專利名稱：利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對燃煤電站鍋爐尾部煙氣進行綜合利用的技術，具體地指 一種利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的方法及其系統(tǒng)。
背景技術：
大氣溫室效應是人類所面臨的最主要環(huán)境問題之一。二氧化碳是主要 的溫室氣體，火電廠是二氧化碳的集中排放源，其二氧化碳排放量約占人
類活動引起的二氧化碳總排放量的30%。 一個600MW的火電廠每小時排 放的二氧化碳量可達500噸。因此，為了減少大氣中的二氧化碳含量，首 要的是減少電站鍋爐尾部煙氣向大氣排放二氧化碳。從另一方面講，二氧 化碳作為一種化工原料具有廣泛的用途，可用于食品保鮮、膨化煙絲、生 產甲醇、尿素、可降解塑料等，而現(xiàn)階段隨電站鍋爐尾部煙氣排放的二氧 化碳大都白白浪費掉了。
傳統(tǒng)的二氧化碳治理或提取方法有多種，大致可以分為物理方法和化 學方法兩大類。物理方法主要包括溶劑吸收法、吸附分離法、薄膜滲透法 以及低溫蒸餾法等?；瘜W方法主要指化學吸收法，其原理是使二氧化碳氣 體與化學溶劑發(fā)生化學反應而被吸收，吸收二氧化碳達到平衡的化學溶劑 變成富液，富液進入再生塔加熱分解出二氧化碳氣體，從而達到分離回收 二氧化碳的目的。較常見的化學溶劑是乙醇胺類的水溶液，工業(yè)上通常采 用醇胺溶液在吸收塔和再生塔中脫除和回收二氧化碳，吸收塔采用填料結 構，該方法雖然具有較大的醇胺溶液與二氧化碳的有效接觸面積，但是反 應物中的雜質成分容易造成吸收塔內的填料層堵塞，導致吸收塔無法正常 工作。同時，由于填料層的結構復雜，使得設備運行和檢修比較困難。該 方法只適合于煙氣成份簡單、煙氣流量不大的場合，離實際中電站鍋爐尾 部煙氣的處理還有很大的差距。
電站鍋爐尾部煙氣的特殊性在于其二氧化碳含量偏低、雜質成份偏多 且煙氣流量巨大。經檢測各種類型的電站鍋爐尾部煙氣，其C02濃度約為 10 15%，其它組份有N2、 02、 S02、 H2S、 NO、 CO及粉塵等。以一個600MW 的發(fā)電廠為例，其鍋爐尾部煙氣排放量約2000000Nm3/h。采用上述醇胺溶 液在常規(guī)填料式吸收塔中脫除二氧化碳時，會造成吸收塔體積龐大，施工、 運行和設備檢修困難，很難達到有效脫除煙氣中二氧化碳并將其回收利用 的目的。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是要提供一種利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的方 法及其系統(tǒng)。采用該方法及其系統(tǒng)能夠完全適應電站鍋爐尾部煙氣流量巨 大、成份復雜、二氧化碳濃度低的特點，既可以有效提高煙氣中二氧化碳 的脫除率，又可以生產出高純度的液態(tài)二氧化碳，且其工藝流程簡單、系 統(tǒng)結構簡化、投資及運行成本低廉。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設計的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳 的方法，是對經過常規(guī)除塵和脫硫處理的電站鍋爐尾部煙氣進行再加工的 過程。該方法包括如下步驟
1) 以醇胺溶液作為C02吸收劑，采用噴淋的方式，將醇胺溶液均勻噴 射到經過除塵和脫硫處理后的煙氣中，使煙氣中的C02氣體與醇胺溶液霧
滴充分逆向接觸，發(fā)生氣液兩相化學反應，獲得吸收了 co2的醇胺溶液富
液。醇胺溶液由一乙醇胺(MEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和水組成，為 了描述方便，用R!R2NH表示一乙醇胺(MEA)，其中R產H， R2=CH2CH2OH; 用R3R4R5N表示甲基二乙醇胺(MDEA)，其中R3=CH3， R4=R5=CH2CH2OH， 其與C02的化學反應方程式如下-
