專(zhuān)利名稱(chēng)：CO₂分離-液化-提純系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種CO2分離-液化-提純系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
CO2是一種主要的溫室氣體，由于產(chǎn)生的量特別巨大(每年由于人類(lèi)活動(dòng)排放的 CO2量在200億噸以上)，其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)對(duì)全球升溫的貢獻(xiàn)百分比達(dá)60%左右。由于CO2 排放的90%左右來(lái)自于化石能源利用過(guò)程，因此在能源利用過(guò)程中進(jìn)行CO2的捕獲與封存 被認(rèn)為是一種能大規(guī)模減少CO2排放的可行技術(shù)。目前，能源利用過(guò)程中進(jìn)行CO2捕獲的主要技術(shù)路線(xiàn)有三條1.燃燒后的CO2分離回收是指在能源系統(tǒng)的尾部亦即熱力循環(huán)的排氣中分離和回 收C02。由于可以從已建成的能源系統(tǒng)排氣中回收CO2而無(wú)需對(duì)能源系統(tǒng)本身作太多改造， 因而這種回收方法與現(xiàn)有能源系統(tǒng)的兼容性較好。然而，與其它環(huán)境污染物(如硫化物和 氮氧化物)不同的是，CO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且需要處理的量很大，而在能源系統(tǒng)尾部排氣中 CO2濃度很低(體積濃度僅3% 15%左右)，因而雖然有關(guān)物理、化學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)CO2的 分離回收，但其分離回收過(guò)程的能耗與投資很高，從而使CO2減排的成本過(guò)高、消耗的額外 能源量過(guò)大，難以接受。2.采用富氧燃燒回收CO2 (又稱(chēng)燃燒中0)2回收方法)是能源動(dòng)力系統(tǒng)CO2減排方 法中的另一個(gè)重要的途徑。理論上采用純度較高的富氧(如O2摩爾濃度在95%以上的富 氧)組織燃燒時(shí)其尾部煙氣中的CO2摩爾濃度(也就是體積濃度)可以達(dá)到95% 98%。 但實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和示范裝置表明，其CO2摩爾濃度最高只能達(dá)到80% 90%，進(jìn)一步提高濃 度則會(huì)使不完全燃燒損失等大幅增加，其雜質(zhì)氣體包括N2、02、Ar等。這樣濃度的CO2氣體 是很難用于其它工業(yè)用途的，也無(wú)法用于CO2的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，因此必須進(jìn)行進(jìn)一步的分離提 純。然而，如果采用傳統(tǒng)的化學(xué)或物理吸收法來(lái)分離回收CO2,則一方面在分離環(huán)節(jié)又將引 入很高的能耗與投資，另一方面CO2氣體的壓縮或液化也會(huì)帶來(lái)高能耗，再加上氧氣制備過(guò) 程的能耗與投資，將使總的CO2回收能耗與成本非常高昂，更加難以接受。因此，能夠從CO2 濃度較高的混合氣體中低能耗地分離提純CO2的方法，對(duì)于富氧燃燒這種新型環(huán)保技術(shù)路 線(xiàn)而言意義重大。3.燃燒前CO2分離回收技術(shù)路線(xiàn)也是能源動(dòng)力系統(tǒng)CO2減排方法中的一個(gè)重要 的途徑。由于CO2分離是在燃燒過(guò)程前進(jìn)行的，燃料氣尚未被氮?dú)庀♂專(zhuān)蛛x合成氣中的 CO2摩爾濃度可以高達(dá)30% -50%以上，此時(shí)其CO2分離能耗相對(duì)于燃燒后分離將有明顯下 降。例如煤氣化后的合成氣經(jīng)變換反應(yīng)后的生成的shift變換氣，一般而言其CO2摩爾濃度 可達(dá)40%左右，余下的60%大部分為H2。