CN218781511U - 一种co2的提纯装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种CO2的提纯装置，涉及气体分离提纯技术领域，其包括第一闪蒸分离器、换热器、第一压缩机、制冷机组、精馏塔和蒸发器；第一闪蒸分离器的中部具有原料气进口，第一闪蒸分离器底部的液相出口与第一压缩机的入口连通，第一压缩机的出口与制冷机组的入口端连通，制冷机组的出口端与精馏塔的上部连通，精馏塔底部的液相出口与蒸发器连通，蒸发器顶部的气相出口与精馏塔的下部连通，蒸发器底部的液相出口用于排出CO2液态产品。本实用新型一方面对原料气中CO2的纯度要求较低，适用于富氧燃烧烟气采用S/N/Hg一体化脱除技术后的低纯度CO2烟气混合物的液化提纯，另一方面又具有装置的能耗低、循环水消耗小的特点。

Description

一种CO2的提纯装置
技术领域
本实用新型涉及气体分离提纯技术领域，尤其是涉及一种CO2的提纯装置。
背景技术
富氧燃烧是一种燃烧中实现对二氧化碳的捕集、利用与封存的技术，理论上其干烟气下CO2的浓度可高达70%～90%，便于进行CO2的压缩与分离；富氧燃烧烟气中的杂质气体大部分为氮气，此外含有少量的水分、氧气、氩气及硫化物、氮氧化物、汞等污染物，这些污染物及杂质气体严重影响了CO2的运输、利用和埋存，需净化去除。
S/N/Hg一体化脱除技术，利用富氧燃烧烟气在压缩过程中实现SO2、NOx和Hg协同脱除；该一体化脱除技术因能够有效利用压缩过程中的能量，无需加装传统脱硫、脱硝装置，并且可以回收硫酸及硝酸产品，以及同时进行Hg的脱除，降低了富氧燃烧的运行成本，而被广泛接受；然而，在通过该一体化脱除技术脱除富氧燃烧烟气的污染物并干燥脱水后，得到的CO2烟气混合物中仍含有氮气、氧气、氩气等杂质，CO2的纯度不高，需近一步进行提纯。
传统的CO2提纯及液化装置将原料气通过制冷循环系统进行预冷和液化，然后节流到一定压力进入精馏塔精馏，精馏塔的塔顶带有冷凝器、塔底带有再沸器，在再沸器底部能够获得CO2液体产品，位于精馏塔塔顶的轻组分气在回收冷量后放空；传统的CO2提纯及液化装置对原料气中CO2含量要求较高，一般而言，在传统CO2提纯及液化装置处理的原料气中，CO2含量一般在98%（体积分数）以上，然而，通过上述一体化脱除技术脱除富氧燃烧烟气的污染物并干燥脱水后，所得到的CO2烟气混合物中，CO2的含量较低，不适用于传统的CO2提纯及液化装置。
为了应对上述情况，公开号为CN202547276U的专利文件公开了一种富氧燃烧烟气中的CO2提纯及液化装置，经该提纯及液化装置提纯后，CO2液体产品纯度约为96%（体积分数），产品纯度不是很高；而要得到超过96%的较高纯度的CO2液体产品，一般采用外部制冷机组制冷工艺直接精馏分离，但这种方法的塔顶冷凝器需要制冷机组的制冷剂提供更低的温度（-60℃）以产生塔顶回流液，能耗较高。
因此，研究一种从富氧燃烧烟气中分离提纯CO2，得到更高纯度及较高收率的CO2液体产品，并消耗更少能耗的方法，是很有实际意义的。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
实用新型内容
针对上述情况，本实用新型提供一种CO2的提纯装置，旨在以较低能耗从富氧燃烧烟气中分离提纯CO2。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
本实用新型提供一种CO2的提纯装置，其主要可以包括：第一闪蒸分离器、换热器、第一压缩机、制冷机组、精馏塔和蒸发器；
换热器用于对CO2的提纯装置中的流股进行冷却或复热；
第一闪蒸分离器的中部具有原料气进口，第一闪蒸分离器底部的液相出口与第一压缩机的入口连通，第一压缩机的出口与制冷机组的入口端连通，制冷机组的出口端与精馏塔的上部连通，精馏塔底部的液相出口与蒸发器连通，蒸发器顶部的气相出口与精馏塔的下部连通，蒸发器底部的液相出口用于排出CO2液态产品。
