CN101612510B - 一种吸收co2的微通道吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微通道吸收器，其中：主体部分为沿气液流动方向的具有一定相互间隔距离的很多条适于容纳气液流体的微通道；所需吸收的气体和吸收液之间物流的接触方式为并流；吸收器入口有相应的气体和液体的分布装置，保证了气体和液体的均匀分布。本发明中微通道吸收器单位体积处理气体量大，结构紧凑；可高效脱除发电厂燃煤锅炉烟道气中的CO2并实现高浓度CO2的回收利用，还可为合成氨、天然气、碳一化工等工艺气的脱碳提供高效的吸收技术。

Description

一种吸收CO2的微通道吸收器
技术领域
本发明涉及一种微通道吸收器，可高效脱除发电厂燃煤锅炉烟道气中的CO2并实现高浓度CO2的回收利用，还可为合成氨、天然气、碳一化工等工艺气的脱碳提供高效的吸收技术。
背景技术
随着1997年《京都议定书》的签署生效，对CO2的减排治理也上升到了一个新的高度。由于全球对化石燃料的依赖，工业和人类生活过程中产生的废气排放量日益增加，由此而导致的空气污染和温室效应已严重地威胁着人类赖以生存的地球环境。减少温室气体的排放量已成为人类共同关注的热点问题。截至2004年底，全世界已有141个国家批准了以减少温室气体为宗旨的《京都议定书》，该议定书已于2005年2月16日正式生效。虽然《议定书》中没有规定包括中国在内的发展中国家在2012年前的具体减排量，但是作为一个负责任大国必须承担的国际义务以及温室气体排放量迅速增加的趋势，我国正面临着履约的巨大压力。我国温室气体排放总量已居世界第二位，仅在美国之后，预测20年后我国二氧化碳排放量很可能成为世界第一。随着国民经济的高速发展，我国面临大量排放温室气体的严峻形势。所以我们必须尽快开展温室气体的资源化利用和储存技术研究，寻找既能减少温室气体排放量，又不影响我国经济发展速度的对策。
如何削减化石燃料CO2排放是关系我国能源、资源环境全局的战略性问题，必须依靠科学技术的进步和创新，有步骤地消除化石燃料利用带来的环境负面效应，安全处置能源转换过程中CO2。目前，减排CO2技术已成为跨学科、跨部门的全球性研究课题，许多国家及国际研究机构都制定了相应的研究计划，主要是从以下几方面入手减排CO2。(1)提高能源利用效率和转化效率，调整产业结构，少用能；然而，为了发展经济，无论发达国家还是发展中国家，能量需求上升的趋势是不会停止的；(2)尽快发展再生能源和核电的利用；(3)从源头上减少CO2的排放，即把燃烧后产生的CO2分离出来加以储存利用，不让它排往大气。
全球每年因燃烧化石燃料而排放的CO2达到200亿吨左右，过去20年中，排放入大气中CO2的3/4是由化石燃料燃烧造成的，其中烟道气是CO2长期稳定集中排放源。同时CO2又是一种重要的工业原料，它广泛用于食品和化工等各个领域，如用于生产食品、烟丝膨胀剂、尿素、甲醇等。因此迫切需要脱除发电厂燃煤烟锅炉烟道气中的CO2，解决此问题的关键首先在于如何高效地从化石燃料燃烧产物分离出CO2实现回收利用。工业上CO2的分离技术很多，主要有以下几种：吸收法、吸附法、低温蒸馏法以及气体分离膜法。这些方法各有利弊，各自具有最适宜的使用范围。
