸工艺下降5％以上，从而实现了在低耗能情况下达到高的CO2脱除率。
2、本发明的CO2捕集装置包括第一换热器和第二换热器，在生产过程中，一部分富液与来自第一解吸结构的部分半贫液在第一换热器发生热交换，另一部分富液与来自第二解吸结构的全部贫液在第二换热器中发生热交换，相比传统的单换热器设置，本发明实现了热量的充分利用，进一步降低了能耗，节约了生产成本。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为传统化学吸收工艺装置的结构示意图。
图2为本发明的CO2捕集装置的结构示意图。
附图标记说明
100为吸收结构，101为第一进液口，102为第一进气口，103为第一排液口，104为第二进液口，200为第一解吸结构，201为第一排气口，202为第三进液口，203为第二排液口，204为第二进气口，300为第二解吸结构，301为第二排气口，302为第四进液口，303为第三排液口，400为第一管路，401为第一入口端，402为第一出口端，500为第二管路，501为第二入口端，502为第二出口端，600为第一换热器，700为第二换热器，800为再生装置，900为第一冷却装置，1000为第二冷却装置，1100为第三冷却装置，1200为回流装置，1300为泵送装置，1400为塔底泵，1500为第一半贫液泵，1600为第二半贫液泵，1700为贫液泵。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
由于现有的化学吸收工艺装置无法兼顾低能耗和高CO2脱除率，严重制约其推广。因此，本发明提供一种改进的CO2捕集装置，其结构如下。
图2给出了本发明的CO2捕集装置的结构示意图。具体地，如图2所示，本发明的CO2捕集装置包括：吸收结构100，吸收结构100的顶部设有第一进液口101，其底部设有第一进气口102和第一排液口103，吸收结构100的中下部设有第二进液口104；第一解吸结构200，第一解吸结构200的顶部设有第一排气口201，中上部设有第三进液口202，底部设有第二排液口203和第二进气口204，其中第三进液口202与第一排液口103连通，第二排液口203与第二进液口104连通；以及第二解吸结构300，第二解吸结构300的顶部设有第二排气口301和第四进液口302，其底部设有第三排液口303，第四进液口302与第二排液口203连通，第二排气口301与第二进气口204连通，第三排液口303与第一进液口101连通。
本发明的CO2捕集装置通过设置第一解吸结构和第二解吸结构，并通过将第一解吸结构的排液口分别与吸收结构的中下部以及第二解吸结构的顶部连通，实现了分级解吸和半贫液循环，使得CO2脱除率达到99％以上，同时解吸热单耗较传统单塔解吸工艺下降5％以上，从而实现了在低耗能情况下达到高的CO2脱除率。虽然传统单塔解吸工艺的CO2脱除率也能够达到99％以上，但是其解吸热单耗却比本发明高5％以上。
优选地，本发明的CO2捕集装置还包括：第一管路400，第一管路400设有第一入口端401和第一出口端402，第一入口端41与第一排液口103连通；第二管路500，第二管路500设有第二入口端501和第二出口端502，第二出口端502与第三进液口202连通；第一换热器600，第一换热器600分别与第一出口端402、第二入口端501、第二排液口203和第二进液口104连通；以及第二换热器700，第二换热器700分别与第一出口端402、第二入口端501、第三排液口303和第一进液口101连通。这样设置使得富液分为两路，一路低温富液与来自第一解吸结构200的高温半贫液在第一换热器600中发生热交换，另一路低温富液与来自第二解吸结构300的高温贫液在第二换热器700中发生热交换，实现了热量的充分再利用，降低了能耗，节约了生产成本。
优选地，吸收结构100为至少一个吸收塔。所述吸收塔的数量可根据实际需要进行选择。例如，当存在多个CO2产生点时，所述吸收结构可为2个以上吸收塔，并且每个所述吸收塔的所述第一排液口均与第一管路400的第一入口端401连通，即，2个以上所述吸收塔以并联方式连接。通过设置多个吸收塔，可以实现多个位点CO2的同时捕集，避免了因在每个位点均安装一套完整的CO2捕集装置而带来的高生产成本问题。
