CN116020239A - 一种分相可控烟气碳捕集系统及烟气碳捕集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种烟气碳捕集系统及烟气碳捕集方法。系统包括相连接的吸收塔、分相器以及解析塔，吸收塔内部能够通入相变吸收剂组合物；分相器用于分离吸收塔产生的分相富胺溶液，以获得富胺溶液和贫胺溶液；在分相器的外部设置有分相剂调节器，分相剂调节器用于储存贫胺溶液；并且，分相剂调节器能够调节贫胺溶液的储存量，和/或，分相剂调节器能够调节贫胺溶液输送至吸收塔的流量；解析塔和分相器相连接，用于对富胺溶液进行解析以得到解析气体产物和解析液体产物；在解析塔的外部设置有相连接的解析塔气液分离器和水调节器，水调节器用于储存经解析塔气液分离器分离解析气体产物得到的冷凝液相成分，且水调节器能够调节冷凝液相成分的储存量。
Description
技术领域
本发明涉及一种分相可控烟气碳捕集系统，属于工业烟气二氧化碳捕集领域。
背景技术
控制温室气体排放、实现碳中和是世界各国的共识。碳捕集、利用与封存(CCUS)是实现既定碳中和目标的托底技术选择。基于有机胺吸收剂的化学吸收法具有吸收容量大、碳捕集效率高等特点，有望实现商业化推广应用。目前国内外具有一批已建成的碳捕集项目，碳捕集规模从万吨级至百万吨级，积累了实际工程运行经验。有机胺法碳捕集技术存在的主要问题之一为捕集成本过高，其中解吸能耗比例最大。以30％MEA吸收剂为例，其解吸能耗为3.5～4.0GJ/tCO2，占总运行能耗的～70％，碳捕集成本为350-500元/tCO2。采用相变吸收剂实现贫胺溶液(含少量胺与二氧化碳吸收产物)与富胺溶液(含大量胺与二氧化碳吸收产物)的分离，只对富胺溶液进行再生，可以有效降低再生过程中的蒸发潜热和显热，从而降低解吸能耗。
吸收剂分相过程的精准控制对于相变吸收剂的实际操作具有重要意义。一般情况下，分相速率与分相比例与二氧化碳载量与吸收剂组分含量有重要关系。提高载量与分相剂含量均有利于缩短分相时间，控制水分的浓度对分相时间与富胺溶液粘度也有显著影响。在实际工业过程中，由于运行工况与负荷的不断变化，会导致烟气流量与二氧化碳浓度均会存在较大的波动。从碳捕集效率的角度来看，我们可以采用调节吸收液流量的方式应对烟气流量和二氧化碳浓度的变化，例如，当二氧化碳通量增加或者降低时可以相应增加或者降低吸收剂流量以实现稳定的二氧化碳捕集效率。然而在这种情况下，吸收塔出口的分相富胺溶液中二氧化碳载量将会发生较大变化。在相变吸收剂成分比例固定的情况下，二氧化碳载量较低会大幅延长分相所需时间，二氧化碳载量较高会导致分相不彻底；上述两种情况均会导致碳捕集装置运行不稳定，无法发挥相变吸收剂低能耗的优势。目前研究学者主要通过碳捕集装置与系统的改进与设计，以实现相变吸收剂的高效运行。
参考文献1公开了一种基于两相吸收剂的烟气二氧化碳捕集系统，包括高温吸收塔、低温吸收塔和解析塔。该专利设置第一、第二分相器，饱和溶液通过第一分相器后，富相进入解析塔，贫胺溶液经过换热后进入到第二分相器，有利于相变吸收剂的分相过程。参考文献2)公开了一种用于强化相变吸收剂相分离的方法。该专利设计了两个吸收剂饱和溶液静置分离槽，第一分离槽中设置磁场，第二分离槽中设置超声场，通过产生协同磁场作用促使溶液进行相分离。可以看出，现有技术主要针对现有相变吸收剂，进行碳捕集装置与工艺改进，从而解决相变吸收剂运行过程中的分相问题。上述装置和工艺的改进较为复杂，不易实现。
参考文献：
参考文献1：CN 108187455 A
参考文献2：CN 112295363 A
发明内容
发明要解决的问题
鉴于现有技术中存在的技术问题，例如：在处理烟气流量或二氧化碳含量有较大波动时，导致吸收塔出口分相富胺溶液中二氧化碳载量变化幅度较大，进而影响分相过程等问题，本发明首先提供一种分相可控烟气碳捕集系统，通过增设分相剂调节器与水调节器调节实现吸收塔内相变吸收剂组合物以及水分含量的在线调整。
用于解决问题的方案
[1]、一种烟气碳捕集系统，其包括相连接的吸收塔、分相器以及解析塔，其中，
所述吸收塔内部能够通入相变吸收剂组合物；