吸附法由于处理量偏小同时需要脱附再生吸附剂，造成较大的能耗；低温蒸馏法因为适用范围有限，且条件苛刻，操作步骤复杂，都不具备较大的实用意义。目前吸收法是应用最为成功的脱除CO2方法，目前在化工生产中广泛应用的填料塔仍在发挥着重要的作用，但是填料塔中接触的两相流体间存在相互影响，常常会导致雾沫夹带、液泛、漏液等问题，同时庞大的填料塔体积也使得运行和维护的成本较高。微通道的比表面积可达10000-50000m2/m-3，而常规容器的比表面积一般不超过1000m2/m-3。因此微化工***中的传质面积大大增加，可获得很高的传递速率，从而在微反应***中可以实现气-液吸收设备的小型化，由此可减少构造材料的用量及运行维护成本。微通道吸收器用于分离和净化领域中的气体吸收等方面可实现连续高效快速的分离。传统的放大过程存在着放大效应，耗时费力，一般需2-5年。由于微通道吸收器中每一通道相当于一个独立的吸收器，因此放大过程即是通道数目的叠加，可节约时间，降低成本，实现科研成果的快速转化。
发明内容
本发明目的在于提供一种微通道吸收器，该微通道吸收器可以解决：一、在接近常压时即可达到50-80％的CO2脱除率；二、提高整个微通道吸收器的紧凑度，单位体积微通道吸收器的气体处理量可达到1×104m3/h/(m3微通道)以上；三、减小吸收过程的传质阻力，提高传质效率；四、彻底解决传统填料吸收塔中接触的两相流体间相互影响、雾沫夹带、液泛、漏液等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一、因为采用高效的微通道技术，此种技术设计的微通道极大地提高传质的比表面积，获得很高的传质速率；微通道的高效传热性能也使得微通道吸收器内各通道间温差较小；二、液体采用液体实心均匀分布器，气体采用一次气体分布器和二次气体分布器，气液两相分布均十分均匀；三、采用气液并流的气液接触方式，解决了传统填料吸收塔中雾沫夹带、液泛、漏液等传统问题。
技术方案具体为：
一种吸收CO2的微通道吸收器，包括吸收器本体、在吸收器本体的上部分别设置有贫液吸收液体入口和气体切线入口、在吸收器本体的下部分别设置有气体出口和富吸收液出口；
在吸收器本体中部设置有2条或2条以上的相互平行的微通道，微通道的两端设置有入口公共通道区和出口公共通道区；
于气体入口与入口公共通道区间设置有1-5个层层递接的气体分布器；于贫液吸收液体入口与入口公共通道区间设置有液体分布器；
所述每一微通道的当量直径可根据具体实施的脱碳过程的要求而选取，具体范围为：50μm-3000μm。
所述液体分布器为液体实心喷嘴的均匀分布器。
所述微通道的截面形状为圆形、三角形、楔形、正方形、长方形、梯形或正弦曲线形等多种几何形状。
所述整个微通道吸收器的横截面可设计为圆形、也可根据实际需求设计为正方形或长方形等其他几何形状。
所述微通道吸收器的应用，所述微通道吸收器用于CO2的吸收过程，吸收原料气中CO2的溶剂可根据具体实施方案选择，可以是：
醇胺类吸收剂中的一乙醇胺MEA、二乙醇胺DEA或甲基二乙醇胺MDEA；
或者为有机溶剂中的聚乙二醇二甲醚NHD，碳酸丙烯酯、甲醇、乙醇、聚乙二醇或噻吩烷；
或者为碳酸钾溶液；或者说是以上溶剂组成的混合溶剂。
所述溶剂中还添加有活化剂哌嗪、二乙二醇、咪唑或甲基取代咪(如1-甲基咪唑、2-甲基咪唑或4-甲基咪唑)。
吸收***压力的范围选择比较广为0.1-4MPa，可根据不同的实施方案而选择。在常压或接近常压时即可达到50-80％的CO2脱除率；吸收温度为0-70℃，吸收温度优选为40-60℃；所吸收的原料气除包括CO2外，还可含有H2、N2、CH4、CO、O2、H2S、NOx、SOx和/或COS等多种成分的气体。经过微通道吸收器吸收后回收的CO2浓度可达到95-99％。微通道吸收器内部温度场分布均匀。
