基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统与方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，它包括CO2吸收设备、CO2再生设备、富液泵、贫液泵、贫液冷却器、三通分流阀、贫富液热交换器、增压风机和中空纤维膜接触器组件。本发明专利技术在冷富液进行贫富液换热之前，将部分冷富液分流用于回收热再生塔顶CO2和H2O(g)再生气的余热，同时采用具有纳米膜孔的耐高温无机中空纤维膜接触器作为分流冷富液与再生气之间的换热介质，替换原有再生塔顶的再生气外界水冷却器，并利用H2O(g)在膜孔内的毛细冷凝实现H2O(g)传质强化与CO2传质阻塞，强化再生气向冷富液的对流换热量，大幅提升再生气余热回收效率，从而较大幅度地降低单位CO2的再生热耗。

CO2 chemical absorption system and method based on steam mass transfer to strengthen waste heat recovery

The invention relates to a water vapor mass transfer enhancement of CO2 chemical absorption heat recovery system based on CO2, it includes absorption equipment, CO2 regeneration equipment, rich liquid pump, liquid pump, lean lean liquid cooler, three shunt valve, the liquid heat exchanger, booster fan and hollow fiber membrane contactor assembly. Before the invention of the liquid heat in the cold liquid rich, will be part of the cold liquid rich diverted for heat recovery and regeneration of the CO2 H2O (g) residual heat and angry, and adopts the high temperature resistant inorganic hollow fiber membrane contactor with nano membrane holes as a cold and angry shunt rich liquid between the heat exchange medium, regeneration gas outside the water cooler to replace the original regeneration tower, and the use of H2O (g) in capillary condensation within the membrane to achieve H2O (g) and CO2 blocking mass transfer enhancement of mass transfer, strengthen the regeneration gas to the convection heat transfer of cold liquid rich, significantly enhance the regeneration gas heat recovery efficiency, thus greatly reduce the thermal regeneration unit CO2 consumption.

【技术实现步骤摘要】
基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统与方法
本专利技术涉及富CO2气体中CO2化学吸收工艺节能降耗
，具体涉及一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统与方法。
技术介绍
