CN117769454A - 用于捕集烟气中二氧化碳的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及捕集烟气中二氧化碳的方法和设备，本公开通过分离塔使用二氧化碳液化过程中的冷热进行二氧化碳回收分离膜工艺，从而降低能耗并显著提高分离效率。

Description

用于捕集烟气中二氧化碳的设备和方法
技术领域
本公开涉及用于捕集烟气中二氧化碳的设备和方法。
背景技术
近年来，随着温室气体导致的环境问题如全球变暖和气候变化的出现，人们正在深入研究二氧化碳捕集技术，以减少温室气体排放，尤其是二氧化碳排放。二氧化碳捕集技术可以大致分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集。燃烧后CO2捕集技术细分为使用基于胺或基于氨的吸收剂的化学吸收法、使用固体吸收剂而不是吸收剂溶液的干式吸收法和使用分离膜的膜分离法。
在二氧化碳捕集技术中，使用膜的膜分离法是一种生态友好的方法，为了提高二氧化碳浓度，使其更易于储存和使用，提出了通过引入分离塔来获得液化二氧化碳的技术。然而，在从液化过程中获得的低温气体中回收二氧化碳时，必须让气体在加热或冷热回收后通过分离膜，这需要额外的能源消耗。
为了解决这一问题，经过反复研究，发明人发现，通过允许液化过程中获得的低温气体通过分离膜，同时保持气体处于低温状态，能够增加二氧化碳的分离效率并提高二氧化碳回收率而无需额外的过程，并且完成了本公开。
[相关文献]
[专利文献]
(专利文献1)专利文献1.韩国专利公开号10-2021-0104469
发明内容
技术问题
本公开旨在解决上述问题，因此本公开旨在提供捕集烟气中二氧化碳的方法和设备，包括二氧化碳捕集分离膜、分离塔和二氧化碳回收分离膜，其中使用二氧化碳回收分离膜的二氧化碳回收方法利用通过分离塔的二氧化碳液化过程中的冷热，从而显著降低能耗，显著提高分离效率。
技术方案
本公开的方面提供了用于捕集烟气中二氧化碳的设备，其包括：第一压缩机，其被配置为压缩包括烟气的第一压缩机进料气；第一捕集分离膜，其被配置为将包括由第一压缩机压缩的气体的第一捕集分离膜进料气分离成第一捕集分离膜渗透气体和第一捕集分离膜残余气体；第二压缩机，其被配置为压缩包括第一捕集分离膜渗透气体的第二压缩机进料气；液化换热器，其被配置为冷却由第二压缩机压缩的气体；分离塔，其被配置为将由液化换热器冷却的气体分离成高纯度二氧化碳液体和含二氧化碳的气体；以及第一回收分离膜，其被配置为将含二氧化碳的气体分离成第一回收分离膜渗透气体和第一回收分离膜残余气体，并将第一回收分离膜渗透气体循环至第一压缩机、第一捕集分离膜或第二压缩机。
本公开的另一方面提供了用于捕集烟气中二氧化碳的方法，其包括：第一压缩步骤，由第一压缩机压缩包括烟气的第一压缩机进料气；第一捕集步骤，将包括由第一压缩机压缩的气体的第一捕集分离膜进料气进料至第一捕集分离膜，分离成第一捕集分离膜渗透气体和第一捕集分离膜残余气体；第二压缩步骤，由第二压缩机压缩第一捕集分离膜渗透气体；液化步骤，通过液化换热器冷却由第二压缩机压缩的气体；分离提纯步骤，将由液化换热器冷却的气体进料至分离塔，分离成含二氧化碳的气体和高纯度二氧化碳液体；以及第一回收步骤，将含二氧化碳的气体进料至第一回收分离膜，使通过第一回收分离膜的第一回收分离膜渗透气体循环至第一捕集分离膜或第二压缩机。
有益效果
本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的方法和设备通过回收分离塔中通过分离膜获得的气体来减少二氧化碳排放。
另外，本公开可以通过利用在分离塔(液化过程)中产生的低温来回收在分离塔上部获得的气体中的二氧化碳，从而提高二氧化碳回收效率。
此外，本公开可以通过再循环二氧化碳捕集方法和设备中的气流来减少二氧化碳排放并增加二氧化碳的比例，从而提高分离效率。
附图说明
图1为示出根据本公开的实施方案的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图2为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图3为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜和第二回收分离膜的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图4为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜和#2-1捕集分离膜的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图5为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜和第三捕集分离膜的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图6为示出根据本公开的另一实施方案的包括#1-1捕集分离膜、第二捕集分离膜、#2-1捕集分离膜和第二换热器网络的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图7为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜和第二回收分离膜的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图8为示出根据本公开的另一实施方案的包括#1-1捕集分离膜、第二捕集分离膜、#2-1捕集分离膜、第二换热器网络和干冰生产单元的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图9为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜、#2-1捕集分离膜、第一换热器网络、第二换热器网络和干冰生产单元的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图10为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜、#2-1捕集分离膜、第二换热器网络和干冰生产单元的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
图11为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜、第二回收分离膜和干冰生产单元的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
具体实施方式
下文中，将结合附图和实施方案更详细地描述本公开。
本公开的方面提供了用于捕集烟气中二氧化碳的设备，包括：第一压缩机101，其用于压缩包括烟气1的第一压缩机进料气2；第一捕集分离膜102，其用于将包括由第一压缩机压缩的气体3的第一捕集分离膜进料气4分离成第一捕集分离膜渗透气体5和第一捕集分离膜残余气体6；第二压缩机110，其用于压缩包括第一捕集分离膜渗透气体5的第二压缩机进料气11；液化换热器112，其用于冷却由第二压缩机压缩的气体15；分离塔113，其用于将由液化换热器冷却的气体17分离成高纯度二氧化碳液体18和含二氧化碳的气体19；以及第一回收分离膜115，其用于将含二氧化碳的气体19分离成第一回收分离膜渗透气体22和第一回收分离膜残余气体23，并将第一回收分离膜渗透气体22循环至第一压缩机101、第一捕集分离膜102或第二压缩机110。
本公开还可以包括第二捕集分离膜106，其用于将包括第一捕集分离膜渗透气体5的第二捕集分离膜进料气9分离成第二捕集分离膜渗透气体10和第二捕集分离膜残余气体12，并且在这种情况下，只有第一捕集分离膜渗透气体5中的第二捕集分离膜渗透气体10被第二压缩机110压缩。当本公开还包括第二捕集分离膜106时，其是优选的，因为即使在烟气中二氧化碳浓度低的情况下也可以实现高二氧化碳回收率。
本公开还可以包括干冰生产单元114，其包括在其中接收高纯度二氧化碳液体18并将其转化为干冰20的室和未被转化为干冰的残余二氧化碳气体21通过其排出的出口。当本公开还包括干冰生产单元114时，其可能提高当从高纯度二氧化碳液体18生产干冰20时作为气体被丢弃的二氧化碳的利用率。
如本文所用，进料至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118的气体称为捕集分离膜进料气，捕集分离膜进料气可以包括由第一压缩机压缩的气体3、第一捕集分离膜进料气4、第一捕集分离膜渗透气体5、第二捕集分离膜进料气9和第二捕集分离膜渗透气体10。
本公开还包括换热器网络，其用于在将捕集分离膜进料气进料至捕集分离膜之前，通过与过程中的低温流进行换热来冷却捕集分离膜进料气。当本公开还包括换热器网络时，通过与过程中的流换热进行冷热回收来降低捕集分离膜进料气的温度，能够提高二氧化碳分离效率并显著降低工艺能量。
根据本公开的实施方案，在将由第一压缩机压缩的气体3或第一捕集分离膜渗透气体5中的至少一种捕集分离膜进料气进料至分离膜中之前，本公开还可以包括换热器网络，以通过与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、第二捕集分离膜渗透气体10、第二捕集分离膜残余气体12、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却捕集分离膜进料气。
如本文所用，用于冷却进料至第一捕集分离膜的由第一压缩机压缩的气体3的换热器网络被称为第一换热器网络200，用于冷却进料至第二捕集分离膜的第一捕集分离膜渗透气体5的换热器网络被称为第二换热器网络300、400，用于冷却进料至第三捕集分离膜118的第二捕集分离膜渗透气体10的换热器网络被称为第三换热器网络。
本公开可以包括干冰生产单元114或换热器网络，并且优选地，可包括两者。
如本文所用，烟气(废气)是指从发电厂、炼钢厂、化工厂等排放的气体，并且主要由化石燃料(烃)的燃烧反应产生，并且基本上包括二氧化碳和水，在含氧气体或空气作为氧化剂存在的情况下还可以包含氮气和未使用的氧气。此外，烟气可以包括源自燃烧过程的原材料中的杂质的气态物质，例如硫化氢、氧化硫、氧化氮、盐酸、汞等杂质，但是这些杂质可能以痕量存在，或者其中的一些可能基本上不存在。
第一压缩机101压缩第一压缩机进料气2。第一压缩机进料气2是包括烟气1的气体，并且为了提高二氧化碳的回收率，其可以是烟气1与#1-1捕集分离膜渗透气体7、第二捕集分离膜残余气体12、#2-1捕集分离膜渗透气体13或第一回收分离膜渗透气体22中的至少一种的混合气体，优选为烟气1与#1-1捕集分离膜渗透气体7、第二捕集分离膜残余气体12或#2-1捕集分离膜渗透气体13中的至少一种的混合气体，并且更优选为烟气1和#2-1捕集分离膜渗透气体13的混合气体。
