採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸結合的CO₂捕集方法

2023-11-08 03:25:12

專利名稱：採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸結合的CO2捕集方法
技術領域：
本發明屬化學工程技術領域。特別涉及從合成氣、變換氣以及IGCC氣體的中高壓混合氣體中吸收脫除CO2的一種採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸結合的CO2捕集方法。
背景技術：
全球氣候變暖已經成為毫無爭議的事實。溫室氣體CO2的排放是造成氣候變暖的 一個主要因素。從富含CO2的氣體混合物中，包括合成氣、變換氣以及IGCC氣體中捕集、分 離CO2是應對全球氣候變暖的重要措施。根據不同的應用場合和原料氣的壓力高低，脫除CO2方法可分為幹法和溼法。幹 法包括吸附法和膜法，一般適用於CO2濃度較低的場合；溼法可分為化學吸收法和物理吸收 法，化學吸收法多用於原料氣壓力較低的場合。本發明所針對的原料氣，如合成氣、變換氣以及IGCC氣體，含有30 50%的C02， 濃度較高，壓力較高，一般大於2000KPa，適合採用物理吸收法吸收CO2氣體。目前國內外工業上較為成熟的物理吸收法脫碳工藝有低溫甲醇洗法(國外稱為 Rectisol法，CN 94101447. 9)、碳酸丙烯酯法(國外稱為Flour法，CN91101928)和聚乙二 醇二甲醚法(國外稱為Selexol法，CN 200710015805)。低溫甲醇洗法具有吸收能力大、選擇性好、氣體淨化度高、吸收劑穩定性好的特 點，但是存在工藝流程長、設備投資大(需要耐-30°C以下的低溫材質)、吸收劑毒性大和 需要支付國外高額專利技術費等缺點；由於碳酸丙烯酯具有在較高的分壓下能有效地吸收 CO2，而在較低的壓力下可以不需要熱量而容易解吸的特點，其工藝流程，尤其是解吸工藝 可以得到相當的簡化，但是由於吸收容量有限，吸收劑循環量較大，能耗較大；聚乙二醇二 甲醚法具有吸收能力強、吸收劑損失小(蒸汽壓低)的特點，但是聚乙二醇二甲醚必須通 過人工合成，吸收劑成本高，而且該吸收劑分子量較大，在再生過程容易發生聚合而造成損 失。針對現有低溫甲醇洗法工藝流程長、設備投資大，碳酸丙烯酯法吸收劑吸收容量 小、循環量大，以及聚乙二醇二甲醚法成本高、容易發生聚合損失的不足和缺陷，本發明人 提出了一種採用碳酸二甲酯作為吸收劑的脫碳工藝(費維揚，湯志剛，陳健，駱廣生，餘立 新，朱兵等.一種採用碳酸二甲酯作為吸收劑的脫碳工藝.申請號=200810103322. 3)，可有 效簡化工藝，降低成本。但是在吸收劑的再生過程中使用氮氣氣提，一方面使用氮氣增大成 本，另一方面還需要增加一個尾氣淨化塔來回收解吸氣中的碳酸二甲酯，設備投資增加，針 對該工藝流程長、成本高、設備投資大的不足和缺陷，

發明內容
本發明的目的是針對上述採用碳酸二甲酯作為吸收劑的脫碳工藝.可有效簡化 工藝，降低成本。但是在吸收劑的再生過程中使用氮氣氣提，一方面使用氮氣增大成本，另 一方面還需要增加一個尾氣淨化塔來回收解吸氣中的碳酸二甲酯，設備投資增加，針對該工藝流程長、成本高、設備投資大的不足和缺陷，而提供一種採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸 結合的CO2捕集方法，以進一步簡化工藝，降低成本。