專利名稱：：CO₂分離壓縮一體化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于氣體制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種C02分離壓縮一體化方法。
背景技術(shù)：
：C02是溫室氣體的重要組成部分。在能源利用過程中進(jìn)行C02的捕獲與封存被認(rèn)為是一種能大規(guī)模減少C02排放的可行技術(shù)。然而，與其它環(huán)境污染物(如硫化物和氮氧化物)不同的是，C02的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且需要處理的量很大，因而雖然有關(guān)物理、化學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)C02的分離回收，但其分離回收過程的能耗與投資很高，從而使C02減排的成本過高。在能源利用過程中分離C02的主要技術(shù)有吸收技術(shù)(包括化學(xué)吸收與物理吸收)、吸附技術(shù)、膜分離技術(shù)和低溫分離技術(shù)。其中，化學(xué)吸收法可從常壓低濃度的電廠尾氣中分離C02，分離出的C02氣純度高且處理量大；物理吸收法也可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模C02分離且能耗較低；因而這兩種方法受到廣泛關(guān)注研究，并得到較多應(yīng)用。而吸附技術(shù)與膜分離技術(shù)雖然由于其分離C02時(shí)能耗低、操作簡(jiǎn)單，被普遍認(rèn)為是具有發(fā)展?jié)摿Φ腃02分離技術(shù)，但其處理量較小、成本偏高。低溫分離法(又稱深冷分離法)是通過低溫冷凝分離C02的一種物理過程。低溫分離法節(jié)省了C02壓縮液化過程中大量的壓縮功，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模操作，且運(yùn)行過程不需化學(xué)試劑，無二次污染，是一種很有發(fā)展前景的C02分離方法。但低溫分離法一般通過將混合氣壓縮和冷卻，以引起C02的相變，達(dá)到從混合氣中分離C02的目的。而C02在與沸點(diǎn)更低的氣體(如H2、C仏等)混合后C02相變溫度會(huì)顯著降低，在co2濃度較低時(shí)co2相變溫度甚至?xí)抵?ioor以下，此時(shí)co2相變溫度已經(jīng)低于純C02的三相點(diǎn)溫度(-56.6°C)，因此可能會(huì)出現(xiàn)C02以固態(tài)析出而凍結(jié)設(shè)備的問題，同時(shí)這種低溫深冷過程的能量消耗巨大。因此，改進(jìn)低溫分離法的重點(diǎn)在于如何提高混合氣中C02的相變溫度，從而避免C02的凍結(jié)以及超低溫制取過程的巨大能耗。CN101039735公開了一種通過在溫度接近但高于C02的三相點(diǎn)溫度的狀態(tài)下冷凝，隨后吸收氣態(tài)C02的方法，在冷凝過程中C02未被液化。CN101460801公開了一種C02純化方法，其中進(jìn)料流被壓縮并引入壓力低于該進(jìn)料流的汽提塔中，以使足量的熱從進(jìn)料流傳遞到汽提塔的再沸器，以產(chǎn)生具有高純度的C02，并用于在高于常壓的壓力下回收產(chǎn)物C02，以使壓縮能量最小化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種C02分離壓縮一體化方法，其特征在于，該方法是將多級(jí)壓縮、多級(jí)冷卻以及多級(jí)分離相結(jié)合，通過增加混合氣壓力來提高C02相變溫度，并采用多級(jí)分離、多級(jí)壓縮的方式確保一定的分離率；在相對(duì)較高的冷凝溫度下將混合氣體中絕大部分C02以液態(tài)形式分離出來；實(shí)現(xiàn)了整個(gè)C02回收能耗的大幅降低。具體步驟如下a.含C(V混合氣進(jìn)入第一級(jí)分離壓縮流程，通過壓縮機(jī)加壓至203'5bar，經(jīng)過冷卻水冷卻后其溫度約為38°C，此時(shí)仍為氣態(tài)混合物；b.