的脫除工藝的制作方法
【專利摘要】一種低濃度CO2脫除新工藝，它主要是由低濃度CO2吸收脫除系統(tǒng)和堿再生反應(yīng)系統(tǒng)組成。含有低濃度CO2的原料氣體進(jìn)入高性能吸收塔的塔底并向上流動，與從塔頂和塔中間進(jìn)入的堿性吸收液逆向接觸流動，CO2轉(zhuǎn)化為碳酸鹽，凈化氣由吸收塔頂送出。塔底的堿性吸收液由循環(huán)泵輸送，一部分送至塔中部，在塔下部形成以循環(huán)吸收液為主吸收劑的充分吸收區(qū)；一部分循環(huán)液送至堿混合罐與再生堿液混合，從塔頂送入吸收塔，從而在塔上部形成以再生堿液為主，輔以循環(huán)吸收液的強(qiáng)化吸收區(qū)，通過循環(huán)吸收處理后的凈化氣中的CO2摩爾濃度可低于0.03%。含有碳酸鹽的吸收液則從塔底經(jīng)管路送入堿再生反應(yīng)器內(nèi)，與堿再生劑發(fā)生堿交換反應(yīng)，再生利用。
【專利說明】一種低濃度co2的脫除工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體純化領(lǐng)域，具體涉及到原料氣體中低濃度co2脫除的技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著科技與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高新技術(shù)的應(yīng)用不斷增多，各行各業(yè)對高純原料氣體的需求也日益增加，例如冶金，電子行業(yè)，油氣生產(chǎn)，食品，氣相色譜等。尤其在冶金行業(yè)中涉及到金屬脫碳過程，在使用惰性氣體作為保護(hù)氣時，對其中二氧化碳的含量要求極高，使原料氣體中二氧化碳的脫除顯得尤為重要。
[0003]目前對氣體進(jìn)行脫碳凈化處理的方法主要有:物理吸收法、化學(xué)吸收法、變壓吸附法和膜分離法。以上方法中物理吸附法、變壓吸附法雖然生產(chǎn)過程綠色環(huán)保，無三廢產(chǎn)生，可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的高純氮，但由于涉及溫度與壓強(qiáng)，對能源的消耗和設(shè)備材料的要求較高，成本壓力大。而膜分離方法工業(yè)化大批量生產(chǎn)上應(yīng)用還不廣泛，且需要從國外進(jìn)口裝置，成本較高，凈化后的原料氣體品質(zhì)也難以令人滿意。一般的化學(xué)吸收法如工業(yè)中常用的氨水吸收二氧化碳，雖然價格便宜，成本較低，解吸方便，但由于化學(xué)平衡的關(guān)系，導(dǎo)致無法有效去除低濃度的二氧化碳，只能作為初步吸收。低濃度的二氧化碳的去除一般需要采用堿性吸收液，通過不可逆反應(yīng)生成碳酸鹽類，以保證凈化氣中co2的含量極低。氫氧化鉀、氫氧化鈉等堿性水溶液的吸收能力極強(qiáng)，但吸收過程中堿濃度較低(一般低于30%)，使得吸收獲得低濃度的碳酸鹽溶液處理困難，容易造成二次污染。而石灰水雖然能夠生成碳酸鈣沉淀，但吸收過程中容易在吸收元件結(jié)垢，形成堵塞，影響吸收過程。
[0004]針對以上問題，我們提出一種新型，高效，低成本脫碳的技術(shù)，該技術(shù)以氫氧化鈉等可溶性堿為吸收劑吸收二氧化碳，含有碳酸鹽的吸收液與石灰水反應(yīng)使堿液再生，從而使吸收過程中通過消耗石灰水來實現(xiàn)二氧化碳的脫除。本技術(shù)成本低廉，工業(yè)化程度高，產(chǎn)量大，堿液可重復(fù)利用，產(chǎn)生的固渣還能回收用作工業(yè)原料，從而做到物盡其用，綠色環(huán)保。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種高效，成本低廉，綠色環(huán)保同時可以重復(fù)利用堿液的低濃度co2脫除的技術(shù)，為實現(xiàn)以上目標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種低濃度co2脫除工藝，它主要由低濃度co2吸收脫除系統(tǒng)和堿再生反應(yīng)系統(tǒng)組成。工藝流程如圖1所示，基本步驟為:
