專利名稱:氨水細噴霧捕集煙氣中二氧化碳的方法及其設備的制作方法
技術領域:
本發(fā)明屬于二氧化碳減排領域,具體涉及一種氨水細噴霧捕集電廠煙氣中二氧化碳的方法及其設備。
背景技術:
隨著溫室效應對全球氣候變化影響越來越嚴重,控制主要溫室氣體-CO2的排放已然成為一個國際性的和迫切需要解決的問題。目前,在相當長的時期內,新能源還不能成為人類主要依賴的能源,并且節(jié)能減排和提高能源使用效率對碳減排的貢獻畢竟有限,而碳捕獲與封存技術(CCS-Carbon capture and storage)被認為是一種實現(xiàn)碳減排的有效途徑。世界上約40%的CO2由化石燃料電廠產生,而在中國則比例更大,所以化石燃料電廠的低碳排放或者零排放是實現(xiàn)CO2減排的關鍵。同時,二氧化碳在化工領域也有廣泛的用途, 可用于生產尿素或甲醇,也可用于食品保鮮,還可用于提高采油率等。電廠煙氣中二氧化碳的捕集回收方法有主要有以下幾種化學吸收法、物理吸收法、吸附法、低溫分離法、膜分離法和生物固定法。工業(yè)上考慮較多的是化學吸收法和物理吸收法,其中物理吸收法更適合于具有高壓和高CO2濃度的煙氣;對于化石燃料電廠的煙氣,其二氧化碳濃度較低且煙氣流量高,合理的脫碳方式是采用化學吸收法?;瘜W吸收法的原理就是利用CO2的酸性特點,使二氧化碳與化學試劑發(fā)生反應而被吸收,生成富液(含碳量高的液體)。富液進入再生塔中加熱分解釋放出二氧化碳,達到分離捕集二氧化碳的目的,其中化學試劑可再生循環(huán)利用。目前常用的化學試劑為醇胺溶液,利用吸收塔和再生塔組成循環(huán)系統(tǒng)捕集co2。使用醇胺法捕碳主要有以下幾個方面的問題首先,醇胺與二氧化碳反應速率較低,吸收效率不高;其次,其富液對系統(tǒng)有腐蝕作用;再次,由于氧化、熱降解、發(fā)生不可逆反應和蒸發(fā)等原因,將造成醇胺溶劑的損失和溶液性能的改變,而醇胺是一種比較昂貴的化工用品,這必然會增加回收二氧化碳的成本。最后,因電廠煙氣流量大,其二氧化碳濃度不高(約為10-15% ),使用醇胺溶液脫除二氧化碳時,會造成吸收塔體積龐大,施工、運行和設備檢修困難。相對于傳統(tǒng)的乙醇胺(MEA)吸收CO2,氨水吸收技術具有材料成本低,吸收效率高,吸收能力強,對吸收塔的腐蝕小以及再生能耗低等優(yōu)點。現(xiàn)有關于氨水吸收CO2脫除率的研究表明,在適當條件下,煙氣中CO2脫除率可保持在95%至99%之間。如在中國專利文獻CN101423214A和CN201333374Y中有使用氨水吸收煙氣中二氧化碳的報道。在 CN201333374Y中描述了一種氨法空塔捕集電站煙氣中二氧化碳的設備,包括吸收塔、再生塔、水洗塔等;其中吸收塔為空塔結構,其內設有多孔板、兩級氨水噴淋裝置和除霧裝置,在吸收塔內氨水捕集二氧化碳生成碳酸氫銨富液,在再生塔內碳酸氫銨分解釋放二氧化碳, 在水洗塔內氨氣被工藝水淋洗生成氨水循用;在水洗塔后連接有氣液分離器、干燥器、壓縮機、冷凝器和液態(tài)二氧化碳貯罐,用于將從煙氣中分離出來的二氧化碳提取成工業(yè)級液態(tài)用品ο
