本發(fā)明涉及一種捕集煙氣中二氧化碳的方法及其專用設(shè)備，特別涉及一種采用膜分離和空分技術(shù)捕集煙氣中二氧化碳的方法及其專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)化步伐的加快，人類大規(guī)模地使用煤、石油、天然氣等含碳化合物燃料，這類燃料燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳排放入大氣，致使大氣中二氧化碳的濃度逐年增加。作為一種主要的溫室氣體，二氧化碳的無限制排放勢(shì)必對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)、水資源和海洋等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。另一方面，二氧化碳也是一種重要的化工原料，是制造尿素、干冰、碳酸氫氨、滅火劑、食品添加劑等重要原材料。如果能將排放的二氧化碳脫除加以回收，那么既可以減少碳排放緩解氣候變暖，又可以治理工業(yè)廢氣帶來的環(huán)境污染。
膜分離法也是一種干法脫碳技術(shù)，是利用氣體中各組分在膜中透過速率的差異而實(shí)現(xiàn)的氣體分離過程，各種膜過程具有不同的機(jī)理，適用于不同的對(duì)象和要求。其共同特點(diǎn)是工藝流程短、設(shè)備少、經(jīng)濟(jì)性好、操作方便、開停車靈活；一般無相變、分離系數(shù)大、動(dòng)力及傳動(dòng)設(shè)備少、占地面積小、維修方便，無“三廢”、無二次污染，系統(tǒng)放大簡(jiǎn)單，可大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)。cn200610012944.6、cn201110034922.0均提到采用膜分離法提純變換氣中的h2，采用的分離膜一般為氫膜。然而，變換氣中h2是主要成分，co2的含量一般在30％以下，脫除大部分的h2顯然沒有脫除較少含量的co2經(jīng)濟(jì)。之所以大部分的膜分離過程無法適用于變換氣脫碳，是因?yàn)檫@些分離膜對(duì)h2也同時(shí)具有透過性，造成co2/h2無法分離。
促進(jìn)傳遞膜是近年來研發(fā)的一種分離機(jī)制區(qū)別于傳統(tǒng)膜分離過程的新型膜材料，它是利用分離膜中的固定或移動(dòng)載體，即官能團(tuán)如-nh2、-cooh等與co2分子發(fā)生可逆反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)co2選擇性透過的功能，相關(guān)化學(xué)反應(yīng)如下：
氮?dú)?、氧氣、氫氣由于不能與官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)所以透過性較差，這樣就可以實(shí)現(xiàn)co2和其他組分的分離。
2015年，在美國國家碳捕集研究中心mtr使用第一代規(guī)?；苽涞膒olaristm膜進(jìn)行了1mwe煙道氣(20噸/天)的中試規(guī)模試驗(yàn)，進(jìn)行了超過1000個(gè)小時(shí)的連續(xù)性真實(shí)煙道氣測(cè)試，co2捕集率約為85％，co2的純度約為45％。該試驗(yàn)使用帶有空氣吹掃的二段過程，原料氣先被壓縮至較低的壓力(不高于0.2mpa)，在第一段的滲透?jìng)?cè)進(jìn)行抽真空操作，第一段的滲透氣即為產(chǎn)品氣，第一段的截留氣進(jìn)入第二段進(jìn)行分離，第二段的截留氣主要含有n2，可直接排放，第二段的滲透氣通過空氣吹掃返回至燃燒爐，以提高co2回收率。
上述二氧化碳捕集方法存在捕集效果差或捕集成本高等問題，亟需研究新的二氧化碳捕集方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中捕集成本高等問題，提供一種捕集煙氣中二氧化碳的方法，并提供該方法的專用設(shè)備。
技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種捕集煙氣中二氧化碳的方法，包括如下步驟：對(duì)煙氣進(jìn)行除塵前處理，除塵后的煙氣經(jīng)壓縮增壓后通過膜分離技術(shù)分離為滲透氣和截留氣兩部分，其中，截留氣中只含有少量二氧化碳，可直接放空；滲透氣包含煙氣中80～90％的二氧化碳，對(duì)該滲透氣先進(jìn)行穩(wěn)壓處理，然后經(jīng)壓縮冷卻形成液化氣體，液化氣體經(jīng)精餾空分后得到高純度冷卻液化的二氧化碳。
