一种多单元段间耦合真空变压吸附CO<sub>2</sub>的方法

文档序号:4967532阅读:210来源:国知局

专利名称::一种多单元段间耦合真空变压吸附CO<sub>2</sub>的方法
技术领域
:本发明属于气体分离领域,涉及到一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,用于捕集烟道气等C02浓度较低的工业尾气中的C02。
背景技术
:烟道气中C02浓度较低,大约在8%~15%。系统对C02的捕集率超过卯。/。的同时要获得0)2浓度超过90%的产品气,可采用高压变压吸附流程。但高压捕集烟道气中的C02由于把烟道气中的氮气等不需要捕集的气体进行高度压縮而浪费了大量能量,从而增加了运行成本,工业尾气中浓度越低,浪费的能量越多。因而对烟道气等工业尾气中的C02进行捕集的变压吸附方法多采用低压真空变压吸附流程。单级低压真空变压吸附很难在既获得较高浓度的同时又对C02有很高的捕集率,所以国际上多采用两级(有的文献或专利上的一些两段的说法实质上为两级)低压真空变压吸附流程,第一级用来预提纯,较纯的气体进入第二级再进行精提纯。通过两级提纯的气体的浓度与捕集率均能超过90%,但由于需要两套动力系统,同时两级分别有一个完整的变压吸附循环,需要两套控制阔,这样既增加了系统运行能耗,又增加了设备成本。
发明内容本发明的目的是利用多单元段间耦合真空变压吸附流程来对烟道气等C02浓度较低的工业尾气中的C02进行捕集,通过段间耦合、第二段的预提纯和对置换气量的控制提高C02产品气的浓度。降低系统的设备成本与运行成本。一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是把真空变压吸附流程分解成36个吸附单元,每个吸附单元由两段吸附塔组成。每个吸附单元通过段间的控制阀与另外两个吸附单元进行耦合。第一吸附单元第一段吸附塔获得C02浓度超过90%以上的产品气,第二段吸附塔对第一段吸附塔输出的气体中的C02气体进行捕集,输出C02浓度低于1.5%的清洁气,并通过同单元两段吸附塔间均压给第一段吸附塔升压,整个系统对C02的捕集率超过90%。多单元段间耦合真空变压吸附流程对烟道气等尾气中C02捕集的真空变压吸附流程,其循环特征l为第一段吸附塔依次经过原料气升压、吸附、均压降压、置换、真空解吸、单元间升压(利用另一吸附单元中第一段吸附塔的顺放气和置换气)、单元内升压(利用同单元间第二段吸附塔的逆放气),第二段吸附塔依次经过升压、吸附、逆放、逆吹。其循环另一特征2为原料气升压、吸附、均压降压、置换、真空解吸、单元内升压(利用同单元间第二段吸附塔的逆放气)、单元间升压(利用另一单元中第一段吸附塔的顺放气和置换气)、单元内升压(利用同单元间第二段吸附塔逆吹阶段的淸洁气)。第二段吸附塔依次经过升压、吸附、顺放、逆放和逆吹。多单元段间耦合真空变压吸附流程控制C02的排放量来提高捕集系统对C02的捕集率,其特征为通过探测仪探测每吸附单元中第二段吸附塔输出的清洁气中C02浓度(探测端口设置在控制阀5或控制阀12或控制阀18与清洁气输出总管路之间,当浓度超出阇值即关闭该吸附单元清洁气输出控制阀5或控制阔12或控制阀18,阈值为C02浓度上限,根据对清洁气的要求不同而不同,一般设置在2%以下。通过对第一段吸附塔输出的产品气中的C02浓度进行探测,当浓度超出设定的阈值时,在下一循环中对该吸附器的置换气量进行调整。不同单元间的均压和置换步骤通过吸附单元段间来完成,均压吋两塔保持10kPa20kPa的压差,压差根据置换气量来确定。每个吸附单元第二段吸附塔对第一段吸附塔输出气体中的C02有提纯功能,由第二段吸附塔提纯的气体返回第一段吸附塔对其升压。在对第二段吸附塔逆吹前,第二段吸附塔的气压高于大气压,关闭输出气总控制阀使第—段吸附塔完成逆吹步骤。第二段吸附塔顺放出来的气体直接进入鼓风机20的引风口。为了保证整个系统对烟道气等工业尾气中C02的捕集率,对每个吸附单元输出的清洁气中C02的浓度进行探测,当其浓度超出阈值时,关闭控制阀5或控制12或控制18,该单元的吸附步骤终止,同时其它塔对应的正在进行的循环步骤终止,进入下一个循环步骤,对于此时正在等待而没有进行上述循环步骤的吸附塔,縮短的等待时间等于吸附步骤减少的时间。