CN216935391U - 基于膜电渗析的co2捕集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于膜电渗析的CO2捕集系统，包括：CO2吸收塔、酸洗塔、双极膜CO2解吸装置、吸收剂浓缩装置、酸洗液浓缩装置、双极膜酸洗液再生装置、吸收剂储罐、水平衡罐和气液分离器。本实用新型的有益效果是：本实用新型针对CO2捕集系统蒸汽消耗高和挥发性有机胺排放严重等问题，提出基于膜电渗析的CO2捕集系统，一方面设有用于解吸吸收剂富液中的CO2的双极膜二氧化碳解吸装置，避免了传统化学吸收热再生工艺中大量蒸汽消耗；另一方面，设有用于回收挥发性有机胺的酸洗塔，实现超低水平的挥发性有机胺排放；还设有双极膜二氧化碳解吸装置，实现酸洗液的再生和可循环利用；本实用新型能大幅度降低CO2捕集成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及二氧化碳捕集技术领域，尤其包括一种基于膜电渗析的CO2捕集系统。
背景技术
燃煤电厂是我国最大的二氧化碳(CO2)排放源，当前我国CO2排放约100亿吨/年，其中火电行业CO2排放量约占总量的45％。二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是目前实现化石能源低碳化利用的重要技术选择，是实现煤电碳减排、保持电力系统灵活性的主要技术手段。
基于有机胺吸收剂的化学吸收法是目前唯一可大规模应用于燃煤电厂烟气CO2捕集的技术路线，美国、加拿大等已完成百万吨级/年燃煤电厂CO2捕集装置运行，国内已建成15万吨 /年燃煤电厂CO2捕集示范工程。但CO2解吸过程(温度约120℃)需要消耗电厂大量低温蒸汽，导致CO2捕集成本较高，目前CO2的价格为约300～450元/吨。
另一方面，由于有机胺具有挥发性，吸收塔出口温度升高(由于CO2吸收反应放热)，有机胺挥发损失严重，导致碳捕集成本增加。现场试验与模拟结果表明，30％MEA在吸收塔出口的损失量高达215～425mg/m3，将导致CO2捕集成本增加18～40元/吨CO2(MEA成本约2万元 /吨)。
近年来，国内外学者提出将1-氨基-2-甲基-2-丙醇、二乙氨基乙醇、N-乙基乙醇胺等较长烷烃的有机胺(碳链4～6)用作CO2吸收剂，如CN108079746A、CN106984152A、CN110052117A 及论文(10.1016/j.ijggc.2014.07.002)等，有利于提高CO2吸收速率和吸收容量。但这些有机胺的挥发性显著增加(416～2429mg/m3)，且价格较高(约5～10万元/吨)，由于挥发性有机胺排放导致CO2捕集成本增加100～300元/吨CO2。挥发性有机胺排放到大气中，会形成气溶胶等污染物，导致严重的环境污染，有机胺在空气中氧化还会形成亚硝酸盐等致癌物。
国内外学者提出多种工艺和方法控制CO2捕集系统的挥发性有机胺排放。公布号为 CN111203086A的专利公开了两级水洗装置，降低CO2捕集系统的挥发性有机胺排放，但二级水洗装置导致投资成本增加，水耗增加，且挥发的有机胺转移至液相污染物，未从根本上控制污染物。论文(10.1016/j.egypro.2013.06.056)提出通过设置多级水洗工艺，可将MEA 的挥发排放降低至3ppm，但是系统水耗极大，运行成本较高。论文 (10.1016/j.ijggc.2014.06.022)提出吸收塔出口加装纤维除雾器，可将MEA排放降至4mg/m3，但装置的压降较大(5kPa)，影响吸收塔内CO2吸收速率和吸收容量。论文 (10.1016/j.egypro.2014.11.100)提出吸收塔出口设干床吸附，挥发性有机胺排放可降低90％，但该吸附装置的投资费用较高，长时间运行效果变差。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于膜电渗析的CO2捕集系统。