本发明所需吸收的气体和吸收液进入微通道前分别经过相应的进料分布器，它能使原料气和原料液进入微通道时分布更为均匀。其主体部分为沿气液流动方向的具有一定相互间隔距离的多条适于容纳气液流体的微通道；所需吸收的气体和吸收液之间物流的流动方式为并流流动；吸收器入口有相应的气体和液体的分布装置，保证了气体和液体的均匀分布。微通道吸收器中每一通道相当于一个独立的吸收器，通过微通道数目的叠加即可获得所需的更大规模的吸收装置。本发明中微通道吸收器单位体积处理气体量大，结构紧凑；可高效脱除发电厂燃煤锅炉烟道气中的CO2并实现高浓度CO2的回收利用，还可为合成氨、天然气、碳一化工等工艺气的脱碳提供高效的吸收技术。
本发明首次将微通道吸收器应用于CO2混合气体的脱除，能够将传统填料塔的体积缩小1个数量级以上，吸收器前后压差较小，克服了以往填料塔脱CO2时的一些弊端，甚至在接近常压时即可达到50-80％的CO2脱除率，极大地降低了常压烟道气脱碳的经济成本。微通道吸收器的投资、运行和维护的成本均较低。
附图说明
图1是微通道吸收器示意图；
图2是微通道吸收器在具体实施时的实验流程图；
图3是微通道吸收器在具体实施时的部分实验结果图。
具体实施方式
本发明的微通道吸收器(图1)，一种吸收CO2的微通道吸收器，包括吸收器本体、在吸收器本体的上部分别设置有贫液吸收液体入口和气体切线入口、在吸收器本体的下部分别设置有气体出口和富吸收液出口；在吸收器本体中部设置有2条或2条以上的相互平行的微通道，微通道的两端设置有入口公共通道区和出口公共通道区；于气体入口与入口公共通道区间设置有1-5个层层递接的气体分布器；于贫液吸收液体入口与入口公共通道区间设置有液体分布器；
所述每一微通道的当量直径可根据具体实施的脱碳过程的要求而选取，具体范围为：50μm-3000μm。
主要应用烟道气中的CO2的脱除和回收利用，还应用于合成氨、天然气、碳一化工等工艺气的脱碳。需要脱碳净化的原料气主要包括CO2，同时还可含有H2、N2、CH4、CO、O2、H2S等多种成分，具体成分随实际需求应用场合的不同而有相应的变化。用于微通道吸收器的吸收剂可选择：醇胺类吸收剂(MEA、DEA和MDEA)、聚乙二醇二甲醚(NHD)、碳酸丙烯酯、甲醇、乙醇、聚乙二醇及噻吩烷、碳酸钾等。也可以是以上溶剂组成的混合溶剂，还可以添加少量活化剂，一般使用的活化剂有：哌嗪、二乙二醇、咪唑或甲基取代咪唑如1-甲基咪唑、2-甲基咪唑，4-甲基咪唑等有机物质。
用于微通道吸收器的贫吸收液体首先经贫液吸收液体入口11进入，然后经液体实心均匀分布器15在微通道主体入口处均匀分布。需脱碳的原料气则由微通道吸收器的气体切线入口12进入，经一次气体分布器13和二次气体分布器14两次分布后均匀向下和贫液吸收液体接触。气液以并流流动的方式通过具有一定相互间隔距离的多条微通道18，并在微通道18中完成CO2的吸收过程。净化气体由气体出口16进入下一个工序，富吸收液由富吸收液出口17进入再生器再生。整个微通道吸收器的横截面可以设计为圆形19，也可根据实际需求设计为正方形、长方形或其他几何形状。
