一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統的製作方法
2023-05-14 18:33:31 2
專利名稱:一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，屬於二氧化碳捕集技術領域；該系統包括空壓機、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；本實用新型採用可循環利用且經濟可靠的沸石13X作為吸附劑，並且在利用低品位熱能的同時，同步進行二氧化碳吸脫附過程，提高了換熱效率，實現了餘熱利用與二氧化碳捕集雙效節能的效果；以煙氣中的低品位熱能作為能量來源，結合物理變溫實現循環吸脫附，提高了效率，節約了系統運行時間，降低了約六成系統能耗，降低了火電廠的煙氣造成的環境汙染，並且三步吸附後二氧化碳的捕集濃度可以達到百分之九十。
【專利說明】
一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統
技術領域
[0001]本實用新型屬於二氧化碳捕集技術領域，具體涉及一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統。
【背景技術】
[0002]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實現的，具有設備簡單、無腐蝕、壓力範圍廣、能耗和環境汙染低、吸附劑可循環利用的特點，相比起其他吸附方式更符合節能減排的思想，並且在技術領域也更利於實現；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。
[0003]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的，具有工藝流程簡單，吸附劑解吸的能力較強等優點，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；吸附飽和後，對吸附柱進行加熱，使其達到0)2脫附的條件下，完成脫附過程，從而使吸附劑得到再生;脫附完全後，經冷卻操作，再在低溫下吸附C02，以此循環；目前，以變溫吸附法為設計依據設計的吸脫附裝置，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；以天然氣經蒸汽轉化後的粗合成氣為例，主要氣體成分為:氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷;經過甲基二乙醇胺溶劑脫除了絕大部分的二氧化碳，再經過冷幹機冷卻分液後進入TSA吸附塔進行淨化;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，這部分雜質在後續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，所以在合成氣進入冷箱之前必需要把這些物質除去。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。再生後的氣體送至蒸汽轉化系統作為轉化爐的主要燃料。
[0004]但是在變溫吸附過程中，由於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境汙染，不利於循環經濟的發展;近年來提出的變電吸附法是對傳統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、便於自動控制的優點，但是由於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，熱電廠生產中產生大量的低溫(100-200 °C)的煙氣，這部分低位熱能含量巨大，但是在實際生產中很難直接再利用，往往直接排放到環境中，不僅造成環境的熱汙染，而且浪費能源。
[0005]目前現有的二氧化碳變溫吸脫附系統大多採用熱慄的方式，然而單獨使用第一類或第二類吸收式熱慄無法提供與現有的高溫熱電聯供系統相結合的高溫供熱水，能量消耗過高，浪費資源，並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。
【實用新型內容】
[0006]針對現有技術的不足，本實用新型提出一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，以達到降低能量消耗、實現吸附材料循環利用、提高吸脫附效率和降低環境汙染的目的。
