CN206911078U - 一种膜渗透与低温相变复合的二氧化碳捕集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置，预冷却塔、主冷却塔和储存塔按上中下依次垂直设置；预冷却塔内设置有内塔A，主冷却塔内设置有内塔B，它们不相贯通。内塔A内设置有冷凝管，冷凝管的下端设置有中空纤维气体膜分离器。内塔A、内塔B和储存塔分别设置有制冷机A、B、C，控制不同环境温度；制冷机B的换热器表面冻结固态CO₂，换热器外围设置有旋转刮檫板以将固态CO₂刮落到储存塔内，多余气体先后排出系统。本实用新型通过膜渗透与低温相变复合，混合气体先于低温膜渗透初步提纯，再低温相变提高产品纯度，最后完成CO₂捕集；提高了CO₂产品的纯度和回收率高，克服了单纯膜渗透和单纯低温相变过程成本高，能耗大的弊端。

Description

一种膜渗透与低温相变复合的二氧化碳捕集装置

技术领域

本实用新型涉及一种低温复合的气体分离装置，特别涉及一种低温膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置。

背景技术

全球变暖和温室气体CO₂减排是目前全球关注的热点和难点问题。采用清洁能源替代化石能源是控制和减少CO₂排放的最理想途径，但在短时期内对能源结构做出的调整是十分有限的。在这一背景下，各国科学家在CO₂捕集、再利用及封存技术领域做了大量研究，以减缓因使用化石燃料所导致的温室效应等问题。其中，CO₂捕集过程是整个CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage碳捕获、利用与封存)过程中最基础和最重要的环节。然而，目前CO₂捕集技术应用的主要瓶颈在于成本及能耗仍然较高。

本领域已有的相关模拟研究表明，单纯膜渗透CO₂捕集过程存在成本较高(需要多段膜渗透单元处理)，且CO₂纯度与回收率难以同时满足要求。而单纯低温相变CO₂捕集过程受CO₂在燃烧废气中的浓度影响，整体能耗会随CO₂初始浓度的降低而明显升高。本实用新型中所涉及的一种新型的膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集方法，实现膜分离与低温相变捕集技术高效且有机的耦合，达到降低CO₂捕集能耗的最终目的。不同于膜渗透与低温相变二者的简单串联，本方法利用低温调控膜材料的表面特征及内部构效，促进膜材料的选择渗透性能，并在常压下通过低温相变将CO₂从燃烧废气中捕集。膜渗透与低温相变技术的一体化耦合，可以更加有效地发挥二者的优势，提高CO₂的分离效率且降低捕集能耗。

检索国内外的研究，2012年，法国著名膜科学家Eric Favre等提出了低温与膜渗透复合的CO₂捕集技术，并将其应用于燃烧后捕集。该技术利用膜渗透单元将不同排放源的废气中的CO₂(25％-30％)成分进行浓缩，然后通过低温单元将高浓度的CO₂气体进行相变(液化)回收。2014年，挪威科学家David Berstad等提出膜与低温相变复合CO₂捕集技术。该技术首先通过一段膜渗透将废气中的CO₂浓度提升至50％-75％，然后利用两端压缩，将高CO₂浓度气体压缩至液化压力。同时，以丙烷(Propane)和乙烷(Ethane)为制冷剂，将CO₂以液体的形式从N₂(气相)中捕集。尽管有关膜渗透与低温相变复合CO₂捕集技术的研究已经取得了一定的初步性进展，但简单串联难以最大限度地实现二者优势的结合。本实用新型是膜渗透与低温相变的有机耦合，混合气体先经过低温膜渗透，再进行低温相变。对于聚合物膜材料，分离性能普遍不高，容易受“Robeson上限”的限制，膜的渗透性和选择性之间存在相互制约的问题。

发明内容

本实用新型的目的，是在CO₂捕集过程中，为了避免单纯膜渗透和单纯低温相变过程的弊端(如成本高，能耗大)，将膜渗透与低温相变有机耦合，混合气体先经过低温膜渗透初步提纯，再进行低温相变进一步提高产品纯度，最后CO₂以固态的形式被保存。提供一种低温膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种膜渗透与低温相变复合的二氧化碳捕集装置，包括预冷却塔、主冷却塔和储存塔三部分，其特征在于，所述预冷却塔、主冷却塔和储存塔为圆筒状，按上中下依次垂直设置；

预冷却塔内设置有内塔A，预冷却塔和内塔A之间为真空状态；主冷却塔内设置有内塔B，主冷却塔和内塔B之间也为真空状态；预冷却塔和主冷却塔及内塔A和内塔B之间不相贯通；

