CN101856579B - 一种改进碳酸钾的节能捕集co2新工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属化学工程技术领域的涉及从合成气、变换气以及IGCC气体混合的中高压气体中吸收、脱除CO2的一种改进碳酸钾的节能捕集CO2新工艺。该工艺包括：1)采用碳酸钾水溶液添加促进剂羟乙基哌嗪、硼酸钾吸收CO2；2)吸收剂富液的热耦合解吸再生。采用碳酸钾水溶液添加促进剂羟乙基哌嗪、硼酸钾吸收捕集CO2的新工艺。在此工艺中，含有CO2的原料气经过添加促进剂羟乙基哌嗪、硼酸钾的碳酸钾溶液吸收脱碳，吸收CO2后的吸收富液经过热耦合解吸再生，解吸得到的CO2排出界区。本发明与现有技术相比，可降低综合能耗20％～30％。
Description
技术领域
本发明属化学工程技术领域。特别涉及从合成气、变换气以及IGCC气体混合的中高压气体吸收脱除CO2的一种改进碳酸钾的节能捕集CO2新工艺。
背景技术
工业革命以来，尤其是20世纪50年代以来，人为产生的温室气体排放量不断增加，导致温度升高、冰川融化，海平面上升等一系列灾害，已引起世界范围的广泛关注。目前可知的温室气体，主要有二氧化碳、甲烷、氧化亚氮，氢氟碳化物、全氟化碳和六氟化硫，其中CO2的含量最高，寿命长，对温室气体影响最大，也是是造成地球气候变暖的根源。减少碳基燃料、增加低谈燃料和无碳燃料的使用是未来全球可持续发展的希望，但是距离实际碳减排操作尚有不小的距离，从技术的成熟性和可行性分析，未来几十年内，CO2的捕集技术将是应对全球气候变暖和温室气体减排的重要措施。尤其是基于煤基的化工过程和发电过程的CO2捕集将是碳捕集的重点。
减少电厂CO2排放就极为重要。整体煤气联合循环(IGCC-IntegratedGasification Combined Cycle)发电***具有高发电效率，又对环境有极好的亲和力，是一种有前景的洁净煤发电技术。
煤基化工过程总体可分为气化、液化和固化(焦化或干馏)三种加工方式，其中煤气化是煤基化工的龙头，占煤炭用量的3～5％，是仅次于火力发电和煤焦化的第三用途，随着我国煤炭替代石油趋势的进一步加剧，预计到2020年将占煤炭用量的15％～20％。
综上所述，中高压CO2捕集是基于煤基工业过程碳减排的共性问题，是煤基工业过程碳减排的关键问题。
本发明所针对的原料气，如煤化工合成气、变换气以及IGCC气体，含有30～50％的CO2，浓度较高，压力较高，一般大于2000KPa，适合采用物理吸收法吸收CO2气体。
目前国内外工业上较为成熟的物理吸收法脱碳工艺有低温甲醇洗法(国外称为Rectisol法，CN 94101447.9)、碳酸丙烯酯法(国外称为Flour法，CN 91101928)和聚乙二醇二甲醚法(国外称为Selexol法，CN 200710015805)和碳酸钾法(国外称Benfield法，CN 1089263C)。
低温甲醇洗法具有吸收能力大、选择性好、气体净化度高、吸收剂稳定性好的特点，但是存在工艺流程长、设备投资大(需要耐-30℃以下的低温材质)、吸收剂毒性大和需要支付国外高额专利技术费等缺点；由于碳酸丙烯酯具有在较高的分压下能有效地吸收CO2，而在较低的压力下可以不需要热量而容易解吸的特点，其工艺流程，尤其是解吸工艺可以得到相当的简化，但是由于吸收容量有限，吸收剂循环量较大，能耗较大；聚乙二醇二甲醚法具有吸收能力强、吸收剂损失小(蒸汽压低)的特点，但是聚乙二醇二甲醚必须通过人工合成，吸收剂成本高，而且该吸收剂分子量较大，在再生过程容易发生聚合而造成损失。碳酸钾法最早开发的工艺(US.2886405)采用单塔解吸，吸收能耗大。后来在此基础上改进形成了双塔解吸、并且添加哌嗪等活化剂的节能流程，能耗有所降低，但是脱碳的成本仍然较高。，