所述分相器用于分离吸收塔产生的分相富胺溶液，以获得富胺溶液和贫胺溶液；在所述分相器的外部设置有分相剂调节器，所述分相剂调节器用于储存贫胺溶液；并且，所述分相剂调节器能够调节贫胺溶液的储存量，和/或，所述分相剂调节器能够调节贫胺溶液输送至所述吸收塔的流量；
所述解析塔和所述分相器相连接，用于对富胺溶液进行解析以得到解析气体产物和解析液体产物；
在所述解析塔的外部设置有相连接的解析塔气液分离器和水调节器，所述水调节器用于储存经解析塔气液分离器分离所述解析气体产物得到的冷凝液相成分，且所述水调节器能够调节冷凝液相成分的储存量。
[2]、根据上述[1]所述的烟气碳捕集系统，其中，所述分相剂调节器和吸收塔之间还设置有吸收剂混合器，且所述吸收剂混合器还与所述分相剂相连接；并且，所述分相剂调节器能够调节贫胺溶液输送至所述吸收剂混合器的流量。
[2]、根据上述[1]或[2]所述的烟气碳捕集系统，其中，所述吸收塔的塔顶设置有冷却组件，所述冷却组件包含吸收塔换热器和吸收塔气液分离器；其中，
所述吸收塔换热器用于将在吸收塔吸收二氧化碳的过程中产生的气体物质降温；
所述吸收塔气液分离器用于将气体物质降温后得到的烟气液相成分和烟气气相成分进行分离。
[4]、根据上述[1]-[3]任一项所述的烟气碳捕集系统，其中，所述解析塔的塔顶设置有冷却组件，所述冷却组件包含解析塔换热器；其中，
所述解析塔换热器用于将所述解析气体产物降温；然后利用解析塔气液分离器分离得到的冷凝液相成分和冷凝气相成分。
[5]、根据上述[1]-[4]任一项所述的烟气碳捕集系统，其中，所述解析液体产物和/或所述冷凝液相成分与所述富胺溶液经过换热器进行热量交换。
[6]、根据上述[1]-[5]任一项所述的烟气碳捕集系统，其中，所述相变吸收剂组合物包括主吸收剂、活化剂、分相剂、添加剂和水，其中，所述分相剂包括非质子极性溶剂；
以所述相变吸收剂组合物的总质量为100％计，所述主吸收剂的含量为25～40wt.％，所述活化剂的含量为0～10wt.％，所述分相剂的含量为30～60wt.％，所述添加剂的含量为0～3wt.％，所述水的含量为0～44.5％。
[7]、根据上述[6]所述的烟气碳捕集系统，其中，所述主吸收剂包含有三级胺或四级胺盐，优选地，所述主吸收剂包括N,N-二乙基乙醇胺、甲基二乙醇胺、四甲基二丙烯三胺、五甲基二乙烯三胺、三亚乙基四胺、三乙胺、二甲氨基丙胺、二甲氨基乙醇、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上的组合。
[8]、根据上述[6]或[7]所述的烟气碳捕集系统，其中，所述活化剂包括一级胺或二级胺，优选地，所述活化剂包括乙醇胺、二乙醇胺、异丁醇胺、二乙烯三胺、二异丙醇胺、哌嗪、N-甲基单乙醇胺中的一种或两种以上的组合。
[9]、根据上述[6]-[8]任一项所述的烟气碳捕集系统，其中，所述分相剂包括聚乙二醇二甲醚、二甲基亚砜、环丁砜、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮中的一种或两种以上的组合。
[10]、一种烟气碳捕集方法，其中，所述方法利用上述[1]-[9]任一项所述的烟气碳捕集系统进行处理，包括以下步骤：
将烟气输送至吸收塔，向吸收塔中通入相变吸收剂组合物；在所述吸收塔中，所述相变吸收剂组合物吸收烟气中的二氧化碳并生成得到分相富胺溶液；
利用分相器分离吸收塔产生的分相富胺溶液，以获得富胺溶液和贫胺溶液；
将贫胺溶液输送至分相剂调节器储存，通过调节贫胺溶液的储存量，和/或，通过调节所述分相剂调节器输送贫胺溶液至所述吸收塔的流量以控制吸收塔内相变吸收剂组合物中分相剂的用量；任选地，通过调节分相剂调节器输送所述贫胺溶液至吸收剂混合器的流量，以控制分相器内分相剂的用量；
将富胺溶液输送至解析塔进行解析，以得到解析气体产物和解析液体产物，利用解析塔气液分离器分离所述解析气体产物得到冷凝液相成分，将所述冷凝液相成分输送至所述水调节器，通过调节水调节器中冷凝液相成分的储存量，以控制吸收塔内相变吸收剂组合物中水分的含量。
发明的效果
本发明的分相可控烟气碳捕集系统可以实现有机胺碳捕集系统中吸收塔内相变吸收剂组合物组成比例的在线、连续调节，从而可主动控制相变吸收剂组合物的分相过程，以适应烟气侧流量和二氧化碳浓度变化的波动。