为了避免由于各吸附单元加工或装填过程所带来的不平衡,同时也为了避免由于烟道气流不稳等一些因素所带来的各吸附单元间的不平衡,对每个吸附单元真空解吸出来的产品气的C02浓度进行探测,当探测的浓度超出设定的阈值时,调整下一个循环中该塔的置换气量,使产品气浓度趋于稳定。本发明把两段吸附塔串联而组成一个吸附单元,吸附单元之间通过段间耦合能使第一段吸附塔有效地完成各种变压吸附步骤,由于第二段吸附塔能回收第一段吸附塔输出的气体,第一段吸附塔上端的氮气等气体组分能尽量排放到第二段吸附塔,从而整个系统能在高捕集率的前提下获得C02浓度较高的产品气。由于本发明只需一套动力系统和少量的控制阀,从而减少了系统的设备成本和运行成本。图1所示的是三单元段间耦合真空变压吸附流程图2在是在第二段吸附塔与清洁气输出阀之间引出了控制阀24,25和26的三单元段间耦合真空变压吸附流程具体实施方式下面以图1所示的三单元段间耦合真空变压吸附流程中的A单元为例来说明吸附单元的循环步骤升压原料气(烟道气等工业尾气)通过鼓风机20后,压力约为0.06Mpa,再通过控制阀1进入A吸附单元,控制阀l开启时,控制阀2、3、5、6、7、10和控制阀13关闭。打开A吸附单元段间的控制阀4,使A1与A2升压。吸附当A吸附单元两塔中压力达到约0.05MPa(具体鼓风机的而导致该压力有细微的差别)时打开控制阀5,Al和A2两吸附塔的压力维持在0.05MPa,A吸附单元进入吸附阶段(注:升压步骤和吸附步骤有时可合并成一个步骤,即升压的同时打开控制阀5)。A吸附单元吸附完成之后,B吸附单元(由Bl吸附塔和B2吸附塔串联组成)的Bl吸附塔刚完成抽真空解吸步骤,解吸出浓度超过90%的C02产品气经真空罐21和真空泵22后进入C02储存罐23。均压降压A吸附单元吸附步骤完成之后关闭控制阀l、控制阀4和控制阀5,打开控制阀6,此时,控制阀7、控制阀8、控制阀9和控制阀11也处于关闭状态,Al塔与Bl塔均压,A1塔上端气体进入B1塔中。Al塔中的压力降低,Bl塔中的压力上升,但A1塔中的压力仍高于B1塔,两塔压差根据置换程度的不同而不同。置换由于A1塔与B1塔有压差,但压差不大,打开控制阀3(控制阀9和控制阀15处于关闭状态),继续使控制阀6处于开启状态,使C02储存罐23中的产品气经由控制阀3进入A1塔,把A1塔中的氮气等气体置换出来,置换出的气体进入B1继续对B1塔升压。真空解吸置换完成之后,关闭控制阀l、3、4、6和10,打开控制阀2,对A1塔抽真空,获得浓度超过90。/。CO2产品气,产品气经过真空罐21后被真空泵22抽入C02储存罐23中。单元间升压Al塔完成真空解吸之后,C吸附单元由C1吸附塔和C2吸附塔串联组成)中C1塔刚完成吸附步骤。打开控制阀IO,控制阀l、2、3、4、6、13、14、15、16和控制阀17处于关闭状态,Cl吸附塔与Al吸附塔间均压,Cl塔上端的气体进入Al塔,Al塔开始进行第一次升压(单元间升压)。两塔均压完之后,打开控制阀15,C02储存罐23中的气体进入Cl塔置换出其中的杂质气体(主要为氮气),Cl塔中置换出的气体进入Al塔使Al塔完成第一次升压(单元间升压)。Al塔进行均压降压至单元间升压四个步骤时,与A2塔相连的控制阀均关闭,A2处于保压等待阶段。单元内升压分两个阶段前一阶段,关闭控制阀l、2、3、5、6和控制阀10,打开控制阀4,A2塔逆放,Al塔开始第二次升压(单元内升压)。后一阶段,打开控制阀5关闭控制阀19,利用B2塔出来的清洁气对A2塔逆吹,Al塔继续进行第二次升压(单元内升压)。B、C两吸附单元的循环步骤与A吸附单元相同,其相位与A吸附单元分别相差120度和240度。三单元段间耦合真空变压吸附流程也可如图2所示,其对应的循环步骤如表2所示。图2在图1的基础上在第二段吸附塔与清洁气输出阀之间引出了控制阀24,25和26,这三个控制阀的另一端与鼓风机20的进气口不远处的管道相通。如表2所示,第二段吸附塔中的逆放气体作为第一段吸附塔单元内升压(第一次升压)的气体。由于第一段吸附塔第一次升压的气体将在升压阶段处于吸附塔的中间段,所以要求第一次升压气体中C02的浓度较高。