从含CO2原料气中分离高纯度CO2的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及从含CO2原料气中分离高纯度CO2的方法，其使用真空变压吸附气体分离装置，包含进料吸附步骤、顺流减压步骤、抽空排气步骤、轻质回流步骤、逆流加压步骤及加压步骤，在不需要原料气压缩、不需要二氧化碳产品气冲洗的情况下，本发明专利技术能够低能耗，高效率地分离提纯出高纯度、高回收率的二氧化碳，且设备压降小，真空要求不高。此外，本发明专利技术还涉及一种装置，其适用于本发明专利技术的分离方法，本发明专利技术的装置吸附塔高度低、循环周期短，为工业生产净化CO2节省成本、产生巨大的经济价值。

Method and device for separating high purity CO2 from raw material containing CO2 gas

The invention relates to a method for separating high purity CO2 from CO2 raw material gas, which uses a vacuum pressure variable pressure adsorption gas separation device, including feed adsorption steps, downstream pressure reduction steps, exhaust exhaust steps, light reflux steps, countercurrent pressurization steps, and pressurization steps, without the need for raw gas compression and no carbon dioxide products. In the case of gas flushing, the invention has low energy consumption and high efficiency separation and purification of carbon dioxide with high purity and high recovery rate, and the pressure drop of the equipment is small and the vacuum requirement is not high. In addition, the invention also relates to a device which is suitable for the separation method of the invention. The device of the invention has the low height of the adsorption tower and short cycle cycle, so as to save the cost for the industrial production of CO2 and produce huge economic value.

【技术实现步骤摘要】
从含CO2原料气中分离高纯度CO2的方法及装置
本专利技术涉及二氧化碳分离领域，具体是一种一段式利用真空变压吸附从含CO2原料气中分离高纯度CO2的方法及装置。
技术介绍
二氧化碳（CO2）是主要的温室气体，会导致气候变化和全球变暖。世界目前正处于向低碳排放转型时期，中国连同许多国家正在推出或已经推出碳税/碳交易计划，以减少二氧化碳排放，温室气体排放和提高能源效率。因此，从各种工业排放气体中回收利用二氧化碳有巨大的环境利益和经济利益，符合“资源-产品-再生资源”循环经济发展模式，能够实现资源综合利用。应对各种气体分离和提纯的需要，很多技术，包括低温冷凝、液态吸收法、固体吸附和膜分离法可以用来分离回收二氧化碳，但它们都有自己的优势和劣势。基于固体吸附法的变压吸附技术（PSA）和真空变压吸附技术（VSA），已经普遍应用于氢气（H2）、氧气（O2）、氮气（N2）、甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）等工业气体的分离提纯。目前为止，一般的变压吸附技术在针对化肥厂合成氨变换排放气或者石化炼油厂排放尾气实施二氧化碳回收分离的工艺，通常采用将尾气加压的方式，二氧化碳在高压下被吸附分离出来。在这些二氧化碳分离过程中，现有工艺通常采用多级压缩机把尾气加压到>6bar.a的高压，利用PSA原理来回收/脱除尾气中的二氧化碳。该工艺可以实现85%左右的回收率，以及大约95%左右的二氧化碳纯度。长期以来，因为该变压吸附的技术特性，造成产品CO2的纯度不高，不利于二氧化碳的进一步利用。同时由于对尾气整体加压，能耗较高，因此使用现有变压吸附技术回收二氧化碳造成了能源和资源的浪费。美国专利申请2010/010449A1描述了一种具有高热效率二氧化碳回收能力的装置。该专利申请表明选择溶剂清洗系统或PSA系统可用于CO2脱离，含氢气体再循环回到系统。