CN118179195B - 一种适用于co2捕集的冷凝分离系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于CO2捕集的冷凝分离系统及工艺，系统包括引风机、碱洗预处理装置、压缩机、冷却器、分离器、脱水器、减压阀和降膜分离器。本CO2捕集与分离系统及工艺利用CO2与烟气或中低浓度废气中的其他气体的凝固点与液化点不同，通过降膜分离器对烟气或中低浓度废气中的CO2进行“加压‑节流‑冷凝结晶‑加热液化”提纯，其CO2的捕集与分离是纯物理过程，无有害化学废液排放；采用本适用于CO2捕集的冷凝分离系统及工艺进行CO2捕集与分离的能耗相较于传统的化学吸收法进行CO2捕集与分离的能耗大大降低，且能够实现大于80％的捕集率，特别适用于对烟气或中低浓度废气中的CO2进行捕集与分离。
Description
技术领域
本发明涉及一种CO2捕集与分离系统及工艺，具体是一种利用气体凝固点与液化点的不同来对烟气或中低浓度废气中的CO2进行冷凝分离的系统及工艺，属于烟气净化技术领域。
背景技术
CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage，碳捕获、利用与封存)技术是CCS(Carbon Capture and Storage，碳捕获与封存)技术新的发展趋势，即把大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源生产过程中排放的CO2收集起来并进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用，而不是简单地封存，与CCS相比，CCUS可以将CO2资源化产生经济效益，更具有现实操作性。把CO2作为“潜在的碳资源”加以捕集开发利用，目前已愈来愈受到世界各国的关注。
人类生产生活过程中每年排入大气中的CO2约200亿吨，而回收利用仅仅不到1亿吨，而目前对CO2的需求量却很大，如用来进行油田二次或三次采油等，因此，从环保和碳资源利用的角度综合考虑，研究既经济又实用的CO2捕集新技术迫在眉睫。近年来，排放入大气中的CO2约3/4是由化石燃料燃烧造成的，从燃煤电厂排放的烟气中回收CO2不仅是我国碳减排的关键、而且最经济可观。CO2捕集技术是CCUS中决定CO2资源化利用的纯度和成本的最为关键环节，其过程耗能占CCUS项目总能耗的60％以上，因此降低能耗对烟气CO2捕集至关重要，是CCUS规模化推广重点攻关的技术瓶颈难题。
目前从烟气中捕集回收CO2的方法主要有化学吸收法、物理吸收法、吸附分离法、膜分离法和低温蒸馏法等方法，其中化学吸收法因其技术成熟度和应用前景、是目前CCUS项目最常选择和广泛使用的烟气CO2捕集方法。化学吸收法是通过吸收剂选择性地与混合烟气中的CO2发生化学反应来实现CO2与其他气体的分离，并借助该反应的逆反应进行再生，释放出高纯度CO2进行富集。其反应原理是弱碱和弱酸反应生成一种溶于水的盐，其吸收还是释放CO2受化学反应平衡控制。目前限制化学吸收法大规模应用的最主要的瓶颈就是其耗能较大，成本较高。
为了降低能耗，业内研究者主要在两个方面进行研究：高效吸收剂吸收体系的研发和捕集系统的捕集工艺优化。针对吸收剂，目前主要有胺溶液、氨水、苛性钾溶液、离子液体以及氨基酸盐溶液等几种，苛性钾溶液和离子液体成本较高，不易大规模利用，而氨水则易挥发和形成结晶堵塞管路，因此不同胺(氨)的混合吸收剂以及新型相变吸收剂是目前业内研究者的研究重点。针对捕集系统的流程优化，研究的热点集中于吸收后发生分层的吸收体系(第一类相变吸收体系)和解吸后发生分层的吸收体系(第二类相变吸收体系)，通过减少再生液量来降低再生能耗。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于CO2捕集的冷凝分离系统及工艺，能够在无有害化学废液排放的前提下有效减少CO2捕集能耗、降低CO2捕集成本；
为实现上述目的，本适用于CO2捕集的冷凝分离系统包括引风机、碱洗预处理装置、压缩机、冷却器、分离器、脱水器、减压阀和降膜分离器；
