一種鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)，其屬水合物應用【技術領域】。該捕集系統(tǒng)包括鼓泡塔、進氣增壓系統(tǒng)、雙制冷系統(tǒng)、氣體收集系統(tǒng)、分離液循環(huán)系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。混合氣體經(jīng)氣體增壓泵增壓后輸入鼓泡塔中，鼓泡塔內(nèi)含分離液，分離液由雙制冷系統(tǒng)降溫至設定溫度后通入到鼓泡塔中，CO2水合物在低溫下生成。鼓泡塔外部設有減壓閥，通過降壓法使CO2分離，分離后氣體量由流量計進行測量、氣體組分由氣相色譜儀分析，分離過程中的工作參數(shù)如溫度、壓力信號和流量信號均由計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和實時分析。該裝置造價低，對掌握水合物法氣體分離技術具有基礎意義，對于電廠CO2的高效捕集和氫能的高純利用具有重要價值。
【專利說明】一種鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)，屬于水合物應用【技術領域】。【背景技術】
[0002]隨著化石燃料的大量使用，“溫室效應”越來越嚴重，環(huán)境問題受到越來越多的人的關注。雖然CO2帶來了溫室效應，但是，CO2在石油開采、金屬冶煉，消防以及生物制藥方面均有廣泛的應用。電廠是一個CO2排放的主要場所。如果將電廠廢棄中的CO2進行收集利用，將會產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益和社會效益?，F(xiàn)有成熟的CO2分離技術有吸收法分離、吸附法分離、膜分離、深冷法分離等。其中吸收和吸附過程實現(xiàn)CO2分離能源消耗巨大；化學吸附溶劑易降解、會造成設備腐蝕；變壓吸附投資大、能耗高；膜分離技術的應用取決于膜材料的開發(fā)、工藝的改進、成本的降低并且存在穩(wěn)定性差，處理能力有限等問題；深冷法分離過程投資高，能耗大，條件較為苛刻，隨著二氧化碳分壓的減小會變得異常困難。因此，未來燃煤電廠CO2捕集的發(fā)展趨勢必然要求開發(fā)新的成本低、能耗小、操作方便的分離技術。以水合物方式實現(xiàn)CO2捕集是一種新興技術。
[0003]以水合物方式捕集CO2是一種新興技術，美國能源部認為這是最具潛力的長期CO2捕集技術，它具有能源消耗少，對設備無腐蝕、對環(huán)境無污染的特點。水合物法CO2捕集技術的基本原理是利用CO2與n2、h2形成水合物所需溫度、壓力條件的差異，通過優(yōu)先形成CO2水合物(固體)實現(xiàn)CO2氣體與N2或H2的分離。水合物技術需要在低溫高壓下進行，而由IGCC電廠制得的富含CO2的氣體混合物(40% C02/60% H2)，其壓力為2_7MPa，這就使該項技術更適于燃燒前脫碳技術。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服水合物法二氧化碳捕集技術的上述問題，本發(fā)明提供一種鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)，該捕集系統(tǒng)可以精確的控制用于二氧化碳捕集的分離液溫度，同時對鼓泡塔內(nèi)二氧化碳捕集過程中水合物的形成和分解均能進行定量分析；該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)分離液重復利用，有效的避免了分離液污染并提高了經(jīng)濟性。該系統(tǒng)的發(fā)明對于掌握水合物法氣體分離技術具有重要的基礎意義，對于現(xiàn)有電廠和未來IGCC電廠CO2的高效捕集和氫能的高純利用具有重要價值。
[0005]本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是:
