烟气中二氧化碳提纯系统及烟气中二氧化碳提纯方法

摘要

一种烟气中二氧化碳提纯系统，用于分离、提纯含有二氧化碳的烟气中的二氧化碳，包括烟气压缩装置、空气制冷装置、热交换装置及气液分离装置，所述烟气压缩装置用于将烟气加压形成高压烟气，所述空气制冷装置用于将空气冷却形成低温空气，所述热交换装置与所述烟气压缩装置及所述空气制冷装置连通，所述热交换装置用于将所述高压烟气与所述低温空气进行换热形成高压低温烟气，以使得所述高压低温烟气中部分二氧化碳液化，所述气液分离装置，用于分离所述高压低温烟气中液化的二氧化碳。上述烟气中二氧化碳提纯系统较为简单。本发明还提供一种烟气中二氧化碳提纯方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种烟气中二氧化碳提纯系统及烟气中二氧化碳提纯方法。

背景技术

煤炭作为我国的基础能源在相当长的一段时间内还具有不可替代的地位。 利用煤炭发电的火电厂烟气中含有大量的二氧化碳会污染环境。

现有的烟气中二氧化碳提纯工艺通常对烟气进行首先进行溶液吸附富集 后，对溶液进行加热蒸发二氧化碳，并收集液化的二氧化碳进行重复利用。然 而，对烟气进行溶液吸附富集时需要对烟气进行预处理以防止烟气中其他灰尘 及杂质污染溶液，从而使得二氧化碳提纯工艺较为复杂，不利于碳捕集技术的 推广。

发明内容

基于此，有必要提供一种较为简单的烟气中二氧化碳提纯系统及烟气中二 氧化碳提纯方法。

一种烟气中二氧化碳提纯系统，用于分离、提纯含有二氧化碳的烟气中的 二氧化碳，所述烟气中二氧化碳提纯系统包括：

烟气压缩装置，用于将烟气加压形成高压烟气；

空气制冷装置，用于将空气冷却形成低温空气；

热交换装置，与所述烟气压缩装置及所述空气制冷装置连通，所述热交换 装置用于将所述高压烟气与所述低温空气进行换热形成高压低温烟气，以使得 所述高压低温烟气中部分二氧化碳液化；

气液分离装置，用于分离所述高压低温烟气中液化的二氧化碳。

在其中一个实施例中，所述烟气中二氧化碳提纯系统还包括与所述烟气压 缩装置连通的烟气脱硫装置，所述烟气脱硫装置用于在所述烟气加压形成高压 烟气之前脱除所述烟气中的二氧化硫。

一种烟气中二氧化碳提纯方法，包括以下步骤：

压缩烟气形成高压烟气；

将所述高压烟气与低温空气进行热交换形成高压低温烟气，以使得所述高 压低温烟气中部分二氧化碳液化，其中所述高压低温烟气的气压为 1.5MPa~2.5MPa，温度为-25℃～-35℃；

分离所述高压低温烟气中的液化的二氧化碳及除去液化的二氧化碳后的尾 气。

在其中一个实施例中，所述烟气在压缩前先对烟气进行脱硫处理以脱除烟 气中的二氧化硫。

在其中一个实施例中，脱除烟气中的二氧化硫包括以下步骤：

将烟气进行低温等离子体激发氧化，使烟气中的二氧化硫氧化为三氧化硫；

将经过低温等离子体激发氧化的烟气与碱液反应，使所述烟气中的三氧化 硫与碱液反应溶液反应生成含有SO₄^2-的溶液，所述碱液为氢氧化钠溶液或氢氧 化钾溶液。

在其中一个实施例中，所述烟气在压缩前先使用分子筛提高烟气中二氧化 碳浓度。

在其中一个实施例中，压缩烟气形成高压烟气后、与所述低温空气进行热 交换之前依次进行冷却、油水分离及脱水干燥处理。

在其中一个实施例中，所述烟气在进行油水分离及脱水干燥后、与所述低 温空气进行热交换之前进行精密过滤以除去烟气中的灰尘。

在其中一个实施例中，所述低温空气由以下步骤制备：将空气依次进行压 缩、油水分离、脱水干燥及精密过滤以除去空气中的水汽及微小杂质形成净化 空气；冷却所述净化空气以形成低温空气。

在其中一个实施例中，所述低温空气由以下步骤制备：将空气依次进行压 缩、油水分离、脱水干燥及精密过滤以除去空气中的水汽及微小杂质形成净化 空气；冷却所述净化空气以形成低温空气。

