CN113941223B - 一种用于捕集co2的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于捕集CO₂的装置和方法，属于气固吸附‑脱附技术领域，可解决现有吸附设备因传质受限而吸附‑脱附速率慢、吸附剂利用率低和运行成本高等问题，一定浓度的CO₂由进气口进入超重力吸附‑脱附床的气体分布器后，沿着转子的径向方向由内缘向外缘流动，CO₂被高速转动的转子内装填的吸附剂相剪切和扰动，并在吸附剂旋转的同时，从吸附剂颗粒形成的蜿蜒曲折的间隙中通过，使得吸附剂上的活性位点被充分暴露，气‑固传质效率极大提高，CO₂气体被吸附在吸附剂的表面与孔道结构中。本发明可加快吸附剂的吸附‑脱附速率，提高吸附剂的利用率，该设备操作简单，吸附剂装填方便，可大大缩短吸附‑脱附时间，提高吸附性能，降低运行成本。

Description

一种用于捕集CO2的装置和方法

技术领域

本发明属于气固吸附-脱附技术领域，具体涉及一种用于捕集CO₂的装置和方法。

背景技术

目前全球气候变化的形势非常严峻，人们尽管不太确定温室气体是否是导致这种现象的首要原因，但是可以确定温室气体与全球温度升高密切相关。CO₂是重要的温室气体，无论是人为的或是自然造成的，大气中的CO₂都在稳步上升。化石燃料的燃烧会排放大量的CO₂，而煤炭依然是我国能源结构的主要组成部分，燃煤所排放的CO₂几乎占全国总排放量的近70%，目前约40%来自燃煤发电厂。

吸附法是实现CO₂负排放的主要方法之一。吸附是当气体与多孔固体接触时，气体中某一组分或多个组分在固体表面处产生附着并积蓄的现象，从而达到从气体中分离某一组分或多个组分的目的。工业上常见的吸附-脱附操作是用不同特性的吸附剂在常重力设备（包括固定床、流化床和移动床等）中吸附分离CO₂、H₂S、H₂O、NH₃和VOCs等，存在吸附-脱附过程耗时长、吸附剂利用率低，吸附-脱附速率慢、生产成本高等问题。

发明内容

本发明针对现有吸附设备因传质受限而吸附-脱附速率慢、吸附剂利用率低和运行成本高等问题，提供一种用于捕集CO₂的装置和方法。适用于气固吸附-脱附过程，

本发明采用如下技术方案：

一种用于捕集CO₂的装置，包括氮气瓶、CO₂气瓶、缓冲罐、气体加热管、超重力吸附-脱附床、CO₂检测仪、真空泵和尾气吸收槽，氮气瓶和CO₂气瓶的出口分别通过阀门、气体流量计和缓冲罐的入口连接，缓冲罐的出口与气体加热管的入口连接，气体加热管的出口通过阀门和气体流量计与超重力吸附-脱附床的进气口连接，超重力吸附-脱附床的出气口分别与真空泵和尾气吸收槽连接，连接管路上设有CO₂检测仪和阀门。

进一步地，所述超重力吸附-脱附床的底部设有进气口，侧壁设有出气口，进气口连接有气体分布器，超重力吸附-脱附床的内部设有可相对转动的上转盘和下转盘，上转盘通过上主轴与电机连接，下转盘通过下主轴与电机连接，上转盘和下转盘内分别设有填料区，填料区内设有固体吸附剂，超重力吸附-脱附床的外侧设有保温层。

进一步地，所述固体吸附剂的粒度为1-10mm，包括活性炭、氧化铝、分子筛、金属有机框架化合物、碳材料、磁性纳米材料及它们的离子液体改性材料中的任意一种。

一种捕集CO₂的方法，包括如下步骤：

第一步，将制备好的吸附剂填装于超重力吸附-脱附床的填料区内；

第二步，调节流量，将CO₂与氮气或空气混合，配置成不同浓度的CO₂混合气体于缓冲罐中；

第三步，在气体加热管中将混合气体加热；

第四步，打开阀门，加热后的混合气体由进气口进入超重力吸附-脱附床中与吸附剂接触；

第五步，调节频率控制电机的转速，在电机带动下，吸附剂高速旋转的同时，在相邻吸附剂间隙相互摩擦移动，为气体提供蜿蜒曲折的通道，气-固充分作用后由出气口排出进入尾气吸收槽。

