CN115569498B - 适用于气基直接还原工艺的co2捕集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集系统和方法，其包括吸收塔、汽提塔、贫富液换热器、贫液泵、贫液换热器、气体洗涤器、第一机械过滤器、富液过滤器和第一回流泵；所述机械过滤器的进口连通工艺废气管线，出口连通吸收塔的进气口，吸收塔的出气口通过气体洗涤器连通工艺气管线；所述气体洗涤器的进水口连通洗涤水管线，出水口连通第一回流泵的进口；所述第一回流泵的出口分为两路，一路与气体洗涤器的进水口连通，另一路与吸收塔的出液口汇合连通富液过滤器的进口。本系统和方法能够有效的去除掉直接还原工艺气所携带的含铁粉末，提高吸收液的循环使用寿命，降低整个系统的运营成本和设备维护成本。

Description

适用于气基直接还原工艺的CO2捕集系统和方法

技术领域

本发明涉及一种冶金废气处理技术，尤其是一种适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集系统和方法。

背景技术

随着全球气候变暖，低碳冶金越来越受钢铁行业和各国政府的重视。气基直接还原炼铁工艺因其碳排放远低于高炉炼铁工艺，以及产品（DRI）能作为电炉冶炼高品质钢不可替代的原料，越来越受到世界范围内主要钢铁企业和各国政府的关注。目前广泛应用的气基直接还原工艺，主要以天然气、焦炉煤气、熔融炉尾气等为能源介质，仍然会产生一定的碳排放。为了进一步降低碳排放同时提高生产效率，对还原产生的尾气进行CO₂选择性脱除是行之有效的方法。

目前应用到气基直接还原工艺中的脱除CO₂的方法，主要借鉴自化工行业，包括MDEA法、变压吸附、MEA法等。相比于化工行业，就待脱除CO₂气体的气基直接还原工艺的工艺气而言，因气基直接还原炼铁其独特的工艺特性，工艺气中往往携带部分来自反应炉内含铁炉料的细粉，这些含铁粉末难以在工艺气进入CO2捕集单元之前，完全从工艺气中清除掉；因此，使用传统的方法脱除CO₂会存在问题，例如MDEA法，MDEA溶液极易被这些含铁粉末“污染”，长时间运行后，易导致吸附塔、换热器、管道等阻塞，增加设备检修频次、降低设备使用寿命，同时导致MDEA溶液消耗量增大、工厂运行成本升高。

目前，国内外尚没有一种专门应用于气基直接还原工厂的CO₂选择性脱除系统和工艺方法，也没有专门为气基直接还原工厂提供选择性脱除CO₂的产品及服务的企业。因此，气候变化的大背景下，正在国内外蓬勃发展的气基直接还原炼铁行业，亟需一种专门应用于该行业的脱除CO₂的系统和方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种净化效果好的适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集系统；本发明还提供了一种用于气基直接还原工艺的CO₂捕集方法。

为解决上述技术问题，本发明系统所采取的技术方案是：其包括吸收塔、汽提塔、贫富液换热器、贫液泵、贫液换热器、气体洗涤器、第一机械过滤器、富液过滤器和第一回流泵；所述机械过滤器的进口连通工艺废气管线，出口连通吸收塔的进气口，吸收塔的出气口通过气体洗涤器连通工艺气管线；所述气体洗涤器的进水口连通洗涤水管线，出水口连通第一回流泵的进口；所述第一回流泵的出口分为两路，一路与气体洗涤器的进水口连通，另一路与吸收塔的出液口汇合连通富液过滤器的进口；所述富液过滤器的出口连通贫富液换热器的富液进口，贫富液换热器的富液出口连通汽提塔的进液口；所述汽提塔的出液口连通贫富液换热器的贫液进口，贫富液换热器的贫液出口依次连通贫液泵和贫液换热器后与吸收塔进液口连通。

