CN219815803U - 一种复合式二氧化碳捕集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种复合式二氧化碳捕集系统，包括气体膜分离单元、第一吸收塔、第一再生塔、第二吸收塔、相分离器、第二再生塔。本实用新型提供了一种溶剂吸收结合膜分离法的复合碳捕集系统，经过气体分离膜的分离作用，进入各个溶剂吸收单元的烟气量相较进入膜分离单元的大幅降低，在液气比不变的情况下，处理烟气所需溶剂量也相应降低，溶剂吸收单元的尺寸(直径和塔高)因此也减小，降低了设备成本；本实用新型利用两种方法各自的优势，克服了应用单一技术的不足，不仅能降低捕集的能耗、成本，而且针对CO2浓度～13％的源烟气，可实现90％的全局CO2去除率，大大提高了CO2去除率。
Description
技术领域
本实用新型涉及二氧化碳捕集技术领域，具体指一种复合式二氧化碳捕集系统。
背景技术
人类活动产生的二氧化碳是全球温室气体排放的主要源头，解决碳减排和全球持续暖化问题需要一系列组合的手段，于“三端”(能源消费端、发电端和固碳端)同时发力，以提升能源利用效率，大力发展低碳和可再生能源以及人工碳汇技术。其中，固碳端的二氧化碳捕集、利用和封存(CCUS)被普遍视为实现碳中和的托底技术保障。CCUS技术有赖于工业源碳捕集的大规模展开，要求低成本捕集技术的推广应用。
目前基于溶剂吸收法的燃烧后CO2捕集设施已实现商业化运行，溶剂吸收法应用于电力、工业过程脱碳的优势场景是，点源烟气处在环境压力下、流量大且CO2浓度不高。然而，传统的溶剂吸收法(如经典的乙醇胺法)有明显缺点，主要是溶剂再生时的高能耗等，例如发电厂加装碳捕集装置，需增加电价70％，所以目前该领域的焦点在于新型溶剂配方和吸收工艺的开发上，相较新型配方的不断涌现，创新的工艺却很少被报道，极大限制了技术的改进空间。
除溶剂吸收法外，其他碳捕集技术还包括膜分离、物理吸附、低温精馏等，其中膜分离技术在空气分离等特定场景已开展商业应用。气体分离膜应用在碳捕集上具有节省空间、可规模性良好的优点，不同于溶剂吸收法需要消耗化石燃料燃烧产生的蒸汽热能，膜分离法主要消耗电能，未来结合新能源技术产生的绿电，具有极大的节能潜力。目前美国MTR公司开发的PolarisTM膜和挪威科技大学的固定位点载体膜分离性能和稳定性较好，均已应用在碳捕集的示范项目上。然而，膜分离法仍需克服的主要难题包括分离性能受限于气体渗透性和选择性的平衡，膜材料不耐受待分离气体中的杂质而表现出较差的长期运行稳定性，以及膜组件的高成本和短寿命等。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对现有二氧化碳捕集技术的发展和应用现状，提供一种结合溶剂吸收和膜分离法的复合式二氧化碳捕集系统，适用于含较高CO2浓度的烟气源，能提高CO2回收率，有效降低捕集能耗及成本，增强工艺适用于不同烟气源碳捕集需求的灵活性。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种复合式二氧化碳捕集系统，包括：
气体膜分离单元，内置有气体分离膜，所述气体分离膜将所述气体膜分离单元分隔为渗透侧及截留侧；所述气体膜分离单元设置有供待分离气体输入的输入口、与渗透侧相连通的第一输出口以及与截留侧相连通的第二输出口；
第一吸收塔，设于所述气体膜分离单元的下游，用于通过气—液逆流接触脱除渗透侧输入气体中的二氧化碳；所述第一吸收塔的下部设置有与第一输出口相连通的第一气体入口；所述第一吸收塔的上部设置有物理吸收溶剂入口；所述第一吸收塔的底部设置有第一CO2富液(即吸收了CO2的物理溶剂)出口；所述第一吸收塔的顶部设置有第一净化气体(即脱除了CO2的渗透侧气体)出口；