上述烟气中二氧化碳提纯系统及烟气中二氧化碳提纯方法，使经过加压的 烟气与低温空气进行热交换，使高压烟气变成高压低温烟气，在高压低温的条 件下，烟气中的部分二氧化碳液化生成液态二氧化碳，在气压为 1.5MPa~2.5MPa，温度为-25℃～-35℃的条件下，烟气中其他气体不会液化，从 而使烟气中的二氧化碳液化与烟气中的其他气体及杂质分离，提纯系统及提纯 工艺均较为简单。

附图说明

图1为一实施方式的烟气中二氧化碳提纯系统的结构示意图；

图2为图1中烟气脱硫装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实 现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本 发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目 的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，一实施方式的烟气中二氧化碳提纯系统100用于分离、提纯含 有二氧化碳的烟气中的二氧化碳，烟气中二氧化碳提纯系统100包括烟气预冷 装置10、烟气脱硫装置20、分子筛30、流量控制器35、烟气压缩装置40、空 气净化装置50、空气预冷装置60、空气制冷装置70、热交换装置80、空气排 空装置85、气液分离装置90及二氧化碳收集装置95。

烟气预冷装置10包括引风机12及与引风机12连通的冷却器14。火电厂排 放的烟气的温度一般为高于常温，大约为130℃，烟气输送至引风机12，经过 引风机12加压后输送至冷却器14对烟气进行初级冷却，使烟气的温度降低至 接近常温。

请参阅图2，烟气脱硫装置20包括低温等离子体器22、碱液接触室24、钙 源接触室25、回收装置26及硫酸钙收集装置27。

低温等离子体器22用于将烟气中的二氧化硫氧化为三氧化硫。低温等离子 体器22与冷却器14连通，经冷却器14初级冷却后的烟气进入低温等离子体器 22。

低温等离子体器22通过脉冲放电产生的等离子体中含有大量高能电子、离 子、激发态离子和具有很强氧化性的自由基，其中活性离子的平均能量高于气 体分子的键能。活性离子和二氧化硫发生碰撞，一方面打开气体分子键生成一 些氮原子分子和固体微粒，另一方面激发空气中的氧气、水蒸汽，形成臭氧、 O-和羟基自由自基等极强的氧化剂。这些氧化剂与烟气中的二氧化硫发生一系 列以活性离子或自由基为集体的复杂的电化学反应，最终使二氧化硫转化成三 氧化硫。

碱液接触室24用于将经过低温等离子体装置氧化生成的三氧化硫与碱液接 触室内120的碱液反应生成含有SO₄^2-的溶液。

碱液为氢氧化钠（NaOH）溶液或氢氧化钾（KOH）溶液。优选的，碱液的 质量浓度为7%~15%。

三氧化硫与碱液反应生成的含有SO₄^2-的溶液为硫酸钠（Na₂SO₄）溶液或硫 酸钾（K₂SO₄）溶液。具体反应式如下：

2ROH+SO₃→R₂SO₄+H₂O

其中，R为K或Na。

本实施方式中，碱液接触室24通过管道与低温等离子体器22连通。碱液 接触室24内收容有用于与三氧化硫反应的碱液。具体在本实施方式中，碱液接 触室24内设有微喷装置，微喷装置将碱液雾化成微小的液滴，并向通入碱液接 触室24内的烟气喷碱液，使得烟气与雾化的碱液充分接触反应生成含有SO₄^2-的溶液。需要指出的是，微喷装置可以省略，此时也可以直接将烟气通入碱液 中，使烟气中的三氧化硫与碱液发生反应。

钙源接触室25用于将碱液接触室24生成的含有SO₄^2-的溶液与钙源反应转 化为硫酸钙及回收碱液。

钙源为氧化钙、氢氧化钙或氢氧化钙溶液。优选的，氢氧化钙溶液的质量 浓度为5%~13%。

具体的，氧化钙与含有SO₄^2-的溶液中的水发生反应，生成氢氧化钙 （Ca(OH)₂）。因此钙源与含有SO₄^2-的溶液反应生成的回收碱液为氢氧化钠溶液 或氢氧化钾溶液。具体反应式如下：