本发明使用碳捕集相变吸收剂组合物在分相可控烟气碳捕集系统中进行操作运行，有利于相变吸收剂组合物的稳定、高效运行，可以充分发挥相变吸收剂组合物低能耗的优势。
附图说明
图1示出了本发明的一种实施方式的分相捕集系统；
附图编号说明
1：吸收塔；2：吸收塔换热器；3：吸收塔气液分离器；
4：吸收剂混合器；5：分相器；6：分相剂调节器；
7：换热器；8：解析塔；9：解析塔换热器；
10：解析塔气液分离器；11：水调节器。
具体实施方式
以下将详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、器材和步骤未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
如无特殊声明，本说明书中所使用的单位均为国际标准单位，并且本发明中出现的数值，数值范围，均应当理解为包含了工业生产中所不可避免的系统性误差。
本说明书中，如没有特别说明，则“％”均表示质量百分含量。
本说明书中，使用“可以”表示的含义包括了进行某种处理以及不进行某种处理两方面的含义。
本说明书中，所提及的“一些具体/优选的实施方案”、“另一些具体/优选的实施方案”、“实施方案”等是指所描述的与该实施方案有关的特定要素(例如，特征、结构、性质和/或特性)包括在此处所述的至少一种实施方案中，并且可存在于其它实施方案中或者可不存在于其它实施方案中。另外，应理解，所述要素可以任何合适的方式组合在各种实施方案中。
本说明书中，使用“数值A～数值B”表示的数值范围是指包含端点数值A、B的范围。
<第一方面>
本发明的第一方面提供一种相变吸收剂组合物，其包括主吸收剂、活化剂、分相剂、添加剂和水，其中，所述分相剂包括非质子极性溶剂；
以所述相变吸收剂组合物的总质量为100％计，所述主吸收剂的含量为25～40wt.％，所述活化剂的含量为0～10wt.％，所述分相剂的含量为30～60wt.％，所述添加剂的含量为0～3wt.％，所述水的含量为0～44.5％。
本发明的相变吸收剂组合物可以实现提高二氧化碳的吸收载量与速率以及吸收后二氧化碳的分相过程有利于相变吸收剂组合物的稳定、高效运行，可以充分发挥相变吸收剂组合物低能耗的优势。
主吸收剂
本发明通过使用主吸收剂可以实现提高二氧化碳的吸收载量与速率。在本发明中，以所述相变吸收剂组合物的总质量为100％计，所述主吸收剂的含量为25～40wt.％，例如：28wt.％、30wt.％、32wt.％、35wt.％、38wt.％等；当主吸收剂含量过低时，将导致二氧化碳吸收容量较低，吸收塔运行过程中需要更低的气液比才能满足碳捕集效率的要求；当主吸收剂含量过高时，将降低胺的有效利用率，同时压缩分相剂和水分的添加空间，不利于分相。
具体地，所述主吸收剂包含有三级胺或四级胺盐，优选地，所述主吸收剂包括N,N-二乙基乙醇胺、甲基二乙醇胺、四甲基二丙烯三胺、五甲基二乙烯三胺、三亚乙基四胺、三乙胺、二甲氨基丙胺、二甲氨基乙醇、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上的组合。
活化剂
本发明通过使用活化剂以进一步提高二氧化碳的吸收载量与速率。在本发明中，以所述相变吸收剂组合物的总质量为100％计，所述活化剂的含量为0～10wt.％，例如：2wt.％、4wt.％、5wt.％、6wt.％、8wt.％等。当活化剂含量过高时，会大幅提高活化剂的使用量，增加相变吸收剂组合物成本。
具体地，在本发明中，所述活化剂包括一级胺或二级胺，优选地，所述活化剂包括乙醇胺、二乙醇胺、异丁醇胺、二乙烯三胺、二异丙醇胺、哌嗪、N-甲基单乙醇胺中的一种或两种以上的组合。
分相剂
本发明通过使用分相剂来实现吸收后二氧化碳的分相过程。在本发明中，使用非质子极性溶剂作为分相剂。以所述相变吸收剂组合物的总质量为100％计，所述分相剂的含量为30～60wt.％，例如：35wt.％、40wt.％、45wt.％、50wt.％、55wt.％等；分相剂的含量对是否分相以及分相后贫富相的体积比具有显著影响，当分相剂含量过低时，需要较高的二氧化碳吸收载量才可以实现分相，且富相体积大；当分相剂含量过高时，会导致贫相中二氧化碳载量较高，即分相不彻底。
