CN115400569B - 一种二氧化碳捕集系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳捕集系统及其工作方法，其中二氧化碳捕集系统包括静态混合器和薄膜蒸发器；静态混合器连接于用于储存富液的平衡罐，平衡罐的富液出口经过热交换器连接至薄膜蒸发器顶部的富液入口，薄膜蒸发器底部连接于回收罐，回收罐顶部气体出口连接至冷凝器，冷凝器的二氧化碳出口连接于气体压缩机。本发明提供的二氧化碳捕集系统，吸收装置采用静态混合器，使得烟气和吸收剂气液两相充分混合，提高了吸收剂对二氧化碳的吸收效果，解吸装置采用薄膜蒸发器，使富液沿加热管壁呈膜状流动，传热效率高，蒸发速度快，液体停留时间短，有效提高了二氧化碳解吸效率，且相较于传统的吸收塔和解吸塔，尺寸较小，占地面积小，有效降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及气体回收的技术领域，尤其涉及到一种二氧化碳捕集系统及其工作方法。
背景技术
全球气候变暖使得人类生存和社会发展面临严峻挑战，是当前亟待解决的重大环境问题。应对全球气候变化，关键是减少温室气体，特别是二氧化碳的排放。化学吸收法是现阶段唯一可大规模捕集烟气二氧化碳的技术路线。目前常用的化学吸收法是采用稀释的弱碱水溶液作烟气二氧化碳的吸收剂，使用吸收剂需结合吸收塔和解吸塔的组合，对二氧化碳进行捕集，此方法已广泛应用于百万吨级/年燃煤电厂烟气二氧化碳捕集装置。然而为了实现更高的捕集率，二氧化碳吸收塔和解吸塔的设备尺寸较大，造成系统投资成本较高，占地面积大，极大限制了该技术的大规模应用，尤其是不适用于中小型企业。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于目前二氧化碳捕集装置存在设备尺寸较大、成本高的问题。
为此，根据第一方面，本发明提供一种二氧化碳捕集系统，包括静态混合器和薄膜蒸发器；静态混合器连接于用于储存富液的平衡罐，平衡罐的富液出口通过热交换器连接至薄膜蒸发器顶部的富液入口，薄膜蒸发器底部连接于回收罐，回收罐顶部气体出口连接至冷凝器，冷凝器的二氧化碳出口连接于气体压缩机。
进一步地，平衡罐顶部设置有分离器，用于排出平衡罐中的气体。
进一步地，平衡罐底部设置有循环液出口，并连接至静态混合器的吸收剂入口形成循环管路。
进一步地，回收罐底部设置有贫液出口，贫液出口通过再沸器连接至薄膜蒸发器顶部的富液入口形成循环管路；
和/或，贫液出口通过热交换器连接至静态混合器的吸收剂入口形成循环管路。
根据第二方面，本发明提供一种二氧化碳捕集系统的工作方法，包含以下步骤：
S1：烟气从静态混合器上部的烟气入口进入，吸收剂从静态混合器上部的吸收剂入口进入，二者在静态混合器中混合反应后形成富液进入平衡罐中，脱碳气体从平衡罐顶部的分离器排出；
S2：平衡罐中的富液一部分通过热交换器加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器，另一部分富液泵入静态混合器上部的吸收剂入口，进入静态混合器进行循环；
S3：富液在薄膜蒸发器中分离成热贫液和二氧化碳，并进入回收罐，二氧化碳经回收罐顶部气体出口进入到冷凝器，冷凝器中的冷凝液返回到回收罐中，二氧化碳进入气体压缩机压缩储存；
S4：回收罐中的热贫液一部分经再沸器升温加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器进行循环，另一部分热贫液经过热交换器降温后经吸收剂入口泵入静态混合器进行循环。
进一步地，步骤S1中吸收剂由以下成分组成：30-50wt％叔醇胺、0.1-5％活化剂，余量为水。
进一步地，叔醇胺为N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)、N－甲基二乙醇胺(MDEA)、三乙醇胺(TEA)中的至少一种；
和/或，活化剂为四乙烯五胺(TETA)、哌嗪(PZ)、单乙醇胺(MEA)中的一种。
进一步地，步骤S1中烟气温度为40-60℃，吸收剂温度为20-50℃。
进一步地，步骤S中薄膜蒸发器的温度为80-120℃，压力为5mbar-1bar。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的二氧化碳捕集系统，二氧化碳的吸收装置采用了静态混合器，在静态混合器中可以使两股或多股流体产生切割、剪切、旋转和重新混合，达到流体之间充分分散混合的目的。利用静态混合器使得烟气和吸收剂气液两相充分混合，提高了吸收剂对二氧化碳的吸收效果，且相较于传统的吸收塔，尺寸较小，占地面积小，有效降低了成本。