實(shí)際上在燃燒前還可將待分離混合氣中的CO2摩 爾濃度進(jìn)一步提高例如煤氣化的合成氣經(jīng)shift變換后形成的混合氣，如再經(jīng)過(guò)一個(gè)清 潔能源生產(chǎn)流程(如PSA制氫流程)，將其中大部分H2提取出來(lái)，即可獲得CO2體積濃度在 70 85%左右的C02/H2混合氣體。隨著混合氣中CO2摩爾濃度的進(jìn)一步提高，其CO2分離 能耗理論上說(shuō)也應(yīng)繼續(xù)降低；但實(shí)際上，當(dāng)混合氣中的CO2摩爾濃度進(jìn)一步提高時(shí)，若采用傳統(tǒng)的物理吸收分離法其CO2分離能耗卻無(wú)明顯的降低。顯然，當(dāng)混合氣中CO2濃度進(jìn)一步 提高時(shí)，傳統(tǒng)的物理吸收分離法已不能充分發(fā)揮CO2濃度上升帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。因此開(kāi)拓適合 于高濃度下低能耗的CO2分離回收新方法，對(duì)于進(jìn)一步改善能源系統(tǒng)燃燒前CO2回收技術(shù)路 線(xiàn)的綜合性能、降低CO2減排的能源與成本而言，意義重大。具體到CO2分離過(guò)程而言，在能源利用過(guò)程中分離CO2的主要技術(shù)有吸收技術(shù)(包括化學(xué)吸收與物理吸收)、吸附技術(shù)、膜分離技術(shù)和低溫相變分離技術(shù)。其中，化學(xué)吸收 法可從常壓低濃度的電廠尾氣中分離CO2，分離出的CO2氣純度高且處理量大，但能耗巨大、 投資高、成本高，難以大規(guī)模推廣。物理吸收法也可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO2分離且能耗較低，但物 理吸收法分離出來(lái)的CO2為氣態(tài)，其壓縮液化還需要消耗較多能源；且其分離出的CO2純度 較低，難以滿(mǎn)足CO2的某些工業(yè)應(yīng)用與運(yùn)輸儲(chǔ)存的要求。而吸附技術(shù)與膜分離技術(shù)雖然分 離CO2時(shí)能耗低、操作簡(jiǎn)單，但在不同程度上面臨CO2壓縮液化耗功多、CO2純度尚難達(dá)到較 高工業(yè)應(yīng)用和運(yùn)輸儲(chǔ)存的要求等問(wèn)題，而且這些方法其處理量較小、成本偏高，近期難以實(shí) 現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。低溫相變分離法(又稱(chēng)深冷分離法)是通過(guò)低溫冷凝分離CO2的一種物理過(guò)程。 低溫相變分離法可以在較低壓力下將CO2直接以液體形式分離出來(lái)，節(jié)省了 CO2壓縮液化過(guò) 程中大量的壓縮功；同時(shí)，壓縮、冷卻、汽液分離等都是工業(yè)上較為成熟的技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)大 規(guī)模操作；且運(yùn)行過(guò)程不需化學(xué)試劑，無(wú)二次污染，是一種很有發(fā)展前景的CO2分離方法。低 溫分離法一般通過(guò)將混合氣壓縮和冷卻，以引起CO2的相變，達(dá)到從混合氣中分離CO2的目 的。但一般工業(yè)上常見(jiàn)的含CO2都是CO2與一些沸點(diǎn)更低、更難液化的氣體(如H2、N2, 02、 八1"、014等)的混合物，這樣的混合氣中CO2相變溫度會(huì)顯著降低；在CO2濃度較低時(shí)CO2相變 溫度甚至?xí)抵?100°C以下。此時(shí)CO2相變溫度已經(jīng)低于純CO2的三相點(diǎn)溫度(-56. 6°C )， 因此可能會(huì)出現(xiàn)CO2以固態(tài)析出而凍結(jié)設(shè)備的問(wèn)題，同時(shí)為保持超低溫工作狀態(tài)需要消耗 大量能源。因此，改進(jìn)低溫相變分離法的重點(diǎn)在于如何提高混合氣中CO2的相變溫度，從而 避免CO2的凍結(jié)以及超低溫制取過(guò)程的巨大能耗。