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一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统及方法

阅读：1040发布：2020-07-23

IPRDB可以提供一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统及方法，属于大气污染物治理技术领域。该系统包括加磁三相床吸收塔、贫富液换热器、再生塔和CO2存储装置，其中加磁三相床吸收塔通过管道依次连接贫富液换热器、再生塔和CO2存储装置；再生塔设置贫液出口，通过管道回连至贫富液换热器，再通过管道连接加磁三相床吸收塔。CO2在磁场和磁性颗粒的共同作用下被吸收剂吸收，CO2富液流经贫富液换热器，在再生塔中释放出CO2，同时得到CO2贫液。贫液流经贫富液换热器，回到三相床继续吸收CO2。本系统利用磁场和磁性颗粒来提高吸收剂对CO2的吸收效率，同时富液和贫液中均携带有少量的磁性颗粒，颗粒可强化贫富液的换热过程及吸收液的再生过程，减少再生能耗。，下面是一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统，其特征在于，包括加磁三相床吸收塔、贫富液换热器、再生塔和CO2储存装置，其中，加磁三相床吸收塔设有烟气入口、烟气出口、贫液入口和富液出口，富液出口连接富液泵，通过富液泵连接至贫富液换热器，贫富液换热器连接再生塔的富液入口，再生塔另设有贫液出口，回连至贫富液换热器，贫富液换热器还连接贫液泵，通过贫液泵连接至加磁三相床吸收塔的贫液入口，再生塔还设有CO2出口，连接CO2储存装置；所有设备之间采用管道的方式连接；

所述加磁三相床吸收塔由磁场发生装置和三相床吸收塔组成，其中，磁场发生装置设置在三相床吸收塔外部，三相床吸收塔内部包含吸收剂和磁性颗粒床料，所述烟气入口、烟气出口、贫液入口和富液出口均设置于三相床吸收塔上。

2.根据权利要求1所述的一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统，其特征在于，所述磁场发生装置由磁场发生线圈和电源组成，磁场发生线圈选用亥姆霍兹线圈。

3.根据权利要求1所述的一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统，其特征在于，所述磁性颗粒床料选用铁、钴、镍及其合金。

4.根据权利要求1所述的一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统，其特征在于，所述吸收剂选用乙醇胺类溶液或氨水。

5.根据权利要求1所述的一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统，其特征在于，所述三相床布置为流化床、滴流床或浆态床。

6.根据权利要求1所述的一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统，其特征在于，所述再生塔内部包含热源，热源采用电阻丝或导热油。

7.根据权利要求1所述的一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统，其特征在于，所述CO2储存装置包括CO2压缩泵和CO2储罐，所述再生塔通过管道依次连接CO2压缩泵和CO2储罐。

8.基于权利要求1所述的利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统的烟气脱碳方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)烟气从烟气入口进入三相床吸收塔，其中的CO2通过在磁场和磁性颗粒的辅助作用下与吸收剂发生化学反应而被脱除，脱碳的烟气通过烟气出口排空；

步骤2)吸收剂在三相床吸收塔中吸收从烟气中脱除的CO2，形成富液，富液通过三相床吸收塔的富液出口排出，经富液泵，进入贫富液换热器预热，然后由再生塔的富液入口进入再生塔；

步骤3)富液在再生塔中受热分解为纯CO2和贫液，贫液从再生塔的贫液出口排出，流经贫富液换热器，放出热量后，经贫液泵，通过三相床吸收塔的贫液入口重回三相床吸收塔循环利用，继续脱碳；

步骤4)纯CO2由再生塔的CO2出口排出，进入CO2储存装置。

说明书全文

一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于大气污染物治理技术领域，具体涉及一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统及方法。

背景技术

[0002] 当今人类的主要能源是矿物燃料，但矿物燃料燃烧会产生大量的CO2排放，导致全球气候变暖。在CO2集中排放行业(如燃煤电厂)推行碳捕集与存储技术(CCS)，是解决能源需求和气候变化这一对矛盾最有效的途径。CCS技术由碳捕集、输送与存储等环节组成，其中碳捕集所耗费用占总费用的70～80％，是最为关键的环节。碳捕集技术包括燃烧前碳分离技术、富氧燃烧技术、化学链燃烧技术和烟气脱碳技术等。烟气脱碳技术不需改变现有电厂布局，技术和经济可行性较高。在吸收法、吸附法、低温法和膜法等烟气脱碳技术中，工业化程度最高的是化学吸收法。