步驟1、含有低濃度C02的原料氣體從吸收塔2的塔底進(jìn)入，自下而上流動，與從塔中部進(jìn)入的循環(huán)堿性吸收液以及從塔頂進(jìn)入的再生堿性吸收液在塔內(nèi)逆向接觸反應(yīng)，吸收塔內(nèi)C02與堿性吸收液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳酸鹽，處理后的氣體從塔頂氣相管道13排出；步驟2、到達(dá)塔底的堿性吸收液由循環(huán)泵P1分別送至塔頂和塔中部后再次進(jìn)入吸收塔中與原料氣體逆向接觸反應(yīng)；
步驟3、將吸收塔塔底含可溶性碳酸鹽的堿性吸收液輸送至再生反應(yīng)器5內(nèi)，所述可溶性碳酸鹽與再生反應(yīng)器中的堿再生劑反應(yīng)生成不溶性碳酸鹽和再生堿性吸收液，該不溶性碳酸鹽經(jīng)固液分離后排出再生反應(yīng)器，再生堿性吸收液輸送至堿調(diào)節(jié)罐6中，該再生堿性吸收液與堿調(diào)節(jié)罐中補(bǔ)加的新鮮堿性吸收液混合后輸送至塔頂進(jìn)而進(jìn)入吸收塔。
[0006]其中，所述堿性吸收液為可溶性強(qiáng)堿性氫氧化物的水溶液，所述堿再生劑為石灰水。
[0007]進(jìn)一步地，所述的原料氣體中C02的濃度為0.1?1% (摩爾含量)，氣體壓強(qiáng)為0.1?2MPa，堿性吸收液的pH大于10，優(yōu)選pH為14?16 ;吸收溫度5?40°C，優(yōu)選為8?20。。。
[0008]進(jìn)一步地，所述工藝中含低濃度C02的氣體在吸收塔內(nèi)與堿性吸收液反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為可溶性碳酸鹽，含有可溶性碳酸鹽的吸收液送入堿再生反應(yīng)器內(nèi)，與堿再生劑發(fā)生堿交換反應(yīng)，獲得再生堿液重新用做吸收液，形成循環(huán)吸收過程。
[0009]進(jìn)一步地，所述工藝中含有可溶性碳酸鹽的吸收液，在再生反應(yīng)器內(nèi)與堿再生劑發(fā)生堿交換反應(yīng)，生成不溶性碳酸鹽和再生堿液，經(jīng)固液分離后，再生堿液送回吸收塔，不溶性碳酸鹽脫水處理，以回收其中的堿液。
[0010]進(jìn)一步地，所述氫氧化物的陽離子為鉀、鈉或強(qiáng)堿性季銨離子。所述含低濃度co2的原料氣體中包括氮氣、甲烷、氫氣、氧氣及惰性氣體中的一種或幾種。
[0011]進(jìn)一步地，堿調(diào)節(jié)罐內(nèi)補(bǔ)加的新鮮堿液量為再生堿液的3?10%。
[0012]進(jìn)一步地，步驟2中所述塔底的堿性吸收液由循環(huán)泵輸送，一部分送至塔中部，在塔下段形成以循環(huán)堿性吸收液為主吸收劑的充分吸收區(qū)，噴淋密度為10?30m3/ (m2h);另一部分送至與吸收塔塔頂相連的堿混合罐(14)中與再生堿性吸收液混合獲得強(qiáng)化吸收液后送入塔頂，在吸收塔上部形成以再生堿性吸收液為主吸收劑的強(qiáng)化吸收區(qū)，噴淋密度為8?20m3/ (m2h),再生堿液與循環(huán)堿液混合后吸收液pH不低于14。
[0013]進(jìn)一步地，所述吸收塔底的液位由液位計3調(diào)節(jié)，吸收塔底含碳酸鹽的吸收液由管道4進(jìn)入再生反應(yīng)器5內(nèi)再生，也可在管道4發(fā)生堵塞或檢修時由泵P1經(jīng)管道7送入再生反應(yīng)器5。堿再生反應(yīng)器中由管道8加入堿再生劑，可溶性碳酸鹽與堿再生劑發(fā)生堿交換反應(yīng)并生成不溶性碳酸鹽，實現(xiàn)固碳，同時獲得再生的堿液。
[0014]進(jìn)一步地，步驟3中堿再生反應(yīng)生成的不溶性碳酸鹽經(jīng)固液分離后排出反應(yīng)器外收集待處理，可作為建筑材料用。
[0015]通過吸收和再生操作，使用高性能的強(qiáng)堿性溶液，如氫氧化鈉，在吸收塔內(nèi)脫除二氧化碳，以保證吸收效果，保障吸收元件不結(jié)垢，而整個過程中主要消耗廉價易得的石灰水，以降低操作成本，避免了二次污染。