一種採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸結合的CO2捕集方法，其特徵在於，所述CO2捕 集方法包括如下步驟1)碳酸二甲酯吸收含有CO2的原料氣與從吸收塔3頂部出來的淨化氣在第一換熱器1中換熱後，從 吸收塔3下部進入吸收塔，來自儲罐的碳酸二甲酯吸收劑與來自膜解吸器9底部的吸收劑 貧液和二級氣液分離罐8底部的吸收劑貧液在第二換熱器2中換熱後從吸收塔3上部進入 吸收塔，原料氣與吸收劑在吸收塔3內逆流接觸並發生吸收傳質；吸收塔溫度控制在10 350C，壓力控制在2. 5MPa 4. OMPa ；脫除CO2後的淨化氣與原料氣換熱後降溫至20 25°C 後排出至下一工序，吸收了 CO2的吸收劑富液經過一級節流閥5和二級節流閥7膨脹降壓；2)節流膨脹吸收劑富液經過一級節流閥5膨脹降壓至0. 5MPa 1. 2MPa，溫度降至22 30°C， 然後經過一級氣液分離罐6進行氣液分離，汽相經過壓縮機4壓縮後返回吸收塔3下部，液 相經過二級節流閥7膨脹，壓力降至0. IlMPa 0. 12MPa，溫度降至12 21 °C，然後經過二 級氣液分離罐8進行氣液分離，氣相送入水洗塔10，回收尾氣中的碳酸二甲酯液相與來自 吸收劑儲罐的吸收劑經第二換熱器2換熱升至20 30°C後去換熱器11 ；3)膜解吸來自換熱器2的吸收劑貧液經過與換熱器11換熱後後溫度升高至25 45°C，在 解吸真空度0. 09 0. 095MPa、溫度為25 60°C的條件下，經膜解吸器9的膜解吸後的解 吸氣送入水洗塔10回收其中的碳酸二甲酯；解吸器流出的吸收劑貧液與進入膜解吸器的 液相換熱後溫度降低至20 30°C，然後再送回吸收劑儲罐作為吸收劑循環使用；4)水洗來自二級氣液分離罐8的氣相和膜解吸器9的氣相從水洗塔10下部進入水洗塔， 與從水洗塔上部加入的洗滌水在塔內逆流接觸，水洗塔溫度控制在20 25°C，壓力控制在 0. 105MPa 0. 106MPa ；洗滌水洗去氣相中的碳酸二甲酯後，氣相排出界區，液相送出界區 後經過後續分離過程分離回收水洗液中的碳酸二甲酯。所述吸收劑貧液是沒有吸收CO2或脫除CO2後的碳酸二甲酯。所述吸收劑富液是吸收了 CO2後的碳酸二甲酯。本發明的有益效果是本碳酸二甲酯脫碳-膜解吸新工藝與本發明人開發的現有 工藝相比，可降低能耗10%以上。與目前工業上成熟應用的碳酸丙烯酯法相比，能耗可降 低30%以上，與聚乙二醇二甲醚法相比，溶劑價格更低，聚合損失降低50%以上；與低溫甲 醇洗工藝相比，操作溫度更加溫和，設備投資降低30 %以上。


圖1 一種採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸結合的CO2捕集新工藝原則流程圖。圖中1_第一換熱器；2-第二換熱器；3-吸收塔；4-壓縮機；5-—級節流閥；6_ — 級氣液分離罐；7_ 二級節流閥；8- 二級氣液分離罐；9-膜解吸器；10-水洗塔；
具體實施例方式下面結合圖1和實施例對本發明提供的工藝作進一步的說明。本發明提供的一種採用碳酸二甲酯作為吸收劑的脫碳工藝，包括如下步驟1)碳酸二甲酯吸收含有CO2的原料氣與從吸收塔3頂部出來的淨化氣在第一換熱器1中換熱後，從吸收塔3下部進入吸收塔，來自儲罐的碳酸二甲酯吸收劑與來自膜解吸器9底部的吸收劑 貧液和二級氣液分離罐8底部的吸收劑貧液在第二換熱器2中換熱後從吸收塔3上部進入 吸收塔，原料氣與吸收劑在吸收塔3內逆流接觸並發生吸收傳質；吸收塔溫度控制在10 350C，壓力控制在2. 