本发明系统还设有第二机械过滤器、活性炭过滤器和碳捕集装置；所述机械过滤器的进口与贫液换热器出口连通，出口依次连通活性炭过滤器和碳捕集装置后，与贫液泵的进口连通。

本发明系统还设有与活性炭过滤器和碳捕集装置并联的离心过滤器。

本发明系统还设有再沸器；所述再沸器的进出口均连通汽提塔。

本发明系统还设有后冷器、CO₂洗涤器和第二回流泵；所述汽提塔的出气口依次连通后冷器和CO₂洗涤器；所述第二回流泵与CO₂洗涤器回流连通，且第二回流泵的出口还连通贫液泵。

本发明方法采用上述的系统，其特征在于，所述方法工艺为：a.所述气基直接还原工艺的工艺废气经第一机械过滤器过滤含铁颗粒后进入吸收塔，在吸收塔内用MDEA吸收液吸收CO₂后，在气体洗涤器内经洗涤水洗脱携带出的吸收液后，回到气基直接还原工艺；所述洗涤水循环使用直至洗涤水中MDEA富集；

b.所述MDEA吸收液吸收CO₂后生成吸收富液；所述吸收富液与MDEA富集的洗涤水混合后，经富液过滤器过滤掉杂质、贫富液换热器换热升温后进入汽提塔，在汽提塔内释放CO₂后生成吸收贫液；

c.所述吸收贫液经贫富液换热器换热降温后，经贫液泵加压、贫液换热器加热后送入吸收塔。

本发明方法所述步骤c中，吸收贫液依次经第二机械过滤器、活性炭过滤器和碳捕集装置过滤后送入吸收塔。

本发明方法所述步骤c中，吸收贫液依次经第二机械过滤器和离心过滤器过滤后送入吸收塔。

本发明方法所述步骤b中，汽提塔内的吸收液经再沸器循环加热。

本发明方法所述步骤b中，汽提塔释放的CO₂经后冷器冷却、CO₂洗涤器和第二回流泵回流洗涤后，经贫液泵加压、贫液换热器加热后送入吸收塔。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：①在直接还原工艺气进入CO₂吸收塔脱碳之前，设置机械过滤器，过滤掉一部分工艺气中所携带的较大尺寸的含铁颗粒，可有效降低直接还原工艺气对吸收塔的设备损伤及对MDEA吸收液的侵蚀，延长设备使用寿命，降低MDEA溶液的消耗。在吸收了大量CO₂的MDEA溶液（富液），去往汽提塔解析之前，设置富液过滤器，过滤掉一部分富液中沉积下来的含铁颗粒及其他杂质，这一重要的“在线”溶液清理设备，可以有效的保证吸收液的纯净度，延长吸收液的循环使用寿命，降低MDEA溶液补充的量及频次，降低工厂运行成本，并为吸收液循环再生回路的设备（如汽提塔、贫/富液过滤器等）“保驾护航”，降低设备维护成本。

②由于直接还原工艺气为闭路循环，脱碳后的工艺气会回到直接还原竖炉继续参与还原反应，因此对工艺气的纯净度有非常苛刻的要求，要求在脱碳过程中，不能带入其它杂质气体或成分，因此，设置脱碳后的气体洗涤器，并配套回流泵。采用直接接触式冷却洗涤，而不采用空冷器或间接接触式水冷器，并采用洗涤水进行洗涤，一方面能够有效的去除工艺气从CO₂吸收塔携带出的吸收液，并且有效的杜绝工艺气被污染（如采用空冷器，一旦空冷器内部出现串漏，工艺气将被污染），另一方面，洗涤用的洗涤水经过回流泵的循环使用，当洗涤水中MDEA的浓度达到一定程度，再导入到吸收液的循环回路中，实现对系统失水的补充（解析后的CO₂气体，即时经过降温冷却，从系统离开时也会从系统带走一定的水），并且是一股“活水”。

③采用MDEA溶液作为CO₂吸收液，MDEA溶液在低温高压下可选择性的吸收直接还原工艺气中的CO₂以及H₂S这些“有害气体”（对直接还原工艺而言），吸收了CO₂以及H₂S的液体（富液），经过汽提塔和再沸器的高温低压环境，可以再生为可以继续循环利用的吸收液（贫液），不仅产生的废液少，也可以有效降低脱碳单元的运行成本。

