CN210133891U - 烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置。该装置包括第一CO₂膜分离单元、第二CO₂膜分离单元、CO₂变压吸附分离单元及O₂变压吸附分离单元；第二CO₂膜分离单元的第一二氧化碳富集气进口与第一CO₂膜分离单元的第一二氧化碳富集气出口相连；CO₂变压吸附分离单元的第一高压非渗透气进口与第一CO₂膜分离单元的第一高压非渗透气出口相连；O₂变压吸附分离单元的二氧化碳脱除气进口与CO₂变压吸附分离单元的二氧化碳脱除气出口相连。利用上述装置处理烟气，二氧化碳的富集程度较高，且能够同时分离烟气中的氮气和氧气，同时实现烟气中二氧化碳、氮气和氧气的资源化回收。

Description

烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置

技术领域

本实用新型涉及烟气处理技术领域，具体而言，涉及一种烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置。

背景技术

全球变暖是目前世界上主要的环境问题之一，在导致气候变化的各种温室气体中，二氧化碳(CO₂)对地球升温影响最大，控制CO₂排放已成为应对气候变暖的重要技术路线之一。燃烧烟气中CO₂排放具有浓度低、稳定、集中和量大等特点，是大规模减排CO₂的最佳领域之一。同时，烟气中还包含大量浓度在70％左右的氮气(N₂)和浓度在8％的氧气(O₂)，浓度低于空气中氮气和氧气的浓度，因此难以利用。

高纯度的CO₂是一种重要的工业气体，分离捕集的CO₂不仅可以注入石油和天然气田，提高油气采收率，也可以广泛用于合成有机化合物、制造碳酸饮料等，实现资源化利用。烟气中的CO₂分离捕集技术应用前景广阔，具有显著的环保效益、经济效益和社会效益。因此，分离捕集CO₂技术是关系到燃煤电厂温室气体减排的重要技术。

目前CO₂的捕集回收方法中，膜分离法是较为有效的方法之一。膜分离法的主要原理是两种或两种以上的气体混合物通过高分子膜时，由于各种气体在膜中的溶解度和扩散系数的不同，导致不同气体在膜中相对渗透速率有差异。其中渗透速率相对快的气体，如二氧化碳、水蒸气、氢气、氦气、硫化氢等能够优先通过渗透膜而被富集；而渗透速率相对较慢的气体，如甲烷、氮气、一氧化碳等气体则在膜的滞留侧被富集，从而达到混合气体分离之目的。与其他方法相比，膜分离捕集CO₂具有无化学反应、不会产生污染物，设备结构紧凑、占地面积小，开动灵活、维护及运行方便等优点。

然而，由于烟气中的氮气和氧气含量较高，而且氧气和氮气在膜中的相对渗透速率差异较小，导致了膜分离法处理烟气时仍旧存在残留的CO₂多的问题，这也导致了CO₂富集程度低，且氮气和氧气难分离、资源浪费多的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置，以解决现有技术中利用膜分离法处理烟气时，CO₂富集程度低、氮气和氧气难分离的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置，其包括：第一CO₂膜分离单元，设置有烟气进口、第一二氧化碳富集气出口及第一高压非渗透气出口；第二CO₂膜分离单元，设置有第一二氧化碳富集气进口和第一二氧化碳产品气出口，第一二氧化碳富集气进口与第一二氧化碳富集气出口相连；CO₂变压吸附分离单元，设置有第一高压非渗透气进口、第二二氧化碳产品气出口及二氧化碳脱除气出口，第一高压非渗透气进口与第一高压非渗透气出口相连；以及O₂变压吸附分离单元，设置有二氧化碳脱除气进口、氧气富集气出口及氮气富集气出口，二氧化碳脱除气进口与二氧化碳脱除气出口相连。

进一步地，第一高压非渗透气进口与第一高压非渗透气出口通过非渗透气输送管路相连；第二CO₂膜分离单元还设置有第二高压非渗透气出口，第二高压非渗透气出口与非渗透气输送管路相连。