R₂SO₄+Ca(OH)₂→Ca₂SO₄+2ROH

其中，R为K或Na，硫酸钙（Ca₂SO₄）微溶于水，多次反应后硫酸钙以沉 淀形式存在。

本实施方式中，钙源接触室25通过管道与碱液接触室24连通。

具体在本实施方式中，钙源接触室25内设有反应池，钙源收容于反应池内， 使用时可以将碱液接触室24内产生的含有SO₄^2-的溶液通过管道通入反应池内， 与反应池内的钙源发生反应生成硫酸钙沉淀和回收碱液。在其他实施方式中， 可以将钙源接触室内的钙源加入含有SO₄^2-的溶液中发生反应。

回收装置26用于将回收碱液输送至碱液接触室24。具体在本实施方式中， 回收装置26为管道，回收装置26将回收碱液输送至碱液接触室24并进入微喷 装置。

硫酸钙收集装置27用于收集钙源接触室25内产生的硫酸钙。硫酸钙收集 装置27收集的硫酸钙可以用于工业石膏的生产。

分子筛30与烟气脱硫装置20的碱液接触室24连通，与碱液接触室24内 的碱液反应后的烟气进入分子筛30。分子筛30用于过滤烟气以提高烟气中的二 氧化碳的含量。本实施方式中，分子筛30使烟气中二氧化碳的体积百分含量提 高至50%以上。分子筛30分离出的无效成分直接排放。

流量控制器35与分子筛30连通，用于控制经分子筛30过滤后的烟气的流 量。

烟气压缩装置40包括压缩机41、冷却器42、油水分离器43、干燥器44、 精密过滤器45。

压缩机41与流量控制器35连通。压缩机41用于压缩烟气。本实施方式中， 压缩机41将烟气的气压增加至1.5MPa~2.5MPa。

冷却器42与压缩机41连通。冷却器42用于降低压缩机41输出的烟气的 温度。

油水分离器43与冷却器42连通。油水分离器43用于分离经过冷却器42 冷却的烟气中的油水。烟气经过压缩机41压缩及冷却器42冷却后，有部分杂 质液化，使用油水分离器43可以除去烟气中的油水，净化烟气。本实施方式中， 油水分离器43为旋风分离器。

干燥器44与油水分离器43连通。干燥器44用于对经过油水分离器43净 化的烟气进行脱水干燥。

精密过滤器45与干燥器44连通。精密过滤器45用于除去经过干燥器44 脱水干燥后的烟气中的灰尘。

空气净化装置50包括空气压缩机51、油水分离器52、干燥器53及精密过 滤器54。

空气压缩机51用于压缩空气。常温常压的空气经过空气压缩机51压缩后 气压增加至0.6MPa~1.2MPa。

油水分离器52与空气压缩机51连通。油水分离器52用于分离经过空气压 缩机51压缩的空气中的油水。空气经过空气压缩机51压缩后部分杂质液化， 使用油水分离器52可以除去烟气中的油水，初步净化空气。本实施方式中，油 水分离器52为旋风分离器。

干燥器53与油水分离器52连通。干燥器53用于对经过油水分离器52净 化的空气进行脱水干燥。

精密过滤器54与干燥器53连通。精密过滤器54用于除去经过干燥器53 脱水干燥后的空气中的灰尘。

空气预冷装置60包括冷却器61及换热器62。

冷却器61与精密过滤器54连通。冷却器61用于将经过空气净化装置50 净化的空气预冷却至常温。

换热器62与冷却器61连通。

空气制冷装置70与换热器62连通。空气制冷装置70用于将换热器62输 送的空气冷却至-40℃～-60℃。本实施方式中，空气制冷装置70为气波制冷机。 优选的，气波制冷机为两个，两个气波制冷机并联设置，其中一个气波制冷机 备用。可以理解，空气制冷装置70还可以为透平膨胀机。

热交换装置80同时与空气制冷装置70及烟气压缩装置40的精密过滤器45 连通。经过空气制冷装置70制备的低温空气与经过压缩装置40制备的高压烟 气在热交换装置80进行换热，使高压烟气变成气压为1.5MPa~2.5MPa，温度为 -25℃~-35℃的高压低温烟气。在高压低温的条件下，烟气中的部分二氧化碳液 化生成液态二氧化碳。

空气排空装置85与热交换装置80连通。在热交换装置80内进行换热后的 空气进入空气排空装置85内并经过空气排放装置85排空。

气液分离装置90同时与热交换装置80连通及空气预冷装置60的换热器62 连通。在热交换装置80内进行换热后的含有液态二氧化碳的烟气进入气液分离 装置90，以分离出液态二氧化碳及除去液化的二氧化碳的尾气。尾气由于温度 较低而输送至空气预冷装置60的换热器62作为冷源，与经过冷却器61预冷却 的空气进行热交换。由于烟气中的二氧化碳不能完全液化，因此尾气中仍然含 有较高浓度的二氧化碳。经过换热器62换热后的尾气再次进入烟气压缩装置40 的压缩机41重新进行二氧化碳的分离。