④采用两套贫液净化单元，分别为机械过滤器+活性炭过滤器+碳捕集器，以及机械过滤器+离心过滤器；尤其是离心过滤器专门用于对吸收液中所沉积的含铁粉末进行过滤回收，可以显著提高净化效果。这是专门针对直接还原工艺气的特点，所做出的重大优化。

采用本发明方法，MDEA溶液为吸收液可以循环使用，有效降低运营成本；可以在直接还原气进入吸收塔之前，有效的去除所携带的含铁颗粒物，在吸收了CO₂的吸收富液进入CO₂解析系统之前，有效的去除所携带的含铁杂质，降低这些杂质对吸收液的污染和对系统设备的损害；在吸收液净化过程中，能够有效的去除掉直接还原工艺气所携带的含铁粉末，提高吸收液的循环使用寿命，降低整个系统的运营成本和设备维护成本；可以很好的杜绝杂质气体、物质进入直接还原工艺气，保障直接还原工艺气的纯度；本方法与传统的MDEA脱碳方法比较工艺过程简单明了，易于理解，能很好的用于直接还原厂脱碳系统的技术改造升级；本发明方法也可以推广应用到那些待脱除CO₂的工艺气含有较多高密度杂物的情形，具备很好的推广应用价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明系统的结构示意图。

图中：1—气体洗涤器；2—第一机械过滤器；3—吸收塔；4—富液过滤器；5—贫液换热器；6—补给泵；7—MDEA溶液储存罐；8—MDEA溶液配制罐；9—贫富液换热器；10—贫液泵；11—碳捕集装置；12—活性炭过滤器；13—第二机械过滤器；14—离心过滤器；15—汽提塔；16—再沸器；17—后冷器；18—第二回流泵；19—CO₂洗涤器；20—第一回流泵。

具体实施方式

图1所示，本适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集系统包括吸收塔3、汽提塔15、贫富液换热器9、贫液泵10、贫液换热器5、气体洗涤器1、第一机械过滤器2、富液过滤器4和第一回流泵20。所述机械过滤器2的进口连通工艺废气管线，出口连通吸收塔3的进气口，吸收塔3的出气口通过气体洗涤器1连通工艺气管线；这样，气基直接还原工艺的工艺废气即可经第一机械过滤器2过滤掉所携带的较大尺寸的含铁颗粒，再在吸收塔3内经MDEA吸收液吸收CO₂后，在洗涤器1内洗脱从吸收塔33中携带出的MDEA吸收液，并且被降温冷却后，重新回到工艺气管线中。所述气体洗涤器1的进水口连通洗涤水管线，所述洗涤水管线最好为除盐水管线；气体洗涤器1的出水口连通第一回流泵20的进口；所述第一回流泵20的出口分为两路，一路与气体洗涤器1的进水口连通，这样气体洗涤器1和第一回流泵20就形成循环回流管线，洗涤水即可重复使用；另一路与吸收塔3的出液口汇合连通富液过滤器4的进口；这样，重复使用的洗涤水中MDEA富集，MDEA浓度、温度上升到一定程度，不再适合继续经回流泵20回到气体洗涤器1中参与洗涤，则与吸收塔3内吸收CO₂后的吸收富液汇合共同进行后续处理。

图1所示，本适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集系统所述富液过滤器4的出口连通贫富液换热器9的富液进口，贫富液换热器9的富液出口连通汽提塔15的进液口；所述汽提塔15的出液口连通贫富液换热器9的贫液进口，贫富液换热器9的贫液出口依次连通贫液泵10和贫液换热器5后与吸收塔3进液口连通；所述贫液换热器5最好采用间接接触式换热器，进水口连通冷却水管线、出水口连通水处理站，这样高温回水冷却后再次回用。这样，吸收富液和MDEA富集的洗涤水汇合后，经富液过滤器4过滤掉杂质后，在贫富液换热器9中与下述的吸收贫液换热升温，再进入汽提塔15释放CO₂后生成吸收贫液；所述汽提塔15下部还连通有再沸器16，再沸器16的进出口均与汽提塔15连通；所述再沸器16由蒸汽系统供热；所述再沸器16用于将依然残留部分CO₂的吸收液通过蒸汽加热，吸收液产生大量的蒸发并进一步释放残留的CO₂，从而使CO₂释放的更彻底。所述吸收贫液在贫富液换热器9中换热降温后，经贫液泵10提供动力、贫液换热器5加热后，送入吸收塔3，重新作为MDEA吸收液吸收工艺废气中的CO₂，从而形成MDEA吸收液循环回路。所述贫液泵10的进口还连通有补给泵6，补给泵6的进口连通由MDEA溶液储存罐7和MDEA溶液配制罐8，MDEA溶液储存罐7与MDEA溶液配制罐8连通；这样，通过MDEA溶液配制罐8配置MDEA溶液，MDEA溶液储存罐7作为储存MDEA溶液容器，均可通过补给泵6向MDEA吸收液循环回路中补给MDEA溶液。