碱洗预处理装置包括碱洗预处理塔和碱洗泵，碱洗预处理塔中部或下部的烟气或中低浓度废气输入口与引风机的排风口通过管路连接，引风机的吸风口通过管路与烟气或中低浓度废气供给源连接，碱洗预处理塔底端的排液口通过管路与碱洗泵的吸液口连接，碱洗泵的排液口通过管路与位于碱洗预处理塔内顶部的喷淋管路连接，碱洗预处理塔的内底部灌注有碱洗剂，位于碱洗预处理塔顶端的排气口通过管路与压缩机是输入端连接，压缩机的输出端通过管路与冷却器的输入端连接，冷却器的输出端通过管路与分离器的输入端连接，位于分离器底端的排液口通过管路与碱洗预处理塔位于碱洗预处理塔内顶部的喷淋管路连接，位于分离器顶端的排气口通过管路与脱水器的输入端连接，脱水器的输出端通过减压阀和管路与降膜分离器的输入端连接。
降膜分离器内部竖直设有气流流通通道和加热介质流通通道，气流流通通道与降膜分离器输入端连通，气流流通通道的顶部与位于降膜分离器顶部的尾气排出口连通，气流流通通道的底部分别与降膜分离器的输入端以及位于降膜分离器底部的液态CO2排出口连通，加热介质流通通道的顶部或底部与加热介质供给管路连接，加热介质流通通道的底部或顶部与加热介质排出管路连接，降膜分离器的输入端上设有用于控制气体通过量的进气开关阀，降膜分离器顶部的尾气排出口通过管路与烟囱连通，降膜分离器底部的液态CO2排出口通过管路与CO2溶液储罐连接。
作为本发明的进一步改进方案，降膜分离器内部通过上分隔板和下分隔板分隔为上中下三个密闭腔体，中腔为进行冷凝或加热的热交换区域，气流流通通道和加热介质流通通道均设置在中腔内。
加热介质为高温液体或气体时，气流流通通道与加热介质流通通道是各自独立的通道、且加热介质流通通道设置在气流流通通道的外部，中腔内设有贯通上分隔板和下分隔板的连通管，连通管的内腔形成气流流通通道、且上腔与下腔通过气流流通通道连通，尾气排出口与上腔连通，降膜分离器的输入端与下腔连通，液态CO2排出口与下腔连通、且液态CO2排出口位于下腔底端；中腔内壁与连通管外壁之间的空间形成加热介质流通通道，加热介质供给管路和加热介质排出管路分别与中腔连通。
或者加热介质为高温液体或气体时，气流流通通道与加热介质流通通道是各自独立的通道、且气流流通通道设置在加热介质流通通道的外部，中腔内设有贯通上分隔板和下分隔板的连通管，连通管的内腔形成加热介质流通通道、且上腔与下腔通过加热介质流通通道连通，上腔或下腔与加热介质供给管路连通，下腔或上腔与加热介质排出管路连通；中腔内表面与连通管外壁之间的空间形成气流流通通道，降膜分离器的输入端、尾气排出口和液态CO2排出口分别与中腔连通。
或者加热介质为高温气体时，气流流通通道与加热介质流通通道共用一个通道、且采用管内凝结的方式，中腔内设有贯通上分隔板和下分隔板的连通管，连通管的内腔形成气流流通通道和加热介质流通通道、且上腔与下腔通过气流流通通道和加热介质流通通道连通，尾气排出口与上腔连通，降膜分离器的输入端与下腔连通，液态CO2排出口与下腔连通、且液态CO2排出口位于下腔底端；减压阀的输出端上设有三通控制阀门Ⅱ，三通控制阀门Ⅱ的一个输入端与减压阀的输出端连接，三通控制阀门Ⅱ的另一个输入端与加热介质供给管路连通，三通控制阀门Ⅱ的输出端通过管路与降膜分离器的输入端连接。
作为本发明的进一步改进方案，加热介质为高温气体时，气流流通通道与加热介质流通通道共用一个通道、且采用柱外凝结的方式，降膜分离器内设有连接在顶底之间的立柱，降膜分离器的内表面与立柱的外表面之间的空间形成气流流通通道和加热介质流通通道，降膜分离器的输入端、尾气排出口和液态CO2排出口分别与降膜分离器的内腔连通；减压阀的输出端上设有三通控制阀门Ⅱ，三通控制阀门Ⅱ的一个输入端与减压阀的输出端连接，三通控制阀门Ⅱ的另一个输入端与加热介质供给管路连通，三通控制阀门Ⅱ的输出端通过管路与降膜分离器的输入端连接。
作为本发明的进一步改进方案，加热介质是通过压缩机增压后的高温高压状态气体，压缩机的输出端上设有三通控制阀门Ⅰ，三通控制阀门Ⅰ的输入端与压缩机的输出端连接，三通控制阀门Ⅰ的一个输出端通过管路与冷却器的输入端连接，三通控制阀门Ⅰ的另一个输出端与加热介质供给管路连通。
作为本发明的进一步改进方案，降膜分离器并联设置为多个。
一种基于适用于CO2捕集的冷凝分离系统的适用于CO2捕集的冷凝分离工艺，具体包括以下步骤：
Step1，碱洗预处理：烟气或中低浓度废气通过引风机进入碱洗预处理塔底部，自下而上进入碱洗预处理塔，同时碱洗剂被碱洗泵泵压经喷淋管路自上而下喷淋，二者逆流接触，完成对烟气或中低浓度废气的预处理；
