[發明專利]一種氣體分離系統以及使用該系統分離氣體的方法

有效

• 申請號: 201210019373.4
• 申請日: 2012-01-20
• 公開（公告）號: CN103212271A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 王寶冬;孫琦;苗強
• 申請（專利權）人: 北京低碳清潔能源研究所
• 主分類號: B01D53/04
• 分類號: B01D53/04;B01J20/26
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 張秋林;林柏楠

技術領域

本發明涉及一種氣體分離系統以及使用該系統分離氣體的方法，特別是，涉及一種吸附和脫附特定氣體的分離系統以及使用該系統從廢氣或氣體混合物中分離上述特定氣體的方法。

背景技術

隨著在工業、生活領域中廣泛使用石油、天然氣、煤等燃料，這些燃料在燃燒過程中產生的廢氣排放問題作為全球規模的環境問題長期受到關注。上述廢氣中含有大量二氧化碳，而地球溫室化的一個主要原因是由于大氣中二氧化碳濃度增加。又如，許多工業上排放的廢氣中還可能包含除二氧化碳之外的成分、例如硫氧化物(SO_X)，而硫氧化物有助于酸雨的形成。由于今后對上述燃料的需求仍然可觀，因此怎樣處理產生的廢氣或混合氣中的二氧化碳或其他有毒氣體將是一個嚴峻的問題。

實際上，廢氣或混合氣中的某些氣體在一些工業過程中是需要供給的原材料，例如CO₂、CO、CH₄、NH₄等都可以被分離提純后用作產品材料回收利用。比如，在碳捕獲及儲存(CCS)和提高原油采收(EOR)領域中二氧化碳是必不可少的原材料，為了獲得高濃度二氧化碳或降低購買二氧化碳的成本，能夠從混合氣中便利地分離和回收二氧化碳是解決上述問題的一個重要途徑。

在過去的幾十年中，關于從燃燒后的廢氣或混合氣中分離和回收一些特定的氣體一直是若干研究的課題，其中變溫吸附(TSA)方法是利用吸附劑的平衡吸附量隨溫度升高而降低的特性，采用常溫吸附、升溫脫附的操作方法。因為在燃料燃燒后的廢氣或混合氣中二氧化碳的量較多，很多研究是從怎樣回收利用廢氣中的二氧化碳開始的，這些研究早期針對的是所謂的二氧化碳的“濕”分離和回收方法，即基于用能夠選擇性吸附二氧化碳的合適溶液或溶劑洗滌混合氣，并通過加熱吸附溶液或溶劑來回收所吸附的二氧化碳的方法。但是，此方法遇到的問題在于洗滌溶液易受到其組分氧化現象的影響，而且，廢氣或混合氣中通常還包含硫和氮氧化物(SO_X和NO_X)，與洗滌溶液中的某些組分反應，會產生穩定的鹽和難以清除和處理的其他有害化合物，因此需要經常替換洗滌溶液。

近年來，國內外研究主要集中在用固體吸附劑分離和回收二氧化碳的系統和方法上，例如US6,387,337公開了一種從混合氣中分離二氧化碳的工藝，其中吸附反應器中使用了經脫附二氧化碳而還原成可以反復使用的堿金屬或堿土金屬的吸附劑，在一個雙床式反應器之間移動。此工藝包括：第一反應器為填裝有還原的吸附劑的吸附塔，將含有二氧化碳的混合氣通入第一反應器中，從而將二氧化碳吸附在所述吸附劑上；將吸附有二氧化碳的用過的吸附劑移至第二反應器以便還原，用于脫附吸附劑上的二氧化碳的氣體可包括天然氣、甲烷、一氧化碳、氫氣和一氧化碳與氫氣的合成氣；而后，將還原的吸附劑移至第一反應器，使其繼續進行吸附過程。此工藝的流程和操作簡單、高效，但是外源性還原氣體的引入將直接導致分離后的二氧化碳純度降低，進而需要進行額外的氣體分離操作。

US6,755,892公開了一種從廢氣中分離二氧化碳的系統，該系統包括：填裝含胺和腈官能團的吸附劑的二氧化碳吸附床；連通含二氧化碳的廢氣源和所述吸附床的管道；所述吸附床的出口管道；從所述吸附塔中釋放出二氧化碳的再生裝置；和至少一個可以控制所述吸附床的進出氣的調節閥。此系統通過上述調節閥或加設的控制裝置轉換系統中的氣流方向，從而進行吸附過程和脫附過程。而上述用于脫附二氧化碳的再生裝置為加熱器，系統中利用外設加熱器加熱所述吸附床，以便達到脫附二氧化碳的溫度。另外，此發明中也提到可用通入蒸汽的方法達到脫附二氧化碳目的。此發明系統進行二氧化碳分離和回收所需的設備復雜、昂貴、難以操作，因而意味著需要高投資和高維護費用。此外，還存在外設性熱源傳熱效率問題、分離后二氧化碳純度、高壓熱蒸汽對吸附劑的磨損等問題。

事實上，US6,755,892所公開的二氧化碳分離系統包括了至少兩個二氧化碳吸附劑床，其中當一個吸附劑床在吸附時，另一個吸附劑床在脫附，但由于脫附速度通常要比吸附速度快得多，兩個吸附劑床無法同時達到滿負荷，因此，該分離系統的吸附效率和脫附效率并不高。

US7,153,344公開了一種從燃燒的氧化物廢氣中分離和回收二氧化碳的方法。該方法包括：將廢氣通入半滲透材料中，通過氣體半滲透材料從所述廢氣中分離包括高濃度二氧化碳的氣流，其中將至少一部分包括高濃度二氧化碳的氣流用作工業生產的原料入料和/或儲存至少一部分包括高濃度二氧化碳的氣流。