因此,在单元间两段吸附塔均压之前,对第二段吸附塔采取顺放步骤,增加塔中C02的浓度。为了充分回收C02,顺放气体引到鼓风机20的进气口。图2所示的流程与表2所示的循环由于对第二段吸附塔釆取了顺放步骤,且两段间的均压的起始点发生在第一段吸附塔压力最低时,两段之间均压后,第二段吸附塔压力较低,增加了第二段吸附塔整个循环间的压差,从而增加了第二段吸附塔中分子筛的利用率表1:第二段无顺放步骤的三单元段间耦合真空变压吸附流程的循环步骤<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2:第二段吸附塔有顺放步骤地三单元段间耦合真空变压吸附的循环步骤<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>权利要求1.一种多单元段间耦合真空变压吸附CO2的方法,其特征是把真空变压吸附流程分解成3~6个吸附单元,每个吸附单元由两段吸附塔组成,每个吸附单元通过段间的控制阀与另外两个吸附单元进行耦合,第一吸附单元第一段吸附塔获得CO2浓度超过90%以上的产品气,第二段吸附塔对第一段吸附塔输出的气体中的CO2气体进行捕集,输出CO2浓度低于1.5%的清洁气,并通过同单元两段吸附塔间均压给第一段吸附塔升压,整个系统对CO2的捕集率超过90%。2.如权利要求1所述一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是对烟道气或尾气中C02捕集的真空变压吸附流程循环特征为第一段吸附塔依次经过原料气升压、吸附、均压降压、置换、真空解吸、利用另一吸附单元中第一段吸附塔的顺放气和置换气进行单元间升压、利用同单元间第二段吸附塔的逆放气进行单元内升压,第二段吸附塔依次经过升压、吸附、逆放、逆吹。3.如权利要求1所述一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是对烟道气或尾气中C02捕集的真空变压吸附流程循环特征为原料气升压、吸附、均压降压、置换、真空解吸、利用同单元间第二段吸附塔的逆放气进行单元内升压、利用另一单元中第一段吸附塔的顺放气和置换气进行单元间升压、利用同单元间第二段吸附塔逆吹阶段的清洁气进行单元内升压。第二段吸附塔依次经过升压、吸附、顺放、逆放和逆吹。4.如权利要求1所述一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是通过控制C02的排放量来提高捕集系统对C02的捕集率,用探测仪探测每吸附单元中第二段吸附塔输出的清洁气中C02浓度,当浓度超出阈值即关闭该吸附单元清洁气输出控制阀(5)或控制(12)或控制(18),探测端口设置在控制阀(5)或控制阀(12)或控制阀(18)与清洁气输出总管路之间,阈值为C02浓度上限,设置在2%以下。5.如权利要求4所述一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是通过对第一段吸附塔输出的产品气中的C02浓度进行探测,当浓度超出设定的阈值时,在下一循环中对该吸附器的置换气量进行调整。6.如权利要求1所述一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是不同单元间的均压和置换步骤通过吸附单元段间来完成,均压时两塔保持10kPa20kPa的压差,压差根据置换气量来确定。7.如权利要求1所述一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是每个吸附单元第二段吸附塔对第一段吸附塔输出气体中的C02有提纯功能,由第二段吸附塔提纯的气体返回第一段吸附塔对第一段吸附塔升压。8.如权利要求1所述一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是在对第二段吸附塔逆吹前,第二段吸附塔的气压高于大气压,关闭输出气总控制阀使第二段吸附塔完成逆吹步骤;第二段吸附塔顺放出来的气体直接进入鼓风机20的引风口。9.