混合氣中分離出的產(chǎn)品C02,，被進(jìn)一步降溫至-10-35"C，此時(shí)混合氣中的C02將部分液化析出；c.采用常規(guī)的氣液分離器進(jìn)行氣液分離；d.用泵給分離出來的C02加壓至80153bar，此時(shí)所分離出的0)2保持液態(tài)，加壓的壓力主要取決于用戶對(duì)C02產(chǎn)品的要求；e.分離出的液態(tài)C02在經(jīng)過泵加壓后，通過與混合氣換熱，把部分冷能返回系統(tǒng)用于冷卻混合氣，然后高壓的液態(tài)C02可作為產(chǎn)品輸出系統(tǒng)；根據(jù)用戶需要，也可通過調(diào)整換熱器參數(shù)，使C02產(chǎn)品的溫度進(jìn)一步上升至31.3'C以上，此時(shí)分離出的C02產(chǎn)品可以以高壓的超臨界狀態(tài)輸出系統(tǒng)。所述第一級(jí)分離壓縮流程分離出來的混合氣若尚未達(dá)到用戶規(guī)定的C02分離率(即分離出的C02占混合氣中原來的C02的比例)，可再進(jìn)行第二級(jí)壓縮分離，步驟與第一級(jí)分離壓縮流程相同，以此類推直到達(dá)到所要求的C02分離率為止。本發(fā)明的有益效果是將新型分離壓縮一體化流程的co2回收性能與傳統(tǒng)的MEA化學(xué)吸收法回收流程以及Selexol物理吸收法回收流程(數(shù)據(jù)來源于美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室)進(jìn)行了對(duì)比，改進(jìn)了C02低溫冷凝分離法，提出了C02分離壓縮一體化的流程；實(shí)現(xiàn)了整個(gè)C02回收能耗的大幅降低。同時(shí)，新型C02分離壓縮一體化方法流程由換熱器、壓縮機(jī)、氣液分離器等常用工業(yè)設(shè)備組成，且全流程沒有采用化學(xué)溶劑，因此設(shè)備的造價(jià)低廉、安全性高、運(yùn)行維護(hù)成本較低。新型C02分離壓縮一體化方法可廣泛用于從含C02的混合氣體中分離C02，特別適合于從C02濃度較高的混合氣體中分離C02。圖1為C02分離壓縮一體化方法的流程示意圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明提供一種C02分離壓縮一體化方法。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例予以說明。從圖1所示C02分離壓縮一體化方法流程圖中可以看出，具體分為三級(jí)壓縮、冷卻和分離；具體步驟為(1)含C02的混合氣進(jìn)入第一級(jí)的壓縮設(shè)備Cl,首先被壓縮至2035bar;經(jīng)過冷卻水冷卻后其溫度約為38°C，此時(shí)仍為氣態(tài)混合物；(2)在換熱器H1中被分離出的產(chǎn)品C02降溫后，又在換熱器H2中被制冷機(jī)進(jìn)一步降溫至-10-4(TC;(3)此時(shí)混合氣中的C02已部分液化析出，采用常規(guī)的氣液分離器Sl可將其分離出來；(4)分離出來的液態(tài)C02再用泵Pl升壓至80153bar，此時(shí)所分離出的0)2保持液態(tài)；(5)此后分離出的液態(tài)0)2在換熱器Hl中與本級(jí)入口處的混合氣換熱把部分冷能返回系統(tǒng)，然后輸出系統(tǒng)。以上為第一級(jí)壓縮分離流程，從第一級(jí)壓縮分離流程出來的混合氣如尚未達(dá)到用戶要求的分離率，還可進(jìn)行第二級(jí)壓縮分離。第二級(jí)壓縮分離流程類似于第一級(jí)流程，具體步驟為(6)混合氣進(jìn)入第二級(jí)壓縮設(shè)備C2,被壓縮至4060bar;(7)在換熱器H2中被分離出的產(chǎn)品C02初步降溫后，又在換熱器H3中被制冷機(jī)進(jìn)一步降溫至-10-40'C;(8)此時(shí)混合氣中的C02又有部分液化析出，采用常規(guī)的氣液分離器S2可將其分離出來；(9)分離出來的液態(tài)C02可用泵P2升壓至80153bar，此時(shí)所分離出的C02保持液態(tài)；(10)此后分離出的液態(tài)C02在換熱器H3中與本級(jí)入口處的混合氣換熱把部分冷能返回系統(tǒng)，然后輸出系統(tǒng)。