CN101039735公開(kāi)了一種通過(guò)在溫度接近但高于CO2的三相點(diǎn)溫度的狀態(tài)下冷凝， 隨后吸收氣態(tài)CO2的方法，在冷凝過(guò)程中CO2未被液化。CN101460801公開(kāi)了一種CO2純化 方法，其中進(jìn)料流被壓縮并引入壓力低于該進(jìn)料流的汽提塔中，以使足量的熱從進(jìn)料流傳 遞到汽提塔的再沸器，以產(chǎn)生具有高純度的CO2，并用于在高于常壓的壓力下回收產(chǎn)物CO2, 以使壓縮能量最小化，該方法生產(chǎn)的CO2產(chǎn)品也是氣態(tài)C02。CN101231130公開(kāi)了一種通過(guò) 在傳質(zhì)分離塔系統(tǒng)通過(guò)分離式膨脹的CO2純化方法，此方法能夠分離出純度高于97mol %的 CO2液體，但不能保證可以獲得極高純度的CO2液體，且其分離能耗較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種CO2分離-液化-提純系統(tǒng)及方法，其特征在于該 系統(tǒng)由分離液化組件和提純組件組成；所述分離液化組件包括由壓縮設(shè)備Cl、第一換熱器 HI、第二換熱器H2、氣液分離器Sl串聯(lián)后、以及液體泵Pl再與氣液分離器Si、第一換熱器 Hl連接組成第一級(jí)壓縮分離裝置，或根據(jù)CO2分離能否達(dá)到所設(shè)定的CO2分離率適當(dāng)增加 分離液化裝置的級(jí)數(shù)；所述提純組件主要由、前置調(diào)壓閥VI、前置調(diào)溫器H3、精餾塔R1、后 置調(diào)壓閥V2和后置調(diào)溫器H4串聯(lián)構(gòu)成。
所述增加分離液化組件的級(jí)數(shù)是將壓縮分離組件中的分離液化裝置，一級(jí)一級(jí)直 接連接組成后續(xù)分離級(jí)，并在最末后續(xù)分離級(jí)后面連接膨脹透平設(shè)備Tl，以進(jìn)行能量回收 再利用后排空；其中分離液化裝置包括壓縮設(shè)備、兩級(jí)換熱器、汽液分離器和液體泵。所述精餾塔內(nèi)設(shè)置塔板的數(shù)量根據(jù)用戶(hù)需要的產(chǎn)品純度來(lái)決定，該精餾塔需用 4-10塊的塔板即能夠滿(mǎn)足最后的CO2液體純度在99. 9%以上的要求。所述CO2分離_液化_提純方法，其特征在于，在分離液化組件中，通過(guò)壓氣機(jī)增 加混合氣總壓力來(lái)提高CO2的分壓，以提高CO2的相變溫度，在相對(duì)高的冷凝溫度下將混合 氣體中大部分CO2以液態(tài)形式分離出來(lái)；并采用了多次分離與壓縮，提高分離率；離開(kāi)分離 液化組件的粗CO2液體純度達(dá)到95% 98%，且具有-45°c _15°C的溫度，經(jīng)過(guò)一次與入 口混合氣的換熱后，再進(jìn)入提純組件中進(jìn)行純化，再將其送入精餾裝置進(jìn)行分離提純，調(diào)整 分離出的高純度液態(tài)CO2的溫度和壓力，以滿(mǎn)足工業(yè)或運(yùn)輸儲(chǔ)存的要求，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè) CO2回收能耗的大幅降低，且提純后的CO2液體純度能夠達(dá)到99. 9%以上，滿(mǎn)足大部分工業(yè) 應(yīng)用要求和運(yùn)輸儲(chǔ)存要求。具體步驟如下(1)含CO2混合氣進(jìn)入CO2分離_液化_提純系統(tǒng)的第一個(gè)組件是分離液化組件， 在該組件中進(jìn)行CO2的粗分離與液化a.通過(guò)壓氣機(jī)加壓至15 40bar，經(jīng)過(guò)冷卻水冷卻至常溫后仍為氣態(tài)混合物；b.氣態(tài)混合物在第一換熱器中被降溫后又在第二換熱器中被制冷機(jī)進(jìn)一步降溫 至-45°C -15°C ；此時(shí)混合氣中的CO2將部分液化析出，采用常規(guī)的氣液分離器進(jìn)行氣液 分離；c.