图1所示，本适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集系统设有两套贫液净化单元；第一套贫液净化单元包括第二机械过滤器13、活性炭过滤器12和碳捕集装置11；所述机械过滤器13的进口与贫液换热器5出口连通，出口依次连通活性炭过滤器12和碳捕集装置11后，与贫液泵10的进口连通；这样，吸收贫液即可经第二机械过滤器13过滤掉体积较大的杂物后，经活性炭过滤器12过滤部分杂质、经碳捕集装置11去除其中的活性炭，然后送入吸收塔3。第二套贫液净化单元包括第二机械过滤器13和离心过滤器14，离心过滤器14与活性炭过滤器12和碳捕集装置11并联设置；这样，吸收贫液即可经第二机械过滤器13过滤掉体积较大的杂物后，经过离心过滤器14的旋转离心作用，吸收液中沉积的含铁粉末及部分比重较大的杂物从吸收液中被去除，然后送入吸收塔3。所述两套贫液净化单元可单独净化，也可作为两支路同时净化，还可经第一套贫液净化单元（第二套贫液净化单元）净化后再经第二套贫液净化单元（第一套贫液净化单元）净化。

图1所示，本适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集系统还设有后冷器17、CO₂洗涤器19和第二回流泵18；所述汽提塔15的出气口依次连通后冷器17和CO₂洗涤器19的进气口；所述后冷器17最好采用间接接触式换热器，进水口连通冷却水管线、出水口连通水处理站，这样高温回水降温冷却后再次使用；所述第二回流泵18的进口与CO₂洗涤器19的出液口连通，第二回流泵18的出口分为两路，一路与CO₂洗涤器19的回流口连通，这样CO₂洗涤器19和第二回流泵18就形成循环回流管线，洗涤液即可重复使用；另一路与汽提塔15生成吸收贫液汇合后连通贫液泵10的进口，这样，当CO₂洗涤器19的洗涤水温度上升、不再适合回用时，通过第二回流泵18将其送入MDEA吸收液循环回路。所述CO₂洗涤器19的出气口连通后续CO₂处理系统。

本适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集方法，采用上述的系统，所述方法工艺为：a. 直接还原工艺气脱碳：所述气基直接还原工艺的工艺废气进入第一机械过滤器2，过滤掉所携带的较大含铁颗粒等杂物；然后进入吸收塔3，在吸收塔3内与MDEA吸收液逆流而行，经由下述反应（1），CO₂被从工艺气中脱除：

R₂NCH₃ + CO₂ + H₂O == R₂CH₃NH+HCO₃ ^- （1）

然后工艺气进入气体洗涤器1，在气体洗涤器1中与来自除盐水管线的洗涤水-除盐水逆向流动，工艺气从吸收塔3中携带出的MDEA吸收液从工艺气中分离，并且工艺气被降温冷却，最后回到气基直接还原工艺的工艺气回路中。

所述洗涤水与来自吸收塔3的工艺气接触，洗涤水吸收工艺气携带的MDEA吸收液；当洗涤水中MDEA浓度较低、且温度较低时，由第一回流泵20抽回气体洗涤器1中，循环使用；当洗涤水中MDEA富集，MDEA浓度、温度上升到一定程度，不再适合继续参与洗涤时，则进入MDEA吸收液循环回路。