[0007]一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，該系統包括空壓機、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；
[0008]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；
[0009]所述吸脫附裝置包括第一吸脫附裝置、第二吸脫附裝置、第三閥門組和第四閥門組;所述第一吸脫附裝置和第二吸脫附裝置均包括內管、翅片、吸附劑和外管;所述內管設置在外管的管道中，內管的外壁上纏繞設置有翅片，內管的內部由吸附劑填充滿;所述內管和外管均設置有入口和出口；所述第一吸脫附裝置的外管出口和第二吸脫附裝置的外管出口分別通過管道連接第三閥門組，第三閥門組通過管道分別連接氣體排放通道和第四閥門組，第四閥門組通過管道分別連接第一吸脫附裝置的內管入口和第二吸脫附裝置的內管入口；將第一吸脫附裝置的外管入口和第二吸脫附裝置的外管入口設置為吸脫附裝置的入口，將第一吸脫附裝置的內管出口和第二吸脫附裝置的內管出口設置為吸脫附裝置的出
□ O
[0010]所述的吸附劑採用沸石13X分子篩。
[0011 ]所述的翅片採用高頻繞片式翅片。
[0012]所述的第一閥門組、第二閥門組、第三閥門組和第四閥門組的閥門的個數大於等於連接該閥門組的管道的個數。
[0013]所述的第一閥門組、第二閥門組、第三閥門組和第四閥門組的每個閥門相互獨立。
[0014]本實用新型的優點:
[0015]本實用新型提出一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，採用可循環利用且經濟可靠的沸石13X作為吸附劑，並且可以在利用低品位熱能的同時，同步進行二氧化碳吸脫附過程，提高了換熱效率，實現了餘熱利用與二氧化碳捕集雙效節能的效果;本實用新型以煙氣中的低品位熱能作為能量來源，結合物理變溫吸附實現循環吸脫附，提高了吸脫附的效率，節約了系統運行時間，降低了約六成系統能耗，降低了火電廠的煙氣造成的環境汙染，並且二氧化碳的捕集濃度可以達到百分之九十。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型一種實施例的基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統的結構示意圖；
[0017]圖2為本實用新型一種實施例的第一吸脫附裝置的結構示意圖；
[0018]其中，I為煙氣排氣管道，2為第一壓力表，3為第一溫度表，4為第一流量計，5為第一閥門組，6為第一閥門，7為第二閥門，8為第三閥門，9為第四閥門，10為第二閥門組，11為第五閥門，12為第六閥門，13為第七閥門，14為第八閥門，15為第一吸脫附裝置，16為第一外管入口，17為第一外管出口，18為第一內管入口，19為第一內管出口，20為第二吸脫附裝置，21為第二外管入口，22為第二外管出口，23為第二內管入口，24為第二內管出口，25為第三閥門組，26為第九閥門，27為第十閥門，28為第十一閥門，29為第十二閥門，30為第四閥門組，31為第十三閥門，32為第十四閥門，33為第二流量計，34為二氧化碳收集罐，35為煙氣分析儀，36為空壓機，37為第二壓力表，38為第二溫度表，39為第三流量計，40為第三溫度表，41為翹片，42為外管，43為內管，44為氣體排放通道。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本實用新型一種實施例做進一步說明。
[0020]本實施例中，一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，系統結構示意圖如圖1所示，該系統包括空壓機36、煙氣分析儀35、二氧化碳收集罐34、吸脫附裝置、第一閥門組5、第二閥門組10、第一壓力表2、第二壓力表37、第一流量計4、第二流量計33、第三流量計39、第一溫度表3、第二溫度表38和第三溫度表40;
[0021]本實施例中，第一閥門組5包含四個獨立閥門，分別為:第一閥門6、第二閥門7、第三閥門8和第四閥門9，任意兩個閥門能夠相互連通;第二閥門組10包含四個獨立閥門，分別為:第五閥門11、第六閥門12、第七閥門13和第八閥門14，任意兩個閥門能夠相互連通；