第一压缩机101通过压缩第一压缩机进料气2来实现第一捕集分离膜102的分离过程的压力比，具体地，可以将进料气压缩到2巴至5巴的压力，优选2.2巴至3.5巴。
在本公开还包括换热器网络的情况下，冷热回收可以提高分离效率，这降低了第一压缩机101将压缩到的目标压力，从而以低能耗提高了分离效率，并且第一压缩机101可以将进料气流压缩到1.1巴至3.5巴的压力，优选1.2巴至2.0巴。
第一捕集分离膜102将包括由第一压缩机压缩的气体3的第一捕集分离膜进料气4分离成第一捕集分离膜渗透气体5和第一捕集分离膜残余气体6。
由于本公开中通过分离膜的气体分离过程是通过溶解-扩散机制进行的，因此分离效率取决于分离膜的二氧化碳选择性(例如，CO2/N2)，并且根据分离膜的选择性，第一捕集分离膜渗透气体5相对富含二氧化碳，而第一捕集分离膜残余气体6相对缺乏二氧化碳。
可以在第一捕集分离膜渗透气体的渗透部分另外安装真空泵103，以提高分离效率。
第一捕集分离膜进料气4可以是由第一压缩机压缩的气体3，并且为了提高二氧化碳的回收率，其可以是由第一压缩机压缩的气体3与残余二氧化碳气体21或第一回收分离膜渗透气体22中的至少一种的混合气体，并且优选是由第一压缩机压缩的气体3、残余二氧化碳气体21和第一回收分离膜渗透气体22的混合气体。
在本公开包括第二捕集分离膜106的情况下，第一捕集分离膜渗透气体5被进料至第二捕集分离膜106，在本公开不包括第二捕集分离膜106的情况下，第一捕集分离膜渗透气体5被进料至第二压缩机110。
本公开还可以包括#1-1捕集分离膜104，以回收将被排出的第一捕集分离膜残余气体6中的残余二氧化碳。
在本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的设备不包括#1-1捕集分离膜104的情况下，可以将第一捕集分离膜残余气体6作为二氧化碳缺乏而氮气为主的气体来排出。
#1-1捕集分离膜104可以将第一捕集分离膜残余气体6分离成相对富含二氧化碳的#1-1捕集分离膜渗透气体7和相对缺乏二氧化碳的#1-1捕集分离膜残余气体8，并且将#1-1捕集分离膜渗透气体7循环至第一压缩机101，以回收在不包括#1-1捕集分离膜104的情况下将被排出的第一捕集分离膜残余气体6中的残余二氧化碳。
在本公开还包括#1-1捕集分离膜104的情况下，第一捕集分离膜残余气体6优选在不通过换热器网络进行换热的情况下被进料至#1-1捕集分离膜104，从而通过#1-1捕集分离膜104的低温过程提高分离效率。
#1-1捕集分离膜残余气体8可以作为二氧化碳缺乏而氮气为主的气体来排出。
可以在#1-1捕集分离膜渗透气体7的渗透部分另外安装真空泵105，以提高分离效率。
第二捕集分离膜106将包括第一捕集分离膜渗透气体5的第二捕集分离膜进料气9分离成二氧化碳浓度高于第一捕集分离膜渗透气体5的第二捕集分离膜渗透气体10和二氧化碳缺乏的第二捕集分离膜残余气体12。
可以在第二捕集分离膜渗透气体的渗透部分另外安装真空泵107，以增加分离膜前后的压力比，从而排出第二捕集分离膜渗透气体10，从而提高二氧化碳分离效率。
为了提高二氧化碳回收率，第二捕集分离膜渗透气体9可以是第一捕集分离膜渗透气体5与残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第二回收分离膜渗透气体24或第三捕集分离膜渗透气体28中的至少一种的混合气体。
在本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的设备包括第三捕集分离膜118的情况下，第二捕集分离膜渗透气体10可以被进料至第三捕集分离膜118，在本公开不包括第三捕集分离膜118的情况下，第二捕集分离膜渗透气体10可以被进料至第二压缩机110。
第二捕集分离膜残余气体12可以被排出，或者可以进料至第一压缩机101或#2-1捕集分离膜108，以提高二氧化碳回收率。
根据本公开的实施方案，本公开还可以包括#2-1捕集分离膜108，以提高二氧化碳回收率。
#2-1捕集分离膜108将第二捕集分离膜残余气体12分离成二氧化碳浓度更高的#2-1捕集分离膜渗透气体13和二氧化碳浓度更低的#2-1捕集分离膜残余气体14，并将#2-1捕集分离膜渗透气体13循环至第一压缩机101以提高二氧化碳回收率。
在本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的设备不包括#2-1捕集分离膜108的情况下，可以将第二捕集分离膜残余气体12循环至第一压缩机101以提高二氧化碳回收率，在该设备包括#2-1捕集分离膜108的情况下，可以仅将第二捕集分离膜残余气体12中的富含二氧化碳的#2-1捕集分离膜渗透气体13循环至第一压缩机101，导致进料至第一压缩机101的气体的流速降低，这显著降低了压缩所需的能量，从而提高了该方法的经济效益。
#2-1捕集分离膜残余气体14作为二氧化碳缺乏而氮气为主的气体来排出。第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜残余气体8和第一回收分离膜残余气体23也是以氮气为主的气体。因此，它可以与氮气为主的气体中的低温气体混合，通过换热器网络进行冷热回收后排出。
在本公开还包括#2-1捕集分离膜108的情况下，第二捕集分离膜残余气体12优选在不通过第一换热器网络200或第二换热器网络300进行换热的情况下被进料至#2-1捕集分离膜108，以允许#2-1捕集分离膜108在低温下进行分离过程，从而提高分离效率。
本公开还可以包括第三捕集分离膜118，以根据烟气中的二氧化碳浓度将第二捕集分离膜渗透气体10分离成第三捕集分离膜渗透气体27和第三捕集分离膜残余气体28。当烟气中的二氧化碳浓度很低时，可以额外将第三捕集分离膜118引入第二捕集分离膜渗透部分以提高二氧化碳回收率，并且仅将第二捕集分离膜渗透气体10中的第三捕集分离膜渗透气体27进料至第二压缩机110。
第二压缩机110将第二压缩机进料气11压缩至液化过程所需的压力，优选22巴至50巴，并优选22巴至31巴。在这种情况下，第二压缩机进料气11可以包括第一捕集分离膜渗透气体5、第二捕集分离膜渗透气体10或第三捕集分离膜渗透气体27中的任何一种。
通常，压缩机包括冷却器以去除水，并使用冷却器去除流中的水，但液化过程中残留的少量水可能会导致装置如仪表在冻结时损坏和故障。为了防止这种情况，本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的设备还可以包括用于从液化换热器112进料气中去除水的干燥器。已经通过干燥器的气流中的水含量可以是例如约50ppm或少于50ppm，优选约30ppm或少于30ppm，更优选约10ppm或少于10ppm，并且最优选基本上接近于零。
液化换热器112将由第二压缩机压缩的气体15冷却至用于分离塔113中的分离和纯化以及二氧化碳液化的合适温度，优选-35℃至-18℃。液化换热器112中使用的制冷剂可以包括氟利昂、氮气和丙烯。
向分离塔113供应由液化换热器冷却的气体17，并通过分离和纯化在上部获得含二氧化碳的气体19，在下部获得高纯度二氧化碳液体18。
在下部回收的高纯度二氧化碳液体18中二氧化碳的摩尔浓度可以是99％或高于99％，并且根据二氧化碳的使用目的可以是99.9％或高于99.9％。
含二氧化碳的气体19可以在将捕集分离膜进料气进料至第一回收分离膜115之前通过换热器网络在其之间进行换热来冷却捕集分离膜进料气。
干冰生产单元114包括在其中接收高纯度二氧化碳液体18并将其转化为干冰20的室和高纯度二氧化碳液体18中未被转化为干冰20的残余二氧化碳气体21通过其排出的出口。在这种情况下，可以向干冰生产单元114供应生产的所有高纯度二氧化碳液体18，但在某些情况下，可以供应一部分高纯度二氧化碳液体18。
该室实现了用于将高纯度二氧化碳液体18转化为干冰20的增压和冷却的压力和温度范围，并且在这种情况下，压力和温度可以是0.3巴至1巴和-80℃至-45℃，并优选0.6巴至0.8巴和-78℃至-48℃。
高纯度二氧化碳液体18没有完全转化成干冰20，产生残余二氧化碳气体21。在这种情况下，残余二氧化碳气体21的温度是-78℃至-48℃的极低温度，并且为了提高捕集分离膜的分离效率，可以通过换热器网络回收冷热。
因此，换热器网络还可以包括回收换热器407，以回收残余二氧化碳气体21中的冷热。当将残余二氧化碳气体21进料至回收换热器407时，获得由回收换热器加热的具有温升的气体55，并且由回收换热器加热的气体55也处于约-25℃至-10℃的低温，从而可以通过经由换热器网络与捕集分离膜进料气进行额外的换热来冷却捕集分离膜进料气。
残余二氧化碳气体21是以二氧化碳为主的气体，并且为了回收二氧化碳，可以将其循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118和第二压缩机110中的任何一个，优选第一捕集分离膜102或第二捕集分离膜106，并且最优选第一捕集分离膜102。
优选地，当残余二氧化碳气体21循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118时，在进行捕集分离膜的低温分离过程中是有效的，并且由于可以显著提高分离膜的分离效率，因此最优选将残余二氧化碳气体21循环至第一捕集分离膜102。
当残余二氧化碳气体21通过第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118被回收时，在不进行冷热回收的情况下进料至捕集分离膜中比通过换热器网络冷热回收更能有效地降低捕集分离膜进料气的温度，因此优选不回收冷热。
二氧化碳通过如上所述的分离膜过程和分离塔过程回收，但高纯度二氧化碳的回收是具有挑战性的。为了应对这一挑战，本公开还包括第一回收分离膜115，以从通过分离塔113上部获得的含二氧化碳的气体19中回收高纯度二氧化碳，从而实现高纯度二氧化碳气体回收，并降低回收流的流速以提高工艺效率。
第一回收分离膜115将含二氧化碳的气体19分离成具有较高二氧化碳浓度的第一回收分离膜渗透气体22和具有较低二氧化碳浓度的第一回收分离膜残余气体23，并将第一回收分离膜渗透气体22循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118或第二压缩机110中的任何一个，优选第一捕集分离膜102或第二捕集分离膜106，并且最优选第一捕集分离膜102。
本公开的特征在于，通过将分离塔113的二氧化碳液化过程后在分离塔113的上部获得的含二氧化碳的气体19进料至第一回收分离膜115，同时使含二氧化碳的气体19保持低温状态，从而提高二氧化碳选择性，而不需要额外的压缩或冷却过程来提高分离效率，从而显著提高分离效率。特别地，含二氧化碳的气体19处于-40℃至0℃的低温，并且即使在冷热回收之后其温度不超过提高二氧化碳分离效率的温度范围，因此，在与捕集分离膜进料气通过换热器网络与第一回收分离膜115进行换热之后，可以将含二氧化碳的气体19进料至第一回收分离膜115中，然后将其进料至第一回收分离膜115中。