基于气液化学反应原理的CO2化学吸收技术是目前沼气、垃圾填埋气、生物质热解气和燃煤烟气等富CO2气体中主流的CO2分离技术之一，其具有技术成熟、商业应用广、对气体适应性强、操作简单和CO2分离效率高、目标气纯度高等优点。传统的富CO2气体中CO2化学吸收技术面临的主要瓶颈在于CO2分离成本高，其可归因于富CO2吸收剂溶液再生热耗巨大，因而对CO2再生过程进行优化或创新来降低富CO2吸收剂溶液的热再生能耗是十分有必要的。富CO2吸收剂溶液的再生热耗一般可采用再沸器热负荷来体现，其主要由三部分组成：(1)再生显热，用于将富CO2吸收剂溶液从再生塔入口温度提升到再生所需温度；(2)再生反应热，用于破坏吸收剂与CO2分子之间的化学键能；(3)水蒸发潜热，用于蒸发富CO2吸收剂溶液中的水而在再生塔内建立合适的传质推动力。显然，再生反应热取决于吸收剂的性能，这也是近年来众多研究者试图筛选或开发能同时满足“高CO2吸收速率、高CO2循环携带量和低再生反应热”要求的新型吸收剂的主要原因。除吸收剂研究外，融合新型膜技术和减压再生技术的真空膜减压再生新工艺(中国专利ZL201010169524.5)可以采用较低的再生温度达到较好的再生效果，从而可大规模利用废热或低品位热，能有效节约高品位热能。同时，采用变浓度再生技术(中国专利ZL201310449986.6)提高再生过程中的富CO2吸收剂溶液浓度，从而降低富CO2吸收剂溶液中水含量和提高富CO2吸收剂溶液的CO2分压，进而降低再生过程中水的蒸发潜热，实现再生热耗的降低。另外，对富CO2吸收剂溶液再生过程中的余热进行回收也有助于降低再生热耗，如采用富CO2吸收剂溶液分流工艺(美国专利4152217)回收热再生塔顶热再生气(CO2和H2O(g)混合气，CO2和H2O(g)的摩尔比可达到1:2)所携带的潜热，降低再生塔顶出口再生气的温度，从而实现再沸器热负荷的降低。相对而言，对热再生塔顶再生气的余热进行回收来实现再生热耗的降低这一方式可能更容易实现，因为其无需对现有工艺系统进行大的改造，也可适合于任一种热再生吸收剂体系，可实现在新吸收剂体系自身降耗的基础上进一步降低再生能耗。热再生塔顶高温再生气的余热回收目前主要采用的是分流冷富CO2吸收剂溶液在再生塔内与再生气直接混合而对再生气进行降温，或在再生塔顶设置一通用换热器，用分流的冷富CO2吸收剂溶液与再生气进行热交换，再生气冷凝释放的潜热通过导热的形式传递到冷富CO2吸收剂溶液，使冷富CO2吸收剂溶液升温。但对于前者，必须对冷富CO2吸收剂溶液分流量进行限制，否则会导致工艺中的贫CO2吸收剂溶液(简称贫液)冷却器热负荷过高，再加上气液接触时间较短，因而再生热耗下降幅度有限(约5～10％)。而对于后者，再生气降温所释放的潜热只能以单一导热形式传递到冷富CO2吸收剂溶液侧，系统换热系数较小，一般只能保证20K(开尔文)左右的经济换热温差，此时再生热耗降低幅度低(约6％)。如要实现更高的降耗幅度，必须将换热温差降低到5～10K，但此时必然将带来换热面积的大幅增加，导致占地面积大和投资高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统与方法，该系统与方法能在保持原有成熟的CO2吸收与富液再生技术的基础上高效回收富液热再生塔顶排出的高温再生气余热，可较大幅度地降低再生热耗，同时还能降低再生气余热回收所需的换热器体积与投资。为解决上述技术问题，本专利技术所设计的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于，它包括CO2吸收设备、CO2再生设备、再沸器、输入端与CO2吸收设备出液口连接的富液泵、输出端与CO2吸收设备的吸收液输入口连接的贫液泵、输出端与贫液泵输入口连接的贫液冷却器、三通分流阀、贫富液热交换器、输出端与CO2吸收设备的进气口连接的增压风机、中空纤维膜接触器组件，其中，CO2吸收设备的出液口通过富液泵连接三通分流阀的第一端口，三通分流阀的第二端口连接中空纤维膜接触器组件的富液壳程入口，三通分流阀的第三端口连接贫富液热交换器的低温富液入口，贫富液热交换器的高温富液出口连接CO2再生设备的第一富液输入口，CO2再生设备的底端排液口连接再沸器的富液输入口，再沸器的贫液输出口连接贫富液热交换器的高温贫液入口，再沸器的再沸器顶端排气口连接CO2再生设备的底端进气口，所述再沸器还具有蒸汽输入口和高温水输出口，CO2再生设备的顶部排气口连接中空纤维膜接触器组件的管程气相入口，中空纤维膜接触器组件的管程液相出口连接CO2再生设备的顶端冷凝水回流入口，中空纤维膜接触器组件的富液壳程出口连接CO2再生设备的第二富液输入口，中空纤维膜接触器组件还具有管程气相出口，贫富液热交换器的低温贫液的输出口连接贫液冷却器的贫液入口，贫液冷却器的贫液出口通过贫液泵连接CO2吸收设备的吸收液输入口，CO2吸收设备的顶部还设有顶端排气口。一种利用上述系统的CO2化学吸收方法，它包括如下步骤：步骤1：富CO2气体通过增压风机增压后由进气口进入CO2吸收设备，与从CO2吸收设备内的吸收液输入口进入的CO2化学吸收剂形成逆流接触，富CO2气体中CO2被吸收，净化气从CO2吸收设备顶端经过除雾后从顶端排气口排出，CO2吸收设备内的吸收剂吸收CO2后生成的初始吸收剂富CO2溶液由CO2吸收设备的出液口进入富液泵；步骤2：初始吸收剂富CO2溶液经由富液泵进入三通分流阀中进行分流，分流的一部分初始吸收剂富CO2溶液经三通分流阀的第二端口进入中空纤维膜接触器组件的富液壳程入口，分流的另一部分初始吸收剂富CO2溶液经三通分流阀的第三端口进入贫富液热交换器，在热交换器中与再沸器的贫液输出口输出的再生后的100～120℃的高温热贫液进行热交换