[0016]通過上述步驟之后，原料氣體中的C02的含量可控制在:C02 ( 0.03%(mol)。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點為:
首先，本工藝中采用的堿性吸收液與co2生成可溶性的碳酸鹽，該碳酸鹽溶解度較大，可有效防止其在塔器內(nèi)結(jié)垢堵塞，同時提聞C02的吸收效率。
[0018]其次，本工藝采用兩段吸收法，將循環(huán)吸收液送至吸收塔中段，在塔的下部構(gòu)建大噴淋量的吸收過程，可以去除大部分co2。一部分循環(huán)液送至堿混合罐與再生堿混合形成高pH吸收液，以高效脫除塔下部未吸收的C02。通過強(qiáng)化吸收，可使得C02的濃度降低到0.03% (mol)以下。
[0019]再者，再生反應(yīng)內(nèi)使用廉價的堿再生劑如石灰水來進(jìn)行固碳，而將更為昂貴的堿性吸收液置換出來以循環(huán)使用，期間只需補(bǔ)充少量的堿液即可，從而降低了成本，避免了資源浪費和堿液廢料對環(huán)境的污染。
[0020]最后，再生反應(yīng)器中置換反應(yīng)得到的固體廢渣，容易分離，可用作建筑材料、涂料原料，從而做到物盡其用，避免了資源浪費。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本專利發(fā)明實施采用的流程圖。其中:1為原料氣體進(jìn)口管道；2為高性能吸收塔；3為自動液位控制系統(tǒng)；4為堿液排放管道；5為再生反應(yīng)器；6為堿調(diào)節(jié)罐；7為堿液輸送管道(備用)；8為堿再生劑輸入管道；9為堿液補(bǔ)充管道；10、11為堿液循環(huán)管道；12再生堿液輸送管道；13為凈化氣出口管道；14為堿混合罐；15為塔頂進(jìn)液管道；P1、P2為循環(huán)泵。

【具體實施方式】
[0022]實施例1
某高純氮生產(chǎn)廠家，待處理氣量為300000Nm3/h，原料氮氣中含C02為0.10% (摩爾分?jǐn)?shù))。采用本發(fā)明工藝流程，原料氮氣經(jīng)過輸送管道進(jìn)入高性能吸收塔與NaOH吸收液進(jìn)行反應(yīng)吸收。吸收塔采用填料塔，吸收壓力在0.65MPa，操作溫度為20°C。吸收塔底部的吸收液通過輸送泵送至吸收塔中部，一部分送至堿混合罐與再生NaOH吸收液混合以吸收二氧化碳。收塔上部液相噴淋密度為18m3/(m2 -h)，中段液相噴淋密度為30m3/(m2 -h)。經(jīng)吸收后的凈化氣由從塔頂氣相管道輸出，進(jìn)入下游工序，而C02則在吸收塔內(nèi)與NaOH吸收液反應(yīng)生成碳酸鹽。吸收一段時間后，待塔底吸收液pH低于10后，將含有碳酸鹽的吸收液送至再生反應(yīng)器。同時向再生反應(yīng)器中加入石灰水與碳酸鹽發(fā)生置換反應(yīng)，攪拌使其充分反應(yīng)，得到固體碳酸鹽沉淀。再生反應(yīng)器中的液相即為再生的NaOH吸收液，隨后再生的NaOH吸收液溢流至槽罐內(nèi)，同時為保持NaOH吸收液的濃度，補(bǔ)充300kg/hl0%的NaOH溶液后通過輸送泵P2送至堿混合罐與循環(huán)液混合后，獲得pH為15的吸收液，經(jīng)管道15送入高性能吸收塔塔頂中再次進(jìn)行吸收二氧化碳。
[0023]通過上述步驟之后，經(jīng)檢測，原料氮氣中的C02的摩爾含量降低為0.022%左右。
[0024]吸收塔直徑6000mm，總高10000mm，其內(nèi)設(shè)置規(guī)整絲網(wǎng)填料8000mm，共分5段，強(qiáng)化吸收段3段,充分吸收段2段,液體循環(huán)量500000kg/h。堿再生反應(yīng)器體積50m3,作防腐處理，氧化鈣耗量850kg/h，碳酸鈣沉淀在再生反應(yīng)器底部，定期清出。堿調(diào)節(jié)罐體積20 m3。
[0025]實施例2
