一种切换式CO2凝华分离系统技术方案

本发明专利技术公开了一种切换式CO2凝华分离系统，包括烟气流路和冷却模块；烟气流路包括凝华流路和升华流路；凝华流路包括依次连通的除湿装置、气体增压机、第一切换阀、升华换热器a进口、升华换热器a出口、第二切换阀、预冷换热器的第一预冷换热通道、第三切换阀、凝华换热器、第四切换阀以及预冷换热器的第二预冷换热通道；升华流路包括依次连通的升华换热器d出口、第五切换阀、压缩机、水冷装置和液体CO2储罐。本发明专利技术结合CO2凝华特性与切换式分离方法，采用低温凝华方法对低浓度低压力烟气中的CO2进行高效分离，使用固体CO2冷量对来流烟气进行初步预冷，使用清洁烟气冷量对来流烟气再次预冷，进一步降低能耗，达到节能的目的。达到节能的目的。达到节能的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种切换式CO2凝华分离系统


[0001]本专利技术涉及CO2分离领域，尤其是涉及一种切换式CO2凝华分离系统。

技术介绍

[0002]目前，火力发电仍是许多国家满足其能源需求的重要方式之一。传统的火力发电依赖煤、天然气、生物质等燃料与空气燃烧，其产物烟气主要包括CO2、N2以及H20。在所有碳排放源中，燃煤电厂在2012年贡献了全球CO2排放量的42％。近年来，对CO2分离方式的探索从未停止，主要分为燃烧前分离技术、富氧燃烧技术以及燃烧后分离技术，其中燃烧后分离技术应用相对较广泛。
[0003]低温CO2分离技术属于燃烧后分离技术的一种。研究指出，低温CO2分离相比较于其它的方法在能耗上节省30％，然而，长期以来，因为CO2凝华后造成的堵塞问题难以解决，低温CO2分离主要集中在CO2液化分离，其原理是根据混合气体中不同组分的熔沸点不同而实现CO2的分离。CO2的临界温度为304.1K，临界压力为7.377MPa，三相点温度为216.55K，三相点压力为0.518MPa。对于CO2含量高于其三相点压力的气体，原则上适用于通过冷却和部分冷凝进行气液分离；而对于CO2含量低于其三相点压力的烟气进行低温分离时，需要对烟气进行压缩，提高初始压力至高于三相点，从而使其进入可液化状态，这一过程往往需要进行多级压缩，这就在很大程度上增加了建造成本和分离能耗，造成前期投资大，运行成本高。
[0004]理论分析表明，使用低温CO2液化分离时，随着分离的持续进行，CO2的分压不断降低，分离难度持续上升，从而导致CO2分离率较低。当增大烟气压力时，虽然可以提高CO2分离率，但其纯度随压力升高而下降，同时能耗增加。因此低温CO2液化分离不适合CO2浓度较低的烟气。
[0005]使用低温CO2凝华分离可以显著提高CO2纯度和分离率。如公开号为CN101854990A的中国专利公开了一种用于从气态原料物流中分离CO2的方法，使用3个单独固定床通过床层移动进行CO2的分离，分别在第1、2、3床层中实现CO2的分离、回收和冷却，在分离阶段使用预冷后的多孔主体，其冷量储存有限，这也就导致了在一个周期内该方法仅能分离有限的CO2，床层的移动耗能高。
[0006]公开号为CN113975938A的中国专利公开了一种旋转式低温吸附捕集烟气中二氧化碳的装置及方法，通过整体式吸附床在吸附、脱附和冷却阶段中的连续转动进行CO2分离，但其结构较为复杂，对余热要求高，吸附床的连续转动所需能耗高。
[0007]因此，为了改善现有技术存在的处理量小、能耗高等问题，需要探索一种新型CO2分离系统。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种切换式CO2凝华分离系统，从主要包含CO2、N2以及H20的烟气中分离CO2；通过低温在常压下实现CO2的凝华，使用热烟气进行换热，使CO2升华后输出，从而实现CO2的分离，同时对来流烟气进行预冷，节约冷量，降低能耗。
[0009]一种切换式CO2凝华分离系统，包括除湿装置、气体增压机、冷却模块、预冷换热器、升华换热器、凝华换热器、压缩机、水冷装置和液体CO2储罐；
[0010]所述预冷换热器包括第一预冷换热通道和第二预冷换热通道；升华换热器和凝华换热器的结构相同，均包括第一换热通道和第二换热通道，所述第一换热通道包含a进口、b进口以及对应的a出口、b出口，所述的第二换热通道包含c进口以及对应的c出口、d出口；
[0011]所述的除湿装置依次连接气体增压机和第一切换阀，第一切换阀的另两个接口分别与两个a进口连接；
[0012]两个a出口分别与第二切换阀的两个接口连接，第二切换阀的另一接口依次连接第一预冷换热通道和第三切换阀，第三切换阀的另两个接口分别与两个c进口连接；两个c出口分别与第四切换阀的两个接口连接，第四切换阀的另一个接口与第二预冷换热通道连接；两个d出口分别与第五切换阀的两个接口连接，第五切换阀的另一个接口依次连接压缩机、水冷装置、液体CO2储罐；
[0013]所述冷却模块的输出端、输入端分别与第六切换阀、第七切换阀的一个接口连接，第六切换阀的另外两个接口分别与两个b进口连接，第七切换阀的另外两个接口分别与两个b出口连接。
