基于濕法再生技術(shù)捕集煙氣中二氧化碳的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及二氧化碳減排的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于濕法再生技術(shù)捕集煙氣 中二氧化碳的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著溫室效應(yīng)的加劇，如何控制以二氧化碳為主的溫室氣體的排放引起全世界的 廣泛關(guān)注。世界能源組織（IEA)公布的數(shù)據(jù)顯示，2013年全球二氧化碳累計排放達(dá)360億 噸，其中由化石燃料燃燒為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)的二氧化碳排放約占60%。而二氧化碳捕集與 封存技術(shù)（CCS)被認(rèn)為是控制電力系統(tǒng)二氧化碳排放的最有效方式之一，其中，二氧化碳 的捕集是CCS技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。
[0003] 針對電廠煙氣的環(huán)境條件，目前常用的捕集方法有：吸收分離法、吸附分離法、膜 分離法、低溫分餾法等。目前技術(shù)比較成熟、有望得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的捕集技術(shù)有化學(xué)吸 收法和吸附分離法。但是，化學(xué)吸收法普遍存在捕集成本高，再生能耗大，吸收劑降解、腐 蝕、揮發(fā)等問題。例如利用MEA溶液法捕集電廠二氧化碳，其再生能耗為3~4MJ/kg C02， 由此造成電廠效率下降約12%。采用冷氨法可使電廠效率下降10%左右，但存在氨揮發(fā)嚴(yán) 重等問題。吸附分離有望顯著降低二氧化碳的捕集成本，但是吸附分離得到的二氧化碳純 度較低，再生工藝復(fù)雜，且其能耗和捕集成本依然偏高。
[0004] 近年來，文獻(xiàn)中報道了一種通過調(diào)節(jié)環(huán)境濕度，來實現(xiàn)吸附-解吸循環(huán)吸附分離 的方法，稱為濕法再生技術(shù)。在此方法中，通過改變具有特定官能團(tuán)的吸附材料的表面水合 水的含量，來調(diào)節(jié)其與二氧化碳的吸附結(jié)合能力，從而改變二氧化碳的吸附平衡分壓。由于 此方法為化學(xué)吸附分離，因此得到的二氧化碳純度較高；與變溫再生或變壓再生相比，濕法 再生工藝簡單，響應(yīng)較快。
[0005] 如孫軼敏（基于大氣CO2捕集的濕法再生吸附劑實驗研究，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論 文）采用濕法再生技術(shù)，研究了表面改性的商業(yè)陰離子交換樹脂膜（1-200)材料對空氣中 CO2的吸附性能。但是，孫的方法只適用于干燥空氣中的超低濃度二氧化碳富集，若直接應(yīng) 用于電廠高濕度、高二氧化碳分壓的煙氣捕集，將產(chǎn)生循環(huán)容量降低、再生困難、能耗激增 等一系列問題。
[0006] 鑒于此，本領(lǐng)域迫切需要一種新型高效的捕集電廠煙氣中二氧化碳的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種基于濕法再生技術(shù)，采用功能化的離子交換樹脂膜材料，通過 與電廠熱力系統(tǒng)有機(jī)整合，高效、低成本吸附分離出高純度二氧化碳的方法。
[0008] -種基于濕法再生技術(shù)捕集煙氣中二氧化碳的工藝，步驟如下：
[0009] (1)預(yù)處理：煙氣經(jīng)冷卻除濕后加熱至40~45°C，以調(diào)整煙氣的相對濕度為 8. 7 ~11. 8% ;
[0010] (2)吸附：將預(yù)處理后的煙氣通入吸附塔，與置于吸附床上的吸附材料接觸，脫除 煙氣中的二氧化碳；
[0011] 所述的吸附材料為陰離子交換樹脂膜；
[0012] (3)沖洗置換：將濃度為50~85%的二氧化碳通入吸附塔，順向流過吸附床，置換 吸附床內(nèi)的氮?dú)?，得到的置換氣送入置換氣罐；
[0013] (4)噴水解吸：從吸附塔頂部噴淋水，解吸得到的二氧化碳和水蒸汽的混合氣進(jìn) 入產(chǎn)品氣罐；
[0014] (5)產(chǎn)品氣吹掃：將部分產(chǎn)品氣罐內(nèi)的混合氣通入吸附塔，逆向吹掃吸附床，回收 殘存的二氧化碳，再通回產(chǎn)品氣罐；
[0015] (6)置換氣吹掃：將置換氣罐內(nèi)的置換氣通入吸附塔，逆向吹掃吸附床，進(jìn)一步回 收殘存的二氧化碳后通回置換氣罐；
[0016] (7)干燥再生：將步驟（2)脫除二氧化碳后的煙氣通入置換氣吹掃后的吸附床，對 吸附材料進(jìn)行初級干燥再生，再回收電廠中余熱和廢熱得到的熱空氣，對吸附材料進(jìn)行二 級干燥再生，吸附材料干燥再生后，開始下一個循環(huán)過程。
