CN217490329U - 一种基于离子液体的co2捕集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于离子液体的CO₂捕集系统，包括烟气入口、压缩系统、吸收塔、第一换热器、闪蒸器、贫液泵及第二换热器；烟气入口经压缩系统与吸收塔的吸收塔烟气入口相连通，吸收塔的顶部设置有吸收塔烟气出口，吸收塔底部的吸收塔富液出口经第一换热器与闪蒸器的入口相连通，闪蒸器的顶部设置有闪蒸器气体出口，闪蒸器底部的闪蒸器液体出口经贫液泵及第二换热器与吸收塔顶部侧面的吸收塔贫液入口相连通，该系统具有热耗低的特点。

Description

一种基于离子液体的CO2捕集系统

技术领域

本实用新型属于二氧化碳减排技术领域，涉及一种富二氧化碳气流的脱碳处理系统，具体涉及一种基于离子液体的CO₂捕集系统。

背景技术

随着全球变暖的日益加剧，极端天气等气候变化已经严重威胁人类赖以生存的地球环境。根据联合国气候变化委员会(IPCC)报告，CO₂导致的温室效应占全球温室气体的60％，这使得减少CO₂排放成为应对气候变暖的重要手段。全球CO₂年排放量巨大，仅我国每年生产的CO₂就达到50×10⁸t以上。习总书记提出的“3060”减排目标，对我国的CO₂减排技术发展提出了新的要求。截至2020年年底，全国口径煤电装机容量占总装机容量的49.1％。燃煤电厂CO₂排放占全国总排放量的40-50％，是我国最大的CO₂排放单一来源，也是减排CO₂最值得关注的领域。

二氧化碳的捕集与封存(CCS)技术可以将能源与工业行业产生的CO₂收集并储存起来，被认为是减少温室气体排放的有效手段。目前，燃煤电厂中主流的CO₂的捕集工艺可以分为燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集三类。燃烧前捕集以煤气化联合循环(IGCC)技术为基础，捕集能耗低，但是无法应用在传统电厂。富氧燃烧捕集通过以純氧为氧化剂，提高烟气中的CO₂含量，但由于制氧成本高，导致经济性较差。燃烧后捕集可以直接应用于传统电厂，通过在烟气处理系统中加入CO₂捕集装置，对烟气中的CO₂进行吸收。这种捕集技术原理简单，对现有电站继承性好，并且也可以应用于吸收工业源CO₂，是目前应用最广，也是市场前景最好的捕集技术路线。

燃烧后捕集技术按照吸收机理和吸收介质的不同，又可以分为物理吸收法、化学吸收法、膜分离法、化学链分离法等等，其中只有物理吸收法和化学吸收法已经实现大规模的工业化使用。物理吸收法是通过溶剂对CO₂的溶解作用进行吸收，CO₂与溶剂之间不发生化学反应。这种方法能耗较低，溶剂选择性好，无腐蚀且性能稳定。但要求CO₂分压较高，不适用于电厂烟气中CO₂的捕集。化学吸收法利用CO₂的弱酸性，通过碱性物质进行吸收，然后加热使其分解脱附。其主要优点是吸收速度快、净化度高，CO₂回收率高，CO₂分压对其吸收能力影响不大。烷基醇胺的水溶液是目前电厂烟气中常用的CO₂吸收剂，主要有包括乙醇胺MEA、二乙醇胺DEA等。

虽然醇胺法是目前电厂中普遍使用的CO₂吸收方法，但是由于燃煤电厂尾气中的CO₂含量低(10-20％)，且体系成分复杂，导致能耗高，减排成本高昂，基础醇胺法捕集工艺中再生能耗达到3.7-4.0GJ/t CO₂。虽然通过工艺改进，增加换热器、级间冷却、富液分级流、蒸汽机械再压缩等系统使再生能耗得以降低，但是又造成设备体积庞大、流程复杂。此外还存在溶剂损失大、设备腐蚀严重、容易造成二次污染等缺陷。因此，开发高效绿色的新型吸收介质，以及创新捕集技术和工艺，是推广CCS技术、实现CO₂减排的关键。

