ＣＯ２分离－液化－提纯系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了属于气体制备技术领域的一种ＣＯ２分离－液化－提纯系统及方法。该系统由是分离液化组件与提纯组件组成，该系统分离含ＣＯ２的各种工业混合气，从ＣＯ２浓度较高的混合气体中分离液化提纯ＣＯ２，具体是在分离液化组件中采用多级压缩、多次降温及多级分离的方式，使ＣＯ２相变温度更接近常温，并确保了较高的分离率与较低的压缩制冷能耗。再在提纯组件中利用ＣＯ２与各种杂质成分物性上的差异、通过精馏原理来实现液态ＣＯ２的提纯。实现了ＣＯ２回收能耗大幅降低，且提纯后的液体ＣＯ２产品纯度高，满足一般工业应用与运输储存要求。同时，本发明专利技术可用于生产摩尔浓度９９．９９％以上的高纯度ＣＯ２产品，在工业市场应用前景广泛。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气体制备
，特别涉及一种CO2分离-液化-提纯系统及方法。
技术介绍
CO2是一种主要的温室气体，由于产生的量特别巨大(每年由于人类活动排放的 CO2量在200亿吨以上)，其产生的温室效应对全球升温的贡献百分比达60%左右。由于CO2 排放的90%左右来自于化石能源利用过程，因此在能源利用过程中进行CO2的捕获与封存 被认为是一种能大规模减少CO2排放的可行技术。目前，能源利用过程中进行CO2捕获的主要技术路线有三条1.燃烧后的CO2分离回收是指在能源系统的尾部亦即热力循环的排气中分离和回 收C02。由于可以从已建成的能源系统排气中回收CO2而无需对能源系统本身作太多改造， 因而这种回收方法与现有能源系统的兼容性较好。然而，与其它环境污染物(如硫化物和 氮氧化物)不同的是，CO2化学性质稳定，且需要处理的量很大，而在能源系统尾部排气中 CO2浓度很低(体积浓度仅3% 15%左右)，因而虽然有关物理、化学方法可以实现CO2的 分离回收，但其分离回收过程的能耗与投资很高，从而使CO2减排的成本过高、消耗的额外 能源量过大，难以接受。2.采用富氧燃烧回收CO2 (又称燃烧中0)2回收方法)是能源动力系统CO2减排方 法中的另一个重要的途径。理论上采用纯度较高的富氧(如O2摩尔浓度在95%以上的富 氧)组织燃烧时其尾部烟气中的CO2摩尔浓度(也就是体积浓度)可以达到95% 98%。 但实际的实验和示范装置表明，其CO2摩尔浓度最高只能达到80% 90%，进一步提高浓 度则会使不完全燃烧损失等大幅增加，其杂质气体包括N2、02、Ar等。这样浓度的CO2气体 是很难用于其它工业用途的，也无法用于CO2的运输和储存，因此必须进行进一步的分离提 纯。然而，如果采用传统的化学或物理吸收法来分离回收CO2,则一方面在分离环节又将引 入很高的能耗与投资，另一方面CO2气体的压缩或液化也会带来高能耗，再加上氧气制备过 程的能耗与投资，将使总的CO2回收能耗与成本非常高昂，更加难以接受。因此，能够从CO2 浓度较高的混合气体中低能耗地分离提纯CO2的方法，对于富氧燃烧这种新型环保技术路 线而言意义重大。3.燃烧前CO2分离回收技术路线也是能源动力系统CO2减排方法中的一个重要 的途径。由于CO2分离是在燃烧过程前进行的，燃料气尚未被氮气稀释，待分离合成气中的 CO2摩尔浓度可以高达30% -50%以上，此时其CO2分离能耗相对于燃烧后分离将有明显下 降。例如煤气化后的合成气经变换反应后的生成的shift变换气，一般而言其CO2摩尔浓度 可达40%左右，余下的60%大部分为H2。实际上在燃烧前还可将待分离混合气中的CO2摩 尔浓度进一步提高例如煤气化的合成气经shift变换后形成的混合气，如再经过一个清 洁能源生产流程(如PSA制氢流程)，将其中大部分H2提取出来，即可获得CO2体积浓度在 70 85%左右的C02/H2混合气体。随着混合气中CO2摩尔浓度的进一步提高，其CO2分离 能耗理论上说也应继续降低；但实际上，当混合气中的CO2摩尔浓度进一步提高时，若采用传统的物理吸收分离法其CO2分离能耗却无明显的降低。显然，当混合气中CO2浓度进一步 提高时，传统的物理吸收分离法已不能充分发挥CO2浓度上升带来的优势。因此开拓适合 于高浓度下低能耗的CO2分离回收新方法，对于进一步改善能源系统燃烧前CO2回收技术路 线的综合性能、降低CO2减排的能源与成本而言，意义重大。具体到CO2分离过程而言，在能源利用过程中分离CO2的主要技术有吸收技术(包括化学吸收与物理吸收)、吸附技术、膜分离技术和低温相变分离技术。