优选地，第一解吸结构200和第二解吸结构300均为解吸塔。本发明通过设置用于初步解吸的第一解吸结构200和用于精解吸的第二解吸结构300，并通过将第一解吸结构200的排液口分别与吸收结构100的中下部以及第二解吸结构300的顶部连通，实现了分级解吸和半贫液循环，其中经初步解吸后所得半贫液(含有部分CO2)中的一部分进入第二解吸结构300进行精解吸，精解吸后所得贫液循环至吸收结构100的顶部用于重新吸收CO2，而另一部分半贫液则循环至吸收结构100的中下部用于继续吸收CO2。在本发明中，部分半贫液循环至吸收结构100的中下部而非其顶部的原因在于，经第一解吸结构200初步解吸后所得半贫液中依然残留部分CO2，这导致半贫液的CO2吸收性能相比贫液较差，又由于原料气从吸收结构100的底部进入，因而吸收结构100中下部的CO2浓度较大，因此在吸收结构100的中下部通入半贫液更有利于其吸收CO2，从而实现CO2吸收剂的有效利用，减少其用量，进一步节约生产成本。
优选地，第一解吸结构200的底部设有再生装置800。再生装置800的数量可根据实际需要进行选择。例如，在一些实施方案中，第一解吸结构200的底部设有1个再生装置800，再生装置800与第二排液口203、第一换热器600和第四进液口302连通。在另一些实施方案中，第一解吸结构200的底部设有2个以上再生装置800，2个以上再生装置800按照液体流动路径串联设置，并且每个再生装置800均与第二排液口203、第一换热器600和第四进液口302连通。
优选地，第二解吸结构300的底部设有再生装置800。再生装置800的数量可根据实际需要进行选择。例如，在一些实施方案中，第二解吸结构300的底部设有1个再生装置800，再生装置800与第三排液口303和第二换热器700连通。在另一些实施方案中，第二解吸结构300的底部设有2个以上再生装置800，2个以上再生装置800按照液体流动路径串联设置，并且每个再生装置800均与第三排液口303和第二换热器700连通。
优选地，再生装置800为再沸器。本发明通过设置再生装置，使半贫液发生进一步解吸，解吸出的CO2循环至第一解吸结构或第二解吸结构的底部，从而实现充分解吸。
优选地，CO2捕集装置还包括：第一冷却装置900，第一冷却装置900分别与第二进液口104和第一换热器600连通；以及第二冷却装置1000，第二冷却装置1000分别与第一进液口101和第二换热器700连通。通过设置冷却装置，可以更好地控制回流至吸收结构中的贫液或半贫液的温度，从而更好地控制CO2的吸收。
本发明的CO2捕集装置还可包括：第三冷却装置1100，第三冷却装置1100与第一排气口201连通；回流装置1200，回流装置1200与第三冷却装置1100连通；以及泵送装置1300，泵送装置1300分别与回流装置1200和第一解吸结构200的顶部连通。
此外，本发明的CO2捕集装置还可包括：塔底泵1400，塔底泵1400分别与吸收结构100的第一排液口103、第一换热器600和第二换热器700连通；第一半贫液泵1500，第一半贫液泵1500分别与第二排液口203和第一换热器600连通；第二半贫液泵1600，第二半贫液泵1600分别与第二排液口203和第四进液口302连通；以及贫液泵1700，贫液泵1700分别与第三排液口303和第二换热器700连通。
在一些具体实施例中，本发明的CO2捕集装置包括2个吸收结构，即包括第一吸收结构和第二吸收结构，如图2所示。该捕集装置在捕集CO2时的工作流程如下：
1、第一吸收结构(图2中靠左侧的吸收结构)：来自换热后的贫液从第一吸收结构的顶部进入，原料气从其底部进入。经过结构内部气液两相传质后，从第一吸收结构的顶部排放脱除CO2后的气体，该气体经气液分离罐脱除携带液体后送出装置；从第一吸收结构的底部排放富液。
2、第二吸收结构(图2中靠右侧的吸收结构)：来自换热后的贫液从第二吸收结构的顶部进入，来自换热后的半贫液从其中下部进入，原料气从其底部进入。经过结构内部气液两相传质后，从第二吸收结构的顶部排放脱除CO2后的气体，该气体经气液分离罐脱除携带液体后送出装置；从第二吸收结构的底部排放富液。