[0003] 化学吸收法实质是利用碱性吸收剂吸收烟气中的CO2，形成不稳定的盐类；而盐类在一定条件下逆向分解释放出CO2，同时吸收剂的吸收能力得到再生。脱碳过程在吸收塔中发生，吸收塔的传质效率和吸收剂的吸收能力都直接影响着脱碳溶剂的循环量和脱碳效果，从而影响着脱碳的成本。吸收塔的传质效率低、吸收剂的吸收能力弱，会导致脱碳溶剂的循环量大，脱碳工艺的再生负荷提高，系统能耗增加。因此，提高吸收塔的传质效率，同时增强吸收剂的吸收能力，是降低化学吸收法脱碳成本，提高经济效益的有效方法。

[0004] 现阶段，化学吸收法所用到的气体吸收设备主要采用筛板塔、填料塔和喷雾塔等。筛板塔传质面积较小，结构复杂，大多数工作于加压条件下。中国专利文献CN101423214A采用填料塔进行脱碳，填料塔生产能力大，分离效率高，但是采用氨水吸收剂时，氨水与CO2的反应产物会生成结晶物从而堵塞填料。为此设计多层填料和喷雾装置，这都增加了系统运行和维护成本，不能根本上提高脱除效率。中国专利文献CN102218261A采用喷雾塔进行脱碳，喷雾塔结构简单，不用担心堵塞的问题，且散热好，接触面积大、气相压降小。但烟气流量很大时，气液接触时间短，CO2脱除率难以提高。

发明内容

[0005] 鉴于上述情况，本发明旨在将加磁气液固三相床引入化学吸收法烟气脱碳工艺，即在吸收剂中添加磁性颗粒，使得吸收剂在外加磁场和磁性颗粒的双重作用下吸收CO2，气液间的接触效率、传热、传质和化学反应都能得到强化，从而达到降低脱碳溶剂循环量和再生能耗的效果。同时，部分颗粒随含碳富液流经换热器，并流入再生塔，这些颗粒可有效提高换热器和再生塔的换热效率，可进一步降低再生能耗。

[0006] 本发明的目的是提供一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统。

[0007] 本发明的另一目的是提供一种基于上述烟气脱碳系统的烟气脱碳方法。

[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0009] 一种利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统，包括加磁三相床吸收塔、贫富液换热器、再生塔和CO2储存装置，其中，加磁三相床吸收塔设有烟气入口、烟气出口、贫液入口和富液出口，富液出口连接富液泵，通过富液泵连接至贫富液换热器，贫富液换热器连接再生塔的富液入口，再生塔另设有贫液出口，回连至贫富液换热器，贫富液换热器还连接贫液泵，通过贫液泵连接至加磁三相床吸收塔的贫液入口，再生塔还设有CO2出口，连接CO2储存装置；所有设备之间采用管道的方式连接；

[0010] 所述加磁三相床吸收塔由磁场发生装置和三相床吸收塔组成，其中，磁场发生装置设置在三相床吸收塔外部，三相床吸收塔内部包含吸收剂和磁性颗粒床料，所述烟气入口、烟气出口、贫液入口和富液出口均设置于三相床吸收塔上。

[0011] 所述磁场发生装置由磁场发生线圈和电源组成，磁场发生线圈选用亥姆霍兹线圈。

[0012] 所述磁性颗粒床料选用铁、钴、镍及其合金。

[0013] 所述吸收剂选用乙醇胺类溶液或氨水。

[0014] 所述三相床布置为流化床、滴流床或浆态床。

[0015] 所述再生塔内部包含热源，热源采用电阻丝或导热油。

[0016] 所述CO2储存装置包括CO2压缩泵和CO2储罐，所述再生塔通过管道依次连接CO2压缩泵和CO2储罐。

[0017] 基于利用加磁气液固三相床的烟气脱碳系统的烟气脱碳方法，包括以下步骤：

[0018] 步骤1)烟气从烟气入口进入三相床吸收塔，其中的CO2通过在磁场和磁性颗粒的辅助作用下与吸收剂发生化学反应而被脱除，脱碳的烟气通过烟气出口排空；

[0019] 步骤2)吸收剂在三相床吸收塔中吸收从烟气中脱除的CO2，形成富液，富液通过三相床吸收塔的富液出口排出，经富液泵，进入贫富液换热器预热，然后由再生塔的富液入口进入再生塔；

