一种用于降低富CO2胺溶液再生能耗的新型催化解吸塔制造技术

本发明专利技术公开了一种用于降低富二氧化碳的胺溶液再生能耗的新型催化解吸塔，相较于传统的解吸塔，本发明专利技术将催化反应器引入传统的CO2解吸流程中，而不改变传统解吸塔的工艺流程、管道布局及加热方式等。其中催化反应器中装填固体催化剂，富CO2胺溶液从反应器底部通过泵的作用进入，通过催化剂和胺溶液的充分接触，使得催化剂的性能得到最大化的利用。新型催化解吸装置主要由催化反应器和填料塔组成。酸性催化剂的引入，加快了富碳胺溶剂的再生速率，降低其再生温度，从而实现高效低能耗再生富碳胺溶剂的目的。该新型催化解吸塔催化性能高于现在的催化解吸塔及传统解吸塔。

A New Catalytic Desorption Column for Reducing Energy Consumption of Regeneration of CO2-rich Amine Solution

The invention discloses a novel catalytic desorption tower for reducing the energy consumption of carbon dioxide-rich amine solution regeneration. Compared with the traditional desorption tower, the catalytic reactor is introduced into the traditional CO2 desorption process without changing the process flow, pipeline layout and heating mode of the traditional desorption tower. Solid catalysts are filled in the catalytic reactor, and CO2-rich amine solution enters from the bottom of the reactor through the action of a pump. Full contact between the catalyst and amine solution can maximize the performance of the catalyst. The new catalytic desorption unit is mainly composed of a catalytic reactor and a packed tower. The introduction of acidic catalyst accelerates the regeneration rate of carbon-rich amine solvent and reduces its regeneration temperature, thus realizing the purpose of high efficiency and low energy consumption regeneration of carbon-rich amine solvent. The catalytic performance of the new type catalytic desorption tower is higher than that of the present catalytic desorption tower and the traditional desorption tower.

