一种用于烟气二氧化碳捕集的三级三段膜分离系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于烟气二氧化碳捕集的三级三段膜分离系统及方法。原料烟气由水洗塔预处理脱除杂质，经压缩加湿进入第一级一段膜分离器；第一级一段膜分离器截留气加湿后进入第二段膜分离器，第二段膜分离器截留气继续加湿进入第三段膜分离器，第三段膜分离器截留气直接放空；第二段膜分离器和第三段膜分离器渗透气返回第一级一段膜分离器入口；第一级一段膜分离器渗透气压缩加湿后进入第二级膜分离器，第二级膜分离器渗透气压缩加湿后进入第三级膜分离器；第二级膜分离器截留气返回第一级一段膜分离器入口，第三级膜分离器截留气返回第二级膜分离器入口；第三级膜分离器渗透气为二氧化碳。二氧化碳纯度大于95％，二氧化碳捕集率大于70％。

【技术实现步骤摘要】
一种用于烟气二氧化碳捕集的三级三段膜分离系统及方法
本专利技术涉及一种用于烟气二氧化碳捕集的三级三段膜分离系统及方法，属于膜分离法二氧化碳捕集领域，适用于电厂、水泥厂、钢铁厂以及氨厂/煤气化联合循环发电厂等各种场合的烟气二氧化碳捕集；通过调整膜分离系统操作工艺参数，可实现特定的二氧化碳捕集目标。针对本专利技术所对应的三级三段膜分离系统，对于典型的低二氧化碳浓度(体积含量为15％)的燃煤电厂烟气场合，有望在国际上率先实现或者超过由美国能源部(DOE)提出的二氧化碳捕集率≥90％和产品气二氧化碳体积含量≥95％的捕集目标；对于二氧化碳体积含量为20％的原料烟气，可实现产品气二氧化碳纯度高达99％，二氧化碳捕集率大于80％。本专利技术提出的三级三段膜分离系统，可灵活地调整操作工艺参数，可获得不同的产品气纯度和二氧化碳捕集率，具有较强的应用前景，有望推动膜分离法在碳捕集领域逐步取代吸收法和变压吸附法。
技术介绍
化石燃料燃烧和工业过程产生的二氧化碳(CO2)排放量占全球温室气体排放总量的65％[1]，根据国际能源署预测，化石燃料在将来仍是全球重要的能源来源[2]。因此，减少温室气体，特别是CO2的排放似乎迫在眉睫[3]。碳捕集利用与封存(CCUS)作为一项重要的新型CO2减排技术，在高效、环保的产业发展中显示出巨大的应用前景[4]。工业上CO2的分离回收技术主要包括吸收法、吸附法、深冷分离法和膜分离法。膜分离法是近几十年迅速发展起来的新型分离方法。与传统的分离方法相比，膜分离法具有装置简单、固定投资少、操作费用低、操作容易可靠、占地面积小、环境友好等优点，成为了一种极具潜力的CO2捕集技术[5]。美国MTR公司(MembraneTechnologyandResearch,Inc.)开发了一种二段膜分离系统，第一段膜分离器渗透侧采用真空泵抽真空，第二段分离器渗透侧采用吹扫气方式，该系统比较复杂，同时也很难实现高CO2捕集率和高CO2纯度，报道的最高产品气CO2纯度仅为62.6％[6]。德国J.Pohlmann等人[7]报道了一种一级膜分离系统，在渗透压为0.05bar的条件下，渗透侧的CO2组成为68.2％，捕集率为42.7％，但该系统的真空压力0.05bar在实际过程中很难达到且该系统处理量很小，难以工业化应用。2018年，MTR公司[8]接着报道了一种二级膜系统，主要核心工艺为原料侧加压结合渗透侧用真空泵抽真空，该系统CO2捕集率达到了60％，产品气CO2纯度77％。可以看出，目前公开报道的膜分离系统CO2捕集效率均不高。美国能源部(DOE)提出的CO2捕集目标为捕集率≥90％、产品气CO2体积含量≥95％，但报道的烟气碳捕集膜分离系统均未达到这一目标。因此提出和设计具有高CO2捕集效率的膜分离系统具有重要意义。一般情况下，典型燃煤电厂烟气中CO2体积含量约为13～15％(低浓度)，水泥厂和钢厂排放的烟气CO2体积含量为20～30％(高浓度)，氨厂/煤气化联合循环发电厂排放烟气中CO2占30～40％(高浓度)。烟气中CO2浓度越低，分离难度越大，越难以实现较高的产品气CO2纯度和捕集率。参考文献[1]ClimateChange2014:MitigationofClimateChange,CambridgeUniversityPress,Cambridge,UnitedKingdomandNewYork,NY,USA.https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3.[2]WorldEnergyOutlook2018,InternationalEnergyAgency.https://www.eia.gov/outlooks/ieo.[3]DengL.,KvamsdalH.CO2capture:Challengesandopportunities[J].GreenEnergy&Environment,2016,1:179.[4]ReinerD.M.Learningthroughaportfolioofcarboncaptureandstoragedemonstrationprojects[J].NatureEnergy,2016,1:1-7.[5]LiB.,DuanY.,LuebkeD.,etal.AdvancesinCO2capturetechnology:Apatentreview[J].AppliedEnergy,2013,102:1439-1447.[6]MerkelTC,LinH,WeiX,etal.Powerplantpost-combustioncarbondioxidecapture:Anopportunityformembranes[J].JournalofMembranescience,2010,359(1-2):126-139.[7]PohlmannJ,BramM,WilknerK,etal.PilotscaleseparationofCO2frompowerplantfluegasesbymembranetechnology[J].InternationalJournalofGreenhouseGasControl,2016,53:56-64.[8]WhiteLS,WeiX,PandeS,etal.Extendedfluegastrialswithamembrane-basedpilotplantataone-ton-per-daycarboncapturerate[J].JournalofMembraneScience,2015,496:48-57.
