CN104162341A - 一种固态胺吸附剂脱除烟气中co2的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于属于CO2脱除技术领域，特别涉及一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置及方法。本发明装置由反应器、卸料阀、加热机、冷却机、给料机、提升管、罗茨风机、增压风机、循环风机、引风机、气固分离设备、换热器组成；本发明方法通过将含有CO2的烟气引入反应器，使CO2气体与自上而下的吸附剂充分接触，脱碳后的烟气经过气固分离设备和引风机排出，吸附剂进入加热机，加热再生获得CO2气体和解吸的吸附剂，将解吸的吸附剂引入冷却机，冷却降温获得适当温度的吸附剂；将冷却后的固吸附剂再次引入到反应器内。本发明装置对来源气体有良好的适应性，系统有良好的运行稳定性，能提高再生过程能量利用效率，降低热量损失，是投资和能耗较低的优化方案。
Description
技术领域
本发明属于属于CO2脱除技术领域，特别涉及一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置及方法。
背景技术
化石燃料的大量使用而导致的温室气体排放量日益增加，给全球造成了许多气候灾难。我国目前CO2排放量居世界第二位，并仍在快速增长，我国必然成为全球履约中的焦点，所承受的国际压力会越来越大。目前工业上酸性气体的脱除主要采用MEA、MEDA、NHD以及低温甲醇洗等溶液吸收法，但是最大的问题是这些溶液的再生过程中需要加热水以克服水的显热以及汽化潜热，能耗巨大。这使得CO2分离成本太高，在将来，即使随着技术改进，可以进一步降低CO2分离成本，但潜力和空间则十分有限。对于中国这样一个发展中国家而言，必须采用适合我国国情的CO2分离技术路线。现有的CO2分离技术，无论是燃烧前、燃烧后，还是O2/CO2燃烧，均会使发电系统性能相对下降1/4(～10％)以上，即意味着技术水平倒退将近半个世纪，同时还会严重加剧化石能源的消耗。
为克服以上缺点，考虑将液体有机胺通过物理浸渍或者化学嫁接法负载到多孔介质载体上，从而制备成胺类固体吸附剂(简称为固态胺)。所采用固体载体的比热容小于液体水的比热，降低了再生过程吸附剂的显热耗能。此外，固态胺再生过程避免了液体水的汽化潜热，从而能够大幅度降低再生能耗。并且固态胺能够避免对设备的腐蚀。从经济性考虑，当固体吸收剂有效吸收容量达到2mol-CO2/kg时，能耗已经低于MEA溶液法；达到3mol-CO2/kg以上时，可 比现有MEA溶液法节约50％以上的能耗。
胺类固体吸收剂的研究起源于潜艇、空间站等密闭舱室中CO2的脱除，近些年一些学者开始将胺类固体吸收剂引入到烟气及天然气中CO2的分离。如专利CN 101804332A，涉及一种利用煤矸石为原料开发胺类固体吸收剂用于捕捉CO2；专利CN 101500704A，涉及沉积在纳米结构化的载体例如二氧化硅上的胺或者胺/多元醇组合物的负载型吸收剂。而在固态胺分离CO2技术工艺方面，专利US2012160098A1，涉及利用两个静态床固态胺系统脱除密闭舱室内的CO2，两个床分别进行“吸附-解吸”与“解吸-吸附”过程，床层温度在吸附温度(10～65℃)与解吸温度(55～80℃)间切换，解吸过程采用真空泵降低CO2分压同时提高床温以实现固态胺再生；专利WO2011013332A1涉及利用两个含有固态胺吸附材料的充填槽系统进行CO2的吸附及脱附过程，并利用胺回收装置、再担载手段避免吸附材料性能的下降，固态胺在充填槽内为静止状态，通过切换通入的气体完成吸附及脱附过程，即吸附过程通入含CO2的处理气体，吸附完成后，通入加热气流完成脱除，之后再通入冷却气流，进行吸附。在已经公开发表的论文方面，吸收再生反应过程基本上都是采用双流化床反应器系统，如美国ADAEnvironmental Solutions采用双流化床系统实现物料循环，吸收反应器反应器为快速流化床(Pilot test results of post-combustion CO2capture using solid sorbents)或者多层鼓泡床反应器(Post-Combustion CO2capture using solid sorbents:1MWe pilot evaluation)等。清华大学热能工程系近几年也针对该项技术进行了相关研究，专利CN201110138501.2及CN201210042863.6涉及双流化床系统实现烟气或合成气CO2的脱除。而采用固态胺对低温(0～80℃)气源(通常含有一定量的水蒸气)进行CO2的脱除，采用双流化床系统在试验过程中发现存在一些问 题：1)固态胺会吸收气源中的水蒸气，变湿粘结成块而无法流化；2)来源气流的波动会造成物料循环的不稳定性；3)再生过程流化气体会带走大量的显热，造成能量的浪费。为了有效地避免气源中的水蒸气及流量波动的影响，同时降低再生过程能量的浪费，从而更适宜于工业放大和今后应用，吸收再生反应器类型的合理选择十分重要。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置及方法，本发明装置对来源气体有良好的适应性，系统有较好的运行稳定性，能提高再生过程能量利用效率，降低热量损失，是投资和能耗较低的一种优化方案。
