二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统及方法，其中系统包括气体输送和切换单元、吸附和转化塔、换热单元。其中，气体输送和切换单元包括分别输送高温烟道气和氢气的气泵、以及设置在所述吸附和转化塔上的多个流量调节阀门；吸附和转化塔内填充有具备吸附和催化双功能复合材料，在一定压力、相同温度下完成二氧化碳的吸附和原位转化；换热单元包括分别与吸附和转化塔对应的换热器和预热氢气的换热器，将高温烟道气进口温度控制在600～800℃的目标吸附温度，将吸附后的高温低碳烟气降温至50‑60℃的排放温度，将氢气预热，将二氧化碳还原转换后的高温合成气降温至50‑60℃储存，同时补充转化反应过程所需热量。

【技术实现步骤摘要】
二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统及方法
本专利技术属于二氧化碳捕集和转化利用
针对裂解炉高温烟道气，提供一种高温捕集二氧化碳和原位转化的系统和方法，即在填充吸附/催化双功能复合材料的塔中，通过高温烟道气和氢气的切换，实现同一塔中相同高温下二氧化碳的吸附捕集和原位转化，分别得到洁净的烟气和高附加值合成气的系统和方法。
技术介绍
除了燃煤电厂产生大量温室气体二氧化碳，钢铁、水泥、石油化工等工业领域也产生大量的二氧化碳。例如乙烯工业生产采用烃类原料(乙烷和石脑油等)裂解而成，通常采用燃烧天然气对1700℃的裂解炉供能，每生产1吨乙烯将产生1～2吨二氧化碳。而仅2017年全球乙烯产能高达1.7亿吨，因此针对工业过程的碳排放控制已刻不容缓。相比于电厂排放的烟气，工业裂解炉烟道气具有更高的温度，而传统二氧化碳捕集所采用的液态胺吸收技术或固体分子筛吸附技术等均在低温下进行，烟气必须经过多重热交换才能达到捕集要求，期间需要巨大的物质输送能耗和热量损耗。针对工业碳排放高温特点，较佳方法为采用高温二氧化碳吸附剂和催化剂双功能材料，在同一反应塔中将捕集的二氧化碳立刻原位还原为高附加值产品。既避免了常温二氧化碳捕集需要将高温烟气降温、反应转化过程又需要升温的矛盾，又直接利用高温烟气提供反应温度，大幅度降低了能源消耗，且其中还原剂氢气，还可由石油化工生产过程产生大量副产品氢气提供。但直至目前，工业裂解炉烟道气中二氧化碳的高温捕集和转化系统和方法报道很少。
技术实现思路
本专利技术是为解决上述技术问题进行的，针对工业裂解炉烟道气二氧化碳控制排放，以石油化工乙烯裂解过程产生二氧化碳为典型案例，根据其烟道气具有更高的温度，二氧化碳分压低(7％-12％)，排放量随裂解原料气波动大等特征，提供裂解炉烟道气中二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的的系统和方法。本专利技术的第一方面，提供一种二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统，包括：气体输送和切换单元、吸附和转化塔、换热单元。其中，气体输送和切换单元包括分别输送高温烟道气和氢气的气泵、以及设置在所述吸附和转化塔上的多个流量调节阀门；吸附和转化塔内填充有具备吸附和催化双功能复合材料，在一定压力、相同温度下完成二氧化碳的吸附和原位转化；换热单元包括分别与吸附和转化塔对应的换热器和预热氢气的换热器，将高温烟道气温度控制达到600～800℃的目标吸附温度，将氢气预热，将吸附后的高温低碳烟气或还原转换后的高温合成气降温至50-60℃排放或储存，同时补充转化反应过程所需热量。优选的，本专利技术提供的二氧化碳高温捕集和原位转化系统中，具备吸附和催化双功能复合材料为氧化钙基双金属复合材料，粒径为0.2～0.3mm，包括吸附活性组分、催化活性组分以及助催化组分。其中，吸附活性组分与催化活性组分及助催化组分加和之间的质量比为1:0.05～0.3，催化活性组分与助催化组分之间的重量比为1:0.2～1；吸附活性组分为CaO，催化活性组分包括金属铁氧化物，助催化组分包括Co、Ni以及Mn中的任意一种或多种的组合。该复合材料以多孔CaO作为基质、掺杂具有催化活性的双金属氧化物，可同步增强吸附与催化双功能：一方面该复合材料的多孔结构，提供高比表面积，既利于二氧化碳吸附，又可以防止CaO团聚，并且双金属氧化物掺杂至CaO颗粒中可有效地将CaO进行分割，防止烧结，解决在循环捕集二氧化碳过程中的烧结失效的难题；另一方面，双金属氧化物高度分散在多孔CaO中，二氧化碳被CaO吸附固定后能与邻近的双金属催化活性位点有效结合，大幅度提高了反应的催化活性，进而提高二氧化碳向一氧化碳的转化效率，并且CaO多孔结构使催化活性位点充分暴露，也有利于反应物和产物的扩散。