CN115285994A - 一种高效低能耗船舶co2捕集-膜解析-矿化固定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效低能耗船舶CO2捕集‑膜解析‑矿化固定系统及方法，此系统包括与船舶柴油机连接的冷却器、风机、吸收塔、富液泵和中空纤维膜接触器，中空纤维膜接触器并列设置为若干个，若干个中空纤维膜接触器与贫液泵连接，贫液泵的出液端与吸收塔的进液端连接，吸收塔的出液端与富液泵的进液端连接，富液泵的出液端与中空纤维膜接触器的进液端连接，冷却器的出气端与风机的进气端连接，风机的出气端与吸收塔的进气端连接。本发明还公开了矿化固定方法，通过海水矿化固定CO2过程为富液CO2膜基解吸提供动力，此系统及方法可解决现有船舶CCUS技术存在的问题，零再生能耗，CO2以碳酸盐的形式储存在海洋中，使得存储更容易、更安全，同时节省了空间。
Description
技术领域
本发明涉及尾气处理技术领域，尤其是涉及一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统及方法。
背景技术
疏浚船是一种重要的工程船舶，在港口、航道疏浚、湖泊扩容、填泥造陆、吹沙填岛等方面发挥着不可替代的作用。不同于传统的营运船舶，此类船舶装机功率较高，废气排放量大，随着规制船舶温室气体排放的国际公约及相关规划文件相继出台，减少船舶废气中二氧化碳(CO2)排放已成为各国发展绿色疏浚船舶时要考虑的重要因素。现在绝大多数远洋船舶在短期内仍将继续使用传统燃料，在这种情况下，CO2捕集、利用与封存技术(CarbonCapture,Utilization and Storage，简称CCUS)就可能成为船舶碳减排的替代方案。近年来，世界各国对CCUS技术展开了广泛的研究，该技术已成为陆地上电力、水泥、钢铁等CO2排放大户的主要解决方案，这也为CCUS技术在船舶上的应用提供了重要的参考。
但目前在世界范围内，船舶CCUS技术面临以下问题：
(1)船舶上CCUS系统安装、改造困难。船舶空间相对局促，特别是船舶机舱，没有太多的空间去加装CCUS系统。以应用较成熟的醇氨法燃烧后捕集系统为例，其工作流程包括CO2的吸收、再生及冷却，如果要在现有的船舶废气处理装置上进行改造，需要加装吸收塔、再生塔、冷却器、泵等装置，因船舶空间所限，实现起来有一定的困难。另外，CO2的储存需要加装大功率CO2压缩机和冷凝器，以便高压气态或液态储存，气态储存又会占据较大的船舶空间。
(2)较高的船舶碳捕集与储存成本加重船东负担。首先，船舶CCUS系统安装需要较高的初始成本，系统的运行又增加了船舶能耗及运营成本。
船舶碳捕集及储存成本较高的原因主要有：
①船舶废气中CO2浓度较低，吸收剂的再生能耗较高、损失较大。
②集成碳捕集工艺后发动机效率及船舶动力会受一定的影响。
③CO2储存所牺牲掉的船舶空间会导致货物运输能力的减小。
④相比陆上封存与驱油，海上封存与驱油难度更大，投资成本更高。
另外，当前船舶纯粹碳捕集及储存的成本是远高于碳交易市场碳价的，船舶应用CCUS技术的积极性不高，强制安装会对船东造成较大的负担。
(3)CO2船舶储存与运输的安全性值得关注。船舶捕集的CO2需要在船上暂时储存并运输一定的距离，无论气态或液态的CO2储运都有一定的安全隐患。液态储存的CO2一旦发生泄漏，骤冷的低温气体可能会造成船体结构或人员伤害；相反，液罐如遇高温，气化会使容器内压增大，有漏泄甚至爆炸风险。CO2常温下是一种无色无味气体，过量吸入CO2会对人体造成伤害，甚至有窒息风险。另外，液态CO2储运会对船舶稳定性造成一些影响，也应给予充分的重视。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统及方法，解决现有船舶CCUS技术存在的问题，CO2以碳酸盐的形式储存在海洋中，使得存储更容易、更安全，同时节省了空间。
