[发明专利]膜渗透与低温相变复合的二氧化碳捕集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温复合的气体分离装置，特别涉及一种低温膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置。

背景技术

全球变暖和温室气体CO₂减排是目前全球关注的热点和难点问题。采用清洁能源替代化石能源是控制和减少CO₂排放的最理想途径，但在短时期内对能源结构做出的调整是十分有限的。在这一背景下，各国科学家在CO₂捕集、再利用及封存技术领域做了大量研究，以减缓因使用化石燃料所导致的温室效应等问题。其中，CO₂捕集过程是整个CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage碳捕获、利用与封存)过程中最基础和最重要的环节。然而，目前CO₂捕集技术应用的主要瓶颈在于成本及能耗仍然较高。

本领域已有的相关模拟研究表明，单纯膜渗透CO₂捕集过程存在成本较高(需要多段膜渗透单元处理)，且CO₂纯度与回收率难以同时满足要求。而单纯低温相变CO₂捕集过程受CO₂在燃烧废气中的浓度影响，整体能耗会随CO₂初始浓度的降低而明显升高。本发明中所涉及的一种新型的膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集方法，实现膜分离与低温相变捕集技术高效且有机的耦合，达到降低CO₂捕集能耗的最终目的。不同于膜渗透与低温相变二者的简单串联，本方法利用低温调控膜材料的表面特征及内部构效，促进膜材料的选择渗透性能，并在常压下通过低温相变将CO₂从燃烧废气中捕集。膜渗透与低温相变技术的一体化耦合，可以更加有效地发挥二者的优势，提高CO₂的分离效率且降低捕集能耗。

检索国内外的研究，2012年，法国著名膜科学家Eric Favre等提出了低温与膜渗透复合的CO₂捕集技术，并将其应用于燃烧后捕集。该技术利用膜渗透单元将不同排放源的废气中的CO₂(25％-30％)成分进行浓缩，然后通过低温单元将高浓度的CO₂气体进行相变(液化)回收。2014年，挪威科学家David Berstad等提出膜与低温相变复合CO₂捕集技术。该技术首先通过一段膜渗透将废气中的CO₂浓度提升至50％-75％，然后利用两端压缩，将高CO₂浓度气体压缩至液化压力。同时，以丙烷(Propane)和乙烷(Ethane)为制冷剂，将CO₂以液体的形式从N₂(气相)中捕集。尽管有关膜渗透与低温相变复合CO₂捕集技术的研究已经取得了一定的初步性进展，但简单串联难以最大限度地实现二者优势的结合。本发明是膜渗透与低温相变的有机耦合，混合气体先经过低温膜渗透，再进行低温相变。对于聚合物膜材料，分离性能普遍不高，容易受“Robeson上限”的限制，膜的渗透性和选择性之间存在相互制约的问题。

发明内容

本发明的目的，是在CO₂捕集过程中，为了避免单纯膜渗透和单纯低温相变过程的弊端(如成本高，能耗大)，将膜渗透与低温相变有机耦合，混合气体先经过低温膜渗透初步提纯，再进行低温相变进一步提高产品纯度，最后CO₂以固态的形式被保存。提供一种低温膜渗透与低温相变复合的CO₂捕集装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种膜渗透与低温相变复合的二氧化碳捕集装置，包括预冷却塔、主冷却塔和储存塔三部分，其特征在于，所述预冷却塔1、主冷却塔2和储存塔3为圆筒状，按上中下依次垂直设置；

预冷却塔1内设置有内塔A6，预冷却塔1和内塔A6之间为真空状态；主冷却塔2内设置有内塔B15，主冷却塔2和内塔B15之间也为真空状态；预冷却塔1和主冷却塔2及内塔A6和内塔B15之间不相贯通；

内塔A6、内塔B15和储存塔3分别设置有制冷机A4、制冷机B13和制冷机C20，制冷机B13的换热器14设置在内塔B15的中央位置，换热器14的表面冻结有固态CO₂16；换热器14的外围设置有旋转刮檫板18；主冷却塔2还设置有电动机17以驱动旋转刮檫板18；