C02與OH—反應C02+OH_=HC03_
C02與MDEA反應C02+R3R4R5N+H20 =R3R4R5NH++ HC03— C02與MEA反應COrKRiRsNI^RiiySfH+COO-
RiR2NH+COCT+RiR2麗&，(:00一+單2麗2+ MDEA與C02和MEA反應生成的質子發(fā)生交互反應-
R^NH+COCT+RsI^RsN-單2NC00—+ R3R4R5NH+
2) 采用化工領域常用的惰性氣體提取的方式，使步驟1)所得醇胺溶 液富液與惰性氣體充分逆流接觸，將醇胺溶液富液中含有的02、 NOx、 CO 雜質氣體清除掉，獲得純凈的醇胺溶液富液，以保證最終可以得到高質量 的食品級二氧化碳。
3) 對步驟2)所得純凈的醇胺溶液富液進行加熱解析處理，再生獲得
高濃度的C02氣體和脫除了 C02的醇胺溶液貧液。
4) 將步驟3)所得醇胺溶液貧液送回步驟1)中作為C02吸收劑繼續(xù)
循環(huán)，同時對所得C02氣體進行冷卻處理，使C02氣體中熱的水蒸汽產生凝結。
5) 對經過步驟4)冷卻處理的C02氣體進行氣液離心分離處理，脫除 其中的凝結水份，獲得純度高于99.9。/。的C02氣體。
6) 將步驟5)所得C02氣體進一步干燥，再經過壓縮和冷凝處理，將 其變成液態(tài)，即可制成食品級液體二氧化碳成品。
在上述步驟1)中，優(yōu)選的醇胺溶液由質量百分比濃度為5 10%的一乙 醇胺、質量百分比濃度20~30°/。甲基二乙醇胺和水組成，所需醇胺與煙氣中 C02氣體的摩爾比為1.1 1.3。同時，設定煙氣中的C02氣體與醇胺溶液的 反應溫度為35 5(TC，反應壓力為250(K3000Pa。這樣，煙氣中的0)2氣體 可以在合適的溫度、壓力下與醇胺溶液發(fā)生充分完全的反應，使醇胺溶液
吸收C02氣體盡快達到飽和平衡。
在上述步驟3)中，對所得純凈的醇胺溶液富液進行加熱解析處理的優(yōu) 選溫度為100~115°C，在此溫度范圍內，被醇胺溶液所吸收的絕大部分C02
將從中解析出來，獲得高濃度的C02氣體。
上述步驟4)中，將所得高濃度C02氣體的溫度冷卻處理至35 45'C， 即可使其中絕大部分的水蒸汽凝結出來。
為實現(xiàn)上述工藝而專門設計的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的系 統(tǒng)，包括通過管道相連的二氧化碳吸收塔、氣提塔、再生塔、冷卻器、氣 液分離器、干燥器、壓縮機和冷凝器。所述二氧化碳吸收塔為無填料的空 塔結構，其下部煙氣進口和頂部煙氣出口之間自下而上依次設置有吸收劑 噴淋裝置和除霧裝置，其底部醇胺溶液出口通過輸送泵與氣提塔的上部進 口相連，氣提塔的下部出口通過富液泵與再生塔的上部液體進口相連，再 生塔的下部液體出口通過貧液泵與吸收劑噴淋裝置相連，再生塔的上部氣 體出口通過冷卻器與氣液分離器的進口相連，氣液分離器的氣體出口依次 與干燥器、壓縮機、冷凝器和液態(tài)二氧化碳儲存槽串連。由此，在脫除煙 氣中二氧化碳的同時，通過上述組合為一體的設備對其進行除雜、再生、 脫水、干燥、壓縮和冷凝等連續(xù)處理，直至獲得食品級的液態(tài)二氧化碳。
進一步地，在吸收劑噴淋裝置的下方還設置有促使煙氣均勻分布的多 孔板，多孔板的孔面積與板面積之比率為30~40%。同時，吸收劑噴淋裝置 最好設計3 5個噴淋層。這樣， 一方面煙氣向上通過多孔板后，均勻充滿 整個二氧化碳吸收塔空腔，有效消除了煙氣流死角，有利于與醇胺溶液吸 收劑充分接觸；另一方面醇胺溶液在多個噴淋層重疊噴射的作用下，可形 成交叉致密的吸收劑霧滴，使煙氣中的二氧化碳與其具有最大的接觸面積， 能夠充分完全地發(fā)生化學反應而被吸收。
進一步地，在富液泵和貧液泵的輸送管路上還設置有貧富液換熱器， 氣提塔的下部出口通過富液泵、貧富液換熱器與再生塔的上部液體進口相 連，再生塔的下部液體出口通過貧富液換熱器、貧液泵與吸收劑噴淋裝置 相連。這樣，可以充分利用從再生塔所分離出的貧液的余熱，給進入再生 塔的富液預熱，同時將貧液冷卻，實現(xiàn)熱交換的良性循環(huán)，節(jié)省熱能資源。