，使分流的另一部分初始吸收剂富CO2溶液被加热到80～100℃，然后被加热到80～100℃初始吸收剂富CO2溶液进入CO2再生设备的第一富液输入口；步骤3：经三通分流阀分流之后的40～60℃分流冷富液在无机中空纤维膜接触器组件壳程中与在管程中逆向流动的90～100℃高温CO2和H2O(g)再生气进行热交换，利用H2O(g)在膜孔内的热质传递耦合，实现再生气余热回收性能的强化，90～100℃的高温CO2和H2O(g)再生气经CO2再生设备顶端出气口进入中空纤维膜接触器组件管程入口，在90～100℃的再生气温度和0.1～0.2Mpa压力条件下，管程内CO2和H2O(g)再生气中部分H2O(g)接触冷膜后，在中空纤维膜接触器组件的膜管程内冷凝，释放的H2O(g)潜热的一部分沿中空纤维膜接触器组件的膜方向传递，使中空纤维膜接触器组件的膜加热，释放的H2O(g)潜热的另一部分以跨膜导热的形式传递到中空纤维膜接触器组件壳程冷富液侧，同时，管程内CO2和H2O(g)再生气中的另一部分H2O(g)以对流传质的形式通过中空纤维膜膜孔到达富液侧，并在富液侧冷凝释放潜热，两种传热方式的共同作用使40～60℃的富液升温到80～90本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于，它包括CO2吸收设备(2)、CO2再生设备(9)、再沸器(10)、输入端与CO2吸收设备(2)出液口(2.4)连接的富液泵(3)、输出端与CO2吸收设备(2)的吸收液输入口(2.2)连接的贫液泵(7)、输出端与贫液泵(7)输入口连接的贫液冷却器(6)、三通分流阀(4)、贫富液热交换器(5)、输出端与CO2吸收设备(2)的进气口(2.3)连接的增压风机(1)、中空纤维膜接触器组件(8)，其中，CO2吸收设备(2)的出液口(2.4)通过富液泵(3)连接三通分流阀(4)的第一端口(4.1)，三通分流阀(4)的第二端口(4.2)连接中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程入口(8.1)，三通分流阀(4)的第三端口(4.3)连接贫富液热交换器(5)的低温富液入口(5.1)，贫富液热交换器(5)的高温富液出口(5.3)连接CO2再生设备(9)的第一富液输入口(9.1)，CO2再生设备(9)的底端排液口(9.6)连接再沸器(10)的富液输入口(10.2)，再沸器(10)的贫液输出口(10.1)连接贫富液热交换器(5)的高温贫液入口(5.4)，再沸器(10)的再沸器顶端排气口(10.3)连接CO2再生设备(9)的底端进气口(9.5)，所述再沸器(10)还具有蒸汽输入口(10.4)和高温水输出口(10.5)，CO2再生设备(9)的顶部排气口(9.4)连接中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相入口(8.5)，中空纤维膜接触器组件(8)的管程液相出口(8.4)连接CO2再生设备(9)的顶端冷凝水回流入口(9.3)，中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程出口(8.3)连接CO2再生设备(9)的第二富液输入口(9.2)，中空纤维膜接触器组件(8)还具有管程气相出口(8.2)，贫富液热交换器(5)的低温贫液的输出口(5.2)连接贫液冷却器(6)的贫液入口(6.1)，贫液冷却器(6)的贫液出口(6.2)通过贫液泵(7)连接CO2吸收设备(2)的吸收液输入口(2.2)，CO2吸收设备(2)的顶部还设有顶端排气口(2.1)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于，它包括CO2吸收设备(2)、CO2再生设备(9)、再沸器(10)、输入端与CO2吸收设备(2)出液口(2.4)连接的富液泵(3)、输出端与CO2吸收设备(2)的吸收液输入口(2.2)连接的贫液泵(7)、输出端与贫液泵(7)输入口连接的贫液冷却器(6)、三通分流阀(4)、贫富液热交换器(5)、输出端与CO2吸收设备(2)的进气口(2.3)连接的增压风机(1)、中空纤维膜接触器组件(8)，其中，CO2吸收设备(2)的出液口(2.4)通过富液泵(3)连接三通分流阀(4)的第一端口(4.1)，三通分流阀(4)的第二端口(4.2)连接中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程入口(8.1)，三通分流阀(4)的第三端口(4.3)连接贫富液热交换器(5)的低温富液入口(5.1)，贫富液热交换器(5)的高温富液出口(5.3)连接CO2再生设备(9)的第一富液输入口(9.1)，CO2再生设备(9)的底端排液口(9.6)连接再沸器(10)的富液输入口(10.2)，再沸器(10)的贫液输出口(10.1)连接贫富液热交换器(5)的高温贫液入口(5.4)，再沸器(10)的再沸器顶端排气口(10.3)连接CO2再生设备(9)的底端进气