[發明專利]一種用于煙氣二氧化碳捕集的三級三段膜分離系統及方法

在審

• 申請號: 202011466069.5
• 申請日: 2020-12-13
• 公開（公告）號: CN112516757A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 王志;伍泓宇;李慶華;趙頌;王紀孝
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B01D53/22
• 分類號: B01D53/22;B01D47/00;B01D53/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

本發明涉及一種用于煙氣二氧化碳捕集的三級三段膜分離系統及方法。原料煙氣由水洗塔預處理脫除雜質，經壓縮加濕進入第一級一段膜分離器；第一級一段膜分離器截留氣加濕后進入第二段膜分離器，第二段膜分離器截留氣繼續加濕進入第三段膜分離器，第三段膜分離器截留氣直接放空；第二段膜分離器和第三段膜分離器滲透氣返回第一級一段膜分離器入口；第一級一段膜分離器滲透氣壓縮加濕后進入第二級膜分離器，第二級膜分離器滲透氣壓縮加濕后進入第三級膜分離器；第二級膜分離器截留氣返回第一級一段膜分離器入口，第三級膜分離器截留氣返回第二級膜分離器入口；第三級膜分離器滲透氣為二氧化碳。二氧化碳純度大于95％，二氧化碳捕集率大于70％。

技術領域

本發明涉及一種用于煙氣二氧化碳捕集的三級三段膜分離系統及方法，屬于膜分離法二氧化碳捕集領域，適用于電廠、水泥廠、鋼鐵廠以及氨廠/煤氣化聯合循環發電廠等各種場合的煙氣二氧化碳捕集；通過調整膜分離系統操作工藝參數，可實現特定的二氧化碳捕集目標。針對本發明所對應的三級三段膜分離系統，對于典型的低二氧化碳濃度(體積含量為15％)的燃煤電廠煙氣場合，有望在國際上率先實現或者超過由美國能源部(DOE)提出的二氧化碳捕集率≥90％和產品氣二氧化碳體積含量≥95％的捕集目標；對于二氧化碳體積含量為20％的原料煙氣，可實現產品氣二氧化碳純度高達99％，二氧化碳捕集率大于80％。本發明提出的三級三段膜分離系統，可靈活地調整操作工藝參數，可獲得不同的產品氣純度和二氧化碳捕集率，具有較強的應用前景，有望推動膜分離法在碳捕集領域逐步取代吸收法和變壓吸附法。

背景技術

化石燃料燃燒和工業過程產生的二氧化碳(CO₂)排放量占全球溫室氣體排放總量的65％^[1]，根據國際能源署預測，化石燃料在將來仍是全球重要的能源來源^[2]。因此，減少溫室氣體，特別是CO₂的排放似乎迫在眉睫^[3]。碳捕集利用與封存(CCUS)作為一項重要的新型CO₂減排技術，在高效、環保的產業發展中顯示出巨大的應用前景^[4]。

工業上CO₂的分離回收技術主要包括吸收法、吸附法、深冷分離法和膜分離法。膜分離法是近幾十年迅速發展起來的新型分離方法。與傳統的分離方法相比，膜分離法具有裝置簡單、固定投資少、操作費用低、操作容易可靠、占地面積小、環境友好等優點，成為了一種極具潛力的CO₂捕集技術^[5]。

美國MTR公司(Membrane Technology and Research,Inc.)開發了一種二段膜分離系統，第一段膜分離器滲透側采用真空泵抽真空，第二段分離器滲透側采用吹掃氣方式，該系統比較復雜，同時也很難實現高CO₂捕集率和高CO₂純度，報道的最高產品氣CO₂純度僅為62.6％^[6]。德國J.Pohlmann等人^[7]報道了一種一級膜分離系統，在滲透壓為0.05bar的條件下，滲透側的CO₂組成為68.2％，捕集率為42.7％，但該系統的真空壓力0.05bar在實際過程中很難達到且該系統處理量很小，難以工業化應用。2018年，MTR公司^[8]接著報道了一種二級膜系統，主要核心工藝為原料側加壓結合滲透側用真空泵抽真空，該系統CO₂捕集率達到了60％，產品氣CO₂純度77％。

可以看出，目前公開報道的膜分離系統CO₂捕集效率均不高。美國能源部(DOE)提出的CO₂捕集目標為捕集率≥90％、產品氣CO₂體積含量≥95％，但報道的煙氣碳捕集膜分離系統均未達到這一目標。因此提出和設計具有高CO₂捕集效率的膜分離系統具有重要意義。