一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置，所述装置由反应器、卸料阀、加热机、冷却机、给料机、提升管、罗茨风机、增压风机、循环风机、引风机、气固分离设备、换热器组成；其中，反应器的底部通过第一卸料阀与加热机的进料口相连，加热机的出料口通过第二卸料阀与冷却机的进料口相连，冷却机的出料口与给料机的进料口相连；给料机的出料口连接气体输送管道，气体输送管道与提升管的底部相通，提升管的出料口位于反应器内上部中心位置；反应器的顶部与气固分离设备相连，气固分离设备与引风机相连；增压风机与反应器的底部相连；加热机与第一循环风机相连，构成循环回路，保持再生氛围为CO2；冷却机与第二循环风机相连，构成循环回路，实现在惰性气体氛围下或者空气氛围下的冷却；罗茨风机与气体输送管道相通；换热器与反应器相连。
所述第一卸料阀与第二卸料阀分别为两级卸料阀。
所述反应器为气固逆流下行床反应器；所述加热机为空心双桨叶加热机； 所述冷却机为空心双桨叶冷却机；所述给料机为螺旋给料机。
一种将固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的方法，其具体步骤如下：
a、将含有CO2的烟气引入反应器，使烟气中的CO2气体与自上而下的固态胺吸附剂颗粒充分接触，CO2气体被固态胺吸附剂颗粒吸附，脱碳后的烟气经过气固分离设备和引风机排出，固态胺吸附剂颗粒通过第一卸料阀进入加热机；
b、将吸收了CO2的固态胺吸附剂颗粒引入加热机中，进行加热再生处理，获得CO2气体和解吸的固态胺吸附剂颗粒；
c、将所得的解吸的固态胺吸附剂颗粒通过第二卸料阀引入冷却机，进行冷却降温处理，获得适当温度的固态胺吸附剂颗粒；
d、将冷却后的固态胺吸附剂颗粒经过给料机，被罗茨风机产生的气体通过提升管再次引入到反应器内。
所述反应器为气固逆流下行床反应器，固体物料从上至下流动，气体从下至上流动，气固逆流过程中固态胺颗粒吸附气体中的CO2。
所述加热机为空心双桨叶加热机，桨叶的叶片、轴及内表面均为换热面，固体与换热面接触通过热传导的形式进行换热，实现颗粒的升温及再生。
所述冷却机为空心双桨叶冷却机，再生后的固态胺吸附剂颗粒进行冷却降温处理的换热方式为热传导形式。
所述气固逆流下行床吸收反应器通过换热器移走反应释放的热量，反应器的温度维持在0～80℃，压力为0.5atm～20atm，加热机的温度为80℃～300℃，压力为0～20atm，冷却机的温度为0～50℃，压力为0.5atm～20atm。
所述加热机的加热介质为导热油、蒸汽或热水。
所述冷却机的冷却介质为冷却水。
所述反应器出口气体经过气固分离设备实现气固分离，分离后的气体经过除尘设备进一步净化后通过引风机排入大气。
所述除尘设备为布袋除尘器。
所述第一卸料阀与第二卸料阀分别为两级卸料阀，第一卸料阀与第二卸料阀各自对应的两个阀之间分别有一段直管段，在运行过程中能够分别填充固态胺吸附剂颗粒，以实现气体的密封。
物料循环量通过给料机进行调节。
所述固态胺吸附剂颗粒为含有胺基功能团的固体颗粒(可通过物理浸渍或化学嫁接法制备而得)，或含有胺基功能团的吸附材料。
所述含有胺基功能团的固体颗粒由有机胺和多孔固体载体组成，其中有机胺被吸附在多孔固体载体的孔隙内；有机胺占含有胺基功能团的固体颗粒的总质量的10％～80％。
所述多孔固体载体为硅胶、沸石分子筛、活性炭、树脂、氧化铝和金属有机框架中的一种或多种。
所述有机胺为单乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、四乙烯五胺和聚乙烯亚胺中的一种或多种。
所述含有胺基功能团的吸附材料为胺基离子交换树脂。
本发明的有益效果为：
本发明固态胺所用的载体具有较小的比热容，可以大幅降低吸附剂由吸附温度升高至再生温度时所需的热量；固态胺的载体为固体，在再生过程中，避免了传统液胺工艺中由水的蒸发所带来的热损失；固态胺为颗粒状结构，对于吸收反应器和再生反应器而言，不存在传统液胺工艺中的腐蚀问题。本发明的 工艺及设备整体设计简单紧凑、投资及运行成本低廉、运行稳定可靠，能够适应来流气体的波动和湿度，提高再生过程能量利用效率，降低热量损失，是投资和能耗较低的一种优化方案。
附图说明
图1为本发明固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置结构示意图；
图中标号：1-反应器、2-a-第一卸料阀、2-b-第二卸料阀、3-加热机、4-冷却机、5-给料机、6-提升管、7-罗茨风机、8-增压风机、9-a-第一循环风机、9-b-第二循环风机、10-引风机、11-气固分离设备、12-换热器；A-待处理烟气、B-脱除CO2后的烟气、C-返回导热油炉的导热油、D-引自导热油炉的导热油、E-CO2气源体、F-分离得到的CO2气体、G-惰性气体或空气、H-冷却水回水、K-冷却水上水。