b. MDEA吸收液循环回路：所述MDEA吸收液吸收CO₂后生成吸收富液；所述吸收富液与上述MDEA富集的洗涤水混合成混合富液，经富液过滤器4过滤掉杂质，再进入贫富液换热器9与下述吸收贫液换热升温，然后汽提塔15的上部进入进入汽提塔15，在汽提塔15中自上而下流动，与来自汽提塔下部上升的高温蒸汽接触，在高温、低压的环境条件下，混合富液将所吸收的大量CO₂释放（解析）；依然残留部分CO₂的吸收液，进入再沸器16中，通过蒸汽加热，吸收液产生大量的蒸发，并进一步释放残留的CO₂，再生为吸收贫液并进入汽提塔15下部，与汽提塔15内沉积的高温的吸收贫液混合，再生反应式为上述式（1）的逆反应。再沸器16中产生的蒸汽及CO₂混合高温气体，进入汽提塔15下部，从下部向上运动，与自上而下运动的混合富液接触，助其解析所吸收的CO₂。再沸器16换热所消耗的蒸汽，来自蒸汽管线，降温后的水汽去往蒸汽系统。

所述高温的吸收贫液进入贫富液换热器9与上述混合富液换热降温，经贫液泵10加压后送入贫液换热器5中，降温冷却到合适温度，进入吸收塔3的上部作为MDEA吸收液，再次参与工艺气中CO2捕集；上述贫液换热器5中的冷却水来自冷却水管线，高温回水进入水处理站，冷却后再次回用。

所述MDEA吸收液循环回路通过MDEA溶液配制罐8和/或MDEA溶液储存罐7，利用补给泵6向MDEA吸收液循环回路中补给MDEA溶液。

c.吸收液净化：当MDEA吸收液在吸收塔3中与工艺气接触，并经由上述的MDEA吸收液循环回路不断的进行“脱碳-解析”过程，工艺气中携带的部分含铁粉末杂质，进入MDEA吸收液并不断富集，并且，补充水中含有的钙类杂质等，与MDEA吸收液反应生成的杂质盐类，也会不断沉积。当上述杂质沉积到一定程度，将导致MDEA吸收液的脱碳效果大打折扣，必须进行净化。

净化吸收液时采用两路净化工艺：其中一路，来自贫液换热器5的吸收贫液不再全部经由进入吸收塔，而是部分进入机械过滤器13，过滤掉体积较大的杂物后，吸收贫液进入离心过滤器14，经过离心过滤器的旋转离心作用，吸收贫液中沉积的含铁粉末及部分比重较大的杂物从吸收贫液中被去除，然后回到MDEA吸收液循环回路中。另一路，来自贫液换热器5的吸收贫液不再全部经由进入吸收塔，而是部分进入机械过滤器13，然后进入活性炭过滤器12过滤部分杂质，再进入碳捕集器11将所携带的部分活性炭去除掉，再次回到MDEA吸收液循环回路中。

上述两路净化工艺可以同时工作，也可以单独一套工作，还可经任意一路净化后再经另一路净化，具体可根据现场操作过程，吸收液中具体的杂质成分，进行抉择。

d. CO₂尾气处理：来自汽提塔15的CO₂尾气中含有部分从工艺气中脱除的H₂S等杂质气体以及大量的水蒸气，进入后冷器17，在后冷器17中被冷却降温，后冷器17所用冷却水来自冷却水管线，高温回水回到水处理站，降温冷却后再次使用。经冷却后的CO₂尾气进入CO₂洗涤器19，在CO₂洗涤器19中大量的水蒸汽冷凝成的水从CO₂尾气中分离出来、以及部分从汽提塔中被CO₂尾气携带而出的MDEA吸收液也在此分离，分离的混有MDEA吸收液的冷凝液流出CO₂洗涤器19，再经第二回流泵18再次抽进CO₂洗涤器19，在CO₂洗涤器19中与CO₂尾气逆向流动，对CO₂尾气进行洗涤降温，促使其分离携带而出的吸收液和水份。当CO₂尾气19的洗涤液温度上升，不再适合回用时，将经由第二回流泵18送入上述的MDEA吸收液循环回路。

Claims (3)

