CN216638930U

CN216638930U - 一种水泥窑尾烟低浓度co2回收提纯设备

Info

Publication number: CN216638930U
Application number: CN202121429278.2U
Authority: CN
Inventors: 郭会友
Original assignee: Anhui Carbon Zero Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Anhui Carbon Zero Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2031-06-25

Abstract

本实用新型公开了一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，风机出口的CO₂原料气经过冷凝器和过滤器，进入膜分离器中进入二次提纯；膜分离器尾气经调节阀连接膜分离器的入口；膜分离器渗透气连接CO₂含量检测仪和出气阀门和回气阀门。通过实时调节调节阀，控制膜分离器尾气的回流比，可实时调控膜分离器渗透气CO₂含量和气量。膜分离器渗透气管路上安装有CO₂含量检测仪，通过程序设定CO₂含量达标值，不达标则通过回气阀返回压缩机入口继续提纯。在低浓度CO₂回收和提纯过程中空气中Ar影响较大，通过本实用新型可以将CO₂提纯到98％以上的纯度，收率可以在60‑90％之间，解决了膜技术在CO₂回收过程中提纯纯度不高、回收率低的问题。

Description

一种水泥窑尾烟低浓度CO2回收提纯设备

技术领域

本实用新型属于CO₂回收提纯技术领域，尤其涉及一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备。

背景技术

CO₂是温室气体之一，据了解水泥窑生产1吨孰料约排放二氧化碳0.86吨。据2018年统计，水泥生产所排放的CO₂约占全球排放总量的7％，因此水泥行业二氧化碳减排任务异常艰巨。水泥工业可以通过采取各种不同的技术措施来降低CO₂排放，例如富氧燃烧提高能量效率、使用替代燃料、替代原料等，然而这些技术革新所带来的减排效果有限。CO₂捕获和储存(CCS)技术近年来被逐步应用于减少水泥工业CO₂排放，被公认为是水泥工业深入全面碳减排的重大举措，被欧洲列为《2050欧洲低碳发展技术路线图》。我国也将CCS技术作为节能减排大力推举和扶持的措施之一。

二氧化碳回收和提纯分离是CCS技术的关键，而水泥窑排放烟气中成分复杂、CO₂含量低(15～40％V/V)等导致CO₂回收和提纯面临技术难度大、工艺复杂、成本较高等特点。目前有MEA化学吸收法、纯氧(O₂+CO₂，CO₂为目标气体)燃烧法、冷却氨水法、膜分离法、分体式钙循环法和集成式钙循环法等多种CO₂捕获和减排工艺流程，其中应用较广的CO₂捕集技术是MEA吸收法，然而MEA吸收工艺设备投入较大、收率低，对于中小型生产线投资占比过重、收益不佳，尤其是碳交易指标越来越引起重视。如何降低设备投资、提高CO₂收率、降低占地和运营成本等将成为水泥窑CO₂捕获项目大范围推广所面临的关键问题。

现有技术中专利申请号为CN201611219796.5提供了从含CO₂原料气中分离高纯度CO₂的方法，其使用真空变压吸附气体分离装置，包含进料吸附步骤、顺流减压步骤、抽空排气步骤、轻质回流步骤、逆流加压步骤及加压步骤，在不需要原料气压缩、不需要二氧化碳产品气冲洗的情况下，该发明能够低能耗，高效率地分离提纯出高纯度、高回收率的二氧化碳，且设备压降小，真空要求不高。该发明的装置吸附塔高度低、循环周期短，为工业生产净化CO₂节省成本、产生巨大的经济价值，但是该专利需用吸附塔吸附，抽真空等操作，较为复杂，投入较大，不适宜大面积推广使用。

实用新型内容

本实用新型提供一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，本实用新型提供一种低压回收、带尾气回流控制的膜分离技术，可以将包括但不限于水泥窑尾烟低浓度CO₂高效回收和提纯，不仅获得≥98.0％以上纯度的CO₂并可用于进一步增压液化精馏制取食品级高纯CO₂，而且收率可以高达90％以上。

一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，包括气罐，气罐的一侧依次和风机、冷凝器、过滤器、第一膜分离器连接，第一膜分离器的另一端和压缩机(106)连接，第二膜分离器的一端和压缩机连接，另一端通过调节阀连接第一膜分离器的入口，CO₂含量检测仪和第二膜分离器连接，CO₂含量检测仪一侧的管路上分别设有控制阀。