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種有效減少電廠煙氣中二氧化碳排放的方法和設備,該方法和設備能適應電站煙氣中氣體流量大,二氧化碳濃度低的特點;并且該方法和設備與現(xiàn)有技術相比,其氨和水均為封閉循環(huán)利用,更加節(jié)約能源,降低運行成本。本發(fā)明提供的除碳技術方案是,一種氨水細噴霧捕集煙氣中二氧化碳的方法,其特征在于包括如下幾個步驟步驟A,氨水噴淋吸收CO2 煙氣從吸收塔下方煙氣入口引入,同時將一定濃度的氨水溶液以細噴霧狀態(tài)從塔頂噴入吸收塔內,與煙氣逆流接觸,煙氣中的二氧化碳被氨水吸收,生成的碳化氨水富液落入吸收塔底部,而經過脫碳處理的煙氣進入吸收塔頂部的洗滌段,在此煙氣中攜帶的氨氣被清水洗脫后煙氣排入大氣,同時洗滌段中生成一定量的稀氨水溶液;落入吸收塔底部的富液分成兩路,其中一路經過泵以噴霧狀態(tài)在吸收塔內循環(huán)使用。在此步驟中進行的化學反應如下CO2 (g) +2NH3 (g)<——>NH2COONH4 (s)NH2COONH4 (s)+H20(g)^^(NH4 )2 CO3 (s)CO2 (g) +2NH3 (aq) ^^m^COOm^ (s)+H20CO2 (g) +2NH3 (aq)——(aq) +NH2COO" (aq)CO2 (g) +2NH3 (1) +H2O(I) ^(NH4 )2 CO3 (s)CO2 (g) +NH3 (1)+H20(1)^^NH4HC03 (s)步驟B,解吸出CO2氣體步驟A中塔底富液中另一路經由富液泵和換熱器進入解吸塔頂部,進行加熱解吸處理,得到高濃度二氧化碳、氨氣和水蒸氣混合氣體,同時得到碳化氨水貧液往下流入稀氨水罐成為稀氨水溶液。此步驟相應的化學反應式為NH4HCO3 ^^C02+NH3+H2O步驟C,水洗除NH3 在水洗塔中水洗步驟B所得混合氣體,清水吸收其中的氨氣生成稀氨水溶液往下流入稀氨水罐,未被吸收的氣體向上流入冷凝器,在其中分離出二氧化碳氣體,液態(tài)水流回水洗塔。步驟D,氨水提濃步驟A中洗滌段生成的稀氨水溶液泵送至蒸氨塔,步驟B和C 中稀氨水罐內的稀氨水溶液也經泵送至蒸氨塔,來自蒸氨塔底部的蒸汽自下而上氣提稀氨水,從而得到高濃度氨氣與水蒸氣的混合氣體,經氣提處理后的水向下流至循環(huán)水箱中。步驟E,調配噴淋氨水濃度將步驟D中的混合氣體通入吸氨塔,并將蓄水箱中的水經過換熱器冷卻后,從吸氨塔上方噴淋稀釋,以配制一定濃度的氨水溶液,作為二氧化碳吸收劑循環(huán)使用。優(yōu)選在所述方法中還包括步驟F,即將步驟C中由冷凝器分離出的氣態(tài)二氧化碳經純化、液化后制備液態(tài)CO2產品。例如,先對冷卻處理后的高濃度CO2進行氣液分離,脫除凝結水分,得到純度高達99 %的CO2氣體;該氣體進一步干燥后,再經過壓縮冷凝變成工業(yè)級二氧化碳液態(tài)成品。如此操作使得電站鍋爐尾部煙氣變廢為寶,在有效減少溫室氣體二氧化碳排放的同時獲得工業(yè)級液態(tài)二氧化碳。優(yōu)選在所述方法的步驟A中噴淋氨水的質量濃度為6% 15%,噴霧粒徑為30 100微米,噴淋氨水中的氨與煙氣中二氧化碳摩爾比大于2,反應溫度10 50°C,反應壓力為Iatm lOatm。進一步優(yōu)選氨水溶液質量濃度為8%,反應溫度為35°C左右,反應壓力為常壓。優(yōu)選在所述方法的步驟B中熱解吸的溫度為100 150°C ;在此解吸溫度下,碳酸氫銨可以迅速完全分解釋放出二氧化碳氣體。優(yōu)選所述步驟C中水洗除NH3的溫度為60 900C ;在此溫度下,噴淋水可以很好的吸收氨氣,生成的氨水又不易與二氧化碳發(fā)生反應, 即在這個條件下具有良好的選擇性吸收。優(yōu)選冷凝器將所述未被吸收的氣體冷卻至25 35°C,更優(yōu)選25°C ;這樣絕大多數(shù)水蒸氣冷凝為水而被脫除。優(yōu)選步驟D中氨水提濃的溫度為90 120°C。優(yōu)選在所述步驟E中將調配至一定濃度的氨水冷卻至10 40°C。相應地,本發(fā)明還提供一種氨水細噴霧捕集煙氣中二氧化碳的設備,該部分內容將在下文的具體實施方式