用泵對(duì)分離出來(lái)的粗CO2液體加壓至60 120bar，并通過(guò)與混合氣換熱，把部 分冷能返回系統(tǒng)用于冷卻混合氣；(2)根據(jù)在第一級(jí)組件中分離出來(lái)的粗CO2液體的量是否滿(mǎn)足用戶(hù)所要求的回收 率，而選擇是否增加分離液化組件中分離液化裝置的級(jí)數(shù)，組成后續(xù)分離級(jí)；后續(xù)分離級(jí)的 混合氣冷卻相變溫度仍維持與第一級(jí)相近的溫度_45°C _15°C范圍，但壓氣機(jī)的壓力將 逐漸提高，從而使更多的CO2被分離液化出來(lái)，使其達(dá)到分離率的要求；分離完成后的低碳 混合氣則經(jīng)過(guò)膨脹透平設(shè)備回收部分機(jī)械能后被排出系統(tǒng)；(3)在保證了分離率的同時(shí)，對(duì) 所分離出來(lái)的粗CO2液體進(jìn)行進(jìn)一步提純a.將從分離液化組件中冷凝回收出來(lái)的粗CO2液體送入分離提純組件前，其摩爾 濃度達(dá)95% 98% ；b.通過(guò)前置冷卻器、前置壓力閥的調(diào)節(jié)，使粗CO2液體在60bar 120bar高壓下， 在接近常溫的_15°C 15°C的條件下進(jìn)入精餾塔，粗CO2液體進(jìn)入精餾塔的位置在上塔的 頂部；c.此時(shí)，通過(guò)常規(guī)制冷機(jī)保證塔頂?shù)臏囟仍赺20°C 20°C，塔斧的溫度在-10°C 300C的情況下，對(duì)液態(tài)CO2進(jìn)行精餾，此時(shí)CO2精餾塔的塔斧溫度和塔頂溫度都接近常溫，且 需要的加熱量和散熱量都非常少，整個(gè)精餾塔又幾乎無(wú)其它耗能設(shè)備，因而精餾過(guò)程的能 耗極低；d精餾塔采用低回流率或回流率為0，從精餾塔的塔底將產(chǎn)出摩爾濃度達(dá)99% 99. 99%的高純度液態(tài)CO2，這種高純度CO2用于運(yùn)輸封存或者商業(yè)利用；同時(shí)塔頂?shù)碾s質(zhì)氣體根據(jù)用戶(hù)需求以及環(huán)保要求來(lái)進(jìn)行再利用、或者回收部分機(jī)械能后排空。所述回收率即分離回收的C02占混合氣中原來(lái)的C02的比例。本發(fā)明的有益效果是通過(guò)C02低溫相變分離法、低溫精餾提純方法基礎(chǔ)上的集成 創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)co2回收能耗的大幅降低，且可以得到高純度的液體co2產(chǎn)品，可滿(mǎn)足co2 大規(guī)模運(yùn)輸封存的要求，因而可以作為化石能源系統(tǒng)大規(guī)模co2捕獲與封存系統(tǒng)(即在國(guó) 際上備受推崇的所謂CCS系統(tǒng))中的一項(xiàng)重要的核心技術(shù)；根據(jù)用戶(hù)需要，通過(guò)流程參數(shù)上 的適當(dāng)調(diào)整(如采用增加精餾塔板、提高提餾率等措施)，即可使液態(tài)co2產(chǎn)品的純度達(dá)到 99. 99 %以上，不僅可滿(mǎn)足C02儲(chǔ)存運(yùn)輸和一般工業(yè)應(yīng)用的要求，而且可以滿(mǎn)足某些對(duì)C02純 度有極高標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)(如食品行業(yè))的要求，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛。同時(shí)，該系統(tǒng)由換熱器、 壓縮機(jī)、氣液分離器、精餾塔等常用工業(yè)設(shè)備組成，且全流程沒(méi)有采用化學(xué)溶劑，因此設(shè)備 的造價(jià)低廉、安全性高、運(yùn)行維護(hù)成本較低。可廣泛用于從C02的混合氣體中分離提純C02， 特別適合于從C02濃度較高的混合氣體中分離C02。