进料至第一回收分离膜115的气体的温度可以是-40℃至0℃。
第一回收分离膜渗透气体22或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种可以在保持通过液化换热器112冷却的低温状态的同时被进料至换热器网络，并与捕集分离膜进料气进行换热。
第一回收分离膜渗透气体22可以与第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118和第二压缩机110中的任何一个的进料气混合，优选第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118，更优选第一捕集分离膜102，然后被循环。由此，有可能增加回收的二氧化碳的量并增加工艺气体中二氧化碳的比例，从而提高工艺效率。
优选地，当第一回收分离膜渗透气体22循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118时，能够有效进行捕集分离膜的低温分离过程，并且由于可以显著提高分离膜的分离效率，因此最优选循环至第一捕集分离膜102。
如上所述，残余二氧化碳气体21也是低温流，并且为了回收二氧化碳，其是循环的，因此残余二氧化碳气体21和第一回收分离膜渗透气体22可以混合，然后循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118或第二压缩机110中的任何一个，优选第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118，更优选第一捕集分离膜102或第二捕集分离膜106，以及最优选第一捕集分离膜102。
另外，当残余二氧化碳气体21和第一回收分离膜渗透气体22循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118时，在不进行冷热回收的情况下进料至捕集分离膜中比通过换热器网络进行冷热回收更能有效地降低温度，因此优选不回收冷热。
第一回收分离膜残余气体23作为缺乏二氧化碳的氮气为主的气体排出，并且可以在排出之前通过换热器网络换热，然后排出。另外，第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜残余气体8和#2-1捕集分离膜残余气体14是氮气为主的气体，它们中的低温流可以混合在一起，通过换热器网络进行换热然后排出。
本公开还可以包括第二回收分离膜117，以将第一回收分离膜残余气体23分离成二氧化碳浓度较高的第二回收分离膜渗透气体24和二氧化碳浓度较低的第二回收分离膜残余气体25，在这种情况下，第二回收分离膜渗透气体24可以循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118或第二压缩机110。
第二回收分离膜渗透气体24和第二回收分离膜残余气体25可以通过换热器网络与捕集分离膜进料气进行换热来冷却捕集分离膜进料气，同时它们保持在通过液化换热器112冷却的低温状态。
第二回收分离膜117可以循环第一回收分离膜残余气体23中富含二氧化碳的第二回收分离膜渗透气体24，以提高二氧化碳回收率。
第二回收分离膜残余气体25可以与排出的低温气体一起排出。
第一回收分离膜115和第二回收分离膜117可以由相同或不同的材料制成，并且可以由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成。
下面的表1和表2显示了由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)制成的分离膜的选择性随温度的变化，参照表1和表2，可以看出由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)制成的分离膜在低温下对二氧化碳的选择性有很大的提高。相反，由其它材料如聚酰胺或聚醚制成的分离膜在低温下对二氧化碳的选择性改善不明显，因此不适合低温方法。
【表1】
【表2】
也就是说，由于第一回收分离膜115和第二回收分离膜117被供应由液化换热器112冷却的气体并且在低温下进行分离过程，因此优选聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)中的至少一种，因为考虑到聚砜(PSF)和聚酰亚胺(PI)分离膜材料的特性，当其在低温下工作时二氧化碳分离效率显著增加。
在下文中，将更详细地描述换热器网络。
在本公开不包括第二捕集分离膜106的情况下，换热器网络可以是第一换热器网络200，其冷却由第一压缩机压缩的气体3并进料至第一捕集分离膜102。
以下描述不包括第二捕集分离膜106，并且换热器网络是第一换热器网络200。
第一换热器网络200可以通过与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜渗透气体7、#1-1捕集分离膜残余气体8、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却由第一压缩机压缩的气体3。
当本公开包括第一换热器网络200时，第一捕集分离膜渗透气体5可以通过第一换热器网络200与第一压缩机压缩的气体3进行换热后进料至第二压缩机110，同时保持通过第一换热器网络200冷却的低温状态。
当本公开包括第一换热器网络200时，在第一捕集分离膜残余气体6保持在通过第一换热器网络200冷却的低温状态时被排出的情况下，第一捕集分离膜残余气体6可以通过第一换热器网络200与第一压缩机压缩的气体3进行换热后排出。
在将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104的情况下，当通过第一换热器网络200回收冷热时，通过#1-1捕集分离膜104的分离过程不在低温下进行，因此优选不进行冷热回收而直接将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104。
当本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的设备还包括第二捕集分离膜106时，换热器网络可以是第一换热器网络200或第二换热器网络300、400中的至少一个，第一换热器网络200冷却进料至第一捕集分离膜102中的由第一压缩机压缩的气体3，第二换热器网络300、400冷却进料至第二捕集分离膜106中的第一捕集分离膜渗透气体5。
以下描述包括第二捕集分离膜106，并且换热器网络是第一换热器网络200。
第一换热器网络200可以通过与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜渗透气体7、#1-1捕集分离膜残余气体8、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却由第一压缩机压缩的气体3。
第一捕集分离膜渗透气体5可以通过第一换热器网络200与由第一压缩机压缩的气体3进行换热后进料至第二捕集分离膜106，同时保持通过第一换热器网络200冷却的低温状态。
第一捕集分离膜残余气体6可以在通过第一换热器网络200与第一压缩机压缩的气体3进行换热后排出，同时保持通过第一换热器网络200冷却的低温状态。然而，在将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104的情况下，可以将第一捕集分离膜残余气体6在不进料至第一换热器网络200的情况下直接进料至#1-1捕集分离膜104。
通常，第一捕集分离膜渗透气体5经由真空泵被进料至第二捕集分离膜106，以增加压力比从而提高分离效率。通过真空泵后的第一捕集分离膜渗透气体5具有温升，并且不处于低温状态。因此，在不包括第二换热器网络300的情况下，已经通过第二捕集分离膜106和#2-1捕集分离膜108的所有气流都不处于低温状态，因此优选不将其进料至换热器网络。
以下描述包括第二捕集分离膜106，并且换热器网络是第二换热器网络400。在本公开还包括第二捕集分离膜106的情况下，在工艺节能方面，包括第二换热器网络400的换热器网络比仅包括第一换热器网络200更理想。
第二换热器网络400可以通过与第二捕集分离膜渗透气体10、第二捕集分离膜残余气体12、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却第一捕集分离膜渗透气体5。
优选地，第二换热器网络400可以通过与所有第二捕集分离膜渗透气体10、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14、含二氧化碳的气体19、第一回收分离膜渗透气体22和第一回收分离膜残余气体23进行换热来冷却第一捕集分离膜渗透气体5，更优选地，第二换热器网络400可以促进第一捕集分离膜渗透气体5和残余二氧化碳气体21之间的额外的换热。
更优选地，第二换热器网络400可以包括#2-2换热器402，用于在第一捕集分离膜渗透气体5和第一回收分离膜渗透气体22之间进行换热；#2-3换热器403，用于在由#2-2换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体42和#2-1捕集分离膜渗透气体13之间进行换热；#2-4换热器404，用于在由#2-3换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体43与#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种之间进行换热；#2-5换热器405，用于在由#2-4换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体44和第二捕集分离膜渗透气体10之间进行换热；以及#2-6换热器406，用于在由#2-5换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体45和含二氧化碳的气体19之间进行换热。