二氧化碳收集装置95用于收集经过气液分离装置90分离的液态二氧化碳。 二氧化碳收集装置95对液态二氧化碳进行罐装。

上述烟气中二氧化碳提纯系统100中，烟气压缩装置40对烟气进行加压形 成高压烟气，空气制冷装置70将空气冷却形成低温空气，高压烟气与低温空气 通过热交换装置80进行热交换，使高压烟气变成高压低温烟气，采用高压、低 温方式使烟气中的部分二氧化碳液化生成液态二氧化碳，在气压为 1.5MPa~2.5MPa，温度为-25℃~-35℃的条件下，烟气中其他气体不会液化，从 而烟气中的二氧化碳液化与烟气中的其他气体及杂质分离，较为简单；而其他 未液化的低温气体可以在换热器67中将冷量回收用于空气制冷装置70的空气 的预冷，从而实现能量的综合利用。

可以理解，当进行二氧化碳提纯的烟气的温度接近常温时，烟气预冷装置 10可以省略，当烟气中二氧化硫含量较低时，烟气脱硫装置20可以省略，分子 筛30可以省略，此时直接将烟气输送至烟气压缩装置40进行压缩成为高压烟 气即可；当烟气中油气、水汽及灰尘较少时，冷却器42、油水分离器43、干燥 器44及精密过滤器45可以省略，直接将压缩的烟气输送至热交换装置80即可； 同样的，当空气中油气、水汽及灰尘较少时，空气净化装置50可以省略，此时 直接将空气输送至空气预冷装置60即可；空气预冷装置60可以省略，此时直 接将空气输送至空气制冷装置70即可。

请同时参阅图1至图2，一实施方式的烟气中二氧化碳提纯方法用于分离、 提纯含有二氧化碳的烟气中的二氧化碳，包括以下步骤：

步骤S101、对烟气进行预冷却处理。

烟气排放出来时的温度大概为130℃。对烟气进行预冷却处理包括对烟气进 行预加压及对经过预加压的烟气进行预冷却。

对烟气进行预加压时将烟气的气压增加至0.15MPa~0.5MPa。本实施方式 中，使用引风机12进行预加压。

对烟气进行预冷却时将烟气预冷却至常温。本实施方式中，使用冷却器14 对烟气进行预冷却。

步骤S102、对烟气进行脱硫处理。

对烟气进行脱硫处理包括以下步骤：

将烟气进行低温等离子体激发氧化，使烟气中的二氧化硫氧化为三氧化硫；

将经过低温等离子体激发氧化的烟气与碱液反应，使所述烟气中的三氧化 硫与碱液反应溶液反应生成含有SO₄^2-的溶液。

碱液为氢氧化钠（NaOH）溶液或氢氧化钾（KOH）溶液。优选的，碱液的 质量浓度为7%~15%。

进一步的，可以将含有SO₄^2-的溶液与钙源反应，再收集含有SO₄^2-的溶液与 钙源反应生成的硫酸钙及回收碱液，并将收集的回收碱液用于与经过低温等离 子体激发氧化的烟气反应。

本实施方式中，使用烟气脱硫装置20对烟气进行脱硫处理。

步骤S103、使用分子筛提高烟气中的二氧化碳的浓度。

经过脱硫处理后的烟气进入分子筛30，使烟气中二氧化碳的体积百分含量 提高至50%以上。

步骤S104、压缩烟气形成高压烟气。

优选的，高压烟气的气压为1.5MPa~2.5MPa。

本实施方式中，使用压缩机41对经过分子筛处理的烟气进行压缩，使烟气 的气压增加至1.5MPa~2.5MPa。

进一步的，使用流量控制器35控制输送至压缩机41的烟气的流量。

步骤S105、对烟气依次进行冷却、油水分离及脱水干燥处理。

烟气进行冷却后温度降低至35℃~55℃。本实施方式中，经过压缩机41压 缩形成的高压烟气首先进入冷却器42进行冷却以降低压缩机41输出的烟气的 温度。

经过冷却器42冷却的烟气使用油水分离器43除去烟气中的油水，净化烟 气。本实施方式中，油水分离器43为旋风分离器。

经过油水分离除去油水的烟气使用干燥器44进行脱水干燥以除去烟气中的 水汽。

步骤S106、对烟气进行精密过滤除去烟气中的杂质

本实施方式中，使用精密过滤器45对烟气进行过滤。

步骤S107、对空气依次进行压缩、油水分离、脱水干燥及精密过滤处理以 形成净化空气。

本实施方式中，使用空气净化装置50净化空气，具体为，使用压缩空气机 51压缩空气，使压缩后的空气的气压为0.6MPa~1.2MPa；空气经过空气压缩机 51压缩后部分杂质液化为油水，使用分离经过空气压缩机51压缩后的空气中的 油水；使用干燥器53进一步除去空气中的水汽；使用精密过滤器54除去经过 干燥脱水的空气中的灰尘及颗粒。