在本实用新型的一些实施例中，原料气流股先经换热器冷却液化后，再进入原料气进口；第一闪蒸分离器底部的液相出口的流股先经换热器复热后，再进入压缩机；第一压缩机的出口的流股先经换热器冷却后，再进入精馏塔。
在本实用新型的一些实施例中，换热器由多个板翅式换热单元组成。
在本实用新型的一些实施例中，精馏塔顶部的气相出口与原料气进口连通；
精馏塔顶部的气相出口的流股流经换热器。
在本实用新型的一些实施例中，原料气流股先流经蒸发器，再进入原料气进口。
在本实用新型的一些实施例中，精馏塔的上部不设置冷凝器。
在本实用新型的一些实施例中，第一闪蒸分离器底部的液相出口的流股上设置有第一节流阀，第一节流阀设置在保冷冷箱内。
在本实用新型的一些实施例中，CO2的提纯装置还包括第二闪蒸分离器和第二压缩机；
第二闪蒸分离器顶部的气相出口与原料气进口连通，第二闪蒸分离器底部的液相出口与第二压缩机的入口连通，第二压缩机的出口与精馏塔的上部连通。
在本实用新型的一些实施例中，第一压缩机的出口与第二压缩机的入口连通。
在本实用新型的一些实施例中，第二闪蒸分离器底部的液相出口的流股上设置有第二节流阀，第二节流阀设置在保冷冷箱内。
本实用新型实施例至少具有如下优点或有益效果：
低纯度CO2烟气混合物经过压缩干燥后除去了部分污染物和水分，从而形成原料气，原料气经过换热器冷却液化后，再通过第一闪蒸分离器闪蒸分离，以完成N2、Ar和O2等气体杂质与CO2的初步分离，随后再通过第一压缩机进行压缩，最后再通过顶部不设置冷凝器的精馏塔，在接近常温的条件下（约-10℃）进行精馏提纯，从而得到体积分数约为99.99%的CO2液态产品；本实用新型结合了气体的闪蒸分离、压缩和精馏工艺，本实用新型一方面对原料气中CO2的纯度要求较低，适用于富氧燃烧烟气采用S/N/Hg一体化脱除技术后的低纯度CO2烟气混合物的液化提纯，另一方面又具有装置的能耗低、循环水消耗小的特点。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为CO2的提纯装置。
图标：
VP1-第二闪蒸分离器，V2-第一节流阀，VP2-第一闪蒸分离器，V1-第二节流阀，E1-换热器，
C1-第一压缩机，C2-第二压缩机，E3-制冷机组，T1-精馏塔，E2-蒸发器，
101-原料气流股，104-第二闪蒸分离器底部的液相出口的流股，106-第一闪蒸分离器底部的液相出口的流股，201-第一压缩机的出口的流股，205-精馏塔顶部的气相出口的流股。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。
下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
请参照图1，第一方面，本实施例提供一种CO2的提纯装置，其主要可以包括闪蒸分离系统和压缩精馏提纯系统，其中，闪蒸分离系统主要可以包括换热器E1和第一闪蒸分离器VP2；压缩精馏提纯系统主要可以包括第一压缩机C1、制冷机组E3、精馏塔T1和蒸发器E2。
第一闪蒸分离器VP2的顶部具有气相出口、中部具有原料气进口、底部具有液相出口，第一闪蒸分离器VP2顶部的气相出口用于排出废气。
换热器E1可对装置中的流股进行冷却或复热；在本实施中，优选地，换热器E1是由多个板翅式换热单元组成的换热系统。
第一压缩机C1能够增压第一闪蒸分离器底部的液相出口的流股106；在本实施中，第一压缩机C1带有级间冷却器（图中未示出），以降低下文所述的第二压缩机C2的入口温度。
制冷机组E3采用氨制冷剂。
精馏塔T1的顶部具有气相出口、底部具有液相出口；在实施例中，优选地，精馏塔T1的上部不设置冷凝器，这有利于减少能耗。