甚至更优选地，第二换热器网络400可以包括#2-1换热器401，用于在第一捕集分离膜渗透气体5和残余二氧化碳气体21之间进行换热；#2-2换热器402，用于在由#2-1换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体41和第一回收分离膜渗透气体22之间进行换热；#2-3换热器403，用于在由#2-2换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体42和#2-1捕集分离膜渗透气体13之间进行换热；#2-4换热器404，用于在由#2-3换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体43与#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种之间进行换热；#2-5换热器405，用于在由#2-4换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体44和第二捕集分离膜渗透气体10之间进行换热；以及#2-6换热器406，用于在由#2-5换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体45和含二氧化碳的气体19之间进行换热；并且最优选地，第二换热器网络400还可以包括回收换热器407，用于在由#2-6换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体46和残余二氧化碳气体21之间进行换热，并且进料至#2-1换热器401中的残余二氧化碳气体21可以是由回收换热器加热的气体55。特别地，已证实当换热器网络包括#2-1至#2-6换热器和回收换热器407时，可以显著降低将第一捕集分离膜渗透气体5冷却到目标温度所需的能量。
第二捕集分离膜渗透气体10可以通过第二换热器网络400冷热回收后被进料至第二压缩机110或第三捕集分离膜118，同时保持通过第二换热器网络400冷却的低温状态。
在第二捕集分离膜残余气体12保持在通过第一换热器网络400冷却的低温状态时被排出的情况下，第二捕集分离膜残余气体12可以在通过第二换热器网络400冷热回收之后被排出。然而，在将第二捕集分离膜残余气体12进料至#2-1捕集分离膜108中的情况下，优选不回收冷热。
当本公开还包括#2-1捕集分离膜108时，#2-1捕集分离膜渗透气体13和#2-1捕集分离膜残余气体14保持在低温状态，并且可以通过经由第二换热器网络400在#2-1捕集分离膜渗透气体13或#2-1捕集分离膜残余气体14的至少一种与第一捕集分离膜渗透气体5之间进行换热来提高二氧化碳分离效率。
以下描述包括第二捕集分离膜106，并且换热器网络包括第一换热器网络200和第二换热器网络300两者。
第一换热器网络200可以通过与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜渗透气体7、#1-1捕集分离膜残余气体8、第二捕集分离膜渗透气体10、第二捕集分离膜残余气体12、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却由第一压缩机压缩的气体3。
第二换热器网络300可以通过与第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜渗透气体7、#1-1捕集分离膜残余气体8、第二捕集分离膜渗透气体10、第二捕集分离膜残余气体12、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却第一捕集分离膜渗透气体5。
优选地，第一换热器网络200可以通过与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种进行换热来冷却由第一压缩机压缩的气体3，并且第二换热器网络300可以通过与第一捕集分离膜残余气体6、第二捕集分离膜渗透气体10、#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种进行换热来冷却第一捕集分离膜渗透气体5。
最优选地，第一换热器网络200可以包括#1-1换热器201，用于在由第一压缩机压缩的气体3与#2-1捕集分离膜渗透气体13之间进行换热；#1-2换热器202，用于在由第一压缩机压缩并由#1-1换热器冷却的气体31与第一捕集分离膜渗透气体5之间进行换热；以及#1-3换热器，用于在由第一压缩机压缩并由#1-2换热器冷却的气体32与包括第一捕集分离膜残余气体6、#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种的以氮气为主的气体35之间进行换热，第二换热器网络300可以包括#2-1换热器301，用于在第一捕集分离膜渗透气体5和第二捕集分离膜渗透气体10之间进行换热；以及#2-2换热器302，用于在由#2-1换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体61和由#1-3换热器加热的气体38之间进行换热。特别地，已证实当换热器网络包括包括#1-1和#1-2换热器的第一换热器网络200和包括#2-1和#2-2换热器的第二换热器网络300时，在不消耗额外能量的情况下能够冷却到使必要能量最小化并使二氧化碳分离效率最大化的温度。
第一捕集分离膜渗透气体5可以通过换热器网络进行冷热回收，同时保持通过第一换热器网络200冷却的低温状态。
第一捕集分离膜残余气体6可以被进料至换热器网络，同时保持通过第一换热器网络200冷却的低温状态，进行冷热回收，然后被排出。然而，在将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104的情况下，优选将第一捕集分离膜残余气体6在不进料至换热器网络的情况下直接进料至#1-1捕集分离膜104。
通过换热器网络冷却的第二捕集分离膜渗透气体10可以被进料至换热器网络，进行冷热回收，然后进料至第二压缩机110。
在第二捕集分离膜残余气体12被排出的情况下，第二捕集分离膜残余气体12可以在排出之前通过换热器网络冷热回收，然后被排出。
在将第二捕集分离膜残余气体12进料至#2-1捕集分离膜108中的情况下，优选地，不在第二捕集分离膜残余气体12中回收冷热。
在本公开还包括#2-1捕集分离膜108的情况下，#2-1捕集分离膜渗透气体13和#2-1捕集分离膜残余气体14保持在低温状态，并且可以通过经由第一换热器网络200或第二换热器网络300在#2-1捕集分离膜渗透气体13或#2-1捕集分离膜残余气体14中的至少一种与捕集分离膜进料气之间进行换热来提高二氧化碳分离效率。
当本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的设备还包括第三捕集分离膜118时，换热器网络可以是第一换热器网络200、第二换热器网络300、400或第三换热器网络中的至少一个，第一换热器网络200冷却进料至第一捕集分离膜102中的由第一压缩机压缩的气体3，第二换热器网络300、400冷却进料至第二捕集分离膜106中的第一捕集分离膜渗透气体5，第三换热器网络通过与工艺中的低温流进行换热来冷却第二捕集分离膜渗透气体10。在这种情况下，可以在第三捕集分离膜118剩余部分安装额外的分离膜，以提高二氧化碳回收率。
同时，第一换热器网络200还可以包括第一冷却换热器204，用于通过与制冷剂换热来额外冷却由第一压缩机压缩的气体3，从而将进料至第一捕集分离膜102的气体冷却到二氧化碳分离效率最大化的温度。
此外，第二换热器网络300、400还可以包括第二冷却换热器303、408，用于通过与制冷剂换热来额外冷却第一捕集分离膜渗透气体5，从而将进料至第二捕集分离膜106的气体冷却到二氧化碳分离效率最大化的温度。
在这种情况下，第一冷却换热器204或第二冷却换热器303、408可以通过增加液化换热器112的冷却容量来使用部分增加的容量，并且与捕集分离膜二氧化碳分离效率的提高相比，用于增加液化换热器112的容量的能耗非常低。
由于包括第一捕集分离膜残余气体6、#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种的以氮气为主的气体即使在被换热器网络加热之后也具有足够低的温度，因此，本公开还可以包括附加换热器111，其通过在由#1-3换热器203和#2-2换热器302加热的以氮气为主的气体64与由第二压缩机压缩的气体15之间换热来冷却由第二压缩机压缩的气体15，从而减少液化换热器112中冷却所需的能量。
当本公开还包括附加换热器111时，液化换热器112可以冷却由第二压缩机压缩并由附加换热器冷却的气体16。
第一捕集分离膜102、#1-1捕集分离膜104、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118和#2-1捕集分离膜108可以由相同或不同的材料制成，并且可以由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成。
如上所述，由于考虑到聚砜(PSF)和聚酰亚胺(PI)分离膜材料的特性，二氧化碳分离效率在低温下显著增加，因此这是优选的。
特别地，在本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的设备包括第一换热器网络200的情况下，进料至第一捕集分离膜102和#1-1捕集分离膜104的气体处于低温状态，并且在该设备包括第二换热器网络300、400的情况下，进料至第二捕集分离膜106和#2-1捕集分离膜108的气体处于低温状态，并且在该设备包括第三换热器网络的情况下，进料至第三捕集分离膜118的气体处于低温状态。相应地，捕集分离膜更优选由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成，因为这能够显著提高二氧化碳分离效率。
更具体地，当本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的设备包括第一换热器网络200时，进料至第一捕集分离膜102和#1-1捕集分离膜104的气体的温度可以是-40℃至10℃，并最优选-25℃至-15℃，并且当该设备包括第二换热器网络300、400时，进料至第二捕集分离膜106和#2-1捕集分离膜108的气体的温度可以是-40℃至0℃，并最优选-25℃至-15℃。
本公开的另一方面提供了用于捕集烟气中二氧化碳的方法，其包括：第一压缩步骤，由第一压缩机101压缩包括烟气1的第一压缩机进料气2；第一捕集步骤，将包括由第一压缩机压缩的气体3的第一捕集分离膜进料气4进料至第一捕集分离膜102，以分离成第一捕集分离膜渗透气体5和第一捕集分离膜残余气体6；第二压缩步骤，由第二压缩机110压缩包括第一捕集分离膜渗透气体5的第二压缩进料气11；液化步骤，由液化换热器112冷却由第二压缩机压缩的气体15；分离提纯步骤，将由液化换热器冷却的气体17进料至分离塔，以分离成高纯度二氧化碳液体18和含二氧化碳的气体19；以及第一回收步骤，将含二氧化碳的气体19进料至第一回收分离膜115，以将通过第一回收分离膜115的第一回收分离膜渗透气体22循环至第一捕集分离膜102或第二压缩机110。
本公开还可以包括第二捕集步骤，将包括第一捕集分离膜渗透气体5的第二捕集分离膜进料气9进料至第二捕集分离膜106，以分离成第二捕集分离膜渗透气体10和第二捕集分离膜残余气体12，在该情况下，第二压缩步骤促进第二压缩机110仅压缩第一捕集分离膜渗透气体5中的第二捕集分离膜渗透气体10。
本公开还可以包括干冰生产步骤，将高纯度二氧化碳液体18转化为干冰20并获得未转化为干冰20的残余二氧化碳气体21。