5MPa 4. OMPa ；脫除CO2後的淨化氣與原料氣換熱後降溫至20 25°C 後排出至下一工序，吸收了 CO2的吸收劑富液經過一級節流閥5和二級節流閥7膨脹降壓；2)節流膨脹吸收劑富液經過一級節流閥5膨脹降壓至0. 5MPa 1. 2MPa,溫度降至22 30°C， 然後經過一級氣液分離罐6進行氣液分離，汽相經過壓縮機4壓縮後返回吸收塔3下部，液 相經過二級節流閥7膨脹，壓力降至0. IlMPa 0. 12MPa，溫度降至12 21 °C，然後經過二 級氣液分離罐8進行氣液分離，氣相送入水洗塔10，回收尾氣中的碳酸二甲酯液相與來自 吸收劑儲罐的吸收劑經第二換熱器2換熱升至20 30°C後去換熱器11 ；3)膜解吸來自換熱器2的吸收劑貧液經過與換熱器11換熱後後溫度升高至25 45°C，在 解吸真空度0. 09 0. 095MPa、溫度為25 60°C的條件下，經膜解吸器9的膜解吸後的解 吸氣送入水洗塔10回收其中的碳酸二甲酯；解吸器流出的吸收劑貧液與進入膜解吸器的 液相換熱後溫度降低至20 30°C，然後再送回吸收劑儲罐作為吸收劑循環使用；4)水洗來自二級氣液分離罐8的氣相和膜解吸器9的氣相從水洗塔10下部進入水洗塔， 與從水洗塔上部加入的洗滌水在塔內逆流接觸，水洗塔溫度控制在20 25°C，壓力控制在 0. 105MPa 0. 106MPa ；洗滌水洗去氣相中的碳酸二甲酯後，氣相排出系統，液相送出系統 後經過後續分離過程分離回收水洗液中的碳酸二甲酯。實施例1含有CO2的混合氣體組成(摩爾分率)如下CO2 為 0. 4210 ；H2 為 0. 5235 ；DMCARB 為 0 ;C0 為 0. 0141 ；Ar 為 6. 8000E-03 ；METHANE 為 8. 7000E-03 ；N2 為 0. 0254 ；H2S 為 4· 60000E-04 ；H2O 為 0，混合氣體溫度28 °C，壓力2. 6MPa，；混合氣體與吸收塔塔頂除去CO2的淨化氣換熱後降至23. 2°C從下部進入吸收 塔，來自吸收劑儲罐25°C的碳酸二甲酯與二級解吸罐液相換熱後至14.3°C後從上部進入 吸收塔，兩相在塔內逆流接觸並發生吸收傳質。氣相流量為22121KG-M0L/HR，液相流量 54323KG-M0L/HR。吸收塔塔頂溫度15. 5°C，壓力2. 55MPa ；塔底溫度28. 4°C，壓力2. 58MPa。 脫除CO2後的淨化氣與原料氣換熱後降溫至19. 2°C排出至下一工序，其組成(摩爾分率) 如下CO2 為 4. 4339E-04 ；H2 為 0. 9310 ；DMCARB 為 1. 1281E-03 ；CO 為 0. 0232 ；Ar 為0. 0105 ；METHANE 為 5376E-04 ；N2 為 0. 0337 ；H2S 為 1. 3205E-10 ；H2O 為 0 ；吸收CO2的吸收劑富液經過兩級節流膨脹降壓，一級節流膨脹降壓至l.OMPa，溫度 降至24. 2°C，然後經過氣液分離。汽相經過壓縮後返回吸收塔，液相進行二級節流膨脹，壓 力進一步降至0.2MPa，溫度進一步降至12. 7°C，然後經過氣液分離。氣相送入水洗塔回收 尾氣中的碳酸二甲酯，液相經換熱後去解吸再生。來自換熱後的液相送入膜解吸器，在35°C，解吸真空度0. 09MPa的條件下解吸。解 吸氣送入水洗塔，解吸器底部的吸收劑富液經換熱後溫度降至22. 5°C送回吸收劑儲罐循環 使用。二級氣液分離後氣相和膜解吸氣相從水洗塔下部進入水洗塔，與從塔頂加入的洗滌 水在塔內逆流接觸。洗滌水的流量為13810KG-M0L/HR，溫度23°C，壓力0. IlMPa0水洗塔塔 頂溫度23. 2°C，壓力0. 103MPa ；塔底溫度23. 