为实现上述目的，本发明提供了一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统，包括与船舶柴油机连接的冷却器、风机、吸收塔、富液泵和中空纤维膜接触器，所述中空纤维膜接触器并列设置为若干个，若干个所述中空纤维膜接触器与贫液泵连接，所述贫液泵的出液端与所述吸收塔的进液端连接，所述吸收塔的出液端与所述富液泵的进液端连接，所述富液泵的出液端与所述中空纤维膜接触器的进液端连接，所述冷却器的出气端与所述风机的进气端连接，所述风机的出气端与所述吸收塔的进气端连接。
优选的，所述吸收塔的顶部设置有进液口，顶部侧面设置有排气口，所述吸收塔的底部设置有出液口，所述出液口与富液泵连接。
优选的，所述吸收塔的底部侧面设置有进气口，所述进气口与所述风机连接。
优选的，所述富液泵与所述中空纤维膜接触器之间设置有一个总富液阀门，所述中空纤维膜接触器与所述贫液泵之间设置有一个总贫液阀门，CO2富液通过总富液阀门同时流入若干个并列设置的中空纤维膜接触器的管程，从管程流出的CO2贫液汇总流过总贫液阀门。
优选的，所述中空纤维膜接触器包括膜元件和壳头，所述壳头设置在所述膜元件的两端，且所述膜元件的两端均为敞口结构。
优选的，所述膜元件浸泡在海水中，所述壳头设置在海水液面以上。
优选的，所述膜元件的膜材料为疏水材料，且所述膜元件的内径为320-350微米，外径为0.4-2毫米，壁厚为0.02-0.08毫米，膜上微孔孔径为0.02-0.2微米，孔隙率>40％。
一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定方法，包括以下步骤：
S1、收集船舶柴油机排气管中的尾气，并进行冷却处理；
S2、将冷却后尾气通入吸收塔，使用高效CO2吸收剂在吸收塔中捕集船舶烟气CO2，逆流接触，处理后的尾气从塔顶排出，吸收CO2后溶液为CO2富液；
S3、将脱碳处理后的CO2富液泵入中空纤维膜接触器的膜元件的管程，CO2富液从壳头的一端泵入，另一端泵出，液体流速固定，泵出的溶液在中空纤维膜接触器中完成了CO2解吸和CO2矿化过程，CO2富液变成CO2贫液，贫液通过贫液泵泵入到吸收塔内，进行二次吸收；
S4、富液中CO2通过膜元件扩散至海水中，被海水矿化固定，同时CO2吸收剂得以再生。
优选的，所述步骤S3中液体流速固定，变化范围为0.2-0.5m/s。
优选的，所述步骤S4中CO2从富液通过膜元件扩散至海水的速率大小由膜两侧的CO2浓度差所决定，该动力由海水矿化固定CO2所提供。
因此，本发明采用上述结构的一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统及方法，具备以下有益效果：
(1)本发明使用燃烧后捕集技术捕集船舶烟气CO2，可以在现有的废气处理装置上改造，对船舶系统改造小、投资少；
(2)本发明采用矿化固定CO2过程作为CO2再生的推动力，而不是传统的加热再生法，CO2再生的净能耗为零，因此无需额外的燃油消耗；
(3)本发明采用更紧凑的矿化设备用于CO2再生，该矿化设备是浸没于海水中的，不占用船上面积，从而可以装载更多货物；
(4)CO2以碳酸盐的形式储存在海洋中，而不是以气体或液体的形式储存在船上，无需CO2压缩机和冷凝器，因此该发明更容易、更安全、更节省空间。
(5)CO2以溶解态通过膜从CO2富液扩散到海水中，可以避免CO2以气体态扩散损失到大气中，同时吸收剂与海水的非直接接触，可避免互相污染。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统及方法实施例的系统装置图；
图2为传统中空纤维膜接触器；
图3为本发明的实验室级别装置图；
图4为CO2再生效率随时间的变化规律；
图5为CO2再生速率随时间的变化规律；
图6为再生后溶液二次吸收CO2性能与原溶液初次吸收CO2性能对比图；
