(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112263890 A(43)申请公布日 2021.01.26
(21)申请号 202010946262.2(22)申请日 2020.09.10
(71)申请人 国电新能源技术研究院有限公司
地址 102209 北京市昌平区小汤山镇东流
顺沙路245号(未来科技城)(72)发明人 常超 杨阳 高腾飞 徐冬
孙振新 徐妍 (74)专利代理机构 北京润平知识产权代理有限
公司 11283
代理人 肖冰滨 王晓晓(51)Int.Cl.
B01D 53/02(2006.01)B01D 53/26(2006.01)C01B 32/50(2017.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图2页
CN 112263890 A(54)发明名称
一种烟气余热利用型碳捕集方法和系统(57)摘要
公开了一种烟气余本发明属于碳捕集领域，
热利用型碳捕集方法，该方法包括：对烟气进行深度除水，得到深脱水烟气；通过吸附剂吸附捕集该深脱水烟气中的二氧化碳直至饱和；然后利用未经除水的热烟气对吸附剂升温，加快吸附剂在负压条件下解吸再生，释放二氧化碳气体；再通过冷却、提纯、压缩等过程将解吸得到的气体收集为产品气；最后利用冷却介质对吸附剂降温，进行下一个碳捕集循环。通过在碳捕集前对烟气进行深度除水，使得进入碳捕集阶段的烟气中水含量大幅降低，并利用未经除水的热烟气对再生阶段的吸附剂升温，提高吸附剂再生效率，同时保障了后续碳捕集阶段吸附剂循环使用寿命，有效降低了吸附剂的再生成本，降低再生能耗。
CN 112263890 A
权 利 要 求 书
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1.一种烟气余热利用型碳捕集方法，其特征在于，所述方法包括：除水阶段，对烟气进行深度除水，得到深脱水烟气；吸附阶段，通过吸附剂吸附捕集该深脱水烟气中的二氧化碳直至饱和；再生阶段，利用未经除水的热烟气对吸附剂升温，加快吸附剂在负压条件下解吸再生，释放二氧化碳气体；
精制阶段，对吸附剂解吸得到的气体进行包括冷却、提纯、压缩后收集为二氧化碳产品气；
冷却阶段，利用冷却介质对吸附剂降温，以进行下一个碳捕集循环。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对烟气进行深度除水，得到脱水烟气的步骤为：
将烟气进行气液分离，脱除液滴；将脱除液滴的烟气进行降温，得到粗脱水烟气；将粗脱水烟气进行第二次脱水，得到精脱水烟气；将精脱水烟气进行第三次脱水，得到深脱水烟气。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述烟气的温度为45～55℃，烟气中的水含量为12～18重量％；
所述第一次脱水包括：对脱除液滴的烟气进行降温，得到的粗脱水烟气中的水含量为10～15重量％；
所述第二次脱水包括将所述粗脱水烟气与吸附介质接触，所述吸附介质为硅胶、沸石、氧化硅和氧化铝中的至少一种，得到的精脱水烟气的露点温度为-40℃至-25℃；
所述第三次脱水包括：将所述精脱水烟气与吸收剂接触，所述吸收剂包括氧化钙，得到的深脱水烟气的露点温度为-60℃至-40℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸附剂为包括13X-APG沸石、13X-APG-IIA沸石、5A分子筛、胺基介孔材料、NaX、NaY沸石、硅钛分子筛、介孔材料、金属有机骨架材料、硅胶、活性铝和碳材料中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一层或多层所述吸附剂填充于吸附塔中，将深脱水烟气通入所述吸附塔后，吸附剂在温度10～50℃，压力为1.1～2.0atm的条件下对深脱水烟气中的二氧化碳进行吸附。