进一步地，装置还包括第一压缩单元，第一压缩单元设置在烟气进口的进气管路上，用于对烟气进行压缩。

进一步地，第一二氧化碳富集气进口与第一二氧化碳富集气出口通过相连富集气输送管路相连；装置还包括第二压缩单元，第二压缩单元设置在富集气输送管路上，用于对第一二氧化碳富集气出口排出的二氧化碳富集气进行压缩。

进一步地，装置还包括第一烟气处理单元，第一烟气处理单元设置在第一压缩单元和烟气进口之间的输送管路上，用于去除压缩后的烟气中的液体杂质和固体杂质。

进一步地，第一烟气处理单元包括依次串联设置的第一冷却机、第一除雾器及第一过滤器。

进一步地，装置还包括第二烟气处理单元，第二烟气处理单元设置在第二压缩单元和第二CO₂膜分离单元之间的富集气输送管路上，用于去除压缩后的二氧化碳富集气中的水分。

进一步地，第二烟气处理单元包括串联设置的第二冷却机、第二除雾器及第二过滤器，或者，第二烟气处理单元为脱水装置。

进一步地，第一CO₂膜分离单元和第二CO₂膜分离单元中的膜组件分别独立地选自中空纤维膜、卷式膜或板式膜。

本实用新型提供了一种烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置，其包括第一CO₂膜分离单元、第二CO₂膜分离单元、CO₂变压吸附分离单元及O₂变压吸附分离单元；第一CO₂膜分离单元设置有烟气进口、第一二氧化碳富集气出口及第一高压非渗透气出口，第二CO₂膜分离单元设置有第一二氧化碳富集气进口和第一二氧化碳产品气出口，第一二氧化碳富集气进口与第一二氧化碳富集气出口相连；CO₂变压吸附分离单元设置有第一高压非渗透气进口、第二二氧化碳产品气出口及二氧化碳脱除气出口，第一高压非渗透气进口与第一高压非渗透气出口相连；O₂变压吸附分离单元设置有二氧化碳脱除气进口、氧气富集气出口及氮气富集气出口，二氧化碳脱除气进口与二氧化碳脱除气出口相连。

利用上述装置处理烟气，二氧化碳的富集程度较高，且能够同时分离烟气中的氮气和氧气，同时实现烟气中二氧化碳、氮气和氧气的资源化回收。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型一种实施例的烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、第一CO₂膜分离单元；20、第二CO₂膜分离单元；30、CO₂变压吸附分离单元；40、O₂变压吸附分离单元；50、第一压缩单元；60、第二压缩单元；70、第一烟气处理单元；80、第二烟气处理单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中利用膜分离法处理烟气时，存在CO₂富集程度低、氮气和氧气难分离的问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置，如图1所示，该装置包括第一CO₂膜分离单元10、第二CO₂膜分离单元20、CO₂变压吸附分离单元30和O₂变压吸附分离单元40，第一CO₂膜分离单元10设置有烟气进口、第一二氧化碳富集气出口及第一高压非渗透气出口；第二CO₂膜分离单元20设置有第一二氧化碳富集气进口和第一二氧化碳产品气出口，第一二氧化碳富集气进口与第一二氧化碳富集气出口相连；CO₂变压吸附分离单元30设置有第一高压非渗透气进口、第二二氧化碳产品气出口及二氧化碳脱除气出口，第一高压非渗透气进口与第一高压非渗透气出口相连；O₂变压吸附分离单元40设置有二氧化碳脱除气进口、氧气富集气出口及氮气富集气出口，二氧化碳脱除气进口与二氧化碳脱除气出口相连。