圖1為C02分離-液化-提純系統(tǒng)的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種C02分離_液化_提純系統(tǒng)及方法。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例予以 說(shuō)明。從圖1所示C02分離_液化_提純系統(tǒng)流程圖中可以看出，該系統(tǒng)分為分離液化 組件和提純組件兩個(gè)部分。在分離液化組件中，通過(guò)壓氣機(jī)增加混合氣壓力來(lái)提高co2的 分壓，并采用多次分離與壓縮的方式將co2液化。在提純組件中，通過(guò)精餾裝置將分離出的 液態(tài)co2進(jìn)行提純。具體步驟為(1)含0)2的混合氣(圖中流股1)進(jìn)入第一級(jí)的壓縮設(shè)備C1，首先被壓縮至 15bar 40bar ；經(jīng)過(guò)冷卻水冷卻到常溫后其溫度約為25°C _40°C，此時(shí)仍為氣態(tài)混合物 (圖中流股2)；(2)氣態(tài)混合物(圖中流股2)在第一換熱器HI中被降溫；(3)被降溫氣態(tài)混合物(圖中流股3)又在第二換熱器H2中被制冷機(jī)進(jìn)一步降溫 至-45°C _15°C，此時(shí)的混合氣(圖中流股4)中C02已部分液化析出；(4)采用常規(guī)的氣液分離器S1將部分液化的C02分離出來(lái)；分離出來(lái)的液態(tài) C02(圖中流股6)可用泵P1進(jìn)一步升壓至60bar 120bar，此時(shí)所分離出的C02保持液態(tài)；此時(shí)，如不能達(dá)到所設(shè)定的C02分離率，則可適當(dāng)增加分離液化組件的級(jí)數(shù)(如 兩級(jí)、三級(jí)或更多分離級(jí)，但一般三級(jí)分離液化裝置可實(shí)現(xiàn)該組件90%以上的0)2分 離率)，即將前一級(jí)分離后的低碳混合氣(圖中流股5)送入下一級(jí)分離液化裝置繼 續(xù)分離回收C02;后續(xù)分離級(jí)的混合氣冷卻相變溫度仍維持與第一級(jí)相近的溫度范圍 (_45°C -15°C )，但壓氣機(jī)的壓力將逐漸提高，從而使更多的C02被分離液化出來(lái)，使其達(dá) 到分離率的要求。如若分離率已經(jīng)達(dá)到用戶(hù)要求，可將液態(tài)C02送入提純組件，而分離后的 低碳混合氣(圖中流股9)則經(jīng)過(guò)膨脹透平設(shè)備T1回收部分壓能后(圖中流股10)被排空 或送入指定流程。
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(5)泵PI出口的液態(tài)C02 (圖中流股7)溫度約為-40°C _10°C，C02的摩爾濃度 可達(dá)95 % 98 %，被送入換熱器HI中與壓縮后的混合氣換熱，將其所具有的低溫冷能進(jìn) 行回收；匯總了各分離級(jí)流出分離液化組件的粗C02液體(圖中流股12)在高壓(60bar 120bar)，接近常溫(_15°C 15°C )的狀態(tài)下進(jìn)入提純組件；(6)進(jìn)入提純組件后，粗C02液體(圖中流股12)首先送入前置調(diào)壓閥VI和前置 調(diào)溫器H3中調(diào)整溫度和壓力，再將其送入精餾塔中進(jìn)行精餾提純。(7)粗C02液體(圖中流股13)進(jìn)入精餾塔R1的位置在上塔的頂部。在保證塔頂 的溫度在_20°C 20°C，塔斧的溫度在-10°C 30°C的條件下，對(duì)液態(tài)C02進(jìn)行精餾提純。(8)從精餾塔底部出來(lái)的高純度液態(tài)C02 (圖中物流14)經(jīng)過(guò)后置調(diào)壓閥V2、后置 調(diào)溫裝置H4調(diào)壓調(diào)溫后，即可得到符合用戶(hù)需求的高純度液態(tài)C02產(chǎn)品(圖中物流15)。(9)在精餾塔R1的頂部產(chǎn)生少量的雜質(zhì)氣體(圖中物流16)，排空或排放到指定 流程。