[0014]进一步地，所述升华换热器和凝华换热器在所有切换阀的控制下实现升华和凝华功能的转化；
[0015]当升华换热器为升华功能，凝华换热器为凝华功能时；第一切换阀向第一换热器打开，向第二换热器关闭；第二切换阀向来自第一换热器的通路打开，向来自第二换热器的通路关闭；第三切换阀向第二换热器打开，向第一换热器关闭；第四切换阀向来自第一换热器的通路关闭，向来自第二换热器的通路打开；第五切换阀和第二切换阀保持一致；第六切换阀和第三切换阀保持一致；第七切换阀和第四切换阀保持一致；
[0016]当所有切换阀换向时，升华换热器转化为凝华功能，凝华换热器转化为升华功能。
[0017]进一步地，当升华换热器为升华功能，凝华换热器为凝华功能时；凝华流路包括依次连通的除湿装置、气体增压机、第一切换阀、升华换热器的a进口、升华换热器的a出口、第二切换阀、预冷换热器的第一预冷换热通道、第三切换阀、凝华换热器、第四切换阀以及预冷换热器的第二预冷换热通道；
[0018]升华流路包括依次连通的升华换热器的d出口、第五切换阀、压缩机、水冷装置以及液体CO2储罐。
[0019]可选择地，所有的切换阀均采用手动切换阀、电磁切换阀或其他形式。
[0020]进一步地，待处理的烟气通过除湿装置进入系统，分离出的CO2进入液体CO2储罐封存，剩余的清洁烟气经过预冷换热器的第二预冷换热通道后排出。
[0021]进一步地，所述的烟气包含燃煤电厂或燃气电厂产生的所有含CO2的烟气。
[0022]可选择地，所述的预冷换热器、升华换热器和凝华换热器采用间壁式、套管式换热器或其他任何形式，也可以添加直肋、针肋等的任何肋片。
[0023]可选择地，所述的冷却模块包括制冷机组和循环流路，或者采用外部冷源(如LNG废冷)。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025](1)本专利技术显著降低多级压缩所带来的功耗，同时提高CO2分离纯度和分离率。使
用固体CO2和清洁烟气对来流烟气进行两步预冷，降低能耗。如果存在可回收利用的外部冷源(如LNG冷能)，低温凝华CO2分离法几乎可以实现“零能耗”，具有液化分离法不可比拟的优势。
[0026](2)本专利技术采用两个凝华或升华换热器对烟气中的CO2进行切换式分离，可以根据所处理的烟气流量与CO2浓度的不同在前期灵活调整换热器面积，从而满足大流量低压力低浓度烟气中的CO2分离需求。
[0027](3)本专利技术除分离CO2以外，还生产了高浓度的N2副产品，降低了运行成本。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例中切换式CO2凝华分离系统的整体结构示意图；
[0029]图2为本专利技术实施例中切换式CO2凝华分离系统的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种切换式CO2凝华分离系统，其特征在于，包括除湿装置(1)、气体增压机(2)、冷却模块(14)、预冷换热器(6)、升华换热器(4)、凝华换热器(8)、压缩机(11)、水冷装置(12)和液体CO2储罐(13)；所述预冷换热器(6)包括第一预冷换热通道和第二预冷换热通道；升华换热器(4)和凝华换热器(8)的结构相同，均包括第一换热通道和第二换热通道，所述第一换热通道包含a进口、b进口以及对应的a出口、b出口，所述的第二换热通道包含c进口以及对应的c出口、d出口；所述的除湿装置(1)依次连接气体增压机(2)和第一切换阀(3)，第一切换阀(3)的另两个接口分别与两个a进口连接；两个a出口分别与第二切换阀(5)的两个接口连接，第二切换阀(5)的另一接口依次连接第一预冷换热通道和第三切换阀(7)，第三切换阀(7)的另两个接口分别与两个c进口连接；两个c出口分别与第四切换阀(9)的两个接口连接，第四切换阀(9)的另一个接口与第二预冷换热通道连接；两个d出口分别与第五切换阀(10)的两个接口连接，第五切换阀(10)的另一个接口依次连接压缩机(11)、水冷装置(12)、液体CO2储罐(13)；所述冷却模块(14)的输出端、输入端分别与第六切换阀(15)、第七切换阀(16)的一个接口连接，第六切换阀(15)的另外两个接口分别与两个b进口连接，第七切换阀(16)的另外两个接口分别与两个b出口连接。2.根据权利要求1所述的切换式CO2凝华分离系统，其特征在于，所述升华换热器(4)和凝华换热器(8)在所有切换阀的控制下实现升华和凝华功能的转化；当升华换热器(4)为升华功能，凝华换热器(8)为凝华功能时；第一切换阀(3)向第一换热器(4)打开，向第二换热器(8)关闭；第二切换阀(5)向来自第一换热器(4)的通路打开，向来自第二换热器(8)的通路关闭；第三切换阀(7)向第二换热器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：植晓琴，滕艺璇，叶恒扬，漆映荷，邱利民，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：