本发明的微通道吸收器在具体实施时的实验流程见图2。实验时，首先将原料气20和贫吸收液28按一定的比例进入微通道吸收器24，原料气20和贫吸收液28的量分别由质量流量计21和泵23a控制。原料气进入微通道吸收器24前还需由预热器22a预热到所需温度，贫吸收液也同样需要预热器22b在进入微通道吸收器24前先预热。原料气在微通道吸收器24中和贫吸收液并流流经微通道吸收器24内的微通道组，并完成吸收过程，净化气体29由专设的气体出口16流出进入下一工序。富吸收液则由富吸收液出口17进入再生器25再生，得到高浓度的CO2气体30。再生后的贫吸收液流经换热器22c并由泵23b注回贫吸收液储罐已备循环使用。另外，从流程图中的压力表(26a和26b)可以知道整个微通道吸收器24的压降随处理量的不同在0-0.05MPa之间变化。具体实施的流程中还分别设置了原料气和富吸收液的采样口(27a和27b)。
为了简要地说明一下实际实施过程中的一些情况，现选择含30％CO2的混合气体和MDEA及哌嗪组成的混合溶剂来举例说明。部分实验结果见图3。
按上述设计方案设计制造了系列1-10m3/h气体处理量的微通道吸收器，微通道吸收器的处理量达到了1×104m3/h/(m3微通道)以上。根据不同的工艺要求，可以采用不同的原料气和吸收剂的比例，净化气中CO2可由30％降到0.2％-10％，此完全取决于用户对净化气质量的要求。回收的CO2浓度可达到95-99％。
本发明的微通道吸收器既可广泛用于低压(甚至接近常压)下电厂燃煤锅炉烟道气中的CO2脱除，还可广泛应用于高压下合成氨、天然气、碳一化工等工艺气的脱碳过程。微通道吸收器的处理原料气的规模可由1000-100000m3/h，更大的规模也可由相同的微通道吸收器组合实现。

Claims (9)

1.一种吸收CO2的微通道吸收器，包括吸收器本体、在吸收器本体的上部分别设置有贫液吸收液体入口(11)和气体切线入口(12)、在吸收器本体的下部分别设置有气体出口(16)和富吸收液出口(17)；其特征在于：在吸收器本体中部设置有2条或2条以上的相互平行的微通道(18)，微通道(18)的两端设置有入口公共通道区和出口公共通道区；于气体切线入口(12)与入口公共通道区间设置有1-5个层层递接的气体分布器；于贫液吸收液体入口(11)与入口公共通道区间设置有液体分布器；所述每一微通道(18)的当量直径为：50μm-3000μm。
2.按照权利要求1所述微通道吸收器，其特征在于：所述液体分布器为液体实心喷嘴的均匀分布器。
3.按照权利要求1所述微通道吸收器，其特征在于：所述微通道的截面形状为圆形、三角形、长方形或梯形。
4.按照权利要求1所述微通道吸收器，其特征在于：所述整个微通道吸收器的横截面设计为圆形或长方形。
5.一种权利要求1所述微通道吸收器的应用，其特征在于：所述微通道吸收器用于CO2的吸收过程，吸收原料气中CO2的溶剂根据具体实施方案选择，是：醇胺类吸收剂中的一乙醇胺、二乙醇胺或甲基二乙醇胺；或者为有机溶剂中的聚乙二醇二甲醚，碳酸丙烯酯、甲醇、乙醇或聚乙二醇；或者为碳酸钾溶液；或者是以上一种以上溶剂所组成的混合溶剂。
6.按照权利要求5所述微通道吸收器的应用，其特征在于：所述溶剂中还添加有活化剂哌嗪、二乙二醇、咪唑或甲基取代咪唑。
7.按照权利要求6所述微通道吸收器的应用，其特征在于：所述甲基取代咪唑为1-甲基咪唑、2-甲基咪唑或4-甲基咪唑。
8.按照权利要求5所述微通道吸收器的应用，其特征在于：吸收***压力为0.1-4MPa，吸收温度为0-70℃。
9.按照权利要求8所述微通道吸收器的应用，其特征在于：吸收温度为40-60℃，所吸收的原料气除包括CO2外，还含有H2、N2、CH4、CO、O2、H2S、NOx、SOx和/或COS气体。
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