针对现有低温甲醇洗法工艺流程长、设备投资大，碳酸丙烯酯法吸收剂吸收容量小、循环量大，以及聚乙二醇二甲醚法溶剂容易发生聚合损失、碳酸钾法解吸能耗偏高的不足和缺陷，本发明人提出了一种采用添加促进剂羟乙基哌嗪和硼酸钾改进传统碳酸钾溶液作为吸收剂的脱碳工艺，并且在工艺中采用热耦合解吸进一步降低整体捕集能耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用改进碳酸钾吸收CO2捕集新工艺，其特征在于该工艺包括如下步骤：
1)采用碳酸钾水溶液添加促进剂羟乙基哌嗪和硼酸钾吸收CO2，
含有CO2的原料气与从吸收塔3顶部出来的净化气在气体换热器1中被预热后，从吸收塔3下部进入吸收塔；来自吸收剂储罐的含有促进剂羟乙基哌嗪和硼酸钾的碳酸钾溶液与来自解吸塔6底部的吸收剂贫液，在液体换热器2中换热后从吸收塔3上部进入吸收塔，原料气与吸收剂在吸收塔3内逆流接触，CO2被吸收剂吸收；吸收塔温度控制在70～115℃，压力控制在2.5MPa～3.5MPa；在吸收塔中，脱除CO2的净化气与原料气换热后温度降至40～65℃后从吸收塔往下一个工序，吸收了CO2的吸收剂富液送入预解吸塔4进行预解吸；
2)吸收剂富液的热耦合解吸再生
来自吸收塔釜的吸收剂富液从中部送入预解吸塔4，塔釜用预解吸再沸器5加热，预解吸再沸器采用来自***公用工程提供的8～10kg/cm2的蒸汽作为加热热源，预解吸塔温度控制在110～180℃，压力控制在0.2MPa～0.5MPa，预解吸塔顶的蒸汽作为加热热源送入解吸塔再沸器7；
来自预解吸塔4的液相从中部加入解吸塔6，塔釜用解吸再沸器7加热，解吸再沸器7的热源用来自预解吸塔4顶的蒸汽，解吸塔温度控制在80～130℃，压力控制在0.01MPa～0.1MPa，解吸塔6的解吸贫液与进入吸收塔的吸收剂换热后送吸收剂储罐。
解吸塔6顶部的气相和来自预解吸塔顶部的蒸汽冷凝液汽混合物一并送汽液分离器8中分离CO2和水，其中CO2排往回收工序，水返回吸收剂储罐作为补充水使用。
所述吸收剂为碳酸钾水溶液，其中碳酸钾的含量为20～35wt％，促进剂羟乙基哌嗪含量在1～3wt％，硼酸钾含量在0.1～0.8wt％，余量为水。
附图说明
图1一种采用改进碳酸钾吸收CO2捕集新工艺原则流程图。
图中：1气体换热器 2液体换热器 3吸收塔 4预解吸塔 5预解吸再沸器 6解吸塔 7解吸再沸器 8气液分离器罐
具体实施方式
本发明提供一种采用改进碳酸钾吸收CO2捕集新工艺，该工艺包括：
1)采用碳酸钾水溶液添加促进剂羟乙基哌嗪、硼酸钾吸收CO2；
2)吸收剂富液的热耦合解吸再生。
下面结合附图和实施例对本发明提供的工艺作进一步的说明。
实施例1
在图1中，以表1所示的混合气体作为原料气与吸收塔塔顶除去CO2的净化气在气体换热器1中进行换热，换热后，原料气温度升至70℃，从下部进入吸收塔3，来自吸收剂储罐的30℃吸收剂，其中吸收剂为碳酸钾含量为25wt％、促进剂为羟乙基哌嗪含量为1.2wt％和硼酸钾含量为0.22wt％，其余为水。与解吸塔釜贫液换热后，温度为30℃，从上部进入吸收塔，原料气与吸收剂在塔内逆流接触并发生吸收传质，吸收剂流量为257821KG-MOL/HR。吸收塔塔顶温度86℃，压力2.84MPa；塔底温度91℃，压力2.85MPa。脱除CO2后的净化气与原料气换热后降温至50℃送往下一个工序，其组成(摩尔分率)如表2所示。
来自吸收塔3的吸收剂富液从中部送入预解吸塔4，预解吸再沸器5采用来自界区外的8kg/cm2的蒸汽作为加热热源。预解吸塔塔顶温度117℃，压力0.16MPa；塔底温度122℃，压力0.17MPa。预解吸塔顶的蒸汽作为加热热源送入解吸塔再沸器7。
来自预解吸塔4的液相(吸收剂富液)从中部加入解吸塔6，解吸塔塔釜用解吸再沸器7加热，解吸再沸器7的热源用来自预解吸塔顶的蒸汽。解吸塔塔顶温度103℃，压力0.11MPa；塔底温度106℃，压力0.12MPa。解吸塔釜的解吸贫液与进入吸收塔的吸收剂换热后送吸收剂储罐。
解吸塔顶气相和来自解吸塔再沸器的预解吸塔顶蒸汽冷凝液汽混合物一并送汽液分离器中分离CO2和水，温度30℃，压力0.11MPa，CO2排往回收工序，其组成(摩尔分率)如表3所示。其中水返回吸收剂储罐作为补充水使用。