不同于传统的膜分离法，本实用新型采用了膜分离和变压吸附分离相结合的装置处理烟气。具体地：

利用第一CO₂膜分离单元10可以首先对烟气进行CO₂膜分离处理，因碳捕集需要的烟气量巨大，利用第一CO₂膜分离单元10有利于减少占地，并简化处理工艺。在第一CO₂膜分离单元10的处理下，烟气中的大部分二氧化碳通过分离膜形成第一二氧化碳富集气从第一二氧化碳富集气出口排出，氧气、氮气及少量二氧化碳则组成第一高压非渗透气排出。利用第二CO₂膜分离单元20可以进一步对第一二氧化碳富集气中的二氧化碳进行富集，形成一部分二氧化碳产品气。

其次，利用CO₂变压吸附分离单元30可以对第一高压非渗透气中的二氧化碳进行变压吸附分离。CO₂变压吸附分离单元30依靠变压条件下吸附剂对于CO₂和氧气、氮气吸附性的强弱达到分离CO₂的目的。且经历了第一CO₂膜分离单元10的处理，烟气中的大部分二氧化碳被分离出去，第一高压非渗透气中的二氧化碳浓度显著降低，这就有利于减少CO₂变压吸附分离单元30中吸附剂的用量，并改善二氧化碳的吸附分离效果，得到另一部分二氧化碳产品气。经CO₂变压吸附分离单元30处理后，第一高压非渗透气中的二氧化碳被进一步分离，氧气和氮气组成的二氧化碳脱除气进入O₂变压吸附分离单元40中，基于吸附剂针对氧气和氮气的吸附速度差异分离氧气和氮气。与其他方法相比，变压吸附具有无化学反应、不会产生污染物，操作简单、维护及运行方便等优点。

利用本实用新型上述的装置处理烟气，同时实现烟气中二氧化碳、氮气和氧气的资源化回收。

在一种优选的实施方式中，CO₂变压吸附分离单元30包括CO₂吸附单元和CO₂解吸单元，CO₂吸附单元用于在较高的压力下对CO₂进行吸附，CO₂解吸单元用于在较低的压力下对吸附二氧化碳后的吸附剂进行解吸。优选的解吸方式可以为抽真空等方式。

在一种优选的实施方式中，O₂变压吸附分离单元40包括O₂吸附单元和O₂解吸单元，O₂吸附单元用于在较高的压力下对O₂进行吸附，O₂解吸单元用于对吸附氧气后的吸附剂在较低的压力下进行解吸。具体的解吸方式可以为抽真空等方式。

在一种优选的实施例中，如图1所示，第一高压非渗透气进口与第一高压非渗透气出口通过非渗透气输送管路相连；第二CO₂膜分离单元20还设置有第二高压非渗透气出口，第二高压非渗透气出口与非渗透气输送管路相连。经第二CO₂膜分离单元20处理后，可以进一步分离二氧化碳富集气中的二氧化碳，得到纯度较高的二氧化碳产品气。分离剩余的氧气、氮气及少量的二氧化碳组成的第二高压非渗透气从第二高压非渗透气出口排出，进一步与第一高压非渗透气一起进入CO₂变压吸附分离单元30。这样有利于进一步改善烟气中二氧化碳、氧气和氮气的分离效果，提高资源回收率。

在一种优选的实施方式中，第一CO₂膜分离单元10和第二CO₂膜分离单元20中的膜组件分别独立地选自中空纤维膜、卷式膜或板式膜。这里的“分别独立地选自”指的是第一CO₂膜分离单元10和第二CO₂膜分离单元20中的膜组件各自选自上述三种膜组件中的一种，三者相互之间可以相同，也可以不同。优选地，膜组件的材料是高分子聚合物有机材料。相比于无机膜作为膜组件，采用高分子聚合物有机材料形成的膜组件其加工工艺简单，制造成本较低，用于大规模分离回收燃煤电厂烟气中的CO₂能够极大地减少项目投资成本。同时，某些烟气如燃煤电厂烟气中二氧化碳的浓度较低(大约12％)，有机膜的选择性更高，能够进一步提高CO₂分离回收率和捕集量。