[0022]本實施例中，如圖1和圖2所示，所述的吸脫附裝置包括第一吸脫附裝置15、第二吸脫附裝置20、第三閥門組25和第四閥門組30;所述第一吸脫附裝置15和第二吸脫附裝置20均包括內管43、外管42、翅片41和吸附劑;其中，
[0023]第三閥門組25包含4個獨立閥門，分別為:第九閥門26、第十閥門27、第十一閥門28和第十二閥門29，任意兩個閥門能夠相互連通;第四閥門組包含兩個獨立閥門，分別為:第十三閥門31和第十四閥門32，任意兩個閥門能夠相互連通；
[0024]所述內管43設置在外管的管道中，內管43的外壁上均勻纏繞焊接有翅片41，內管43的內部由吸附劑填充滿;所述內管43和外管42均設置有入口和出口；所述第一吸脫附裝置15的第一外管出口 17通過管道連接第三閥門組25的第九閥門26，第二吸脫附裝置20的第二外管出口 22通過管道連接第三閥門組25的第十閥門27，第三閥門組25的第^^一閥門28通過管道連接第四閥門組30的入口，第三閥門組25的第十二閥門29通過管道連接氣體排放通道44;第四閥門組30的第十三閥門31通過管道連接第一吸脫附裝置15的第一內管入口 18，第十四閥門32通過管道連接第二吸脫附裝置20的第二內管入口 23;將第一吸脫附裝置15的第一外管入口 16和第二吸脫附裝置20的第二外管入口 21設置為吸脫附裝置的入口，將第一吸脫附裝置15的第一內管出口 19和第二吸脫附裝置20的第二內管出口 24設置為吸脫附裝置的出口；
[0025]本實施例中，內管43外壁的翅片41採用翅高為12.5mm的高頻繞片式不鏽鋼翅片，也可以直接採用高頻繞片式不鏽鋼翅片管，相較於單一吸附柱可增大換熱面積；內管規格為內徑32mm，外徑36.4mm，壁厚2.2mm;外管米用內徑70mm，夕卜徑80mm的普通招管，壁厚5mm;第一內管入口 18、第一內管出口 19、第二內管入口 23、第二內管出口 24、第一外管入口 16、第一外管出口 17、第二外管入口 21和第二外管出口 22均採用內徑15mm，外徑21.3mm，壁厚2.75_的4分管;吸附劑採用沸石13X分子篩；
[0026]本實施例中，如圖1所示，所述火電廠的煙氣排氣管道I通過管道與第一閥門組5的第一閥門6相連接，空壓機36的排氣出口通過管道與第一閥門組5的第二閥門7相連接，第一閥門組5的第三閥門8通過管道與第一吸脫附裝置15的第一外管入口 16相連接，第一閥門組5的第四閥門9通過管道與第二吸脫附裝置20的第二外管入口 21相連接，第一吸脫附裝置15的第一內管出口 19通過管道與第二閥門組10的第五閥門11相連接，第二吸脫附裝置20的第二內管出口 24通過管道與第二閥門組10的第六閥門12相連接，第二閥門組10的第七閥門13通過管道與二氧化碳收集罐34相連接，第二閥門組10的第八閥門14通過管道與煙氣分析儀35相連接，將煙氣分析儀35的出口設置為氣體排放通道44;所述的第一壓力表2、第一流量計4和第一溫度表3的測量探頭分別通過三通閥安裝在火電廠的煙氣排氣管道I出口的內壁上，顯示屏固定在外壁上;第二壓力表37、第二流量計33和第二溫度表38的測量探頭分別通過三通閥安裝在空壓機的排氣出口內壁上，顯示屏固定在外壁上；第三流量計39的測量探頭分別通過三通閥安裝在二氧化碳收集罐34的入口的內壁上，顯示屏固定在外壁上;第三溫度表40的測量探頭通過三通閥安裝在煙氣分析儀35的入口的內壁上，顯示屏固定在外壁上；
[0027]本實施例中，每個溫度表均採用計量程為O?300°C的溫度計;每個流量計均採用計量程為O?20L/min的流量計;每個壓力表均採用量程為0.6MPa的壓力表；
[0028]本實施例中，採用所述的基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統進行的吸脫附方法為:首先設定二氧化碳含量閾值為15%，將第一閥門組5的第一閥門6和第四閥門9連接，使煙氣排氣管道I與第二外管入口21連通，並將第二閥門7和第三閥門8連接，使空壓機36與第一外管入口 16連通，將第二閥門組10的第五閥門11和第八閥門14連接，使第一內管出口 19與煙氣分析儀35連通，並將第六閥門12和第七閥門13連接，使第二內管出口 24與二氧化碳收集罐34連通，將第三閥門組25的第九閥門26和第十二閥門29連接，使第一外管出口 17與氣體排放通道連通，將第十閥門27和第^^一閥門28連接，並將第四閥門組30的入口與第十三閥門31連接，使第二外管出口 22與第一內管入口 