表1含有CO2的混合气体初始条件：
表2吸收剂富液成分(摩尔分率)
表3汽液分离混合物
实施例2：
在图1中，以表4所示的混合气体作为原料气与吸收塔塔顶除去CO2的净化气在气体换热器1中进行换热，换热后，原料气温度升至72℃，从下部进入吸收塔3，来自吸收剂储罐的30℃吸收剂，其中吸收剂为碳酸钾含量为25wt％、促进剂为羟乙基哌嗪含量为2.1wt％和硼酸钾含量为0.66wt％，余量为水。与解吸塔釜贫液换热后，温度为30℃，从上部进入吸收塔，原料气与吸收剂在塔内逆流接触并发生吸收传质，吸收剂流量为236155 KG-MOL/HR。吸收塔塔顶温度89℃，压力2.84MPa；塔底温度94℃，压力2.85MPa。脱除CO2后的净化气与原料气换热后降温至45℃排往下工序，其组成(摩尔分率)如表5所示。
来自吸收塔3的吸收剂富液从中部送入预解吸塔4，预解吸再沸器5采用来自界区外的8kg/cm2的蒸汽作为加热热源。预解吸塔塔顶温度118℃，压力0.16MPa；塔底温度124℃，压力0.17MPa。预解吸塔顶的蒸汽作为加热热源送入解吸塔再沸器7。
来自预解吸塔4的液相(吸收剂富液)从中部加入解吸塔6，解吸塔塔釜用解吸再沸器7加热，该再沸器的热源用来自预解吸塔顶的蒸汽。解吸塔塔顶温度104℃，压力0.11MPa；塔底温度108℃，压力0.12MPa。解吸塔釜的解吸贫液与进入吸收塔的吸收剂换热后送吸收剂储罐。
解吸塔顶气相和来自解吸塔再沸器的预解吸塔顶蒸汽冷凝液汽混合物一并送汽液分离器中分离CO2和水，温度30℃，压力0.11MPa，CO2排往回收工序，其组成(摩尔分率)如表6所示。其中水返回吸收剂储罐作为补充水使用。
表4：含有CO2的混合气体初始条件
表5吸收剂富液成分(摩尔分率)
表6汽液分离混合物
Claims (2)
1.一种采用改进碳酸钾吸收CO2捕集新工艺，其特征在于该工艺包括如下步骤：
1)采用碳酸钾水溶液添加促进剂羟乙基哌嗪和硼酸钾吸收CO2，
含有CO2的原料气与从吸收塔(3)顶部出来的净化气在气体换热器(1)中被预热后，从吸收塔(3)下部进入吸收塔；来自吸收剂储罐的含有促进剂羟乙基哌嗪和硼酸钾的碳酸钾溶液与来自解吸塔(6)底部的吸收剂贫液，在液体换热器(2)中换热后从吸收塔(3)上部进入吸收塔，原料气与吸收剂在吸收塔(3)内逆流接触，CO2被吸收剂吸收；吸收塔温度控制在70～115℃，压力控制在2.5MPa～3.5MPa；在吸收塔中，脱除CO2的净化气与原料气换热后温度降至40～65℃后从吸收塔往下一个工序，吸收了CO2的吸收剂富液送入预解吸塔(4)进行预解吸；
2)吸收剂富液的热耦合解吸再生
来自吸收塔(3)的吸收剂富液从中部送入预解吸塔(4)，塔釜用预解吸再沸器(5)加热，预解吸再沸器(5)采用来自***公用工程提供的8～10kg/cm2的蒸汽作为加热热源，预解吸塔温度控制在110～180℃，压力控制在0.2MPa～0.5MPa，预解吸塔顶的蒸汽作为加热热源送入解吸再沸器(7)；
来自预解吸塔(4)的液相从中部加入解吸塔(6)，塔釜用解吸再沸器(7)加热，解吸再沸器(7)的热源用来自预解吸塔顶的蒸汽，解吸塔温度控制在80～130℃，压力控制在0.01MPa～0.1MPa，解吸塔(6)的解吸贫液与进入吸收塔的吸收剂换热后送吸收剂储罐；
解吸塔(6)顶部的气相和来自预解吸塔顶部的蒸汽冷凝液汽混合物一并送汽液分离器(8)中分离CO2和水，其中CO2送至回收工序，水返回吸收剂储罐作为补充水使用。
2.根据权利要求1所述采用改进碳酸钾吸收CO2捕集新工艺，其特征在于所述吸收剂为碳酸钾水溶液，其中碳酸钾的含量为20～35wt％；促进剂为羟乙基哌嗪含量在1～3wt％和硼酸钾含量在0.1～0.8wt％，余量为水。
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