[0020] 步骤3)富液在再生塔中受热分解为纯CO2和贫液，贫液从再生塔的贫液出口排出，流经贫富液换热器，放出热量后，经贫液泵，通过三相床吸收塔的贫液入口重回三相床吸收塔循环利用，继续脱碳；

[0021] 步骤4)纯CO2由再生塔的CO2出口排出，进入CO2储存装置。

[0022] 本发明具有如下有益效果：

[0023] 本发明脱碳效率远高于常规反应器脱碳效率，并在吸收剂浓度下降、烟气流量增高以及反应温度下降的不利条件下，脱碳效率都可稳定在较高数值。随着脱碳效率的提高，循环溶剂量下降，再生能耗减少。整个脱碳设备占地面积和空间体积大幅减小，基建、操作和运行费用都得以下降，最终导致脱碳成本的下降。

附图说明

[0024] 图1为加磁气液固三相床烟气脱碳系统。

[0025] 图1中：1.烟气入口；2.磁场发生线圈；3.三相床吸收塔；4.烟气出口；5.富液出口；6.富液泵；7.贫富液换热器；8.富液入口；9.再生塔；10.贫液出口；11.贫液泵；12.贫液入口；13.CO2出口；14.CO2压缩泵；15.CO2储罐；16.电源。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明的具体实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0027] 加磁气液固三相床烟气脱碳系统，如图1所示，包括：烟气入口1、磁场发生线圈2、三相床吸收塔3、烟气出口4、富液出口5、富液泵6、贫富液换热器7、富液入口8、再生塔9、贫液出口10、贫液泵11、贫液入口12、CO2出口13、CO2压缩泵14、CO2储罐15、电源16。

[0028] 其中，三相床吸收塔3设有富液出口5连接富液泵6，通过富液泵6连接至贫富液换热器7，贫富液换热器7连接再生塔9的富液入口8，再生塔9另设有贫液出口10，回连至贫富液换热器7，贫富液换热器7还连接贫液泵11，通过贫液泵11连接至三相床吸收塔的贫液入口12，再生塔9还设有CO2出口13，连接CO2储存装置。所有设备之间采用管道的方式连接。

[0029] 本发明采用加磁三相床吸收塔作为吸收装置。加磁三相床吸收塔由磁场发生装置和三相床吸收塔3组成。

[0030] 磁场发生装置由磁场发生线圈2和电源16组成，磁场发生线圈2可选用亥姆霍兹线圈，生成低强度的恒稳或交变磁场。磁场发生装置设置在三相床吸收塔3外部。磁场发生线圈2包围着床体，在床体内气液反应区域形成稳定或交变磁场。

[0031] 三相床吸收塔3包括：壳体、磁性颗粒床料、吸收剂、烟气入口1、烟气出口4、富液出口5和贫液入口12。磁性颗粒床料可选用过渡元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质，床料预先设置于壳体下部。吸收剂可选用乙醇胺类溶液或氨水。三相床可布置为流化床、滴流床或浆态床等多种反应器模式。

[0032] 本发明采用化学吸收法脱除烟气中的CO2。吸收剂在三相床吸收塔3中吸收烟气中的CO2，形成含大量CO2的富液。富液在贫富液换热器7中预热后，进入再生塔9受热分解，释放出纯CO2和含少量CO2的贫液。纯CO2经压缩后存储。贫液送回贫富液换热器7中放热，然后重新进入吸收塔中浸润磁性颗粒，在磁场和磁性颗粒的共同作用下和CO2进行反应，循环利用。