在一种优选的实施方式中，上述装置还包括第一压缩单元50，第一压缩单元50设置在烟气进口的进气管路上，用于对烟气进行压缩。利用第一压缩单元50能够为第一CO₂膜分离单元10的CO₂渗透进一步提供压力驱动。且需要说明的是，相比于在渗透侧利用抽真空或吹扫减压的方法，本实用新型利用第一压缩单元50能够提供足够的压力差，以驱动足够多的CO₂透过膜，特别是有机膜，从而进一步提高CO₂的捕集回收率。同理，更优选地，第一二氧化碳富集气进口与第一二氧化碳富集气出口通过相连富集气输送管路相连；装置还包括第二压缩单元60，第二压缩单元60设置在富集气输送管路上，用于对第一二氧化碳富集气出口排出的二氧化碳富集气进行压缩。

烟气中除了二氧化碳、氧气和氮气外，还携带有一些固体杂质(颗粒物)和液体杂质(水分)，为了减少这些固体杂质和液体杂质对第一CO₂膜分离单元10中分离膜尤其是有机分离膜的影响，在一种优选的实施方式中，上述装置还包括第一烟气处理单元70，第一烟气处理单元70设置在第一压缩单元50和烟气进口之间的输送管路上，用于去除压缩后的烟气中的液体杂质和固体杂质。分离膜，尤其是有机分离膜容易受到颗粒物等固体杂质污染、对湿度要求和温度要求较高，利用第一烟气处理单元70可以尽量减少这些影响，从而进一步改善烟气的处理效果。

在一种实施方式中，可以利用过滤器去除烟气中的固体杂质和液体杂质。更优选地，第一烟气处理单元70包括依次串联设置的第一冷却机、第一除雾器及第一过滤器。利用第一冷却机可以将烟气中的液体进一步冷凝出来，然后经第一除雾器去除其中可冷凝的液沫、雾滴及可能被夹带的固体粒子，最后再利用第一过滤器可以进一步除去烟气中可能夹带的细微液体等有害杂质。同时，设置第一冷却机还有利于控制烟气温度，以进一步提高第一CO₂膜分离单元10的运行稳定性。

在一种优选的实施例中，第一烟气处理单元70还包括换热器，换热器设置有待加热进口和待加热出口，待加热进口与第一过滤器的出口相连，且待加热出口与烟气进口相连。这样可以将去除杂质后的烟气在换热器中进行热交换而被加热，使其远离露点并恒定系统的操作温度。

在一种优选的实施方式中，装置还包括第二烟气处理单元80，第二烟气处理单元80设置在第二压缩单元60和第二CO₂膜分离单元20之间的富集气输送管路上，用于去除压缩后的二氧化碳富集气中的水分。这样有利于进一步提高第二CO₂膜分离单元20的运行稳定性。优选地，第二烟气处理单元80包括串联设置的第二冷却机、第二除雾器及第二过滤器，或者，第二烟气处理单元80为脱水装置。第二冷却机、第二除雾器及第二过滤器与前文第一冷却机、第一除雾器及第一过滤器具有类似作用。

同理，优选第二烟气处理单元80还包括换热器，换热器设置有待加热进口和待加热出口，待加热进口与第二过滤器的出口相连，且待加热出口与第二CO₂膜分离单元20的第一二氧化碳富集气进口相连。

上述装置不仅适合燃煤电厂烟气的处理，也适用于钢铁厂、水泥厂等低浓度烟气中二氧化碳、氧气及氮气的分离捕集。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收方法，其包括以下步骤：将烟气进行第一次CO₂膜分离处理，得到二氧化碳富集气和第一高压非渗透气；将二氧化碳富集气进行第二次CO₂膜分离处理，得到第一部分二氧化碳产品气；对第一高压非渗透气进行二氧化碳变压吸附分离，得到二氧化碳脱除气和第二部分二氧化碳产品气；对二氧化碳脱除气进行氧气变压吸附分离，得到氧气富集气和氮气富集气。利用本实用新型提供的方法，将CO₂膜分离和变压吸附相结合，同时实现烟气中二氧化碳、氮气和氧气的资源化回收。