Step2，降膜分离前处理：完成预处理之后的气体通过压缩机增压后进入冷却器，经冷却器冷却后进入分离器，分离出的液体经分离器底端的排液口回流至碱洗预处理塔，分离后的气体经分离器顶端的排气口进入脱水器，脱水后的气体经过减压阀减压后进入设定好冷凝温度的降膜分离器；
Step3，降膜分离处理：减压节流后的压力气体自降膜分离器的输入端进入降膜分离器的气流流通通道、并自下而上流动，压力气体中的CO2在气流流通通道的内壁面上凝结形成干冰薄膜并积聚，压力气体中的其他气体成分继续流动、并经尾气排出口排出，达到液态CO2收集条件后，打开液态CO2排出口，并向加热介质流通通道中注入加热介质对气流流通通道进行加热、以使气流流通通道内壁面上的干冰转换为液态CO2，液态CO2通过液态CO2排出口排入CO2溶液储罐进行储存；
作为本发明的进一步改进方案，Step1中，通过引风机进入碱洗预处理塔底部的烟气或中低浓度废气的温度为10～100℃、且其中CO2浓度为5％～50％；完成预处理之后的气体温度为30℃～50℃；
Step2中，完成预处理之后的气体通过压缩机增压至3～8Mpa后进入冷却器；经冷却器冷却后温度为30℃～40℃；脱水后的气体经过减压阀减压至2～6Mpa后进入设定好冷凝温度的降膜分离器；
Step3中，经降膜分离器底部的液态CO2排出口排出的液态CO2温度在-30℃～0℃。
作为本发明的进一步改进方案，降膜分离器的尾气排出口上设有排气压力计，降膜分离器的进气开关阀上设有进气压力计；若排气压力计与进气压力计的读数不一致，则达到液态CO2收集条件；
或者降膜分离器顶部的尾气排出口和降膜分离器的进气开关阀上分别设有CO2在线分析仪、且CO2在线分析仪通过控制器与进气开关阀电连接；当尾气排出口上的CO2在线分析仪检测到自尾气排出口排出的尾气中含有CO2时，控制器控制进气开关阀的阀门开度减小；当尾气排出口上的CO2在线分析仪检测到自尾气排出口排出的尾气中CO2的浓度超过进气开关阀入口处CO2浓度的50％时，则达到液态CO2收集条件。
作为本发明的进一步改进方案，加热介质供给管路上设有加热调节阀，降膜分离器底部的液态CO2排出口上还设有温度传感器、且温度传感器通过控制器与加热调节阀电连接；
当温度传感器反馈自CO2排出口排出的液态CO2的温度大于-10℃时，控制器控制关闭加热调节阀以停止加热介质的供给，当温度传感器反馈自CO2排出口排出的液态CO2的温度小于-30℃时，控制器控制打开加热调节阀以供给加热介质。
作为本发明的一种实施方式，Step1中，碱洗剂为浓度小于1％的NaOH或NaHCO3或NaHCO3。
与现有技术相比，本适用于CO2捕集的冷凝分离系统及工艺利用CO2与烟气或中低浓度废气中的其他气体的凝固点与液化点不同，通过降膜分离器对烟气或中低浓度废气中的CO2进行“加压-节流-冷凝结晶-加热液化”提纯，其CO2的捕集与分离是纯物理过程，无有害化学废液排放；采用本适用于CO2捕集的冷凝分离系统及工艺进行CO2捕集与分离的能耗相较于传统的化学吸收法进行CO2捕集与分离的能耗大大降低，且能够实现大于80％的捕集率，特别适用于对烟气或中低浓度废气中的CO2进行捕集与分离。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明降膜分离器采用三腔结构、且加热介质流通通道设置在气流流通通道外部的结构示意图；
图3是本发明降膜分离器采用三腔结构、且气流流通通道设置在加热介质流通通道外部的结构示意图；
图4是本发明降膜分离器采用三腔结构、且气流流通通道与加热介质流通通道共用一个通道的结构示意图；
图5是本发明降膜分离器的气流流通通道与加热介质流通通道共用一个通道、且采用柱外凝结方式的结构示意图。
图中：1、上分隔板，2、下分隔板，3、连通管，4、立柱。
具体实施方式
本适用于CO2捕集的冷凝分离系统及工艺利用CO2与烟气或中低浓度废气中的其他气体的凝固点与液化点不同，通过降膜分离器对烟气或中低浓度废气中的CO2进行“加压-节流-冷凝结晶-加热液化”提纯。以下结合附图对本发明做进一步说明。
本适用于CO2捕集的冷凝分离系统包括引风机、碱洗预处理装置、压缩机、冷却器、分离器、脱水器、减压阀和降膜分离器。
