CN216799301U - 一种分离混合气中二氧化碳的*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种分离混合气中二氧化碳的***，包括：分离塔、低压解吸塔、高压换热器、贫富液换热器和冷却器；所述分离塔的底部液体出口通过富液管路与所述高压换热器的入口连接，所述高压换热器的出口通过次富液管路与所述低压解吸塔的顶部液体入口连接，所述低压解析塔的底部液体出口通过贫液管路与所述分离塔的顶部液体入口连接，所述贫液管路经过冷却器，所述富液管路与所述贫液管路通过所述贫富液换热器进行热交换。本实用新型的分离混合气中CO2的***采用高低压两段式解吸法，大部分CO2在高压状态下解吸，小部分的CO2在低压状态下解吸，减少了CO2的压缩能耗，更加经济。
Description
技术领域
本实用新型涉及到气体分离领域，具体涉及一种分离混合气中二氧化碳的***。
背景技术
在化石能源的开发利用过程中，释放了大量的含CO2的工业尾气，加剧了全球变暖，导致冰川融化，海平面上升，海啸、山火等一系列环境及气候问题频发，对人们的生活生产影响极大。
碳捕集、利用与封存(CCUS)是应对全球气候变化的关键技术之一。碳捕集是CCUS的第一步，目前，捕集工业废气例如火力发电的烟气中CO2，主要有吸收、吸附、低温精馏、膜分离等方法。胺类溶剂法是当前工业上应用最广泛且最成熟的技术，但存在再生能耗高、吸收剂具有腐蚀性及高温分解等缺陷。值得提出的是，捕集后的CO2还需压缩等步骤由气态再转化为液态，以便后续的利用或封存。但目前工业上采取的吸收法和膜分离技术均采用常压或负压解吸，解吸后的低压CO2若要转化为液态CO2，能耗极大。因此，碳捕集当前面临的一个现实问题是成本较高，这部分成本主要体现在吸收剂的再生能耗及对CO2的压缩功上。以胺类溶剂吸收法为例，约75％的能耗用于溶剂再生，20％的能耗用于压缩功[Nan X,ChenB,Tan C,et al.Energy Consumption and Exergy Analysis of MEA-based andHydrate-based CO2 Separation[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2017,56(51)]。
ZIF-8浆液法吸收吸附捕集CO2技术由于CO2吸收容量大、再生能耗低，近年来发展迅速。不同于胺类吸收剂，ZIF-8浆液、2-甲基咪唑水溶液等这类低再生能耗的吸收剂在温度较高时可在密闭条件下解吸出高压CO2，恢复大部分吸收容量。
实用新型内容
针对现有CO2分离回收过程中的不足，本实用新型的目的在于提供一种分离混合气中CO2的***，利用该***能够实现从含CO2的混合气如烟道气中分离CO2。
为达到上述目的，本实用新型提供一种分离混合气中CO2的***，包括：分离塔、低压解吸塔、高压换热器、贫富液换热器和冷却器；
所述分离塔的底部液体出口通过富液管路与所述高压换热器的入口连接，所述高压换热器的出口通过次富液管路与所述低压解吸塔的顶部液体入口连接，所述低压解析塔的底部液体出口通过贫液管路与所述分离塔的顶部液体入口连接，所述贫液管路经过冷却器，所述富液管路与所述贫液管路通过所述贫富液换热器进行热交换。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，所述***还包括富液计量泵，所述富液管路经过所述富液计量泵。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，所述***还包括贫液计量泵，所述贫液管路经过所述贫液计量泵。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，所述高压换热器内通入加热介质。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，在所述热交换中，所述富液管路与所述贫富液换热器的管程连通，所述贫液管路与所述贫富液换热器的壳程连通。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，所述富液管路、次富液管路与所述高压换热器的壳程连通，所述高压换热器的管程内通入所述加热介质。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，所述分离塔内通入分离介质。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，所述分离塔还设有底部气体入口和顶部气体出口。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，所述高压换热器还设有高压气体出口。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，所述低压解吸塔还设有低压气体出口。