图7为再生过程中海水和CO2富液pH随时间变化曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统，包括与船舶柴油机连接的冷却器1、风机2、吸收塔3、富液泵4和中空纤维膜接触器，中空纤维膜接触器并列设置为若干个，若干个中空纤维膜接触器与贫液泵5连接，贫液泵5的出液端与吸收塔3的进液端连接，吸收塔3的出液端与富液泵4的进液端连接，富液泵4的出液端与中空纤维膜接触器的进液端连接，冷却器1的出气端与风机2的进气端连接，风机2的出气端与吸收塔3的进气端连接。吸收塔3的顶部设置有进液口6，顶部侧面设置有排气口7。吸收塔3的底部侧面设置有进气口8，进气口8与风机2连接，吸收塔3的底部设置有出液口14，出液口14与富液泵4连接。
富液泵4与中空纤维膜接触器之间设置有一个总富液阀门9，中空纤维膜接触器与贫液泵5之间设置有一个总贫液阀门10，CO2富液通过总富液阀门同时流入若干个并列设置的中空纤维膜接触器的管程，从管程流出的CO2贫液汇总流过总贫液阀门。中空纤维膜接触器包括膜元件11和壳头12，壳头12设置在膜元件11的两端，且膜元件11的两端均为敞口结构。膜元件11浸泡在海水13中，壳头12设置在海水13液面以上。膜元件11的膜材料为疏水材料，包括但不限于PP、PVDF、PTFE等。且膜元件11的内径为320-350微米，外径为0.4-2毫米，壁厚为0.02-0.08毫米，膜上微孔孔径为0.02-0.2微米，孔隙率>40％。
在船舶柴油机与吸收塔之间设置有烟气冷却器、鼓风机、第一烟气分析仪和第二烟气分析仪，烟气冷却器的接入端与船舶柴油机的排气管相连，烟气冷却器的出气端与鼓风机的接入端相连，鼓风机的出气端与第一烟气分析仪的输入端相连；烟气冷却器、鼓风机、第一烟气分析仪和吸收塔通过管道相连；其中，第一烟气分析仪位于吸收塔进气口一侧，第二烟气分析仪位于吸收塔塔顶排气口一侧。
一种实现方式中，吸收塔包括：除雾器、至少一个喷淋管、至少一个喷射管，除雾器位于至少一个喷淋管、至少一个喷射管的上方。至少一个喷射管位于至少一个喷淋管的上部。
一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定方法，包括以下步骤：
S1、收集船舶柴油机排气管中的尾气，并进行冷却处理；
S2、将冷却后尾气通入吸收塔，使用高效CO2吸收剂在吸收塔中捕集船舶烟气CO2，逆流接触，处理后的尾气从塔顶排出，吸收CO2后溶液为CO2富液；
S3、将脱碳处理后的CO2富液泵入中空纤维膜接触器的膜元件的管程，CO2富液从壳头的一端泵入，另一端泵出，液体流速固定，泵出的溶液在中空纤维膜接触器中完成了CO2解吸和CO2矿化过程，CO2富液变成CO2贫液，贫液通过贫液泵泵入到吸收塔内，进行二次吸收；
S4、富液中CO2通过膜元件扩散至海水中，被海水矿化固定，同时CO2吸收剂得以再生。CO2从富液通过膜元件扩散至海水的速率大小由膜两侧的CO2浓度差所决定，该动力由海水矿化固定CO2所提供。
此方法中使用的CO2吸收剂是广泛意义上的任何可以吸收CO2的物理溶剂和化学溶剂，包括但不限于醇胺溶剂、无机碱溶剂、氨基酸盐等。
吸收塔是广泛意义上的任何塔，包括但不限于填料塔、板式塔等。
船舶烟气CO2是指船舶燃烧燃料过程中排放的CO2，燃料包括但不限于煤、石油、天然气等。
CO2富液为CO2吸收剂与船舶烟气CO2在吸收塔中逆流接触后，在塔底收集到的溶液，CO2吸收量可饱和也可不饱和。
海水是广泛意义上的任何人工海水和自然海水，pH范围在7～10之间。
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例
本发明以下实施例采用的人工海水成分根据标准ASTM D 1141—98《StandardPractice for the Preparation of Substitute Ocean Water》确定，其组成如表1所示。