具体实施方式
本发明提供了一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置，所述装置由反应器1、卸料阀2-a和2-b、加热机3、冷却机4、给料机5、提升管6、罗茨风机7、增压风机8、循环风机9-a和9-b、引风机10、气固分离设备11、换热器12组成；其中，反应器1的底部通过第一卸料阀2-a与加热机3的进料口相连，加热机3的出料口通过第二卸料阀2-b与冷却机4的进料口相连，冷却机4的出料口与给料机5的进料口相连；给料机5的出料口连接气体输送管道，气体输送管道与提升管6的底部相通，提升管6的出料口位于反应器1内上部中心位置；反应器1的顶部与气固分离设备11相连，气固分离设备11与引风机10相连；增压风机8与 反应器1的底部相连；加热机3与第一循环风机9-a相连，构成循环回路，保持再生氛围为CO2；冷却机4与第二循环风机9-b相连，构成循环回路，实现在惰性气体氛围下或者空气氛围下的冷却；罗茨风机7与气体输送管道相通；换热器12与反应器1相连。
所述第一卸料阀2-a与第二卸料阀2-b分别为两级卸料阀。
所述反应器1为气固逆流下行床反应器；所述加热机3为空心双桨叶加热机；所述冷却机4为空心双桨叶冷却机；所述给料机5为螺旋给料机。
实施例1
一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置和方法，按照如下步骤进行：
首先经过脱硫脱硝后的烟气经增压风机8被引入气固逆流下行床反应器1中，气体经过一个锥形分布器径向均匀地自下而上流动，与自上而下下落的固态胺吸附剂颗粒接触反应，CO2沿程不断被固态胺吸附剂颗粒吸附，通过换热器12移走反应放出的热量，使反应器温度维持在30℃左右；通过控制物料循环量和气固逆流下行床反应器1的高度，使得烟气在气固逆流下行床反应器1顶部出口处CO2脱除率达到99％以上，脱除CO2的烟气经旋风分离器11被引风机10引出排放；吸附CO2后的固态胺颗粒在气固逆流下行床反应器1底部经第一星形卸料阀2-a引入空心双桨叶加热机3中，棋两个星形卸料阀之间保持一定的料高以防止窜气，空心双桨叶加热机3通入180℃的导热油，固态胺吸附剂颗粒被换热面加热升温至140℃作用，释放出吸附的CO2，解吸的CO2被第一循环风机9-a引出进行后续回收处理；再生后的固态胺吸附剂颗粒经第二星形卸料阀2-b引入空心双桨叶冷却机4，冷却介质为温度为5℃左右的冷却水，通过调整桨叶转速控制固态胺吸附剂颗粒在桨叶里的停留时间，保证出口固态胺吸附 剂颗粒的温度在30℃以下；冷却后的固态胺吸附剂颗粒进入螺旋给料机5，通过调整螺旋给料机5转速可以控制系统的物料循环量，固态胺吸附剂颗粒从螺旋给料机5出来后被罗茨风机7产生的风通过提升管6输运到气固逆流下行床反应器1顶部，物料通过一个锥形分布器均匀分散开，沿下行床自上而下落下，如此实现连续运行。
本实施例采用的固态胺吸附剂颗粒包括有机胺和多孔固体载体，有机胺被吸附在多孔固体载体的孔隙内，当CO2气体分子扩散进多孔固体载体的孔道时，被其间的胺分子所吸附并反应。多孔固体载体为无序介孔硅胶，有机胺为聚乙烯亚胺(PEI)。固态胺吸附剂颗粒中，有机胺占固态胺吸附剂颗粒总质量的50％。
Claims (19)
1.一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置，其特征在于：所述装置由反应器(1)、卸料阀(2-a，2-b)、加热机(3)、冷却机(4)、给料机(5)、提升管(6)、罗茨风机(7)、增压风机(8)、循环风机(9-a，9-b)、引风机(10)、气固分离设备(11)、换热器(12)组成；其中，反应器(1)的底部通过第一卸料阀(2-a)与加热机(3)的进料口相连，加热机(3)的出料口通过第二卸料阀(2-b)与冷却机(4)的进料口相连，冷却机(4)的出料口与给料机(5)的进料口相连；给料机(5)的出料口连接气体输送管道，气体输送管道与提升管(6)的底部相通，提升管(6)的出料口位于反应器(1)内上部中心位置；反应器(1)的顶部与气固分离设备(11)相连，气固分离设备(11)与引风机(10)相连；增压风机(8)与反应器(1)的底部相连；加热机(3)与第一循环风机(9-a)相连，构成循环回路，保持再生氛围为CO2；冷却机(4)与第二循环风机(9-b)相连，构成循环回路，实现在惰性气体氛围下或者空气氛围下的冷却；罗茨风机(7)与气体输送管道相通；换热器(12)与反应器(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置，其特征在于：所述第一卸料阀(2-a)与第二卸料阀(2-b)分别为两级卸料阀。
