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CN114832584A - 一种基于两相吸收剂富液浓相解吸的co2捕集系统及方法 - Google Patents

一种基于两相吸收剂富液浓相解吸的co2捕集系统及方法 Download PDF

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CN114832584A
CN114832584A CN202210390046.3A CN202210390046A CN114832584A CN 114832584 A CN114832584 A CN 114832584A CN 202210390046 A CN202210390046 A CN 202210390046A CN 114832584 A CN114832584 A CN 114832584A
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李畅
许宝军
宋治国
王云阳
黄忠源
张丽
金绪良
贾嘉
孟凡钦
殷爱鸣
王海刚
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China Datang Corp Science and Technology Research Institute Co Ltd
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Beijing Gaojing Co Generation Power Plant Of Datang International Power Generation Co ltd
China Datang Corp Science and Technology Research Institute Co Ltd
North China Electric Power Test and Research Institute of China Datang Group Science and Technology Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种基于两相吸收剂富液浓相解吸的CO2捕集系统及方法，该系统包括吸收塔、两相吸收剂系统、正渗透装置、再生塔及MVR热泵系统。两相吸收剂系统包括两相吸收剂、相分离器；两相吸收剂系统贫液通过贫液泵与吸收塔顶部连接；吸收塔底部依次通过第一富液泵、贫/富液换热器与两相吸收剂系统连接；贫/富液换热器通过所述贫液泵与吸收塔顶部连接；两相吸收剂系统富液通过第二富液泵与正渗透装置连接，正渗透装置与再生塔连接；再生塔连接有再沸器；MVR热泵系统包括闪蒸罐及压缩机，再生塔贫液出口与闪蒸罐连接，闪蒸罐通过所述压缩机与再生塔的高温高压气体进口连接；闪蒸罐底部贫液出口与贫/富液换热器连接。本发明能够大幅降低烟气CO2捕集工艺的能耗。

Description

一种基于两相吸收剂富液浓相解吸的CO2捕集系统及方法
技术领域
本发明涉及CO2捕集技术领域，尤其涉及一种基于两相吸收剂富液浓相解吸的CO2捕集系统及方法。
背景技术
随着人类社会的不断发展进步，进入工业文明后，大量化石燃料(如煤、石油等)的使用导致以CO2为主的温室气体排放量急剧增加。随着世界各国对全球气候变化的逐渐重视，碳达峰、碳中和等一系列碳排放规划逐步落地。