内塔A、内塔B和储存塔分别设置有制冷机A、制冷机B和制冷机C，制冷机B的换热器设置在内塔B的中央位置，换热器的表面冻结有固态CO₂；换热器的外围设置有旋转刮檫板；主冷却塔还设置有电动机以驱动旋转刮檫板；

预冷却塔的内塔A内设置有冷凝管，冷凝管的下端设置有气体膜分离器，预冷却塔的顶部设置有冷凝管的进气口，预冷却塔的侧壁设置有冷凝管的冷凝水出口及气体膜分离器的两个渗透气出口与非渗透气出口，两个渗透气出口经过干式真空泵，进入主冷却塔的内塔B；

预冷却塔的另一侧壁底部还设置有非渗透气出口；

在主冷却塔与储存塔的中央部分相贯通，主冷却塔中的旋转刮檫板将固态CO₂刮落到储存塔；储存塔的侧壁设置有气体排出口。

所述制冷机A、制冷机B和制冷机C为自由活塞式斯特林制冷机。

所述气体膜分离器为聚酰亚胺中空纤维气体膜分离器。

所述预冷却塔、主冷却塔和储存塔为不锈钢材料，其外表面设置有珍珠棉绝热层。

所述内塔A、内塔B的外表面设置有铝箔层。

采用本实用新型的低温膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置进行对CO₂的分离，有益效果如下：

1.中空纤维膜在低温环境中的应用。与传统的常温或高温膜渗透过程相比，低温环境改善膜材料的表面特征及内部结构，有利于提高中空纤维膜的CO₂分离特性。同时，便于实现膜渗透单元与低温相变单元间高效、一体化的结合，有利于提高CO₂的捕集效率并降低整个捕集过程的能耗。

2.利用斯特林制冷机提供CO₂相变回收的低温环境。CO₂相变回收过程需要的低温环境通过自由活塞式斯特林制冷机提供，避免了传统低温蒸馏技术中多段压缩、冷却、蒸馏的高能耗过程。同时，减少了传统CO₂捕集过程中压缩机、蒸馏塔、分离塔等大型设备的使用，降低了CO₂捕集设备的投入和运行成本。

3.CO₂的低温相变捕集在常压下进行，相对于传统的CO₂低温液化(高压条件下)回收过程，降低了对压力条件的要求，减小低温单元的能耗。同时，富集在低温换热片表面的相变层通过机械处理而及时剥离，有利于维持各相(气/固)间高效的质量及能量迁移。

附图说明

图1是本实用新型膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集方法的装置示意图。

附图标记如下：

1———预冷却塔 2———主冷却塔

3———储存塔 4———制冷机A

5———进气口 6———内塔A

7———冷凝管 8———冷凝水出口

9———气体膜分离器 10———渗透气出口

11———干式真空泵 12———非渗透气出口

13———制冷机B 14———换热器

15———内塔B 16———固态CO₂

17———电动机 18———旋转刮擦板

19———气体排出口 20———制冷机C

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

本实用新型采用常规生产工艺进行制备。

图1是本实用新型新型的膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置的结构示意图,包括：预冷却塔1，主冷却塔2，储存塔3三部分,按上中下依次垂直设置，为圆筒状,不锈钢材料，其外表面设置有珍珠棉绝热材料。

预冷却塔1内设置有内塔A6，预冷却塔1和内塔A6之间为真空状态；主冷却塔2内设置有内塔B15，主冷却塔2和内塔B15之间也为真空状态；预冷却塔1和主冷却塔2及内塔A6和内塔B15之间不相贯通；内塔A6、内塔B15的外表面设置有铝箔材料。

内塔A6、内塔B15和储存塔3分别设置有制冷机A4、制冷机B13和制冷机C20，制冷机B13的换热器14设置在内塔B15的中央位置；换热器14的外围设置有旋转刮檫板18，主冷却塔2还设置有电动机17以控制旋转刮檫板18；

预冷却塔1的内塔A6内设置有冷凝管7，冷凝管7的下端设置有气体膜分离器(9)，该气体膜分离器9为聚酰亚胺中空纤维气体膜分离器,其内部有上千根聚酰亚胺中空纤维膜丝。

预冷却塔1的顶部设置有冷凝管7的进气口5，预冷却塔1的侧壁设置有冷凝管7的冷凝水出口8、两渗透气出口10和非渗透气的出口12；混合气体经过膜分离，渗透气体通过预冷却塔1侧壁两渗透气出口10经过干式真空泵11进入主冷却塔2的内塔B15，非渗透气体通过预冷却塔1侧壁非渗透气出口12排出；进入内塔B15的气体中的CO₂冻结在换热器14表面，电动机17驱动的旋转刮擦板18将固态CO₂刮擦落并落入储存塔3，没有凝固的气体通过储存塔3侧壁的气体排出口19排出。