本发明主要从提高吸附设备的传质性能入手，采用N₂₂₂₂Gly离子液体这一具有挥发性低、热稳定性好和结构可调等众多优点的“绿色溶剂”作为改性剂，采用活性炭、氧化铝、分子筛、金属有机框架化合物、碳材料、磁性纳米材料及它们的离子液体改性材料作为吸附剂，公开了一种超重力吸附-脱附床捕集CO₂的方法及装置。超重力吸附-脱附床利用超重力这一新兴的过程强化技术，吸附剂会随着电机高速旋转，同时在吸附剂的间隙中，相邻吸附剂不断摩擦移动，会对气体产生连续的剪切与扰动，使得气体沿吸附剂空隙呈密集螺旋式移动，产生巨大且快速更新的气固相界面，使得微观混合与传质得到极大地强化，有望缩短吸附-脱附时间，提高吸附性能，降低运行成本，具有工业化应用前景。

本发明原理如下：

一定浓度的CO₂由进气口进入超重力吸附-脱附床的气体分布器后，沿着转子的径向方向由内缘向外缘流动，CO₂被高速转动的转子内装填的吸附剂相剪切和扰动，并在吸附剂旋转的同时，从吸附剂颗粒形成的蜿蜒曲折的间隙中通过，使得吸附剂上的活性位点被充分暴露，气-固传质效率极大提高，CO₂气体被吸附在吸附剂的表面与孔道结构中。

在吸附剂随转子旋转的情况下，用热氮气或空气吹扫脱附、减压脱附。热空气或氮气以一定的空速（1-10 mL/（mL·min））进入超重力吸附-脱附床，与高速旋转的吸附了CO₂的吸附剂充分接触，热空气或氮气携带的热量通过巨大的相界面积迅速传递到吸附剂的表面，CO₂从吸附剂表面脱附，在热气流作用下，被吹扫离开吸附剂，完成脱附后吹扫气体进入尾气吸收槽。

通过调节真空泵使得超重力吸附-脱附床达到一定的真空度（0.01-0.09 MPa），高速旋转的吸附了CO₂的吸附剂颗粒在真空条件下，吸附的CO₂因压力的降低逐渐从吸附剂中脱出，脱附后的CO₂收集于气柜中。

上下两个转盘，分别由装填了吸附剂颗粒的金属多孔板圆环沿周向方向交错排布并内衬在转子空腔中，相邻圆环之间留有旋转空间，上下转子可通过同向转动、一个转动和一个静止、逆向转动的方式，对气体产生连续的剪切与扰动，产生巨大且快速更新的气-固相界面，微观混合与传质得到极大地强化。CO₂气体从吸附剂颗粒通过不同的转动方式形成的蜿蜒曲折的间隙中通过，会经过不同的路径，分别对应于不同的停留时间。同向转动为同向分段式阿基米德螺旋线路径，一个转动和一个静止为隔段式阿基米德螺旋线路径，在中间段CO₂气体在压差作用下自由扩散通过；逆向转动为逆向分段式阿基米德螺旋线路径，中间段为反向阿基米德螺旋线流动。

本发明的有益效果如下：

相对于传统的气固吸附-脱附设备，本发明通过利用超重力技术，吸附剂会随着电机高速旋转，同时在吸附剂的间隙中，相邻吸附剂之间不断摩擦移动，对气体产生连续的扰动，使得气体沿吸附剂空隙呈密集螺旋式移动，产生巨大且快速更新的气-固相界面，使得微观混合与传质得到极大地强化。本发明可加快吸附剂的吸附-脱附速率，提高吸附剂的利用率，该设备操作简单，吸附剂装填方便，可大大缩短吸附-脱附时间，提高吸附性能，降低运行成本，具有工业化应用前景。

附图说明

图1为本发明的捕集CO₂的装置的结构示意图；

图2为本发明的超重力吸附-脱附床的结构示意图；

其中：1-氮气瓶；2-CO₂气瓶；3-阀门；4-气体流量计；5-缓冲罐；6-气体加热管；7-超重力吸附-脱附床；8-CO₂检测仪；9-真空泵；10-尾气吸收槽；11-保温层；12-出气口；13-填料区；14-气体分布器；15-进气口；16-下主轴；17-下转盘；18-电机；19-上转盘；20-上主轴。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步说明。

本实施例中，离子液体改性材料的制备为本领域技术人员公知技术。

实施例1

称取20.0 g所制备的负载N₂₂₂₂Gly离子液体的Al₂O₃吸附剂填装于超重力吸附-脱附床的填料区，尾气吸收槽中装入一定浓度的NaOH溶液。开启超重力吸附-脱附床，设置两个转子同向转动，调节转速均为300 r/min。打开氮气或空气控制阀、CO₂控制阀，通过调节氮气或空气流量和CO₂流量，控制CO₂混合气的体积浓度为2.6%，该混合气以100 mL/min流量进入预热器中加热到40℃后，进入超重力吸附-脱附床中进行吸附。在整个吸附过程中，采用便携式CO₂检测仪检测超重力吸附-脱附床出气口CO₂的浓度。结果显示，在18 min后吸附达到平衡，相比于固定床的吸附平衡时间为46 min，超重力吸附床吸附时间缩短了61%。