高純氫氣生產(chǎn)廠家，待處理氣量為400000Nm3/h，原料氫氣中含C02為1.0% (摩爾分?jǐn)?shù))。采用本發(fā)明工藝流程，原料氫氣經(jīng)過輸送管道進(jìn)入高性能吸收塔與Κ0Η吸收液進(jìn)行反應(yīng)吸收。吸收塔采用填料塔，吸收壓力在2MPa，操作溫度為15°C。吸收塔底部的吸收液通過輸送泵送至吸收塔中部，一部分送至堿混合罐與再生Κ0Η吸收液混合以吸收二氧化碳。收塔上部液相噴淋密度為20m3/(m2 -h)，中段液相噴淋密度為25m3/(m2 -h)。經(jīng)吸收后的凈化氣由從塔頂氣相管道輸出，進(jìn)入下游工序，而C02則在吸收塔內(nèi)與Κ0Η吸收液反應(yīng)生成碳酸鹽。吸收一段時間后，待塔底吸收液pH低于10后，將含有碳酸鹽的吸收液送至再生反應(yīng)器。同時向再生反應(yīng)器中加入石灰水與碳酸鹽發(fā)生置換反應(yīng)，攪拌使其充分反應(yīng)，得到固體碳酸鹽沉淀。再生反應(yīng)器中的液相即為再生的KOH吸收液，隨后再生的KOH吸收液溢流至槽罐內(nèi)，同時為保持堿性吸收液的濃度，補(bǔ)充500 kg/h 10%的KOH溶液后通過輸送泵P2送至堿混合罐與循環(huán)液混合后，獲得pH為16的吸收液，經(jīng)管道15送入高性能吸收塔塔頂中再次進(jìn)行吸收二氧化碳。
[0026]通過上述步驟之后，經(jīng)檢測，原料氫氣中的C02的摩爾含量降低為0.016%左右。
[0027]吸收塔直徑7000mm，總高11000mm，其內(nèi)設(shè)置規(guī)整絲網(wǎng)填料8500mm，共分5段，強(qiáng)化吸收段3段，充分吸收段2段，液體循環(huán)量600000kg/h。堿再生反應(yīng)器體積55m3，作防腐處理，氧化鈣耗量900kg/h，碳酸鈣沉淀在再生反應(yīng)器底部，定期清出。堿調(diào)節(jié)罐體積25 m3。
[0028]實施例3
高純氧氣生產(chǎn)廠家，待處理氣量為150000Nm3/h，原料氧氣中含C02為0.1%(摩爾分?jǐn)?shù))。采用本發(fā)明工藝流程，原料氧氣經(jīng)過輸送管道進(jìn)入高性能吸收塔與(CH3)4N0H吸收液進(jìn)行反應(yīng)吸收。吸收塔采用填料塔，吸收壓力在0.1MPa，操作溫度為8°C。吸收塔底部的吸收液通過輸送泵送至吸收塔中部，一部分送至堿混合罐與再生與(CH3)4N0H吸收液混合以吸收二氧化碳。收塔上部液相噴淋密度為8m3/(m2 -h)，中段液相噴淋密度為10m3/(m2 -h)。經(jīng)吸收后的凈化氣由從塔頂氣相管道輸出，進(jìn)入下游工序，而C02則在吸收塔內(nèi)與與(CH3)4N0H吸收液反應(yīng)生成碳酸鹽。吸收一段時間后，待塔底吸收液pH低于10后，將含有碳酸鹽的吸收液送至再生反應(yīng)器。同時向再生反應(yīng)器中加入石灰水與碳酸鹽發(fā)生置換反應(yīng)，攪拌使其充分反應(yīng)，得到固體碳酸鹽沉淀。再生反應(yīng)器中的液相即為再生的(CH3)4N0H吸收液，隨后再生的(CH3)4N0H吸收液溢流至槽罐內(nèi)，同時為保持(CH3)4N0H吸收液的濃度，補(bǔ)充200 kg/h 3%的(CH3)4N0H溶液后通過輸送泵P2送至堿混合罐與循環(huán)液混合后，獲得pH為14的堿性吸收液，經(jīng)管道15送入高性能吸收塔塔頂中再次進(jìn)行吸收二氧化碳。
[0029]通過上述步驟之后，經(jīng)檢測，原料氧氣中的C02的摩爾含量降低為0.017%左右。
[0030]吸收塔直徑3000mm，總高6000mm，其內(nèi)設(shè)置規(guī)整絲網(wǎng)填料4500mm，共分4段，強(qiáng)化吸收段2段，充分吸收段2段，液體循環(huán)量160000kg/h。堿再生反應(yīng)器體積20m3，作防腐處理，氧化鈣耗量300kg/h，碳酸鈣沉淀在再生反應(yīng)器底部，定期清出。堿調(diào)節(jié)罐體積10 m3。
【權(quán)利要求】
