一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统及其方法

摘要

本发明公开了一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统及其方法，包括醇胺和甲醇混合溶液吸收系统、由再生前甲醇脱除和醇胺碳酸盐再生构成的两步再生二氧化碳系统耦合而成。再生前甲醇脱除利用烟道气余热提供热源脱除吸收后富液中甲醇，再生过程仅对醇胺碳酸盐，避免了显热和蒸发热的能量消耗，减少了热再生过程的蒸汽消耗量。两再生塔通过两套阀设备交替实现甲醇脱除和醇胺碳酸盐再生，保证了捕集系统的连续运行。本发明同时利用了烟道气余热和甲醇蒸汽冷凝热、降低了再生二氧化碳温度，高效实现了电厂烟道气脱碳，具有清洁、高效、节能、脱碳率高等特点。

权利要求

1.一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统，其特征在于，包括底部设有烟道气入口的吸收塔和具有N级填料塔结构的再生塔，吸收塔内设有吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂，烟道气经过再生塔的第一级传热后进入吸收塔，经醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳后从顶部出口排出；

醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳后分流进入再生塔的第1～N级，再生塔位于底部的第1级设有烟道气传热的热交换管路，第1级还设有外部热源；再生塔的顶部设有冷凝器和二氧化碳收集装置。

2.如权利要求1所述的一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统，其特征在于，所述的吸收塔与多个再生塔相连接，多个再生塔内交替使用，实现吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂的连续再生。

3.如权利要求1所述的一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统，其特征在于，所述的醇胺-甲醇混合溶剂为乙醇胺与甲醇按质量比为1:1～2的比例混合。

4.一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将烟道气通入再生塔底部的烟道气入口，经过再生塔底部第一级的热交换管路后进入吸收塔，吸收塔内设有吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂；醇胺-甲醇混合溶剂吸收烟道气中二氧化碳，剩余气体排空；

2）醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳后生成包含乙醇胺碳酸盐的富液；富液分流进入再生塔的第1～N级，在再生塔加热后实现乙醇胺和二氧化碳的再生；

富液在再生塔中加热后蒸出甲醇蒸汽，再生成乙醇胺碳酸盐；其中再生塔底部的第1级的热量由经过的烟道气来提供，第1级的富液受热后生成甲醇蒸汽进入再生塔的上一级冷凝，冷凝时所释放的热量为该级富液再生提供热量；

第2～N级富液再生的热量均由下一级的甲醇蒸汽在冷凝时提供，第N级所产生甲醇蒸汽由冷凝器冷凝；

收集再生塔中第1～N级再生的乙醇胺碳酸盐和冷凝的甲醇，将乙醇胺碳酸盐用外部热源加热后再生成乙醇胺和二氧化碳，将乙醇胺和甲醇返回到吸收塔中，而二氧化碳被压缩后集中存储。

5.如权利要求4所述的二氧化碳两步再生的烟道气脱碳方法，其特征在于，所述的吸收塔分别与第一再生塔和第二再生塔相连接，两个再生塔内交替使用，实现吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂的连续再生：首先关闭吸收塔与第二再生塔连接的管路，烟道气进入第一再生塔的第一级加热来自吸收塔的富液，烟道气温度降低后进入吸收塔中，乙醇胺-甲醇混合溶剂吸收烟道气中的二氧化碳，剩余气体排空；

乙醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳生成的富液分流进入第一再生塔，在第一再生塔中受热脱除甲醇，其中第一级脱除甲醇热量由经过烟道气提供，其他级的热量由前一级生成的甲醇蒸汽冷凝提供，第N级生成的甲醇蒸汽经过冷凝器冷却；

外部热源提供热量给乙醇胺碳酸盐，乙醇胺碳酸盐受热再生成的乙醇胺和冷凝后的甲醇通入吸收塔；然后，关闭吸收塔与第一再生塔连接的管路，打开与第二再生塔连接的管路，富液分流进入第二再生塔，在第二再生塔中再生成乙醇胺和甲醇，再回流到吸收塔中；