2.本发明提供的二氧化碳捕集系统，解吸装置采用了薄膜蒸发器，使经静态混合器混合后的富含二氧化碳的吸收剂液体，沿加热管壁呈膜状流动而进行传热和蒸发，传热效率高，蒸发速度快，液体停留时间短，有效提高了二氧化碳解吸的效率。且相较于传统的解吸塔，尺寸较小，占地面积小，有效降低了成本。
3.本发明提供的二氧化碳捕集系统的工作方法中，平衡罐中的富液在进入薄膜蒸发器的过程中通过热交换器与从回收罐中出来的热贫液进行热量交换，对进入薄膜蒸发器的吸收富液进行预热，节省能源成本。
4.本发明提供的二氧化碳捕集系统的工作方法中，平衡罐中的一部分富液再次进入静态混合器进行循环利用，回收罐中的热贫液分别进入薄膜蒸发器和静态混合器进行循环利用，提升二氧化碳捕集系统的二氧化碳捕集效率，降低系统成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的二氧化碳捕集系统的示意图；
附图标记说明：
1-静态混合器；11-烟气入口；12-吸收剂入口；
2-薄膜蒸发器；21-富液入口；
3-平衡罐；31-分离器；32-循环液出口；33-第一管道；34-第一循环泵；35-富液出口；36-第二管道；37-第二循环泵；
4-热交换器；
5-回收罐；51-气体出口；52-贫液出口；53-第三管道；531-第一支路；532-第二支路；54-第三循环泵；
6-冷凝器；61-二氧化碳出口；
7-再沸器。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
本实施例提供了一种二氧化碳捕集系统，如图1所示，包括静态混合器1和薄膜蒸发器2。
静态混合器1上部设置有烟气入口11和吸收剂入口12，静态混合器1下部与平衡罐3连接。平衡罐3的顶部设置有分离器31，用于排出平衡罐中的非二氧化碳气体。平衡罐3一侧的循环液出口32通过第一管道33连接于静态混合器1的吸收剂入口12，第一管道33上设置第一循环泵34。平衡罐3下部设置富液出口35，富液出口35通过第二管道36连接至薄膜蒸发器2顶部的富液入口21，第二管道36上设置有第二循环泵37，第二管道36经过热交换器4。薄膜蒸发器2底部连接于回收罐5，回收罐5通过顶部气体出口51连接至冷凝器6，冷凝器6的二氧化碳出口61连接于气体压缩机。回收罐5底部设置有贫液出口52，贫液出口52与第三管道53相连，第三管道53分支成两条支路，第一支路531经过再沸器7连接至薄膜蒸发器2顶部的富液入口21，第一支路531上设置有第三循环泵54。第二支路532经过热交换器4，与静态混合器1的吸收剂入口12相连形成循环管路。
作为本实施例的一种优选实施方式，第二支路532经过热交换器4后，通过第一循环泵34连接至第一管道33，最终与静态混合器1的吸收剂入口12相连形成循环管路。
实施例2
基于实施例1中的二氧化碳捕集系统，本实施例提供了一种二氧化碳捕集系统的工作方法，具体步骤如下：
S1：二氧化碳含量为10％的烟气从静态混合器上部的烟气入口进入，烟气温度为50℃，烟气流量为600ml/min，吸收剂从静态混合器上部的吸收剂入口进入，吸收剂温度为40℃，二者在静态混合器中混合反应后形成富液进入平衡罐中，脱碳气体从平衡罐顶部的分离器排出；
其中，吸收剂由以下成分组成：40wt％N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)、0.5％四乙烯五胺(TETA)，余量为水；
S2：平衡罐中的富液一部分经过热交换器，在热交换器中与从回收罐出来的热贫液进行热量交换预加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器，另一部分富液泵入静态混合器上部的吸收剂入口，进入静态混合器进行循环；
S3：控制薄膜蒸发器的温度为100℃，压力为800mbar，使富液在薄膜蒸发器中分离成热贫液和二氧化碳，并进入回收罐，分离出的二氧化碳经回收罐顶部气体出口进入到冷凝器，冷凝器中的冷凝液返回到回收罐中，泠凝器出口的二氧化碳进入气体压缩机压缩储存；
S4：回收罐中的热贫液一部分经再沸器升温加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器进行循环，另一部分热贫液经过热交换器降温后经吸收剂入口泵入静态混合器进行循环。
实施例3
基于实施例1中的二氧化碳捕集系统，本实施例提供了一种二氧化碳捕集系统的工作方法，具体步骤如下：