[0006]一種鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)包括鼓泡塔、雙制冷系統(tǒng)、進氣增壓系統(tǒng)、氣體收集系統(tǒng)、分離液循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
[0007]所述鼓泡塔采用高壓不銹鋼結構，鼓泡塔包含鼓泡塔上法蘭盤、鼓泡塔下法蘭盤、熱電偶、壓力傳感器、氣體分布器、分離液分布器和制冷盤管；其中，鼓泡塔一側設有3個等距的熱電偶，鼓泡塔上法蘭盤中心處設有分離液循環(huán)進口，鼓泡塔上法蘭盤兩側設有殘余氣體出口和CO2出口分別用于連接氣體收集系統(tǒng)中殘余氣體收集管路的背壓閥和高純度CO2收集管路的背壓閥，鼓泡塔上法蘭盤一側設有壓力傳感器；鼓泡塔下法蘭盤中心處設有分離液循環(huán)出口，鼓泡塔下法蘭盤一側設有混合氣體進口用于連接進氣增壓系統(tǒng)的氣體流量計，鼓泡塔內(nèi)部設有等間距的四級氣體分布器，氣體分布器上設有供氣體排出的孔，，每兩個氣體分布器之間以及氣體分布器與鼓泡塔的頂端之間安裝有制冷盤管；分離液分布器位于鼓泡塔內(nèi)的制冷盤管與鼓泡塔頂部之間，并與分離液循環(huán)進口相連，用于使分離液均勻進入鼓泡塔內(nèi)；
[0008]所述的雙制冷系統(tǒng)包括鼓泡塔外的一級制冷系統(tǒng)和鼓泡塔內(nèi)的二級制冷系統(tǒng)，一級制冷系統(tǒng)包含致冷器和與致冷器連接的熱電偶，二級制冷系統(tǒng)包含壓縮機和制冷盤管；其中，一級制冷系統(tǒng)中的致冷器與分離液循環(huán)系統(tǒng)的分離液儲罐相連，致冷器可以在鼓泡塔外將分離液降溫至設定溫度，二級制冷系統(tǒng)的壓縮機與鼓泡塔內(nèi)的制冷盤管相連進行制冷，以保持鼓泡塔內(nèi)恒定的低溫；
[0009]所述進氣增壓系統(tǒng)包含混合氣體儲罐、氣體增壓泵、氣體流量計和真空泵；其中，混合氣體從混合氣體儲罐輸出后依次通過氣體增壓泵、氣體流量計，最終從鼓泡塔的混合氣體進口進入鼓泡塔，真空泵與安全閥并聯(lián)同時連接在氣體增壓泵、氣體流量計之間，用于向鼓泡塔通入混合氣體之前對鼓泡塔進行抽真空；
[0010]所述氣體收集系統(tǒng)包含兩條管路，一條是殘余氣體收集管路，另一條是高純度CO2收集管路；其中，在殘余氣體收集管路中，鼓泡塔內(nèi)的殘余氣體從殘余氣體出口排出，依次經(jīng)過與殘余氣體出口相連的背壓閥、干燥器、氣體增壓泵，以及與殘余氣儲罐相連的氣體流量計，最終進入殘余氣儲罐，在高純度CO2收集管路中，鼓泡塔內(nèi)的高純度CO2從高純度CO2出口排出，依次經(jīng)過與高純度CO2收集出口連接的減壓閥、背壓閥、干燥器和氣體增壓泵，以及與高純度CO2儲罐相連的氣體流量計，最終進入高純度CO2儲罐，殘余氣體收集管路和高純度CO2收集管路的氣體增壓泵與氣體流量計之間均與氣象色譜儀連接，用氣象色譜儀分析收集到的氣體的組分；
[0011]所述分離液循環(huán)系統(tǒng)包含兩條管路，一條管路直接與鼓泡塔相連，其包含離心泵和分離液儲罐，鼓泡塔底部的分離液從分離液循環(huán)出口排出，經(jīng)過離心泵、分離液儲罐和一級制冷系統(tǒng)的致冷器，分離液被降溫后，再流經(jīng)離心泵從鼓泡塔頂部的分離液循環(huán)進口進入鼓泡塔；另一條管路的起始端是氣體收集系統(tǒng)中的與兩個干燥器相連的并聯(lián)管路，兩條并聯(lián)管路合并之后連接到分離液儲罐，干燥器將殘余氣體和高純度CO2從鼓泡塔中攜帶的分離液收集后，回收到分離液儲罐。
[0012]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含工控機和數(shù)據(jù)采集模塊，工控機和數(shù)據(jù)采集模塊與系統(tǒng)中所有的熱電偶、壓力傳感器和氣體流量計連接，能夠實時采集并處理溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)。