交替控制吸收塔与第一再生塔、第二再生塔的连接管路，实现连续捕集二氧化碳。

6.如权利要求4所述的二氧化碳两步再生的烟道气脱碳方法，其特征在于，还在再生塔底部通入吹扫气体，辅助甲醇蒸汽以更顺利的进入上一级。

7.如权利要求4所述的二氧化碳两步再生的烟道气脱碳方法，其特征在于，所述的乙醇胺碳酸盐用外部热源加热后再生成乙醇胺和二氧化碳为：乙醇胺碳酸盐采用化学吸收法中的蒸汽加热方式，利用由外部热源提供能量生成的蒸汽的冷凝热，然后再生成乙醇胺和二氧化碳。

说明书

一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明属于烟道气中二氧化碳减排技术领域，涉及一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统及其方法。

背景技术

[0002] 随着全球经济的快速发展，对能源的消费需求已凸显，由此带来的温室效应等环境问题正给人类可持续发展带来巨大挑战。开展从集中排放源中对烟道气的高效净化技术的基础与应用研究，对于有效减少向大气中的二氧化碳排放量，保护人类生存环境，促进可持续发展，具有重大现实意义。从电厂等集中排放点源减排二氧化碳是最为有效的减排方法。

[0003] 当前，从集中排放点源净化烟道气中二氧化碳主要方法有吸收法、吸附法、深冷捕集、膜分离和化学链燃烧法等。根据吸收原理不同，吸收法可分为化学吸收和物理吸收，其中化学吸收法是捕集二氧化碳最具工业应用价值的方法之一。在燃煤电厂等集中点源烟道气净化脱碳过程常采用化学吸收法，但是，由于高再生能耗导致了高捕集成本的问题。因此，围绕化学吸收法净化电厂烟道气的工艺，研究高效捕集的技术与方法，对于实现二氧化碳的高效减排，具有重大现实意义。

[0004] 目前所开发的电厂烟道气净化系统主要有如下几类：

[0005] (1)燃煤电厂烟道气胺基脱碳系统：当前对燃煤电厂的烟道气脱碳探讨较多，已实现工业化的例子主要是化学吸收法。此类烟道气净化系统具有处理量大、稳定性好、反应速率快、溶剂成本低等特点(Abu-Zahra MRM，Schneiders LHJ，Niederer JPM.CO2 capture from power plants Part I.A parametric study of the technical performance.Int.J.Greenhouse Gas Control，2007；1(1)：37-46.)。但是再生二氧化碳过程巨大的能量消耗成为应用此类净化系统的主要缺点。

[0006] (2)电厂烟道气分步同时脱硫和脱碳系统：有研究人员提出了一种采用氨水作为吸收剂的烟道气净化系统。此类净化系统具有高效、环保等优势，能够首先在第一个洗涤器中脱出二氧化硫，接着在第二个洗涤器中脱出二氧化碳，达到分步同时脱硫和脱碳的目的(Resnik K.P.，Yeh J.T.，Pennline H.W..Carbon Dioxide Capture by a Continuous，Regenerative Ammonia-Based Scrubbing Process[C].2006 American Filtration & Separations Society Topical Conference and Exposition，October 17，2006.Pittsburgh，PA.)。然而，此类净化系统需要解决氨吸收溶剂吸收过程中凝固、堵塞管道的问题。同时该系统没有实现一步脱硫脱碳，成本仍然较高。

[0007] (3)非水溶剂捕集二氧化碳系统：此类捕集二氧化碳系统利用非水溶剂与醇胺混合吸收剂替代常规醇胺水溶液。研究者探讨了其与二氧化碳之间的反应动力学，并揭示了其在传质速率方面的优势，能较快实现二氧化碳脱除。(Park SW，Lee JW，Choi BS，and Lee JW.Kinetics of Absorption of Carbon Dioxide in Monoethanolamine Solutions of Polar Organic Solvents.J.Ind.Eng.Chem.，2005，11(2)，202-209.)。缺点是基于实验系统探讨，未考虑其在工业应用中涉及的塔设备设计以及成本问题。同时，若考虑采用常规热再生，再生能耗成本仍然比较高。