具体地，所述分相剂包括聚乙二醇二甲醚、二甲基亚砜、环丁砜、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮中的一种或两种以上的组合。
其它组分
以相变吸收剂组合物的总质量为100％计，所述添加剂的含量为0～3wt.％，例如：0.5wt.％、1wt.％、1.5wt.％、2wt.％、2.5wt.％等；所述水的含量为0～44.5wt.％，例如：5wt.％、10wt.％、15wt.％、20wt.％、25wt.％、30wt.％、35wt.％、40wt.％等。
具体地，在本发明中，所述添加剂可以包括抗氧化剂、缓蚀剂、消泡剂等任何可行的添加剂。
本发明通过采用相变吸收剂组合物来一定程度上实现相变吸收剂组合物运行过程的可控调节，可以更加灵活高效的发挥相变吸收剂组合物的低能耗优势。
制备方法
本发明的第一方面还提供一种根据本发明所述的相变吸收剂组合物的制备方法，其包括将相变吸收剂组合物的各组分混合的步骤。对于混合的条件，本发明不作特别限定，一般可以在常温下混合。
本发明的相变吸收剂组合物的制备方法简单易行，原料易于获取，适合大批量生产。
<第二方面>
本发明的第二方面提供一种烟气碳捕集系统，其包括相连接的吸收塔1、分相器5以及解析塔8，其中，
所述吸收塔1内部能够通入相变吸收剂组合物，其中，所述相变吸收剂组合物可以为第一方面的相变吸收剂组合物，也可以为其它相变吸收剂组合物；
所述分相器5用于分离吸收塔1产生的分相富胺溶液，以获得富胺溶液和贫胺溶液；在所述分相器5的外部设置有分相剂调节器6，所述分相剂调节器6用于储存贫胺溶液；并且，所述分相剂调节器能够调节贫胺溶液的储存量，和/或，所述分相剂调节器6能够调节贫胺溶液输送至所述吸收塔1的流量；
所述解析塔8和所述分相器5相连接，用于对富胺溶液进行解析以得到解析气体产物和解析液体产物；
在所述解析塔8的外部设置有相连接的解析塔气液分离器10和水调节器11，所述水调节器11用于储存经解析塔气液分离器10分离所述解析气体产物得到的冷凝液相成分，且所述水调节器11能够调节冷凝液相成分的储存量。
本发明的分相捕集系统能够实现相变吸收剂组合物中主要成分的动态调节，从而可主动控制相变吸收剂组合物的分相过程，以适应烟气流量和二氧化碳浓度变化引起的分相富胺溶液中二氧化碳载量的波动。
吸收塔
本发明的吸收塔1内部能够通入相变吸收剂组合物。本发明的相变吸收剂组合物可以在吸收塔1实现烟气中二氧化碳的碳捕集，并产生含二氧化碳的分相富胺溶液。
在一些具体的实施方案中，本发明的所述吸收塔1的塔顶设置有冷却组件，所述冷却组件包含吸收塔换热器2和吸收塔气液分离器3；其中，
所述吸收塔换热器2用于将在吸收塔吸收二氧化碳的过程中产生的气体物质降温；对于降温至多少摄氏度本发明不作特别限定，只要能够使用吸收塔气液分离器3对其进行气液分离即可。
所述吸收塔气液分离器3用于将气体物质降温后得到的烟气液相成分和烟气气相成分进行分离。
分相器
所述分相器5用于分离吸收塔1产生的分相富胺溶液，以获得富胺溶液和贫胺溶液；在所述分相器5的外部设置有分相剂调节器6，所述分相剂调节器6用于储存贫胺溶液；并且，所述分相剂调节器6能够调节贫胺溶液的储存量，和/或，所述分相剂调节器6能够调节贫胺溶液输送至所述吸收塔1的流量；
本发明的分相器5用于分相富胺溶液的分相。该分相富胺溶液可以分为富含二氧化碳的富胺溶液和含有少量二氧化碳的贫胺溶液，其中，所述富胺溶液的主要成分为主吸收剂、活化剂与二氧化碳反应后的产物以及水，所述贫胺溶液的主要成分为分相剂。
在一些具体的实施方案中，所述分相剂调节器6和吸收塔1之间还设置有吸收剂混合器4，且所述吸收剂混合器4还与所述分相剂相连接；并且，所述分相剂调节器6能够调节贫胺溶液输送至所述吸收剂混合器4的流量。
分相剂调节器6中储存的贫胺溶液输送至吸收剂混合器4后，其中的分相剂可以夺取吸收塔1出来的分相富胺溶液里面的溶剂水，先让两者混合均匀，再送到分相器5内进行分相，从而有利于分相器5的分相。