这种基于膜电渗析的CO2捕集系统，包括：CO2吸收塔、酸洗塔、双极膜CO2解吸装置、吸收剂浓缩装置、酸洗液浓缩装置、双极膜酸洗液再生装置、吸收剂储罐、水平衡罐和气液分离器；
CO2吸收塔下部设有烟气进口，CO2吸收塔顶部设有吸收塔烟气出口，吸收塔烟气出口通过烟气管道连接至酸洗塔的烟气进口；CO2吸收塔底部的吸收剂富液管道连接至双极膜CO2解吸装置的盐室进口；
双极膜CO2解吸装置的酸室出口通过管道连接气液分离器的进口，气液分离器的液体出口通过管道连接水平衡罐；双极膜CO解吸装置的盐室出口通过管道连接吸收剂储罐的入口；吸收剂储罐的出口通过吸收剂稀液管道连接吸收剂浓缩装置的进口，吸收剂浓缩装置的上部设有吸收剂浓室出口；吸收剂浓缩装置的浓室出口通过管道连接CO2吸收塔的吸收剂进口，吸收剂浓缩装置的淡室出口通过管道连接水平衡罐；
酸洗塔的顶部设有净烟气出口，酸洗塔的上部设酸洗液进口，酸洗塔底部设有酸洗液出口；酸洗液出口通过管道连接酸洗液浓缩装置的进口；酸洗液浓缩装置的浓室出口通过管道连接双极膜酸洗液再生装置的进口，酸洗液浓缩装置的淡室出口通过管道连接水平衡罐；
双极膜酸洗液再生装置的酸室出口通过管道经冷却器连接至酸洗塔的酸洗液进口；双极膜酸洗液再生装置的盐室出口通过管道连接吸收剂储罐，在双极膜酸洗液再生装置和吸收剂储罐之间的连接管道上，接入来自水平衡罐的补充水管道。
作为优选，气液分离器的高纯气体出口作为捕集的CO2气体输出口；气液分离器的液体出口作为冷却水输出口。
作为优选，CO2吸收塔为填料塔、板式塔或膜接触器；CO2吸收塔下部的烟气进口1处设有气体分布器，CO2吸收塔上部的吸收剂进口处设有液体分布器；酸洗塔为空塔、填料塔、板式塔或膜接触器；酸洗塔下部烟气进口处设有气体分布器，酸洗塔上部酸洗塔的酸洗液进口处设有液体分布器。
作为优选，双极膜CO2解吸装置为双极膜电渗析装置，包括电源、阳极板、阴极板、膜堆、用于进行料液循环的料液循环系统、用于进行酸液循环的酸液循环系统和用于进行电极液循环的电极液循环系统；阳极板和阴极板分别连接稳流电源的正极和负极，膜堆固定在阳极板和阴极板之间；双极膜CO2解吸装置内还设有极液罐、极液罐和酸液罐；
膜堆为BP-A-BP型二隔室构型，以双极膜为起始和终止，膜堆中间由若干组重复单元的阴离子交换膜和双极膜依次交替叠加并设有流道隔板，重复单元组数≥1；阳极板与最靠近阳极板的双极膜之间形成阳极室，阴极板与最靠近阴极板的双极膜之间形成阴极室，双极膜和阴离子交换膜之间形成至少一组重复单元的酸室和盐室；
阳极室和阴极室与极液罐相连通，盐室与极液罐相连通；酸室与酸液罐相连通；
双极膜CO2解吸装置前设有离子交换柱作为预处理装置，双极膜CO2解吸装置内设有吸附螯合树脂作为交换剂层；
双极膜酸洗液再生装置的内部结构及与其他部件的连接关系与双极膜酸洗液再生装置相同。
作为优选，吸收剂浓缩装置为电渗析装置、反渗透装置和膜蒸馏装置中的至少一种；酸洗液浓缩装置也为电渗析装置、反渗透装置和膜蒸馏装置中的至少一种。