其中，化学吸收 法可从常压低浓度的电厂尾气中分离CO2，分离出的CO2气纯度高且处理量大，但能耗巨大、 投资高、成本高，难以大规模推广。物理吸收法也可实现大规模CO2分离且能耗较低，但物 理吸收法分离出来的CO2为气态，其压缩液化还需要消耗较多能源；且其分离出的CO2纯度 较低，难以满足CO2的某些工业应用与运输储存的要求。而吸附技术与膜分离技术虽然分 离CO2时能耗低、操作简单，但在不同程度上面临CO2压缩液化耗功多、CO2纯度尚难达到较 高工业应用和运输储存的要求等问题，而且这些方法其处理量较小、成本偏高，近期难以实 现工业化应用。低温相变分离法(又称深冷分离法)是通过低温冷凝分离CO2的一种物理过程。 低温相变分离法可以在较低压力下将CO2直接以液体形式分离出来，节省了 CO2压缩液化过 程中大量的压缩功；同时，压缩、冷却、汽液分离等都是工业上较为成熟的技术，易于实现大 规模操作；且运行过程不需化学试剂，无二次污染，是一种很有发展前景的CO2分离方法。低 温分离法一般通过将混合气压缩和冷却，以引起CO2的相变，达到从混合气中分离CO2的目 的。但一般工业上常见的含CO2都是CO2与一些沸点更低、更难液化的气体(如H2、N2, 02、 八1"、014等)的混合物，这样的混合气中CO2相变温度会显著降低；在CO2浓度较低时CO2相变 温度甚至会降至-100°C以下。此时CO2相变温度已经低于纯CO2的三相点温度(-56. 6°C )， 因此可能会出现CO2以固态析出而冻结设备的问题，同时为保持超低温工作状态需要消耗 大量能源。因此，改进低温相变分离法的重点在于如何提高混合气中CO2的相变温度，从而 避免CO2的冻结以及超低温制取过程的巨大能耗。CN101039735公开了一种通过在温度接近但高于CO2的三相点温度的状态下冷凝， 随后吸收气态CO2的方法，在冷凝过程中CO2未被液化。CN101460801公开了一种CO2纯化 方法，其中进料流被压缩并引入压力低于该进料流的汽提塔中，以使足量的热从进料流传 递到汽提塔的再沸器，以产生具有高纯度的CO2，并用于在高于常压的压力下回收产物CO2, 以使压缩能量最小化，该方法生产的CO2产品也是气态C02。CN101231130公开了一种通过 在传质分离塔系统通过分离式膨胀的CO2纯化方法，此方法能够分离出纯度高于97mol %的 CO2液体，但不能保证可以获得极高纯度的CO2液体，且其分离能耗较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种CO2分离-液化-提纯系统及方法，其特征在于该 系统由分离液化组件和提纯组件组成；所述分离液化组件包括由压缩设备Cl、第一换热器 HI、第二换热器H2、气液分离器Sl串联后、以及液体泵Pl再与气液分离器Si、第一换热器 Hl连接组成第一级压缩分离装置，或根据CO2分离能否达到所设定的CO2分离率适当增加 分离液化装置的级数；所述提纯组件主要由、前置调压阀VI、前置调温器H3、精馏塔R1、后 置调压阀V2和后置调温器H4串联构成。 所述增加分离液化组件的级数是将压缩分离组件中的分离液化装置，一级一级直 接连接组成后续分离级，并在最末后续分离级后面连接膨胀透平设备Tl，以进行能量回收 再利用后排空；其中分离液化装置包括压缩设备、两级换热器、汽液分离器和液体泵。所述精馏塔内设置塔板的数量根据用户需要的产品纯度来决定，该精馏塔需用 4-10块的塔板即能够满足最后的CO2液体纯度在99. 9%以上的要求。所述CO2分离_液化_提纯方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＣＯ↓［２］分离－液化－提纯系统，其特征在于：该系统由分离液化组件和提纯组件组成；所述分离液化组件包括由压缩设备Ｃ１、第一换热器Ｈ１、第二换热器Ｈ２、气液分离器Ｓ１串联后，泵Ｐ１再与气液分离器Ｓ１、第一换热器Ｈ１连接组成第一级压缩分离装置，或根据ＣＯ↓［２］分离能否达到所设定的ＣＯ↓［２］分离率适当增加分离液化装置的级数；所述提纯组件主要由、前置调压阀Ｖ１、前置调温器Ｈ３、精馏塔Ｒ１、后置调压阀Ｖ２和后置调温器Ｈ４串联构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐钢，杨勇平，刘彤，田龙虎，段立强，杨志平，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]