部分結合附圖詳述。本發(fā)明提供的方法和設備具有以下有益效果其一,將煙氣中的二氧化碳進行有效捕集,有利于實現(xiàn)煙氣資源化利用,減少溫室氣體的排放。第二,相對于傳統(tǒng)的_乙醇胺 (MEA)法吸收CO2,氨水洗滌技術具有材料成本低,對吸收塔的腐蝕小以及節(jié)約能源等優(yōu)點, 且氨水對二氧化碳的脫除率可以高達95%以上。第三,相對于填料塔,噴霧塔內氨水霧化后形成30 100微米的細霧,使氣液接觸面積迅速增加,同時霧滴的旋轉運動又增強了氣液兩相界面的湍動程度,有助與增強氨水吸收二氧化碳的反應,提高二氧化碳的脫除效率,又能避免因設置填料而引起堵塞。第四,整個系統(tǒng)封閉循環(huán),通過吸收塔、解吸塔、水洗塔、稀氨水罐、蒸氨塔、循環(huán)水箱、吸氨塔、再沸器等裝置連接和操作參數(shù)的優(yōu)化組合,氨和水實現(xiàn)循環(huán)利用,更加節(jié)約能源,并大大降低運行維護的費用。
圖1為本發(fā)明實施例中氨水細噴霧捕集煙氣中二氧化碳的設備流程圖;以下為附圖標記中的解釋1煙氣入口9 第二換熱器20稀氨水罐
2吸收塔10第三換熱器21解吸塔
2a多孔板11吸氨塔22冷凝器
2b氨水噴霧段12第二水泵23水洗塔
2c除霧裝置13第一稀氨水泵24再沸器
3第一水泵14蒸氨塔25氣液分離器
4洗滌段15第二稀氨水泵26干燥器
5氨水泵16蒸汽入口27壓縮機
6第一換熱器17循環(huán)水箱28冷凝器
7循環(huán)泵18第四換熱器29液態(tài)CO2儲存
8富液泵19第三水泵30煙氣出口
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。以下僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式,本發(fā)明的保護范圍并不局限于此,任何本領域的技術人員在本發(fā)明公開的技術范圍內,可很容易進行的改變或變化都涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此,本發(fā)明的保護范圍應以權利要求書的保護范圍為準。圖1所示為一種氨水細噴霧捕集煙氣中二氧化碳的設備,其包括經管道相連的用于捕集二氧化碳的吸收塔2、用于解吸出CO2氣體的解吸塔21、用于除氨的水洗塔23、用于供熱的再沸器24、稀氨水罐20、循環(huán)水箱17、用于提濃稀氨水的蒸氨塔14、用于氨水濃度配制的吸氨塔11和用于脫除水分的冷凝器22 ;其中,所述吸收塔2中自下部煙氣進口 1至頂部煙氣出口 30之間自下而上依次設置有用于分散煙氣的多孔板2a,氨水噴霧段2b、用于水洗除氨的洗滌段4和除霧裝置2c ;所述吸收塔2底部的第一路經過循環(huán)泵7連接至多孔板 2a上方形成循環(huán)通路,吸收塔2底部的另一路經富液泵8、第三換熱器10和第四換熱器18 與解吸塔21上部進口相連,將富液輸送至解吸塔21 ;解吸塔21底部旁路循環(huán)連接有再沸器24,即解吸塔21下部液體出口與再沸器24下部液體進口相連,再沸器24部的氣體出口與解吸塔21的下部氣體入口相連,再沸器24底部出口連通稀氨水罐20進口 ;解吸塔21的上部氣體出口與水洗塔23的下部進口相連;水洗塔23方連接有冷凝器22,水洗塔23底部液體出口也與稀氨水罐20進口相連;稀氨水罐20出口經過第二稀氨水泵15與蒸氨塔14 