蒸发器E2的顶部具有气相出口、底部具有液相出口，蒸发器E2底部的液相出口用于排出CO2液态产品，蒸发器E2顶部的气相出口与精馏塔T1连通，蒸发器E2顶部的气相出口的流股可作为上升气进入精馏塔T1中。
第一闪蒸分离器VP2底部的液相出口与第一压缩机C1的入口连通，第一压缩机C1的出口与制冷机组E3的入口端连通，制冷机组E3的出口端与精馏塔T1的上部连通，精馏塔T1底部的液相出口与蒸发器E2连通，蒸发器E2顶部的气相出口与精馏塔T1的下部连通，CO2液态产品从蒸发器E2底部的液相出口排出；原料气流股101先经换热器E1冷却液化后，再进入第一闪蒸分离器VP2中部的原料气进口；第一闪蒸分离器底部的液相出口的流股106先经换热器E1复热后，再进入压缩机；第一压缩机的出口的流股201先经换热器E1冷却后，再进入精馏塔T1。
在本实施例中，精馏塔T1顶部的气相出口与原料气进口连通，精馏塔顶部的气相出口的流股205流经换热器E1，以提高CO2液态产品的收率。
在本实施例中，原料气流股101作为热源先流经蒸发器E2进行预冷，再经换热器E1冷却后进入原料气进口。
闪蒸分离系统还可以包括第二闪蒸分离器VP1，压缩精馏提纯系统还可以包括第二压缩机C2；第二闪蒸分离器VP1顶部的气相出口与原料气进口连通，第二闪蒸分离器VP1底部的液相出口与第二压缩机C2的入口连通，第二压缩机C2的出口与精馏塔T1的上部连通。第二压缩机C2可以是一台中间加气式压缩机，也可以由两台压缩机组成，通过这两台压缩机分别进行低压级和高压级的压缩。
在本实施例中，优选地，第一压缩机C1的出口与第二压缩机C2的入口连通，第二闪蒸分离器底部的液相出口的流股104流经换热器E1后，能够与第一压缩机的出口的流股201汇合，二者一并进入第二压缩机C2中。
在本实施例中，第一闪蒸分离器底部的液相出口的流股106上设置有第一节流阀V2，第一节流阀V2设置在一保冷冷箱（图中未示出）内，以对第一闪蒸分离器底部的液相出口的流股106进行节流制冷；第二闪蒸分离器底部的液相出口的流股104上设置有第二节流阀V1，第二节流阀V1设置在一保冷冷箱内，以对第二闪蒸分离器底部的液相出口的流股104进行节流制冷。
第二方面，本实施例提供一种CO2的提纯方法，其采用了上述的CO2的提纯装置，该CO2的提纯方法主要可以包括如下步骤：
先将低纯度CO2烟气混合物经过压缩干燥后除去部分污染物和水分，从而形成压力为30bar的原料气，经过压缩干燥后得到的原料气，先经过蒸发器E2预冷，再经过换热器E1冷却液化，再依次经过第二闪蒸分离器VP1、第一闪蒸分离器VP2、第一压缩机C1、第二压缩机C2和制冷机组E3，经过制冷机组E3冷却液化后再进入精馏塔T1的上部；精馏塔T1底部的液相出口的液体流股进入蒸发器E2，从蒸发器E2底部的液相出口得到CO2液态产品；
其中：
原料气进入蒸发器E2后，作为热源加热来自于精馏塔T1底部的液相出口的液体流股，部分来自于精馏塔T1底部的液相出口的液体被蒸发后，作为上升气进入精馏塔T1；
第二闪蒸分离器VP1在约-24℃的温度下分离液相和气相，分离后的液相经第一节流阀V2节流制冷后，再流经换热器E1复热，再进入第二压缩机C2；分离后的气相进入第一闪蒸分离器VP2的中部；
第一闪蒸分离器VP2在约-54℃的温度下分离液相和气相，分离后的液相经第二节流阀V1节流制冷后，再流经换热器E1复热，再依次经过第一压缩机C1和第二压缩机C2；分离后的气相经换热器E1后排放；
经第二压缩机C2压缩后的流股先经过换热器E1预冷，再经制冷机组E3冷却液化至约-10℃后，进入精馏塔T1的上部进行精馏；与现有技术相比，本实施例的制冷机组E3所需提供的冷量较少，制冷机组E3的能耗较低。
精馏塔顶部的气相出口的流股205经换热器E1复热后，再回到原料气流股101，与原料气一起进入蒸发器E2。