由有机阴阳离子组成的盐类化合物离子液体作为一种潜在CO₂捕集介质，受到了广泛关注。离子液体可以有效溶解CO₂，并具有不挥发性、可设计性和高选择性等特点，从而降低捕集过程的能耗和环境污染。研究表明，通过在离子中引入特定结构的官能团，相比醇胺吸收法可以降低30％的再生能耗。目前，对于离子液体作为碳捕集介质的研究主要集中在对于离子液体结构(CN201710905014)或者添加剂体系(CN201310031336、CN201610689193、CN201910393731)的开发，少数针对捕集工艺的研究也只关注通过加热或汽提实现热解吸(CN201110437154、CN201811023173)，或者附加的余热利用方面(CN201811424717)。这些技术只是将醇胺法中的介质用离子液体进行替代，未能充分发挥离子液体与CO₂之间的亲和性优势，由于离子液体的热容比醇胺水溶液要高得多，采用热解吸的方式对于体系热耗是不利的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于离子液体的CO₂捕集系统，该系统具有热耗低的特点。

为达到上述目的，本实用新型所述的基于离子液体的CO₂捕集系统包括烟气入口、压缩系统、吸收塔、第一换热器、闪蒸器、贫液泵及第二换热器；

烟气入口经压缩系统与吸收塔的吸收塔烟气入口相连通，吸收塔的顶部设置有吸收塔烟气出口，吸收塔底部的吸收塔富液出口经第一换热器与闪蒸器的入口相连通，闪蒸器的顶部设置有闪蒸器气体出口，闪蒸器底部的闪蒸器液体出口经贫液泵及第二换热器与吸收塔顶部侧面的吸收塔贫液入口相连通。

所述压缩系统包括若干级压缩机，各级压缩机之间串联连接，且相邻两级压缩机之间设置有间冷器。

所述吸收塔为填料吸收塔。

压缩系统出口处的烟气压力为1-10MPa。

压缩系统出口处的烟气温度为283-500K。

第一换热器出口处的富液温度为283-373K。

闪蒸器的闪蒸压力为0.001-0.2MPa。

吸收塔贫液入口处的贫液压力为1-10MPa；吸收塔贫液入口处的贫液温度为283-373K。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述的基于离子液体的CO₂捕集系统在具体操作时，采用离子液体作为脱碳介质，利用CO₂在离子液体中的物理溶解过程实现CO₂的吸收，使吸收过程不再受到化学吸收过程中反应平衡的限制，从而提高脱碳效率。另外，本实用新型通过物理吸收的方式进行碳捕集，只需要经过闪蒸器减压闪蒸即可实现CO₂的解吸，从而降低再生能耗，全系统的能耗也显著小于化学吸收法所需要的能耗。另外，本实用新型采用离子液体作为捕集介质，利用离子液体沸点高、不挥发等特点，在捕集流程尤其是再生过程中几乎没有介质损失，不需要额外安装介质回收设备，即可有效减少捕集介质的消耗，从而大幅降低补充捕集介质所造成的运行成本。同时，由于离子液体稳定性高，同时降低对捕集系统设备的腐蚀，和相应的维护费用。最后，本实用新型中的捕集系统以吸收塔及闪蒸罐为核心，通过压缩系统及贫液泵实现碳捕集循环，系统设备及工艺流得以实现简化。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

其中，1为烟气入口、2为压缩系统、3为吸收塔、4为第一换热器、5为闪蒸器、6为贫液泵、7为第二换热器、3a为吸收塔烟气入口、3b为吸收塔贫液入口、3c为吸收塔烟气出口、3d为吸收塔富液出口、5a为闪蒸器气体出口、5b为闪蒸器液体出口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本实用新型公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本实用新型公开的概念。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

在附图中示出了根据本实用新型公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

实施例一

参考图1，本实用新型所述的基于离子液体的CO₂捕集系统包括烟气入口1、压缩系统2、吸收塔3、第一换热器4、闪蒸器5、贫液泵6及第二换热器7；

烟气入口1经压缩系统2与吸收塔3的吸收塔烟气入口3a相连通，吸收塔3的顶部设置有吸收塔烟气出口3c，吸收塔3底部的吸收塔富液出口3d经第一换热器4与闪蒸器5的入口相连通，闪蒸器5的顶部设置有闪蒸器气体出口5a，闪蒸器5底部的闪蒸器液体出口5b经贫液泵6及第二换热器7与吸收塔3顶部侧面的吸收塔贫液入口3b相连通。