3.根据权利要求1所述的一种固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的装置，其特征在于：所述反应器(1)为气固逆流下行床反应器；所述加热机(3)为空心双桨叶加热机；所述冷却机(4)为空心双桨叶冷却机；所述给料机(5)为螺旋给料机。
4.一种利用权利要求1所述的装置将固态胺吸附剂脱除烟气中CO2的方法，其特征在于，具体步骤如下：
a、将含有CO2的烟气引入反应器(1)，使烟气中的CO2气体与自上而下的固态胺吸附剂颗粒充分接触，CO2气体被固态胺吸附剂颗粒吸附，脱碳后的烟气经过气固分离设备(11)和引风机(10)排出，固态胺吸附剂颗粒通过第一卸料阀(2-a)进入加热机(3)；
b、将吸收了CO2的固态胺吸附剂颗粒引入加热机(3)中，进行加热再生处理，获得CO2气体和解吸的固态胺吸附剂颗粒；
c、将所得的解吸的固态胺吸附剂颗粒通过第二卸料阀(2-b)引入冷却机(4)，进行冷却降温处理，获得适当温度的固态胺吸附剂颗粒；
d、将冷却后的固态胺吸附剂颗粒经过给料机(5)，被罗茨风机(7)产生的气体通过提升管再次引入到反应器(1)内。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述反应器(1)为气固逆流下行床反应器，固体物料从上至下流动，气体从下至上流动，气固逆流过程中固态胺颗粒吸附气体中的CO2。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述加热机(3)为空心双桨叶加热机，桨叶的叶片、轴及内表面均为换热面，固体与换热面接触通过热传导的形式进行换热，实现颗粒的升温及再生。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述冷却机(4)为空心双桨叶冷却机，再生后的固态胺吸附剂颗粒进行冷却降温处理的换热方式为热传导形式。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述气固逆流下行床吸收反应器(1)通过换热器(12)移走反应释放的热量，反应器(1)的温度维持在0～80℃，压力为0.5atm～20atm，加热机(3)的温度为80℃～300℃，压力为0～20atm，冷却机(4)的温度为0～50℃，压力为0.5atm～20atm。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述加热机(3)的加热介质为导热油、蒸汽或热水。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述冷却机(4)的冷却介质为冷却水。
11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述反应器(1)出口气体经过气固分离设备(11)实现气固分离，分离后的气体经过除尘设备进一步净化后通过引风机(10)排入大气。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述除尘设备为布袋除尘器。
13.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述第一卸料阀(2-a)与第二卸料阀(2-b)分别为两级卸料阀，第一卸料阀(2-a)与第二卸料阀(2-b)各自对应的两个阀之间分别有一段直管段，在运行过程中能够分别填充固态胺吸附剂颗粒，以实现气体的密封。
14.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：物料循环量通过给料机(5)进行调节。
15.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述固态胺吸附剂颗粒为含有胺基功能团的固体颗粒，或含有胺基功能团的吸附材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述含有胺基功能团的固体颗粒由有机胺和多孔固体载体组成，其中有机胺被吸附在多孔固体载体的孔隙内；有机胺占含有胺基功能团的固体颗粒的总质量的10％～80％。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述多孔固体载体为硅胶、沸石分子筛、活性炭、树脂、氧化铝和金属有机框架中的一种或多种。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述有机胺为单乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、四乙烯五胺和聚乙烯亚胺中的一种或多种。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述含有胺基功能团的吸附材料为胺基离子交换树脂。
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