第一再生塔，设于所述第一吸收塔的下游，用于解吸出较纯净的二氧化碳气体并再生物理吸收溶剂；所述第一再生塔的上部设置有与第一CO2富液出口相连通的第一CO2富液入口；所述第一再生塔的顶部设置有第一产品气(即含较高CO2纯度的产品气)出口；所述第一再生塔的底部设置有第一CO2贫液(即脱除了CO2的物理吸收溶剂)出口；
第二吸收塔，设于所述气体膜分离单元的下游，与第一吸收塔并行布置，用于通过气—液逆流接触脱除截留侧输入气体中的二氧化碳；所述第二吸收塔的下部设置有与第二输出口相连通的第二气体入口；所述第二吸收塔的上部设置有相变吸收溶剂入口，所述相变吸收溶剂由物理溶剂和化学溶剂两股液体流混合而得，其中物理溶剂流通过管线与第一CO2贫液出口相连通；所述第二吸收塔的底部设置有第二CO2富液(即吸收了CO2的相变溶剂)出口；所述第二吸收塔的顶部设置有第二净化气体出口，所述第二净化气体出口与外界环境连通；
相分离器，设于所述第二吸收塔的下游，用于对进入其中的溶剂进行液—液相分离；所述相分离器的侧部设置有与第二CO2富液出口相连通的第二CO2富液入口；所述相分离器的顶部设置有CO2贫相溶剂(CO2负载量较小)出口，所述CO2贫相溶剂出口与第一吸收塔上部的物理吸收溶剂入口相连通；所述相分离器的下部设置有CO2富相溶剂(CO2负载量较大)出口；
第二再生塔，设于所述相分离器的下游，与第一再生塔并行布置，用于解吸出较纯净的二氧化碳气体并再生化学吸收溶剂；所述第二再生塔的上部设置有与CO2富相溶剂出口相连通的第三CO2富液(即相分离器分离出的CO2富相溶剂)入口；所述第二再生塔的顶部设置有第二产品气(即含较高CO2纯度的产品气)出口；所述第二再生塔的底部设置有第二CO2贫液(即脱除了CO2的第三CO2富液)出口，所述第二CO2贫液出口通过管线与化学溶剂流相连通，所述化学溶剂流与物理溶剂流混合后，所得的混合吸收液与第二吸收塔上部的相变吸收溶剂入口相连通；
优选地，所述气体膜分离单元与第一吸收塔之间设置有第一气体压缩机，用于对经渗透侧进入第一吸收塔的待分离气进行加压处理。
优选地，所述第一吸收塔顶部的第一净化气体出口通过管线与第二吸收塔下部的第二气体入口相连通，渗透侧输入气体于所述第一吸收塔中被物理吸收溶剂脱除大部分CO2后，离开第一吸收塔顶，与截留侧输入气体相混合，混合气进入所述第二气体入口。
优选地，所述第一再生塔、第二再生塔下游设置有第二气体压缩机，所述第一产品气出口通过管线与第二气体压缩机的第一进气口连通，所述第二产品气出口通过管线与第二气体压缩机的第二进气口连通，两股含较高CO2纯度的产品气在第二气体压缩机中被加压、脱水，所得到的产品气从第二气体压缩机的出气口流出，经进一步纯化、液化处理后进入液态CO2储罐，以便后续输送和利用。
优选地，所述相分离器与第二再生塔之间设置有换热器，所述相分离器的CO2富相溶剂出口通过管线与换热器的冷媒入口相连通，所述换热器的冷媒出口与所述第二再生塔上部的第三CO2富液入口相连通，所述第二再生塔底部的第二CO2贫液出口与换热器的热媒入口相连通，所述换热器的热媒出口通过管线与所述化学溶剂流相连通。
优选地，所述第二再生塔下部设有蒸汽再沸器，用以提供第三CO2富液充分再生并解吸CO2所需的热量。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型提供了一种溶剂吸收结合膜分离法的复合式二氧化碳捕集系统，利用两种方法各自的优势，克服了应用单一技术的不足，系统采取模块化布置，能灵活适应较高CO2浓度范围(10～35％)工业源烟气的脱碳需求，不仅降低捕集能耗和成本，还可实现超过90％的全局CO2去除率。