S1：二氧化碳含量为10％的烟气从静态混合器上部的烟气入口进入，烟气温度为40℃，烟气流量为600ml/min，吸收剂从静态混合器上部的吸收剂入口进入，吸收剂温度为50℃，二者在静态混合器中混合反应后形成富液进入平衡罐中，脱碳气体从平衡罐顶部的分离器排出；
其中，吸收剂由以下成分组成：50wt％N－甲基二乙醇胺(MDEA)、0.1％哌嗪(PZ)，余量为水；
S2：平衡罐中的富液一部分经过热交换器，在热交换器中与从回收罐出来的热贫液进行热量交换预加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器，另一部分富液泵入静态混合器上部的吸收剂入口，进入静态混合器进行循环；
S3：控制薄膜蒸发器的温度为120℃，压力为5mbar，使富液在薄膜蒸发器中分离成热贫液和二氧化碳，并进入回收罐，分离出的二氧化碳经回收罐顶部气体出口进入到冷凝器，冷凝器中的冷凝液返回到回收罐中，泠凝器出口的二氧化碳进入气体压缩机压缩储存；
S4：回收罐中的热贫液一部分经再沸器升温加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器进行循环，另一部分热贫液经过热交换器降温后经吸收剂入口泵入静态混合器进行循环。
实施例4
基于实施例1中的二氧化碳捕集系统，本实施例提供了一种二氧化碳捕集系统的工作方法，具体步骤如下：
S1：二氧化碳含量为10％的烟气从静态混合器上部的烟气入口进入，烟气温度为60℃，烟气流量为600ml/min，吸收剂从静态混合器上部的吸收剂入口进入，吸收剂温度为20℃，二者在静态混合器中混合反应后形成富液进入平衡罐中，脱碳气体从平衡罐顶部的分离器排出；
其中，吸收剂由以下成分组成：30wt％三乙醇胺(TEA)、5％单乙醇胺(MEA)，余量为水；
S2：平衡罐中的富液一部分经过热交换器，在热交换器中与从回收罐出来的热贫液进行热量交换预加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器，另一部分富液泵入静态混合器上部的吸收剂入口，进入静态混合器进行循环；
S3：控制薄膜蒸发器的温度为80℃，压力为1bar，使富液在薄膜蒸发器中分离成热贫液和二氧化碳，并进入回收罐，分离出的二氧化碳经回收罐顶部气体出口进入到冷凝器，冷凝器中的冷凝液返回到回收罐中，泠凝器出口的二氧化碳进入气体压缩机压缩储存；
S4：回收罐中的热贫液一部分经再沸器升温加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器进行循环，另一部分热贫液经过热交换器降温后经吸收剂入口泵入静态混合器进行循环。
实施例5
基于实施例1中的二氧化碳捕集系统，本实施例提供了一种二氧化碳捕集系统的工作方法，具体步骤如下：
S1：二氧化碳含量为10％的烟气从静态混合器上部的烟气入口进入，烟气温度为45℃，烟气流量为600ml/min，吸收剂从静态混合器上部的吸收剂入口进入，吸收剂温度为30℃，二者在静态混合器中混合反应后形成富液进入平衡罐中，脱碳气体从平衡罐顶部的分离器排出；
其中，吸收剂由以下成分组成：20wt％N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)、20％N－甲基二乙醇胺(MDEA)、1％四乙烯五胺(TETA)、1％单乙醇胺(MEA)，余量为水；
S2：平衡罐中的富液一部分经过热交换器，在热交换器中与从回收罐出来的热贫液进行热量交换预加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器，另一部分富液泵入静态混合器上部的吸收剂入口，进入静态混合器进行循环；
S3：控制薄膜蒸发器的温度为110℃，压力为400mbar，使富液在薄膜蒸发器中分离成热贫液和二氧化碳，并进入回收罐，分离出的二氧化碳经回收罐顶部气体出口进入到冷凝器，冷凝器中的冷凝液返回到回收罐中，泠凝器出口的二氧化碳进入气体压缩机压缩储存；
S4：回收罐中的热贫液一部分经再沸器升温加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器进行循环，另一部分热贫液经过热交换器降温后经吸收剂入口泵入静态混合器进行循环。
实施例6
基于实施例1中的二氧化碳捕集系统，本实施例提供了一种二氧化碳捕集系统的工作方法，具体步骤如下：
S1：二氧化碳含量为10％的烟气从静态混合器上部的烟气入口进入，烟气温度为55℃，烟气流量为600ml/min，吸收剂从静态混合器上部的吸收剂入口进入，吸收剂温度为35℃，二者在静态混合器中混合反应后形成富液进入平衡罐中，脱碳气体从平衡罐顶部的分离器排出；