本实用新型的有益效果是：本实用新型设有用于回收挥发性有机胺的酸洗塔，还设置了双极膜二氧化碳解吸装置，用于实现常温或者低温下解吸二氧化碳，避免了传统化学吸收热再生装置中大量蒸汽消耗的缺陷；双极膜二氧化碳解吸装置还用于再生酸液，实现酸液的循环利用以及对吸收剂的回收。
附图说明
图1为基于膜电渗析的CO2捕集系统示意图；
附图标记说明：1-烟气进口；2-CO2吸收塔；201-吸收塔烟气出口；202-吸收剂富液管道；3-酸洗塔；301-净烟气出口；302-酸洗液出口；4-双极膜CO2解吸装置；401-双极膜CO2解吸装置的酸室出口；402-双极膜CO2解吸装置的盐室出口；5-气液分离器；501-气液分离器的高纯气体出口；502-气液分离器的液体出口；6-水平衡罐；601-水平衡罐的补充水管道；7-吸收剂储罐；701-吸收剂稀液管道；8-吸收剂浓缩装置；801-吸收剂浓室出口；802-吸收剂浓缩装置的淡室出口；9-酸洗液浓缩装置；901-酸洗液浓缩装置的浓室出口；902-酸洗液浓缩装置的淡室出口；10-双极膜酸洗液再生装置；1001-双极膜酸洗液再生装置的酸室出口；1002- 双极膜酸洗液再生装置的盐室出口；11-冷却器；1101-酸洗液进口。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供了一种如图1所示的基于膜电渗析的CO2捕集系统，包括：CO2吸收塔2、酸洗塔3、双极膜CO2解吸装置4、吸收剂浓缩装置8、酸洗液浓缩装置9、双极膜酸洗液再生装置10、吸收剂储罐7、水平衡罐6和气液分离器5；
CO2吸收塔2下部设有烟气进口1，CO2吸收塔2顶部设有吸收塔烟气出口201，吸收塔烟气出口201通过烟气管道连接至酸洗塔3的烟气进口；CO2吸收塔2底部的吸收剂富液管道202 连接至双极膜CO2解吸装置的盐室进口；
双极膜CO2解吸装置的酸室出口401通过管道连接气液分离器5的进口，气液分离器的液体出口502通过管道连接水平衡罐6；双极膜CO2解吸装置的盐室出口402通过管道连接吸收剂储罐7的入口；吸收剂储罐7的出口通过吸收剂稀液管道701连接吸收剂浓缩装置8的进口，吸收剂浓缩装置8的上部设有吸收剂浓室出口801；吸收剂浓缩装置8的浓室出口通过管道连接CO2吸收塔(2)的吸收剂进口，吸收剂浓缩装置的淡室出口802通过管道连接水平衡罐6；
酸洗塔3的顶部设有净烟气出口301，酸洗塔3的上部设酸洗液进口，酸洗塔3底部设有酸洗液出口302；酸洗液出口302通过管道连接酸洗液浓缩装置9的进口；酸洗液浓缩装置的浓室出口901通过管道连接双极膜酸洗液再生装置10的进口，酸洗液浓缩装置的淡室出口902通过管道连接水平衡罐6；
双极膜酸洗液再生装置的酸室出口1001通过管道经冷却器11连接至酸洗塔的酸洗液进口1101；双极膜酸洗液再生装置的盐室出口1002通过管道连接吸收剂储罐7，在双极膜酸洗液再生装置10和吸收剂储罐7之间的连接管道上，接入来自水平衡罐的补充水管道601。
气液分离器的高纯气体出口501作为捕集的CO2气体输出口；气液分离器的液体出口502 作为冷却水输出口。
CO2吸收塔2为填料塔、板式塔或膜接触器；CO2吸收塔2下部的烟气进口1处设有气体分布器，CO2吸收塔2上部的吸收剂进口设有液体分布器；酸洗塔3为空塔、填料塔、板式塔或膜接触器；酸洗塔3下部烟气进口处设有气体分布器，酸洗塔3上部酸洗塔的酸洗液进口设有液体分布器。