在本实用新型中，经过一级膜单元的分离，进入两个溶剂吸收单元的烟气流量均降低，处理各自部分烟气所需的溶剂负荷也相应降低，溶剂吸收单元的尺寸因此也较小，设备成本低；经过膜单元的简单分离，CO2在渗透侧和截留侧产生了浓度差，但分离效率无需很高，即渗透侧输入气体无需高CO2纯度，所以能在保证良好渗透性的同时，无需高选择性，规避了膜法的不足；采用物理溶剂吸收单元处理渗透侧输入的烟气，弱化了化学溶剂吸收对待分离气脱碳的贡献，进一步增强了系统操作的灵活性，又由于和膜分离系统相似，物理溶剂吸收单元所需的鼓风机、压缩机等主要消耗电力，对比纯粹使用化学溶剂处理烟气时需消耗大量蒸汽热能(与化石燃料消耗挂钩)用于溶剂热再生和CO2解吸，相当于将部分热耗变为电耗，因电耗未来可源自清洁能源发电，所以采取此复合式灵活捕集工艺具有设备碳足迹小、能耗和运行成本低的优势。此外，采用相变式物理化学溶剂吸收截留侧待分离气中的CO2，CO2负载量大，吸收CO2后的溶剂分成贫富两相，CO2贫相作为物理吸收溶剂用于CO2物理吸收模块，由于其CO2负载量几乎为零，传质和吸收效果好，所以相变式物理化学溶剂整体的分子利用率高，降低了系统运行成本。
附图说明
图1为本实用新型实施例的系统流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例的复合式二氧化碳捕集系统包括气体膜分离单元1、第一吸收塔PAU-A、第一再生塔PAU-D、第二吸收塔CAU-A、相分离器PS、第二再生塔CAU-D。
其中，气体膜分离单元1内置有气体分离膜，该气体分离膜将气体膜分离单元分隔为渗透侧11及截留侧12两部分；气体分离膜单元1设置有供待分离气体输入的输入口13、与渗透侧11相连通的第一输出口111以及与截留侧12相连通的第二输出口121；
第一吸收塔PAU-A设于所述气体膜分离单元1的下游，用于通过气—液逆流接触脱除渗透侧11输入气体中的二氧化碳；所述第一吸收塔PAU-A的下部设置有与第一输出口111相连通的第一气体入口21，第一吸收塔PAU-A的上部设置有物理吸收溶剂入口23，第一吸收塔PAU-A的底部设置有第一CO2富液出口22，第一吸收塔PAU-A的顶部设置有第一净化气体出口24；
第一再生塔PAU-D设于所述第一吸收塔PAU-A的下游，用于解吸出较纯净的二氧化碳气体并再生物理吸收溶剂；所述第一再生塔PAU-D的上部设置有与第一CO2富液出口22相连通的第一CO2富液入口31，第一再生塔PAU-D的顶部设置有第一产品气出口33，第一再生塔PAU-D的底部设置有第一CO2贫液出口32；
第二吸收塔CAU-A设于所述气体膜分离单元1的下游，与第一吸收塔PAU-A并行布置，用于通过气—液逆流接触脱除主要来自截留侧12输入气体中的二氧化碳；所述第二吸收塔CAU-A的下部设置有第二气体入口42，所述第二气体入口42与第二输出口121通过管线10相连接，第二吸收塔CAU-A的上部设置有相变吸收溶剂入口41，所述相变吸收溶剂由物理、化学两股溶剂流混合而得，其中物理溶剂流通过管线70与第一CO2贫液出口32相连通，第二吸收塔CAU-A的底部设置有第二CO2富液出口43，第二吸收塔CAU-A的顶部设置有第二净化气体出口44，所述第二净化气体出口44与外界环境连通；
相分离器PS设于所述第二吸收塔CAU-A的下游，用于对输入溶剂进行液—液相分离；所述相分离器PS的侧部设置有与第二CO2富液出口43相连通的第二CO2富液入口51；相分离器PS的顶部设置有CO2贫相溶剂出口52，所述CO2贫相溶剂出口52与第一吸收塔PAU-A上部的物理吸收溶剂入口23相连通，供相分离器PS分离出的CO2贫相溶剂返回至第一吸收塔PAU-A进行物理吸收，相分离器PS的下部设置有CO2富相溶剂出口53，供相分离器PS分离出的CO2富相溶剂输出至第二再生塔CAU-D；
所述第二再生塔CAU-D设于所述相分离器PS的下游，与第一再生塔PAU-D并行布置，用于解吸出较纯净的二氧化碳气体并再生化学吸收溶剂；第二再生塔CAU-D的上部设置有第三CO2富液入口61，所述第三CO2富液入口61与CO2富相溶剂出口53相连通，第二再生塔CAU-D的顶部设置有第二产品气出口62，第二再生塔CAU-D的底部设置有第二CO2贫液出口63，所述第二CO2贫液出口63通过管线60与化学溶剂流相连通，所述化学溶剂流与物理溶剂流混合后，所得的混合吸收液与第二吸收塔CAU-A上部的相变吸收溶剂入口41相连通。