進一步地，氣液分離器的凝結液出口通過回流泵與二氧化碳吸收塔上 的回液口相連。這樣，可以將分離出來的凝結液重新返回到二氧化碳吸收 塔中進行循環(huán)，減少工藝用水量，降低生產成本。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下突出效果
其一，采用空塔結構的二氧化碳吸收塔，通過醇胺溶液吸收劑不間斷 循環(huán)噴淋的方式處理煙氣中的二氧化碳，可以使醇胺溶液與二氧化碳在無 任何障礙的有限空間內產生強烈的氣液逆向湍流，既能大幅增加醇胺霧滴 與二氧化碳的接觸面積，又可避免因設置填料層而產生的堵塞現(xiàn)象，從而 可以有效克服現(xiàn)有填料吸收方式的固有缺陷，其二氧化碳脫除效率可達 95%以上，特別適合于處理二氧化碳濃度低、煙氣流量大的燃煤電站鍋爐尾 部煙氣。
其二，通過各種泵和管道將二氧化碳吸收塔、氣提塔、再生塔、氣液 分離器、冷卻器、干燥器、壓縮機和冷凝器等設備有機地組合成一個完整 的工藝體系，既簡化了工藝流程和系統(tǒng)結構，又大幅降低了設備的投資、 運行和維護費用。
其三，利用電站鍋爐尾部煙氣變廢為寶，在有效減少二氧化碳溫室氣
體排放的同時獲得液態(tài)二氧化碳，其產品純度可達99.9%以上，完全符合國 際食品級標準。既有利于大氣環(huán)境污染的綜合治理，又有利于循環(huán)經濟的 良性發(fā)展，可實現(xiàn)電站鍋爐尾部煙氣的無害化和資源化利用，特別適合我 國以燃煤發(fā)電為主的國情。
附圖為本發(fā)明的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的系統(tǒng)的結構原理 示意圖。
具體實施例方式
以下針對電站鍋爐機組所排放的煙氣，結合附圖對本發(fā)明作進一步的 詳細描述
圖中所示本發(fā)明利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的系統(tǒng)，主要由通
過管道相連的二氧化碳吸收塔2、氣提塔18、再生塔16、冷卻器15、氣液 分離器14、干燥器13、壓縮機12和冷凝器11等組成。二氧化碳吸收塔2 為無填料的空塔結構，其下部煙氣進口前設置有增壓風機l，其下部煙氣進 口和頂部煙氣出口之間自下而上依次設置有多孔板3、吸收劑噴淋裝置22 和除霧裝置21，多孔板3的孔面積與板面積之比率為30 40%，可消除煙氣 死角，使煙氣在二氧化碳吸收塔2內均勻分布。吸收劑噴淋裝置22設置有 3 5個噴淋層，以確保醇胺溶液吸收劑與煙氣中的二氧化碳充分接觸。除霧 裝置21可選用組合除霧裝置，由上、下層除霧濾網和位于上、下層除霧濾 網之間的清洗噴淋機構19構成，以完全清除煙氣中的吸收劑液滴。
二氧化碳吸收塔2底部的醇胺溶液出口通過輸送泵4與氣提塔18的上 部進口相連，氣提塔18的下部設有惰性氣體輸送裝置17，氣提塔18的下 部出口通過富液泵6、貧富液換熱器7與再生塔16的上部液體進口相連， 再生塔16的下部液體出口通過貧富液換熱器7、貧液泵5與吸收劑噴淋裝 置22相連，吸收劑噴淋裝置22的進口處還設置有醇胺溶液補給裝置20， 再生塔16中的煮沸器8設置在塔底部。再生塔16的上部氣體出口通過冷 卻器15與離心式氣液分離器14的進口相連，氣液分離器14的凝結液出口 通過回流泵9與二氧化碳吸收塔2上的回液口相連，氣液分離器14的氣體 出口與干燥器13的進口相連，干燥器13的出口與壓縮機12的進口相連， 壓縮機12的出口與冷凝器11的進口相連，冷凝器11的出口與液態(tài)二氧化 碳儲存槽10相連。以上各部分設備均為化工領域常用設備，其具體結構不 再贅述。
本發(fā)明利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的工藝過程如下-.