根据本实用新型的具体实施方案，优选的，所述混合气选自发电厂烟道气、IGCC合成气、沼气或富二氧化碳天然气中的至少一种。
本实用新型的分离混合气中CO2的***具有如下有益效果：
(1)本实用新型的分离混合气中CO2的***采用高低压两段式解吸法，大部分CO2在高压状态下解吸，小部分的CO2在低压状态下解吸，减少了CO2的压缩能耗，更加经济。相比于在单个高温低压设备内恢复全部的吸收容量的一段式低压解吸法，其解吸出的低压CO2气体在压缩、封存过程中会产生大量的能耗，而本实用新型的高低压两段式解吸的***则有效节约了CO2气体在压缩、封存过程的能耗；
(2)本实用新型的***中的贫富液换热器用于CO2富液及CO2贫液的换热，其中CO2富液走管程，CO2贫液走壳程，利于贫液的降温。相比于直接用冷、热介质对管路内液体进行降温、升温，该***及工艺方案减少了因换热所带来的能耗。
附图说明
图1为本实用新型的分离混合气中CO2的***的示意图；
附图标号说明：
T101分离塔
T102低压解吸塔
E101高压换热器
E102贫富液换热器
E103冷却器
P101富液计量泵
P102贫液计量泵
L101富液管路
L102次富液管路
L103贫液管路
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本实用新型的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本实用新型的可实施范围的限定。
如图1所示，本实用新型的分离混合气中CO2的***包括：分离塔T101、低压解吸塔T102、高压换热器E101、贫富液换热器E102、冷却器E103、富液计量泵P101和贫液计量泵P102；
所述分离塔T101的底部液体出口通过富液管路L101与所述高压换热器E101的壳程入口连接，所述分离塔T101通入分离介质，所述富液管路L101经过富液计量泵P101；所述高压换热器E101的壳程出口通过次富液管路L102与所述低压解吸塔T102的顶部液体入口连接，所述高压换热器E101的管程通入加热介质，所述高压换热器E101的顶部还设有高压气体出口；所述低压解析塔T102的底部液体出口通过贫液管路L103与所述分离塔T101的顶部液体入口连接，所述低压解吸塔还设有低压气体出口；所述贫液管路L103经过冷却器E103和贫液计量泵P102；所述富液管路L101与所述贫液管路L103通过所述贫富液换热器E102进行热交换，所述富液管路L101与所述贫富液换热器E102的管程连通，所述贫液管路L103与所述贫富液换热器E102的壳程连通。
在本实用新型的分离混合气中CO2的***中，分离塔T101用于实现含CO2的混合气和分离介质在塔内逐级逆向接触进行吸收和吸附，生成CO2富液通过富液管路进入高压换热器。分离塔T101的平衡级数为2-6级，混合气从分离塔的底部气体入口进入，分离介质从分离塔T101的顶部液体入口进入。
在本实用新型的分离混合气中CO2的***中，高压换热器E101用于实现富液L101管路内的CO2富液与加热介质的换热升温解吸，生成高压CO2和CO2次富液，高压CO2从高压气体出口排出，CO2次富液通过次富液管路L102进入低压解析塔T102。其中，CO2富液走壳程，加热介质走管程，加热介质为高温蒸汽或水。
在本实用新型的分离混合气中CO2的***中，低压解吸塔T102用于将次富液管路的CO2次富液中的气体进行解吸，塔顶生成低压CO2，塔底生成CO2贫液进入贫液管路待冷却循环返回分离塔，实现低压解吸塔T102解吸后液体的循环回收。低压解吸塔T102的平衡级数为5-10级。
在本实用新型的分离混合气中CO2的***中，贫富液换热器E102用于实现富液管路和贫液管路L103内液体的热交换，目的在于回收低压解吸塔T102塔底的CO2贫液的热量，同时给CO2富液升温。其中，CO2富液走管程，CO2贫液走壳程。
在本实用新型的分离混合气中CO2的***中，冷却器E103，其内部介质为冷却水，用于实现CO2贫液的降温再生。