双极膜CO2解吸装置4为双极膜电渗析装置，包括电源、阳极板、阴极板、膜堆、用于进行料液循环的料液循环系统、用于进行酸液循环的酸液循环系统和用于进行电极液循环的电极液循环系统；阳极板和阴极板分别连接稳流电源的正极和负极，膜堆固定在阳极板和阴极板之间；双极膜CO2解吸装置4内还设有极液罐、极液罐和酸液罐；
膜堆为BP-A-BP型二隔室构型，以双极膜为起始和终止，膜堆中间由若干组重复单元的阴离子交换膜和双极膜依次交替叠加并设有流道隔板，重复单元组数≥1；阳极板与最靠近阳极板的双极膜之间形成阳极室，阴极板与最靠近阴极板的双极膜之间形成阴极室，双极膜和阴离子交换膜之间形成至少一组重复单元的酸室和盐室；
阳极室和阴极室与极液罐相连通，电极液由驱动泵驱动并形成循环流动，构成所述电极液循环系统；盐室与极液罐相连通，料液由驱动泵驱动并形成循环流动，构成所述料液循环系统；酸室与酸液罐相连通，酸液由驱动泵驱动并形成循环流动，构成所述酸液循环系统；
双极膜CO2解吸装置4前设有离子交换柱作为预处理装置，双极膜CO2解吸装置4内设有吸附螯合树脂作为交换剂层，用于将吸收剂富液进行深度软化和降低重离子含量的预处理。
吸收剂浓缩装置8为电渗析装置、反渗透装置和膜蒸馏装置中的至少一种；酸洗液浓缩装置9也为电渗析装置、反渗透装置和膜蒸馏装置中的至少一种。
实施例二
在实施例一的基础上，本申请实施例二提供了实施例一中基于膜电渗析的CO2捕集系统的应用：
温度25℃，CO2吸收剂为一乙醇胺(MEA)的水溶液，质量分数为30％。模拟烟气为氮气与二氧化碳的混合气，压力为常压，CO2体积浓度为12％，混合气先经过水洗达到湿饱和状态，再进入CO2吸收塔。吸收塔底部出口的吸收剂富液中CO2的负荷为0.48mol CO2/molMEA。
将吸收剂富液通入双极膜CO2解吸装置的盐室入口，双极膜CO2解吸装置为10组重复单元，设定工作电压25V，工作电流为9.5A，流量为1.5L/min，盐室和酸室的初始体积均为400 mL，其中酸室初始液为纯水，电极液为0.2mol/L的硫酸钠溶液。
如下表1所示，仪器运行后的5分钟后，酸室开始出现大量气泡，发生CO2解吸。盐室电导率逐渐下降，酸室电导率逐渐上升，如下表所示。电渗析装置运行70分钟后，酸室气泡逐渐消失。
表1 双极膜电渗析CO2解吸实验运行情况表
经分析检测，盐室吸收剂浓度大幅下降，实验结果后，经阳离子色谱定量分析，盐室pH 呈碱性，为再生后的MEA水溶液，MEA浓度为2.02mol/L。酸室中MEA浓度为1.29mol/L。
Claims (5)
1.一种基于膜电渗析的CO2捕集系统，其特征在于，包括：CO2吸收塔(2)、酸洗塔(3)、双极膜CO2解吸装置(4)、吸收剂浓缩装置(8)、酸洗液浓缩装置(9)、双极膜酸洗液再生装置(10)、吸收剂储罐(7)、水平衡罐(6)和气液分离器(5)；
CO2吸收塔(2)下部设有烟气进口(1)，CO2吸收塔(2)顶部设有吸收塔烟气出口(201)，吸收塔烟气出口(201)通过烟气管道连接至酸洗塔(3)的烟气进口；CO2吸收塔(2)底部的吸收剂富液管道(202)连接至双极膜CO2解吸装置(4)的盐室进口；
双极膜CO2解吸装置的酸室出口(401)通过管道连接气液分离器(5)的进口，气液分离器的液体出口(502)通过管道连接水平衡罐(6)；双极膜CO2解吸装置的盐室出口(402)通过管道连接吸收剂储罐(7)的入口；吸收剂储罐(7)的出口通过吸收剂稀液管道(701)连接吸收剂浓缩装置(8)的进口，吸收剂浓缩装置(8)的上部设有吸收剂浓室出口(801)；吸收剂浓缩装置(8)的吸收剂浓室出口(801)通过管道连接CO2吸收塔(2)的吸收剂进口，吸收剂浓缩装置的淡室出口(802)通过管道连接水平衡罐(6)；