1.一种适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集方法，其特征在于，所述方法工艺为：a.所述气基直接还原工艺的工艺废气经第一机械过滤器（2）过滤含铁颗粒后进入吸收塔（3），在吸收塔（3）内用MDEA吸收液吸收CO₂后，在气体洗涤器（1）内经洗涤水洗脱携带出的吸收液后，回到气基直接还原工艺；所述洗涤水循环使用直至洗涤水中MDEA富集；

b.所述MDEA吸收液吸收CO₂后生成吸收富液；所述吸收富液与MDEA富集的洗涤水混合后，经富液过滤器（4）过滤掉杂质、贫富液换热器（9）换热升温后进入汽提塔（15），在汽提塔（15）内释放CO₂后生成吸收贫液；

c.所述吸收贫液经贫富液换热器（9）换热降温后，经贫液泵（10）加压、贫液换热器（5）加热后送入吸收塔（3）；净化吸收液时采用两路净化工艺：其中一路，来自贫液换热器（5）的吸收贫液不再全部经由进入吸收塔，而是部分进入机械过滤器（13），过滤掉体积较大的杂物后，吸收贫液进入离心过滤器（14），经过离心过滤器的旋转离心作用，吸收贫液中沉积的含铁粉末及部分比重较大的杂物从吸收贫液中被去除，然后回到MDEA吸收液循环回路中；另一路，来自贫液换热器（5）的吸收贫液不再全部经由进入吸收塔，而是部分进入机械过滤器（13），然后进入活性炭过滤器（12）过滤部分杂质，再进入碳捕集器（11）将所携带的部分活性炭去除掉，再次回到MDEA吸收液循环回路中；上述两路净化工艺可以同时工作，也可以单独一套工作，还可经任意一路净化后再经另一路净化；

所采用的CO₂捕集系统为：其包括吸收塔（3）、汽提塔（15）、贫富液换热器（9）、贫液泵（10）、贫液换热器（5）、气体洗涤器（1）、第一机械过滤器（2）、富液过滤器（4）和第一回流泵（20）；所述第一机械过滤器（2）的进口连通工艺废气管线，出口连通吸收塔（3）的进气口，吸收塔（3）的出气口通过气体洗涤器（1）连通工艺气管线；所述气体洗涤器（1）的进水口连通洗涤水管线，出水口连通第一回流泵（20）的进口；所述第一回流泵（20）的出口分为两路，一路与气体洗涤器（1）的进水口连通，另一路与吸收塔（3）的出液口汇合连通富液过滤器（4）的进口；所述富液过滤器（4）的出口连通贫富液换热器（9）的富液进口，贫富液换热器（9）的富液出口连通汽提塔（15）的进液口；所述汽提塔（15）的出液口连通贫富液换热器（9）的贫液进口，贫富液换热器（9）的贫液出口依次连通贫液泵（10）和贫液换热器（5）后与吸收塔（3）进液口连通；

设有两套贫液净化单元；第一套贫液净化单元包括第二机械过滤器（13）、活性炭过滤器（12）和碳捕集装置（11）；所述第二机械过滤器（13）的进口与贫液换热器（5）出口连通，出口依次连通活性炭过滤器（12）和碳捕集装置（11）后，与贫液泵（10）的进口连通；第二套贫液净化单元包括第二机械过滤器（13）和离心过滤器（14），离心过滤器（14）与活性炭过滤器（12）和碳捕集装置（11）并联设置。

2.根据权利要求1所述的适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集方法，其特征在于：所述CO₂捕集系统还设有再沸器（16）；所述再沸器（16）的进出口均连通汽提塔（15）；步骤b中，汽提塔（15）内的吸收液经再沸器（16）循环加热。

3.根据权利要求1或2所述的适用于气基直接还原工艺的CO₂捕集方法，其特征在于：所述CO₂捕集系统还设有后冷器（17）、CO₂洗涤器（19）和第二回流泵（18）；所述汽提塔（15）的出气口依次连通后冷器（17）和CO₂洗涤器（19）；所述第二回流泵（18）与CO₂洗涤器（19）回流连通，且第二回流泵（18）的出口还连通贫液泵（10）；步骤b中，汽提塔（15）释放的CO₂经后冷器（17）冷却、CO₂洗涤器（19）和第二回流泵（18）回流洗涤后，经贫液泵（10）加压、贫液换热器（5）加热后送入吸收塔（3）。