[0033] 烟气脱碳方法：将烟气通入掺有磁性颗粒的吸收剂贫液，外加磁场控制颗粒在贫液中的运动形态，使得贫液在强混合、液膜很薄以及界面快速更新的情况下与气体充分接触，完成CO2的脱除。磁性颗粒以纳米Fe3O4颗粒，添加量2g/L为最优；外加磁场以恒稳磁场，N极朝下垂直布置，场强8mT为最优。富液和贫液中均携带少量的磁性颗粒，颗粒可提高贫、富液换热效率，并提高再生过程中富液吸热效率。

[0034] 磁场的作用有两方面：一是使得磁性颗粒受到磁化，在反应区域产生更大强度的磁场；二是调节磁性颗粒的运动状态，使其在三相床中均匀分布。另外，磁场还可促进特定吸收剂(例如氨水)的反应活性，提高其CO2吸收能力。磁性颗粒的作用为：延长吸收剂和CO2接触时间，增进吸收剂和CO2的接触效率，使得吸收剂在强混合、液膜很薄以及界面快速更新的情况下与气体充分接触，强化气液传质，从而提高CO2吸收效率。

[0035] 贫富液换热器7为贫液和富液的换热装置。吸收塔工作温度在20℃左右，出口富液温度也在20℃左右；再生塔工作温度在110℃左右，出口贫液温度也在110℃左右。富液在进入再生塔之前，先在贫富液换热器中预热升温；而贫液在返回吸收塔之前，先在贫富液换热器中放热降温。贫富液换热器中流动的贫液和富液都含有微量的磁性颗粒。当携带少量颗粒时，贫液和富液间的换热效率提高，贫液的吸热过程和富液的放热过程都得到强化。

[0036] 再生塔9为吸收剂再生装置，由热源、壳体、富液入口8、贫液出口10和CO2出口13组成。热源可采用电阻丝或导热油。富液在进入再生塔9时也携带了少量的磁性颗粒，这些颗粒有助于提高富液吸热效率，减少再生热量。预热后的富液进入再生塔9进一步受热，分解为纯CO2气体和含少量CO2的贫液。贫液流经贫富液换热器7后，返回三相床吸收塔3循环利用。

[0037] CO2储存装置包括CO2压缩泵14和CO2储罐15。纯CO2从再生塔的CO2出口13排出，经CO2压缩泵14压缩为液态后存入CO2储罐15。

[0038] 本发明所述的加磁气液固三相床烟气脱碳系统的整体工作流程为：烟气从三相床吸收塔的烟气入口1进入三相床吸收塔3，其中的CO2在磁场发生线圈2的作用下(磁场和磁性颗粒的共同作用)被脱除；脱碳的烟气通过烟气出口4排空；吸收剂在三相床吸收塔3中吸收从烟气中脱除的CO2，形成含大量CO2的富液；富液通过三相床吸收塔的富液出口5排出，经富液泵6，进入贫富液换热器7预热，然后由再生塔的富液入口8进入再生塔9；富液在再生塔9中受热分解为纯CO2和含少量CO2的贫液，贫液从再生塔的贫液出口10排出，流经贫富液换热器7，放出热量后，经贫液泵11，通过三相床吸收塔的贫液入口12重回三相床吸收塔3循环利用，继续脱碳；纯CO2由再生塔的CO2出口13排出，经CO2压缩泵14压缩后储入CO2储罐15。

[0039] 实施例1：

[0040] 采用N2和CO2气体混合模拟烟气，氨水吸收剂，Fe3O4纳米颗粒和恒温垂直磁场，在反应温度20℃，模拟烟气流量2.0L/min，氨水浓度5％，CO2浓度20％工况下，选取无磁场无颗粒、仅有磁场、仅有颗粒、颗粒和磁场协同作用条件四种情况，考察吸收塔中磁场和磁性颗粒对脱碳效率的影响。结果见表1。

[0041] 表1：不同时间脱碳效率

[0042]

[0043] 实施例2：

[0044] 实施流程同实施例一，具体考察选用加磁气液固三相床和普通鼓泡床(不加磁场和颗粒)，氨水浓度和烟气流量等操作参数对脱碳效率影响规律方面的差别。结果见表2和表3。

[0045] 表2：不同氨水浓度脱碳效率

[0046]

[0047]

[0048] 表3：不同烟气流量脱碳效率

[0049]

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