3、第一换热器和第二换热器：来自第一吸收结构底部的富液经加压后与来自第二吸收结构底部并经加压后的富液混合，所得混合富液分为两路：一路混合富液与来自第一解吸结构(图2中靠左侧的解吸结构)底部并经加压后的半贫液在第一换热器中进行换热，另一路混合富液与来自第二解吸结构(图2中靠右侧的解吸结构)底部并经加压后的贫液在第二换热器中进行换热；换热结束后，两路升温的混合富液再次混合，并从第一解吸结构的顶部进入。
4、第一解吸结构：经过加热的混合富液从第一解吸结构的中上部进入并在塔内发生解吸。所产生的气相从塔顶排出并经冷却装置冷却后进入回流装置，回流装置中的气相被排出；所产生的半贫液从塔底排出并分为两路，一路半贫液与一路混合富液(由来自第一吸收结构和第二吸收结构的富液混合而形成)在第一换热器中进行换热，换热结束后，半贫液经第一冷却装置降温后分为两路，并分别从第一吸收结构的中下部和第二吸收结构的中下部进入；另一路半贫液从第二解吸结构顶部进入。
5、第二解吸结构：半贫液从第二解吸结构顶部进入，经过塔内气液两相传质后，从第二解吸结构塔顶排放的气相返回第一解吸结构底部，从第二解吸结构底部排出的贫液经加压后与另一路混合富液(由来自第一吸收结构和第二吸收结构的富液混合而形成)在第二换热器中进行换热，换热结束后，贫液经第二冷却装置降温后分为两路，并分别从第一吸收结构的顶部和第二吸收结构的顶部进入。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种CO2捕集装置，其特征在于，包括：
吸收结构，所述吸收结构的顶部设有第一进液口，其底部设有第一进气口和第一排液口，所述吸收结构的中下部设有第二进液口；
第一解吸结构，所述第一解吸结构的顶部设有第一排气口，中上部设有第三进液口，底部设有第二排液口和第二进气口，其中所述第三进液口与所述第一排液口连通，所述第二排液口与所述第二进液口连通；以及
第二解吸结构，所述第二解吸结构的顶部设有第二排气口和第四进液口，其底部设有第三排液口，所述第四进液口与所述第二排液口连通，所述第二排气口与所述第二进气口连通，所述第三排液口与所述第一进液口连通；
第一管路，所述第一管路设有第一入口端和第一出口端，所述第一入口端与所述第一排液口连通；
第二管路，所述第二管路设有第二入口端和第二出口端，所述第二出口端与所述第三进液口连通；
第一换热器，所述第一换热器分别与所述第一出口端、所述第二入口端、所述第二排液口和所述第二进液口连通；以及
第二换热器，所述第二换热器分别与所述第一出口端、所述第二入口端、所述第三排液口和所述第一进液口连通；
所述第一解吸结构的底部设有1个再生装置，所述再生装置与所述第二排液口、所述第一换热器和所述第四进液口连通；
或者，所述第一解吸结构的底部设有2个以上再生装置，2个以上所述再生装置按照液体流动路径串联设置，并且每个所述再生装置均与所述第二排液口、所述第一换热器和所述第四进液口连通；
所述第二解吸结构的底部设有1个再生装置，所述再生装置与所述第三排液口和所述第二换热器连通；
或者，所述第二解吸结构的底部设有2个以上再生装置，2个以上所述再生装置按照液体流动路径串联设置，并且每个所述再生装置均与所述第三排液口和所述第二换热器连通；
所述再生装置使半贫液发生进一步解吸，解吸出的CO2循环到所述第一解吸结构或所述第二解吸结构的底部，从而实现充分解吸。
2.根据权利要求1所述的CO2捕集装置，其特征在于，所述吸收结构为至少一个吸收塔。
3.根据权利要求2所述的CO2捕集装置，其特征在于，所述吸收结构为2个以上吸收塔，并且每个所述吸收塔的所述第一排液口均与所述第一管路的所述第一入口端连通。
4.根据权利要求1所述的CO2捕集装置，其特征在于，所述第一解吸结构和所述第二解吸结构均为解吸塔。
5.根据权利要求1所述的CO2捕集装置，其特征在于，所述再生装置为再沸器。
6.根据权利要求1所述的CO2捕集装置，其特征在于，还包括：
第一冷却装置，所述第一冷却装置分别与所述第二进液口和第一换热器连通；以及
第二冷却装置，所述第二冷却装置分别与所述第一进液口和第二换热器连通。
7.根据权利要求1所述的CO2捕集装置，其特征在于，还包括：
第三冷却装置，所述第三冷却装置与所述第一排气口连通；
回流装置，所述回流装置与所述第三冷却装置连通；以及
泵送装置，所述泵送装置分别与所述回流装置和所述第一解吸结构的顶部连通。
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