但显然描述是肤浅的，也没有实际的脱碳处理的工艺细节。美国专利申请2010/0287981A1描述了蒸汽重整系统中各种氢气和二氧化碳回收处理工艺。该专利技术中的目标气体是水煤气变换产出物。使用常规的氢气PSA对H2回收后，尾气被压缩到一定的压力首先输送到压力真空变压吸附（PVSA）和膜系统对二氧化碳回收。然而，该专利技术中既没有实施例，也没有具体的流程（循环）或详细表现性能。同样地在美国专利申请US2008/0072752A1中，基于压力真空变压吸附（PVSA）和PSA的工艺流程被用于分离二氧化碳和氢气，该专利申请公开的步骤主要包括进料吸附步骤、一系列的降压步骤、排空步骤、排空后的均压步骤、一系列的均压步骤以及复压步骤，该专利申请使用的原料气的压力要求较高（100~500psia），将高压力的原料气经过一系列降压步骤降至大气压力附近，从而使吸附剂中吸附的非CO2气体释放以使后续排空步骤中收集的CO2产品气的纯度提升。该专利申请本身对原料气的压力要求高，并且工艺步骤多，设备投入和运行成本高。这些现有工艺技术的处理目标都是水气变换反应的排放气体（尾气）。在热电厂烟道气二氧化碳捕集工艺中，真空变压吸附（VSA）也曾被采用（例如中国专利CN103055659B），但电厂烟道气本身压力低，二氧化碳浓度低，需要对烟道气本身进行增压，而且烟道气本身含有大量的水气，需要预处理脱除，由于二氧化碳的分压低，因此变压吸附的脱附真空度要求极高，通常在1-3kPa绝压左右，能耗极大，且收率不高，并且二氧化碳浓度不超过96%。反映中国目前的典型技术，中国专利申请CN104587797A提出了五段变压吸附分离流程从炼化制氢尾气中分离提纯出二氧化碳、甲烷、一氧化碳和氢气的方法，但该工艺需要压缩炼化制氢尾气到0.85MPa，并且需要产品预处理，吸附塔数目众多，变压吸附循环步骤过于冗长复杂，不具备高新能效技术和经济可行性。此外，中国专利申请CN102659104A提出了湿法脱碳再串联变压吸附分离流程从炼化制氢中变气中分离出二氧化碳，以便改进甲烷制氢气效率的方法。在该两段组合工艺中，二氧化碳经过液态加压闪蒸和高压气态PSA精制提纯才能达到98.6%纯度，设备投入和运行成本都非常高。澳大利亚专利申请AU2016201267A1提供了一种回收二氧化碳、高纯度氢气和生产高热值燃料气体的复合两级工艺过程，包括二氧化碳真空变压吸附（CO2VSA）阶段和H2变压吸附（H2PSA）的阶段。二氧化碳真空变压吸附阶段包括吸附步骤、顺流均压步骤、二氧化碳产品气吹扫步骤、顺流均压步骤、抽空排气步骤、轻质回流步骤、逆流均压步骤以及加压步骤。其中的二氧化碳产品气吹扫是传统真空变压吸附方法中通常用以提高二氧化碳产品气纯度的步骤，一方面高浓度的二氧化碳产品气可以将CO2含量较低的贫CO2气体由吸附塔顶部送出吸附塔，另一方面高浓度的二氧化碳产品气将大大减少非二氧化碳气体的分压含量，进而实现非二氧化碳气体组分的脱附以及二氧化碳的二次吸附，使得吸附的二氧化碳得到进一步纯化。但该步骤的一个缺点是二氧化碳被多次吸附与解吸，降低了吸附剂的使用效率，使真空泵的能耗升高。总而言之，之前的技术均以净化非二氧化碳气体为目的，因此设计床层高度普遍较高，超过3米，床层高造成压降较大，因此压缩能耗较大。在很多石化炼厂尾气中，二氧化碳浓度高（约50%）且在低温下含饱和水蒸气，之前采用的变压吸附循环基于“汽提”循环（strippingcycle）机理，未考虑和顾全二氧化碳气体的纯度和收率。并且在用于二氧化碳提纯的传统真空变压吸附方法中，使用产品气吹扫步骤（或置换步骤）用以提高二氧化碳产品气的纯度，此举减低了吸附剂的使用效率，增加了真空泵的能耗，增加了工业成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种从含CO2原料气中分离高纯度CO2的方法，其使用真空变压吸附气体分离装置，包含下述步骤：进料吸附步骤：原料气经塔底进入某吸附塔，CO2被该吸附塔内的吸附剂吸附，原料气转变为贫CO2气体；顺流减压步骤：停止原料气进入该吸附塔，打开该吸附塔与刚完成轻质回流步骤的其他吸附塔顶部的连接，将该吸附塔内的贫CO2气体从该吸附塔顶部排出并进入其他吸附塔，使该吸附塔与其他吸附塔的压力均衡；抽空排气步骤：关闭该吸附塔与其他吸附塔的连接，使用与该吸附塔底部相连的真空泵回收CO2，回收的CO2被存储在CO2产品罐中；轻质回流步骤：保持真空泵的连通，将该吸附塔顶部与进行进料吸附步骤的其他吸附塔的顶部连通，其他吸附塔中排出的贫CO2气体经塔顶进入该吸附塔；逆流加压步骤：关闭真空泵的连通，将该吸附塔顶部与刚完成进料吸附步骤的其他吸附塔的顶部连通，使该吸附塔与其他吸附塔的压力均衡；加压步骤：向该吸附塔中引入原料气或贫CO2气体提升塔内压力；重复上述步骤；其中，所述顺流减压步骤和逆流加压步骤为至少一次。优选地，含CO2原料气中含有的CO2体积百分比大于15%，更优选地，含CO2原料气来自于甲烷蒸汽重整制氢单元的尾气，更优选地，含CO2原料气为煤制合成气。优选地，含CO2原料气的压力为表压0-50KPa，温度为10-50°C。优选地，本专利技术的方法不包含CO2产品气吹扫步骤。优选地，含CO2原料气在进料吸附步骤前不经过压缩。