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述再生阶段中利用真空泵降低吸附塔压力的方式对吸附剂进行解吸再生。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述再生阶段中未经除水的热烟气的温度为90～150℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却介质为水、空气或其他低温气体或液体；
所述冷却介质的初始温度为-30～30℃，并且，利用所述冷却介质将吸附剂的温度降至30～60℃后进行下一个碳捕集循环。
9.一种烟气余热利用型碳捕集系统，应用于上述权利要求1至8任意一项所述的方法中，其特征在于，所述系统包括：
除水装置，用于对烟气进行深度除水，得到深脱水烟气；
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权 利 要 求 书
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吸附与再生装置，与所述除水装置连通，用于通过内部填充的吸附剂吸附捕集该深脱水烟气中的二氧化碳直至饱和，再通入未经除水的热烟气对吸附剂升温，加快吸附剂在负压条件下解吸再生，释放二氧化碳气体；
精制装置，与所述吸附与解吸装置连通，用于接收吸附剂解吸得到的气体，并对其进行包括冷却、提纯、压缩后收集为二氧化碳产品气；
冷却装置，与所述吸附与解吸装置连通，用于向所述所述吸附与解吸装置中通入冷却介质，并利用冷却介质对吸附剂降温，以进行下一个碳捕集循环。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述吸附与再生装置利用真空变压变温耦合工艺连续捕集烟气中的二氧化碳气体；
所述吸附与再生装置包括并联设置的四个吸附塔，每个吸附塔在一个碳捕集循环中依次实现吸附、一次均压、升温、解吸、吹扫、二次均压、加压以及降温八个步骤。
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说 明 书
一种烟气余热利用型碳捕集方法和系统
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技术领域
[0001]本发明涉及碳捕集领域，具体地涉及一种烟气余热利用型碳捕集方法和系统。背景技术
[0002]目前我国的电力供应仍以火电为主，火力发电机组的装机容量占比和燃煤电厂的煤炭消费量在短期内难以实现大幅度调整，煤炭仍将在我国的能源结构中占据主导地位。因此，在高碳能源结构和能源需求迅速增加的双重作用下，碳捕集和封存技术CCS是在不影响经济发展和能源战略安全的前提下实现低碳发展的不二选择。碳捕集与封存是现在唯一能够大幅减排电力与工业CO2排放(达90％)的技术。如果不采用碳捕集与封存技术，实现我国减缓气候变化远期目标的整体成本将会上升25％。[0003]近年来碳捕集技术发展较快，涌现了一大批新技术、新方法。在火电厂尾部烟气碳捕集领域目前应用较为广泛的醇胺吸收法，利用醇胺溶液对火电厂烟气中二氧化碳进行化学吸收，再通过升温方式进行解吸，此方法具有处理量大、单元操作成熟等优势，但面临能耗高、腐蚀性强、潜在环境风险等问题尚未解决。近年来高温吸附再生法具有腐蚀性低等优势，受到研究人员的重视，其利用钙、镁等金属氧化物或盐在高温条件下对二氧化碳进行吸收，但依然存在再生困难、吸收速率低等劣势。因此，现有技术中普遍存在碳捕集能耗和成本较高的问题。
发明内容