碳捕集利用与封存(CCUS)技术是应对全球气候变化、控制温室气体排放的重要技术手段。通过把生产过程中排放的CO2进行捕集提纯，进而投入新的生产过程进行再利用和封存。目前，国内外研究机构及企业已经在能源系统捕集CO2领域进行了大量研究与实践，成功建立了众多工业规模的CO2捕集示范项目。
电力行业CCUS技术研究主要集中在燃煤电厂。燃煤电厂CO2捕集分离方法主要包括燃烧后捕集、燃烧前捕集以及富氧燃烧。燃烧后CO2捕集技术主要分为三类：吸收法、吸附法和膜法，其中化学吸收是商业应用最为广泛的电厂燃烧后捕集技术之一。化学吸收工艺是利用化学吸收剂，通过化学反应的选择性，将气相中易溶于吸收剂的成分分离出来的方法，具有适于分离低浓度CO2，可在常压下进行，对电厂现有设备改造较少，对负荷变化适应性较强，技术成熟等优点。化学吸收工艺脱除CO2，实质是利用碱性吸收剂溶液与烟气中的CO2发生化学反应，形成不稳定盐类，而盐类在一定条件下(如加热)会逆向解吸释放出CO2，从而达到将CO2从烟气中分离并富集的目的。
CO2捕集系统工艺流程一般如下：经脱硫、脱硝、除尘后的部分烟气或全部烟气经过烟气冷却器，从吸收塔下部进入，与从吸收塔顶部进入的吸收剂贫液逆流接触发生吸收反应(温度通常在40-60℃)，CO2溶解于吸收剂中，经处理后的烟气由吸收塔顶部排出。吸收CO2后的富液从吸收塔底由富液泵抽出送至贫/富液热交换器，富液在热交换器与来自再生塔底部贫液泵排出的贫液换热升温后，送入再生塔塔顶，与再生塔内上升的蒸汽发生反应，解吸出CO2，得到可再吸收CO2的贫液；再生后的吸收剂到达再生塔底部，被再沸器提供的热量加热后送入贫液泵，经过贫/富液热交换器和冷却器达到吸收塔温度水平，进入吸收塔继续吸收。
目前，化学吸收法应用最为广泛的吸收剂是醇胺类吸收剂。醇胺法尤其适用于成分复杂、低CO2分压及低CO2浓度的电厂烟气脱碳。醇胺法设计及运行操作相对简单，吸收效率高，吸收性能稳定，还可以通过各种辅助溶剂或流程优化来强化工艺，技术相对成熟，在电厂商业应用实践经验丰富。但现有CO2吸收富液主要采用热解吸方式来实现吸收剂的再生，解吸能耗过大，占捕集CO2过程的70-80％。相应设备腐蚀会导致捕集成本进一步增加。控制该方法捕集CO2的成本首先要从降低CO2解吸能耗入手，优化CO2捕集吸收-解吸工艺。因此，开发一种可大幅降低烟气CO2捕集工艺的能耗，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是一种基于两相吸收剂富液浓相解吸的CO2捕集系统及方法，从减少吸收剂再生能耗、提高再生热效率角度出发，对传统醇胺法捕集烟气中CO2过程进行工艺优化，从而大幅降低烟气CO2捕集工艺的能耗。
本发明提供了一种基于两相吸收剂富液浓相解吸的CO2捕集系统，包括吸收塔、两相吸收剂系统、正渗透装置、再生塔及MVR热泵系统；
所述吸收塔烟气进口设有烟气冷却器；
所述两相吸收剂系统包括两相吸收剂及相分离器，所述两相吸收剂(A+B)由两种不同类型和配比的CO2吸收剂A和吸收剂B组成；其中，吸收CO2后，CO2负载量大的一相主要由吸收剂B组成，称为富液；CO2负载量较小的一相主要由吸收剂A组成，称为贫液；
所述两相吸收剂系统贫液通过贫液泵与所述吸收塔顶部连接；
所述吸收塔底部依次通过第一富液泵、贫/富液换热器与所述两相吸收剂系统连接；所述贫/富液换热器通过所述贫液泵与所述吸收塔顶部连接；
所述两相吸收剂系统富液通过第二富液泵与所述正渗透装置连接，所述正渗透装置与所述再生塔连接；所述再生塔连接有再沸器；
所述MVR热泵系统包括闪蒸罐及压缩机，所述再生塔贫液出口与所述闪蒸罐连接，所述闪蒸罐通过所述压缩机与所述再生塔的高温高压气体进口连接；所述闪蒸罐底部贫液出口与所述贫/富液换热器连接。