优选地，本专利技术的方法需要两个以上装填吸附剂的吸附塔，各个吸附塔以耦合方式循环运行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种从含CO2原料气中分离高纯度CO2的方法，其特征在于，使用真空变压吸附气体分离装置，包含下述步骤： 进料吸附步骤：原料气经塔底进入某吸附塔，CO2被该吸附塔内的吸附剂吸附，原料气转变为贫CO2气体； 顺流减压步骤：停止原料气进入该吸附塔，打开该吸附塔与刚完成轻质回流步骤的其他吸附塔顶部的连接，将该吸附塔内的贫CO2气体从该吸附塔顶部排出并进入其他吸附塔，使该吸附塔与其他吸附塔的压力均衡； 抽空排气步骤：关闭该吸附塔与其他吸附塔的连接，使用与该吸附塔底部相连的真空泵回收CO2，回收的CO2被存储在CO2产品罐中； 轻质回流步骤：保持真空泵的连通，将该吸附塔顶部与进行进料吸附步骤的其他吸附塔的顶部连通，其他吸附塔中排出的贫CO2气体经塔顶进入该吸附塔； 逆流加压步骤：关闭真空泵的连通，将该吸附塔顶部与刚完成进料吸附步骤的其他吸附塔的顶部连通，使该吸附塔与其他吸附塔的压力均衡； 加压步骤：向该吸附塔中引入原料气或贫CO2气体提升塔内压力； 重复上述步骤； 其中，所述顺流减压步骤和逆流加压步骤为至少一次。

【技术特征摘要】
1.一种从含CO2原料气中分离高纯度CO2的方法，其特征在于，使用真空变压吸附气体分离装置，包含下述步骤：进料吸附步骤：原料气经塔底进入某吸附塔，CO2被该吸附塔内的吸附剂吸附，原料气转变为贫CO2气体；顺流减压步骤：停止原料气进入该吸附塔，打开该吸附塔与刚完成轻质回流步骤的其他吸附塔顶部的连接，将该吸附塔内的贫CO2气体从该吸附塔顶部排出并进入其他吸附塔，使该吸附塔与其他吸附塔的压力均衡；抽空排气步骤：关闭该吸附塔与其他吸附塔的连接，使用与该吸附塔底部相连的真空泵回收CO2，回收的CO2被存储在CO2产品罐中；轻质回流步骤：保持真空泵的连通，将该吸附塔顶部与进行进料吸附步骤的其他吸附塔的顶部连通，其他吸附塔中排出的贫CO2气体经塔顶进入该吸附塔；逆流加压步骤：关闭真空泵的连通，将该吸附塔顶部与刚完成进料吸附步骤的其他吸附塔的顶部连通，使该吸附塔与其他吸附塔的压力均衡；加压步骤：向该吸附塔中引入原料气或贫CO2气体提升塔内压力；重复上述步骤；其中，所述顺流减压步骤和逆流加压步骤为至少一次。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含CO2原料气中含有的CO2体积百分比大于15%。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述含CO2原料气来自于甲烷蒸汽重整制氢单元的尾气。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述含CO2原料气为煤制合成气。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含CO2原料气的压力为表压0-50KPa，温度为10-50°C。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法不包含CO2产品气吹扫步骤。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含CO2原料气在进料吸附步骤前不经过压缩。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，需要两个以上装填吸附剂的吸附塔，各个吸附塔以耦合方式循环运行。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述进料吸附步骤中，吸附塔塔底和塔顶的压降范围为0-20KPa。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸附剂选自沸石A，沸石X，沸石Y，活性炭，活性氧化铝，金属有机骨架，硅胶中的一种或其组合。11.根据权利要求1-10任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述进料吸附步骤的时间20-200秒，所述顺流减压步骤的时间为10-20秒，所述抽空排气步骤的时间为20-200秒，所述轻质回流步骤的时间为10-20秒，所述逆流加压步骤的时间为5-10秒，所述加压步骤的时间为2-10秒。12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抽空排气步骤的吸附塔内的压力为绝压5-30KPa。13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：进料吸附，顺流减压1，顺流减压2，抽空排气，轻质回流，逆流加压1，逆流加压2，贫CO2加压。14.根据权利要求1所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，刘明升，
申请(专利权)人：戴莫尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU