用于相变吸收剂的低能耗碳捕集装置及方法
本发明涉及二氧化碳捕集，尤其涉及用于相变吸收剂的低能耗碳捕集装置及方法，其在超重力反应器内使用纳米流体相变吸收剂脱除二氧化碳以及在超重力反应器内实现富液相解吸。
背景技术：
1、由温室气体引起的全球气候变化是当今世界最为显著的环境问题之一。二氧化碳(co2)作为最主要的温室气体，其控制与减排是近年来各国关注的热点。同时，co2也是重要的基础化学品之一，可用于化工合成、食品冷藏等领域，将co2有效捕集分离具有环保和经济价值。目前工业上最成熟，应用最广泛的碳捕集方法是以有机胺水溶液作为吸收剂的化学吸收法，其具有co2脱除效率高，气体处理量大的优点，如乙醇胺(mea)、n-甲基二乙醇胺(mdea)等。但传统化学吸收法存在解吸能耗高、设备投资高、溶剂损耗高、设备传质传热效果差等问题，限制了其工业应用。因此，亟需开发高吸收性能、低再生能耗的碳捕集技术，来突破传统碳捕集工艺的缺陷。
2、使用相变吸收剂的相变特性可显著降低碳捕集过程中的能耗，改善传统化学吸收法高能耗的瓶颈。相变吸收剂在吸收co2之前为均相溶液，吸收一定量的co2后发生相变，分为两相。其中，co2仅富集于其中一相，称为co2富液相，另外一相为co2贫液相。因而只需要将co2富液相送至解吸工序进行解吸，减少了需要再生的溶剂量，从而大幅降低解吸过程中的能耗。此外，纳米流体是将纳米颗粒分散在吸收剂中提高传质和传热，从而强化吸收和解吸性能。纳米颗粒在吸收阶段可以起到较好的气液传质强化作用，提高吸收效率；在解吸阶段利用其大比表面积、高导热性对传热过程有明显传热和传质强化，增强再生效果。
3、在传统塔器设备中，相变吸收剂中非水组分浓度高于常规吸收剂，其粘度较大，容易导致产生流动困难、填料堵塞的问题，进而造成传质效率降低，影响吸收性能。同时，相变体系容易于吸收塔中产生分相，导致产生高co2浓度的富相和低吸收能力的贫相，总传质推动力下降。在解吸单元，由于产物氨基甲酸酯与其他组分间的相互作用，co2富液相的粘度相对较高，通常约为水的40-200倍。在传统塔设备中，如此高的粘度会降低co2的传质速率和溶剂的传热速率，增加解吸塔和换热器的占地面积，导致co2捕集成本的增加。因此，具备高传质和高传热的装置及方法是实现相变吸收剂体系的大规模碳捕集工业应用的关键。采用高效的过程强化设备，可以避免高粘度和易堵塞的限制，提高吸收和解吸过程的传质和传热效率。本发明提出的技术方案采用超重力反应器作为纳米流体相变吸收剂吸收和解吸的核心设备，提升气液间的传质传热效率，避免相变对系统性能的不利影响。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的用于相变吸收剂的低能耗碳捕集装置及方法，以超重力反应器为吸收设备，使用纳米流体相变吸收剂脱除co2，在超重力反应器内再生脱碳富液相的方法，可应用于大规模的工业烟气或尾气的碳捕集过程。
2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
3、用于相变吸收剂的低能耗碳捕集装置及方法，包括：超重力吸收装置、贫液冷却器、吸收液输送泵、混合器、贫富液换热器、富液预热器、超重力解吸装置、换热器、冷凝器、分离器、再沸器、贫液输送泵、富液相输送泵、贫液相输送泵、贫富液相分离器；
4、超重力吸收装置的液体出口连接贫富液相分离器，贫富液相分离器出口之一通过富液相输送泵、贫富液换热器和富液预热器连接超重力解吸装置的液体进口，超重力解吸装置的液体出口连接再沸器，再沸器出口之一通过贫液输送泵和贫富液换热器连接混合器，贫富液相分离器的另一出口通过贫液相输送泵连接混合器，混合器液体出口通过吸收液输送泵和贫液冷却器连接超重力吸收装置的液体进口；