[0004]本发明为了降低碳捕集成本，提供了一种烟气余热利用型碳捕集方法和系统。[0005]本发明方案如下：[0006]第一方面，提供了一种烟气余热利用型碳捕集方法，包括：[0007]除水阶段，对烟气进行深度除水，得到深脱水烟气；[0008]吸附阶段，通过吸附剂吸附捕集该深脱水烟气中的二氧化碳直至饱和；[0009]再生阶段，利用未经除水的热烟气对吸附剂升温，加快吸附剂在负压条件下解吸再生，释放二氧化碳气体；[0010]精制阶段，对吸附剂解吸得到的气体进行包括冷却、提纯、压缩后收集为二氧化碳产品气；
[0011]冷却阶段，利用冷却介质对吸附剂降温，以进行下一个碳捕集循环。[0012]优选地，所述对烟气进行深度除水，得到脱水烟气的步骤为：[0013]将烟气进行气液分离，脱除液滴；[0014]将脱除液滴的烟气进行降温，得到粗脱水烟气；[0015]将粗脱水烟气进行第二次脱水，得到精脱水烟气；[0016]将精脱水烟气进行第三次脱水，得到深脱水烟气。[0017]优选地，所述烟气的温度为45-55℃，烟气中的水含量为12-18重量％；[0018]所述第一次脱水包括：对脱除液滴的烟气进行降温，得到的粗脱水烟气中的水含
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说 明 书
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量为10-15重量％；
[0019]所述第二次脱水包括将所述粗脱水烟气与吸附介质接触，所述吸附介质为硅胶、沸石、氧化硅和氧化铝中的至少一种，得到的精脱水烟气的露点温度为-40℃至-25℃；[0020]所述第三次脱水包括：将所述精脱水烟气与吸收剂接触，所述吸收剂包括氧化钙，得到的深脱水烟气的露点温度为-60℃至-40℃。[0021]优选地，所述吸附阶段中在温度10-50℃，压力为1.1-2.0atm的条件下吸附深脱水烟气中的二氧化碳。[0022]优选地，所述吸附剂为包括13X-APG沸石、13X-APG-IIA沸石、5A分子筛、胺基介孔材料、NaX、NaY沸石、硅钛分子筛、介孔材料、金属有机骨架材料、硅胶、活性铝和碳材料中的一种或多种。
[0023]优选地，一层或多层所述吸附剂填充于吸附塔中，将深脱水烟气通入所述吸附塔后，吸附剂在温度10～50℃，压力为1.1～2.0atm的条件下对深脱水烟气中的二氧化碳进行吸附。
[0024]优选地，所述再生阶段中利用真空泵降低吸附塔压力的方式对吸附剂进行解吸再生。
[0025]优选地，所述再生阶段中未经除水的热烟气的温度为90～150℃。[0026]优选地，所述冷却介质为水、空气或其他工艺的低温气体或液体；[0027]所述冷却介质的温度为-30～30℃，并且，利用所述冷却介质将所述吸附剂的温度降至30～60℃后进行下一个碳捕集循环。[0028]第二方面，提供了一种烟气余热利用型碳捕集系统，应用于上述方法中，其特征在于，所述系统包括：[0029]除水装置，用于对烟气进行深度除水，得到深脱水烟气；[0030]吸附与再生装置，与所述除水装置连通，用于通过内部填充的吸附剂吸附捕集该深脱水烟气中的二氧化碳直至饱和，再通入未经除水的热烟气对吸附剂升温，加快吸附剂在负压条件下解吸再生，释放二氧化碳气体；[0031]精制装置，与所述吸附与解吸装置连通，用于接收吸附剂解吸得到的气体，并对其进行冷却、提纯、压缩后收集为二氧化碳产品气；[0032]冷却装置，与所述吸附与解吸装置连通，用于向所述所述吸附与解吸装置中通入冷却介质，并利用冷却介质对吸附剂降温，以进行下一个碳捕集循环。[0033]优选地，所述吸附与再生装置利用真空变压变温耦合工艺连续捕集烟气中的二氧化碳气体；