在本实施例中，所述气体膜分离单元1与第一吸收塔PAU-A之间设置有第一气体压缩机6，用于对经渗透侧11进入第一吸收塔PAU-A的待分离气进行加压处理。第一吸收塔PAU-A顶部的第一净化气体出口24与管线20相连接，管线20与管线10相连通，如此渗透侧11输入气体经第一吸收塔PAU-A中物理溶剂脱除大部分CO2后，通过第一净化气体出口24离开第一吸收塔PAU-A，由管线20与通过管线10的截留侧12输入气体相混合，混合气进入所述第二吸收塔CAU-A下部的第二气体入口42。
所述第一再生塔PAU-D、第二再生塔CAU-D下游设置有第二气体压缩机7，所述第一产品气出口33通过管线30与第二气体压缩机7的第一进气口71连通，所述第二产品气出口62通过管线40与第二气体压缩机7的第二进气口72连通，这两股含较高CO2纯度的产品气在第二气体压缩机7中被加压、脱水，所得的混合产品气从第二气体压缩机7的出气口流出，经纯化、液化后进入液态CO2储罐，以便后续利用。
相分离器PS与第二再生塔CAU-D之间设置有换热器HE，换热器HE设在管线50和管线60交叉处，管线50是冷媒管线，连通相分离器PS的CO2富相溶剂出口53与第二再生塔CAU-D上部的第三CO2富液入口61，管线60是热媒管线，将化学溶剂流从第二再生塔CAU-D底部的第二CO2贫液出口63输送至第二吸收塔CAU-A上部的相变吸收溶剂入口41，管线50和管线60中的液体流经过换热器HE进行热交换，减少能量损耗。所述第二再生塔CAU-D下部设有蒸汽再沸器RB，用以提供第三CO2富液充分再生并解吸CO2所需的热量。
本实施例的捕集系统运行时，气体膜分离单元1主要用于将烟气简单预分离，渗透侧11中含较高CO2浓度的混合气P1，截留侧12中含较低CO2浓度的混合气P2。混合气P1加压后进入物理溶剂吸收单元，即第一吸收塔PAU-A，混合气P1与物理溶剂在第一吸收塔PAU-A中逆流接触，大部分CO2被物理溶剂脱除，吸收CO2的物理溶剂进入第一再生塔PAU-D，解吸出较高纯度(>95％)的CO2，并再生物理溶剂；含少量未被物理溶剂脱除的CO2的混合气P1R由第一吸收塔PAU-A顶排出，与截留侧12的混合气P2两者CO2浓度接近，二者进一步混合所得混合气P2M进入化学溶剂吸收单元，即第二吸收塔CAU-A，混合气P2M与相变溶剂在第二吸收塔CAU-A中逆流接触，大部分CO2被相变溶剂脱除，脱碳净化后的混合气P2M经由第二吸收塔CAU-A顶部排出至外界环境，吸收CO2的相变溶剂进入相分离器PS，于其中发生液—液分层，负载的CO2集中分布在其中一层(CO2富相)，而在另一层(CO2贫相)几乎没有；CO2贫相作为物理溶剂返回至第一吸收塔PAU-A中，CO2富相经过贫富液换热器HE加热后进入第二再生塔CAU-D，解吸出较高纯度(>95％)CO2的产品气，与第一再生塔PAU-D解吸出的含较高纯度CO2的产品气均进入下游的CO2压缩单元，混合气在此经压缩、脱水、纯化、液化处理后，得到高纯度(>99％)液态CO2，同时第二再生塔CAU-D再生的贫CO2的化学溶剂经过贫富液换热器HE冷却后，与第一再生塔PAU-D再生的贫CO2的物理溶剂混合，且被物理溶剂进一步冷却(无需额外的冷却器)，混合溶剂返回第二吸收塔CAU-A作为相变吸收溶剂循环利用。
本实施例采用上述工艺流程，CO2全局去除率为85～95％，对于燃煤电厂的烟气源(CO2浓度～13％)而言，可实现90％以上的全局CO2去除率，渗透侧中CO2浓度较高，后续可使用物理溶剂捕集，截留侧中CO2浓度较低，后续可使用相变(物理化学)溶剂捕集。本实施例中采用的物理溶剂和化学溶剂为同一相变溶剂发生液—液分层所得，具体溶剂属于现有技术，在此不做赘述；所使用的气体分离膜可以是目前商用的CO2/N2分离膜，对膜材料的选择性和渗透性要求都不需很高。