[0008] (4)胺基吸附剂捕集二氧化碳系统：此类净化系统制备醇胺与金属氧化物混合的胺基吸附剂捕集二氧化碳，由于解吸过程是固体醇胺碳酸盐分解，所以再生能量消耗量降低(Sun ZY，Fan MH，Argyle M.Desorption Kinetics of the Monoethanolamine/Macroporous TiO2-Based CO2 Separation Process.Energ.Fuel.2011，25(7)，2988-2996.)。缺点是根据现阶段实验结果，制备该吸附剂过程复杂，采用的金属氧化物成本高，而且该吸附剂在吸附二氧化碳效率方面较化学吸收法低20％～30％左右。

[0009] 由于上述各种缺陷，现有的电厂烟道气净化系统在系统设计、节能、环保等方面还有很大的开发空间，还没能有效实现节能、低成本等目标。

发明内容

[0010] 本发明解决的问题在于提供一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统及其方法，充分利用了烟道气余热和甲醇冷凝热，通过甲醇脱除和醇胺碳酸盐再生两步，建立了373K温度以下再生二氧化碳系统。

[0011] 本发明是通过以下技术方案来实现：

[0012] 一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统，包括底部设有烟道气入口的吸收塔和具有N级填料塔结构的再生塔，吸收塔内设有吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂，烟道气经过再生塔的第一级传热后进入吸收塔，经醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳后从顶部出口排出；

[0013] 醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳后分流进入再生塔的第1～N级，再生塔位于底部的第1级设有烟道气传热的热交换管路，第1级还设有外部热源；再生塔的顶部设有冷凝器和二氧化碳收集装置。

[0014] 所述的吸收塔与多个再生塔相连接，多个再生塔内交替使用，实现吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂的连续再生。

[0015] 所述的醇胺-甲醇混合溶剂为乙醇胺与甲醇按质量比为1∶1～2的比例混合。

[0016] 一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳方法，包括以下步骤：

[0017] 1)将烟道气通入再生塔底部的烟道气入口，经过再生塔底部第一级的热交换管路后进入吸收塔，吸收塔内设有吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂；醇胺-甲醇混合溶剂吸收烟道气中二氧化碳，剩余气体排空；

[0018] 2)醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳后生成包含乙醇胺碳酸盐的富液；富液分流进入再生塔的第1～N级，在再生塔加热后实现乙醇胺和二氧化碳的再生；

[0019] 富液在再生塔中加热后蒸出甲醇蒸汽，再生成乙醇胺碳酸盐；其中再生塔底部的第1级的热量由经过的烟道气来提供，第1级的富液受热后生成甲醇蒸汽进入再生塔的上一级冷凝，冷凝时所释放的热量为该级富液再生提供热量；

[0020] 第2～N级富液再生的热量均由下一级的甲醇蒸汽在冷凝时提供，第N级所产生甲醇蒸汽由冷凝器冷凝；

[0021] 收集再生塔中第1～N级再生的乙醇胺碳酸盐和冷凝的甲醇，将乙醇胺碳酸盐用外部热源加热后再生成乙醇胺和二氧化碳，将乙醇胺和甲醇返回到吸收塔中，而二氧化碳被压缩后集中存储。

[0022] 所述的吸收塔分别与第一再生塔和第二再生塔相连接，两个再生塔内交替使用，实现吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂的连续再生：

[0023] 首先关闭吸收塔与第二再生塔连接的管路，烟道气进入第一再生塔的第一级加热来自吸收塔的富液，烟道气温度降低后进入吸收塔中，乙醇胺-甲醇混合溶剂吸收烟道气中的二氧化碳，剩余气体排空；

[0024] 乙醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳生成的富液分流进入第一再生塔，在第一再生塔中受热脱除甲醇，其中第一级脱除甲醇热量由经过烟道气提供，其他级的热量由前一级生成的甲醇蒸汽冷凝提供，第N级生成的甲醇蒸汽经过冷凝器冷却；

[0025] 外部热源提供热量给乙醇胺碳酸盐，乙醇胺碳酸盐受热再生成的乙醇胺和冷凝后的甲醇通入吸收塔；然后，关闭吸收塔与第一再生塔连接的管路，打开与第二再生塔连接的管路，富液分流进入第二再生塔，在第二再生塔中再生成乙醇胺和甲醇，再回流到吸收塔中；