表1
CO2捕集-膜解吸-矿化固定方法：
(1)图1为CO2捕集-膜解吸-矿化固定船舶CO2的系统装置图。如图所示，船舶排放的CO2进入冷却器，然后在风机的作用下由进气口进入吸收塔内，甘氨酸钾盐溶液作为CO2吸收剂，在常温、常压条件下吸收CO2成为富液，并由富液泵从出液口泵出，剩余烟气由出气口排出。打开总富液阀门和总贫液阀门，使富液进入膜元件的管程内，使富液在反应液泵的恒定速度下在膜元件的管程内流动并进行CO2的矿化固定，富液变为贫液，并通过贫液泵将反应后的贫液经进液口泵入吸收塔再次吸收船舶CO2，并循环往复整个过程。使用如图1所示的吸收塔吸收CO2，在塔底得到CO2富液，使用2M甘氨酸钾盐溶液作为CO2吸收剂，在常温、常压条件下吸收CO2至饱和，CO2吸收量为：1.43mol/L，量取100毫升CO2富液以备再生使用。
(2)改造传统中空纤维膜接触器(图2)，图2为传统中空纤维膜接触器，如图所示，21为出气口，22为进液口，23为出液口，24为进气口，25为中空纤维膜管程，26为中空纤维膜壳程，27为膜壳体，28为膜壳头。去除膜壳体，保留两端壳头和膜元件，壳头和膜元件浇筑连接，膜元件两端不封口。中空纤维膜材料为疏水PP材料，中空纤维膜的内径为320μm-350μm，外径为400μm-450μm，壁厚为40μm-45μm，膜上微孔孔径为0.02μm-0.2μm，孔隙率为40％-50％。将膜元件浸泡在人工海水中，壳头在海水液面以上。
(3)图3为实验室级别CO2膜解吸-矿化固定装置图，如图所示，使用蠕动泵31将100毫升富液37以0.5ml/s流速从锥形瓶32的一端泵入到膜元件33的一端并进入管程，在管程另一端泵出，再次泵回锥形瓶32，并循环操作60h。膜元件33的中空纤维膜浸泡在人工海水34中，膜元件33的两端在人工海水34的液面上，通过磁力搅拌器35对三口烧瓶36内的人工海水34进行搅拌。再生时间为60h，实时监测CO2富液和海水pH变化(如图7所示)，每12h取样一次滴定CO2富液中CO2担载量以确定CO2再生效率
(如图4所示)和CO2再生速率
(如图5所示)，计算公式如下：
其中，
为CO2解吸通量；Ai为中空纤维膜内表面积；CL，i，CL，o分别为组件进口和出口处溶液中CO2的浓度；QL为由蠕动泵控制的液体流速；η为CO2解吸效率。
图4为CO2再生效率随时间的变化规律。如图所示，CO2再生效率在再生过程的前24小时内快速上升，24小时至60小时内再生效率随时间上升较为缓慢。60小时时再生效率约为57％。
图5为CO2再生速率随时间的变化规律。如图所示，再生速率由再生过程中的CO2通量表示，O2再生通量在再生过程的前24小时内快速上升，24小时至60小时内再生通量随时间上升较为缓慢，单位为mol·L-1·m-2。
图6为再生后溶液二次吸收CO2性能与原溶液初次吸收CO2性能对比图。如图所示，原溶液初次吸收CO265分钟后达到饱和状态，吸收量为1.43mol/L。再生后溶液再次吸收CO250分钟后达到饱和状态，吸收量为0.943mol/L。
图7为再生过程中海水和CO2富液pH随时间变化曲线。如图所示，海水pH开始由8.35下降，并在第四小时下降至最低值7.16，后开始缓慢上升，五十小时后升至8.10并趋于平稳。CO2富液pH由8.14逐渐升高，由初始值8.14上升至9.10并趋于平稳。说明CO2富液中的CO2不断减少，并通过中空纤维膜扩散进入海水中。
(4)再生结束后，将再生后吸收液打入吸收塔中进行二次吸收，以确定该技术的循环稳定性(如图1所示)。
因此，本发明采用上述结构的一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统及方法，解决现有船舶CCUS技术存在的问题，CO2以碳酸盐的形式储存在海洋中，使得存储更容易、更安全，同时节省了空间。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统，其特征在于：