[0017] 本發(fā)明采用濕法再生技術(shù)，通過調(diào)節(jié)濕度來改變吸附材料吸附二氧化碳的平衡分 壓，充分利用電廠中的余熱和廢熱，并采用多塔式循環(huán)吸附-解吸-再生技術(shù)，來實現(xiàn)連續(xù) 分離煙氣中二氧化碳的目的。
[0018] 為了保證煙氣中二氧化碳的連續(xù)分離，本發(fā)明采用多塔式、六步驟的循環(huán)吸附過 程。作為優(yōu)選，所述的工藝過程中包含至少三個吸附塔，吸附塔串聯(lián)循環(huán)進(jìn)行步驟（2)~ (7)。當(dāng)前一吸附塔完成吸附步驟后，預(yù)處理后的煙氣進(jìn)入下一吸附塔，以此類推，實現(xiàn)煙氣 中二氧化碳的連續(xù)分離。
[0019] 作為優(yōu)選，所述的工藝過程分為三個時間段，吸附過程所需時間為第一時間段，沖 洗置換、噴水解吸、產(chǎn)品氣吹掃共需時間為第二時間段，置換氣吹掃和干燥再生共需時間為 第二時間段。
[0020] 為了使其動力學(xué)性能相匹配，并保證煙氣中二氧化碳的連續(xù)分離，作為優(yōu)選，第一 時間段、第二時間段與第三時間段所需時間相等。
[0021] 作為優(yōu)選，步驟（1)中，所述的煙氣來自電廠脫硫塔出口，二氧化碳濃度為10~ 15%，溫度為45~50°C，壓力為常壓，濕度小于（即接近于）相應(yīng)溫度和壓力下的飽和濕煙 氣。
[0022] 作為優(yōu)選，步驟（1)中，所述煙氣首先經(jīng)回?zé)崞骼鋮s至35~40°C，再經(jīng)水冷至 25~30°C，再次經(jīng)電冷至4~8°C，最后利用電廠廢熱和回?zé)崞鲗Τ凉窈蟮臒煔饧訜嶂?40 ~45°C。
[0023] 脫硫塔出口的煙氣為含有大量飽和水蒸汽的濕煙氣，通過回?zé)崞骱退淦鞯睦?卻，煙氣溫度可由45~50°C冷卻至25~30°C，此時煙氣中任含有較多的水蒸汽；通過電 冷器，煙氣溫度進(jìn)一步降至4~8°C，大量的水蒸汽冷凝析出，此時水汽分壓僅為0. 81~ I. 07KPa。較低的煙氣溫度可大大降低吸附過程的動力學(xué)性能，因此冷卻除濕后的煙氣需要 重新加熱至40~45°C。利用電廠廢熱和回?zé)崞骷訜崂鋮s除濕后的煙氣，可顯著提高整個系 統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。
[0024] 作為優(yōu)選，步驟（2)中，所述的陰離子交換樹脂膜，陰離子選自氟離子、醋酸根離 子、草酸根離子、磷酸根離子、硫氫根離子中的一種。上述優(yōu)選的陰離子交換樹脂膜材料可 在二氧化碳濃度為10~15%的干燥環(huán)境中達(dá)到較高的吸附容量，并且在濕潤條件下其平 衡分壓增大1~2個數(shù)量級。
[0025] 作為優(yōu)選，步驟（2)中，吸附過程在35~45°C、相對濕度為8. 7~11. 8%的常壓 下進(jìn)行。
[0026] 煙氣中含有氮?dú)?，?jīng)步驟（2)的吸附過程后，部分氮?dú)庖矔唤粨Q樹脂膜吸附下 來，或者是滯留在吸附床的孔隙中，經(jīng)步驟（3)的沖洗置換后，可以將氮?dú)庵脫Q為二氧化 碳，保證經(jīng)噴水解吸后得到較高濃度的二氧化碳。
[0027] 作為優(yōu)選，步驟（4)中，解吸過程在35~45°C、常壓條件下進(jìn)行，吸附塔頂部噴淋 的水溫為40~45 °C。
[0028] 步驟(6)中，利用置換氣中的氮?dú)庵脫Q吸附床內(nèi)殘存的二氧化碳，再進(jìn)一步回收 二氧化碳。作為優(yōu)選，置換氣罐中的置換氣回用到步驟（3)中，進(jìn)行沖洗置換，當(dāng)置換氣罐 中的^氧化碳濃度尚于85 %后，送入廣品氣罐中等待回收二氧化碳。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0030] 與傳統(tǒng)物理吸附分離相比，濕法再生技術(shù)分離所生產(chǎn)的二氧化碳具有較高的純 度；與變溫再生相比，濕法再生響應(yīng)時間短，設(shè)備簡單；綜合利用了電廠中的余熱和廢熱， 熱經(jīng)濟(jì)性較好；無腐蝕、無毒性，不會產(chǎn)生二次污染。
【附圖說明】：
[0031] 圖1為對煙氣進(jìn)行冷卻除濕并回?zé)峒訜岬墓に嚵鞒虉D，其中1-送風(fēng)機(jī)、2-回?zé)崞鳌?3-水冷器、4-點(diǎn)冷器、5-廢熱加熱器；
[0032] 圖2為基于濕法再生的循環(huán)吸附-解吸-再生捕集二氧化碳的步驟圖；
[0033] 圖3為三塔循環(huán)吸附-解吸-再生捕集二氧化碳的工藝流程圖，圖中各個數(shù)字代 表不同的閥門。
【具體實施方式】
[0034] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0035] 為了適應(yīng)濕法再生所用吸附劑的工作環(huán)境，首先對脫硫塔出口的煙氣進(jìn)行冷卻除 濕處理，如附圖1所示。脫硫塔出口的煙氣為含有大量飽和水蒸汽的濕煙氣，通過回?zé)崞?和水冷