如图1所示，碱洗预处理装置包括碱洗预处理塔和碱洗泵，碱洗预处理塔中部或下部的烟气或中低浓度废气输入口与引风机的排风口通过管路连接，引风机的吸风口通过管路与烟气或中低浓度废气供给源连接，碱洗预处理塔底端的排液口通过管路与碱洗泵的吸液口连接，碱洗泵的排液口通过管路与位于碱洗预处理塔内顶部的喷淋管路连接，碱洗预处理塔的内底部灌注有碱洗剂，位于碱洗预处理塔顶端的排气口通过管路与压缩机的输入端连接，压缩机的输出端通过管路与冷却器的输入端连接，冷却器的输出端通过管路与分离器的输入端连接，位于分离器底端的排液口通过管路与碱洗预处理塔位于碱洗预处理塔内顶部的喷淋管路连接，位于分离器顶端的排气口通过管路与脱水器的输入端连接，脱水器的输出端通过减压阀和管路与降膜分离器的输入端连接，降膜分离器可并联设置为多个，降膜分离器内部竖直设有气流流通通道和加热介质流通通道，气流流通通道与降膜分离器输入端连通，气流流通通道的顶部与位于降膜分离器顶部的尾气排出口连通，气流流通通道的底部分别与降膜分离器的输入端以及位于降膜分离器底部的液态CO2排出口连通，加热介质流通通道的顶部或底部与加热介质供给管路连接，加热介质流通通道的底部或顶部与加热介质排出管路连接，降膜分离器的输入端上设有用于控制气体通过量的进气开关阀，降膜分离器顶部的尾气排出口通过管路与烟囱连通，降膜分离器底部的液态CO2排出口通过管路与CO2溶液储罐连接。
利用本适用于CO2捕集的冷凝分离系统对烟气或中低浓度废气进行CO2捕集与分离时，10～100℃烟气或中低浓度废气(CO2浓度在5％～50％)通过引风机进入碱洗预处理塔底部，自下而上进入碱洗预处理塔，同时碱洗剂被碱洗泵泵压经喷淋管路自上而下喷淋，二者逆流接触，完成对烟气或中低浓度废气的预处理，除去烟气或中低浓度废气中的SO2、NOX和颗粒物，完成预处理之后的气体温度在30℃～50℃左右，通过压缩机增压至3～8Mpa，增压后高温高压状态的气体后通过冷却器冷却至30℃～40℃左右，冷却后的高压气体进入分离器进行气液分离，分离出的液体经分离器底端的排液口回流至碱洗预处理塔，分离后的高压气体经分离器顶端的排气口进入脱水器脱水，脱水后的高压气体经过减压阀减压后至2～Mpa后进入降膜分离器，此时液态CO2排出口处于关闭状态；减压节流后的压力气体自降膜分离器的输入端进入降膜分离器的气流流通通道，压力气体中的CO2与其他气体的凝固点相差较大，因此针对压力气体中的CO2而言，由于对进入降膜分离器的压力气体采取先增压、后降压的方式，增压过程CO2气体加压到6Mpa左右会变为液态、并出现一个气液平衡的饱和状态，而降压过程则打破此气液平衡饱和状态、会有部分CO2液体变成气体蒸发出来，气体蒸发的吸热过程会使CO2整体温度不断降低、直至达到新的气液平衡饱和状态，因此进入降膜分离器的压力气体在降膜分离器的气流流通通道内自下而上流动过程中，低温的CO2会在气流流通通道的内壁面上凝结形成干冰薄膜、并积聚形成一定厚度，而其他气体仍为气态继续流动、并且最终经降膜分离器顶部的尾气排出口排出，达到液态CO2收集条件后，打开液态CO2排出口，并向加热介质流通通道中注入加热介质，实现对气流流通通道进行加热、以使气流流通通道内壁面上的干冰转换为液态CO2，液态CO2在自身重力作用下通过位于降膜分离器底部的液态CO2排出口排入CO2溶液储罐进行储存，此时液态CO2温度在-30℃～0℃左右。
为了实现更好的CO2冷凝效果、更好的干冰加热效果以及便于液态CO2排出，作为本发明的进一步改进方案，如图2、图3、图4所示，降膜分离器内部通过上分隔板1和下分隔板2分隔为上中下三个密闭腔体，中腔为进行冷凝或加热的热交换区域，气流流通通道和加热介质流通通道均设置在中腔内。
作为降膜分离器三腔结构的一种实施方式，加热介质为高温液体或气体时，气流流通通道可与加热介质流通通道是各自独立的通道、且加热介质流通通道设置在气流流通通道的外部，即，如图2所示，中腔内设有贯通上分隔板1和下分隔板2的连通管3，连通管3的内腔形成气流流通通道、且上腔与下腔通过气流流通通道连通，尾气排出口与上腔连通，降膜分离器的输入端与下腔连通，液态CO2排出口与下腔连通、且液态CO2排出口位于下腔底端；中腔内壁与连通管3外壁之间的空间形成加热介质流通通道，加热介质供给管路和加热介质排出管路分别与中腔连通。经进气开关阀进入降膜分离器下腔的压力气体沿气流流通通道上行过程中，低温的CO2在下分隔板2的底面上以及连通管3的内壁面上凝结形成干冰薄膜，而其他气体则进入降膜分离器上腔、并经尾气排出口排出，达到CO2收集条件后，关闭降膜分离器的进气开关阀和尾气排出口、打开液态CO2排出口，并向加热介质流通通道中注入加热介质，下分隔板2的底面上以及连通管3内的液态CO2即可进入降膜分离器下腔、并通过液态CO2排出口排出。
