[发明专利]一种基于低品位热能的二氧化碳变温吸脱附系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化碳捕集技术领域，具体涉及一种基于低品位热能的二氧化碳变温吸脱附系统及方法。

背景技术

近年来，CO₂排放量呈增长趋势，且排放量巨大，其中2014年全球的CO₂排放量为323亿吨；为了应对由温室气体导致的全球变暖的问题，CO₂捕集技术不断发展；CO₂的捕集技术主要有物理吸附法、化学吸收法、膜分离技术和低温分离技术；其中物理吸附法是利用气体与吸附剂表面活性点之间的引力在填充流化床内实现的，具有设备简单、无腐蚀、压力范围广、能耗和环境污染低、吸附剂可循环利用的特点，相比起其他吸附方式更符合节能减排的思想，并且在技术领域也更利于实现；目前CO₂的物理捕集方法主要有变压吸附法、变温吸附法、变电吸附法以及变温压耦合吸附法等。

在物理吸附法中，变温吸附法是利用气体组分在固体材料上吸附性能的差异以及吸附容量在不同温度下的变化实现的，具有工艺流程简单，吸附剂解吸的能力较强等优点，在工程中得到了广泛的应用；通常，在低温条件下，吸脱附床对CO₂进行吸附；吸附饱和后，对吸附柱进行加热，使其达到CO₂脱附的条件下，完成脱附过程，从而使吸附剂得到再生；脱附完全后，经冷却操作，再在低温下吸附CO₂，以此循环；目前，以变温吸附法为设计依据设计的吸脱附装置，主要是由两台吸附塔、再生加热器、再生冷却器和再生水分离器组成；其中一塔吸附，另一塔再生，合成气从吸附塔底由下至上通过吸附剂，微量的水及CO₂被依次吸附；以天然气经蒸汽转化后的粗合成气为例，主要气体成分为：氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷；经过甲基二乙醇胺溶剂脱除了绝大部分的二氧化碳，再经过冷干机冷却分液后进入TSA吸附塔进行净化；进吸附塔中的合成气中还含有饱和的水蒸汽以及约20mg/kg的二氧化碳等杂质，这部分杂质在后续冷箱进行深冷分离过程中会冻结析出，造成冷箱设备和管道堵塞，致使装置无法正常生产，所以在合成气进入冷箱之前必需要把这些物质除去。吸附塔再生的气体来自冷箱，该气体主要为甲烷、氢气及少量氮气。再生后的气体送至蒸汽转化系统作为转化炉的主要燃料。

但是在变温吸附过程中，由于吸附剂的比热容较大，在不断加热和冷却吸附柱的过程中能耗很大，吸附床加热和冷却的时间也较长，这成为限制变温吸附发展的主要的因素，也成为学者们致力解决的问题；且选用化学吸附剂会带来一定的环境污染，不利于循环经济的发展；近年来提出的变电吸附法是对传统的变温吸附法的一种改进，其原理是对具有导电性的吸附剂进行通电加热，使吸附剂的升温速率加快，在高温条件下解吸的过程，具有加热速度快、能耗较低、便于自动控制的优点，但是由于附加的电能也要消耗相当一部分能量，所以在这个过程中仍然存在能源的消耗和资源的浪费的问题；与此同时，热电厂生产中产生大量的低温(100-200℃)的烟气，这部分低位热能含量巨大，但是在实际生产中很难直接再利用，往往直接排放到环境中，不仅造成环境的热污染，而且浪费能源。

目前现有的二氧化碳变温吸脱附系统大多采用热泵的方式，然而单独使用第一类或第二类吸收式热泵无法提供与现有的高温热电联供系统相结合的高温供热水，能量消耗过高，浪费资源，并且吸附材料不能循坏利用，吸脱附过程不能匹配控制，吸脱附效率比较低，设备运行时间长，成本比较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于低品位热能的二氧化碳变温吸脱附系统及方法，以达到降低能量消耗、实现吸附材料循环利用、提高吸脱附效率和降低环境污染的目的。

一种基于低品位热能的二氧化碳变温吸脱附系统，该系统包括空压机、烟气分析仪、二氧化碳收集罐、吸脱附装置、第一阀门组、第二阀门组、两个压力表、三个流量计和三个温度表；

所述空压机和火电厂的烟气排气管道分别通过管道与第一阀门组相连接，第一阀门组通过管道与吸脱附装置的入口相连接；吸脱附装置的出口通过管道与第二阀门组相连接，第二阀门组通过管道分别与二氧化碳收集罐和烟气分析仪相连接；将烟气分析仪的出口设置为气体排放通道；第一压力表、第一流量计和第一温度表安装在火电厂的烟气排气管道的出口处，第二压力表、第二流量计和第二温度表安装在空压机的排气出口处，第三流量计安装在二氧化碳收集罐的入口处，第三温度表安装在烟气分析仪的入口处；