上方液體進口相連,另有吸收塔2中洗滌段4下方液體出口經第一換熱器6和第一稀氨水泵13也與蒸氨塔14上方液體進口相連,蒸氨塔14下方液體出口與循環(huán)水箱17相連,蒸氨塔14上方氣體出口與吸氨塔11下方氣體入口相連;吸氨塔11底部液體出口經過第一換熱器6和氨水泵5與吸收塔2上部的氨水噴霧段2b相連;循環(huán)水箱17下方出口經過第四換熱器18后分三路連接第一路經過第三水泵19與水洗塔23上方液體進口相連;第二路經過第二水泵12與吸氨塔11上方液體入口相連,第三路經過第三換熱器10、第二換熱器9和第一水泵3與吸收塔2中洗滌段4上方的液體入口相連。在一個優(yōu)選的實施例中,在所述冷凝器22后還依次串接有氣液分離器25、干燥器 26、壓縮機27、冷凝器28和液態(tài)二氧化碳儲存罐29 ;其中,氣體通過水洗塔23上方的冷凝器22從上部氣體出口與氣液分離器25的進口相連。進一步優(yōu)選,所述的氣液分離器25的凝結水出口還與水洗塔23上部的工藝入口相連。在另一個優(yōu)選的實施例中,所述吸氨塔11頂部的氣體出口與吸收塔氨水噴霧段 2b下方的工藝口相連。在這一路氣體中含有較高濃度的氨氣,其在吸收塔2內的上行過程中進一步被吸收塔中的氨水噴霧吸收,用于二氧化碳的脫除反應。上述設備對應的工作流程如下吸收鍋爐尾部煙氣經過常規(guī)除塵和脫硫(和脫硝)處理后,由吸收塔下部的煙氣進口 1輸入塔中,穿過多孔板上行,同時氨水溶液向下細霧噴灑,其質量濃度選在8%左右, 反應的溫度優(yōu)選25 40°C,反應壓力為常壓,氨水溶液的噴霧粒徑為30 100微米,氣液接觸面積大,二氧化碳與氨水發(fā)生快速的化學反應,二氧化碳被迅速吸收。被氨水吸收除碳后的煙氣繼續(xù)向上流動,經過吸收塔上方的洗滌段4,與洗滌段4上噴淋而下的水接觸,吸收煙氣中攜帶的氨氣,再經過頂部的除霧裝置2c脫除霧滴后,清潔的煙氣直接排入大氣。 吸收了二氧化碳的富液一部分經過循環(huán)泵7重新以噴霧形式噴入吸收塔2以循環(huán)利用,另一部分通過富液泵8、第三換熱器10和第四換熱器18由解吸塔21頂部進入。解吸解吸塔為填料塔,塔內布置有噴嘴和填料層,碳酸氫銨富液被噴灑在解吸塔的填料層上,被上升的蒸汽氣提,并經再沸器加熱至100-150°C,解析出二氧化碳、氨氣和水蒸氣混合氣體,同時使碳酸氫銨富液還原為脫除了 CO2的氨水貧液。氨水貧液向下引入稀氨水罐20中。水洗將從解吸塔上方出來的高濃度混合氣體通入水洗塔下方,同時,工藝水均勻噴灑在水洗塔篩板上,混合氣體中氨氣被水吸收生成低濃度氨水溶液,從水洗塔下方流入稀氨水罐20。高濃度的二氧化碳進入水洗塔上方冷凝器22,氣流被冷凝到25 35°C,其中絕大部分水蒸氣被冷凝為水,流入下面的水洗塔23。蒸氨提濃稀氨水罐中包含從解吸塔和水洗塔流下的氨水溶液;其中的氨水濃度比較低,不能滿足吸收塔中的噴淋氨水的濃度要求,因而將其通入蒸氨塔液上部液體入口。 另有來自吸收塔中洗滌段4下方的稀氨水也泵送至蒸氨塔。蒸氨塔中自下而上的蒸汽對噴入的稀氨水進行加熱氣提,氨氣從氨水溶液中脫除,形成高濃度氨氣和水蒸氣的混合氣體。 同時,稀氨水脫除氨氣后的水流入循環(huán)水箱17,循環(huán)利用。配制合適濃度的氨水氨氣和水蒸氣的混合氣體從蒸氨塔塔頂出去,進入吸氨塔下面的氣體入口。吸氨塔中自上而下淋入的冷水與混合氣體配制成滿足濃度要求的氨水溶液。再經過與吸收塔頂部的氨氣洗滌液進行熱交換,冷凝到20 35°C,最后從吸收塔上方進入噴霧吸收二氧化碳。制備液態(tài)CO2 經過冷凝處理的高濃度二氧化碳氣體,進入氣液分離器25,通過離心作用將二氧化碳中夾帶的液體完全分離出來,得到純度為99%的二氧化碳氣體,從氣液分離器流出的冷凝液返回水洗塔的工藝水進口,循環(huán)使用。高純度二氧化碳氣體在經過干燥、壓縮、冷凝為液態(tài)二氧化碳成品,儲存在液態(tài)CO2儲存罐中。