作为降膜分离器三腔结构的另一种实施方式，加热介质为高温液体或气体时，气流流通通道可与加热介质流通通道是各自独立的通道、且气流流通通道设置在加热介质流通通道的外部，即，如图3所示，中腔内设有贯通上分隔板1和下分隔板2的连通管3，连通管3的内腔形成加热介质流通通道、且上腔与下腔通过加热介质流通通道连通，上腔或下腔与加热介质供给管路连通，下腔或上腔与加热介质排出管路连通；中腔内表面与连通管3外壁之间的空间形成气流流通通道，降膜分离器的输入端、尾气排出口和液态CO2排出口分别与中腔连通，液态CO2排出口可通过底端具有液态CO2导出孔的液态CO2收集罐与CO2溶液储罐连接。经进气开关阀进入降膜分离器中腔的压力气体沿气流流通通道上行过程中，低温的CO2在中腔的内表面以及连通管3的外表面上凝结形成干冰薄膜，而其他气体则经尾气排出口排出，达到CO2收集条件后，关闭降膜分离器的进气开关阀和尾气排出口、打开液态CO2排出口，并向连通管3中注入加热介质，中腔的内表面以及连通管3的外表面上的液态CO2即可通过液态CO2排出口排入液态CO2收集罐，液态CO2收集罐可将液态CO2直接引出、防止已经液化的CO2在降膜分离器的加热作用下再次气化，待液态CO2收集罐囤积至一定量后可打开液态CO2导出孔将液态CO2排入CO2溶液储罐。
作为降膜分离器三腔结构的另一种实施方式，加热介质为高温气体时，气流流通通道可与加热介质流通通道共用一个通道、且采用管内凝结的方式，即，如图4所示，中腔内设有贯通上分隔板1和下分隔板2的连通管3，连通管3的内腔形成气流流通通道和加热介质流通通道、且上腔与下腔通过气流流通通道和加热介质流通通道连通，尾气排出口与上腔连通，降膜分离器的输入端与下腔连通，液态CO2排出口与下腔连通、且液态CO2排出口位于下腔底端；减压阀的输出端上设有三通控制阀门Ⅱ，三通控制阀门Ⅱ的一个输入端与减压阀的输出端连接，三通控制阀门Ⅱ的另一个输入端与加热介质供给管路连通，三通控制阀门Ⅱ的输出端通过管路与降膜分离器的输入端连接。通过进气开关阀进入降膜分离器下腔的压力气体沿连通管3上行过程中，低温的CO2在下分隔板2的底面上以及连通管3的内壁面上凝结形成干冰薄膜，而其他气体则进入降膜分离器上腔、并经尾气排出口排出；达到CO2收集条件后，控制三通控制阀门Ⅱ使三通控制阀门Ⅱ的另一个输入端与加热介质供给管路连通，用以加热的高温气体即可通过三通控制阀门Ⅱ和进气开关阀进入降膜分离器的下腔，可通过控制进气开关阀的开度大小控制高温气体的进入流量，高温气体上行穿过连通管3进入降膜分离器的上腔、并经尾气排出口排出，实现对连通管3的加热，下分隔板2底面上以及连通管3内的液态CO2即可进入降膜分离器下腔囤积，待囤积至一定量后可打开液态CO2排出口排出液态CO2。
作为降膜分离器的另一种实施方式，加热介质为高温气体时，气流流通通道可与加热介质流通通道共用一个通道、且采用柱外凝结的方式，即，如图5所示，降膜分离器内设有连接在顶底之间的用于增大冷凝面积的立柱4，降膜分离器的内表面与立柱4的外表面之间的空间形成气流流通通道和加热介质流通通道，降膜分离器的输入端、尾气排出口和液态CO2排出口分别与降膜分离器的内腔连通，液态CO2排出口可通过底端具有液态CO2导出孔的液态CO2收集罐与CO2溶液储罐连接；减压阀的输出端上设有三通控制阀门Ⅱ，三通控制阀门Ⅱ的一个输入端与减压阀的输出端连接，三通控制阀门Ⅱ的另一个输入端与加热介质供给管路连通，三通控制阀门Ⅱ的输出端通过管路与降膜分离器的输入端连接。对CO2冷凝捕集时，控制三通控制阀门Ⅱ使减压阀的输出端与降膜分离器的输入端连通，通过进气开关阀进入降膜分离器下腔的压力气体沿气流流通通道上行过程中，低温的CO2在中腔的内表面以及立柱4的外表面上凝结形成干冰薄膜，而其他气体则经尾气排出口排出；达到CO2收集条件后，控制三通控制阀门Ⅱ使三通控制阀门Ⅱ的另一个输入端与加热介质供给管路连通，用以加热的高温气体即可通过三通控制阀门Ⅱ和进气开关阀进入降膜分离器的中腔，可通过控制进气开关阀的开度大小控制高温气体的进入流量，高温气体沿加热介质流通通道上行、并经尾气排出口排出，实现对加热，中腔的内表面以及立柱4的外表面上的液态CO2即可通过液态CO2排出口排入液态CO2收集罐，液态CO2收集罐可将液态CO2直接引出、防止已经液化的CO2在降膜分离器的加热作用下再次气化，待液态CO2收集罐囤积至一定量后可打开液态CO2导出孔将液态CO2排入CO2溶液储罐。