如权利要求1所述一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是耦合真空变压吸附流程分为A、B、C三个单元,其中A吸附单元的循环步骤为1)升压原料气通过鼓风机(20)后,压力为0.06Mpa,再通过控制阀(1)进入A吸附单元,控制阀(1)开启时,控制阀(2、3、5、6、7、10)和控制阀(13)关闭,打开A吸附单元段间的控制阔(4),使A1与A2升压;2)吸附当A吸附单元两塔中压力达到0.05MPa时打开控制阀(5),AI和A2两吸附塔的压力维持在0.05MPa,A吸附单元进入吸附阶段;A吸附单元吸附完成之后,由Bl吸附塔和B2吸附塔串联组成的B吸附单元的Bl吸附塔刚完成抽真空解吸步骤,解吸出浓度超过90。/。的CC)2产品气经真空罐(21)和真空泵(22)后进入C02储存罐(23);3)均压降压A吸附单元吸附步骤完成之后关闭控制阀(1、4、5),打开控制阀(6),此时,控制阀(7、8、9、11)也处于关闭状态,Al塔与Bl塔均压,Al塔上端气体进入Bl塔中;Al塔中的压力降低,Bl塔中的压力上升,但A1塔中的压力仍高于B1塔,两塔压差根据置换程度的不同而不同;4)置换由于A1塔与B1塔有压差,打开控制阀(3)、控制阀(9)和控制阀(15)处于关闭状态,继续使控制阀(6)处于开启状态,使C02储存罐(23)中的产品气经由控制阀(3)进入A1塔,把A1塔中的氮气等气体置换出来,置换出的气体进入B1继续对B1塔升压;5)真空解吸置换完成之后,关闭控制阀(1、3、4、6、10),打开控制阀(2),对A1塔抽真空,获得浓度超过90%(202产品气,产品气经过真空罐(21)后被真空泵(22)抽入C02储存罐(23)中;(6)单元间升压Al塔完成真空解吸之后,由C1吸附塔和C2吸附塔串联组成的C吸附单元中C1塔刚完成吸附步骤。打开控制阀(10),控制阀(1、2、3、4、6、13、14、15、16、17)处于关闭状态,Cl吸附塔与Al吸附塔间均压,Cl塔上端的气体进入Al塔,Al塔开始进行单元间升压;两塔均压完之后,打开控制阀(15),C02储存罐(23)中的气体进入C1塔置换出其中的杂质气体,Cl塔中置换出的气体进入Al塔使Al塔完成单元间升压;Al塔进行均压降压至单元间升压四个步骤时,与A2塔相连的控制阀均关闭,A2处于保压等待阶段;7)单元内升压分两个阶段前一阶段,关闭控制阀(1、2、3、5、6、10),打开控制阀(4),A2塔逆放,Al塔开始单元内升压;后一阶段,打开控制阀(5),关闭控制阀(19),利用B2塔出来的清洁气对A2塔逆吹,Al塔继续进行单元内升压;10.如权利要求1所述一种多单元段间耦合真空变压吸附C02的方法,其特征是B、C两吸附单元的循环步骤与A吸附单元相同,其相位与A吸附单元分别相差120度和240度。全文摘要本发明属于气体分离领域,涉及到一种多单元段间耦合真空变压吸附CO<sub>2</sub>的方法,用以对捕集烟道气等CO<sub>2</sub>浓度较低的工业尾气中的CO<sub>2</sub>。其特征是把真空变压吸附流程分解成3~6个吸附单元,每个吸附单元由两段吸附塔组成,每个吸附单元通过段间的控制阀与另外两个吸附单元进行耦合,第一吸附单元第一段吸附塔获得CO<sub>2</sub>浓度超过90%以上的产品气,第二段吸附塔对第一段吸附塔输出的气体中的CO<sub>2</sub>气体进行捕集,输出CO<sub>2</sub>浓度低于1.5%的清洁气,并通过同单元两段吸附塔间均压给第一段吸附塔升压,整个系统对CO<sub>2</sub>的捕集率超过90%。整个系统能在高捕集率的前提下获得CO<sub>2</sub>浓度较高的产品气。由于本发明只需一套动力系统和少量的控制阀,从而减少了系统的设备成本和运行成本。文档编号B01D53/047GK101249369SQ200810103470公开日2008年8月27日申请日期2008年4月7日优先权日2008年4月7日发明者侯庆文,刘应书,刘文海,辉张,曹永正,武志文,郑新港申请人:北京科技大学
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