[发明专利]一种多级捕集烟道气中二氧化碳的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多级捕集烟道气中二氧化碳的系统和方法，尤其涉及一种利用多级真空变压吸附技术捕集烟道气中的高湿二氧化碳的系统和方法。

背景技术

在真空变压吸附（vacuum swing adsorption，VSA）分离烟道气中CO₂的工艺中，活性炭和13X沸石分子筛一直都是最广泛应用的吸附剂材料。如果对比活性炭和13X分子筛的分离效果，由于13X具有较高的CO₂吸附量和较高的吸附选择性，13X分子筛具有更好的分离CO₂的效果。但是水蒸气的存在会使13X被污染而失去活性。

除了以上两种吸附剂外，类滑石材料及金属有机框架类材料（MOF）等吸附剂由于具有特殊的孔结构也是近年来研究的热点。然而，这些材料也才仅仅处在研究的起步阶段，离工业化阶段还需要十几年或者更长时间。

实际烟道气中含有5–10%的饱和水蒸气不能被除去，13X会被水蒸气严重污染。如果分离CO₂之前通过干燥设备除去水蒸气也会大大增加分离CO₂的运行成本。反过来，虽然活性炭对水蒸气并不敏感，但是由于较低的分离选择性，活性炭分离CO₂的纯度相对较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用二级变压吸附的原理，当烟道气通过第一级疏水性吸附剂材料时，大部分水蒸气穿过吸附床吸附床而被除去。从第一级吸附装置解吸下来首次浓缩的CO₂作为第二级吸附装置的进气，高浓度的进气可以在很简单操作步骤条件下得到高纯度的CO₂，最终达到仅用简单吸附装置在解决水蒸气问题的同时，高效捕集CO₂。

本发明所述的二级真空变压吸附工艺，详细内容如下：

首先进气中含有12%CO₂和50°C下饱和水蒸气的烟道气由第一级VSA分离。第一级VSA中采用的吸附剂为活性炭，原因是水蒸气对活性炭对分离CO₂的影响很小。操作过程中控制进气时间，从而保证很高的（90%以上）CO₂回收率。但是由于活性炭较差的CO₂/N₂选择性，第一级VSA中分离的CO₂纯度较低（40-60%）。由吸附床中解吸下来的产品气混有高于饱和蒸汽压下浓度的水蒸气，经过减压装置后会大部分凝聚成液态水。产品气流经存储罐后由于温度的下降与会使水蒸气进一步凝聚成液态水。经过两次凝聚后，CO₂的纯度因为水蒸气浓度的减小会相应地提高，并且此时产品气中只含有少量的水蒸气。

烟道气进入第一级吸附装置的量有两种选择，一种是要保证控制体积浓度小于3%以内的CO₂穿过吸附床；另一种情况使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与进气中二氧化碳含量相当，这中情况下使大于3%以后的那部分排出废气重新送到进气口与进气混合。不保证CO₂通过第一组装置的回收率达90%（体积百分比）以上。

在第二级步骤中，以第一级VSA中浓缩的40–60%的CO₂为进气，很容易被提纯至浓度为95%以上。由于较大的P/F（冲洗/进气）比率，痕量的水蒸气不会污染13X而被很容易解吸出来或者保证在吸附床内很低的浓度锋面而不上升。

穿过第二级吸附床的进气有三种选择，一种为控制小于3%以内的CO₂穿过吸附床；另一种情况使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与烟道中二氧化碳含量相当，这中情况下使大于3%以后的那部分排出废气重新送到第一组装置的进气口与烟道气混合；第三种情况是使穿过吸附床的二氧化碳最高含量与第二级进气中二氧化碳含量相当，这种情况下使CO₂浓度大于一定值（2-10%）后的那部分排出废气重新送到第二组装置的进气口与进气混合。

第一级装置的两种选择与第二级选择的两种选择可以根据实际需要随意组合。

本吸附装置设计的进气方向为从下往上，这样烟道气就由吸附床下方流进，而未被吸附的废气（主要含有氮气和水蒸气）由吸附床上方流走。

解吸的方向为从上至下，这样被解吸下来的CO₂及H₂O和少量N₂就会由吸附床下方流出被减压装置并打进产品罐。

从吸附床上解吸下来的浓缩的二氧化碳气体被减压装置打进产品罐。