技术实现思路
基于以上问题，本专利技术提出了一种用于烟气二氧化碳捕集的基于压缩的三级三段膜分离系统及方法。与传统的膜分离系统相比，本专利技术涉及的膜分离系统耦合了三级与三段，并在工艺流程中合理设计了三个循环流，可通过合理布置各级各段的膜面积，最大化发挥膜系统分离性能，从而实现高捕集效率。第一个循环流来自第二段膜分离器和第三段膜分离器渗透气，其返回至第一级一段原料气缓冲罐，与进料烟气混合后进入第一级压缩机。第二个循环流来自第二级膜分离器截留气，其返回至第一级一段膜分离器前的第一混合加湿罐，与第一级压缩机出口气混合后进入第一级一段膜分离器。第三个循环流来自第三级膜分离器截留气，其返回至第二级膜分离器前的第二混合加湿罐，与第二级压缩机出口气混合后进入第二级膜分离器。目前，公开报道的膜分离系统CO2捕集效率均不高，距离美国能源部(DOE)提出的CO2捕集率≥90％和产品气CO2体积含量≥95％捕集目标较远，因此提出和设计具有高CO2捕集效率的膜分离系统在CO2捕集领域具有重要意义，同时将极大改善膜分离法在CO2捕集领域同吸收法相比占有率极低这一现状，从而推动气体膜分离技术发展。一般而言，膜分离器有一个入口和两个出口(截留侧出口和渗透侧出口)，其中，入口和截留侧出口位于膜的正面，渗透侧出口位于膜的背面。膜过程中“段”是指上一组膜分离器的截留本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于烟气二氧化碳捕集的三级三段膜分离系统，其特征是，包括通过管线依次连接的水洗塔(1)、第一缓冲罐(2)、第一级压缩机(3)、第一混合加湿罐(4)、第一级膜分离器(5)、第二缓冲罐(6)、第二级压缩机(7)、第二混合加湿罐(8)、第二级膜分离器(9)、第三缓冲罐(10)、第三级压缩机(11)、第三混合加湿罐(12)、第三级膜分离器(13)；从第一级膜分离器(5)截留侧出口依次连接的第四混合加湿罐(14)、第二段膜分离器(15)、第五混合加湿罐(16)和第三段膜分离器(17)；从第二级膜分离器(9)截留侧出口连接至第一混合加湿罐(4)；从第三级膜分离器(13)截留侧出口连接至第二混合加湿罐(8)；从第二段膜分离器(15)和第三段膜分离器(17)渗透侧出口连接至第一缓冲罐(2)。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于烟气二氧化碳捕集的三级三段膜分离系统，其特征是，包括通过管线依次连接的水洗塔(1)、第一缓冲罐(2)、第一级压缩机(3)、第一混合加湿罐(4)、第一级膜分离器(5)、第二缓冲罐(6)、第二级压缩机(7)、第二混合加湿罐(8)、第二级膜分离器(9)、第三缓冲罐(10)、第三级压缩机(11)、第三混合加湿罐(12)、第三级膜分离器(13)；从第一级膜分离器(5)截留侧出口依次连接的第四混合加湿罐(14)、第二段膜分离器(15)、第五混合加湿罐(16)和第三段膜分离器(17)；从第二级膜分离器(9)截留侧出口连接至第一混合加湿罐(4)；从第三级膜分离器(13)截留侧出口连接至第二混合加湿罐(8)；从第二段膜分离器(15)和第三段膜分离器(17)渗透侧出口连接至第一缓冲罐(2)。


2.如权利要求1所述的系统，其特征是，输送烟气的管线首先接到水洗塔(1)塔体靠下位置，由水洗塔(1)顶端引出管线接到第一缓冲罐(2)底部，第一缓冲罐(2)顶部通过管线接到第一级压缩机(3)入口，第一级压缩机(3)出口接到第一混合加湿罐(4)底部，第一混合加湿罐(4)顶部接到第一级一段膜分离器(5)入口，第一级一段膜分离器(5)截留侧出口接到第四混合加湿罐(14)底部，第一级一段膜分离器(5)渗透侧出口接到第二缓冲罐(6)底部；第四混合加湿罐(14)顶部接到第二段膜分离器(15)入口，第二段膜分离器(15)截留侧出口接到第五混合加湿罐(16)底部，第二段膜分离器(15)渗透侧出口接到第一缓冲罐(2)底部；第五混合加湿罐(16)顶部接到第三段膜分离器(17)入口，第三段膜分离器(17)截留侧出口直接放空至大气，第三段膜分离器(17)渗透侧出口接到第一缓冲罐(2)底部；第二缓冲罐(6)顶部通过管线接到第二级压缩机(7)入口，第二级压缩机(7)出口接到第二混合加湿罐(8)底部，第二混合加湿罐(8)顶部接到第二级膜分离器(9)入口，第二级膜分离器(9)截留侧出口接到第一混合加湿罐(4)底部，第二级膜分离器(9)渗透侧出口接到第三缓冲罐(10)底部，第三缓冲罐(10)顶部接到第三级压缩机(11)入口，第三级压缩机(11)出口接到第三混合加湿罐(12)底部，第三混合加湿罐(12)底部顶部接到第三级膜分离器(13)入口，第三级膜分离器(13)截留侧出口返回接到第二混合加湿罐(8)底部...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志，伍泓宇，李庆华，赵颂，王纪孝，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12