電站鍋爐尾部煙氣經過常規(guī)除塵和脫硫處理后，由增壓風機1從二氧 化碳吸收塔2下部的煙氣進口輸入塔中，穿越多孔板3上行。與此同時， 醇胺溶液從吸收劑噴淋裝置22中向下噴出。醇胺溶液由質量百分比濃度為 5 10%的一乙醇胺、質量百分比濃度20 30%甲基二乙醇胺和水組成，保持 煙氣的溫度在35 5(TC的范圍內、壓力在2500 3000Pa的范圍內，并設定所 噴射醇胺與煙氣中C02氣體的摩爾比為1.1~1.3。煙氣中的C02氣體與醇胺 溶液霧滴產生逆向接觸，發(fā)生充分的化學反應而被醇胺溶液吸收。 被醇胺溶液吸去C02的煙氣繼續(xù)向上流動，經過布置在二氧化碳吸收 塔2頂部的除霧裝置21脫除吸收劑霧滴后，清潔煙氣直接排入大氣。而吸
收C02達到平衡的醇胺溶液富液落入二氧化碳吸收塔2底部，通過輸送泵4 從氣提塔18上部進口輸入。氣提塔18為填料塔，塔內布置有噴嘴和填料 層，醇胺溶液富液被噴灑在氣提塔18的填料層上。與此同時，從氣提塔18 的下部惰性氣體輸送裝置17中引入惰性氣體(氮氣或其他類似氣體)，與 填料層上的醇胺溶液富液充分逆流接觸，以除去醇胺溶液富液中的02、 NOx、 CO等雜質。
攜帶02、 NOx、 CO等雜質的惰性氣體直接從氣提塔18的塔頂排出。 而純凈的醇胺溶液富液沉入氣提塔18的下部出口處，通過富液泵6輸送到 貧富液換熱器7中，被從再生塔16下部液體出口流出的脫除了 C02的醇胺 溶液貧液加熱至95 10(TC，再從再生塔16的上部液體進口送入塔中。再生 塔16也為填料塔，塔內布置有噴嘴和填料層，純凈的醇胺溶液富液被噴灑 在再生塔16的填料層上，被上升的蒸汽氣提，并經過塔底煮沸器8加熱至 100~115°C，解析出高濃度的C02氣體，同時使醇胺溶液富液還原成脫除了
C02的醇胺溶液貧液。
醇胺溶液貧液自再生塔16的下部液體出口引出，經貧富液換熱器7換 熱后，由貧液泵5輸送到吸收劑噴淋裝置22中繼續(xù)循環(huán)利用。溫度大約在 90。C左右、壓力約為0.02Mpa的再生氣——高濃度(302氣體隨同大量的水 蒸汽由再生塔16的上部氣體出口流出，進入冷卻器15中，與冷卻器15中 的循環(huán)水換熱后，氣流被冷卻至35 45"C，其中的水蒸汽被凝結出來。
經過冷卻器15處理的再生氣從氣液分離器14的進口輸入，通過離心 作用將C02氣體中夾帶的凝液分離出來，獲得純度高于99.9%的C02氣體。 所分離出的凝液從氣液分離器14的凝結液出口流出，通過回流泵9重新送 入二氧化碳吸收塔2中循環(huán)。所分離出的高純度C02氣體則送入干燥器13， 經干燥處理后再送至壓縮機12,經壓縮處理，進入冷凝器11,冷凝成液態(tài)， 制成食品級液體二氧化碳成品，送入液態(tài)二氧化碳儲存槽10中保存。
權利要求
1、一種利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的方法，是對經過常規(guī)除塵和脫硫處理的電站鍋爐尾部煙氣進行再加工的過程，其特征在于該方法包括如下步驟1)以醇胺溶液作為CO2吸收劑，采用噴淋的方式，將醇胺溶液均勻噴射到經過除塵和脫硫處理后的煙氣中，使煙氣中的CO2氣體與醇胺溶液霧滴充分逆向接觸，發(fā)生氣液兩相化學反應，獲得吸收了CO2的醇胺溶液富液；2)采用惰性氣體提取的方式，使步驟1)所得醇胺溶液富液與惰性氣體充分逆流接觸，將醇胺溶液富液中含有的O2、NOx、CO雜質氣體清除掉，獲得純凈的醇胺溶液富液；3)對步驟2)所得純凈的醇胺溶液富液進行加熱解析處理，再生獲得高濃度的CO2氣體和脫除了CO2的醇胺溶液貧液；4)將步驟3)所得醇胺溶液貧液送回步驟1)中作為CO2吸收劑繼續(xù)循環(huán)，同時對所得CO2氣體進行冷卻處理，使CO2氣體中熱的水蒸汽產生凝結；5)對經過步驟4)冷卻處理的CO2氣體進行氣液離心分離處理，脫除其中的凝結水份，獲得純度高于99.9％的CO2氣體；6)將步驟5)所得CO2氣體進一步干燥，再經過壓縮和冷凝處理，將其變成液態(tài)，即可制成食品級液體二氧化碳成品。
2、 根據(jù)權利要求1所述的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的方法， 其特征在于所說的步驟l)中，醇胺溶液由質量百分比濃度為5 10%的一 乙醇胺、質量百分比濃度20~30%甲基二乙醇胺和水組成，所需醇胺與煙氣 中C02氣體的摩爾比為1.1~1丄