为了实现节能减排、充分利用压缩机增压产生的高温，作为本发明的进一步改进方案，加热介质是通过压缩机增压后的高温高压状态气体、利用压缩机增压产生的高温对降膜分离器的气流流通通道进行加热，即，如图1所示，压缩机的输出端上设有三通控制阀门Ⅰ，三通控制阀门Ⅰ的输入端与压缩机的输出端连接，三通控制阀门Ⅰ的一个输出端通过管路与冷却器的输入端连接，三通控制阀门Ⅰ的另一个输出端与加热介质供给管路连通。对CO2冷凝捕集时，控制三通控制阀门Ⅰ使压缩机的输出端与冷却器的输入端连通，通过压缩机增压后的高温高压状态的气体即可依次经冷却器、分离器、脱水器和减压阀处理后通过进气开关阀进入降膜分离器进行CO2冷凝；达到CO2收集条件后，控制三通控制阀门Ⅰ使三通控制阀门Ⅰ的另一个输出端与加热介质供给管路连通，通过压缩机增压后的高温高压状态的气体即可通过三通控制阀门Ⅰ和加热介质供给管路进入降膜分离器进行加热。在降膜分离器采用气流流通通道与加热介质流通通道是各自独立的通道时，如图1所示，加热介质排出管路可与压缩机的输入端连接，即，利用压缩机增压产生的高温对降膜分离器的气流流通通道进行加热后，换热冷却后的气体可返回压缩机再次进行增压。
为了实现提高CO2的捕集率、并实现准确控制转换液态CO2的时机，作为本发明的进一步改进方案，如图2、图3所示，降膜分离器的尾气排出口上设有排气压力计，降膜分离器的进气开关阀上设有进气压力计，可通过观察排气压力计与进气压力计的读数，若排气压力计与进气压力计的读数不一致，则说明凝结的干冰已影响气流流动，此时即为转换液态CO2的时间点，关闭降膜分离器的进气开关阀和尾气排出口、并对气流流通通道进行加热转换液态CO2即可。
为了实现提高CO2的捕集率、并实现准确控制转换液态CO2的时机，作为本发明的进一步改进方案，如图1所示，降膜分离器顶部的尾气排出口上还设有CO2在线分析仪、且CO2在线分析仪通过控制器与进气开关阀电连接，当CO2在线分析仪检测到自尾气排出口排出的尾气中含有CO2时，控制器可控制进气开关阀的阀门开度减小，以实现提高CO2的捕集率，当CO2在线分析仪检测到自尾气排出口排出的尾气中CO2的浓度超过进气开关阀入口处CO2浓度的50％时，此时即为转换液态CO2的时间点，关闭降膜分离器的进气开关阀和尾气排出口、并对气流流通通道进行加热转换液态CO2即可。
为了实现准确控制转换液态CO2的温度、提高转换液态CO2的效率，作为本发明的进一步改进方案，如图1所示，加热介质供给管路上设有加热调节阀，降膜分离器底部的液态CO2排出口上还设有温度传感器、且温度传感器通过控制器与加热调节阀电连接，当温度传感器反馈自CO2排出口排出的液态CO2的温度大于-10℃时，控制器可控制关闭加热调节阀以实现停止加热介质的供给，当温度传感器反馈自CO2排出口排出的液态CO2的温度小于-30℃时，控制器可控制打开加热调节阀以实现加热介质的供给，实现准确控制转换液态CO2的温度、提高转换液态CO2的效率。
作为本发明的一种实施方式，碱洗剂可以为浓度小于1％的NaOH或NaHCO3或NaHCO3。
以本适用于CO2捕集的冷凝分离系统的气体处理规模为100Nm3/h为例，针对温度为40℃、气源压力为10Kpa的某中低浓度废气进行CO2捕集与分离，该中低浓度废气的组成如下表所示：
设定本适用于CO2捕集的冷凝分离系统的压缩机增压压力为6Mpa、减压阀减压压力为3Mpa后，将该中低浓度废气输入本适用于CO2捕集的冷凝分离系统进行CO2的捕集与分离，最终捕集率可达到82.5％，综合能耗约为301KWh。
本适用于CO2捕集的冷凝分离系统及工艺利用CO2与烟气或中低浓度废气中的其他气体的凝固点与液化点不同，通过降膜分离器对烟气或中低浓度废气中的CO2进行“加压-节流-冷凝结晶-加热液化”提纯，其CO2的捕集与分离是纯物理过程，无有害化学废液排放；采用本适用于CO2捕集的冷凝分离系统及工艺进行CO2捕集与分离的能耗相较于传统的化学吸收法进行CO2捕集与分离的能耗大大降低，且能够实现大于80％的捕集率，特别适用于对烟气或中低浓度废气中的CO2进行捕集与分离。