18連通;將火電廠從煙氣排氣管道I中排放的100°C?200°C的煙氣通過第二吸脫附裝置20的外管42進入到第一吸脫附裝置15的內管43中，採用沸石13X分子篩進行二氧化碳吸附，吸附後的煙氣進入煙氣分析儀35中，判斷煙氣分析儀35中煙氣的二氧化碳含量是否小於15%，若是，繼續採用第一吸脫附裝置15進行二氧化碳吸附，否則，設定第一吸脫附裝置進行二氧化碳脫附，並設定第二吸脫附裝置進行二氧化碳吸附，將第一閥門組5的第一閥門6和第三閥門8連接，使煙氣排氣管道I與第一外管入口 16連通，並將第二閥門7和第四閥門9連接，使空壓機36與第二外管入口 23連通，將第二閥門組10的第五閥門11和第七閥門13連接，使第一內管出口 19與二氧化碳收集罐34連通，並將第六閥門12和第八閥門14連接，使第二內管出口 24與煙氣分析儀35連通，將第三閥門組25的第九閥門26和第十一閥門28連接，使第二外管出口 22與氣體排放通道連通，將第十閥門27和第十二閥門29連接，並將第四閥門組30的入口與第十四閥門32連接，使第一外管出口 17與第二內管入口 23連通;採用第一壓力表2檢測煙氣排氣管道I中煙氣的壓力並顯示，採用第一流量計4檢測煙氣排氣管道I中煙氣的流量並顯示，採用第一溫度表3檢測煙氣排氣管道I中的煙氣溫度並顯示，採用第二壓力表37檢測空壓機36吹出空氣的壓力並顯示，採用第二流量計33檢測空壓機36吹出空氣的流量並顯示，採用第二溫度表38檢測空壓機36吹出空氣的溫度並顯示;火電廠從煙氣排氣管道I中排放的100°C?200°C的煙氣進入第一吸脫附裝置15的外管42中，對內管43進行加熱，內管43中的二氧化碳進行脫附，脫附後的二氧化碳進入二氧化碳收集罐34中進行收集，並採用第三流量計39檢測脫附後的二氧化碳的流量並顯示，空壓機36吹出的空氣冷風進入第二吸脫附裝置20的外管42中，對內管43進行降溫，完成換熱的空氣從氣體排放通道44中排入大氣中，第一吸脫附裝置15的外管42中完成換熱的煙氣進入第二吸脫附裝置20的內管43中進行二氧化碳吸附，吸附後的煙氣進入煙氣分析儀35中進行分析，並採用第三溫度表40檢測吸附後的煙氣的溫度並顯示，判斷煙氣分析儀35中的煙氣的二氧化碳含量是否大於等於15%，若是，則二氧化碳吸脫附過程完成，將煙氣進行排放，通過每個閥門組將系統的各個裝置進行重新連通，使第一吸脫附裝置進行二氧化碳吸附，第二吸脫附裝置進行二氧化碳脫附，否則，繼續進行二氧化碳吸脫附。
【主權項】
1.一種基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，其特徵在於:該系統包括空壓機、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； 所述吸脫附裝置包括第一吸脫附裝置、第二吸脫附裝置、第三閥門組和第四閥門組;所述第一吸脫附裝置和第二吸脫附裝置均包括內管、翅片、吸附劑和外管;所述內管設置在外管的管道中，內管的外壁上纏繞設置有翅片，內管的內部由吸附劑填充滿;所述內管和外管均設置有入口和出口；所述第一吸脫附裝置的外管出口和第二吸脫附裝置的外管出口分別通過管道連接第三閥門組，第三閥門組通過管道分別連接氣體排放通道和第四閥門組，第四閥門組通過管道分別連接第一吸脫附裝置的內管入口和第二吸脫附裝置的內管入口；將第一吸脫附裝置的外管入口和第二吸脫附裝置的外管入口設置為吸脫附裝置的入口，將第一吸脫附裝置的內管出口和第二吸脫附裝置的內管出口設置為吸脫附裝置的出口。2.根據權利要求1所述的基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，其特徵在於:所述的吸附劑採用沸石13X分子篩。3.根據權利要求1所述的基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，其特徵在於:所述的翅片採用高頻繞片式翅片。4.根據權利要求1所述的基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，其特徵在於:所述的第一閥門組、第二閥門組、第三閥門組和第四閥門組的閥門的個數大於等於連接該閥門組的管道的個數。5.根據權利要求1所述的基於低品位熱能的二氧化碳變溫吸脫附系統，其特徵在於:所述的第一閥門組、第二閥門組、第三閥門組和第四閥門組的每個閥門相互獨立。
【文檔編號】B01D53/04GK205700031SQ201620355554
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】杜濤, 王昊, 歐陽碩, 于洋
【申請人】東北大學