基于原位吸附/脫附方式的連續(xù)循環(huán)二氧化碳捕集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳捕集技術(shù)相關(guān)設(shè)備領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于原位吸附/脫附方式的碳連續(xù)循環(huán)捕集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化碳(CO2)是導(dǎo)致全球氣候變暖的溫室氣體的主要成分之一，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)55%，由于CO2等溫室氣體排放所引起的氣候變化已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)問題。碳捕集與封存技術(shù)(CCS技術(shù))是指將二氧化碳從相關(guān)集中排放燃燒源中捕獲并分離出來，并采用各種方法存儲(chǔ)以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)，是應(yīng)對(duì)氣候變化最有效的技術(shù)路徑之一。其中，相比較對(duì)CO2的壓縮，輸運(yùn)與封存，從燃煤電站捕集煙氣中CO2的成本最高，占CCS費(fèi)用的75 %以上，因此如何經(jīng)濟(jì)、有效地規(guī)?；都疌O2成為當(dāng)今科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。
[0003]目前已有的二氧化碳捕集方法主要有富氧燃燒捕集、燃燒前捕集和燃燒后捕集三種，其中，燃燒后捕集是應(yīng)用較為普遍的方法。所謂燃燒后捕集，是系統(tǒng)從一次燃料在空氣中燃燒所產(chǎn)生的煙道氣體中分離C02，包括變壓吸附、膜分離、物理吸收及化學(xué)吸收等，能直接應(yīng)用于現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備，投入相對(duì)較少，原理簡(jiǎn)單，適用范圍廣。例如，由于化學(xué)反應(yīng)的存在，化學(xué)吸收法用于CO2捕集時(shí)，吸收能力強(qiáng)，平衡分壓低，吸收過程中能維持足夠高的傳質(zhì)推動(dòng)力，可確保高捕集效率，具有較高的可操作性及廣闊的市場(chǎng)前景。
[0004]基于堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物的固體吸附劑循環(huán)捕集CO2技術(shù)被認(rèn)為是最具有前景的一種燃燒后捕集CO2的技術(shù)手段之一，它可以直接運(yùn)用于常規(guī)燃煤電廠或者水泥廠，鋼廠等。其工作原理是:含有高濃度CO2的煙氣通入吸附反應(yīng)器中，固體吸附劑吸收C02，然后生成固體產(chǎn)物通過串行雙流化床系統(tǒng)輸運(yùn)到另一個(gè)溫度更高的脫附反應(yīng)器中，固體吸附劑得以再生，同時(shí)獲得高濃度的co2，進(jìn)而壓縮、輸運(yùn)和封存。
[0005]然而，進(jìn)一步的研究表明，該技術(shù)仍然存在若干技術(shù)難題。首先，堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物的耐磨性普遍較差，在傳統(tǒng)的串行雙流化床反應(yīng)器中破碎太嚴(yán)重;其次，采用傳統(tǒng)流程的循環(huán)裝置，由于熱力學(xué)的限制，吸附和脫附反應(yīng)的溫差較大，如采用CaO的吸附和脫附溫差為350°C，采用MgO的吸附和脫附溫差為250°C，因此，傳統(tǒng)流程的熱經(jīng)濟(jì)性較差;其三，由于串行雙流化床的系統(tǒng)復(fù)雜，操作不便而且限制了氣固反應(yīng)速率的進(jìn)一步提升空間。相應(yīng)地，本領(lǐng)域亟需作出進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，以便更好地發(fā)揮固體吸附劑循環(huán)捕集CO2技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于原位吸附/脫附方式的連續(xù)循環(huán)二氧化碳捕集系統(tǒng)，其中通過結(jié)合固體吸附劑捕集工藝的特點(diǎn)來展開針對(duì)性研究，并采用原位吸附/脫附的反應(yīng)機(jī)理來對(duì)整個(gè)反應(yīng)體系的組成重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是對(duì)關(guān)鍵組件如反應(yīng)器組、增壓模塊和負(fù)壓模塊等的具體組成及設(shè)置方式做出調(diào)整，相應(yīng)與現(xiàn)有碳連續(xù)捕集方式相比能夠顯著提高整體反應(yīng)效率，消除固體吸附劑顆粒因碰撞發(fā)生的磨損，并使得吸附與脫附之間的溫差大為降低，相應(yīng)優(yōu)化了吸附劑的循環(huán)穩(wěn)定性及反應(yīng)活性。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種基于原位吸附/脫附方式的連續(xù)循環(huán)二氧化碳捕集系統(tǒng)，其特征在于，該二氧化碳連續(xù)循環(huán)捕集系統(tǒng)包括依次相連的煙氣凈化模塊、等溫碳捕集循環(huán)反應(yīng)器組、出氣冷凝裝置和CO2壓縮儲(chǔ)存單元，其中:
[0008]所述煙氣凈化模塊用于接收待處理的工業(yè)煙氣，對(duì)其執(zhí)行除塵脫硫處理，然后繼續(xù)輸送至所述等溫碳捕集循環(huán)反應(yīng)器組；
[0009]所述等溫碳捕集循環(huán)反應(yīng)器組的數(shù)量至少有兩組，各組之間彼此并聯(lián)，并且由彼此貼合設(shè)置在一起進(jìn)行傳熱的碳酸化反應(yīng)器和再生反應(yīng)器共同組成;其中對(duì)于碳酸化反應(yīng)器而言，它的內(nèi)部存儲(chǔ)有固體吸附劑且與增壓風(fēng)機(jī)模塊可切換地保持相連，由此用于與獲得增壓后的煙氣進(jìn)行反應(yīng)以吸附其中的C02，同時(shí)將吸附CO2后的尾氣向外排放;對(duì)于再生反應(yīng)器而言，它的內(nèi)部存儲(chǔ)有CO2與固體吸附劑反應(yīng)會(huì)生成的固體產(chǎn)物，同時(shí)還與負(fù)壓引風(fēng)模塊和水蒸氣供應(yīng)源可切換地保持相連，由此用于在有水蒸氣吹掃的負(fù)壓狀態(tài)下對(duì)所述固體產(chǎn)物執(zhí)行煅燒脫附，進(jìn)而獲得co2/H2o的混合氣體；
[0010]所述出氣冷凝裝置與所述再生反應(yīng)器保持相連，并用于對(duì)C02/H20混合氣體中的H2O執(zhí)行冷凝分離，然后將高純度的CO2繼續(xù)輸送至所述CO2壓縮儲(chǔ)存單元以便后期的應(yīng)用或者封存；
[0011]此外，上述碳連續(xù)循環(huán)捕集系統(tǒng)還具有吸附-脫附切換模塊，該吸附-脫附切換模塊用于對(duì)各個(gè)所述等溫碳捕集循環(huán)反應(yīng)器組彼此獨(dú)立地執(zhí)行操作，使得所述碳酸化反應(yīng)器和所述再生反應(yīng)器兩者之間發(fā)生進(jìn)出氣的氣路切換，相應(yīng)將所述碳酸化反應(yīng)器轉(zhuǎn)換為執(zhí)行所述再生反應(yīng)器的功能，同時(shí)將所述再生反應(yīng)器轉(zhuǎn)換為執(zhí)行所述碳酸化反應(yīng)器的功能。
[0012]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于同一組的等溫碳捕集循環(huán)反應(yīng)器組而言，進(jìn)入到所述碳酸化反應(yīng)器的煙氣增壓為g0.15MPa，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況以及經(jīng)濟(jì)型的考慮，優(yōu)選為0.2?0.5MPa ；所述再生反應(yīng)器內(nèi)的負(fù)壓為S 0.08MPa，優(yōu)選被設(shè)定為0.03MPa?0.06MPa。
[0013]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述水蒸氣在再生反應(yīng)器中的體積濃度為10%?60%、優(yōu)選按照30 %?40 %水蒸氣濃度提供給所述再生反應(yīng)器，并采用噴頭的方式執(zhí)行吹掃。
[0014]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于同一組的等溫碳捕集循環(huán)反應(yīng)器組而言，所述碳酸化反應(yīng)器與所述再生反應(yīng)器兩者之間的反應(yīng)速率被設(shè)定為基本保持一致。
[0015]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述碳酸化反應(yīng)器中的內(nèi)部溫度與所述再生反應(yīng)器中的內(nèi)部溫度相比，兩者之間的溫差為100°C以下。
[0016]總體而言，按照本發(fā)明的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備下列優(yōu)點(diǎn):
[0017]1、通過對(duì)作為系統(tǒng)關(guān)鍵組件之一的等溫碳捕集循環(huán)反應(yīng)器組的具體組成結(jié)構(gòu)及其設(shè)置方式重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，固體吸附劑和反應(yīng)產(chǎn)物均保持在相對(duì)固定的空間內(nèi)，也即0)2吸附和脫附過程均可在原位進(jìn)行，無需像現(xiàn)有技術(shù)那樣必需沿著流化床來不斷位移，相應(yīng)可從根源上消除固體顆粒因相互碰撞而發(fā)生的磨損，這不僅能夠提高整體的碳捕集反應(yīng)效率，而且能夠更為充分地發(fā)揮譬如堿金屬和堿土金屬氧化物之類固體吸附劑的優(yōu)點(diǎn)，并大大提高吸附劑在循環(huán)利用中的壽命，降低生產(chǎn)成本；