Claims (10)
1.一种适用于CO2捕集的冷凝分离系统，其特征在于，包括引风机、碱洗预处理装置、压缩机、冷却器、分离器、脱水器、减压阀和降膜分离器；
碱洗预处理装置包括碱洗预处理塔和碱洗泵，碱洗预处理塔中部或下部的烟气或中低浓度废气输入口与引风机的排风口通过管路连接，引风机的吸风口通过管路与烟气或中低浓度废气供给源连接，碱洗预处理塔底端的排液口通过管路与碱洗泵的吸液口连接，碱洗泵的排液口通过管路与位于碱洗预处理塔内顶部的喷淋管路连接，碱洗预处理塔的内底部灌注有碱洗剂，位于碱洗预处理塔顶端的排气口通过管路与压缩机是输入端连接，压缩机的输出端通过管路与冷却器的输入端连接，冷却器的输出端通过管路与分离器的输入端连接，位于分离器底端的排液口通过管路与碱洗预处理塔位于碱洗预处理塔内顶部的喷淋管路连接，位于分离器顶端的排气口通过管路与脱水器的输入端连接，脱水器的输出端通过减压阀和管路与降膜分离器的输入端连接；
降膜分离器内部竖直设有气流流通通道和加热介质流通通道，气流流通通道与降膜分离器输入端连通，气流流通通道的顶部与位于降膜分离器顶部的尾气排出口连通，气流流通通道的底部分别与降膜分离器的输入端以及位于降膜分离器底部的液态CO2排出口连通，加热介质流通通道的顶部或底部与加热介质供给管路连接，加热介质流通通道的底部或顶部与加热介质排出管路连接，降膜分离器的输入端上设有用于控制气体通过量的进气开关阀，降膜分离器顶部的尾气排出口通过管路与烟囱连通，降膜分离器底部的液态CO2排出口通过管路与CO2溶液储罐连接。
2.根据权利要求1所述的适用于CO2捕集的冷凝分离系统，其特征在于，降膜分离器内部通过上分隔板(1)和下分隔板(2)分隔为上中下三个密闭腔体，中腔为进行冷凝或加热的热交换区域，气流流通通道和加热介质流通通道均设置在中腔内；
加热介质为高温液体或气体时，气流流通通道与加热介质流通通道是各自独立的通道、且加热介质流通通道设置在气流流通通道的外部，中腔内设有贯通上分隔板(1)和下分隔板(2)的连通管(3)，连通管(3)的内腔形成气流流通通道、且上腔与下腔通过气流流通通道连通，尾气排出口与上腔连通，降膜分离器的输入端与下腔连通，液态CO2排出口与下腔连通、且液态CO2排出口位于下腔底端；中腔内壁与连通管(3)外壁之间的空间形成加热介质流通通道，加热介质供给管路和加热介质排出管路分别与中腔连通；
或者加热介质为高温液体或气体时，气流流通通道与加热介质流通通道是各自独立的通道、且气流流通通道设置在加热介质流通通道的外部，中腔内设有贯通上分隔板(1)和下分隔板(2)的连通管(3)，连通管(3)的内腔形成加热介质流通通道、且上腔与下腔通过加热介质流通通道连通，上腔或下腔与加热介质供给管路连通，下腔或上腔与加热介质排出管路连通；中腔内表面与连通管(3)外壁之间的空间形成气流流通通道，降膜分离器的输入端、尾气排出口和液态CO2排出口分别与中腔连通；
或者加热介质为高温气体时，气流流通通道与加热介质流通通道共用一个通道、且采用管内凝结的方式，中腔内设有贯通上分隔板(1)和下分隔板(2)的连通管(3)，连通管(3)的内腔形成气流流通通道和加热介质流通通道、且上腔与下腔通过气流流通通道和加热介质流通通道连通，尾气排出口与上腔连通，降膜分离器的输入端与下腔连通，液态CO2排出口与下腔连通、且液态CO2排出口位于下腔底端；减压阀的输出端上设有三通控制阀门Ⅱ，三通控制阀门Ⅱ的一个输入端与减压阀的输出端连接，三通控制阀门Ⅱ的另一个输入端与加热介质供给管路连通，三通控制阀门Ⅱ的输出端通过管路与降膜分离器的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的适用于CO2捕集的冷凝分离系统，其特征在于，加热介质为高温气体时，气流流通通道与加热介质流通通道共用一个通道、且采用柱外凝结的方式，降膜分离器内设有连接在顶底之间的立柱(4)，降膜分离器的内表面与立柱(4)的外表面之间的空间形成气流流通通道和加热介质流通通道，降膜分离器的输入端、尾气排出口和液态CO2排出口分别与降膜分离器的内腔连通；减压阀的