典型的干式水泥窑尾烟组分如下所示：

二氧化碳	CO<sub>2</sub>	33.5％
			氮气	N<sub>2</sub>	63.4％
氧气	O<sub>2</sub>	2.9％
			一氧化碳	CO	0.2％

优选的是，所述控制阀包括出气阀门和回气阀门。

上述任一方案优选的是，所述出气阀门所在管路为排出管，回气阀所在管路连接压缩机入口。

上述任一方案优选的是，所述出气阀和回气阀根据CO₂浓度检测仪检测数据控制开启和关闭。

上述任一方案优选的是，所述控制阀设置为两位三通阀。

上述任一方案优选的是，所述CO₂含量检测仪设置在第二膜分离器渗透气管路上，CO₂浓度检测仪采用红外激光吸收式传感器。

上述任一方案优选的是，所述气罐入口安装有过滤器。

上述任一方案优选的是，所述风机出口压力要求≥150kPa，风机是涡旋、罗茨风机、压缩机中的任意一种。

上述任一方案优选的是，所述风机出口依次连接冷凝器、过滤器，过滤器的过滤精度≤0.1微米。

上述任一方案优选的是，所述第一膜分离器渗透气连接压缩机的入口，通过压缩机入口产生的负压驱动第一膜分离器有效工作。

上述任一方案优选的是，所述压缩机出口压力≥200kPa、入口压力≤80kPa，以确保调节阀上下游压差不低于50kPa。

上述任一方案优选的是，所述第一膜分离器尾气端设置有调节阀。

上述任一方案优选的是，所述第二膜分离器尾气通过调节阀返回第一膜分离器入口。

一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备的回收方法，包括以下步骤：

步骤(1)、将低浓度CO₂作为原料气，风机在气罐中产生负压将CO₂原料气回收进入气罐，风机出口的CO₂原料气经过冷凝器和过滤器，进入第一膜分离器中进入一次提纯；

步骤(2)、第一膜分离器尾气放空，其渗透气经压缩机增压后进入第二膜分离器中进行二次提纯，第二膜分离器尾气经调节阀进入第一膜分离器；

步骤(3)、第二膜分离器渗透气连接CO₂含量检测仪，通过程序设定CO₂含量达标值，CO₂含量检测仪检测CO₂含量达标则通过出气阀所在管路排出，否则通过回气阀所在管路进入压缩机。

优选的是，所述步骤(1)中气罐入口安装有过滤器。

上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中风机出口压力要求≥150kPa，风机是涡旋、罗茨风机、压缩机中的任意一种。

上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中风机出口依次连接冷凝器、过滤器，过滤器的过滤精度≤0.1微米。

上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中第一膜分离器尾气端设置有调节阀。

上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中所述第一膜分离器和第二膜分离器的进气温度维持在50～60℃。

上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中第一膜分离器渗透气连接压缩机入口，通过压缩机入口产生的负压驱动第一膜分离器有效工作。

上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中压缩机出口压力≥200kPa、入口压力≤80kPa，以确保调节阀上下游压差不低于50kPa。

上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中第二膜分离器尾气通过调节阀返回第一膜分离器入口。

上述任一方案优选的是，所述步骤(3)中出气阀门所在管路为排出管，回气阀所在管路连接压缩机入口。

上述任一方案优选的是，所述步骤(3)中出气阀和回气阀根据CO₂浓度检测仪检测数据控制开启和关闭。

上述任一方案优选的是，所述步骤(3)中出气阀和回气阀设置为两位三通阀。

上述任一方案优选的是，所述步骤(3)中CO₂含量检测仪设置在第二膜分离器渗透气管路上，CO₂浓度检测仪采用红外激光吸收式传感器。

有益效果

(1)本实用新型公开一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，通过实时调节调节阀，控制膜分离器尾气的回流比可实时调控膜分离器渗透气CO₂含量和气量，回流比大则渗透气CO₂含量高、气量小，反之则气量大、CO₂含量低。

(2)膜分离器渗透气管路上安装有CO₂含量检测仪，通过程序设定CO₂含量达标值，CO₂含量检测仪检测CO₂含量达标则通过出气阀送出，否则通过回气阀返回压缩机入口继续提纯。在低浓度CO₂回收和提纯过程中，空气中的Ar影响较大，通过本实用新型提供的回流比控制方法，可以将CO₂提纯到98％以上的纯度，收率可以在60-90％之间，解决了膜技术在CO₂回收过程中提纯纯度不高、回收率低的问题。

(3)氮、氧、氩、少量CO₂等通过膜分离器尾气排空，膜分离器尾气端设置一个调节阀，通过调节放空气量大小控制渗透侧的气量和CO₂含量，同时少量氩气随CO₂在渗透气侧被富集；提纯后的CO2经过增压、液化精馏等可制取获得高纯液体CO₂，从而达到节能和CO₂减排的双重目的。适用于水泥窑、玻璃窑、石灰窑、燃煤电厂等领域的二氧化碳综合回收。

附图说明

图1为一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备的结构示意图。

图中：101、气罐；102、风机；103、冷凝器；104、过滤器；105、第一膜分离器；106、压缩机；107、第二膜分离器；108、调节阀；109、CO₂含量检测仪；PV101、出气阀；PV102、回气阀。

具体实施方式

为了更好理解本实用新型的技术方案和优点，以下通过具体实施方式，并结合附图对本实用新型做进一步说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1

如图1所示，本实用新型公开了一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，包括气罐101，气罐101入口安装有过滤器，气罐101的一侧依次和风机102、冷凝器103、过滤器104、第一膜分离器105连接，第一膜分离器105尾气端设置有调节阀。本申请中各个部件之间均通过管路连接。

第一膜分离器105的另一端和压缩机106连接。具体的，第一膜分离器105渗透气连接压缩机106的入口，通过压缩机106入口产生的负压驱动第一膜分离器105有效工作。压缩机106出口压力≥200kPa、入口压力≤80kPa，以确保调节阀108上下游压差不低于50kPa。

第二膜分离器107的一端和压缩机106连接，另一端通过调节阀108连接第一膜分离器105的入口，CO₂含量检测仪109和第二膜分离器107连接，CO₂含量检测仪109设置在第二膜分离器107渗透气管路上，CO₂浓度检测仪109采用红外激光吸收式传感器。CO₂含量检测仪109一侧的管路上分别设有控制阀。具体设置时，控制阀可以设置为出气阀门PV101和回气阀门PV102。出气阀门PV101所在管路为排出管，回气阀PV102所在管路连接压缩机106入口。出气阀PV101和回气阀PV102根据CO₂浓度检测仪109检测数据控制开启和关闭。

风机102出口依次连接冷凝器103、过滤器104，过滤器104的过滤精度≤0.1微米。具体使用时，风机102出口压力要求≥150kPa，风机102可以设置为涡旋风机、罗茨风机、压缩机中的任意一种。

本实用新型进一步优化的技术方案是，控制阀具体还可以设置为两位三通阀，从而代替了出气阀门PV101和回气阀门PV102使用。

实施例2

一种采用实施例1的水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备的回收方法，包括以下步骤：

步骤(1)、将低浓度CO₂作为原料气，CO₂原料气中含有的CO₂体积百分比33.0％，风机102在气罐101中产生负压将CO₂原料气回收进入气罐101；风机102出口的CO₂原料气经过冷凝器103和过滤器104，进入第一膜分离器105中进入一次提纯；

该步骤中风机102出口压力≥150kPa，冷凝器可以选择水冷、风冷等，以冷到0℃为最佳，过滤器104过滤精度≤0.1μm。

步骤(2)、第一膜分离器105尾气放空，其渗透气经压缩机106增压至200kPa以上后进入第二膜分离器107中进行二次提纯，第二膜分离器107尾气经调节阀108连接膜分离器105的入口；膜分离器107渗透气连接CO₂含量检测仪109和出气阀门PV101和回气阀门PV102。

第一膜分离器105、第二膜分离器107是基于聚酰胺等材料所制的中空纤维膜分离器。

步骤(3)、第二膜分离器107渗透气管路上安装有CO₂含量检测仪109，通过程序设定CO₂含量达标值，一般达标值设置为98.0％以上，CO₂含量检测仪109检测CO₂含量达标则通过出气阀PV101送出，否则通过回气阀PV102返回压缩机106入口。

本实施例进一步优化的技术方案是，风机102通过在气罐101中产生负压将低浓度CO₂原料气回收进入气罐101；所述的气罐101入口安装有过滤器；所述风机102出口压力要求≥150kPa，风机102可以是涡旋风机、罗茨风机或压缩机中的任意一种。

本实施例进一步优化的技术方案是，所述风机102出口要连接冷凝器103、过滤器104以去除原料气中的水分、颗粒物等，过滤器104的过滤精度≤0.1微米；

本实施例进一步优化的技术方案是，所述第一膜分离器105和第二膜分离器107的进气温度维持在50～60℃。

第一膜分离器105渗透气连接压缩机106入口，通过压缩机106入口产生的负压驱动第一膜分离器105有效工作。压缩机106出口压力≥200kPa、入口压力≤80kPa，以确保调节阀108上下游压差不低于50kPa。氮、氧、氩、少量CO₂等通过第一膜分离器105尾气排空，第一膜分离器105尾气端设置一个调节阀，通过调节空气量大小控制渗透侧的气量和CO₂含量，同时少量氩气随CO₂在渗透气侧被富集。

CO₂在第二膜分离器107渗透气侧再次被富集，从而达到提纯的目的；而第二膜分离器107尾气通过调节阀108返回第一膜分离器105入口，以提高CO₂的回流率，提高收率；同时由于第一膜分离器105渗透气侧富集少量的Ar等杂质气体，随着压缩机106增压进入第二膜分离器107中，为降低Ar等杂质气体在第二膜分离器107渗透气侧的富集，通过调节阀108可以在获得98％以上纯度CO₂的同时，降低杂质气体的渗透率。

本实施例进一步优化的技术方案是，CO₂浓度检测仪109采用红外激光吸收式传感器，原理符合比尔定律，该种传感器不受氧氮氩等气体影响。

本实施例进一步优化的技术方案是，所述出气阀PV101和回气阀PV102根据CO₂浓度检测仪109检测数据控制开启和关闭；所述出气阀PV101和回气阀PV102可以采用一个两位三通阀代替。

本实用新型提供一种低压回收、带尾气回流控制的膜分离技术，可以将包括但不限于水泥窑尾烟低浓度CO₂高效回收和提纯，不仅获得≥98.0％以上纯度的CO₂并可用于进一步增压液化精馏制取食品级高纯CO₂，而且收率可以高达90％。

实施例3

一种采用实施例1的低浓度CO₂提纯装置的提纯方法，操作方法和实施例2相似，不同的是，CO₂浓度为15.0％。

对比例1：采用现有技术常用的膜分离方法，如膜分离仅采用第一膜分离器105进行提纯，对浓度为33.0％的水泥窑尾烟低浓度CO₂进行提纯，各个实施例检测结果如下表1所示：

表1

组别	原料气体CO<sub>2</sub>含量	CO<sub>2</sub>纯度	收率
				实施例2	33.0％	≥99.9％	≥90.0％
实施例3	15.0％	≥98％	≥80.0％
				对比例1	33.0％	≤95.0％	≥70.0％

本实用新型的低浓度CO₂提纯装置能够将15％以上的低浓度CO₂提纯到98％以上的纯度，CO₂收率达到80％以上。

要说明的是，以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，其特征在于：包括气罐(101)，气罐(101)的一侧依次和风机(102)、冷凝器(103)、过滤器(104)、第一膜分离器(105)连接，第一膜分离器(105)的另一端和压缩机(106)连接，第二膜分离器(107)的一端和压缩机(106)连接，另一端通过调节阀(108)连接第一膜分离器(105)的入口，CO₂含量检测仪(109)和第二膜分离器(107)连接，CO₂含量检测仪(109)一侧的管路上分别设有控制阀。

2.如权利要求1所述的一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，其特征在于：所述控制阀包括出气阀门(PV101)和回气阀门(PV102)。

3.如权利要求2所述的一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，其特征在于：所述出气阀门(PV101)所在管路为排出管，回气阀门(PV102)所在管路连接压缩机(106)入口。

4.如权利要求1所述的一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，其特征在于：所述CO₂含量检测仪(109)设置在第二膜分离器(107)渗透气管路上，CO₂含量检测仪(109)采用红外激光吸收式传感器。

5.如权利要求4所述的一种水泥窑尾烟低浓度CO₂回收提纯设备，其特征在于：所述第二膜分离器(107)尾气通过调节阀(108)返回第一膜分离器(105)入口。