实施例2

称取20.0 g所制备的负载N₂₂₂₂Gly离子液体的Al₂O₃吸附剂填装于超重力吸附-脱附床的填料区，尾气吸收槽中装入一定浓度的NaOH溶液。开启超重力吸附-脱附床，设置两个转子一个转动和一个静止，调节转速为300 r/min。打开氮气或空气控制阀、CO₂控制阀，通过调节氮气或空气流量和CO₂流量，控制CO₂混合气的体积浓度为3.7%，该混合气以200mL/min流量进入预热器中加热到50℃后，进入超重力吸附床中进行吸附。在整个吸附过程中，采用便携式CO₂检测仪检测超重力吸附-脱附床出气口CO₂的浓度。结果显示，吸附平衡时间为21 min。

实施例3

称取20.0 g所制备的负载N₂₂₂₂Gly离子液体的Al₂O₃吸附剂填装于超重力吸附-脱附床的填料区，尾气吸收槽中装入一定浓度的NaOH溶液。开启超重力吸附-脱附床，设置转子为逆向转动，调节转速分别为300 r/min和500 r/min。打开氮气或空气控制阀、CO₂控制阀，通过调节氮气或空气流量和CO₂流量，控制CO₂混合气的体积浓度为2.4%，该混合气以100mL/min流量进入预热器中加热到45℃后，进入超重力吸附-脱附床中进行吸附反应。在整个吸附过程中，采用便携式CO₂检测仪检测超重力吸附-脱附床出气口CO₂的浓度。结果显示，吸附平衡时间为13 min。

实施例4

称取20.1839 g吸附饱和的负载N₂₂₂₂Gly离子液体的Al₂O₃吸附剂填装于超重力吸附-脱附床的填料区，尾气吸收槽中装入一定浓度的NaOH溶液。开启超重力吸附-脱附床，调整转速为300 r/min。打开氮气或空气控制阀，通过调节氮气或空气以1.5 mL/（mL·min）的空速进入预热器中加热到120℃后，进入超重力吸附-脱附床中进行脱附。结果显示，脱附20min后，脱附率达到80%。

实施例5

称取20.3749 g吸附饱和的负载N₂₂₂₂Gly离子液体的Al₂O₃吸附剂填装于超重力吸附-脱附床的填料区，开启超重力吸附床，调节转速为500 r/min。打开真空泵，维持真空度0.06 MPa进行减压脱附，结果显示，脱附15 min后，脱附率达到82%。

Claims (2)

1.一种用于捕集CO₂的装置，其特征在于：包括氮气瓶、CO₂气瓶、缓冲罐、气体加热管、超重力吸附-脱附床、CO₂检测仪、真空泵和尾气吸收槽，氮气瓶和CO₂气瓶的出口分别通过阀门、气体流量计和缓冲罐的入口连接，缓冲罐的出口与气体加热管的入口连接，气体加热管的出口通过阀门和气体流量计与超重力吸附-脱附床的进气口连接，超重力吸附-脱附床的出气口分别与真空泵和尾气吸收槽连接，连接管路上设有CO₂检测仪和阀门；

所述超重力吸附-脱附床的底部设有进气口，侧壁设有出气口，进气口连接有气体分布器，超重力吸附-脱附床的内部设有可相对转动的上转盘和下转盘，上转盘通过上主轴与电机连接，下转盘通过下主轴与电机连接，上转盘和下转盘内分别设有填料区，填料区内设有固体吸附剂，超重力吸附-脱附床的外侧设有保温层；

所述固体吸附剂为负载N₂₂₂₂Gly离子液体的Al₂O₃吸附剂。

2.一种利用如权利要求1所述的装置进行捕集CO₂的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，将制备好的吸附剂填装于超重力吸附-脱附床的填料区内；

第二步，调节流量，将CO₂与氮气或空气混合，配置成不同浓度的CO₂混合气体于缓冲罐中；

第三步，在气体加热管中将混合气体加热；

第四步，打开阀门，加热后的混合气体由进气口进入超重力吸附-脱附床中与吸附剂接触；

第五步，调节频率控制电机的转速，在电机带动下，吸附剂高速旋转的同时，在相邻吸附剂间隙相互摩擦移动，为气体提供蜿蜒曲折的通道，气-固充分作用后由出气口排出进入尾气吸收槽。