5°C，壓力0. IlMPa0水洗塔洗滌水洗去氣相中 的碳酸二甲酯，氣相排出界區，其組成(摩爾分率)如下CO2 為 0. 9533 ；H2 為 1. 8324E-03 ；DMCARB 為 5. 2701E-15 ；CO 為 4. 9806E-04 ；Ar 為 3. 5237E-04 ；METHANE 為 9. 0428E-05 ；N2 為 3. 7689E-04 ；H2S 為 8. 0166E-04 ；H2O 為 0. 0431 ；液相送出系統後經過後續分離過程分離回收水洗液中的碳酸二甲酯，脫碳效率為 97. 25%。實施例2 含有CO2的混合氣體，溫度27°C，壓力2. 9MPa,組成(摩爾分率)如下CO2 0. 4210 ；H2 0. 5235 =DMCARB 0 ；CO 0. 0141 ；Ar 6. 8000E-03 ；METHANE 8. 7000E-03 =N2 0. 0254 ；H2S 4. 60000E-04 ；H2O 0 ；混合氣體與吸收塔塔頂除去CO2的淨化氣換熱後降至23. 1°C從下部進入吸收 塔，來自吸收劑儲罐25°C的碳酸二甲酯與二級解吸罐液相換熱後至15. 1°C後從上部進 入吸收塔，兩相在塔內逆流接觸並發生吸收傳質。氣相流量22117KG-M0L/HR，液相流量 58611KG-M0L/HR。吸收塔塔頂溫度15. 8°C，壓力2980KPa ；塔底溫度29. 2°C，壓力3. OMPa0 脫除CO2後的淨化氣與原料氣換熱後降溫至24. 7°C排出至下一工序，其組成(摩爾分率) 如下CO2 3. 7720E-04 ；H2 0. 9356 ；DMCARB 1. 8810E-03 ；CO 0. 0228 ；Ar 0. 0131 ；METHANE 4. 4186E-04 ；N2 0. 0258 ；H2S 1. 4093E-10 ；H2O 0 吸收CO2的吸收劑富液經過兩級節流膨脹降壓，一級節流膨脹降壓至0.9MPa，溫度 降至29. 8rC，然後經過氣液分離。汽相經過壓縮後返回吸收塔，液相進行二級節流膨脹，壓 力進一步降至0. 135MPa，溫度進一步降至13. 2°C，然後經過氣液分離。氣相送入水洗塔回 收尾氣中的碳酸二甲酯，液相經過換熱解吸再生；來自換熱後的液相送入膜解吸器，溫度32°C，壓力0. 13MPa。在40°C，解吸真空度 0. 092MPa的條件下解吸。解吸氣送入水洗塔，解吸器底部的吸收劑貧液換熱後溫度降至 23. 5°C送回吸收劑儲罐循環使用。二級氣液分離後氣相和膜解吸氣相從水洗塔下部進入水洗塔，與從塔頂加入的洗 滌水在塔內逆流接觸。洗滌水的流量為13508KG-M0L/HR，溫度25°C，壓力0. IlMPa0水洗塔塔頂溫度25. 9°C，壓力0. 103MPa ；塔底溫度26. 0°C，壓力103. 3KPa。水洗塔洗滌水洗去氣相中的碳酸二甲酯，氣相排出至下一工序，其組成(摩爾分率)如下CO2 0. 9538 =H2 2. 2287E-03 ；DMCARB 1. 1226E-14 ；CO 4. 3456E-04 ；Ar 3. 2798E-04 :METHANE 1. 0033E-04 =N2 4. 1217E-04 H2S 8. 0033E-04 =H2O 0. 0442 ；液相送出系統後經過後續分離過程分離回收水洗液中的碳酸二甲酯，脫碳效率為 98. 32%。
權利要求