具体的，所述压缩系统2包括若干级压缩机，各级压缩机之间串联连接，且相邻两级压缩机之间设置有间冷器。

所述吸收塔3为填料吸收塔。

本实用新型的工作过程为：

1)经过脱硫脱硝除尘后的含CO₂烟气进入压缩系统2进行逐级加压，其中，加压后的高温烟气通过相邻两级压缩机之间的间冷器进行逐级冷却，以形成高压低温烟气；

2)所述高压低温烟气经吸收塔烟气入口3a进入到吸收塔3内，再在吸收塔3内，与贫液逆流接触，使得烟气中的CO₂被离子液体吸收，吸收CO₂后的富液从吸收塔富液出口3d流出，再经第一换热器4吸热后进入到闪蒸器5中，再在闪蒸器5中通过绝热降压闪蒸形成气液两相，其中，形成的气相主要是CO₂气体，经闪蒸器气体出口5a排出，形成的液相，即贫液，则经闪蒸器液体出口5b排出，然后经贫液泵6加压形成高压贫液，再经第二换热器7换热升温后从吸收塔贫液入口3b进入到吸收塔3内，实现吸收介质离子液体的循环利用，吸收塔3中的烟气最终经吸收塔烟气出口3c排出。

压缩系统2出口处的烟气压力为1-10MPa，优选的，为3-6MPa，压缩系统2出口处的烟气温度为283-500K，优选的，为298-358K。

所述贫液为由阴阳离子构成的化合物。其中，阳离子为咪唑离子、苯并咪唑离子、吡啶离子、吡咯离子、季铵离子、季磷离子、锍离子及其衍生物中的一种或几种；阴离子为卤离子、硝酸根、硫酸(氢)根、磷酸(氢)根、PF₆ ^-、BF₄ ^-、MX_p ^-(X为卤素，M为Fe\Sn\Ni\Cu等金属)、双氰胺离子、甲磺酸根、对甲基苯磺酸根、双三氟甲磺酰亚胺阴离子，甲酸根、乙酸根、乳酸根及其衍生物中的一种或几种。

第一换热器4出口处的富液温度为283-373K，优选的，为293-343K。

闪蒸器5的闪蒸压力为0.001-0.2MPa，优选的，为0.01-0.1MPa。

吸收塔贫液入口3b处的贫液压力为1-10MPa，优选的，为3-6MPa，吸收塔贫液入口3b处的贫液温度为283-373K，优选的，为298-358K。

实施例二

本实施例中经过脱硫脱硝除尘后，含14％摩尔分数的CO₂的245kmol/h烟气进入压缩系统2，经过多级压缩机逐级加压至5.0MPa，加压后的高温烟气通过压缩机之间的间冷器逐级冷却至303K，形成高压低温的烟气离开压缩系统2。烟气进入吸收塔烟气入口3a，在吸收塔3中，与500kmol/h离子液体1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺[hmim][Tf₂N]贫液逆流接触，烟气中的CO₂从气相进入液相被离子液体吸收。脱碳后的烟气从吸收塔烟气出口3c排出，吸收CO₂后的富液从吸收塔富液出口3d排出，再经第一换热器4换热冷却至303K后进入闪蒸器5。吸收CO₂的富液在闪蒸器5中绝热减压闪蒸至0.1MPa，以形成气液两相，其中，气相主要为CO₂气体，从闪蒸器气体出口5a排出，液相为脱除CO₂之后的贫液，主要成分为离子液体，从闪蒸器液体出口5b流出，脱除CO₂的贫液通过贫液泵6重新加压至5.0MPa形成高压贫液，再经第二换热器7换热至303K，重新经吸收塔贫液入口3b进入到吸收塔3中，实现吸收介质离子液体的循环利用。