[0013]本發(fā)明的制冷系統(tǒng)可以精確的降低并保持鼓泡塔內(nèi)分離液溫度，分離液循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)了分離液的循環(huán)利用，進氣增壓系統(tǒng)提供一定壓力的混合氣體給鼓泡塔，進入鼓泡塔后CO2生成水合物被固化，殘余氣體經(jīng)氣體收集系統(tǒng)被回收分析，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實時采集溫度、壓力、流量等信號，并進行實時分析。其特點是:
[0014]I)鼓泡塔能承受O — 8Mpa的壓力和253 — 303K，可以滿足水合物法捕集CO2過程的要求，同時在高壓作用下不產(chǎn)生應力腐蝕；
[0015]2)鼓泡塔內(nèi)氣體分布器采用多孔輪形設計能夠有效的增加混合氣體與分離液的接觸面積，進而提聞氣體捕集效率；[0016]3)鼓泡塔底部帶有分尚液循環(huán)出口，可以對分尚液進行循環(huán)利用，氣體回收系統(tǒng)中的干燥器可以收集被氣體攜帶出的分離液，并通過管路將其回收，這提高了二氧化碳捕集經(jīng)濟性；
[0017]4)鼓泡塔內(nèi)的分離液由雙制冷系統(tǒng)進行降溫，一級制冷系統(tǒng)在分離液進入鼓泡塔之前將分離液降溫到設定溫度，二級制冷系統(tǒng)由壓縮機和鼓泡塔內(nèi)的制冷盤管制冷，以保持鼓泡塔恒定的低溫；
[0018]5)氣體收集系統(tǒng)包含殘余氣體收集管路和高純度CO2收集管路，若分離C02/H2混合氣體，則可以將殘余氣體中的H2回收到殘余氣體儲罐中再次利用，提高資源利用效率，若分離co2/n2混合氣體，則可以將殘余氣體直接排入空氣。
[0019]6)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)存儲、實時數(shù)據(jù)和圖像分析軟件支持；
[0020]7)系統(tǒng)造價相對較低；
[0021]8)對掌握水合物法氣體分離技術具有重要的基礎意義，對于現(xiàn)有電廠和未來IGCC電廠CO2的高效捕集和氫能的高純利用具有重要價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是一種鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)結構圖。
[0023]圖2是一種鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)的流程圖。
[0024]圖3是鼓泡塔結構圖。
[0025]圖4是鼓泡塔內(nèi)氣體分布器結構圖。
[0026]圖中:1、鼓泡塔；2、殘余氣儲罐；3、高純度CO2儲罐；
[0027]4、混合氣體儲罐；5、壓縮機；6、分離液儲罐；7、致冷器；8、干燥器；
[0028]9、工控機；10、數(shù)據(jù)采集模塊；11、壓力傳感器；12、熱電偶；
[0029]13、減壓閥；14、氣象色譜儀；15、氣體流量計；16、氣體增壓泵；
[0030]17、真空泵；18、離心泵；19、背壓閥；20、安全閥；21、針型閥；
[0031]22、止回閥；23、殘余氣體出口 ；24、鼓泡塔下法蘭盤；
[0032]25、分離液循環(huán)出口 ；26、混合氣體進口 ；27、氣體分布器；
[0033]28、制冷盤管；29、分離液分布器；30、高純度CO2出口；
[0034]31、分離液循環(huán)進口 ；32、鼓泡塔上法蘭盤；33、氣體分布器氣體出口。
【具體實施方式】
[0035]下面結合說明書附圖和技術方案具體說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0036]圖1所示為捕集裝置工作原理框圖，其工作過程為:分離液由一級制冷系統(tǒng)降溫，通入到鼓泡塔中。進氣增壓系統(tǒng)中的混合氣體經(jīng)氣體增壓泵16增壓后通入鼓泡塔I中。二級制冷系統(tǒng)進行制冷保持鼓泡塔內(nèi)恒定低溫使CO2大量生成水合物。分離得到的高純度CO2與殘余氣體均由氣體收集系統(tǒng)收集。其中，殘余氣體通過殘余氣體收集管路回收到殘余氣儲罐2中，CO2水合物生成后，打開高純度CO2收集管路上的減壓閥13，采用降壓法使CO2水合物分解，分解得到的高純度CO2經(jīng)過高純度CO2管路收集到高純度CO2儲罐3中。分離過程中的工作參數(shù)如溫度、壓力以及流量信號均由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和實時分析。