[0026] 交替控制吸收塔与第一再生塔、第二再生塔的连接管路，实现连续捕集二氧化碳。

[0027] 所述的二氧化碳两步再生的烟道气脱碳方法，还在再生塔底部通入吹扫气体辅助甲醇蒸汽。

[0028] 所述的乙醇胺碳酸盐用外部热源加热后再生成乙醇胺和二氧化碳为：乙醇胺碳酸盐采用化学吸收法中的蒸汽加热方式，利用由外部热源提供能量生成的蒸汽的冷凝热，然后再生成乙醇胺和二氧化碳。

[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0030] 本发明提供的氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统，利用乙醇胺和甲醇混合溶剂捕集二氧化碳，结合甲醇沸点较低的特点，实现再生塔中包括甲醇脱除和醇胺碳酸盐再生的两步再生二氧化碳过程，充分利用了烟道气余热和甲醇冷凝热实现再生前甲醇脱除，实现了二氧化碳系统的再生，是一种新型的高效电厂烟道气脱除二氧化碳净化系统。此系统相对于目前开发的电厂烟道气净化系统而言具有结构简单、节能等优势，可有效提高目前烟道气净化系统的能源利用效率，并且对废热利用技术与二氧化碳捕集技术耦合运用的过程集成研究有促进作用。

[0031] 本发明提供的二氧化碳两步再生的烟道气脱碳方法，采用烟道气余热可以利用的特点，交替引入高温烟道气进入两再生塔的第一级脱除富液中的部分甲醇，再生的甲醇蒸汽作为能量源蒸发下一级中富液里的甲醇，直到甲醇全部脱除。甲醇脱除后再生塔中全部为乙醇胺碳酸盐，因此节约了常规乙醇胺水溶液再生过程中的显热和蒸发热，降低了再生能耗。同时，利用冷凝后甲醇与再生后乙醇胺混合在吸收塔中吸收二氧化碳，实现捕集系统的连续进行。上述再生前甲醇脱除和乙醇胺碳酸盐再生构成两步再生二氧化碳过程，同时实现了能量梯级利用，有效降低了再生温度，实现了高效捕集电厂二氧化碳。

[0032] 采用本发明提供的二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统及其方法，具有清洁、高效、节能、脱碳率高的特点。

附图说明

[0033] 图1是本发明的系统的流程示意图。

具体实施方式

[0034] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

[0035] 参见图1，一种二氧化碳两步再生的烟道气脱碳系统，包括底部设有烟道气入口的吸收塔和具有N级填料塔结构的再生塔，吸收塔内设有吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂，烟道气经过再生塔的第一级传热后进入吸收塔，经醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳后从顶部出口排出；

[0036] 醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳后分流进入再生塔的第1～N级，再生塔位于底部的第1级设有烟道气传热的热交换管路，第1级还设有外部热源；再生塔的顶部设有冷凝器和二氧化碳收集装置。

[0037] 上述系统包括2部分组成，分别是：(1)醇胺甲醇混合溶剂(其中乙醇胺与甲醇按质量比为1∶1～2的比例混合)吸收二氧化碳系统；(2)两步再生二氧化碳系统。醇胺甲醇混合溶剂吸收二氧化碳系统高效吸收烟道气中二氧化碳，生成溶于甲醇溶剂中的乙醇胺碳酸盐。两步再生二氧化碳系统依次脱除富液中甲醇，再生乙醇胺碳酸盐，减少溶液再生时大量浪费的显热消耗和高温再生时蒸发热消耗。这两部分系统使整个烟道气净化系统达到节能的要求。

[0038] 为了实现连续捕集二氧化碳，所述的吸收塔与多个再生塔相连接，多个再生塔内交替使用，实现吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂的连续再生。具体工作方法如下：

[0039] 1)将烟道气通入再生塔底部的烟道气入口，经过再生塔底部第一级的热交换管路后进入吸收塔，吸收塔内设有吸收二氧化碳的醇胺-甲醇混合溶剂；醇胺-甲醇混合溶剂吸收烟道气中二氧化碳，剩余气体排空；