[0018]2、此外，通過將各個(gè)反應(yīng)器組中的碳酸化反應(yīng)器和再生反應(yīng)器設(shè)置為彼此貼合且進(jìn)行熱傳導(dǎo)，不僅能夠使得整體反應(yīng)體系更為緊湊和便于操作，更重要的是能夠在取得原位吸附/脫附機(jī)理的基礎(chǔ)之上，充分利用了碳酸化反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能，并將其直接近距離傳遞給相匹配安裝的再生反應(yīng)器，進(jìn)而更快地促進(jìn)煅燒反應(yīng)的升溫過程和整體反應(yīng)效率，這反過來會(huì)直接影響到吸附反應(yīng)與脫附反應(yīng)之間的溫差問題；與此同時(shí)，通過設(shè)置切換模塊來調(diào)換各反應(yīng)器組中兩個(gè)反應(yīng)器之間的功能，相應(yīng)每隔一段生產(chǎn)周期后僅需簡(jiǎn)單的氣路切換即刻快捷、高效地實(shí)現(xiàn)連續(xù)捕集(》2的功能；
[0019]3、本發(fā)明在整個(gè)捕集系統(tǒng)中專門設(shè)置有增壓模塊和負(fù)壓模塊并分別作用于碳酸化反應(yīng)器和再生反應(yīng)器，較多的對(duì)比測(cè)試表明，與不設(shè)置這些模塊的方案相比，這樣能夠更為充分地利用平衡分壓與反應(yīng)溫度之間的相互影響，不僅可顯著同時(shí)提高吸附反應(yīng)、脫附反應(yīng)這兩種互逆過程的反應(yīng)速率，而且還能大大減低這兩種互逆過程之間溫差過大的問題，從而進(jìn)一步有助于提高整體反應(yīng)效率，并達(dá)到節(jié)省能耗的效果；
[0020]4、通過對(duì)本發(fā)明中的再生反應(yīng)器增加水蒸氣供應(yīng)源并對(duì)其供應(yīng)量的范圍繼續(xù)進(jìn)行研究，測(cè)試表明，適當(dāng)量的水蒸氣注入不僅能夠使得二氧化碳的分壓降低，而且這反過來會(huì)促進(jìn)煅燒反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)在后續(xù)的冷凝器還能夠幫助水蒸氣與CO2之間的分別，相應(yīng)能夠進(jìn)一步提高操作可控性和整體反應(yīng)效率。
[0021]5、提出水蒸氣負(fù)壓條件下煅燒，大大降低了煅燒反應(yīng)溫度，解決了吸收劑因高溫?zé)Y(jié)而導(dǎo)致的活性降低的問題。大大提高了固體吸收劑的循環(huán)捕集效率，延長(zhǎng)了吸收劑的使用壽命。
[0022]6、較多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，石灰石吸收劑經(jīng)過10次循環(huán)反應(yīng)后，等溫循環(huán)條件下的吸附容量是變溫條件下的10倍，基于本發(fā)明的等溫循環(huán)捕集CO2過程，能夠大幅度的提高堿土金屬氧化物的循環(huán)CO2捕集能力；
[0023]7、再生反應(yīng)器排氣經(jīng)過冷凝后，可以獲得近乎純的⑶2氣體，可以進(jìn)行收集利用或者封存。
[0024]8、通過設(shè)置至少2組反應(yīng)器組，使得吸收劑既可以連續(xù)進(jìn)料和出料，又可以間歇的進(jìn)料和出料。其中若干個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)出料期間，可以保證還有并聯(lián)的至少一對(duì)碳酸化反應(yīng)器和再生反應(yīng)器在連續(xù)的進(jìn)行CO2的捕集。換料期間不需要停機(jī)。
【附圖說明】
[0025]圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)中基于固體吸附劑的變溫碳捕集流化床系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式所構(gòu)建的基于原位吸附/脫附方式的碳連續(xù)循環(huán)捕集系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是用于具體顯示圖2中所示等溫碳捕集循環(huán)反應(yīng)器組的組成結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖；
[0028]圖4是石灰石吸收劑的傳統(tǒng)循環(huán)(650°C_950°C)與等溫循環(huán)(800°C-800°C)捕集CO2技術(shù)的循環(huán)吸附數(shù)據(jù)對(duì)比；
[0029]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0030]1-煙氣凈化模塊2-氣體切換閥件3-增壓風(fēng)機(jī)模塊4-等溫碳捕集循環(huán)反應(yīng)器組5-出氣冷凝裝置6-氣體切換閥件7-負(fù)壓引風(fēng)模塊8-吸附劑進(jìn)料/出料機(jī)構(gòu)41-碳酸化反應(yīng)器42-再生反應(yīng)器101-傳統(tǒng)流化床中的碳酸化反應(yīng)器102-傳統(tǒng)流化床中的