口(9.5)，所述再沸器(10)还具有蒸汽输入口(10.4)和高温水输出口(10.5)，CO2再生设备(9)的顶部排气口(9.4)连接中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相入口(8.5)，中空纤维膜接触器组件(8)的管程液相出口(8.4)连接CO2再生设备(9)的顶端冷凝水回流入口(9.3)，中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程出口(8.3)连接CO2再生设备(9)的第二富液输入口(9.2)，中空纤维膜接触器组件(8)还具有管程气相出口(8.2)，贫富液热交换器(5)的低温贫液的输出口(5.2)连接贫液冷却器(6)的贫液入口(6.1)，贫液冷却器(6)的贫液出口(6.2)通过贫液泵(7)连接CO2吸收设备(2)的吸收液输入口(2.2)，CO2吸收设备(2)的顶部还设有顶端排气口(2.1)。2.根据权利要求1所述的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于：所述贫液泵(7)的输出端与CO2吸收设备(2)的吸收液输入口(2.2)之间的管路内设有第一温度传感器(12.1)，所述贫富液热交换器(5)的低温贫液的输出口(5.2)与贫液冷却器(6)的贫液入口(6.1)之间的管路内设有第三温度传感器(12.3)，贫富液热交换器(5)的高温富液出口(5.3)与CO2再生设备(9)的第一富液输入口(9.1)之间的管路内设有第四温度传感器(12.4)，再沸器(10)的贫液输出口(10.1)与贫富液热交换器(5)的高温贫液入口(5.4)之间的管路内设有第五温度传感器(12.5)，中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相出口(8.2)设有第六温度传感器(12.6)，中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程出口(8.3)与CO2再生设备(9)的第二富液输入口(9.2)之间的管路没有第七温度传感器(12.7)，CO2再生设备(9)的顶部排气口(9.4)与中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相入口(8.5)之间的管路内设有第八温度传感器(12.8)，所述CO2再生设备(9)的底端排液口(9.6)与再沸器(10)的富液输入口(10.2)之间的管路上设有第九温度传感器(12.9)。3.根据权利要求1所述的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于：所述富液泵(3)与三通分流阀(4)的第一端口(4.1)之间的管路上设有第一流量传感器(11.1)，第一流量传感器(11.1)与三通分流阀(4)的第一端口(4.1)之间的管路上设有第二温度传感器(12.2)，贫液冷却器(6)的贫液出口(6.2)与贫液泵(7)的输入端之间的管路上设有第二流量传感器(11.2)，三通分流阀(4)的第二端口(4.2)与中空纤维膜接触器组件(8)的富液壳程入口(8.1)之间设有第三流量传感器(11.3)。4.根据权利要求1所述的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于：所述中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相出口(8.2)上设有湿度传感器(13)。5.根据权利要求1所述的基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统，其特征在于：所述中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相出口(8.2)上设有第一气体压力传感器(14.1)，CO2再生设备(9)的顶部排气口(9.4)与中空纤维膜接触器组件(8)的管程气相入口(8.5)之间的管路上设有第二气体压力传感器(14.2)。6.一种利用权利要求1所述系统的CO2化学吸收方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：富CO2气体通过增压风机(1)增压后由进气口(2.3)进入CO2吸收设备(2)，与从CO2吸收设备(2)内的吸收液输入口(2.2)进入的CO2化学吸收剂形成逆流接触，富CO2气体中CO2被吸收，净化气从CO2吸收设备(2)顶端经过除雾后从顶端排气口(2.1)排出，CO2吸收设备(2)内的吸收剂吸收CO2后生成...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏水平，涂特，崔秋芳，余歌，梁飞虹，王明，张衍林，艾平，王媛媛，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42