具体地，在本发明中，所述分相剂调节器6可以设有一个入口和两个出口，入口与分相器5相连，其中一个出口与吸收塔1连接，另一个出口与吸收剂混合器4相连；所述吸收剂混合器4可以设有两个入口和一个出口，其中一个入口与吸收塔1相连，另一个入口与分相剂调节器6相连接，出口与分相器5相连。
本发明的分相剂调节器6能够调节贫胺溶液的储存量，和/或，所述分相剂调节器6能够调节贫胺溶液输送至所述吸收塔的流量，通过调节分相剂调节器输送所述贫胺溶液至所述吸收塔1的流量，以控制吸收塔1内相变吸收剂组合物中分相剂的用量。进一步，本发明还可以通过调节分相剂6调节器输送所述贫胺溶液至所述相变吸收剂混合器4的流量，以控制分相器5内分相剂的用量。
本发明通过在传统相变吸收剂组合物碳捕集系统的基础上增设分相剂调节器6，使得可以动态调节吸收塔1内分相剂的含量。优选地，通过在传统相变吸收剂组合物碳捕集系统的基础上增设吸收剂混合器4，使得可以动态调节分相器5内分相剂的含量。
本发明将分相器5用于烟气碳捕集系统，通常在设计负荷运行条件下，吸收塔1出口的分相富胺溶液中二氧化碳的载量处于稳定值，可以在给定的相变吸收剂组合物的组成条件下实现分相。在低负荷或者低二氧化碳浓度的条件下，可以降低吸收塔1内分相剂的含量以提高二氧化碳的吸收速率。
本发明再通过使用分相剂调节器6，使得分相剂调节器6中的分相剂通过吸收剂混合器4返回至分相器5，维持分相器5中分相剂的浓度，促进分相。本发明通过使用分相剂调节器6可以提高分相剂比例，缩短分相时间、提高贫相与富相载量差，改善整个分相过程。
解析塔
本发明的所述解析塔8和所述分相器5相连接，用于对富胺溶液进行解析以得到解析气体产物和解析液体产物；在所述解析塔8的外部设置有相连接的解析塔气液分离器10和水调节器11，所述水调节器11用于储存解析塔气液分离器10分离所述解析气体产物得到的冷凝液相成分；并且，所述水调节器11能够调节冷凝液相成分输送至所述吸收塔1的流量。具体地，所述水调节器11设有一个出口和一个入口，该出口与解析塔8相连接，入口与解析塔气液分离器10相连。本发明通过在传统碳捕集系统的基础上增设水调节器11，使得可以动态调节吸收塔1内相变吸收剂组合物的水分含量。
在一些具体的实施方案中，所述解析塔的塔顶设置有冷却组件，所述冷却组件包含解析塔换热器9；其中，所述解析塔换热器9用于将所述解析气体产物降温；然后利用解析塔气液分离器10分离得到的冷凝液相成分和冷凝气相成分。
在另一些具体的实施方案中，本发明的所述解析液体产物和/或所述冷凝液相成分与所述富胺溶液经过换热器7进行热量交换。从而使获得的解析液体产物和/或所述冷凝液相成分输送至吸收塔1，所述富胺溶液输送至解析塔8进行解析。
本发明可以通过水调节器11调节解析塔气液分离器10分离所述解析气体产物得到的冷凝液相成分返回吸收塔的流量，控制吸收塔1内水分的比例，平衡有机胺利用率与吸收速率，改善富胺溶液粘度问题。
烟气碳捕集方法
本发明的第二方面还提供一种烟气碳捕集方法，其包括以下步骤：
将烟气输送至吸收塔1，向吸收塔1中通入相变吸收剂组合物；在所述吸收塔1中，所述相变吸收剂组合物吸收烟气中的二氧化碳并生成得到分相富胺溶液；
利用分相器5分离吸收塔1产生的分相富胺溶液，以获得富胺溶液和贫胺溶液；
将贫胺溶液输送至分相剂调节器6储存，通过调节贫胺溶液的储存量，和/或，通过调节所述分相剂调节器6输送贫胺溶液至所述吸收塔1的流量，以控制吸收塔1内相变吸收剂组合物中分相剂的用量；任选地，通过调节分相剂调节器6输送所述贫胺溶液至吸收剂混合器4的流量，以控制分相器5内分相剂的用量；
将富胺溶液输送至解析塔8进行解析，以得到解析气体产物和解析液体产物，利用解析塔气液分离器10分离所述解析气体产物得到冷凝液相成分，将所述冷凝液相成分输送至所述水调节器11，通过调节水调节器11中冷凝液相成分的储存量，以控制吸收塔1内相变吸收剂组合物中水分的含量。
进一步地，在吸收塔1吸收二氧化碳的过程中产生的存在于塔顶的气体物质可以通过吸收塔换热器2进行降温，然后利用吸收塔气液分离器3用于将气体物质降温后得到的烟气液相成分和烟气气相成分进行分离，其中烟气气相成分可以排放至大气中，烟气液相成分可以输送至吸收塔1内。