權利要求
1.一種氨水細噴霧捕集煙氣中二氧化碳的方法,其特征在于包括如下步驟步驟A,氨水噴淋吸收CO2 煙氣從吸收塔(2)下方煙氣入口(1)引入,同時將一定濃度的氨水溶液以細噴霧狀態(tài)從塔頂噴入吸收塔(2)內,與煙氣逆流接觸,煙氣中的二氧化碳被氨水吸收,生成的碳化氨水富液落入吸收塔(2)底部,而經過脫碳處理的煙氣進入吸收塔頂部的洗滌段(4),在此煙氣中攜帶的氨氣被清水洗脫后煙氣排入大氣,同時洗滌段中生成一定量的稀氨水溶液;落入吸收塔(2)底部的富液分成兩路,其中一路經過泵(7)以噴霧狀態(tài)在吸收塔內循環(huán)使用;步驟B,解吸出CO2氣體步驟A中塔底富液中另一路經由富液泵(8)和換熱器進入解吸塔(21)頂部,進行加熱解吸處理,得到高濃度二氧化碳、氨氣和水蒸氣混合氣體,同時得到碳化氨水貧液往下流入稀氨水罐(20)成為稀氨水溶液;步驟C,水洗除NH3 在水洗塔(23)中水洗步驟B所得混合氣體,清水吸收其中的氨氣生成稀氨水溶液往下流入稀氨水罐(20),未被吸收的氣體向上流入冷凝器(22),在其中分離出二氧化碳氣體,液態(tài)水流回水洗塔;步驟D,氨水提濃步驟A中洗滌段生成的稀氨水溶液泵送至蒸氨塔(14),步驟B和C 中稀氨水罐(20)內的稀氨水溶液也經泵送至蒸氨塔(14),來自蒸氨塔(14)底部的蒸汽自下而上氣提稀氨水,從而得到高濃度氨氣與水蒸氣的混合氣體,經氣提處理后的水向下流至循環(huán)水箱(17)中;步驟E,調配噴淋氨水濃度將步驟D中的混合氣體通入吸氨塔(11),并將蓄水箱(17) 中的水經過換熱器(18)冷卻后,從吸氨塔(11)上方噴淋稀釋,以配制一定濃度的氨水溶液,作為二氧化碳吸收劑循環(huán)使用。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法,其特征在于,還包括步驟F,即將步驟C中由冷凝器 (22)分離出的氣態(tài)二氧化碳經純化、液化后制備液態(tài)CO2產品。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述步驟A中噴淋氨水的質量濃度為6% 15%,噴霧粒徑為30 100微米,噴淋氨水中的氨與煙氣中的二氧化碳摩爾比大于2,反應溫度10 50°C,反應壓力為Iatm lOatm。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述步驟B中熱解吸的溫度為100 150°C ;所述步驟C中水洗除NH3的溫度為60 90°C,冷凝器將所述未被吸收的氣體冷卻至 25 35 。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述步驟D中氨水提濃的溫度為90 120°C。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的方法,其特征在于,在所述步驟E中將調配至一定濃度的氨水冷卻至10 40°C。