實(shí)施例1選取含C02和N2、02、Ar分別為80%、10%、5%、5%的混合氣體作為研究對(duì)象，分 析co2分離-液化-提純系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分離時(shí)的物流與能耗特性。該氣體成分類(lèi)似于以煤 為燃料的高純度富氧條件下燃燒產(chǎn)物的煙氣成分。計(jì)算中，取壓縮機(jī)效率為0. 8，膨脹透平效率0. 85，泵效率為0. 8，平均換熱溫差 一般換熱器、前置調(diào)溫器與后置調(diào)溫器> 10°c ；低溫?fù)Q熱器> 5°C ；最低換熱溫差一般換 熱器、前置調(diào)溫器與后置調(diào)溫器> 8°C ；低溫?fù)Q熱器> 2°C。系統(tǒng)分為分離液化組件與提純 組件兩部分，其中分離液化組件采用了三級(jí)分離液化，即需要3組分離液化設(shè)備。從表1中可以看出，混合氣(物流1)在進(jìn)入第一級(jí)壓縮機(jī)C1前壓力為5bar，其 C02摩爾濃度為80%，雜質(zhì)氣體成分為N2 (摩爾濃度為10% )、02 (摩爾濃度為5% )、Ar (摩 爾濃度為5% )。此時(shí)如果直接用低溫冷能法進(jìn)行分離C02，則需要降至_58°C以下才可能 有C02以干冰形式析出；而通過(guò)壓縮液化組件(三級(jí))后，有90.8%的C02以液態(tài)形式從混 合氣中被分離出來(lái)，而分離出來(lái)的粗C02液體(物流12)純度達(dá)到96.9%。此后，粗液態(tài) C02 (物流12)進(jìn)入系統(tǒng)的提純組件，經(jīng)過(guò)前置調(diào)壓、調(diào)溫裝之后進(jìn)入精餾塔R，精餾塔R選用 10級(jí)塔板、壓力取78bar。雜質(zhì)氣體在塔頂排出，溫度為7. 9°C ；塔底產(chǎn)生高純度液態(tài)C02的 壓力為78bar，純度高達(dá)99. 99%，經(jīng)調(diào)溫調(diào)壓后作為產(chǎn)品輸出系統(tǒng)。C02 “分離-液化-提 純”一體化系統(tǒng)的壓縮液化組件的C02回收率為90. 8%，提純組件的C02回收率為96. 5%, 最終整個(gè)系統(tǒng)的C02回收率達(dá)到87. 7%。表 1
8 表2 從表2中可以看出C02 “分離-液化-提純”系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很好的綜合性能當(dāng)含 CO2摩爾濃度為80%的混合氣體流量為lkg/s時(shí)，分離液化組件功耗為30. 61kW，提純組件 功耗為1. 44kff,最終，“分離-液化-提純”系統(tǒng)將87. 7%的CO2從混合氣中分離出來(lái)，消耗 的總功率為32. 05kff,單位CO2的回收能耗為0. 120kffh/kg,而分離出的CO2產(chǎn)品的純度更是 高達(dá) 99. 99%。
表3產(chǎn)品的技術(shù)效果 從表3中可以看出，相比于典型的MEA化學(xué)吸收法回收流程與Selexol物理吸收 法回收流程(這兩種傳統(tǒng)CO2回收流程的相關(guān)性能參數(shù)引自美國(guó)能源部DOE的專(zhuān)門(mén)報(bào)告，報(bào) 告號(hào)ANL/ESD-24)相比，CO2 “分離-液化-提純”系統(tǒng)的回收率略有降低，但其CO2回收能 耗比MEA回收流程大幅降低64%，相對(duì)于Selexol回收流程也下降了近10%。其主要原因 就在于(1)在分離液化組件，采用了合理的多級(jí)壓縮、多級(jí)降溫、多級(jí)分離的新穎流程，使 系統(tǒng)消耗的壓縮功大幅降低、且使CO2的液化分離溫度始終處于一個(gè)接近常溫的溫度范圍 確保了制冷功耗也處于一個(gè)較低的水平；(2)由于精餾設(shè)備與參數(shù)設(shè)計(jì)合理，充分利用了 CO2與主要雜質(zhì)成分的在物性上的巨大差異，從而保證提純組件的功耗在一個(gè)很低的水平。 最終，可以確保CO2 “分離-液化-提純”系統(tǒng)具有良好的熱力性能，單位CO2回收能耗僅為 0. 12kWh/kgC02。