Claims (7)
1.一种复合式二氧化碳捕集系统，其特征在于包括：
气体膜分离单元，内置有气体分离膜，该气体分离膜将所述气体膜分离单元分隔出渗透侧及截留侧；所述气体分离膜单元设置有供待处理气体输入的输入口、与渗透侧相连通的第一输出口及与截留侧相连通的第二输出口；
第一吸收塔，设于所述气体膜分离单元的下游，内置有物理溶剂，用于通过逆流接触脱除输入气体中的二氧化碳；所述第一吸收塔的下部设置有与第一输出口相连接的进口；
第一再生塔，设于所述第一吸收塔的下游，用于解吸出高浓度二氧化碳并再生物理溶剂；所述第一再生塔的中上部开有与第一吸收塔的底部出口相连通的进口；
第二吸收塔，设于所述气体膜分离单元的下游，内置有物理溶剂与化学溶剂混合的相变溶剂，用于通过逆流接触脱除输入气体中的二氧化碳；所述第二吸收塔的底部通过第一管道与第二输出口相连接，所述第二吸收塔的中上部开有与第一再生塔的底部相连通的入口；
相分离器，设于所述第二吸收塔的下游，用于对输入溶剂进行液液分离；所述相分离器的侧部开有与第二吸收塔底部相连通的进液口，所述相分离器的顶部开有与第一吸收塔的上部相连通、供二氧化碳贫相物理溶剂输出的第一出液口，所述相分离器的底部开有供二氧化碳富相化学溶剂输出的第二出液口；以及
第二再生塔，设于所述相分离器的下游，用于解吸出高浓度二氧化碳并再生化学溶剂；所述第二再生塔的中上部与相分离器的第二出液口相连通，所述第二再生塔的底部与第二吸收塔的入口相连通。
2.根据权利要求1所述的复合式二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述气体膜分离单元与第一吸收塔之前设置有第一压缩机，用于对经渗透侧进入第一吸收塔中的混合气进行加压处理。
3.根据权利要求1所述的复合式二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述第一吸收塔的顶部与第一管道之间通过第二管道相连通，供所述第一吸收塔中含少部分未被物理溶剂脱除的CO2的混合气与截留侧的输出气体混合。
4.根据权利要求1所述的复合式二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述第一再生塔下游设置有第二压缩机，该第二压缩机的进口通过第三管道与第一再生塔顶部的输出口相连接，用于对第一再生塔输出的高纯度二氧化碳进行加压。
5.根据权利要求4所述的复合式二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述第二再生塔的顶部通过第四管道与第二压缩机的进口相连通，供所述第二再生塔解吸出的高纯度二氧化碳与第一再生塔输出的高纯度二氧化碳混合。
6.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的复合式二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述相分离器与第二再生塔之间设置有换热器，所述相分离器第二出液口通过第五管道与第二再生塔相连通，所述第二再生塔的底部与第二吸收塔的入口通过第六管道相连通，所述换热器设于第五管道与第六管道的交叉处，且分别用于对第五管道、第六管道中的液体进行换热。
7.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的复合式二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述第二再生塔下部设有蒸汽再沸器，用以提供解吸所需的热量。
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