在本实用新型的分离混合气中CO2的***中，富液计量泵P101用于运输CO2富液，贫液计量泵P102用于运输CO2贫液。
本实用新型的***适用于从发电厂烟道气、IGCC合成气、沼气、富二氧化碳天然气中脱除、回收CO2，但本实用新型的***的适用范围并不仅限于上述方面。
在本实用新型的分离混合气中CO2的***中，每个设备的操作条件为：分离塔(20-40℃、0.1-0.5MPa)，高压换热器(80-120℃、0.5-1.5MPa)，低压解吸塔(0.05-0.1MPa)。其中，高压换热器的操作压力需要保持在高压换热器温度下水的沸点以下，减少水的流失，同时尽可能解吸出纯的高压CO2；低压解吸塔利用CO2贫液的余热解吸，塔顶得到的低压CO2经过加压可以和高压CO2混合。
本实用新型的分离混合气中CO2的***主要实现混合气的吸收-吸附、分离介质的高压解吸和分离介质的低压解吸三个环节。
利用本实用新型的***从混合气中分离CO2的方法包括如下步骤：
(1)使含CO2的混合气与分离介质进入分离塔，在分离塔内逐级逆向接触进行吸收-吸附，分离塔塔生成尾气排出，塔低生成CO2富液；
(2)CO2富液经过贫富液换热器E102加热，由富液计量泵P101运输至高压换热器E101顶部的壳程并在高压换热器进行解吸，生成高压CO2和CO2次富液，高压CO2排出；
(3)CO2次富液进入低压解吸塔T102进行二次解吸，低压解吸塔塔顶富集低压CO2排出，塔底生成CO2贫液；
(4)CO2贫液经过贫富液换热器E102、冷却器E103的两次降温得到再生，由计量泵P102运输至分离塔T101顶部，形成循环。
本实用新型的***采用的分离介质为ZIF-8/水/2-甲基咪唑浆液、氧化锌(ZnO)/水/2-甲基咪唑浆液、碱式碳酸锌([ZnCO3]2·[Zn(OH)2]3)/水/2-甲基咪唑浆液或2-甲基咪唑/水溶液中的任意一种。若以ZIF-8/水/2-甲基咪唑浆液为分离介质，其各组分配比为：ZIF-8 5-20wt％，2-甲基咪唑30-50wt％，其余为水；若以氧化锌/水/2-甲基咪唑浆液为分离介质，其各组分配比为：氧化锌2-7wt％，2-甲基咪唑28-68wt％，其余为水；若以碱式碳酸锌/水/2-甲基咪唑浆液为分离介质，其各组分配比为：碱式碳酸锌4-15wt％，2-甲基咪唑20-66wt％，其余为水；若以2-甲基咪唑/水溶液为分离介质，其各组分配比为：2-甲基咪唑(25-50wt％)，水(50-75wt％)。
对于ZIF-8/水/2-甲基咪唑浆液体系，2-甲基咪唑水溶液作为吸收剂，ZIF-8作为吸附剂，可以实现吸收-吸附的耦合分离CO2混合气。以分离空气与CO2混合气为例，分离机理如下：2-甲基咪唑水溶液对于CO2本身就具有较强的吸收能力，同时水分子在ZIF-8颗粒周围形成一层液膜，对不同气体分子具有渗透选择性，CO2比氮气及氧气更容易进入这层膜，另外ZIF-8本身对于CO2选择吸附能力就大于另外两种组分，进一步选择性吸附CO2。吸收-吸附分离效果的叠加，使得利用浆液吸收-吸附耦合分离的效果高于单一吸收分离或单一吸附分离。ZIF-8/水/2-甲基咪唑浆液体系不仅可以再生，还具有优秀的稳定性，同时浆液的可流动性可实现塔内的多级分离。
不同于常规的胺类溶剂，本实用新型的***所采用的浆液具有稳定性强、再生效率高、对设备的腐蚀小等特点，同时不会产生类似于胺类溶剂高温下分解产生的有毒气体，***整体绿色环保，设备投资以及操作成本低。
实施例1
本实施例提供一种从混合气中分离CO2的***，其中，混合气包含空气(N2、O2)和二氧化碳(CO2)，采用的分离介质采用ZIF-8/水/2-甲基咪唑浆液。
如图1所示，本实施例的分离混合气中CO2的***包括：分离塔T101、低压解吸塔T102、高压换热器E101、贫富液换热器E102、冷却器E103、富液计量泵P101和贫液计量泵P102；其中，分离塔T101的塔径、塔高与混合气中CO2浓度有关；
所述分离塔T101的底部液体出口通过富液管路L101与所述高压换热器E101的壳程入口连接，所述分离塔T101通入分离介质，所述富液管路L101经过富液计量泵P101；所述高压换热器E101的壳程出口通过次富液管路L102与所述低压解吸塔T102的顶部液体入口连接，所述高压换热器E101的管程通入加热介质，所述高压换热器E101的顶部还设有高压气体出口；所述低压解析塔T102的底部液体出口通过贫液管路L103与所述分离塔T101的顶部液体入口连接，所述低压解吸塔还设有低压气体出口；所述贫液管路L103经过冷却器E103和贫液计量泵P102，所述冷却器E103内通入冷却介质；所述富液管路L101与所述贫液管路L103通过所述贫富液换热器E102进行热交换，所述富液管路L101与所述贫富液换热器E102的管程连通，所述贫液管路L103与所述贫富液换热器E102的壳程连通。