不僅如此，CO2 “分離-液化-提純”系統(tǒng)的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是其分離出的 CO2產(chǎn)品可以達(dá)到很高的純度(99. 99% )，可滿(mǎn)足絕大部分工業(yè)應(yīng)用要求和運(yùn)輸儲(chǔ)存要求； 且只需進(jìn)行流程參數(shù)上的簡(jiǎn)單調(diào)整(如采取增加塔板數(shù)、增大提餾率等措施)即可使其純 度進(jìn)一步提高，滿(mǎn)足相關(guān)極高純度的應(yīng)用要求(如食品工業(yè)等)，因此市場(chǎng)前景十分廣闊。
權(quán)利要求
一種CO2分離-液化-提純系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由分離液化組件和提純組件組成；所述分離液化組件包括由壓縮設(shè)備C1、第一換熱器H1、第二換熱器H2、氣液分離器S1串聯(lián)后，泵P1再與氣液分離器S1、第一換熱器H1連接組成第一級(jí)壓縮分離裝置，或根據(jù)CO2分離能否達(dá)到所設(shè)定的CO2分離率適當(dāng)增加分離液化裝置的級(jí)數(shù)；所述提純組件主要由、前置調(diào)壓閥V1、前置調(diào)溫器H3、精餾塔R1、后置調(diào)壓閥V2和后置調(diào)溫器H4串聯(lián)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述C02分離-液化-提純系統(tǒng)，其特征在于所述增加分離液化組 件的級(jí)數(shù)是將第一級(jí)壓縮分離組件中分離液化裝置一級(jí)一級(jí)直接連接組成后續(xù)分離級(jí)，并 在最末后續(xù)分離級(jí)后面連接膨脹透平設(shè)備T1，以進(jìn)行能量回收再利用后排空；其中，分離 液化裝置包括壓縮設(shè)備、兩級(jí)換熱器、汽液分離器和液體泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述0)2分離-液化-提純系統(tǒng)，其特征在于所述精餾塔內(nèi)設(shè)置塔 板的數(shù)量根據(jù)用戶(hù)需要的產(chǎn)品純度來(lái)決定，該精餾塔需用4-10塊塔板即能夠滿(mǎn)足最后的 C02液體純度在99. 9%以上的要求。
4.一種C02分離-液化-提純方法，其特征在于所述C02分離-液化-提純方法是 在分離液化組件中，通過(guò)壓氣機(jī)增加混合氣總壓力來(lái)提高C02的分壓，以提高C02的相變 溫度，在相對(duì)高的冷凝溫度下將混合氣體中大部分C02以液態(tài)形式分離出來(lái)；并采用了多 次分離與壓縮，提高分離率；離開(kāi)分離液化組件的粗C02液體純度達(dá)到95% 98%，且具 有-15°C 15°C的溫度，經(jīng)過(guò)一次與入口混合氣的換熱后，再進(jìn)入提純組件中進(jìn)行純化，再 將其送入精餾裝置進(jìn)行分離提純，并調(diào)整分離出的高純度液態(tài)C02的溫度和壓力，以滿(mǎn)足工 業(yè)或運(yùn)輸儲(chǔ)存的要求，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)C02回收能耗的大幅降低，且提純后的C02液體純 度可達(dá)99. 9%以上，滿(mǎn)足大部分工業(yè)應(yīng)用要求和運(yùn)輸儲(chǔ)存要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述C02分離-液化-提純方法，其特征在于具體步驟如下(1)含co2混合氣進(jìn)入co2分離-液化-提純系統(tǒng)的第一個(gè)組件是分離液化組件，在該 組件中進(jìn)行co2的粗分離與液化a.通過(guò)壓氣機(jī)加壓至15bar 40bar，經(jīng)過(guò)冷卻水冷卻至常溫后仍為氣態(tài)混合物；b.