【技术实现步骤摘要】
一种用于降低富CO2胺溶液再生能耗的新型催化解吸塔
本专利技术涉及一种用于富二氧化碳的胺溶液再生的新型催化解吸塔。
技术介绍
近年来，因煤、石油及天然气等化石能源的大量使用，导致温室效应日益严重，其引发的全球气候变化问题威胁人类的生存和发展，而二氧化碳(CO2)是最主要的温室气体之一。现有的碳捕获技术主要包括，燃烧前捕获、富氧燃烧捕获和燃烧后捕获这三种技术，其中燃烧后捕获技术是目前最成熟、应用最广泛的碳捕获技术，燃烧后碳捕集技术主要有化学吸收法、物理吸附法及膜分离法等。化学溶剂吸收法中，有机胺溶剂因其快的吸收速率、大的吸收容量及可再生性能等特性而广泛应用于工业化规模生产中。化学吸收法，其原理是通过化学反应利用有机胺的碱性选择性吸收分离烟道气中的CO2。为了重复循环利用有机胺溶剂，一般利用汽提过程除去富液胺溶剂中的CO2，使富碳吸收剂得到再生。图1所示为传统的富CO2胺溶剂再生工艺流程图。其主要包括解吸塔、冷凝器、塔底再沸器、贫富液换热器和泵。主要操作流程为吸收了CO2的富液经富液泵加压送至贫富液换热器，与解吸塔底排出的再生贫液进行热交换，达到一定温度后从顶部进入解吸塔，经解吸塔顶部液相分布器后喷淋入塔，塔底再沸器为富液解吸提供足够的水蒸汽使富液负载降到所要求的范围。解吸后的贫液由解吸塔底流出，经贫富液换热后，用贫液泵送至冷却器冷却到所需温度。冷却后的贫液返回吸收塔进行循环利用。如上所述，传统的富碳胺溶剂再生过程需要消耗大量的能耗，主要归因于从富液溶剂汽提CO2所需的热量。据有关文献报道，用于溶剂再生的能量消耗占CO2捕获装置的总流程耗费的60％以上(Idemetal.Ind.Eng.Chem.Res.2006,45(8),2414-2420.)。前期报道的降低再生能耗专利及文献中，都是集中在对现有再生工艺流程的优化及对部分能量的回收利用，其离理论的再生能耗值均有较大的差距(Liangetal.Int.J.GreenhouseGasControl,2015,34:75-84；RochelleGT.Science,2009,325(5948):1652-1654.)。因此，发展一种新型、高效的富碳胺溶剂再生装置及方法，提升富碳溶液再生速率、降低富碳胺溶剂的再生能耗，进而减小解吸塔规模、降低CO2捕获成本是十分必要的。在前期工作中，通过间歇式装置的基础研究，我们验证了典型的固体酸催化剂如分子筛催化剂HZSM-5、SAPO-34，超期固体酸及其混合催化剂均具有良好的催化富碳单乙醇胺(MEA)溶液再生的性能，其能显著的降低MEA的再生能耗(Liangetal.AlChEJ.,2016,62(3):753-765；Zhangetal.Appl.Energy2017(202):673–684；Liuetal.Ind.Eng.Chem.Res.,201756(27):7656-7664；Zhangetal.Appl.Energy2018(218)417–429)。但是如何将固体酸催化剂同传统的解吸塔进行耦合，使其能够高效的进行工业放大，并应用于工业生产中，是目前所面临的主要问题。加拿大里贾纳大学Idem教授等提出了一种将固体酸催化剂和惰性颗粒混合后，散堆装填于传统的CO2解吸塔中的方法，但该装填方式存在气液传质性能差，气液固三相接触面积小，催化剂的利用效率和催化解吸系统效率均较低的问题(Srisangetal.Chem.Eng.Sci.,2017(170):48-57.)。因而，将催化剂以合适的方法同传统的CO2解吸塔进行耦合，提高催化剂的利用效率和催化解吸系统的催化解吸性能有着极大的工业价值。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是，通过采用新型的催化剂和传统解吸塔的耦合技术，进一步减低富CO2胺溶液再生能耗，进而降低CO2捕获成本。本专利技术的技术方案是，提供一种用于降低富二氧化碳的胺溶液再生能耗的新型催化解吸塔，所述催化解吸塔是将催化反应器引入传统的CO2解吸流程中，而不改变传统解吸塔的工艺流程、管道布局及加热方式等。其中催化反应器中装填固体催化剂，富CO2胺溶液从反应器底部通过泵的作用进入，通过催化剂和胺溶液的充分接触，使得催化剂的性能得到最大化的利用。新型催化解吸装置主要由催化反应器和填料塔组成，催化反应器由两段独立的催化塔组成。进一步地，催化解吸塔主要流程如下：富胺溶液通过填料塔第一层填料层后，进入催化反应器1，经过催化解吸之后，再进入填料塔第二层填料，反应之后再进入催化反应器2，进行再次催化解吸过程，然后进入填料塔最后一层填料。