1.一種低濃度CO2的脫除工藝，其特征包括以下步驟: 步驟1、含有低濃度CO2的原料氣體從吸收塔(2)的塔底進(jìn)入，自下而上流動，與從塔中部進(jìn)入的循環(huán)堿性吸收液以及從塔頂進(jìn)入的再生堿性吸收液在塔內(nèi)逆向接觸反應(yīng)，吸收塔內(nèi)CO2與堿性吸收液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳酸鹽，處理后的氣體從塔頂排出； 步驟2、到達(dá)塔底的堿性吸收液由循環(huán)泵(Pl)分別送至塔頂和塔中部后再次進(jìn)入吸收塔中與原料氣體逆向接觸反應(yīng)； 步驟3、將吸收塔塔底含可溶性碳酸鹽的堿性吸收液輸送至再生反應(yīng)器(5)內(nèi)，所述可溶性碳酸鹽與再生反應(yīng)器中的堿再生劑反應(yīng)生成不溶性碳酸鹽和再生堿性吸收液，該不溶性碳酸鹽經(jīng)固液分離后排出再生反應(yīng)器，再生堿性吸收液輸送至堿調(diào)節(jié)罐(6)中，該再生堿性吸收液與堿調(diào)節(jié)罐中補(bǔ)加的新鮮堿性吸收液混合后輸送至塔頂進(jìn)而進(jìn)入吸收塔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度CO2的脫除工藝，其特征是:所述堿性吸收液為可溶性強(qiáng)堿性氫氧化物的水溶液，所述堿再生劑為石灰水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度CO2的脫除工藝，其特征是:所述的原料氣體中CO2的摩爾含量濃度為0.1?1%，氣體壓強(qiáng)為0.1?2MPa，堿性吸收液的pH大于10，吸收溫度5?40。。。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低濃度CO2的脫除工藝，其特征是:所述堿性吸收液的pH為14?16，吸收溫度為8?20°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度CO2的脫除工藝，其特征是:含低濃度CO2的氣體在吸收塔內(nèi)與堿性吸收液反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為可溶性碳酸鹽，含有可溶性碳酸鹽的吸收液送入堿再生反應(yīng)器內(nèi)，與堿再生劑發(fā)生堿交換反應(yīng)，獲得再生堿液重新用做吸收液，形成循環(huán)吸收過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度CO2的脫除工藝，其特征是:含有可溶性碳酸鹽的吸收液，在再生反應(yīng)器內(nèi)與堿再生劑發(fā)生堿交換反應(yīng)，生成不溶性碳酸鹽和再生堿液，經(jīng)固液分離后，再生堿液送回吸收塔，不溶性碳酸鹽脫水處理，回收其中的堿液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度CO2的脫除工藝，其特征是:所述氫氧化物的陽離子為鉀、鈉或強(qiáng)堿性季銨離子。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度CO2的脫除工藝，其特征是:堿調(diào)節(jié)罐內(nèi)補(bǔ)加的新鮮堿液量為再生堿液的3?10%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度CO2的脫除工藝，其特征是:含低濃度CO2的原料氣體中包括氮氣、甲烷、氫氣、氧氣及惰性氣體中的一種或幾種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度CO2的脫除工藝，其特征是:步驟2中所述塔底的堿性吸收液由循環(huán)泵輸送，一部分送至塔中部，在塔下段形成以循環(huán)堿性吸收液為主吸收劑的充分吸收區(qū)，噴淋密度為10?30m3/ (m2*h);另一部分送至與吸收塔塔頂相連的堿混合罐(14)中與再生堿性吸收液混合獲得強(qiáng)化吸收液后送入塔頂，在吸收塔上部形成以再生堿性吸收液為主吸收劑的強(qiáng)化吸收區(qū)，噴淋密度為8?20m3/ (m2*h)，再生堿液與循環(huán)堿液混合后吸收液pH不低于14。
【文檔編號】B01D53/78GK104353343SQ201410617279
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】張鋒, 張志炳, 楊程, 高凱璇, 羅宋, 孟為民 申請人:南京大學(xué)