本发明还提供了一种应用上述CO2捕集系统捕集CO2的方法，包括：
烟气经过电厂环保设备后和烟气冷却器后，将烟气温度冷却至40-60℃，由吸收塔底部进入，与吸收剂(A+B)贫液逆流接触实现CO2的捕集，脱碳后的烟气由吸收塔顶部排出；
吸收CO2后的吸收剂(A+B)富液与解吸后的B贫液在贫/富液换热器进行换热，之后进入相分离器；
吸收剂(A+B)在相分离器中进行分相，CO2负载量低的A贫液与解吸且完成换热后的B贫液混合为(A+B)贫液，直接返回吸收塔；
分相后CO2负载量高的B富液通过第二富液泵进入正渗透装置，进一步脱水浓缩后，送入再生塔塔顶进行热解吸；
解吸后的B贫液进入闪蒸罐闪蒸，产生大量二次蒸汽，被压缩机加压后变成高温高压的气体进入再生塔后对B富液进行加热解吸，减小再沸器负荷；
气化后的B贫液从闪蒸罐底部流出，经过贫/富液换热器换热后与A贫液混合。
进一步地，所述吸收剂A、吸收剂B为DEEA+BDA，DEEA+MAPA，DEEA+MEA，或DMAC+DETA。
进一步地，所述正渗透装置采用碳铵体系汲取液。
借由上述方案，通过基于两相吸收剂富液浓相解吸的CO2捕集系统，具有如下技术效果：
1)通过使用两相吸收剂，在再生塔前增设正渗透装置，在富液进入热解吸流程前，通过正渗透预脱除部分溶剂，使富液进一步浓缩。浓缩后溶剂水含量降低，CO2平衡分压提高，强化富液再生传质推动力，从而降低再生过程中溶剂水的汽化潜热和蒸发显热。同时，富液进一步浓缩后，进入再生塔的富液流量相应降低，可提高再生塔入口富液温度，强化余热回收。
2)通过在再生塔后增设MVR热泵，通过闪蒸压缩过程，将低品质贫液变成高品质蒸汽，为解吸过程提供热量，不足的部分由再沸器提供。该系统在解决高浓度吸收剂的腐蚀和降解等问题的前提下，具有较为明显的节能优势。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明基于两相吸收剂富液浓相解吸的CO2捕集系统的结构示意图。
图中标号：
1-烟气冷却器；2-吸收塔；3-贫液泵；4-第一富液泵；5-贫/富液换热器；6-两相吸收剂系统；7-第二富液泵；8-正渗透装置；9-再生塔；10-闪蒸罐；11-压缩机；12-再沸器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参图1所示，本实施例提供了一种基于两相吸收剂富液浓相解吸的CO2捕集系统，包括吸收塔2、两相吸收剂系统6、再生塔9、正渗透装置8及MVR热泵系统；
吸收塔2烟气进口设有烟气冷却器1；
两相吸收剂系统6包括两相吸收剂及相分离器，两相吸收剂由两种不同类型和配比的CO2吸收剂A和吸收剂B组成；其中，吸收CO2后，CO2负载量大的一相主要由吸收剂B组成，称为富液；CO2负载量较小的一相主要由吸收剂A组成，称为贫液；
两相吸收剂系统6通过贫液泵3与吸收塔2顶部连接；
吸收塔2底部依次通过第一富液泵4、贫/富液换热器5与两相吸收剂系统2连接；贫/富液换热器5通过贫液泵3与吸收塔2顶部连接；
两相吸收剂系统2通过第二富液泵7与正渗透装置8连接，正渗透装置8与再生塔9连接；再生塔9连接有再沸器12；
MVR热泵系统包括闪蒸罐10及压缩机11，再生塔9贫液出口与闪蒸罐10连接，闪蒸罐10通过压缩机11与再生塔9的高温高压气体进口连接；闪蒸罐10底部贫液出口与贫/富液换热器5连接。
烟气经过电厂环保设备后和烟气冷却器1后，将烟气温度冷却至40-60℃，由吸收塔2底部进入，与吸收剂(A+B)贫液逆流接触实现CO2的捕集，脱碳后的烟气由吸收塔2顶部排出；
吸收CO2后的吸收剂(A+B)富液与解吸后的B贫液在贫/富液换热器5进行换热，之后进入相分离器；