优选的，本专利技术提供的二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统中，当高温烟道气的吸附和转化过程的时间相同时，吸附和转化塔为两个并联连接；换热单元包括三个换热器；气体输送和切换单元包括分别输送高温烟道气以及氢气的气泵、以及设置在吸附和转化塔上的八个流量调节阀门。优选的，本专利技术提供的二氧化碳高温捕集和原位转化系统中，当吸附过程所需时间大于转化过程时间，且吸附时间不大于转化时间的2倍；或者转化过程所需时间大于吸附过程时间，且转化时间不能大于吸附时间的2倍时，吸附和转化塔为三个并联连接；换热单元包括四个换热器；气体输送和切换单元包括分别输送高温烟道气以及氢气的气泵、以及设置在吸附和转化塔上的十二个流量调节阀门。本专利技术的第二方面，提供了采用上述系统进行二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的的方法，包括如下步骤：(1)烟气高温吸附捕集：高温烟道气通过气体输送单元通入相同温度的吸附和转化塔，经具备吸附和催化双功能复合材料吸附后，实现烟道气中二氧化碳的高温捕集，吸附后的高温低碳烟气经热交换降温后排放；(2)二氧化碳原位转化合成气：将预热的氢气通过气体输送和切换单元通入到吸附和转化塔，经具备吸附和催化双功能复合材料催化，进行二氧化碳原位转化产生一氧化碳，通过调节通入氢气的流量，获得具有一定一氧化碳和氢气含量比的高温合成气，经热交换降温后储存。优选的，步骤(1)中，高温烟道气温度为600～800℃，烟气中二氧化碳浓度为7～12％；吸附和转化塔温度维持在600～800℃，与高温烟道气的温度相同；吸附后的高温低碳烟气通过换热系统，为转化反应提供补充能量。优选的，步骤(2)中，产生的合成气中一氧化碳和氢气体积比为1:1～3，氢气总量为吸附二氧化碳总量的2-4倍，产生不同一氧化碳和氢气体积比的合成气；原位转化过程中，吸附和转化塔温度同样维持在600～800℃，与吸附时的塔温相同，确保二氧化碳原位转化反应顺利进行；原位转化得到的高温合成气通过换热系统预热氢气，然后进储气罐。该工艺针对乙烯裂解炉产生的高温烟道气特点，直接输送至吸附和转化塔进行吸附；达到吸附突破时间后，将烟道气切换为预热的氢气，将吸附的二氧化碳转化为合成气主要成分一氧化碳，如此循环往复。吸附和转化塔可采用双塔、三塔或多塔并联，进行吸附和转化切换，实现连续化烟道气中二氧化碳直接捕集和利用。具体操作方面，当高温烟道气的吸附和转化过程的操作时间相同时，吸附和转化塔吸附和转化塔采用双塔并联方式，通过双塔吸附和转化的切换，实现连续的二氧化碳捕集和转化；当吸附过程操作时间大于转化过程操作时间，且吸附时间不大于转化时间的2倍；或者转化过程操作时间大于吸附过程操作时间，且转化时间不能大于吸附时间的2倍时，吸附和转化塔采用三塔并联方式，通过三塔吸附和转化的切换，实现连续的二氧化碳捕集和转化。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的裂解炉烟道气高温捕集二氧化碳和原位转化的系统和方法，一方面，吸附和转化塔中填充有吸附/催化双功能复合材料，具备高二氧化碳吸附量和高催化活性，实现在同一温度二氧化碳的高温捕集和原位转化，将环境有害温室气体二氧化碳变废为宝，将其转化为高附加值的合成气，合成气中氢气和一氧化碳比例可调节，为后续化工生产直接提供多种合成气原料；另一方面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统，其特征在于，包括：气体输送和切换单元、吸附和转化塔、换热单元，/n其中，所述气体输送和切换单元包括分别输送高温烟道气和氢气的气泵、以及设置在所述吸附和转化塔上的多个流量调节阀门，/n所述吸附和转化塔内填充有具备吸附和催化双功能复合材料，在一定压力、相同温度下完成二氧化碳的吸附和原位转化，/n所述换热单元包括分别与吸附和转化塔对应的换热器和预热氢气的换热器，将高温烟道气进口温度控制在600～800℃的目标吸附温度，将吸附后的高温低碳烟气降至50-60℃排放温度，将氢气预热，将二氧化碳还原转换后的高温合成气降温至50-60℃储存，同时补充转化反应过程所需热量。/n