进一步地，对于解析气体产物，可以通过解析塔换热器9用于将所述解析气体产物降温后，再利用解析塔气液分离器10分离得到的冷凝液相成分和冷凝气相成分，冷凝气相成分可以排出塔外，而冷凝液相成分基本为水，可以储存至水调节器11中，利用水调节器11控制其储存量，以控制吸收塔1内相变吸收剂组合物中水分的含量。
另外，所述解析液体产物与所述富胺溶液可以经过换热器进行热量交换，从而使获得的解析液体产物输送至吸收塔1，所述富胺溶液输送至解析塔8进行解析。
进一步，在相变吸收剂组合物吸收烟气中的二氧化碳过程中的温度可以为40～70℃，一般可以在常压下进行吸收。将富胺溶液输送至解析塔8进行解析的过程中，解析的温度可以为100～140℃，解吸过程操作压力为0.05-0.2MPa。
进一步，在本发明中，所述烟气中所含的二氧化碳的浓度为3～40vol.％。
在本发明中，含有二氧化碳的烟气在吸收塔1中与相变吸收剂组合物接触，通过气液传质吸收二氧化碳，吸收二氧化碳后的分相富胺溶液经分相器5分层后，得到富胺溶液和贫胺溶液。贫胺溶液中以分相剂为主，一部分直接与再生的相变吸收剂组合物(即解析液体产物)混合用于在吸收塔1内捕集二氧化碳，一部分可以进入吸收剂混合器4与吸收塔1出口的分相富胺溶液混合后进入分相器5，另一部分存储于分相剂调节器内，从而实现相变吸收剂组合物循环过程中分相剂含量的调节。
通过解析塔8采用热再生的方式实现相变吸收剂组合物再生和二氧化碳解吸，再生过程中的冷凝液相成分以水分为主，一部分可以与再生后的相变吸收剂组合物混合进入吸收塔1用于二氧化碳捕集，一部分存贮于水调节器11内，从而实现相变吸收剂组合物循环过程中水含量的调节。
实施例
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售获得的常规产品。
实施例1
某能源化工企业自备150t/h循环流化床燃煤供热锅炉，设计烟气流量为2×105m3/h，二氧化碳浓度为12％。燃煤烟气首先经过脱硫、脱硝和除尘，主要污染物达到超低排放水平。然后净化后烟气进入预处理塔(碱洗塔)，实现二氧化硫与颗粒物浓度的深度净化后，得到深度净化后烟气。
本实施例使用分相可控的烟气碳捕集系统对深度净化后的烟气进行碳捕集。所采用的相变吸收剂组合物为：选用四甲基二丙烯三胺(TMPBA)为主吸收剂、聚乙二醇二甲醚(NHD)为分相剂。其中，以所述相变吸收剂组合物的总质量为100％计，TMPBA的含量为30％，NHD的含量为50％，其余为水。
分相剂调节器和水调节器的容积均为50m3，分别储存10m3分相剂与10m3水。相变吸收剂组合物设计循环流量为600m3/h，设计负荷运行条件下分相器内溶液的停留时间约为30min。
在设计运行负荷条件下，含有二氧化碳的烟气(12vol.％)经烟气入口进入吸收塔以吸收二氧化碳，吸收温度为40℃。待吸收完成后，烟气经过碳捕集后进入吸收塔换热器进行降温，烟气降温后经过吸收塔气液分离器分离得到的烟气液相成分和烟气气相成分，其中，烟气液相成分返回吸收塔，烟气气相成分排出塔外。
吸收二氧化碳后的分相富胺溶液经过吸收剂混合器进入分相器进行分相，得到富胺溶液和贫胺溶液，其中，上层贫胺溶液输送至分相剂调节器。分相剂调节器内预存10m3的分相剂溶液。下层富胺溶液经过换热器后进入解析塔，在120℃、0.05MPa条件下对富胺溶液进行解析以得到解析气体产物和解析液体产物，以实现相变吸收剂组合物的再生与二氧化碳解吸。
解吸气体产物经过解析塔换热器进行降温后，解析塔气液分离器分离所述解析气体产物得到的冷凝液相成分和冷凝气相成分，冷凝液气相成分排出塔外；冷凝液相成分以水为主，进入水调节器，在水调节器内预存10m3该冷凝液相成分。
设计负荷条件下，吸收塔内循环流量为600m3/h，分相器分相得到的贫胺溶液和富胺溶液流量均为600m3/h，维持分相剂调节器与水调节器内原有液位高度，且分相剂调节器内的分相剂不进入吸收剂混合器。
当锅炉处于低负荷运行，烟气流量为1×105m3/h时，吸收塔内循环流量设定为300m3/h，此时吸收塔出口的二氧化碳载量可能低于设计值，不利于分相。可采用以下运行方案进行调整：增加分相剂调节器内贫胺溶液储量至50m3，此时吸收塔内相变吸收剂组合物中TMPBA的含量将从30％增加到33.4％，NHD的含量将从50％降低至44.2％，其余为水。胺含量的增加和分相剂含量的降低均有利于提高二氧化碳吸收速率，从而提供二氧化碳吸收载量。同时开启分相剂调节器至混合器的阀门，流量设定为10m3/h，以维持分相器内NHD的含量，保障分相效果。