7.一種氨水細噴霧捕集煙氣中二氧化碳的設備,其包括經管道相連的吸收塔(2)、解吸塔(21)、水洗塔(23)、再沸器(24)、稀氨水罐(20)、循環(huán)水箱(17)、蒸氨塔(14)、吸氨塔 (11)和冷凝器(22);其中,所述吸收塔(2)中自下部煙氣進口(1)至頂部煙氣出口(30)之間自下而上依次設置有多孔板(2a),氨水噴霧段(2b)、洗滌段(4)和除霧裝置(2c);所述吸收塔(2)底部的第一路經過循環(huán)泵(7)連接至多孔板(2a)上方形成循環(huán)通路,吸收塔 (2)底部的另一路經富液泵(8)、第三換熱器(10)和第四換熱器(18)與解吸塔(21)上部進口相連,將富液輸送至解吸塔(21);解吸塔(21)底部旁路循環(huán)連接有再沸器(24),再沸器(24)底部出口連通稀氨水罐(20)進口 ;解吸塔(21)的上部氣體出口與水洗塔(23)的下部進口相連;水洗塔(23)上方連接有冷凝器(22),水洗塔(23)底部液體出口也與稀氨水罐(20)進口相連;稀氨水罐(20)出口經過第二稀氨水泵(15)與蒸氨塔(14)上方液體進口相連,另有吸收塔⑵中洗滌段⑷下方液體出口經第一換熱器(6)和第一稀氨水泵 (13)也與蒸氨塔(14)上方液體進口相連,蒸氨塔(14)下方液體出口與循環(huán)水箱(17)相連,蒸氨塔(14)上方氣體出口與吸氨塔(11)下方氣體入口相連;吸氨塔(11)底部液體出口經過第一換熱器(6)和氨水泵(5)與吸收塔(2)上部的氨水噴霧段(2b)相連;循環(huán)水箱(17)下方出口經過第四換熱器(18)后分三路連接第一路經過第三水泵(19)與水洗塔 (23)上方液體進口相連;第二路經過第二水泵(12)與吸氨塔(11)上方液體入口相連,第三路經過第三換熱器(10)、第二換熱器(9)和第一水泵(3)與吸收塔(2)中洗滌段(4)上方的液體入口相連。
8.根據(jù)權利要求7所述的設備,其特征在于,在所述冷凝器(22)后還依次串接有氣液分離器(25)、干燥器(26)、壓縮機(27)、冷凝器(28)、液態(tài)二氧化碳儲存罐(29)。
9.根據(jù)權利要求7所述的設備,其特征在于,所述的氣液分離器(25)的凝結水出口還與水洗塔(23)上部的工藝入口相連。
10.根據(jù)權利要求7至9中任意一項所述的設備,其特征在于,所述吸氨塔(11)頂部的氣體出口與吸收塔氨水噴霧段(2b)下方的工藝口相連。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氨水細噴霧捕集煙氣中二氧化碳的方法,包括步驟A,煙氣自下而上通過吸收塔,噴淋的氨水吸收其中的CO2;步驟B,含碳富液在解吸塔中熱解吸;步驟C,解吸后的混合氣體在水洗塔中水洗除NH3,再經冷凝器除水后得到高濃度的二氧化碳氣體;步驟D,前三個步驟中得到的稀氨水泵送至蒸氨塔中被提濃;步驟E,在吸氨塔中用水稀釋濃氨以調配噴淋氨水的濃度。本發(fā)明還相應提供一種氨水細噴霧捕集煙氣中二氧化碳的設備。本發(fā)明提供的方法和設備能適應電站煙氣流量大、二氧化碳濃度低的情況,能有效脫除其中二氧化碳。本發(fā)明中氨和水循環(huán)利用,更加節(jié)約能源,并大大降低運行維護的費用。優(yōu)選將設備分離出的CO2氣體制備為工業(yè)級液態(tài)二氧化碳。
文檔編號B01D53/62GK102218261SQ201110093838
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權日2011年4月14日
發(fā)明者曾慶, 林文漪, 牛振褀, 郭印誠 申請人:清華大學