优选的，油水分离器52为旋风分离器。

步骤S108、对净化空气进行预冷却。

本实施方式中，使用冷却器61将经过净化空气预冷却至常温。

步骤S109、对净化空气进行冷却以形成低温空气。

低温空气的温度为-40℃～-60℃。

本实施方式中，使用空气制冷装置70将空气冷却至-40℃～-60℃。优选的， 空气制冷装置70为气波制冷机。

低温空气的气压为0.6MPa~1.2MPa，优选为0.8MPa。

步骤S110、将经过精密过滤的烟气与低温空气进行热交换形成高压低温烟 气，以使得高压低温烟气中部分二氧化碳液化，高压低温烟气的气压为 1.5MPa~2.5MPa，温度为-25℃～-35℃。

本实施方式中，经过精密过滤的烟气与低温空气通过热交换装置80进行热 交换，使高压烟气变成高压低温烟气。在气压为1.5MPa~2.5MPa，温度为-25℃ ～-35℃的条件下，烟气中的部分二氧化碳液化生成液态二氧化碳。

低温空气经过热交换后成为常温空气，可以排放，本实施方式中，常温空 气通过空气排空装置85排空。

步骤S110、分离所述高压低温烟气中的液化的二氧化碳及除去液化的二氧 化碳的尾气。

在热交换装置80内进行换热后形成的含有液态二氧化碳的烟气进入气液分 离装置90，以分离出液态二氧化碳及除去液化的二氧化碳的尾气。

步骤S111、收集液化的二氧化碳。

本实施方式中，使用二氧化碳收集装置95收集液态二氧化碳并对液态二氧 化碳进行灌装。

步骤S112、将尾气与经过预冷却的空气进行换热。

经过分离后的尾气的温度较低，可以作为冷源对经过预冷却的空气再次进 行预冷却。本实施方式中，经过分离后的尾气与经过预冷却的空气通过换热器 62换热。

步骤S113、将经过换热的尾气重新进行分离提纯。

由于烟气中的二氧化碳不能完全液化，因此尾气中仍然含有较高浓度的二 氧化碳。本市实施方式中，经过换热器62换热后的尾气再次进入烟气压缩装置 40的压缩机41重新进行二氧化碳的分离。

上述烟气中二氧化碳提纯方法中，使经过加压的烟气与低温空气进行热交 换，使高压烟气变成高压低温烟气，在高压低温的条件下，烟气中的部分二氧 化碳液化生成液态二氧化碳，在气压为1.5MPa~2.5MPa，温度为-25℃～-35℃的 条件下，烟气中其他气体不会液化，从而使烟气中的二氧化碳液化与烟气中的 其他气体及杂质分离，提纯工艺较为简单；而其他未液化的低温气体与经过预 冷却的空气进行换热，将冷量回收利用，从而实现能量的综合利用。

需要说明的是，烟气中二氧化碳提纯方法中各步骤并不一定按照所列举的 顺序进行，比如对烟气进行的处理形成高压烟气的步骤（步骤S101至步骤S106） 与对空气进行的处理形成低温空气的步骤（步骤S107至步骤S109）可以同时进 行，只要使高压烟气与低温空气进行热交换形成高压低温烟气即可。

可以理解，步骤S101至步骤S103可以省略，此时直接执行步骤S104对烟 气进行压缩即可。当烟气中杂质较少无需净化、除硫且水汽较少时，步骤S105 及步骤S106也可以省略，此时将经过步骤S104压缩的空气直接与低温空气进 行换热即可。当空气中杂质较少无需净化且水汽较少时，步骤S106及步骤S107 可以省略，此时直接执行步骤S108即可。步骤S108也可以省略，此时直接对 空气进行冷却形成低温空气即可。步骤S109可以省略，此时也可直接购买低温 空气，无需自制。步骤S112及步骤S113可以省略。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。