实施例2
某纳米氧化钙生产企业70t/h循环流化床燃煤供热锅炉，设计烟气流量为9.5×104m3/h，二氧化碳浓度为12％。该企业采用碳酸钙煅烧的方式制备氧化钙，部分高浓度二氧化碳会与污染物净化后的燃煤烟气混合后排出，导致二氧化碳排放浓度会产生一定幅度的变化，波动范围在12-20％范围内。
本实施例使用分相可控的碳捕集系统对深度净化后的烟气进行碳捕集。所采用的相变吸收剂组合物为：选用N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)为主吸收剂、乙醇胺(MEA)为活化剂、二甲基亚砜(DMSO)为分相剂。其中，以所述相变吸收剂组合物的总质量为100％计，DEEA的含量为28％，MEA的含量为8％，DMSO的含量为50％，其余为水。
分相剂调节器和水调节器的容积均为40m3，分别储存10m3分相剂与40m3水。相变吸收剂组合物设计循环流量为380m3/h，设计负荷运行条件下分相器内溶液的停留时间约为18min。
在设计运行负荷条件下，含有二氧化碳的烟气(12vol.％)经烟气入口进入吸收塔以吸收二氧化碳，吸收温度为40℃。待吸收完成后，烟气经过碳捕集后进入吸收塔换热器进行降温，烟气降温后经过吸收塔气液分离器分离得到的烟气液相成分和烟气气相成分，其中，烟气液相成分返回吸收塔，烟气气相成分排出塔外。
吸收二氧化碳后的分相富胺溶液经过吸收剂混合器进入分相器进行分相，得到富胺溶液和贫胺溶液，其中，上层贫胺溶液输送至分相剂调节器。分相剂调节器内预存10m3的分相剂溶液。下层富胺溶液经过换热器后进入解析塔，在120℃、0.05MPa条件下对富胺溶液进行解析以得到解析气体产物和解析液体产物，以实现相变吸收剂组合物的再生与二氧化碳解吸。
解吸气体产物经过解析塔换热器进行降温后，解析塔气液分离器分离所述解析气体产物得到的冷凝液相成分和冷凝气相成分，冷凝液气相成分排出塔外；冷凝液相成分以水为主，进入水调节器，在水调节器内预存40m3该冷凝液相成分。
设计负荷条件下，吸收塔内循环流量为380m3/h，分相器的分相得到的贫胺溶液和富胺溶液流量均为190m3/h，维持分相剂调节器与水调节器内原有液位高度，且分相剂调节器内的分相剂不进入吸收剂混合器。
当排放烟气中二氧化碳浓度由12％增加至15％时，设定烟气流量仍为9.5×104m3/h，若按原有参数设定方式进行操作，此时碳捕集效率可能难以达到设计值。可采用以下运行方案进行调整：吸收塔循环流量仍为380m3/h，保持分相剂调节器内液位不变；开启分相剂调节器至混合器的阀门，将流量设定为50m3/h；分相器入口流量为420m3/h，上下相分别为210m3/h，上层贫相返回吸收塔的流量为160m3/h；另外，将水调节器内的液位降低至20m3/h。运行参数经过调整后，吸收塔内DEEA和MEA的质量分数由原来的28％、8％增加至31.1％、8.9％，DMSO的质量分数由50％降低至26.3％。水的质量分数由14％增加至33.7％。提高胺浓度、降低分相剂浓度可以显著增加二氧化碳吸收效率，从而满足碳捕集效率的要求；相变吸收剂组合物的水分含量的增加有利于控制富相粘度，保障系统稳定运行。
由于烟气二氧化碳浓度较高，分相富胺溶液载量较大，分相速度也会较快，从而弥补分相器入口流量增加引起的分相时间缩短的问题。上述操作可以在吸收塔流量气液比保持不变的条件下，通过提高吸收塔内溶液中有机胺浓度增加吸收速率，动态适应二氧化碳浓度的变化。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种烟气碳捕集系统，其特征在于，包括相连接的吸收塔、分相器以及解析塔，其中，
所述吸收塔内部能够通入相变吸收剂组合物；
所述分相器用于分离吸收塔产生的分相富胺溶液，以获得富胺溶液和贫胺溶液；在所述分相器的外部设置有分相剂调节器，所述分相剂调节器用于储存贫胺溶液；并且，所述分相剂调节器能够调节贫胺溶液的储存量，和/或，所述分相剂调节器能够调节贫胺溶液输送至所述吸收塔的流量；