[0034]所述吸附与再生装置包括并联设置的四个吸附塔，每个吸附塔在一个碳捕集循环中依次实现吸附、一次均压、升温、解吸、吹扫、二次均压、加压以及降温八个步骤。[0035]本发明的上述技术方案相对于现有技术，具有以下优点和积极效果：[0036](1)碳捕集前对烟气进行深度除水，使得后续进入碳捕集阶段的深脱水烟气中的含水量大幅降低，保障了吸附阶段低能耗运行，同时有效降低了吸附剂的再生成本；[0037](2)利用未经除水的热烟气对再生阶段的吸附剂升温，在提高吸附剂再生效率的同时，降低再生能耗；[0038](3)该碳捕集方法造成的腐蚀性低、无二次污染且易于实现自动操作。
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本发明方案的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0040]图1是烟气余热利用型碳捕集方法的步序图；
[0041]图2是烟气余热利用型碳捕集装置的工艺流程示意图。
具体实施方式
[0042]以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。[0043]为降低碳捕集能耗，本发明第一方面提供了一种烟气余热利用型碳捕集方法，如图1所示，该方法包括：[0044]除水阶段S100，对烟气进行深度除水，得到深脱水烟气。[0045]吸附阶段S200，通过吸附剂吸附捕集该深脱水烟气中的二氧化碳直至饱和。[0046]再生阶段S300，利用未经除水的热烟气对吸附剂升温，加快吸附剂在负压条件下解吸再生，释放二氧化碳气体。[0047]精制阶段S400，对吸附剂解吸得到的气体进行包括冷却、提纯、压缩后收集为二氧化碳产品气。
[0048]冷却阶段S500，利用冷却介质对吸附剂降温，以进行下一个碳捕集循环。[0049]在本发明方案中，吸附捕集前对烟气进行深度除水，使得进入吸附阶段的深脱水烟气中的含水量大幅降低，使得碳捕集过程以低能耗运行，有效降低了吸附剂的再生成本；并且，利用未经除水的热烟气对再生阶段的吸附剂升温，在提高吸附剂再生效率的同时，降低再生能耗。
[0050]进一步地，在上述除水步骤中，所述对烟气进行深度除水，得到深脱水烟气，具体包括以下步骤：
[0051]步骤(1)将烟气进行气液分离，脱除液滴；[0052]步骤(2)将脱除液滴的烟气进行第一次脱水，得到粗脱水烟气；[0053]步骤(3)将粗脱水烟气进行第二次脱水，得到精脱水烟气；[0054]步骤(4)将精脱水烟气进行第三次脱水，得到深脱水烟气；[0055]在步骤(1)中，烟气的温度为45～55℃，烟气中的水含量为12～18重量％。根据一个优选的实施方式，采用汽水分离器对所述烟气进行气液分离，脱除烟气中的液滴、粉尘等。
[0056]在步骤(2)中，所述的第一次脱水包括：对脱除液滴的烟气进行降温。可选的，采用换热器对脱除液滴的烟气进行降温，得到的粗脱水烟气的温度为40～48℃，粗脱水烟气中的水含量为10～15重量％，优选为8～12重量％。[0057]在步骤(3)中，所述的第二次脱水包括：将粗脱水烟气与吸附介质接触。该吸附介质优选为硅胶、沸石、氧化硅和氧化铝中的至少一种，吸附介质的吸附饱和量为5～45重量％，优选为15～30重量％。经第二次脱水后得到的精脱水烟气的露点温度为-40℃至-25℃，优选为-40℃至-30℃。[0058]在步骤(4)中，所述的第三次脱水包括：将精脱水烟气与吸收剂接触。该吸收剂优
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选为氧化钙，其用量为：以g计的氧化钙与以m3计的所述精脱水烟气的用量比为10-100：1，优选为15-50：1。经第三次脱水后得到的深脱水烟气的露点温度为-60℃至-40℃，优选为-60℃至-50℃。[0059]并且，为提高资源利用率，例如可以对作为吸附介质使用后的硅胶进行高温再生，再投入第二次脱水过程中循环使用，还可以将与精脱水烟气接触后的氧化钙送至湿法脱硫装置进行循环利用。[0060]进一步地，所述吸附剂为包括13X-APG沸石、13X-APG-IIA沸石、5A分子筛、胺基介孔材料、NaX、NaY沸石、硅钛分子筛、介孔材料、金属有机骨架材料、硅胶、活性铝和碳材料中的一种或多种。