包括与船舶柴油机连接的冷却器、风机、吸收塔、富液泵和中空纤维膜接触器，所述中空纤维膜接触器并列设置为若干个，若干个所述中空纤维膜接触器与贫液泵连接，所述贫液泵的出液端与所述吸收塔的进液端连接，所述吸收塔的出液端与所述富液泵的进液端连接，所述富液泵的出液端与所述中空纤维膜接触器的进液端连接，所述冷却器的出气端与所述风机的进气端连接，所述风机的出气端与所述吸收塔的进气端连接。
2.根据权利要求1所述的一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统，其特征在于：所述吸收塔的顶部设置有进液口，顶部侧面设置有排气口，所述吸收塔的底部设置有出液口，所述出液口与富液泵连接。
3.根据权利要求1所述的一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统，其特征在于：所述吸收塔的底部侧面设置有进气口，所述进气口与所述风机连接。
4.根据权利要求1所述的一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统，其特征在于：所述富液泵与所述中空纤维膜接触器之间设置有一个总富液阀门，所述中空纤维膜接触器与所述贫液泵之间设置有一个总贫液阀门，CO2富液通过总富液阀门同时流入若干个并列设置的中空纤维膜接触器的管程，从管程流出的CO2贫液汇总流过总贫液阀门。
5.根据权利要求1所述的一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统，其特征在于：所述中空纤维膜接触器包括膜元件和壳头，所述壳头设置在所述膜元件的两端，且所述膜元件的两端均为敞口结构。
6.根据权利要求5所述的一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统，其特征在于：所述膜元件浸泡在海水中，所述壳头设置在海水液面以上。
7.根据权利要求5所述的一种高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定系统，其特征在于：所述膜元件的膜材料为疏水材料，且所述膜元件的内径为320-350微米，外径为0.4-2毫米，壁厚为0.02-0.08毫米，膜上微孔孔径为0.02-0.2微米，孔隙率>40％。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、收集船舶柴油机排气管中的尾气，并进行冷却处理；
S2、将冷却后尾气通入吸收塔，使用高效CO2吸收剂在吸收塔中捕集船舶烟气CO2，逆流接触，处理后的尾气从塔顶排出，吸收CO2后溶液为CO2富液；
S3、将脱碳处理后的CO2富液泵入中空纤维膜接触器的膜元件的管程，CO2富液从壳头的一端泵入，另一端泵出，液体流速固定，泵出的溶液在中空纤维膜接触器中完成了CO2解吸和CO2矿化过程，CO2富液变成CO2贫液，贫液通过贫液泵泵入到吸收塔内，进行二次吸收；
S4、富液中CO2通过膜元件扩散至海水中，被海水矿化固定，同时CO2吸收剂得以再生。
9.根据权利要求8所述的高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定方法，其特征在于：所述步骤S3中液体流速固定，变化范围为0.2-0.5m/s。
10.根据权利要求8所述的高效低能耗船舶CO2捕集-膜解析-矿化固定方法，其特征在于：所述步骤S4中CO2从富液通过膜元件扩散至海水的速率大小由膜两侧的CO2浓度差所决定，该动力由海水矿化固定CO2过程所提供。
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