脱碳后烟气中CO₂的摩尔浓度为2.1％，闪蒸器液体出口5b处的离子液体纯度为99％，离子液体的损耗小于1×10^-6，全系统能耗为2.9GJ/t CO₂。

实施例三

本实施例与实施例二的区别在于：多级压缩机将烟气加压至4.0MPa，贫液通过贫液泵6加压至4.0MPa。脱碳后烟气中CO₂的摩尔浓度为2.7％，闪蒸器液体出口5b处的离子液体纯度为99％，离子液体损耗小于1×10^-5kmol/h，全系统能耗为2.7GJ/t CO₂。

实施例四

本实施例与实施例二的区别在于：高压贫液换热至323K再重新进入吸收塔3中，脱碳后烟气中CO₂的摩尔浓度为2.6％，闪蒸器液体出口5b处的离子液体纯度为99％，离子液体损耗小于1×10^-5kmol/h，全系统能耗为2.9GJ/t CO₂。

实施例五

本实施例与实施例二的区别在于：离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺[emim][Tf₂N]，脱碳后烟气中CO₂的摩尔浓度为2.5％，闪蒸器液体出口5b处的离子液体纯度为99％，离子液体损耗小于1×10^-5kmol/h，全系统能耗为2.1GJ/t CO₂。

实施例六

本实施例与实施例二的区别在于：闪蒸器5中绝热减压闪蒸至0.01MPa。脱碳后烟气中CO₂的摩尔浓度为2.1％，闪蒸器液体出口5b的离子液体纯度为99.9％，离子液体损耗小于1×10^-5kmol/h，全系统能耗为2.9GJ/t CO₂。

对比例一

本对比例与实施例二的区别在于：多级压缩机将烟气加压至0.5MPa，贫液通过贫液泵6加压至0.5MPa，脱碳后烟气中CO₂的摩尔浓度为12.8％。

对比例二

本对比例与实施例二的区别在于：高压贫液换热至393K再重新进入吸收塔3中，脱碳后烟气中CO₂的摩尔浓度为7.9％。

对比例三

本对比例与实施例二的区别在于：闪蒸器5中绝热减压闪蒸至0.3MPa。闪蒸器液体出口5b的离子液体纯度为96％。

Claims (8)

1.一种基于离子液体的CO₂捕集系统，其特征在于，包括烟气入口(1)、压缩系统(2)、吸收塔(3)、第一换热器(4)、闪蒸器(5)、贫液泵(6)及第二换热器(7)；

烟气入口(1)经压缩系统(2)与吸收塔(3)的吸收塔烟气入口(3a)相连通，吸收塔(3)的顶部设置有吸收塔烟气出口(3c)，吸收塔(3)底部的吸收塔富液出口(3d)经第一换热器(4)与闪蒸器(5的入口相连通，闪蒸器(5)的顶部设置有闪蒸器气体出口(5a)，闪蒸器(5)底部的闪蒸器液体出口(5b)经贫液泵(6)及第二换热器(7)与吸收塔(3)顶部侧面的吸收塔贫液入口(3b)相连通。

2.根据权利要求1所述的基于离子液体的CO₂捕集系统，其特征在于，所述压缩系统(2)包括若干级压缩机，各级压缩机之间串联连接，且相邻两级压缩机之间设置有间冷器。

3.根据权利要求1所述的基于离子液体的CO₂捕集系统，其特征在于，所述吸收塔(3)为填料吸收塔。

4.根据权利要求1所述的基于离子液体的CO₂捕集系统，其特征在于，压缩系统(2)出口处的烟气压力为1-10MPa。

5.根据权利要求1所述的基于离子液体的CO₂捕集系统，其特征在于，压缩系统(2)出口处的烟气温度为283-500K。

6.根据权利要求1所述的基于离子液体的CO₂捕集系统，其特征在于，第一换热器(4)出口处的富液温度为283-373K。

7.根据权利要求1所述的基于离子液体的CO₂捕集系统，其特征在于，闪蒸器(5)的闪蒸压力为0.001-0.2MPa。

8.根据权利要求1所述的基于离子液体的CO₂捕集系统，其特征在于，吸收塔贫液入口(3b)处的贫液压力为1-10MPa；吸收塔贫液入口(3b)处的贫液温度为283-373K。

Images