具體的，煙氣中包括二氧化碳、氧氣和氮?dú)猓渲?，二氧化碳的摩爾比?～18％，氧氣的摩爾比為0～10％，其余為氮?dú)狻?/p>
上述滲透氣中二氧化碳的濃度為40～60％。
本發(fā)明所述的一種捕集煙氣中二氧化碳的方法的專用設(shè)備，包括依次連接的對(duì)煙氣進(jìn)行除塵凈化的微孔陶瓷濾膜、對(duì)除塵后的煙氣進(jìn)行壓縮增壓的一級(jí)壓縮機(jī)、將壓縮增壓后的煙氣分離為滲透氣和截留氣的氣體分離膜、對(duì)滲透氣進(jìn)行穩(wěn)壓處理的緩沖氣柜、對(duì)穩(wěn)壓處理后的滲透氣進(jìn)行壓縮冷卻的二級(jí)壓縮機(jī)和深冷器、以及對(duì)壓縮冷卻后的液化氣體進(jìn)行精餾空分的精餾塔。
優(yōu)選的，微孔陶瓷濾膜的孔徑為亞微米級(jí)。更優(yōu)的，微孔陶瓷濾膜由氧化鋁、氧化鋯及助劑制備而成，其中，氧化鋁和氧化鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99％；制得的微孔陶瓷濾膜的孔徑為50nm。
進(jìn)一步的，一級(jí)壓縮機(jī)、二級(jí)壓縮機(jī)采用蒸汽驅(qū)動(dòng)。
較優(yōu)的，該專用設(shè)備還可包括與微孔陶瓷濾膜連接的羅茨風(fēng)機(jī)，煙氣經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)抽取后經(jīng)微孔陶瓷濾膜深度凈化除塵。
有益效果：本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于：(1)本發(fā)明采用煙氣除塵前處理、膜分離、精餾空分等操作實(shí)現(xiàn)煙氣中的二氧化碳低成本捕集，將二氧化碳捕集和壓縮冷卻液化一體化操作，與傳統(tǒng)吸收法加空分液化相比，可大幅節(jié)約運(yùn)行成本，進(jìn)而大大降低碳捕集成本；(2)采用本發(fā)明的專用設(shè)備捕集煙氣中的二氧化碳，工藝過程中的主要能耗為兩臺(tái)壓縮機(jī)和前處理的羅茨風(fēng)機(jī)，這些動(dòng)設(shè)備采用蒸汽驅(qū)動(dòng)，可節(jié)約高品位的電能，進(jìn)一步降低碳捕集的成本；(3)本發(fā)明的二氧化碳捕集方法對(duì)煙氣中二氧化碳的捕集率可達(dá)75-95％，而且，產(chǎn)品氣二氧化碳純度為99.9％以上，達(dá)到食品級(jí)二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)，可直接作為商品氣體裝罐或進(jìn)入管道輸送出界區(qū)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的捕集煙氣中二氧化碳的專用設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的一種捕集煙氣中二氧化碳的方法，是采用煙氣除塵前處理、膜分離、精餾空分等操作實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中的二氧化碳的低成本捕集。
具體來說，該方法包括如下步驟：首先對(duì)煙氣進(jìn)行前處理，主要是除塵凈化處理，然后將除塵后的煙氣進(jìn)行壓縮增壓，增壓后的煙氣通過膜分離技術(shù)分離為滲透氣和截留氣兩部分，其中，截留氣中只含有少量二氧化碳，可直接放空；滲透氣包含煙氣中80～90％的二氧化碳以及其他氣體，對(duì)該滲透氣先進(jìn)行穩(wěn)壓處理，然后進(jìn)行壓縮冷卻、使?jié)B透氣液化，對(duì)液化后的氣體進(jìn)行精餾空分，即可得到高純度冷卻液化的二氧化碳。
該方法將二氧化碳捕集和壓縮冷卻液化一體化操作，與傳統(tǒng)吸收法加空分液化相比，可大幅節(jié)約運(yùn)行成本，進(jìn)而大大降低碳捕集成本。該方法對(duì)煙氣中二氧化碳的捕集率可達(dá)75-95％，且經(jīng)精餾空分后最終得到的二氧化碳純度為99.9％以上，達(dá)到了食品級(jí)二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)，可直接作為商品氣體裝罐或進(jìn)入管道輸送出界區(qū)。