应用本实用新型进行CO₂捕集的实施例如下：

以CO₂/N₂/H₂O的混合气体模拟燃烧后烟气中的成分，其中CO₂为13vol％，N₂为82vol％， H₂O为5vol％。

混合气体从进气口5进入冷凝管7，预冷却塔1的内塔A6与斯特林制冷机A4相连，控制内塔A6内的温度为-60℃。此温度下水蒸汽液化，形成液态水(防止了形成冰对管道的堵塞)，液态的水从冷凝水出口8中排出。由于此时温度高于CO₂凝固点(约-78.5℃) 和N₂的凝固点(约-209.86℃)，使CO₂和N₂以气态形式顺利进入气体膜分离器9，经过膜渗透，渗透气(约45％CO₂和55％N₂)从渗透气出口10经过真空泵11进入主冷却塔2的内塔B15,非渗透气(约92％N₂)通过非渗透气出口12排出。主冷却塔1的内塔B15与斯特林制冷机B13相连接，内塔B15的设置温度为-120℃，由于此时的温度低于CO₂的凝固点，使CO₂被凝固成固体，冻结在换热器14的表面，而此温度仍高于N₂的凝固点，所以N₂仍以气态进入储存塔3。冻结在换热器14表面的固态CO₂16，通过电动机17带动的旋转刮擦板 18进行刮擦，使固态CO₂16落入储存塔3内。

储存塔3与斯特林制冷机C20相连接，储存塔3的设置温度为-80℃，高纯度的CO₂以固态的形式被储存，未冷凝的N₂以气态形式通过气体排出口19排出。

混合气体通过本实用新型中的膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集方法，实现了低温CO₂的分离。最终，水蒸汽以液态的形式在从预冷却塔的内塔A6的冷凝水出口8排出，CO₂以固态形式储存在储存塔内，未冷凝的气体(N₂)，从储存塔内的气体排出口19排出。本实用新型将膜渗透与低温相变有机耦合，避免了单纯膜渗透和单纯低温相变过程成本高，能耗大的弊端，最终产品CO₂纯度高达98％，回收率高达97％，整体能耗仅需1.3MJ/KgCO₂.

当混合气体为CO₂/CH₄/H₂O时，也可以实现本实用新型。

Claims (5)

1.一种膜渗透与低温相变复合的二氧化碳捕集装置，包括预冷却塔、主冷却塔和储存塔三部分，其特征在于，所述预冷却塔(1)、主冷却塔(2)和储存塔(3)为圆筒状，按上中下依次垂直设置；

预冷却塔(1)内设置有内塔A(6)，预冷却塔(1)和内塔A(6)之间为真空状态；主冷却塔(2)内设置有内塔B(15)，主冷却塔(2)和内塔B(15)之间也为真空状态；预冷却塔(1)和主冷却塔(2)及内塔A(6)和内塔B(15)之间不相贯通；

内塔A(6)、内塔B(15)和储存塔(3)分别设置有制冷机A(4)、制冷机B(13)和制冷机C(20)，制冷机B(13)的换热器(14)设置在内塔B(15)的中央位置，换热器(14)的表面冻结有固态CO₂(16)；换热器(14)的外围设置有旋转刮檫板(18)；主冷却塔(2)还设置有电动机(17)以驱动旋转刮檫板(18)；

预冷却塔(1)的内塔A(6)内设置有冷凝管(7)，冷凝管(7)的下端设置有气体膜分离器(9)，预冷却塔(1)的顶部设置有冷凝管(7)的进气口(5)，预冷却塔(1)的侧壁设置有冷凝管(7)的冷凝水出口(8)及气体膜分离器(9)的两个渗透气出口(10)与非渗透气出口(12)，两个渗透气出口(10)经过干式真空泵(11)，进入主冷却塔(2)的内塔B(15)；

预冷却塔(1)的另一侧壁底部还设置有非渗透气出口(12)；

在主冷却塔(2)与储存塔(3)的中央部分相贯通，主冷却塔(2)中的旋转刮檫板(18)将固态CO₂(16)刮落到储存塔(3)；储存塔(3)的侧壁设置有气体排出口(19)。

2.根据权利要求1所述的一种膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置，其特征在于，所述制冷机A(4)、制冷机B(13)和制冷机C(20)为自由活塞式斯特林制冷机。

3.根据权利要求1所述的一种膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置，其特征在于，所述气体膜分离器(9)为聚酰亚胺中空纤维气体膜分离器。

4.根据权利要求1所述的一种膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置，其特征在于，所述预冷却塔(1)、主冷却塔(2)和储存塔(3)为不锈钢材料，其外表面设置有珍珠棉绝热层。

5.根据权利要求1所述的一种膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置，其特征在于，所述内塔A(6)、内塔B(15)的外表面设置有铝箔层。