另外，该***及工艺可以根据实际情况，在高压换热器E101顶部的高压气体出口以及低压解吸塔T102塔顶的低压气体出口连接气体压缩机，便于CO2的输送及封存。
利用本实施例的***分离CO2的工艺方案如下：
(1)使含CO2的混合气从分离塔T101的底部气体入口进入分离塔T101，分离介质从分离塔T101的顶部气体入口进入分离塔T101，二者在分离塔T101中逐级逆流接触，实现气体在分离介质中的吸收-吸附，在分离塔T101塔底得到CO2富液，塔顶富集尾气，其组分中CO2的含量已经降至1％以下；其中，混合气包含60mol％的空气和40mol％的CO2，分离塔T101内操作温度为25-35℃、操作压力为0.1-0.05MPa；
(2)步骤(1)中的CO2富液由分离塔T101底部液体出口进入富液管路L101，经贫富液换热器E102第一步升温以及计量泵P101运输至高压换热器E101，然后CO2富液在高压换热器E101进行加热解吸，在高压换热器E101的高压气体出口富集了大量的高压CO2，解吸大部分CO2气体后形成的CO2次富液则通过高压换热器E101的底部液体出口进入次富液管路L102输送至低压解吸塔T102中，CO2次富液利用自身余热在低压解吸塔T102中进行低压解吸，塔顶富集低压CO2并从低压气体出口排出，塔顶得到CO2贫液；其中，高压换热器E101内的操作温度为80-120℃，操作压力为0.5-1.5MPa，能恢复分离介质75％的CO2吸收量；低压解吸塔T102内操作压力为0.05-0.1MPa，并且恢复分离介质剩余的CO2吸收量；
(3)CO2贫液由低压解吸塔T102的底部液体出口进入贫液管路L103输送至贫富液换热器E102的壳程入口进行降温，同时给CO2富液进行第一步加热，第一次降温后CO2贫液在冷却器E103内由冷却介质进一步降温至分离塔T101的温度，然后通过计量泵P102输送至分离塔T101的顶部液体入口循环利用。
本实施例回收的CO2回收率高于97.5％，分离塔T101塔顶尾气中CO2浓度低于1％。
Claims (10)
1.一种分离混合气中二氧化碳的***，其特征在于，包括：分离塔、低压解吸塔、高压换热器、贫富液换热器和冷却器；
所述分离塔的底部液体出口通过富液管路与所述高压换热器的入口连接，所述高压换热器的出口通过次富液管路与所述低压解吸塔的顶部液体入口连接，所述低压解析塔的底部液体出口通过贫液管路与所述分离塔的顶部液体入口连接，所述贫液管路经过冷却器，所述富液管路与所述贫液管路通过所述贫富液换热器进行热交换。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括富液计量泵，所述富液管路经过所述富液计量泵。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括贫液计量泵，所述贫液管路经过所述贫液计量泵。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述高压换热器内通入加热介质。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述富液管路、次富液管路与所述高压换热器的壳程连通，所述高压换热器的管程内通入所述加热介质。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，在所述热交换中，所述富液管路与所述贫富液换热器的管程连通，所述贫液管路与所述贫富液换热器的壳程连通。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述分离塔还设有底部气体入口和顶部气体出口。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述分离塔内通入分离介质。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述高压换热器的壳程还设有高压气体出口。
10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述低压解吸塔还设有低压气体出口。
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