[0040] 2)醇胺-甲醇混合溶剂吸收二氧化碳后生成包含乙醇胺碳酸盐的富液；富液分流进入再生塔的第1～N级，在再生塔加热后实现乙醇胺和二氧化碳的再生；富液在N级再生塔中的各级的分配根据烟道气的温度和流量等量分配，烟道气可回收的能量的N倍热量等于富液中甲醇的蒸发热；

[0041] 富液在再生塔中加热后蒸出甲醇蒸汽，再生成乙醇胺碳酸盐；其中再生塔底部的第1级的热量由经过的烟道气来提供，第1级的富液受热后生成甲醇蒸汽进入再生塔的上一级冷凝，冷凝时所释放的热量为该级富液再生提供热量；具体的还可在再生塔底部通入的少量吹扫气体，辅助甲醇蒸汽以更顺利的进入上一级

[0042] 第2～N级富液再生的热量均由下一级的甲醇蒸汽在冷凝时提供，第N级所产生甲醇蒸汽由冷凝器冷凝；

[0043] 乙醇胺碳酸盐利用再生塔每级底部关闭的辅助隔板富集在再生塔中，再生时打开辅助隔板实现乙醇胺和二氧化碳收集通道。乙醇胺碳酸盐采用化学吸收法中的蒸汽加热方式，利用蒸汽(由外部热源H1、H2提供能量)冷凝热实现乙醇胺碳酸盐热再生；

[0044] 收集再生塔中第1～N级再生的乙醇胺碳酸盐和冷凝的甲醇，将乙醇胺碳酸盐用外部热源加热后再生成乙醇胺和二氧化碳，将乙醇胺和甲醇返回到吸收塔中，而二氧化碳被压缩后集中存储。

[0045] 参见图1，第一再生塔S1和第二再生塔S2的连续调控如下：

[0046] 首先关闭阀门V1和V6，开启阀门V2～V5。烟道气经过阀门V5进入再生塔S1中第一级加热来自吸收塔A中的富液，烟道气温度降低后进入吸收塔A中与乙醇胺和甲醇混合溶剂反应脱除其中二氧化碳，剩余氮气排空。吸收二氧化碳后的富液经过V2～V4分别泵入多级(N)再生塔S1中脱除甲醇。第一级脱除甲醇热量由来自V5的高温烟道气提供，其他级的热量由前一级生成的甲醇蒸汽冷凝提供。第N级生成的甲醇蒸汽经过冷凝器E1冷却。最后，外部热源H1加热再生塔S1中乙醇胺碳酸盐，生成的乙醇胺和冷凝后甲醇通入吸收塔A，再生的二氧化碳进入管网送入压缩阶段升压后送入地质存储过程中。同时，关闭阀V2～V5，并开启阀V1和V6。此时，再生塔S2依据再生塔S1中同样过程脱除富液中甲醇并再生乙醇胺碳酸盐。

[0047] 当再生塔S1中再生过程和再生塔S2中甲醇脱除同时完成后，交替控制阀门(V1和V6)和阀门(V2～V5)开关，实现连续高效捕集二氧化碳。

[0048] 具体的采用上述系统和方法用来完成某600MW电厂排放的含13.3％二氧化碳的流量为616kg/s的烟道气(烟道气的温度150℃)净化。采用的乙醇胺-甲醇溶剂流量为350kg/s，其中乙醇胺质量分数为40％。设计三级再生填料塔结构来满足富液中甲醇脱除和乙醇胺碳酸盐再生。

[0049] 在再生时，甲醇溶液受热脱除在338K温度下进行，再生乙醇胺碳酸盐温度设定为363K，压力为0.1MPa。计算获得可以脱除烟道气中90％二氧化碳，再生能耗为1.85GJ/t，较常规乙醇胺水溶液捕集二氧化碳能耗降低约45％。同时，经济性分析计算得电厂效率仅降低7％，二氧化碳捕集成本约为193元/t，较常规乙醇胺水溶液捕集二氧化碳降低46％。