所述解析塔和所述分相器相连接，用于对富胺溶液进行解析以得到解析气体产物和解析液体产物；
在所述解析塔的外部设置有相连接的解析塔气液分离器和水调节器，所述水调节器用于储存经解析塔气液分离器分离所述解析气体产物得到的冷凝液相成分，且所述水调节器能够调节冷凝液相成分的储存量。
2.根据权利要求1所述的烟气碳捕集系统，其特征在于，所述分相剂调节器和吸收塔之间还设置有吸收剂混合器，且所述吸收剂混合器还与所述分相剂相连接；并且，所述分相剂调节器能够调节贫胺溶液输送至所述吸收剂混合器的流量。
3.根据权利要求1或2所述的烟气碳捕集系统，其特征在于，所述吸收塔的塔顶设置有冷却组件，所述冷却组件包含吸收塔换热器和吸收塔气液分离器；其中，
所述吸收塔换热器用于将在吸收塔吸收二氧化碳的过程中产生的气体物质降温；
所述吸收塔气液分离器用于将气体物质降温后得到的烟气液相成分和烟气气相成分进行分离。
4.根据权利要求1-3任一项所述的烟气碳捕集系统，其特征在于，所述解析塔的塔顶设置有冷却组件，所述冷却组件包含解析塔换热器；其中，
所述解析塔换热器用于将所述解析气体产物降温；然后利用解析塔气液分离器分离得到的冷凝液相成分和冷凝气相成分。
5.根据权利要求1-4任一项所述的烟气碳捕集系统，其特征在于，所述解析液体产物和/或所述冷凝液相成分与所述富胺溶液经过换热器进行热量交换。
6.根据权利要求1-5任一项所述的烟气碳捕集系统，其特征在于，所述相变吸收剂组合物包括主吸收剂、活化剂、分相剂、添加剂和水，其中，所述分相剂包括非质子极性溶剂；
以所述相变吸收剂组合物的总质量为100％计，所述主吸收剂的含量为25～40wt.％，所述活化剂的含量为0～10wt.％，所述分相剂的含量为30～60wt.％，所述添加剂的含量为0～3wt.％，所述水的含量为0～44.5％。
7.根据权利要求6所述的烟气碳捕集系统，其特征在于，所述主吸收剂包含有三级胺或四级胺盐，优选地，所述主吸收剂包括N,N-二乙基乙醇胺、甲基二乙醇胺、四甲基二丙烯三胺、五甲基二乙烯三胺、三亚乙基四胺、三乙胺、二甲氨基丙胺、二甲氨基乙醇、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求6或7所述的烟气碳捕集系统，其特征在于，所述活化剂包括一级胺或二级胺，优选地，所述活化剂包括乙醇胺、二乙醇胺、异丁醇胺、二乙烯三胺、二异丙醇胺、哌嗪、N-甲基单乙醇胺中的一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求6-8任一项所述的烟气碳捕集系统，其特征在于，所述分相剂包括聚乙二醇二甲醚、二甲基亚砜、环丁砜、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮中的一种或两种以上的组合。
10.一种烟气碳捕集方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1-9任一项所述的烟气碳捕集系统进行处理，包括以下步骤：
将烟气输送至吸收塔，向吸收塔中通入相变吸收剂组合物；在所述吸收塔中，所述相变吸收剂组合物吸收烟气中的二氧化碳并生成得到分相富胺溶液；
利用分相器分离吸收塔产生的分相富胺溶液，以获得富胺溶液和贫胺溶液；
将贫胺溶液输送至分相剂调节器储存，通过调节贫胺溶液的储存量，和/或，通过调节所述分相剂调节器输送贫胺溶液至所述吸收塔的流量以控制吸收塔内相变吸收剂组合物中分相剂的用量；任选地，通过调节分相剂调节器输送所述贫胺溶液至吸收剂混合器的流量，以控制分相器内分相剂的用量；
将富胺溶液输送至解析塔进行解析，以得到解析气体产物和解析液体产物，利用解析塔气液分离器分离所述解析气体产物得到冷凝液相成分，将所述冷凝液相成分输送至所述水调节器，通过调节水调节器中冷凝液相成分的储存量，以控制吸收塔内相变吸收剂组合物中水分的含量。
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2022
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