氣態(tài)混合物在第一換熱器中被降溫后又在第二換熱器中被制冷機(jī)進(jìn)一步降溫 至-45°C -15°C ；此時(shí)混合氣中的C02將部分液化析出，采用常規(guī)的氣液分離器進(jìn)行氣液 分離；c.用泵對(duì)分離出來(lái)的粗C02液體加壓至60bar 120bar，并通過(guò)與混合氣換熱，把部 分冷能返回系統(tǒng)用于冷卻混合氣；(2)根據(jù)在第一級(jí)組件中分離出來(lái)的粗0)2液體的量是否滿(mǎn)足用戶(hù)所要求的回收率，而 選擇是否增加分離液化組件中分離液化裝置的級(jí)數(shù)，組成后續(xù)分離級(jí)；后續(xù)分離級(jí)的混合 氣冷卻相變溫度仍維持與第一級(jí)相近的溫度范圍_45°C _15°C，但壓氣機(jī)的壓力將逐漸 提高，從而使更多的C02被分離液化出來(lái)，使其達(dá)到分離率的要求；分離完成后的低碳混合 氣則經(jīng)過(guò)膨脹透平設(shè)備回收部分壓能后被排出系統(tǒng)；(3)在保證了分離率的同時(shí)，對(duì)所分離出來(lái)的粗C02液體進(jìn)行進(jìn)一步提純a.將從分離液化組件中冷凝回收出來(lái)的粗C02液體送入分離提純組件前，其摩爾濃度 達(dá) 95% 98% ；b.通過(guò)前置冷卻器、前置壓力閥的調(diào)節(jié)，使粗C02液體在60bar 120bar高壓下，在接 近常溫的_15°C 15°C的條件下進(jìn)入精餾塔，粗C02液體進(jìn)入精餾塔的位置在上塔的頂部；c.此時(shí)，通過(guò)常規(guī)制冷機(jī)保證塔頂?shù)臏囟仍?20°C 20°C，塔斧的溫度在-10°C 30°C 的情況下，對(duì)液態(tài)co2進(jìn)行精餾，此時(shí)co2精餾塔的塔斧溫度和塔頂溫度都接近常溫，且需要 的加熱量和散熱量都非常少，整個(gè)精餾塔又幾乎無(wú)其它耗能設(shè)備，因而精餾過(guò)程的能耗極 低；d.精餾塔采用低回流率或回流率為0，從精餾塔的塔底將產(chǎn)出摩爾濃度達(dá)99% 99. 99%的高純度液態(tài)C02，這種高純度C02用于運(yùn)輸封存或者商業(yè)利用；同時(shí)塔頂?shù)碾s質(zhì)氣 體根據(jù)用戶(hù)需求以及環(huán)保要求來(lái)進(jìn)行再利用、或者回收部分機(jī)械能后排空。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于氣體制備技術(shù)領(lǐng)域的一種CO2分離-液化-提純系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)由是分離液化組件與提純組件組成，該系統(tǒng)分離含CO2的各種工業(yè)混合氣，從CO2濃度較高的混合氣體中分離液化提純CO2，具體是在分離液化組件中采用多級(jí)壓縮、多次降溫及多級(jí)分離的方式，使CO2相變溫度更接近常溫，并確保了較高的分離率與較低的壓縮制冷能耗。再在提純組件中利用CO2與各種雜質(zhì)成分物性上的差異、通過(guò)精餾原理來(lái)實(shí)現(xiàn)液態(tài)CO2的提純。實(shí)現(xiàn)了CO2回收能耗大幅降低，且提純后的液體CO2產(chǎn)品純度高，滿(mǎn)足一般工業(yè)應(yīng)用與運(yùn)輸儲(chǔ)存要求。同時(shí)，本發(fā)明可用于生產(chǎn)摩爾濃度99.99％以上的高純度CO2產(chǎn)品，在工業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛。
文檔編號(hào)C01B31/20GK101858685SQ20101019160
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者劉彤, 徐鋼, 楊勇平, 楊志平, 段立強(qiáng), 田龍虎 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)