[發(fā)明專利]一種基于低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2016-04-25
• 公開（公告）號: CN105749696B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設計）人: 杜濤;王昊;歐陽碩;于洋
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B01D53/04
• 分類號: B01D53/04
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權代理有限公司21109
• 代理人: 李在川

技術領域

本發(fā)明屬于二氧化碳捕集技術領域，具體涉及一種基于低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統(tǒng)及方法。

背景技術

近年來，CO₂排放量呈增長趨勢，且排放量巨大，其中2014年全球的CO₂排放量為323億噸；為了應對由溫室氣體導致的全球變暖的問題，CO₂捕集技術不斷發(fā)展；CO₂的捕集技術主要有物理吸附法、化學吸收法、膜分離技術和低溫分離技術；其中物理吸附法是利用氣體與吸附劑表面活性點之間的引力在填充流化床內(nèi)實現(xiàn)的，具有設備簡單、無腐蝕、壓力范圍廣、能耗和環(huán)境污染低、吸附劑可循環(huán)利用的特點，相比起其他吸附方式更符合節(jié)能減排的思想，并且在技術領域也更利于實現(xiàn)；目前CO₂的物理捕集方法主要有變壓吸附法、變溫吸附法、變電吸附法以及變溫壓耦合吸附法等。

在物理吸附法中，變溫吸附法是利用氣體組分在固體材料上吸附性能的差異以及吸附容量在不同溫度下的變化實現(xiàn)的，具有工藝流程簡單，吸附劑解吸的能力較強等優(yōu)點，在工程中得到了廣泛的應用；通常，在低溫條件下，吸脫附床對CO₂進行吸附；吸附飽和后，對吸附柱進行加熱，使其達到CO₂脫附的條件下，完成脫附過程，從而使吸附劑得到再生；脫附完全后，經(jīng)冷卻操作，再在低溫下吸附CO₂，以此循環(huán)；目前，以變溫吸附法為設計依據(jù)設計的吸脫附裝置，主要是由兩臺吸附塔、再生加熱器、再生冷卻器和再生水分離器組成；其中一塔吸附，另一塔再生，合成氣從吸附塔底由下至上通過吸附劑，微量的水及CO₂被依次吸附；以天然氣經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化后的粗合成氣為例，主要氣體成分為：氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷；經(jīng)過甲基二乙醇胺溶劑脫除了絕大部分的二氧化碳，再經(jīng)過冷干機冷卻分液后進入TSA吸附塔進行凈化；進吸附塔中的合成氣中還含有飽和的水蒸汽以及約20mg/kg的二氧化碳等雜質(zhì)，這部分雜質(zhì)在后續(xù)冷箱進行深冷分離過程中會凍結析出，造成冷箱設備和管道堵塞，致使裝置無法正常生產(chǎn)，所以在合成氣進入冷箱之前必需要把這些物質(zhì)除去。吸附塔再生的氣體來自冷箱，該氣體主要為甲烷、氫氣及少量氮氣。再生后的氣體送至蒸汽轉(zhuǎn)化系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)化爐的主要燃料。

但是在變溫吸附過程中，由于吸附劑的比熱容較大，在不斷加熱和冷卻吸附柱的過程中能耗很大，吸附床加熱和冷卻的時間也較長，這成為限制變溫吸附發(fā)展的主要的因素，也成為學者們致力解決的問題；且選用化學吸附劑會帶來一定的環(huán)境污染，不利于循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展；近年來提出的變電吸附法是對傳統(tǒng)的變溫吸附法的一種改進，其原理是對具有導電性的吸附劑進行通電加熱，使吸附劑的升溫速率加快，在高溫條件下解吸的過程，具有加熱速度快、能耗較低、便于自動控制的優(yōu)點，但是由于附加的電能也要消耗相當一部分能量，所以在這個過程中仍然存在能源的消耗和資源的浪費的問題；與此同時，熱電廠生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的低溫(100-200℃)的煙氣，這部分低位熱能含量巨大，但是在實際生產(chǎn)中很難直接再利用，往往直接排放到環(huán)境中，不僅造成環(huán)境的熱污染，而且浪費能源。

目前現(xiàn)有的二氧化碳變溫吸脫附系統(tǒng)大多采用熱泵的方式，然而單獨使用第一類或第二類吸收式熱泵無法提供與現(xiàn)有的高溫熱電聯(lián)供系統(tǒng)相結合的高溫供熱水，能量消耗過高，浪費資源，并且吸附材料不能循壞利用，吸脫附過程不能匹配控制，吸脫附效率比較低，設備運行時間長，成本比較高。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種基于低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統(tǒng)及方法，以達到降低能量消耗、實現(xiàn)吸附材料循環(huán)利用、提高吸脫附效率和降低環(huán)境污染的目的。

一種基于低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括空壓機、煙氣分析儀、二氧化碳收集罐、吸脫附裝置、第一閥門組、第二閥門組、兩個壓力表、三個流量計和三個溫度表；

所述空壓機和火電廠的煙氣排氣管道分別通過管道與第一閥門組相連接，第一閥門組通過管道與吸脫附裝置的入口相連接；吸脫附裝置的出口通過管道與第二閥門組相連接，第二閥門組通過管道分別與二氧化碳收集罐和煙氣分析儀相連接；將煙氣分析儀的出口設置為氣體排放通道；第一壓力表、第一流量計和第一溫度表安裝在火電廠的煙氣排氣管道的出口處，第二壓力表、第二流量計和第二溫度表安裝在空壓機的排氣出口處，第三流量計安裝在二氧化碳收集罐的入口處，第三溫度表安裝在煙氣分析儀的入口處；