其中，吸收剂由以下成分组成：30wt％N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)、10％三乙醇胺(TEA)、0.5％四乙烯五胺(TETA)、1.5％哌嗪(PZ)，余量为水；
S2：平衡罐中的富液一部分经过热交换器，在热交换器中与从回收罐出来的热贫液进行热量交换预加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器，另一部分富液泵入静态混合器上部的吸收剂入口，进入静态混合器进行循环；
S3：控制薄膜蒸发器的温度为90℃，压力为100mbar，使富液在薄膜蒸发器中分离成热贫液和二氧化碳，并进入回收罐，分离出的二氧化碳经回收罐顶部气体出口进入到冷凝器，冷凝器中的冷凝液返回到回收罐中，泠凝器出口的二氧化碳进入气体压缩机压缩储存；
S4：回收罐中的热贫液一部分经再沸器升温加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器进行循环，另一部分热贫液经过热交换器降温后经吸收剂入口泵入静态混合器进行循环。
实验例
对实施例2-6的二氧化碳气体的分离量及脱除率进行测量计算，具体结果见下表1：
表1二氧化碳分离量及脱除率
由上表可知，本发明提供的二氧化碳捕集系统，可以有效捕集烟气中的二氧化碳，捕集效率高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种二氧化碳捕集系统的工作方法，其特征在于，所述二氧化碳捕集系统包括静态混合器和薄膜蒸发器；所述静态混合器连接于用于储存富液的平衡罐，所述平衡罐的富液出口经过热交换器连接至所述薄膜蒸发器顶部的富液入口，所述薄膜蒸发器底部连接于回收罐，所述回收罐顶部气体出口连接至冷凝器，所述冷凝器的二氧化碳出口连接于气体压缩机；
所述二氧化碳捕集系统的工作方法包含以下步骤：
S1：烟气从静态混合器上部的烟气入口进入，吸收剂从静态混合器上部的吸收剂入口进入，二者在静态混合器中混合反应后形成富液进入平衡罐中，脱碳气体从平衡罐顶部的分离器排出；
S2：平衡罐中的富液一部分通过热交换器加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器，另一部分富液泵入静态混合器上部的吸收剂入口，进入静态混合器进行循环；
S3：富液在薄膜蒸发器中分离成热贫液和二氧化碳，并进入回收罐中，二氧化碳经回收罐顶部气体出口进入到冷凝器，冷凝器中的冷凝液返回到回收罐中，二氧化碳进入气体压缩机压缩储存；
S4：回收罐中的热贫液一部分经再沸器升温加热后，经薄膜蒸发器顶部的富液入口进入薄膜蒸发器进行循环，另一部分热贫液经过热交换器降温后经吸收剂入口泵入静态混合器进行循环。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集系统的工作方法，其特征在于，所述平衡罐底部设置有循环液出口，并连接至所述静态混合器的吸收剂入口形成循环管路。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集系统的工作方法，其特征在于，所述回收罐底部设置有贫液出口，所述贫液出口通过再沸器连接至所述薄膜蒸发器顶部的富液入口形成循环管路；
所述贫液出口通过热交换器连接至所述静态混合器的吸收剂入口形成循环管路。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S1中吸收剂由以下成分组成：30-50wt％叔醇胺、0.1-5%活化剂，余量为水。
5.根据权利要求4所述的二氧化碳捕集系统的工作方法，其特征在于，所述叔醇胺为N,N-二乙基乙醇胺（DEEA）、N－甲基二乙醇胺（MDEA）、三乙醇胺（TEA）中的至少一种；
和/或，所述活化剂为哌嗪、单乙醇胺（MEA）中的一种。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S1中所述烟气温度为40-60℃，所述吸收剂温度为20-50℃。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S3中所述薄膜蒸发器的温度为80-120℃，压力为5mbar-1bar。
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