5、超重力解吸装置的气体出口连接换热器，换热器出口之一通过冷凝器连接分离器，分离器液体出口连接换热器，换热器另一出口连接再沸器，再沸器另一出口连接超重力解吸装置气体进口。
6、作为本发明的进一步技术方案，超重力吸收装置和超重力解吸装置均包括但不局限于旋转填充床、定转子反应器、折流旋转床等超重力旋转设备。
7、作为本发明的进一步技术方案，超重力吸收装置和超重力解吸装置的填料均包括但不局限于丝网式、叶片式、导向板式、螺旋通道式、网柱式。
8、用于相变吸收剂的低能耗碳捕集方法，包括以下具体步骤：
9、s1：预处理后的混合气体进入超重力吸收装置，与纳米流体相变吸收剂逆流接触，co2被吸收进入液相，脱碳后的气体离开超重力吸收装置，排出或进入后续工序；
10、s2：s1中脱碳后的纳米流体相变吸收剂进入贫富液相分离器，在贫富液相分离器内发生分相，生成富液相和贫液相，富液相通过富液相输送泵输运，经过贫富液换热器和富液预热器的加热被预热至设定温度进入超重力解吸装置；
11、s3：s2中进入超重力解吸装置的富液相与蒸汽逆流接触，co2从富液中解吸并被蒸汽带走，富液相解吸后变为贫液，进入再沸器，通过贫液输送泵输运，经过贫富液换热器后送往混合器，与贫液相混合形成均匀液相，作为纳米流体相变吸收剂在超重力吸收装置中循环利用再次吸收co2；
12、s4：s3中蒸汽与富液接触后离开超重力解吸装置，进入换热器回收部分热量，再经过冷凝器和分离器将蒸汽与co2分离获得高纯度的co2，co2作为产品气体收集或送往下游工序；
13、s5：s4中冷凝后的蒸汽变为液态，经过换热器换热后进入再沸器。
14、作为本发明的进一步技术方案，s1中，气体温度、吸收剂温度和超重力吸收装置内温度为30-60℃，系统压力为0.10-0.20mpa；超重力吸收装置的超重力水平为100-500；气液体积流量比为100-250。
15、作为本发明的进一步技术方案，s1中，选用的吸收剂为纳米流体相变吸收剂，吸收co2前为均相溶剂、吸收一定量co2后产生分相；形成富液相和贫液相采用的纳米流体相变吸收剂是由吸收剂、分相剂、水、纳米粒子以及其他助剂构成的混合体系。
16、作为本发明的进一步技术方案，采用的吸收剂包括但不局限于乙醇胺、羟乙基乙二胺、二乙烯三胺、二乙醇胺、三亚乙基四胺等；采用的分相剂包括但不局限于二乙胺乙醇、n,n-二甲基环己胺、正丙醇、正丁醇等。
17、作为本发明的进一步技术方案，采用的纳米粒子包括但不局限于纳米氧化铝、纳米氧化钛、纳米氧化硅、纳米氧化铜等，纳米粒子的添加量为0-0.1wt.％。
18、作为本发明的进一步技术方案，s2中，富液相预热后的温度为70-90℃。
19、作为本发明的进一步技术方案，s3中，超重力解吸装置内的温度为90-110℃，压力为0.05-0.20mpa；超重力水平为100-500；再沸器温度为90-130℃。
20、本发明的有益效果为：
21、1.吸收效率高，避免高粘度和填料堵塞的影响：纳米流体相变吸收剂吸收co2的过程在超重力反应器中进行，超重力反应器利用填料的高速旋转将液相分散成极小的微元，微观混合程度高，大幅度提高传质效率；同时，吸收剂吸收co2的过程中不会发生分相，而是始终维持均一状态，避免了相变带来的不利影响；此外，超重力反应器中填料类型可根据实际工况变更，实现大的流通面积，避免了易堵塞的问题。