一種採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸結合的CO2捕集方法，首先將含有CO2的原料氣經過碳酸二甲酯吸收脫碳，脫除CO2後的淨化氣與原料氣換熱後降至20～25℃後排出；其特徵在於，所述CO2捕集方法包括如下步驟1)碳酸二甲酯吸收含有CO2的原料氣與從吸收塔(3)頂部出來的淨化氣在第一換熱器(1)中換熱後，從吸收塔(3)下部進入吸收塔，來自儲罐的碳酸二甲酯吸收劑與來自膜解吸器(9)底部的吸收劑貧液和二級氣液分離罐(8)底部的吸收劑貧液在第二換熱器(2)中換熱後從吸收塔(3)上部進入吸收塔，原料氣與吸收劑在吸收塔(3)內逆流接觸並發生吸收傳質；吸收塔溫度控制在10～35℃，壓力控制在2.5MPa～4.0MPa；脫除CO2後的淨化氣與原料氣換熱後降溫至20～25℃後排出至下一工序，吸收了CO2的吸收劑富液經過一級節流閥(5)和二級節流閥(7)膨脹降壓；2)節流膨脹吸收劑富液經過一級節流閥(5)膨脹降壓至0.5MPa～1.2MPa，溫度降至22～30℃，然後經過一級氣液分離罐(6)進行氣液分離，汽相經過壓縮機(4)壓縮後返回吸收塔(3)下部，液相經過二級節流閥(7)膨脹，壓力降至0.11MPa～0.12MPa，溫度降至12～21℃，然後經過二級氣液分離罐(8)進行氣液分離，氣相送入水洗塔(10)，回收尾氣中的碳酸二甲酯液相與來自吸收劑儲罐的吸收劑經第二換熱器(2)換熱升至20～30℃後去換熱器(11)；3)膜解吸來自換熱器2的吸收劑貧液經過與換熱器(11)換熱後後溫度升高至25～45℃，在解吸真空度0.09～0.095MPa、溫度為25～60℃的條件下，經膜解吸器(9)的膜解吸後的解吸氣送入水洗塔(10)回收其中的碳酸二甲酯；解吸器流出的吸收劑貧液與進入膜解吸器的液相換熱後溫度降低至20～30℃，然後再送回吸收劑儲罐作為吸收劑循環使用；4)水洗來自二級氣液分離罐(8)的氣相和膜解吸器(9)的氣相從水洗塔(10)下部進入水洗塔，與從水洗塔上部加入的洗滌水在塔內逆流接觸，水洗塔溫度控制在20～25℃，壓力控制在0.105MPa～0.106MPa；洗滌水洗去氣相中的碳酸二甲酯後，氣相排出系統至回收裝置，液相送出系統後經過後續分離過程分離回收水洗液中的碳酸二甲酯。
2.根據權利要求1所述一種採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸結合的C02捕集方法，其特 徵在於，所述吸收劑貧液是沒有吸收C02或脫除C02後的碳酸二甲酯。
3.根據權利要求1所述一種採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸結合的C02捕集方法，其特 徵在於，所述吸收劑富液是吸收了 co2後的碳酸二甲酯。
全文摘要
本發明公開了屬化學工程技術領域的一種採用碳酸二甲酯吸收和膜解吸結合的CO2捕集方法。首先將含有CO2的原料氣經過碳酸二甲酯吸收脫碳，然後使吸收CO2後的吸收劑富液經過兩級節流膨脹和膜解吸再生，節流膨脹以及膜解吸產生的CO2氣體經過水洗後排出界區。本發明開發的碳酸二甲酯脫碳-膜解吸新工藝與本發明人的採用碳酸二甲酯作為吸收劑的脫碳工藝相比可降低綜合能耗5％～20％。與目前工業上成熟應用的碳酸丙烯酯法相比，能耗可降低30％～40％，與聚乙二醇二甲醚法相比，溶劑價格更低，聚合損失降低40％～60％；與低溫甲醇洗工藝相比，操作溫度更加溫和，設備投資降低30％～40％。CO2脫除效率可達到95％以上。
文檔編號B01D53/14GK101830462SQ20101019107
公開日2010年9月15日 申請日期2010年6月3日 優先權日2010年6月3日
發明者餘立新, 姜忠義, 湯志剛, 費維揚, 陳健, 駱廣生 申請人:清華大學