如果分離器S2出口的混合氣13仍未達(dá)到用戶要求的分離率，則可繼續(xù)采用第三級(jí)壓縮分離流程。第三級(jí)壓縮分離流程類似于第一級(jí)和第二級(jí)流程，具體步驟為(11)混合氣進(jìn)入第三級(jí)壓縮設(shè)備C3，被壓縮至6090bar;(12)在換熱器H5中被分離出的產(chǎn)品C02初步降溫后，又在換熱器H6中被制冷機(jī)進(jìn)一步降溫至-10-40°C;(13)此時(shí)混合氣中的C02又有部分液化析出，采用常規(guī)的氣液分離器S3可將其分離出來；(14)分離出來的液態(tài)C02可用泵P3升壓至80153bar，此時(shí)所分離出的0)2保持液態(tài)；(15)此后分離出的液態(tài)C02在換熱器H5中與本級(jí)入口處的混合氣13換熱把部分冷能返回系統(tǒng)，然后輸出系統(tǒng)。(16)如分離器S3出口的混合氣19已達(dá)到所設(shè)定的分離率，則可在換熱器H5中回收冷能后輸出系統(tǒng)。可以看出，新型C02分離壓縮一體化方法具有很多獨(dú)特的特點(diǎn)(a)該流程多次使用壓縮與低溫冷能分離，這樣，雖然隨著C02的不斷析出，混合氣中C02濃度不斷下降；但由于混合氣總壓力得到了進(jìn)一步提高，因而有助于提高其中的C02分壓，從而使C02分離液化溫度始終保持在一個(gè)較高的水平，進(jìn)而保證C02低溫冷能分離法的性能保持在一個(gè)較高的水平。(b)充分回收產(chǎn)品流的冷能如流程中對(duì)分離出的C02和混合氣，都是經(jīng)過充分的冷能回收后才離開系統(tǒng)；(c)C02的多級(jí)分離由于混合氣中的C02隨著溫度的降低是逐漸液化的，因此在泥合氣降溫過程中采用多級(jí)分離方式將已經(jīng)液化的C02及時(shí)分離出來，這樣既便于在后續(xù)流程中繼續(xù)使用壓縮機(jī)增加混合氣壓力，又可以減少混合氣在后續(xù)換熱過程中對(duì)冷能的需求。(d)從該流程中分離出來的又是已壓縮至合適壓力的液態(tài)C02，因此該流程同步實(shí)現(xiàn)了C02的分離與壓縮。(e)新型C02分離壓縮一體化方法流程由換熱器、壓縮機(jī)、氣液分離器等常用工業(yè)設(shè)備組成，且全流程沒有采用化學(xué)溶劑，因此設(shè)備的造價(jià)低廉、安全性高、運(yùn)行維護(hù)成本較低。實(shí)施例l計(jì)算機(jī)模擬是釆用商業(yè)軟件(AspenplusVersion11.1)來進(jìn)行的，其中表l給出了主要物流的參數(shù)表。該模擬選取含C02和H2分別為80X、20%的混合氣體作為研究對(duì)象，分析采用C02分離壓縮一體化方法對(duì)其進(jìn)行分離時(shí)的物流與能耗特性。這種以仏和C02為主要成分的混合氣常見于煤氣化后的合成氣經(jīng)shift反應(yīng)后的shift變換氣，一般而言其C02濃度可達(dá)40%左右，相應(yīng)的&濃度可達(dá)60%左右；如再經(jīng)過一個(gè)清潔能源生產(chǎn)流程(如PSA制氫流程)，將其中7090X的H2提取出來，即可獲得0)2濃度在7085%左右的(:02/H2混合氣體。模擬中主要的計(jì)算采用SRK方程，計(jì)算中，取壓縮機(jī)效率為0.8，泵效率為0.8，平均換熱溫差換熱器H1、H3、H5〉10。C;低溫?fù)Q熱器H2、H4、朋〉5。C;最低換熱溫差換熱器H1、H3、H5〉8。C;低溫?fù)Q熱器H2、H4、朋〉2。C。從表1中可以看出，混合氣1在進(jìn)入第一級(jí)壓縮機(jī)C1時(shí)，其壓力僅為4bar。此時(shí)如果直接用低溫冷能法進(jìn)行分離C02，則需要降至-6(TC以下才可能有C02以干冰形式析出；而通過壓縮機(jī)Cl升壓至25bar后，在-33。C左右即可有67%的C02以液態(tài)凝結(jié)下來，分離出的液態(tài)C02(物流4)純度可達(dá)99.6%。分離后的混合氣7的C02濃度降至57%，如果繼續(xù)降溫則C02濃度將進(jìn)一步下降，由此可導(dǎo)致C02相變溫度不斷下降直至C02的三相點(diǎn)溫度(一56.6°C)以下，此時(shí)混合氣中的C02將以固體形式析出，可能會(huì)帶來設(shè)備凍結(jié)等諸多問題；但在新型C02分離壓縮一體化方法中，混合氣7通過壓縮機(jī)C2升壓至50bar后，只需降溫至-28。C即可實(shí)現(xiàn)另外1漲的C02凝結(jié)下來，分離出的液態(tài)C02(物流IO)純度可達(dá)98.4%。此時(shí)混合氣13的C02濃度已降至37.4%。當(dāng)GAS3通過壓縮機(jī)C3進(jìn)一步升壓至85bar后，再降至-23'C又可實(shí)現(xiàn)5%左右的COJ人混合氣中以液態(tài)分離出來。最終，有90%的0)2以液態(tài)形式從混合氣中被分離出來，而分離出來的液態(tài)C02(物流21)純度達(dá)到99.2%。表l物流溫度壓力(bar)相態(tài)流量MoleFrac(%)(。c)(kg/s)C02H21304氣態(tài)1.00080204-3325液態(tài)0.66699.60.47-3325氣態(tài)0.334574310-2850液態(tài)0.17998.41.613-2850氣態(tài)0.15637.462.616-2385液態(tài)0.04796.83.22021.285氣態(tài)0.10929712118.2150液態(tài)0.89199.20.8從表2中可以看出新型C02壓縮分離一體化方法可以實(shí)現(xiàn)很好的綜合性能:當(dāng)含C02和H2分別為80%、20%的混合氣體流量為100kg/s時(shí)，流程可將90%的C02從混合氣中分離出來，而消耗的壓縮功為89.IIMW，制冷消耗的功為17.21MW，最終，新型一體化流程消耗的總功率為39.17MW，單位C02的回收能耗為0.蜀/kg。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表3中可以看出，新型C02分離壓縮一體化方法流程的整體性能要明顯好于兩種傳統(tǒng)的回收流程其C02回收能耗比MEA回收流程大幅降低67X，相對(duì)于Selexol回收流程也下降了15%。其主要原因就在于新型一體化流程直接將C02以液態(tài)分離出來，從而節(jié)約了大量壓縮功。同時(shí)，由于采用了合理的壓縮/降溫流程，使系統(tǒng)消耗的壓縮功不是很高，同^寸使C02的液化分離溫度始終處于一個(gè)比較高的溫度范圍(-10-40°C)進(jìn)而使其制冷功耗也處于一個(gè)較低的水平。最終，保證了新型壓縮分離一體化流程具有良好的熱力性能。同時(shí)，由于新型C02分離壓縮一體化方法流程中僅涉及換熱器、壓縮機(jī)、氣液分離器等常用設(shè)備，且全流程沒有采用化學(xué)溶劑，因此設(shè)備的造價(jià)低廉、安全性高、運(yùn)行維護(hù)成本較低。實(shí)例分析及相關(guān)研究結(jié)果表明新型C02分離壓縮一體化方法基于改進(jìn)的C02低溫冷能分離法，采用多級(jí)壓縮、多級(jí)分離的方式，同時(shí)注意回收分離產(chǎn)品的冷能；該方法可將混合氣體中絕大部分C02以液態(tài)分離出來，并且避免了C02的凍結(jié)問題，可以有效降低C02的壓縮耗功，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)C02回收能耗的明顯降低，同時(shí)，新型C02分離壓縮一體化方法流程由換熱器、壓縮機(jī)、氣液分離器等常用工業(yè)設(shè)備組成，且全流程沒有采用化學(xué)溶劑，因此設(shè)備的造價(jià)低廉、安全性高、運(yùn)行維護(hù)成本較低。表3產(chǎn)品的技術(shù)效果項(xiàng)目新型壓縮分離一體化流程MEA回收流程Selexol回收流程C(X回收功耗(MW):制冷消耗功17.21壓氣機(jī)消耗壓縮功18.00吸收劑再生帶來功耗78.317.3C02壓縮耗功1.2635.767.7合計(jì)36.4711485C02回收量(kg/s)89.1193176.4C02回收能耗(MJ/kgC02)0.4091.230.481權(quán)利要求1.一種CO2分離壓縮一體化方法，其特征在于，該方法是將多級(jí)壓縮、多級(jí)冷卻以及多級(jí)分離相結(jié)合，通過增加混合氣壓力來提高CO2相變溫度，并采用多級(jí)分離、多級(jí)壓縮的方式確保CO2占混合氣的分離率；在相對(duì)較高的冷凝溫度下將混合氣體中絕大部分CO2以液態(tài)形式分離出來；實(shí)現(xiàn)了整個(gè)CO2回收能耗的大幅降低；該方法包括如下步驟a.含CO2混合氣進(jìn)入第一級(jí)分離壓縮流程，通過壓縮機(jī)加壓至20～35bar，經(jīng)過冷卻水冷卻后其溫度為35-40℃，此時(shí)仍為氣態(tài)混合物；b.混合氣中分離出的產(chǎn)品CO2，，被進(jìn)一步降溫至-10～-40℃，此時(shí)混合氣中的CO2將部分液化析出；c.采用常規(guī)的氣液分離器進(jìn)行氣液分離；d.用泵給分離出來的CO2加壓至80～153bar，此時(shí)所分離出的CO2保持液態(tài)，加壓的壓力主要取決于用戶對(duì)CO2產(chǎn)品的要求；e.分離出的液態(tài)CO2在經(jīng)過泵加壓后，通過與混合氣換熱，把部分冷能返回系統(tǒng)用于冷卻混合氣，然后高壓的液態(tài)CO2可作為產(chǎn)品輸出系統(tǒng)；根據(jù)用戶需要，也可通過調(diào)整換熱器參數(shù)，使CO2產(chǎn)品的溫度進(jìn)一步上升至31.3℃以上，此時(shí)分離出的CO2產(chǎn)品可以以高壓的超臨界狀態(tài)輸出系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述C02分離壓縮一體化方法，其特征在于，所述第一級(jí)分離壓縮流程分離出來的混合氣若尚未達(dá)到用戶規(guī)定的C02占混合氣的分離率，可再進(jìn)行第二級(jí)壓縮分離，步驟與第一級(jí)分離壓縮流程相同，以此類推直到達(dá)到用戶所要求的C02占混合氣的分離率為止。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的C02分離壓縮一體化方法，其特征是經(jīng)多級(jí)分離后達(dá)到設(shè)定的分離率時(shí)，則將混合氣中的冷能回收后，再將混合氣排出系統(tǒng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的C02分離壓縮一體化方法，其特征是所述需分離的混合氣為相對(duì)于C02而言沸點(diǎn)更低的氣體H2、N2、02和CH4與C02組成的混合物，且非常適合于從C02濃度較高的混合氣體中分離液化C02，在工業(yè)生產(chǎn)中這種混合氣體較為常見，包括煤氣化后的經(jīng)shift反應(yīng)后的以仏和C02為主要成分的混合氣、采用富氧進(jìn)行燃燒后的以02、N2和C02為主要成分的煙氣混合氣。全文摘要本發(fā)明公開了屬于氣體制備
技術(shù)領(lǐng)域：
的一種CO₂分離壓縮一體化方法。該方法是用于從含CO₂的氣體中分離CO₂的一種方法，具體是將多級(jí)壓縮、多級(jí)冷卻以及多級(jí)分離相結(jié)合，通過增加混合氣壓力來提高CO₂相變溫度，并采用多級(jí)分離、多級(jí)壓縮的方式確保一定的分離率；在相對(duì)較高的冷凝溫度下將混合氣體中絕大部分CO₂以液態(tài)形式分離出來，從而改進(jìn)了CO₂低溫冷凝分離法，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)CO₂回收能耗的大幅降低；同時(shí)，全流程沒有采用化學(xué)溶劑，因此設(shè)備的造價(jià)低廉、安全性高、運(yùn)行維護(hù)成本較低。本發(fā)明可廣泛用于從含CO₂的混合氣體中分離CO₂，可生產(chǎn)出純CO₂產(chǎn)品、減少溫室氣體的排放，使人類生活環(huán)境得到保護(hù)。文檔編號(hào)F25J3/00GK101666573SQ20091009380公開日2010年3月10日申請(qǐng)日期2009年9月21日優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日發(fā)明者彤劉,鋼徐,楊勇平,段立強(qiáng),田龍虎申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)