[0061]在实际应用中，吸附剂以一层或多层的方式填充于吸附塔中，将深脱水烟气通入该吸附塔，并在预定条件下利用吸附剂吸收深脱水烟气中的二氧化碳气体。示例性地，所述吸附阶段中在温度10～50℃，压力为1.1atm～2.0atm的条件下吸附深脱水烟气中的二氧化碳。深脱水烟气还可以对吸附剂进行降温，从而提高吸附剂吸附捕集二氧化碳气体的能力。[0062]当吸附剂吸附二氧化碳气体饱和后进入再生阶段，利用真空泵降低吸附塔压力的方式对吸附剂进行解吸再生，从而释放二氧化碳气体以及其他杂气。[0063]所述再生阶段中还将未脱硫之前的高温烟气通入吸附塔，利用该高温烟气对该吸附剂进行加热，使吸附剂的温度升高到再生温度，促使吸附剂解吸再生，加快释放二氧化碳气体。其中，未经除水的热烟气的烟温为90～150℃，吸附剂的再生温度为80～140℃。[0064]在精制阶段，将解吸得到的气体经过冷却、提纯、压缩等步骤后收集为产品气，该产品气即为高纯度的二氧化碳。[0065]在本发明方案中，冷却阶段中的冷却介质为水、空气或其他工艺得到的低温气体或液体，优选地，该冷却介质的温度为-30～30℃。再生阶段后将冷却介质通入吸附塔，利用冷却介质对再生后的吸附剂降温，当吸附剂的温度降至30～60℃后开启下一个碳捕集循环。
[0066]进一步地，本发明还提供了一种烟气余热利用型碳捕集系统，如图2所示，该碳捕集系统包括：
[0067]除水装置S1，用于对烟气进行深度除水，得到深脱水烟气；[0068]吸附与再生装置S4，与所述除水装置S1连通，用于通过内部填充的吸附剂吸附捕集该深脱水烟气中的二氧化碳直至饱和，再通入未经除水的热烟气对吸附剂升温，加快吸附剂在负压条件下解吸再生，释放二氧化碳气体；[0069]精制装置S2，与所述吸附与解吸装置S4连通，用于接收吸附剂解吸得到的气体，并对其进行冷却、提纯、压缩后收集为二氧化碳产品气；[0070]冷却装置S5，与所述吸附与解吸装置S4连通，用于向所述所述吸附与解吸装置S4中通入冷却介质，并利用冷却介质对吸附剂降温，以进行下一个碳捕集循环。[0071]根据一个优选的实施方式，如图2所示，本发明所述的吸附与再生装置S4采用真空变压变温耦合工艺连续吸附捕集烟气或其他工业尾气中CO2气体，其包括并联设置的四个吸附塔(T1-T4)，利用程控阀V1-V20自动调节，使每个吸附塔在一个碳捕集循环中依次实现吸附、一次均压、升温、解吸、二次均压、加压，以及降温这八个步骤。[0072]具体地，步骤(1)吸附：在温度10℃～50℃、压力1.1atm～2atm条件下，利用吸附剂
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吸附捕集烟气中的二氧化碳；[0073]在本步骤中，将露点温度为-60℃至-40℃的深脱水烟气通入吸附塔(烟气脱水步骤如上述方法，此处不再赘述)，该深脱水烟气同时能够冷却吸附剂；对冷料进行吸附，在提高吸附捕集效率的同时，也能冷却吸附塔内的吸附剂，控制操作条件，有效保证冷却吸附剂的同时吸附能力不会下降；[0074]步骤(2)一次均压：与进行步骤(6)操作的另一压力较低的吸附塔进行均压，包括逆向或者反向均压，使本步骤中吸附塔内的压力下降至常压；在均压同时排放吸附塔内的弱吸附组分氮气，提高解吸气体中CO2的纯度；[0075]步骤(3)升温：对吸附剂进行加热使其解吸，包括直接加热或间接加热，例如由加热介质加热或者通电加热吸附剂，使吸附塔内吸附剂的温度上升至80℃～150℃；[0076]吸附塔内置有传热元件，例如翅式加热器、管壳式加热器等，该传热元件通电后对吸附剂进行加热；加热热源可以为工厂其它工艺低品位的余热，例如水蒸汽、热气体或热液体等；优选地，该加热介质还可以为未经除水的热烟气，热烟气的温度为90℃～150℃；[0077]步骤(4)解吸：利用真空泵对吸附塔逆向或者反向抽真空使吸附剂解吸，真空压力1kPa～10kPa；吸附剂解吸得到的气体经冷却、提纯、压缩等步骤后，进入产品气罐回收和储存；