【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统，其特征在于，包括：气体输送和切换单元、吸附和转化塔、换热单元，
其中，所述气体输送和切换单元包括分别输送高温烟道气和氢气的气泵、以及设置在所述吸附和转化塔上的多个流量调节阀门，
所述吸附和转化塔内填充有具备吸附和催化双功能复合材料，在一定压力、相同温度下完成二氧化碳的吸附和原位转化，
所述换热单元包括分别与吸附和转化塔对应的换热器和预热氢气的换热器，将高温烟道气进口温度控制在600～800℃的目标吸附温度，将吸附后的高温低碳烟气降至50-60℃排放温度，将氢气预热，将二氧化碳还原转换后的高温合成气降温至50-60℃储存，同时补充转化反应过程所需热量。


2.根据权利要求1所述的二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统，其特征在于：
其中，所述具备吸附和催化双功能复合材料为氧化钙基双金属复合材料，粒径为0.2～0.3mm，包括吸附活性组分、催化活性组分以及助催化组分，
所述吸附活性组分与所述催化活性组分及所述助催化组分加和之间的质量比为1:0.05～0.3，所述催化活性组分与所述助催化组分之间的重量比为1:0.2～1，
所述吸附活性组分为CaO，所述催化活性组分包括金属铁氧化物，所述助催化组分包括Co、Ni以及Mn中的任意一种或多种的组合。


3.根据权利要求1所述的二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统，其特征在于：
其中，当高温烟道气的吸附和转化过程的时间相同时，吸附和转化塔为两个并联连接；所述换热单元包括三个换热器；所述气体输送和切换单元包括分别输送高温烟道气以及氢气的气泵、以及设置在所述吸附和转化塔上的八个流量调节阀门。


4.根据权利要求1所述的二氧化碳高温捕集和原位转化为合成气的系统，其特征在于：
其中，当吸附过程所需时间大于转化过程时间，且吸附时间不大于转化时间的2倍；或者转化过程所需时间大于吸附过程时间，且转化时间不能大于吸附时间的2倍时，吸附和转化塔为三个并联连接；所述换热单元包括四个换热器；所述气体输送和切换单元包括分别输送...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡军，邵斌，刘洪来，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31