酸洗塔(3)的顶部设有净烟气出口(301)，酸洗塔(3)的上部设酸洗液进口(1101)，酸洗塔(3)底部设有酸洗液出口(302)；酸洗液出口(302)通过管道连接酸洗液浓缩装置(9)的进口；酸洗液浓缩装置的浓室出口(901)通过管道连接双极膜酸洗液再生装置(10)的进口，酸洗液浓缩装置的淡室出口(902)通过管道连接水平衡罐(6)；
双极膜酸洗液再生装置的酸室出口(1001)通过管道经冷却器(11)连接至酸洗塔的酸洗液进口(1101)；双极膜酸洗液再生装置的盐室出口(1002)通过管道连接吸收剂储罐(7)，在双极膜酸洗液再生装置(10)和吸收剂储罐(7)之间的连接管道上，接入来自水平衡罐的补充水管道(601)。
2.根据权利要求1所述基于膜电渗析的CO2捕集系统，其特征在于：气液分离器的高纯气体出口(501)作为捕集的CO2气体输出口；气液分离器的液体出口(502)作为冷却水输出口。
3.根据权利要求1所述基于膜电渗析的CO2捕集系统，其特征在于：CO2吸收塔(2)为填料塔、板式塔或膜接触器；CO2吸收塔(2)下部的烟气进口(1)处设有气体分布器，CO2吸收塔(2)上部的吸收剂进口处设有液体分布器；酸洗塔(3)为空塔、填料塔、板式塔或膜接触器；酸洗塔(3)下部烟气进口处设有气体分布器，酸洗塔(3)上部酸洗塔的酸洗液进口(1101)处设有液体分布器。
4.根据权利要求1所述基于膜电渗析的CO2捕集系统，其特征在于：
双极膜CO2解吸装置(4)为双极膜电渗析装置，包括电源、阳极板、阴极板、膜堆、用于进行料液循环的料液循环系统、用于进行酸液循环的酸液循环系统和用于进行电极液循环的电极液循环系统；阳极板和阴极板分别连接稳流电源的正极和负极，膜堆固定在阳极板和阴极板之间；双极膜CO2解吸装置(4)内还设有极液罐、极液罐和酸液罐；
膜堆为BP-A-BP型二隔室构型，以双极膜为起始和终止，膜堆中间由若干组重复单元的阴离子交换膜和双极膜依次交替叠加并设有流道隔板，重复单元组数≥1；阳极板与最靠近阳极板的双极膜之间形成阳极室，阴极板与最靠近阴极板的双极膜之间形成阴极室，双极膜和阴离子交换膜之间形成至少一组重复单元的酸室和盐室；
阳极室和阴极室与极液罐相连通，盐室与极液罐相连通；酸室与酸液罐相连通；
双极膜CO2解吸装置(4)前设有离子交换柱作为预处理装置，双极膜CO2解吸装置(4)内设有吸附螯合树脂作为交换剂层；
双极膜酸洗液再生装置(10)的内部结构及与其他部件的连接关系与双极膜酸洗液再生装置(10)相同。
5.根据权利要求1所述基于膜电渗析的CO2捕集系统，其特征在于：吸收剂浓缩装置(8)为电渗析装置、反渗透装置和膜蒸馏装置中的至少一种；酸洗液浓缩装置(9)也为电渗析装置、反渗透装置和膜蒸馏装置中的至少一种。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114534488A (zh) * | 2022-03-22 | 2022-05-27 | 浙江浙能技术研究院有限公司 | 一种基于膜电渗析的co2捕集系统及方法 |
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