在一种优选的实施方式中，第二次CO₂膜分离处理过程中还得到了第二高压非渗透气，上述方法还包括将第二高压非渗透气与第一高压非渗透气一起进行二氧化碳变压吸附分离的步骤。这样有利于进一步改善烟气中二氧化碳、氧气和氮气的分离效果，提高资源回收率。

为了进一步提高二氧化碳变压吸附分离的效果，在一种优选的实施方式中，二氧化碳变压吸附分离的步骤中，工艺条件如下：处理温度为-10～120℃，处理压力为绝压0.10～1.50MPa(A)，吸附剂为活性炭、硅胶、分子筛及其改性吸附剂的一种或多种。优选地，二氧化碳变压吸附分离的步骤包括：利用上述吸附剂在上述工艺条件下对第一高压非渗透气进行二氧化碳变压吸附，得到二氧化碳脱除气和吸附有二氧化碳的吸附剂；在抽真空的状态下，解吸上述吸附有二氧化碳的吸附剂，得到第二部分二氧化碳产品气。

为了进一步提高氧气变压吸附分离的效果，在一种优选的实施方式中，氧气变压吸附分离的步骤中，工艺条件如下：处理温度为-10～120℃，处理压力为绝压0.10～1.50MPa(A)，吸附剂为活性炭、硅胶、分子筛及其改性吸附剂中的一种或多种。优选地，氧气变压吸附分离的步骤包括：利用上述吸附剂在上述工艺条件下对二氧化碳脱除气进行氧气变压吸附，得到氮气富集气和吸附有氧气的吸附剂；在抽真空的状态下，解吸上述吸附有氧气的吸附剂，得到氧气富集气。

在一种优选的实施方式中，在对烟气进行第一次CO₂膜分离处理的过程之前，方法还包括对烟气进行第一次压缩的步骤，优选第一次压缩的步骤中，使气体压力大于绝压0.10MPa(A)。这样可以为第一次CO₂膜分离处理的CO₂渗透进一步提供压力驱动。同理，优选地，在对二氧化碳富集气进行第二次CO₂膜分离处理的过程之前，方法还包括对二氧化碳富集气进行第二次压缩的步骤，优选第二次压缩的步骤中，使气体压力大于绝压0.10MPa。

烟气中除了二氧化碳、氧气和氮气外，还携带有一些固体杂质(颗粒物)和液体杂质(水分)，为了减少这些固体杂质和液体杂质对第一次CO₂膜分离处理的影响，在一种优选的实施方式中，第一次压缩的步骤之后，方法还包括对压缩后的烟气进行处理以去除其中的固体杂质和液体杂质的步骤；优选地，对压缩后的烟气进行处理的步骤包括：依次对压缩后的烟气进行冷却、除雾及过滤。烟气先被冷却后，通过除雾可以将烟气中可冷凝的液沫、雾滴及可能被夹带的固体粒子去除。然后通过过滤处理能够进一步除去烟气中可能夹带的细微液体等有害杂质。总之，利用上述方式能够更为充分地去除烟气中的液体杂质、固体颗粒等杂质，从而进一步提高二氧化碳的捕集效果。同时，通过对烟气进行冷却还能够有效控制烟气温度，以进一步提高分离膜尤其是有机分离膜的运行稳定性。

更优选地，第二次压缩的步骤之后，方法还包括对压缩后的二氧化碳富集气进行处理以去除其中的水分的步骤；优选地，对压缩后的二氧化碳富集气进行处理的步骤包括：依次对压缩后的二氧化碳富集气进行冷却、除雾及过滤。