[0037]圖2所示為捕集系統(tǒng)圖，下面按圖中所示系統(tǒng)加以說明:[0038](I)雙制冷系統(tǒng)工作過程為:鼓泡塔外的一級制冷系統(tǒng)在分離液進入鼓泡塔之前由致冷器7將其降溫至設定溫度，二級制冷系統(tǒng)是通過壓縮機5連接鼓泡塔內(nèi)的制冷盤管28進行制冷，維持鼓泡塔內(nèi)恒定低溫。
[0039](2)分離液循環(huán)系統(tǒng)工作過程為:水合物生成結束后，同時打開鼓泡塔頂部分離液循環(huán)進口針型閥21和底部分離液出口針型閥21，通過與致冷器相連的離心泵18向鼓泡塔內(nèi)補充分尚液，同時由與分尚液循環(huán)出口相連尚心泵18回收鼓泡塔底部的分尚液，實現(xiàn)分離液循環(huán)使用。
[0040](3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作過程為:從鼓泡塔一側的三個熱電偶12、鼓泡塔頂端的壓力傳感器11、進氣增壓系統(tǒng)和氣體收集系統(tǒng)中的氣體流量計15采集得到鼓泡塔內(nèi)溫度、壓力和氣體流量信號，這些信號被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊10進行數(shù)據(jù)處理得到數(shù)字信號，數(shù)字信號傳入工控機9后由軟件進行數(shù)據(jù)顯示和存儲。
[0041](4) 二氧化碳氣體捕集過程為:按圖示配置，所有閥門均處于關閉狀態(tài)，開啟分離液循環(huán)系統(tǒng),將鼓泡塔內(nèi)充滿分尚液,開啟致冷器7和壓縮機15,將鼓泡塔內(nèi)分尚液溫度降低并維持在設定值。調(diào)整殘余氣體收集管路的背壓閥19和高純度CO2收集管路上的背壓閥19至實驗設定壓力值，開啟進氣增壓系統(tǒng)中與真空泵相連的針型閥21利用真空泵17進行抽真空，達到真空要求后關閉與真空泵相連針型閥21和真空泵17。開啟混合氣體儲罐4，開啟氣體增壓泵16，將混合氣體以恒流速度注入到鼓泡塔I中，并達到設定的壓力值，利用與鼓泡塔混合氣體進口相連的流量計15監(jiān)測混合氣體流量，當CO2水合物生成，殘余氣體壓力逐漸達到殘余氣體收集管路的背壓閥19的設定壓力值時，背壓閥19開通，殘余氣體經(jīng)殘余氣體收集管路上的干燥器8和氣體增壓泵，由流量計15測量后流入殘余氣儲罐2內(nèi)。分離過程中按實驗設計時間開啟與殘余氣體收集管路相連的針型閥20，利用氣相色譜儀14對分離后氣體進行組分測試。
[0042](5) 二氧化碳氣體釋放過程如下:按圖示配置，開啟鼓泡塔頂部的減壓閥13，逐步降低鼓泡塔內(nèi)的壓力；鼓泡塔內(nèi)壓力達到二氧化碳水合物分解壓力后開始分解，當鼓泡塔內(nèi)的壓力達到高純度CO2收集管路上背壓閥19設定的壓力后，背壓閥19自動開通，二氧化碳氣體經(jīng)高純度CO2收集管路上的干燥器和增壓泵16增壓，由流量計15測量后進入高純度CO2儲罐3。分離過程中按實驗設計時間開啟與高純度CO2收集管路相連的針型閥20利用氣相色譜儀14對分離后氣體進行組分測試。
[0043]圖3所示為鼓泡塔結構圖。安裝四級輪形氣體分布器27、制冷盤管28和熱電偶12后，將鼓泡塔上、下法蘭盤固定于鼓泡塔I主體上，確定密封完好后連接殘余氣體出口、高純度CO2出口、分離液循環(huán)進口、分離液循環(huán)出口和混合氣體進口。
【權利要求】