[0078]步骤(5)吹扫：产品气逆向吹扫吸附塔内存留的二氧化碳气体；该吹扫气体也可包括氮气等其它载气，但用量需要控制，以保证产品气的纯度；[0079]步骤(6)二次均压：与进行步骤(2)操作的另一个压力较高的吸附器进行均压，节约输送设备的动力消耗；[0080]步骤(7)加压：采用烟道气加压至吸附时塔内的压力，使用冷的烟气加压，吸附同时也进行吸附剂冷却；[0081]步骤(8)降温：直接、间接或者直接间接同时冷却吸附剂；可以将进行步骤(1)操作的另一个吸附塔流出的低温尾气逆向通过再生吸附塔，直接冷却塔内吸附剂，还可以采用冷却介质辅助冷却吸附剂床层，缩短冷却时间；当吸附剂的温度降到30～60℃时，停止操作，随后进行下一个碳捕集循环；所述的冷却介质为冷空气、水，或其它工艺的低温气体、液体等，优选地，冷却介质温度为-30℃～30℃。
[0082]在本发明所述的吸附/解吸循环工艺中，步骤(3)-步骤(5)中耦合解吸压力1kPa～10kPa，解吸温度80℃～150℃；步骤(1)利用深脱水烟气对吸附剂降温，步骤(8)利用冷却介质对吸附剂降温。
[0083]下面通过一个具体的实施例对碳捕集工艺进行阐述，其目的仅在于更好地理解本发明中的内容。
[0084]本发明实施例中的碳捕集方法具体包括以下流程：[0085]将热烟气通入除水装置S1，该热烟气的温度为50℃，热烟气中的水含量为15重量％，热烟气在除水装置中依次进行气液分离和三道脱水工序，最终得到低温、干燥的深脱水烟气，深脱水烟气的露点温度为-55℃；[0086]以吸附塔T1的工作流程为例，打开阀门V12、V16、V20，在近常压和常温条件下将深脱水烟气从底部通入吸附塔T1，塔内填充有沸石等用于捕集二氧化碳气体的吸附剂，尾气通过经过阀门V16、V20排入烟道，待吸附剂吸附二氧化碳饱和后关闭阀门V12；
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打开真空泵P2、阀门V3，未经除水的热烟气(温度为140℃)从除水装置S1的旁路直
接进入吸附塔T1，利用该热烟气对吸附剂加热，将吸附剂升温到80-140℃的再生温度，加快吸附剂解吸；[0088]同时，启动真空泵P3，至吸附塔T1内的真空压力为3KPa-6KPa，对吸附剂进行降压解吸，然后在真空条件下用少量的氮气逆向吹扫吸附塔T1内滞留的二氧化碳气体，排出的气体在精制装置S2中经过冷却、提纯、压缩等步骤后收集到产品气罐S3，得到高纯度的二氧化碳产品气；
[0089]吸附剂再生后加压，然后打开阀门V2、V3、V7、V11，利用冷却装置S5向吸附塔T1内不断通入温度为-30℃～30℃的冷空气，对吸附剂进行降温，直至吸附剂的温度降至50-60℃后开始下一个碳捕集循环操作。
[0090]本发明的上述技术方案相对于现有技术，具有以下优点和积极效果：[0091](1)碳捕集前对烟气进行深度除水，使得进入后续碳捕集阶段的深脱水烟气中的含水量大幅降低，保障了后续碳捕集阶段低能耗运行，同时有效降低了吸附剂的再生成本；[0092](2)除水后得到的干燥、低温的深脱水烟气，降低了脱硫塔入口烟温，从而减少脱硫塔水量损失；[0093](3)利用未经除水的热烟气对再生阶段的吸附剂升温，在提高吸附剂再生效率的同时，降低再生能耗；[0094](4)该碳捕集方法造成的腐蚀性低、无二次污染且易于实现自动操作。[0095]以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
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