经过压缩干燥后原料气的成分见下表1，表2为在常温常压的基本工况下的一些计算条件。经过压缩干燥后原料气的压力为30bar，装置的热损失、机械损失、管路压力损失忽略不计。在原料气的CO2体积分数为76.6%的条件下，对装置的参数进行了模拟计算，在CO2液态产品纯度要求为99.99%时，产品收率可达90%。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 663250DEST_PATH_IMAGE002
由上述内容可知，低纯度CO2烟气混合物经过压缩干燥后除去了部分污染物和水分，从而形成原料气，原料气经过换热器冷却液化后，再通过第一闪蒸分离器闪蒸分离，以完成N2、Ar和O2等气体杂质与CO2的初步分离，随后再通过第一压缩机进行压缩，最后再通过顶部不设置冷凝器的精馏塔，在接近常温的条件下（约-10℃）进行精馏提纯，从而得到体积分数约为99.99%的CO2液态产品；本实施例结合了气体的闪蒸分离、压缩和精馏工艺，与现有技术相比，本实施例一方面对原料气中CO2的纯度要求较低，适用于富氧燃烧烟气采用S/N/Hg一体化脱除技术后的低纯度CO2烟气混合物的液化提纯，另一方面又具有装置的能耗低、循环水消耗小的特点。
最后应说明的是：以上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，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。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 (10)

1.一种CO2的提纯装置，其特征在于，包括：第一闪蒸分离器、换热器、第一压缩机、制冷机组、精馏塔和蒸发器；
所述换热器用于对CO2的提纯装置中的流股进行冷却或复热；
所述第一闪蒸分离器的中部具有原料气进口，所述第一闪蒸分离器底部的液相出口与所述第一压缩机的入口连通，所述第一压缩机的出口与所述制冷机组的入口端连通，所述制冷机组的出口端与所述精馏塔的上部连通，所述精馏塔底部的液相出口与所述蒸发器连通，所述蒸发器顶部的气相出口与所述精馏塔的下部连通，所述蒸发器底部的液相出口用于排出CO2液态产品。
2.根据权利要求1所述的CO2的提纯装置，其特征在于，原料气流股先经所述换热器冷却液化后，再进入所述原料气进口；所述第一闪蒸分离器底部的液相出口的流股先经所述换热器复热后，再进入所述压缩机；所述第一压缩机的出口的流股先经所述换热器冷却后，再进入所述精馏塔。
3.根据权利要求1所述的CO2的提纯装置，其特征在于，所述换热器由多个板翅式换热单元组成。
4.根据权利要求1所述的CO2的提纯装置，其特征在于，
所述精馏塔顶部的气相出口与所述原料气进口连通；
所述精馏塔顶部的气相出口的流股流经所述换热器。
5.根据权利要求2所述的CO2的提纯装置，其特征在于，所述原料气流股先流经所述蒸发器，再进入所述原料气进口。
6.根据权利要求1所述的CO2的提纯装置，其特征在于，所述精馏塔的上部不设置冷凝器。
7.根据权利要求1所述的CO2的提纯装置，其特征在于，所述第一闪蒸分离器底部的液相出口的流股上设置有第一节流阀，所述第一节流阀设置在保冷冷箱内。
8.根据权利要求1-7任一项所述的CO2的提纯装置，其特征在于，
所述CO2的提纯装置还包括第二闪蒸分离器和第二压缩机；
所述第二闪蒸分离器顶部的气相出口与所述原料气进口连通，所述第二闪蒸分离器底部的液相出口与所述第二压缩机的入口连通，所述第二压缩机的出口与所述精馏塔的上部连通。
9.根据权利要求8所述的CO2的提纯装置，其特征在于，所述第一压缩机的出口与所述第二压缩机的入口连通。
10.根据权利要求8所述的CO2的提纯装置，其特征在于，所述第二闪蒸分离器底部的液相出口的流股上设置有第二节流阀，所述第二节流阀设置在保冷冷箱内。
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