进一步地，催化解吸塔中，填料塔由不锈钢材料组成，共分为3个填料层，均是通过法兰进行连接，可以独立的进行装卸填料操作。进一步地，催化塔体高度和填料塔填料层高度比例范围是：0.2-1。进一步地，催化剂反应器的材料可以是玻璃及不锈钢。进一步地，催化剂反应器中，可以装填单一的催化剂颗粒，或者是装填不同催化剂的混合，或者是装填催化剂颗粒和惰性粒子的混合，其中惰性粒子可以是玻璃珠、石英砂及惰性瓷球等惰性颗粒物质。进一步地，催化剂反应器1和2中，可以使用同一种催化剂进行装填，也可以使用不同的催化剂进行装填，以达到不同催化剂催化性能的协同效应。进一步地，催化剂反应器中催化剂用量和胺溶液的质量比例范围是0-1。进一步地，再沸器中加热介质可以是传统解吸工艺中的导热油，也可以是水，解吸再生温度范围85-120℃。常用的固体酸催化剂包括：分子筛催化剂，如HZSM-5，γ-Al2O3等；超强固体酸如SO42-/TiO2，SO42-/ZrO2等；过渡金属氧化物如TiO2，V2O5等易于固液分离且不影响胺溶剂吸收性能的固体酸性催化剂，及其他们的混合物。常用的用于吸附二氧化碳的有机胺溶剂包括：单乙醇胺(MEA)，二乙醇胺(DEA)，三乙醇胺(TEOA)，N-甲基二乙醇胺(MDEA)，2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)及哌嗪(PZ)等传统常用的胺溶剂及新型的胺溶剂，如4-(二乙胺基)-2-丁醇(DEAB)，二乙烯三胺(DETA)，二乙胺基乙醇(DEAE)等及其各种胺的二元或三元及多元混合溶剂如MEA-DEAB及MEA-AMP-PZ等。；胺溶剂的浓度范围为1-7mol/L。本专利技术的有益效果是：(1)催化反应器工艺简单，造价便宜。(2)在传统CO2解吸塔的基础上进行较小改装，成本小。(3)催化解吸性能优越，催化性能高于传统解吸塔。(4)对胺溶液的二氧化碳吸收性能影响小。附图说明图1表示传统的富二氧化碳胺溶液解吸工艺流程图。图2表示新型催化富二氧化碳胺溶液解吸装置的工艺流程图。具体实施方式实施例1使用本专利技术的催化解吸装置对富液负载为0.5mol/molamine的5M单乙醇胺(MEA)进行催化解吸。催化解吸塔构成如下，塔体由不锈钢制成，塔内径为35mm，填料高度0.6m，填料是规整填料；两催化剂反应器高度均为0.3m，催化剂和胺溶液的质量比例为1/80。使用的固体酸催化剂为HZSM-5，γ-Al2O3和SAPO-34分子筛催化剂。加热介质为导热油，解吸温度为95℃，溶液流量为6m3/m2。溶剂解吸能耗(Qreg，kJ/kgCO2)由两部分数值计算，即再沸器热负荷(Hreb,kJ/h)和CO2气体的质量流率(mCO2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于降低富二氧化碳的胺溶液再生能耗的新型催化解吸塔，其特征在于将催化反应器引入传统的CO2解吸流程中，而不改变传统解吸塔的工艺流程、管道布局及加热方式等。其中催化反应器中装填固体催化剂，富CO2胺溶液从反应器底部通过泵的作用进入，通过催化剂和胺溶液的充分接触，使得催化剂的性能得到最大化的利用。新型催化解吸装置主要由催化反应器和填料塔组成，催化反应器由两段独立的催化塔组成。

【技术特征摘要】
1.一种用于降低富二氧化碳的胺溶液再生能耗的新型催化解吸塔，其特征在于将催化反应器引入传统的CO2解吸流程中，而不改变传统解吸塔的工艺流程、管道布局及加热方式等。其中催化反应器中装填固体催化剂，富CO2胺溶液从反应器底部通过泵的作用进入，通过催化剂和胺溶液的充分接触，使得催化剂的性能得到最大化的利用。新型催化解吸装置主要由催化反应器和填料塔组成，催化反应器由两段独立的催化塔组成。2.根据权利要求1所述内容，其特征在于，其主要流程如下：富胺溶液通过填料塔第一层填料层后，进入催化反应器1，经过催化解吸之后，再进入填料塔第二层填料，反应之后再进入催化反应器2，进行再次催化解吸过程，然后进入填料塔最后一层填料。3.根据权利要求1所述内容，其特征在于，所述催化解吸塔中，填料塔由不锈钢材料组成，共分为3个填料层，均是通过法兰进行连接，可以独立的进行装卸填料操作。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁志武，张晓文，黄玉飞，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43