在将由第一压缩机压缩的气体3或第一捕集分离膜渗透气体5中的至少一种捕集分离膜进料气进料至分离膜中之前，本公开还可以包括换热步骤，通过与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、第二捕集分离膜渗透气体10、第二捕集分离膜残余气体12、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却。
根据本公开的实施方案，在将由第一压缩机压缩的气体3进料至第一捕集分离膜102之前，本公开还可以包括换热步骤，通过换热器网络促进与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热。
第一压缩步骤可以促进第一压缩机101对第一压缩机进料气2的压缩，以实现第一捕集分离膜102的分离过程的压力比，更具体地，可以促进将第一压缩机进料气2压缩到2巴至5巴的压力，优选2.2巴至3.5巴。
在本公开还包括换热步骤的情况下，第一压缩机101可以将进料气流压缩到1.1巴至3.5巴的压力，优选1.2巴至2.0巴。
第一压缩机进料气2是包括烟气1的气体，并且其可以是烟气1与#1-1捕集分离膜渗透气体7、第二捕集分离膜残余气体12、#2-1捕集分离膜渗透气体13或第一回收分离膜渗透气体22中的至少一种的混合气体，优选为烟气1与#1-1捕集分离膜渗透气体7、第二捕集分离膜残余气体12或#2-1捕集分离膜渗透气体13中的至少一种的混合气体，并且更优选为烟气1和#2-1捕集分离膜渗透气体13的混合气体。
第一捕集步骤是将第一捕集分离膜进料气4进料至第一捕集分离膜102以分离成相对富含二氧化碳的第一捕集分离膜渗透气体5和相对缺乏二氧化碳的第一捕集分离膜残余气体6的步骤。
第一捕集分离膜进料气4可以是由第一压缩机压缩的气体3，或是由第一压缩机压缩的气体3与残余二氧化碳气体21或第一回收分离膜渗透气体22中的至少一种的混合气体，并且优选是由第一压缩机压缩的气体3、残余二氧化碳气体21和第一回收分离膜渗透气体22的混合气体。
在本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的方法还包括第二捕集步骤的情况下，第一捕集分离膜渗透气体5可以被进料至第二捕集分离膜106，在本公开不包括第二捕集步骤的情况下，第一捕集分离膜渗透气体5可以被进料至第二压缩机110中。
可以将第一捕集分离膜残余气体6排出或进料至#1-1捕集分离膜104中。
本公开还可以包括#1-1捕集步骤，将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104中，以分离成相对富含二氧化碳的#1-1捕集分离膜渗透气体7和相对缺乏二氧化碳的#1-1捕集分离膜残余气体8，并且将#1-1捕集分离膜渗透气体7循环至第一压缩机101，以回收在第一捕集分离膜残余气体6中的残余二氧化碳。
第二捕集步骤是将包括第一捕集分离膜渗透气体5的第二捕集分离膜进料气9进料至第二捕集分离膜106中，以分离成二氧化碳浓度高于第一捕集分离膜渗透气体5的第二捕集分离膜渗透气体10和二氧化碳缺乏的第二捕集分离膜残余气体12的步骤。
第二捕集分离膜进料气9可以是第一捕集分离膜渗透气体5或第一捕集分离膜渗透气体5与残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第二回收分离膜渗透气体24或第三捕集分离膜渗透气体28中的至少一种的混合气体。
在本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的方法还包括第三捕集步骤的情况下，第二捕集分离膜渗透气体10可以被进料至第三捕集分离膜118，在本公开不包括第三捕集步骤的情况下，第二捕集分离膜渗透气体10可以被进料至第二压缩机110中。
可以将第二捕集分离膜残余气体12排出或进料至第一压缩机101或#2-1捕集分离膜108中。
#2-1捕集步骤是将第二捕集分离膜残余气体12进料至#2-1捕集分离膜108中，以分离成二氧化碳浓度较高的#2-1捕集分离膜渗透气体13和二氧化碳浓度较低的#2-1捕集分离膜残余气体14的步骤。
可以将#2-1捕集分离膜渗透气体13循环至第一压缩机101，从而提高二氧化碳回收率。
#2-1捕集分离膜残余气体14作为二氧化碳缺乏且以氮气为主的气体排出，并且第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜残余气体8和第一回收分离膜残余气体23也是以氮为主的气体。因此，它可以与氮气为主的气体中的低温气体混合，通过换热步骤进行冷热回收，然后排出。
本公开的捕集烟气中二氧化碳的方法还可以包括第三捕集步骤，根据二氧化碳浓度将第二捕集分离膜渗透气体10进料至第三捕集分离膜118，以分离成第三捕集分离膜渗透气体27和第三捕集分离膜残余气体28。在该情况下，只有第二捕集分离膜渗透气体10中的第三捕集分离膜渗透气体27被进料至第二压缩机110中。
第二压缩步骤是由第二压缩机110将第二压缩机进料气11压缩至液化过程所需的压力，优选22巴至50巴，优选22巴至31巴的步骤。
第二压缩机进料气11可以包括第一捕集分离膜渗透气体5、第二捕集分离膜渗透气体10或第三捕集分离膜渗透气体27。
液化步骤是通过液化换热器112将由第二压缩机压缩的气体15冷却至用于分离塔113中分离和纯化以及二氧化碳液化的合适温度，优选-35℃至-18℃的步骤。
分离和纯化步骤是将由液化换热器冷却的气体17进料至分离塔113，通过分离和纯化得到下部高纯度二氧化碳液体18和上部含二氧化碳的气体19的步骤。
含二氧化碳的气体19可以在将其进料至第一回收分离膜115之前通过在换热步骤中与捕集分离膜进料气进行换热来冷却捕集分离膜进料气。
干冰生产步骤有助于将高纯度二氧化碳液体18转化为干冰20。
高纯度二氧化碳液体18没有完全转化成干冰20，得到残余二氧化碳气体21。
残余二氧化碳气体21是以二氧化碳为主的气体，并且为了回收二氧化碳，可以循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118和第二压缩机110中的任何一个，优选第一捕集分离膜102或第二捕集分离膜106，并且最优选第一捕集分离膜102。
在残余二氧化碳气体21通过第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118被回收的情况下，由于温度降低效果更好，因此优选将残余二氧化碳气体21在不通过换热器网络进行冷热回收的情况下进料至捕集分离膜。
残余二氧化碳气体21的温度是-78℃至-48℃的极低温度。因此，为了回收残余二氧化碳气体21中的冷热，本公开还可以包括回收换热步骤，通过回收换热器407回收由捕集分离膜进料气和残余二氧化碳气体21之间进行换热得到的残余二氧化碳气体21中的冷热。
通过回收换热步骤得到由回收换热器加热的气体55，并且由回收换热器加热的气体55处于约-25℃至-10℃的低温，从而可以通过在换热步骤中与捕集分离膜进料气进行额外的换热来冷却捕集分离膜进料气。
本公开包括第一回收步骤，将含二氧化碳的气体19进料至第一回收分离膜115，以分离成通过第一回收分离膜115的具有较高二氧化碳浓度的第一回收分离膜渗透气体22和留在第一回收分离膜115中的具有较低二氧化碳浓度的第一回收分离膜残余气体23，从而通过从含二氧化碳的气体19中回收二氧化碳来回收高纯度二氧化碳气体，并显著减少二氧化碳排放。
特别地，含二氧化碳的气体19处于-40℃至0℃的低温，并且即使在冷热回收之后其温度也不超过二氧化碳分离效率被提高的温度范围，因此，在将含二氧化碳的气体19进料至第一回收分离膜115中之前，可以在换热步骤中通过与捕集分离膜进料气换热进行冷热回收之后，将含二氧化碳的气体19进料至第一回收分离膜115。
在第一回收步骤中，进料至第一回收分离膜115的气体的温度可以是-40℃至0℃。
第一回收分离膜渗透气体22和第一回收分离膜残余气体23保持在液化步骤中冷却的低温状态，并且它们中的至少一种可以在换热步骤中与捕集分离膜进料气进行换热。
第一回收分离膜渗透气体22可以循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118和第二压缩机110中的任何一个，优选第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118，最优选第一捕集分离膜102。
在第一回收分离膜渗透气体22被循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106或第三捕集分离膜118的情况下，优选不在换热步骤中回收冷热。
第一回收分离膜残余气体23作为缺乏二氧化碳的氮气为主的气体排出，并且可以在排出之前在换热步骤中进行冷热回收，然后排出。另外，如上所述，第一回收分离膜残余气体23可以在与第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜残余气体8或#2-1捕集分离膜残余气体14中的至少一种进行换热后排出。
根据本公开的实施方案，本公开还可以包括第二回收步骤，将第一回收分离膜残余气体23进料至第二回收分离膜117，以分离成二氧化碳浓度较高的第二回收分离膜渗透气体24和二氧化碳浓度较低的第二回收分离膜残余气体25，并将第二回收分离膜渗透气体24循环至第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118或第二压缩机110。
第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种可以与捕集分离膜进料气进行换热。
第二回收分离膜残余气体25可以被排出。
由于第一回收分离膜115和第二回收分离膜117被供应由液化换热器112冷却的气体并且在低温下进行分离过程，因此它们优选由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成因为考虑到聚砜(PSF)和聚酰亚胺(PI)分离膜材料的特性，在低温下二氧化碳分离效率显著增加。
在本公开的捕集烟气中二氧化碳的方法不包括第二捕集步骤的情况下，换热步骤可以通过第一换热器网络200促进冷却进料至第一捕集分离膜102的由第一压缩机压缩的气体3。
以下描述不包括第二捕集步骤，并且换热步骤通过第一换热器网络200促进冷却由第一压缩机压缩的气体3。
换热步骤可以通过与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜渗透气体7、#1-1捕集分离膜残余气体8、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来促进冷却由第一压缩机压缩的气体3。
第一捕集分离膜渗透气体5可以在换热步骤中与第一压缩机压缩的气体3进行换热后进料至第二压缩机110中，同时保持在换热步骤中冷却的低温状态。
在第一捕集分离膜残余气体6保持在换热步骤中冷却的低温状态时被排出的情况下，第一捕集分离膜残余气体6可以在换热步骤中与由第一压缩机压缩的气体3进行换热后排出。
在将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104的情况下，优选将第一捕集分离膜残余气体6直接进料至#1-1捕集分离膜104，而不在换热步骤中进行冷热回收。
当本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的方法还包括第二捕集步骤时，换热步骤可以包括以下步骤中的至少一个：通过第一换热器网络200冷却进料至第一捕集分离膜102中的由第一压缩机压缩的气体3；以及通过第二换热器网络300、400冷却进料至第二捕集分离膜106中的第一捕集分离膜渗透气体5。
以下描述包括第二捕集步骤，并且换热步骤通过第一换热器网络200促进冷却由第一压缩机压缩的气体3。
换热步骤可以通过第一换热器网络200促进通过与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜渗透气体7、#1-1捕集分离膜残余气体8、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却由第一压缩机压缩的气体3。
第一捕集分离膜渗透气体5可以在换热步骤中与第一压缩机压缩的气体3进行换热后进料至第二捕集分离膜106中，同时保持在换热步骤中冷却的低温状态。
第一捕集分离膜残余气体6可以通过在换热步骤中进行冷热回收后排出，同时保持在换热步骤中冷却的低温状态。然而，在将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104的情况下，优选将第一捕集分离膜残余气体6直接进料至#1-1捕集分离膜104，而不在换热步骤中进行冷热回收。
在本公开不包括第二换热器网络300的情况下，已经通过第二捕集分离膜106和#2-1捕集分离膜108的所有气流都不处于低温状态，因此优选不将其进料至换热器网络中。
以下描述包括第二捕集步骤，并且换热步骤通过第二换热器网络400促进冷却进料至第二捕集分离膜106的第一捕集分离膜渗透气体5。
换热步骤可以通过第二换热器网络400促进通过与第二捕集分离膜渗透气体10、第二捕集分离膜残余气体12、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却第一捕集分离膜渗透气体5。
优选地，换热步骤可以通过第二换热器网络400促进通过与所有第二捕集分离膜渗透气体10、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14、含二氧化碳的气体19、第一回收分离膜渗透气体22和第一回收分离膜残余气体23进行换热来冷却第一捕集分离膜渗透气体5，更优选地，第二换热器网络400可以促进第一捕集分离膜渗透气体5和残余二氧化碳气体21之间的进一步的换热。
更优选地，换热步骤可以包括以下步骤：通过#2-2换热器402在第一捕集分离膜渗透气体5和第一回收分离膜渗透气体22之间进行换热；通过#2-3换热器403在由#2-2换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体42和#2-1捕集分离膜渗透气体13之间进行换热；通过#2-4换热器404在由#2-3换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体43与#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种之间进行换热；通过#2-5换热器405在由#2-4换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体44和第二捕集分离膜渗透气体10之间进行换热；以及通过#2-6换热器406在由#2-5换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体45和含二氧化碳的气体19之间进行换热。
甚至更优选地，换热步骤可以包括：第一换热步骤，通过#2-1换热器401在第一捕集分离膜渗透气体5和残余二氧化碳气体21之间进行换热；第二换热步骤，通过#2-2换热器402在由#2-1换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体41和第一回收分离膜渗透气体22之间进行换热；第三换热步骤，通过#2-3换热器403在由#2-2换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体42和#2-1捕集分离膜渗透气体13之间进行换热；第四换热步骤，通过#2-4换热器404在由#2-3换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体43与#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种之间进行换热；第五换热步骤，通过#2-5换热器405在由#2-4换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体44和第二捕集分离膜渗透气体10之间进行换热；以及第六换热步骤，通过#2-6换热器406在由#2-5换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体45和含二氧化碳的气体19之间进行换热；并且最优选地，还可以包括回收换热步骤，通过回收换热器407在由#2-6换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体46和残余二氧化碳气体21之间进行换热，并且第一换热步骤中的残余二氧化碳气体21可以是由回收换热器加热的气体55。
第二捕集分离膜渗透气体10可以在换热步骤中通过与第一捕集分离膜渗透气体5进行换热来冷却捕集分离膜进料气之后进料至第二压缩机110或第二捕集分离膜118，同时保持在换热步骤中冷却的低温状态。
第二捕集分离膜残余气体12可以在排出之前在换热步骤中与捕集分离膜进料气进行换热，同时保持在换热步骤中冷却的低温状态。然而，在将第二捕集分离膜残余气体12进料至#2-1捕集分离膜108的情况下，第二捕集分离膜残余气体12优选不在换热步骤中进行换热。
在本公开还包括#2-1捕集步骤的情况下，#2-1捕集分离膜渗透气体13和#2-1捕集分离膜残余气体14保持在低温状态，并且它们中的至少一种可以通过第二换热器网络400在换热步骤中进行冷热回收。
以下描述包括第二捕集步骤，并且换热步骤包括以下步骤：通过第一换热器网络200冷却由第一压缩机压缩的气体3；和通过第二换热器网络300冷却第一捕集分离膜渗透气体5。
换热步骤可以包括以下步骤：通过第一换热器网络200通过与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜渗透气体7、#1-1捕集分离膜残余气体8、第二捕集分离膜渗透气体10、第二捕集分离膜残余气体12、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却由第一压缩机压缩的气体3；以及通过第二换热器网络300通过与第一捕集分离膜残余气体6、#1-1捕集分离膜渗透气体7、#1-1捕集分离膜残余气体8、第二捕集分离膜渗透气体10、第二捕集分离膜残余气体12、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14、含二氧化碳的气体19、残余二氧化碳气体21、第一回收分离膜渗透气体22、第一回收分离膜残余气体23、第二回收分离膜渗透气体24或第二回收分离膜残余气体25中的至少一种进行换热来冷却第一捕集分离膜渗透气体5。
优选地，换热步骤可以包括以下步骤：通过第一换热器网络200在由第一压缩机压缩的气体3与第一捕集分离膜渗透气体5、第一捕集分离膜残余气体6、#2-1捕集分离膜渗透气体13、#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种之间进行换热；和通过第二换热器网络300在第一捕集分离膜渗透气体5与第一捕集分离膜残余气体6、第二捕集分离膜渗透气体10、#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种之间进行换热。
最优选地，换热步骤可以包括#1-1换热步骤，通过#1-1换热器201在由第一压缩机压缩的气体3与#2-1捕集分离膜渗透气体13之间进行换热；#1-2换热步骤，通过#1-2换热器202在由第一压缩机压缩并由#1-1换热器冷却的气体31与第一捕集分离膜渗透气体5之间进行换热；#1-3换热步骤，通过#1-3换热器在由第一压缩机压缩并由#1-2换热器冷却的气体32与包括第一捕集分离膜残余气体6、#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种的以氮气为主的气体35之间进行换热；#2-1换热步骤，通过#2-1换热器301在第一捕集分离膜渗透气体5和第二捕集分离膜渗透气体10之间进行换热；以及#2-2换热步骤，通过#2-2换热器302在由#2-1换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体61和由#1-3换热器加热的气体38之间进行换热。
第一捕集分离膜渗透气体5可以通过第一换热器网络200进行冷热回收，同时保持在换热步骤中冷却的低温状态。
在第一捕集分离膜残余气体6保持在换热步骤中冷却的低温状态时被排出的情况下，第一捕集分离膜残余气体6可以在被排出之前在换热步骤中进行换热，然后排出。然而，在将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104的情况下，可以将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104，而不在换热步骤中进行冷热回收。
第二捕集分离膜渗透气体10可以被进料至换热器网络，同时保持在换热步骤中冷却的低温状态，进行冷热回收，然后被进料至第二压缩机110。
在第二捕集分离膜残余气体12被排出的情况下，第二捕集分离膜残余气体12可以在换热步骤中进行冷热回收之后被排出。
在将第二捕集分离膜残余气体12进料至#2-1捕集分离膜108的情况下，第二捕集分离膜残余气体12可以不在换热步骤中进行冷热回收。
在本公开还包括#1-1捕集步骤的情况下，由于可以提高#1-1捕集分离膜104的分离效率，因此优选将第一捕集分离膜残余气体6进料至#1-1捕集分离膜104，而不在换热步骤中进行换热。另外，在本公开还包括#2-1捕集步骤的情况下，由于可以提高#2-1捕集分离膜108的分离效率，因此优选将第二捕集分离膜残余气体12进料至#2-1捕集分离膜108，而不在换热步骤中进行换热。
在本公开包括#2-1捕集步骤的情况下，#2-1捕集分离膜渗透气体13和#2-1捕集分离膜残余气体14保持在低温状态，并且#2-1捕集分离膜渗透气体13和#2-1捕集分离膜残余气体14中的至少一种可以在换热步骤中进行冷热回收。
当本公开的用于捕集烟气中二氧化碳的方法还包括第三捕集步骤时，换热步骤可以使用第一换热器网络200、第二换热器网络300、400或第三换热器网络中的至少一个，第一换热器网络200冷却进料至第一捕集分离膜102的由第一压缩机压缩的气体3，第二换热器网络300、400冷却进料至第二捕集分离膜106的第一捕集分离膜渗透气体5，第三换热器网络通过与工艺中的低温流进行换热来冷却第二捕集分离膜渗透气体10。
同时，在换热步骤通过第一换热器网络200促进冷却由第一压缩机压缩的气体3的情况下，本公开还可以包括第一冷却步骤，通过第一冷却换热器204通过与制冷剂换热来额外冷却由第一压缩机压缩的气体3。
另外，在换热步骤通过第二换热器网络300、400促进冷却第一捕集分离膜渗透气体5的情况下，本公开还可以包括第二冷却步骤，通过第二冷却换热器303、408通过与制冷剂换热来额外冷却第一捕集分离膜渗透气体5。
在包括第一捕集分离膜残余气体6、#2-1捕集分离膜残余气体14或第一回收分离膜残余气体23中的至少一种的以氮气为主的气体即使在换热步骤中被加热之后也具有足够低的温度的情况下，本公开还可以包括额外的冷却步骤，通过附加换热器111通过在由#1-3换热器203和#2-2换热器302加热的以氮气为主的气体64与由第二压缩机压缩的气体15之间进行换热来冷却由第二压缩机压缩的气体15。
当本公开还包括额外的冷却步骤时，液化换热器112可以冷却由第二压缩机压缩并由附加换热器冷却的气体16。
第一捕集分离膜102、#1-1捕集分离膜104、第二捕集分离膜106、#2-1捕集分离膜108和第一回收分离膜115可以由相同或不同的材料制成，并且可以由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成。
当换热步骤促进冷却由第一压缩机压缩的气体3时，进料至第一捕集分离膜102和#1-1捕集分离膜104的气体的温度可以是-40℃至10℃，并最优选-25℃至-15℃，并且当换热步骤促进冷却第一捕集分离膜渗透气体5时，进料至第二捕集分离膜106和#2-1捕集分离膜108的气体的温度可以是-40℃至0℃，并最优选-25℃至-15℃。
因此，更优选地，第一捕集分离膜102、#1-1捕集分离膜104、第二捕集分离膜106、第三捕集分离膜118或#2-1捕集分离膜108中的至少一个由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成，因为这能够显著提高二氧化碳分离效率。
在下文中，将通过实施例更详细地描述本公开，但是本公开的范围和实质不应被解释为减少或限于以下实施例。
实施例1
图3为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜和第二回收分离膜的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
在实施例1中，方法设计如图3所示，对于每种流，捕集和液化烟气中二氧化碳的情况如下表3所示，方法结果如下表4所示。在该情况下，第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第一回收分离膜115和第二回收分离膜117由聚砜(PSF)制成。
【表3】
【表4】
如表4所示，可以看出，本公开实施例1的用于捕集烟气中二氧化碳的设备和方法实现了91％的二氧化碳回收率。
实施例2
图6为示出根据本公开的另一实施方案的包括#1-1捕集分离膜、第二捕集分离膜、#2-1捕集分离膜和第二换热器网络的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
二氧化碳捕集设备和方法如图6所示设计，并且该方法在下表5所示的条件下进行。在该情况下，第一捕集分离膜102、#1-1捕集分离膜104、第二捕集分离膜106、#2-1捕集分离膜108和第一回收分离膜115由聚砜(PSF)制成。通过实施例2的二氧化碳捕集方法获得的高纯度二氧化碳液体18的摩尔％为99.9％，产量为200TPD(吨/天)。
【表5】
/>
实施例3
图7为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜和第二回收分离膜的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
二氧化碳捕集设备和方法如图7所示设计，并且该方法在下表6所示的条件下进行。在该情况下，第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第一回收分离膜115和第二回收分离膜117由聚砜(PSF)制成。通过实施例的二氧化碳捕集方法获得的高纯度二氧化碳液体18的摩尔％为99.9％，产量为200TPD(吨/天)。
【表6】
流# 温度(℃) 压力(巴) 流速(Nm3/h) CO2(摩尔％) O2(摩尔％) N2(摩尔％)
1 40.0 1.1 31,533 17.0 4.0 79.0
2 40.0 1.1 37,009 18.4 5.0 76.6
3(4) 40.0 3.1 37,009 18.4 5.0 76.6
5 39.5 0.3 10,554 55.2 8.4 36.4
6 39.5 3.1 26,455 3.7 3.6 92.7
9 34.4 1.1 10,957 56 8.8 35.2
10 34.1 0.3 5,481 85.8 6.9 7.4
12 34.1 1.1 5,476 26.3 10.7 63.0
11 26.4 1.1 6,633 87.2 6.5 6.2
15 40.0 24.2 6,633 87.2 6.5 6.2
17 -33 23.2 6,633 87.2 6.5 6.2
18 -18.4 21.0 4,330 99.9 0.1 -
19 -25 21.0 2,303 63.4 18.7 17.9
22 -40.5 1.1 1,152 94.2 5.1 0.7
23 -25 21.0 1,151 32.5 32.4 35.1
24 -34.4 1.1 403 77.9 18.9 3.2
25 -25.0 21.0 748 8.1 39.7 52.2
实验实施例2：耗电评估
根据实施例2和实施例3测量二氧化碳捕集方法中所需的电量,测量结果如下表7所示。
【表7】
如表5至表7所示，在具有相同二氧化碳分数和相同产量的实施例2和实施例3的二氧化碳捕集设备和方法中，可以看出，配备有换热器网络的实施例2的二氧化碳捕集设备和方法中的耗电要低很多。
更具体地，在实施例2中，第一压缩机被压缩至0.5巴表压的压力，并且为了实现相同的生产能力，第一捕集分离膜进料气的流速增加，并且通过引入冷却换热器，冷却器的容量增加，但可以看出，其能耗比实施例3低得多。也就是说，配备了换热器网络的本公开的实施例2尽管第一压缩机压缩到的压力降低但仍显示出突出的二氧化碳分离效果，从而显著降低了获得相同产能所需的耗电，并且通过冷却器(液化换热器)的容量增加而增加的能量相当于第一压缩机的12％，显示出总能耗降低。
实施例4
图9为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜、#2-1捕集分离膜、第一换热器网络、第二换热器网络和干冰生产单元的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
二氧化碳捕集设备和方法如图9所示设计，并且该方法在下表8所示的条件下进行。在该情况下，第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、#2-1捕集分离膜108和第一回收分离膜115由聚砜(PSF)制成。通过实施例的二氧化碳捕集方法获得的高纯度二氧化碳液体18的摩尔％为99.9％，产量为461TPD(吨/天)。
【表8】
/>
实施例5
图10为示出根据本公开的另一实施方案的包括第二捕集分离膜、#2-1捕集分离膜、第二换热器网络和干冰生产单元的捕集烟气中二氧化碳的方法的图。
二氧化碳捕集设备和方法如图10所示设计，并且该方法在下表9所示的条件下进行。在该情况下，第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、#2-1捕集分离膜108和第一回收分离膜115由聚砜(PSF)制成。通过实施例的二氧化碳捕集方法获得的高纯度二氧化碳液体18的摩尔％为99.9％，产量为461TPD(吨/天)。
【表9】
/>
实施例6
二氧化碳捕集设备和方法如图11所示设计，并且该方法在下表10所示的条件下进行。在该情况下，第一捕集分离膜102、第二捕集分离膜106、第一回收分离膜115和第二回收分离膜117由聚砜(PSF)制成。通过实施例的二氧化碳捕集方法获得的高纯度二氧化碳液体18的摩尔％为99.9％。
【表10】
流# 温度(℃) 压力(巴) 流速(Nm3/h) CO2(摩尔％) O2(摩尔％) N2(摩尔％)
1 40.0 1.1 74,442 17.0 4.0 79.0
2 40.0 1.1 87,369 18.4 5.0 76.6
4 40.0 3.1 87,369 18.4 5.0 76.6
5 39.5 0.3 24,916 55.2 8.4 36.4
6 39.5 3.1 62,454 3.7 3.6 92.7
9 34.4 1.1 25,867 56 8.8 35.2
10 34.1 0.3 12,940 85.8 6.9 7.4
12 34.1 1.1 12,928 26.3 10.7 63.0
11 26.4 1.1 15,659 87.2 6.5 6.2
15 40.0 24.2 15.659 87.2 6.5 6.2
17 -33 23.2 15,659 87.2 6.5 6.2
18 -18.4 21.0 10.222 99.9 0.1 -
19 -25 21.0 5,437 63.4 18.7 17.9
20 －78 1.0 4,498 99.9 0.1 -
21 -70 1.5 5,724 99.9 0.1 -
22 -40.5 1.1 2,720 94.2 5.1 0.7
23 -25 21.0 2,717 32.5 32.4 35.1
24 -34.4 1.1 951 77.9 18.9 3.2
25 -25.0 21.0 1,766 8.1 39.7 52.2
实验实施例3
测量了根据实施例的二氧化碳捕集方法所需的电量和二氧化碳回收率，测量结果如下表11所示。
【表11】
如表11所示，可以看出，本公开的捕集烟气中二氧化碳的方法和设备不仅可以减少耗电，还可以提高二氧化碳回收率，以及生产干冰。
主要元件的详细描述
1：烟气
1’：过滤和冷却的烟气
2：第一压缩机进料气
3：由第一压缩机压缩的气体
31：由第一压缩机压缩并由#1-1换热器冷却的气体
32：由第一压缩机压缩并由#1-2换热器冷却的气体
33：由第一压缩机压缩并由#1-3换热器冷却的气体
34：第一冷却换热器进料气
35：以氮气为主的气体
36：由#1-1换热器加热的气体
37：由#1-2换热器加热的气体
38：由#1-3换热器加热的气体
4：第一捕集分离膜进料气
5：第一捕集分离膜渗透气体
5’：由真空泵压缩的第一捕集分离膜渗透气体
6：第一捕集分离膜残余气体
7：#1-1捕集分离膜渗透气体
7’：由真空泵压缩的#1-1捕集分离膜渗透气体
8：#1-1捕集分离膜残余气体
41：由#2-1换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体
42：由#2-2换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体
43：由#2-3换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体
44：由#2-4换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体
45：由#2-5换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体
46：由#2-6换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体
47：由回收换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体
48：由#2-1换热器加热的气体
49：由#2-2换热器加热的气体
50：由#2-3换热器加热的气体
51：#2-4换热器进料气
52：由#2-4换热器加热的气体
53：由#2-5换热器加热的气体
54：由#2-6换热器加热的气体
55：由回收换热器加热的气体
9：第二捕集分离膜进料气
10：第二捕集分离膜渗透气体
11：第二压缩机进料气
12：第二捕集分离膜残余气体
13：#2-1捕集分离膜渗透气体
14：#2-1捕集分离膜残余气体
15：由第二压缩机压缩的气体
15’：由第二压缩机压缩并已经通过冷却器与干燥器的气体
16：由第二压缩机压缩并由附加换热器冷却的气体
17：由液化换热器冷却的气体
18：高纯度二氧化碳液体
19：含二氧化碳的气体
20：干冰
21：残余二氧化碳气体
22：第一回收分离膜渗透气体
23：第一回收分离膜残余气体
23’：由真空泵压缩的第一回收分离膜残余气体
24：第二回收分离膜渗透气体
25：第二回收分离膜残余气体
26：第三捕集分离膜进料气
27：第三捕集分离膜渗透气体
28：第三捕集分离膜残余气体
61：由#2-1换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体
62：由#2-2换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体
63：由#2-1换热器加热的气体
64：由#2-2换热器加热的气体
101：第一压缩机
102：第一捕集分离膜
103：真空泵
104：#1-1捕集分离膜
105：真空泵
200：第一换热器网络
201：#1-1换热器
202：#1-2换热器
203：#1-3换热器
204：第一冷却换热器
300：第二换热器网络
301：#2-1换热器
302：#2-2换热器
303：第二冷却换热器
400：第二换热器网络
401：#2-1换热器
402：#2-2换热器
403：#2-3换热器
404：#2-4换热器
405：#2-5换热器
406：#2-6换热器
407：回收换热器
408：第二冷却换热器
106：第二捕集分离膜
107：真空泵
108：#2-1捕集分离膜
109：真空泵
110：第二压缩机
111：附加换热器
112：液化换热器
113：分离塔
114：干冰生产单元
115：第一回收分离膜
116：阀
117：第二回收分离膜
118：第三捕集分离膜

Claims (15)

1.一种用于捕集烟气中二氧化碳的设备，其包括：
第一压缩机，其被配置为压缩包括烟气的第一压缩机进料气；
第一捕集分离膜，其被配置为将包括由第一压缩机压缩的气体的第一捕集分离膜进料气分离成第一捕集分离膜渗透气体和第一捕集分离膜残余气体；
第二压缩机，其被配置为压缩包括第一捕集分离膜渗透气体的第二压缩机进料气；
液化换热器，其被配置为冷却由第二压缩机压缩的气体；
分离塔，其被配置为将由液化换热器冷却的气体分离成高纯度二氧化碳液体和含二氧化碳的气体；和
第一回收分离膜，其被配置为将含二氧化碳的气体分离成第一回收分离膜渗透气体和第一回收分离膜残余气体，并将第一回收分离膜渗透气体循环至第一压缩机、第一捕集分离膜或第二压缩机。
2.根据权利要求1所述的用于捕集烟气中二氧化碳的设备，其还包括：
第二捕集分离膜，其被配置为将包括第一捕集分离膜渗透气体的第二捕集分离膜进料气分离成第二捕集分离膜渗透气体和第二捕集分离膜残余气体，
其中只有第一捕集分离膜渗透气体中的第二捕集分离膜渗透气体被第二压缩机压缩。
3.根据权利要求1所述的用于捕集烟气中二氧化碳的设备，其中进料至第一回收分离膜的气体的温度为-40℃至0℃。
4.根据权利要求1所述的用于捕集烟气中二氧化碳的设备，其中第一回收分离膜由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成。
5.根据权利要求1所述的用于捕集烟气中二氧化碳的设备，在将由第一压缩机压缩的气体进料至第一捕集分离膜之前，其还包括：
第一换热器网络，其被配置为通过与第一捕集分离膜渗透气体、第一捕集分离膜残余气体、含二氧化碳的气体、第一回收分离膜渗透气体或第一回收分离膜残余气体中的至少一种进行换热来冷却。
6.根据权利要求2所述的用于捕集烟气中二氧化碳的设备，在将由第一压缩机压缩的气体或第一捕集分离膜渗透气体中的至少一种捕集分离膜进料气进料至分离膜之前，其还包括：
换热器网络，其被配置为通过与第一捕集分离膜渗透气体、第一捕集分离膜残余气体、第二捕集分离膜渗透气体、第二捕集分离膜残余气体、含二氧化碳的气体、第一回收分离膜渗透气体或第一回收分离膜残余气体中的至少一种进行换热来冷却。
7.根据权利要求2所述的用于捕集烟气中二氧化碳的设备，其还包括：
#2-1捕集分离膜，其被配置为将第二捕集分离膜残余气体分离成#2-1捕集分离膜渗透气体和#2-1捕集分离膜残余气体；
#2-2换热器，其被配置为在第一捕集分离膜渗透气体与第一回收分离膜渗透气体之间进行换热；
#2-3换热器，其被配置为在由#2-2换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体与#2-1捕集分离膜渗透气体之间进行换热；
#2-4换热器，其被配置为在由#2-3换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体与#2-1捕集分离膜残余气体或第一回收分离膜残余气体中的至少一种之间进行换热；
#2-5换热器，其被配置为在由#2-4换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体与第二捕集分离膜渗透气体之间进行换热；和
#2-6换热器，其被配置为在由#2-5换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体与含二氧化碳的气体之间进行换热，
其中#2-1捕集分离膜渗透气体被循环至第一压缩机、第一捕集分离膜或第二捕集分离膜。
8.根据权利要求1所述的用于捕集烟气中二氧化碳的设备，其还包括：
干冰生产单元，其包括室和出口，在所述室中接收高纯度二氧化碳液体并将其转化为干冰，未被转化为干冰的残余二氧化碳气体通过所述出口排出。
9.根据权利要求8所述的用于捕集烟气中二氧化碳的设备，其中残余二氧化碳气体被循环至第一捕集分离膜。
10.根据权利要求8所述的用于捕集烟气中二氧化碳的设备，其还包括：
第二捕集分离膜，其被配置为将包括第一捕集分离膜渗透气体的第二捕集分离膜进料气分离成第二捕集分离膜渗透气体和第二捕集分离膜残余气体；
#2-1捕集分离膜，其被配置为将第二捕集分离膜残余气体分离成#2-1捕集分离膜渗透气体和#2-1捕集分离膜残余气体；
第一换热器网络，其包括：#1-1换热器，其被配置为在由第一压缩机压缩的气体与#2-1捕集分离膜渗透气体之间进行换热；#1-2换热器，其被配置为在由第一压缩机压缩并由#1-1换热器冷却的气体与第一捕集分离膜渗透气体之间进行换热；以及#1-3换热器，其被配置为在由第一压缩机压缩并由#1-2换热器冷却的气体与包括第一捕集分离膜残余气体、#2-1捕集分离膜残余气体或第一回收分离膜残余气体中的至少一种的以氮气为主的气体之间进行换热；和
第二换热器网络，其包括：#2-1换热器，其被配置为在第一捕集分离膜渗透气体与第二捕集分离膜渗透气体之间进行换热；以及#2-2换热器，其被配置为在由#2-1换热器冷却的第一捕集分离膜渗透气体与由#1-2换热器加热的气体之间进行换热，
其中只有第一捕集分离膜渗透气体中的第二捕集分离膜渗透气体被第二压缩机压缩，并且
其中#2-1捕集分离膜渗透气体被循环至第一压缩机、第一捕集分离膜或第二捕集分离膜。
11.一种用于捕集烟气中二氧化碳的方法，其包括：
第一压缩步骤，由第一压缩机压缩包括烟气的第一压缩机进料气；
第一捕集步骤，将包括由第一压缩机压缩的气体的第一捕集分离膜进料气进料至第一捕集分离膜以分离成第一捕集分离膜渗透气体和第一捕集分离膜残余气体；
第二压缩步骤，由第二压缩机压缩包括第一捕集分离膜渗透气体的第二压缩机进料气；
液化步骤，由液化换热器冷却由第二压缩机压缩的气体；
分离和纯化步骤，将由液化换热器冷却的气体进料至分离塔以分离成含二氧化碳的气体和高纯度二氧化碳液体；和
第一回收步骤，将含二氧化碳的气体进料至第一回收分离膜以将通过第一回收分离膜的第一回收分离膜渗透气体循环至第一压缩机、第一捕集分离膜或第二压缩机。
12.根据权利要求11所述的用于捕集烟气中二氧化碳的方法，其还包括：
第二捕集步骤，将包括第一捕集分离膜渗透气体的第二捕集分离膜进料气进料至第二捕集分离膜以分离成第二捕集分离膜渗透气体和第二捕集分离膜残余气体，
其中第二压缩步骤包括由第二压缩机仅压缩第一捕集分离膜渗透气体中的第二捕集分离膜渗透气体。
13.根据权利要求11所述的用于捕集烟气中二氧化碳的方法，其中第一回收分离膜由聚砜(PSF)或聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成。
14.根据权利要求11所述的用于捕集烟气中二氧化碳的方法，其还包括：
干冰生产步骤，将高纯度二氧化碳液体转化为干冰，并获得未转化为干冰的残余二氧化碳气体。
15.根据权利要求11所述的用于捕集烟气中二氧化碳的方法，在将由第一压缩机压缩的气体进料至第一捕集分离膜之前，其还包括：
换热步骤，通过换热器网络与第一捕集分离膜渗透气体、第一捕集分离膜残余气体、含二氧化碳的气体、第一回收分离膜渗透气体或第一回收分离膜残余气体中的至少一种进行换热。
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