上述處理的煙氣為鍋爐煙氣，如燃煤鍋爐、天然氣鍋爐等燃燒后的煙氣，其成分一般包括5～18％(摩爾比)的二氧化碳和0～10％(摩爾比)的氧氣，其余為氮?dú)?。?jīng)膜分離后得到的滲透氣中除二氧化碳外，還包括其他氣體，其中二氧化碳的濃度為40～60％。
如圖1，本發(fā)明的捕集煙氣中二氧化碳的方法的專用設(shè)備，包括依次連接的微孔陶瓷濾膜1、一級(jí)壓縮機(jī)2、氣體分離膜3、緩沖氣柜4、二級(jí)壓縮機(jī)5、深冷器6和精餾塔7。
該專用設(shè)備還可包括與微孔陶瓷濾膜1連接的羅茨風(fēng)機(jī)8，煙氣經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)8抽取后經(jīng)微孔陶瓷濾膜1深度凈化除塵。
微孔陶瓷濾膜1的孔徑為亞微米級(jí)。該微孔陶瓷濾膜1可由氧化鋁、氧化鋯及助劑制備而成，其中，氧化鋁、氧化鋯為主要原料，兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99％，制得的微孔陶瓷濾膜的孔徑為50nm；該微孔陶瓷濾膜為高效低壓降濾膜，經(jīng)其凈化除塵的煙氣的進(jìn)氣壓力為8～100kpa；對(duì)于達(dá)到超凈排放要求的過濾除塵，常規(guī)技術(shù)要求進(jìn)氣壓力400～800kpa；本發(fā)明的高效低壓降濾膜，在不超過100kpa的條件下，凈化后的煙氣塵含量小于5mg/m3，有效降低了過濾除塵的能耗；
煙氣經(jīng)微孔陶瓷濾膜1深度凈化除塵后，進(jìn)入一級(jí)壓縮機(jī)2，增壓后的煙氣進(jìn)入氣體分離膜3，煙氣中80-90％的二氧化碳優(yōu)先通過氣體分離膜3，含40-60％高濃度二氧化碳的滲透氣進(jìn)入緩沖氣柜4，在緩沖氣柜4中調(diào)節(jié)至恒定壓力，緩沖氣柜4中的氣體經(jīng)二級(jí)壓縮機(jī)5壓縮后進(jìn)入深冷器6，壓縮冷卻后的氣體液化，液化后的氣體進(jìn)入精餾塔7，在精餾塔7中根據(jù)不同密度進(jìn)行分離，得到高純度的冷卻液化后的二氧化碳。
采用該專用設(shè)備捕集煙氣中的二氧化碳，工藝過程中的主要能耗為一級(jí)壓縮機(jī)2、二級(jí)壓縮機(jī)5和前處理的羅茨風(fēng)機(jī)8，兩臺(tái)壓縮機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)可采用蒸汽驅(qū)動(dòng)，從而可節(jié)約高品位的電能，進(jìn)一步降低碳捕集的成本。
實(shí)施例
處理對(duì)象：燃煤鍋爐煙氣；煙氣處理量：20000nm3/h；煙氣中co2含量：15％(摩爾比)。
采用本發(fā)明的專用設(shè)備捕集燃煤鍋爐煙氣中的二氧化碳，其中，一級(jí)壓縮機(jī)2、二級(jí)壓縮機(jī)5、羅茨風(fēng)機(jī)8采用蒸汽驅(qū)動(dòng)。
如圖1，煙氣a由羅茨風(fēng)機(jī)8抽入，經(jīng)微孔陶瓷濾膜1深度凈化除塵后，進(jìn)入一級(jí)壓縮機(jī)2，增壓后的煙氣進(jìn)入氣體分離膜3，煙氣中80-90％的二氧化碳優(yōu)先通過氣體分離膜3，截留氣b中只含有少量二氧化碳、直接放空，含40-60％高濃度二氧化碳的滲透氣進(jìn)入緩沖氣柜4，在緩沖氣柜4中調(diào)節(jié)至恒定壓力，緩沖氣柜4中的氣體經(jīng)二級(jí)壓縮機(jī)5壓縮后進(jìn)入深冷器6，壓縮冷卻后的氣體液化，液化后的氣體進(jìn)入精餾塔7，在精餾塔7中根據(jù)不同密度進(jìn)行分離，最終分離出高純度的冷卻液化后的二氧化碳d，剩余的雜質(zhì)氣體c排空。
最終co2捕集率為80％，回收co23.8×104噸/年，每噸co2捕集和壓縮液化總成本320元/噸。
對(duì)比例
處理對(duì)象：燃煤鍋爐煙氣；煙氣處理量：42000nm3/h，煙氣中co2含量：15％(摩爾比)。
采用某mea溶劑吸收再生法煙氣二氧化碳捕集及壓縮液化裝置，最終捕集率為80％，回收co28×104噸/年，每噸co2的捕集成本320元，壓縮液化成本120元，總成本440元/噸。
可見，采用本發(fā)明的捕集煙氣中二氧化碳的方法及其專用設(shè)備，可在保證二氧化碳捕集率的情況下，大大降低二氧化碳捕集成本；而且，這個(gè)捕集工藝較為簡(jiǎn)單。