吸收剂(A+B)在相分离器中进行分相，CO2负载量低的A贫液与解吸且完成换热后的B贫液混合为(A+B)贫液，直接返回吸收塔2；
分相后CO2负载量高的B富液通过第二富液泵7进入正渗透装置8，进一步脱水浓缩后，送入再生塔9塔顶进行热解吸；
解吸后的B贫液进入闪蒸罐10闪蒸，产生大量二次蒸汽，被压缩机11加压后变成高温高压的气体进入再生塔9后对B富液进行加热解吸，减小再沸器12负荷；
气化后的B贫液从闪蒸罐10底部流出，经过贫/富液换热器5换热后与A贫液混合。
本实施例中两相吸收剂系统吸收剂吸收CO2后发生液液分相，上下两相CO2负载量相差大。CO2负载量大的一相称为富液，CO2负载量较小的一相称为贫液。吸收剂在相分离器中进行分相，贫液直接返回吸收塔，仅富液进行后续再生工艺。两相吸收剂系统相比传统MEA体系，能耗可降低30％-50％。
本实施例采用正渗透技术，利用汲取液和原料液之间的渗透压，使水从高水化学势的原料侧通过选择性透过膜自动扩散至低水化学势的汲取液侧。正渗透技术处于低压或无压操作，能耗低，分离效果好，膜污染低。利用正渗透达到去除部分溶剂，使富液进一步浓缩的目的。在分相器后富液出口增设正渗透装置，在富液进入热解吸流程前，预脱除部分溶剂，提高富液浓度，改善再生塔内部解吸反应传质条件，减少再生过程溶剂蒸发造成的能源消耗。在解决高浓度吸收剂的腐蚀和降解等问题的前提下，具有较为明显的节能优势。
热泵是一种将热能从低温热源传递到高温热源的加热装置，可以将低温热能转化为高温热能并提高能量的有效利用率，可以实现低温废热的回收。本实施例采用机械式蒸汽再压缩热泵技术(MVR热泵技术)，通过闪蒸压缩过程，将低品质贫液变成高品质蒸汽，为解吸过程提供热量，不足的部分由再沸器提供。
本实施例所使用两相吸收剂(A+B)由两种不同类型和配比的CO2吸收剂A和吸收剂B组成。假设吸收CO2后，CO2负载量大的一相主要由吸收剂B组成，称为富液；CO2负载量较小的一相主要由吸收剂A组成，称为贫液。如图1所示，在CO2捕集工艺中，火力发电厂烟气经过电厂环保设备后，经过烟气冷却器，烟气温度冷却至40-60℃，之后由底部进入吸收塔，与从吸收塔顶部进入的吸收剂(A+B)贫液逆流接触。吸收塔内压力为常压，吸收剂初始温度为40℃。CO2溶解于吸收剂中，脱碳后的烟气由吸收塔顶部排出。吸收CO2后的吸收剂(A+B)富液从吸收塔底由高压泵抽出，与解吸后的B贫液在贫富液换热器换热后进入相分离器。贫富液换热器端差为5～15℃，(A+B)富液经换热器后温度约为95℃。吸收剂(A+B)富液在相分离器中进行分相，CO2负载量小的A贫液与解吸且完成换热后的B贫液混合，直接返回吸收塔，仅CO2负载量大的B富液进行后续再生工艺。
根据吸收剂的组成不同，分相后的B富液含水率为20％～50％，该富液相通过富液泵进入正渗透装置，进一步脱水浓缩。正渗透装置采用碳铵体系汲取液(NH4HCO3-NH4OH混合溶液)，对吸收剂的浓缩倍率为1.5～2.0。B富液经过正渗透装置进一步浓缩后，送入再生塔塔顶进行热解吸。再生塔操作压力为1.2bar～2bar，塔顶出口气相温度100℃，塔底出口液相115℃，解吸后贫液CO2负荷为0.25mol CO2/mol胺。由于富液得到进一步浓缩，溶剂水含量降低，CO2平衡分压提高，强化富液再生传质推动力，从而降低再生过程中溶剂水的汽化潜热和蒸发显热。同时，富液进一步浓缩后，进入再生塔的富液流量相应降低，可提高再生塔入口富液温度，强化余热回收。