22、2.传热速率快，解吸效率高，再生能耗低：co2解吸过程在超重力反应器中进行，使气液两相在反应器内充分接触和混合，传热效率高，传热均匀，且超重力反应器的设备尺寸小，其湿床压降小于干床压降；进口蒸汽无需克服太大阻力穿过填料及富液，解吸过程可在低压下进行，低压下气体在液相中的溶解度低，可得到更高的解吸率；因此，该方法在高传热效率下强化解吸效果，降低所需的解吸能耗，同时减少设备投资。
技术特征：
1.用于相变吸收剂的低能耗碳捕集装置，其特征在于，包括：超重力吸收装置(1)、贫液冷却器(2)、吸收液输送泵(3)、混合器(4)、贫富液换热器(5)、富液预热器(6)、超重力解吸装置(7)、换热器(8)、冷凝器(9)、分离器(10)、再沸器(11)、贫液输送泵(12)、富液相输送泵(13)、贫液相输送泵(14)、贫富液相分离器(15)；
2.根据权利要求1所述的用于相变吸收剂的低能耗碳捕集装置，其特征在于，所述超重力吸收装置(1)和超重力解吸装置(7)均包括但不局限于旋转填充床、定转子反应器、折流旋转床等超重力旋转设备。
3.根据权利要求1所述的用于相变吸收剂的低能耗碳捕集装置，其特征在于，所述超重力吸收装置(1)和超重力解吸装置(7)的填料均包括但不局限于丝网式、叶片式、导向板式、螺旋通道式、网柱式。
4.根据权利要求1-3所述装置的用于纳米流体相变吸收剂的低能耗碳捕集方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
5.根据权利要求4所述的用于相变吸收剂的低能耗碳捕集方法，其特征在于，所述s1中，气体温度、吸收剂温度和超重力吸收装置(1)内温度为30-60℃，系统压力为0.10-0.20mpa；超重力吸收装置(1)的超重力水平为100-500；气液体积流量比为100-250。
6.根据权利要求4所述的用于相变吸收剂的低能耗碳捕集方法，其特征在于，所述s1中，选用的吸收剂为纳米流体相变吸收剂，吸收co2前为均相溶剂、吸收一定量co2后产生分相；形成富液相和贫液相采用的纳米流体相变吸收剂是由吸收剂、分相剂、水、纳米粒子以及其他助剂构成的混合体系。
7.根据权利要求6所述的用于相变吸收剂的低能耗碳捕集方法，其特征在于，采用的吸收剂包括但不局限于乙醇胺、羟乙基乙二胺、二乙烯三胺、二乙醇胺、三亚乙基四胺等；采用的分相剂包括但不局限于二乙胺乙醇、n,n-二甲基环己胺、正丙醇、正丁醇等。
8.根据权利要求6所述的用于相变吸收剂的低能耗碳捕集方法，其特征在于，采用的纳米粒子包括但不局限于纳米氧化铝、纳米氧化钛、纳米氧化硅、纳米氧化铜等，纳米粒子的添加量为0-0.1wt.％。
9.根据权利要求4所述的用于相变吸收剂的低能耗碳捕集方法，其特征在于，所述s2中，富液相预热后的温度为70-90℃。
10.根据权利要求4所述的用于相变吸收剂的低能耗碳捕集方法，其特征在于，所述s3中，超重力解吸装置(7)内的温度为90-110°c，压力为0.05-0.20mpa；超重力水平为100-500；再沸器(11)温度为90-130℃。
技术总结
本发明公开了用于相变吸收剂的低能耗碳捕集装置及方法，包括按照一定方式连接的超重力吸收装置、贫液冷却器、吸收液输送泵、混合器、贫富液换热器、富液预热器、超重力解吸装置、换热器、冷凝器、分离器、再沸器、贫液输送泵、富液相输送泵、贫液相输送泵、贫富液相分离器。本发明的装置及方法具备捕集效率高、解吸效率高、再生能耗低、设备尺寸小等特点，有效实现了不同气源条件下CO<subgt;2</subgt;的高效捕集和分离，可应用于大规模的工业烟气或尾气的碳捕集过程。
技术研发人员：张亮亮,张博,贾瑞琪,王栋,初广文,肖家旺,陈建峰,苏梦军
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5