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的方 法，其特征在于所說的步驟l)中，煙氣中的C02氣體與醇胺溶液的反應 溫度為35 5(TC，反應壓力為2500 3000Pa。
4、 根據(jù)權利要求1或2所述的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的方 法，其特征在于所說的步驟3)中，對所得純凈的醇胺溶液富液進行加熱 解析處理的溫度為100 115°C。
5、 根據(jù)權利要求1或2所述的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的方 法，其特征在于所說的步驟4)中，將所得C02氣體冷卻處理至溫度為35~45°C。
6、 一種采用權利要求1所述方法而專門設計的利用電站煙氣制取食品 級二氧化碳的系統(tǒng)，包括通過管道相連的二氧化碳吸收塔(2)、氣提塔(18)、 再生塔(16)、冷卻器(15)、氣液分離器(14)、干燥器(13)、壓縮機(12) 和冷凝器(11)，其特征在于所述二氧化碳吸收塔(2)為無填料的空塔 結構，其下部煙氣進口和頂部煙氣出口之間自下而上依次設置有吸收劑噴 淋裝置(22)和除霧裝置(21)，其底部醇胺溶液出口通過輸送泵(4)與 氣提塔(18)的上部進口相連，氣提塔(18)的下部出口通過富液泵(6) 與再生塔(16)的上部液體進口相連，再生塔(16)的下部液體出口通過 貧液泵(5)與吸收劑噴淋裝置(22)相連，再生塔(16)的上部氣體出口 通過冷卻器(15)與氣液分離器(14)的迸口相連，氣液分離器(14)的 氣體出口依次與干燥器(13)、壓縮機(12)、冷凝器(11)和液態(tài)二氧化 碳儲存槽(10)串連。
7、 根據(jù)權利要求6所述的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的系統(tǒng)， 其特征在于所說的吸收劑噴淋裝置(22)的下方設置有促使煙氣均勻分 布的多孔板(3)，多孔板(3)的孔面積與板面積之比率為30~40%。
8、 根據(jù)權利要求6或7所述的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的系 統(tǒng)，其特征在于所說的吸收劑噴淋裝置(22)設置有3 5個噴淋層。
9、 根據(jù)權利要求6或7所述的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的系 統(tǒng)，其特征在于.*所說的氣提塔(18)的下部出口通過富液泵(6)、貧富 液換熱器(7)與再生塔(16)的上部液體進口相連，所說的再生塔(16) 的下部液體出口通過貧富液換熱器(7)、貧液泵(5)與吸收劑噴淋裝置(22) 相連。
10、 根據(jù)權利要求6或7所述的利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的 系統(tǒng)，其特征在于所說的氣液分離器(14)的凝結液出口通過回流泵(9) 與二氧化碳吸收塔(2)上的回液口相連。
全文摘要
一種利用電站煙氣制取食品級二氧化碳的方法及其系統(tǒng)。該方法先采用醇胺溶液循環(huán)噴淋吸收煙氣中的CO<sub>2</sub>，然后采用惰性氣體去除醇胺溶液富液中的雜質，再將其加熱解析再生，所得醇胺溶液貧液繼續(xù)進行吸收循環(huán)，所得CO<sub>2</sub>氣體則經過冷卻、氣液分離、干燥、壓縮和冷凝處理，制成純度高于99.9％的食品級液體二氧化碳。其系統(tǒng)主要由通過泵和管道相連的二氧化碳吸收塔、氣提塔、再生塔、冷卻器、氣液分離器、干燥器、壓縮機和冷凝器組成。本發(fā)明能夠完全適應電站鍋爐尾部煙氣流量巨大、成份復雜、二氧化碳濃度低的特點，既可以有效提高煙氣中二氧化碳的脫除率，又可以生產出高純度的液態(tài)二氧化碳，且其工藝流程簡單、系統(tǒng)結構簡化、投資及運行成本低廉。
文檔編號C01B31/20GK101177267SQ20071005371
公開日2008年5月14日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權日2007年10月31日
發(fā)明者余福勝, 敬 朱, 李瑞鑫, 旭 韓, 高翔鵬 申請人:武漢凱迪電力環(huán)保有限公司