以下通过实施例进一步说明本实用新型的有益效果：

实施例1

对某钢铁厂烟气进行测试，衡算本实用新型图1中所示的装置对于烟道气中低浓度CO₂工艺的捕集以及氧气和氮气回收处理效果。

其中，二氧化碳膜分离单元中均采用有机膜材料制成的中空纤维膜，该膜材料为聚酰亚胺(PI)；二氧化碳变压吸附分离的步骤中，工艺条件如下：处理温度为30摄氏度，处理压力为0.50MPa(A)吸附剂为硅胶；氧气变压吸附分离的步骤中，工艺条件如下：处理温度为30摄氏度，处理压力为0.47MPa(A)，吸附剂为碳分子筛。

物料衡算结果如表1所示：

表1

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：由表1可知，当处理的高炉烟气的气流量为10000Nm³/h，CO₂含量27.35％，O₂含量6.23％，N₂含量65.99％时，本实施例中的处理工艺中，第二段CO₂膜分离单元渗透气(产品气)流量为699Nm³/h，CO₂含量从27.35％提升至97.11％。变压吸附装置出来的吸附气流量为125Nm³/h，O₂含量从6.23％提升至88％。N₂含量从65.99％提升至99.20％。利用上述装置处理烟气，二氧化碳的富集程度较高，且能够同时分离烟气中的氮气和氧气，同时实现烟气中二氧化碳、氮气和氧气的资源化回收。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种烟气中二氧化碳、氮气和氧气的联合回收装置，其特征在于，包括：

第一CO₂膜分离单元(10)，设置有烟气进口、第一二氧化碳富集气出口及第一高压非渗透气出口；

第二CO₂膜分离单元(20)，设置有第一二氧化碳富集气进口和第一二氧化碳产品气出口，所述第一二氧化碳富集气进口与所述第一二氧化碳富集气出口相连；

CO₂变压吸附分离单元(30)，设置有第一高压非渗透气进口、第二二氧化碳产品气出口及二氧化碳脱除气出口，所述第一高压非渗透气进口与所述第一高压非渗透气出口相连；以及

O₂变压吸附分离单元(40)，设置有二氧化碳脱除气进口、氧气富集气出口及氮气富集气出口，所述二氧化碳脱除气进口与所述二氧化碳脱除气出口相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一高压非渗透气进口与所述第一高压非渗透气出口通过非渗透气输送管路相连；所述第二CO₂膜分离单元(20)还设置有第二高压非渗透气出口，所述第二高压非渗透气出口与所述非渗透气输送管路相连。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一压缩单元(50)，所述第一压缩单元(50)设置在所述烟气进口的进气管路上，用于对烟气进行压缩。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一二氧化碳富集气进口与所述第一二氧化碳富集气出口通过相连富集气输送管路相连；所述装置还包括第二压缩单元(60)，所述第二压缩单元(60)设置在所述富集气输送管路上，用于对所述第一二氧化碳富集气出口排出的二氧化碳富集气进行压缩。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一烟气处理单元(70)，所述第一烟气处理单元(70)设置在所述第一压缩单元(50)和所述烟气进口之间的输送管路上，用于去除压缩后的所述烟气中的液体杂质和固体杂质。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一烟气处理单元(70)包括依次串联设置的第一冷却机、第一除雾器及第一过滤器。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二烟气处理单元(80)，所述第二烟气处理单元(80)设置在所述第二压缩单元(60)和所述第二CO₂膜分离单元(20)之间的所述富集气输送管路上，用于去除压缩后的所述二氧化碳富集气中的水分。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二烟气处理单元(80)包括串联设置的第二冷却机、第二除雾器及第二过滤器，或者，所述第二烟气处理单元(80)为脱水装置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一CO₂膜分离单元(10)和所述第二CO₂膜分离单元(20)中的膜组件分别独立地选自中空纤维膜、卷式膜或板式膜。

Images