输出端上设有三通控制阀门Ⅱ，三通控制阀门Ⅱ的一个输入端与减压阀的输出端连接，三通控制阀门Ⅱ的另一个输入端与加热介质供给管路连通，三通控制阀门Ⅱ的输出端通过管路与降膜分离器的输入端连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的适用于CO2捕集的冷凝分离系统，其特征在于，加热介质是通过压缩机增压后的高温高压状态气体，压缩机的输出端上设有三通控制阀门Ⅰ，三通控制阀门Ⅰ的输入端与压缩机的输出端连接，三通控制阀门Ⅰ的一个输出端通过管路与冷却器的输入端连接，三通控制阀门Ⅰ的另一个输出端与加热介质供给管路连通。
5.根据权利要求1或2或3所述的适用于CO2捕集的冷凝分离系统，其特征在于，降膜分离器并联设置为多个。
6.一种基于如权利要求1所述的适用于CO2捕集的冷凝分离系统的适用于CO2捕集的冷凝分离工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：
Step1，碱洗预处理：烟气或中低浓度废气通过引风机进入碱洗预处理塔底部，自下而上进入碱洗预处理塔，同时碱洗剂被碱洗泵泵压经喷淋管路自上而下喷淋，二者逆流接触，完成对烟气或中低浓度废气的预处理；
Step2，降膜分离前处理：完成预处理之后的气体通过压缩机增压后进入冷却器，经冷却器冷却后进入分离器，分离出的液体经分离器底端的排液口回流至碱洗预处理塔，分离后的气体经分离器顶端的排气口进入脱水器，脱水后的气体经过减压阀减压后进入液态CO2排出口处于关闭状态的降膜分离器；
Step3，降膜分离处理：减压节流后的压力气体自降膜分离器的输入端进入降膜分离器的气流流通通道、并自下而上流动，压力气体中的CO2在气流流通通道的内壁面上凝结形成干冰薄膜并积聚，压力气体中的其他气体成分继续流动、并经尾气排出口排出，达到液态CO2收集条件后，打开液态CO2排出口，并向加热介质流通通道中注入加热介质对气流流通通道进行加热、以使气流流通通道内壁面上的干冰转换为液态CO2，液态CO2通过液态CO2排出口排入CO2溶液储罐进行储存。
7.根据权利要求6所述的适用于CO2捕集的冷凝分离工艺，其特征在于，
Step1中，通过引风机进入碱洗预处理塔底部的烟气或中低浓度废气的温度为10～100℃、且其中CO2浓度为5％～50％；完成预处理之后的气体温度为30℃～50℃；
Step2中，完成预处理之后的气体通过压缩机增压至3～8Mpa后进入冷却器；经冷却器冷却后温度为30℃～40℃；脱水后的气体经过减压阀减压至2～6Mpa后进入设定好冷凝温度的降膜分离器；
Step3中，经降膜分离器底部的液态CO2排出口排出的液态CO2温度在-30℃～0℃。
8.根据权利要求6所述的适用于CO2捕集的冷凝分离工艺，其特征在于，降膜分离器的尾气排出口上设有排气压力计，降膜分离器的进气开关阀上设有进气压力计；若排气压力计与进气压力计的读数不一致，则达到液态CO2收集条件；
或者降膜分离器顶部的尾气排出口和降膜分离器的进气开关阀上分别设有CO2在线分析仪、且CO2在线分析仪通过控制器与进气开关阀电连接；当尾气排出口上的CO2在线分析仪检测到自尾气排出口排出的尾气中含有CO2时，控制器控制进气开关阀的阀门开度减小；当尾气排出口上的CO2在线分析仪检测到自尾气排出口排出的尾气中CO2的浓度超过进气开关阀入口处CO2浓度的50％时，则达到液态CO2收集条件。
9.根据权利要求6所述的适用于CO2捕集的冷凝分离工艺，其特征在于，加热介质供给管路上设有加热调节阀，降膜分离器底部的液态CO2排出口上还设有温度传感器、且温度传感器通过控制器与加热调节阀电连接；
当温度传感器反馈自CO2排出口排出的液态CO2的温度大于-10℃时，控制器控制关闭加热调节阀以停止加热介质的供给，当温度传感器反馈自CO2排出口排出的液态CO2的温度小于-30℃时，控制器控制打开加热调节阀以供给加热介质。
10.根据权利要求6所述的适用于CO2捕集的冷凝分离工艺，其特征在于，Step1中，碱洗剂为浓度小于1％的NaOH或NaHCO3或NaHCO3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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