解吸后的B贫液进入MVR热泵系统的闪蒸罐进行闪蒸，闪蒸温度90℃。由于闪蒸塔中压强降低，导致大量液体瞬间气化，产生大量蒸汽(即二次蒸汽)，液体的汽化潜热转化为气体的显热被提取出来。气化后的液体在自身重力作用下从闪蒸罐底部流出，经过贫富液换热器后与A贫液混合回到吸收塔。闪蒸罐中产生的二次蒸汽则被压缩机加压变为温度120～130℃的气体进入解吸塔后对B富液进行加热解吸，从而减小了再沸器的负荷。
所述(A+B)吸收剂可为DEEA+BDA，DEEA+MAPA，DEEA+MEA，DMAC+DETA等。
本发明具有如下技术效果：
1)通过使用两相吸收剂，在再生塔前增设正渗透装置，在富液进入热解吸流程前，通过正渗透预脱除部分溶剂，使富液进一步浓缩。浓缩后溶剂水含量降低，CO2平衡分压提高，强化富液再生传质推动力，从而降低再生过程中溶剂水的汽化潜热和蒸发显热。同时，富液进一步浓缩后，进入再生塔的富液流量相应降低，可提高再生塔入口富液温度，强化余热回收。
2)通过在再生塔后增设MVR热泵，通过闪蒸压缩过程，将低品质贫液变成高品质蒸汽，为解吸过程提供热量，不足的部分由再沸器提供。该系统在解决高浓度吸收剂的腐蚀和降解等问题的前提下，具有较为明显的节能优势。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于两相吸收剂富液浓相解吸的CO2捕集系统，其特征在于，包括吸收塔、两相吸收剂系统、正渗透装置、再生塔及MVR热泵系统；
所述吸收塔烟气进口设有烟气冷却器；
所述两相吸收剂系统包括两相吸收剂及相分离器，所述两相吸收剂(A+B)由两种不同类型和配比的CO2吸收剂A和吸收剂B组成；其中，吸收CO2后，CO2负载量大的一相主要由吸收剂B组成，称为富液；CO2负载量较小的一相主要由吸收剂A组成，称为贫液；
所述两相吸收剂系统贫液通过贫液泵与所述吸收塔顶部连接；
所述吸收塔底部依次通过第一富液泵、贫/富液换热器与所述两相吸收剂系统连接；所述贫/富液换热器通过所述贫液泵与所述吸收塔顶部连接；
所述两相吸收剂系统富液通过第二富液泵与所述正渗透装置连接，所述正渗透装置与所述再生塔连接；所述再生塔连接有再沸器；
所述MVR热泵系统包括闪蒸罐及压缩机，所述再生塔贫液出口与所述闪蒸罐连接，所述闪蒸罐通过所述压缩机与所述再生塔的高温高压气体进口连接；所述闪蒸罐底部贫液出口与所述贫/富液换热器连接。
2.一种应用权利要求1所述CO2捕集系统捕集CO2的方法，其特征在于，包括：
烟气经过电厂环保设备后和烟气冷却器后，温度冷却至40-60℃，由吸收塔底部进入，与吸收剂(A+B)贫液逆流接触实现CO2的捕集，脱碳后的烟气由吸收塔顶部排出；
吸收CO2后的吸收剂(A+B)富液与解吸后的B贫液在贫/富液换热器进行换热，之后进入相分离器；
吸收剂(A+B)在相分离器中进行分相，CO2负载量低的A贫液与解吸且完成换热后的B贫液混合为(A+B)贫液，直接返回吸收塔；
分相后CO2负载量高的B富液通过第二富液泵进入正渗透装置，进一步脱水浓缩后，送入再生塔塔顶进行热解吸；
解吸后的B贫液进入闪蒸罐闪蒸，产生大量二次蒸汽，被压缩机加压后变成高温高压的气体进入再生塔后对B富液进行加热解吸，减小再沸器负荷；
气化后的B贫液从闪蒸罐底部流出，经过贫/富液换热器换热后与A贫液混合。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述吸收剂(A+B)为DEEA+BDA，DEEA+MAPA，DEEA+MEA，或DMAC+DETA。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述正渗透装置采用碳铵体系汲取液。
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