1.一種鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)，其特征在于:該鼓泡式水合物法捕集二氧化碳系統(tǒng)包括鼓泡塔、雙制冷系統(tǒng)、進氣增壓系統(tǒng)、氣體收集系統(tǒng)、分離液循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)米集系統(tǒng)； 所述鼓泡塔采用高壓不銹鋼結構，鼓泡塔包含鼓泡塔上法蘭盤、鼓泡塔下法蘭盤、熱電偶、壓力傳感器、氣體分布器、分離液分布器和制冷盤管；其中，鼓泡塔一側設有3個等距的熱電偶，鼓泡塔上法蘭盤中心處設有分離液循環(huán)進口，鼓泡塔上法蘭盤兩側設有殘余氣體出口和高純度CO2出口分別用于連接氣體收集系統(tǒng)中殘余氣體收集管路的背壓閥和高純度CO2收集管路的背壓閥，鼓泡塔上法蘭盤一側設有壓力傳感器；鼓泡塔下法蘭盤中心處設有分離液循環(huán)出口，鼓泡塔下法蘭盤一側設有混合氣體進口用于連接進氣增壓系統(tǒng)的氣體流量計，鼓泡塔內(nèi)部設有等間距的四級氣體分布器，氣體分布器上設有供氣體排出的孔，每兩個氣體分布器之間以及氣體分布器與鼓泡塔的頂端之間安裝有制冷盤管；分離液分布器位于鼓泡塔內(nèi)的制冷盤管與鼓泡塔頂部之間，并與分離液循環(huán)進口相連，用于使分離液均勻進入鼓泡塔內(nèi)； 所述的雙制冷系統(tǒng)包括鼓泡塔外的一級制冷系統(tǒng)和鼓泡塔內(nèi)的二級制冷系統(tǒng)，一級制冷系統(tǒng)包含致冷器和與致冷器連接的熱電偶，二級制冷系統(tǒng)包含壓縮機和制冷盤管；其中，一級制冷系統(tǒng)中的致冷器與分離液循環(huán)系統(tǒng)的分離液儲罐相連，致冷器可以在鼓泡塔外將分離液降溫至設定溫度，二級制冷系統(tǒng)的壓縮機與鼓泡塔內(nèi)的制冷盤管相連進行制冷，以保持鼓泡塔內(nèi)恒定的低溫； 所述進氣增壓系統(tǒng)包含混合氣體儲罐、氣體增壓泵、氣體流量計和真空泵；其中，混合氣體從混合氣體儲罐輸出后依次通過氣體增壓泵、氣體流量計，最終從鼓泡塔的混合氣體進口進入鼓泡塔，真空泵與安全閥并聯(lián)同時連接在氣體增壓泵、氣體流量計之間，用于向鼓泡塔通入混合氣體之前對鼓泡塔進行抽真空； 所述氣體收集系統(tǒng)包含兩條管路，一條是殘余氣體收集管路，另一條是高純度CO2收集管路；其中，在殘余氣體收集管路中，鼓泡塔內(nèi)的殘余氣體從殘余氣體出口排出，依次經(jīng)過與殘余氣體出口相連的背壓閥、干燥器、氣體增壓泵，以及與殘余氣儲罐相連的氣體流量計，最終進入殘余氣儲罐，在高純度CO2收集管路中，鼓泡塔內(nèi)的高純度CO2從高純度CO2出口排出，依次經(jīng)過與高純度CO2收集出口連接的減壓閥、背壓閥、干燥器和氣體增壓泵，以及與高純度CO2儲罐相連的氣體流量計，最終進入高純度CO2儲罐，殘余氣體收集管路和高純度CO2收集管路的氣體增壓泵與氣體流量計之間均與氣象色譜儀連接，用氣象色譜儀分析收集到的氣體的組分； 所述分離液循環(huán)系統(tǒng)包含兩條管路，一條管路直接與鼓泡塔相連，其包含離心泵和分離液儲罐，鼓泡塔底部的分離液從分離液循環(huán)出口排出，經(jīng)過離心泵、分離液儲罐和一級制冷系統(tǒng)的致冷器，分離液被降溫后，再流經(jīng)離心泵從鼓泡塔頂部的分離液循環(huán)進口進入鼓泡塔；另一條管路的起始端是氣體收集系統(tǒng)中的與兩個干燥器相連的并聯(lián)管路，兩條并聯(lián)管路合并之后連接到分離液儲罐，干燥器將殘余氣體和高純度CO2從鼓泡塔中攜帶的分離液收集后，回收到分離液儲罐； 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含工控機和數(shù)據(jù)采集模塊，工控機和數(shù)據(jù)采集模塊與系統(tǒng)中所有的熱電偶、壓力傳感器和氣體流量計連接，能夠實時采集并處理溫度、壓力和流量的數(shù)據(jù)。
【文檔編號】B01D53/78GK103961989SQ201410166253
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權日:2014年4月23日
【發(fā)明者】宋永臣, 楊明軍, 王朋飛, 劉瑜, 蔣蘭蘭, 趙越超, 經(jīng)文 申請人:大連理工大學