[发明专利]基于水蒸气传质强化余热回收的CO2化学吸收系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及富CO₂气体中CO₂化学吸收工艺节能降耗技术领域，具体涉及一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO₂化学吸收系统与方法。

背景技术

基于气液化学反应原理的CO₂化学吸收技术是目前沼气、垃圾填埋气、生物质热解气和燃煤烟气等富CO₂气体中主流的CO₂分离技术之一，其具有技术成熟、商业应用广、对气体适应性强、操作简单和CO₂分离效率高、目标气纯度高等优点。传统的富CO₂气体中CO₂化学吸收技术面临的主要瓶颈在于CO₂分离成本高，其可归因于富CO₂吸收剂溶液再生热耗巨大，因而对CO₂再生过程进行优化或创新来降低富CO₂吸收剂溶液的热再生能耗是十分有必要的。富CO₂吸收剂溶液的再生热耗一般可采用再沸器热负荷来体现，其主要由三部分组成：(1)再生显热，用于将富CO₂吸收剂溶液从再生塔入口温度提升到再生所需温度；(2)再生反应热，用于破坏吸收剂与CO₂分子之间的化学键能；(3)水蒸发潜热，用于蒸发富CO₂吸收剂溶液中的水而在再生塔内建立合适的传质推动力。显然，再生反应热取决于吸收剂的性能，这也是近年来众多研究者试图筛选或开发能同时满足“高CO₂吸收速率、高CO₂循环携带量和低再生反应热”要求的新型吸收剂的主要原因。除吸收剂研究外，融合新型膜技术和减压再生技术的真空膜减压再生新工艺(中国专利ZL 201010169524.5)可以采用较低的再生温度达到较好的再生效果，从而可大规模利用废热或低品位热，能有效节约高品位热能。同时，采用变浓度再生技术(中国专利ZL 201310449986.6)提高再生过程中的富CO₂吸收剂溶液浓度，从而降低富CO₂吸收剂溶液中水含量和提高富CO₂吸收剂溶液的CO₂分压，进而降低再生过程中水的蒸发潜热，实现再生热耗的降低。另外，对富CO₂吸收剂溶液再生过程中的余热进行回收也有助于降低再生热耗，如采用富CO₂吸收剂溶液分流工艺(美国专利4152217)回收热再生塔顶热再生气(CO₂和H₂O(g)混合气，CO₂和H₂O(g)的摩尔比可达到1:2)所携带的潜热，降低再生塔顶出口再生气的温度，从而实现再沸器热负荷的降低。相对而言，对热再生塔顶再生气的余热进行回收来实现再生热耗的降低这一方式可能更容易实现，因为其无需对现有工艺系统进行大的改造，也可适合于任一种热再生吸收剂体系，可实现在新吸收剂体系自身降耗的基础上进一步降低再生能耗。

热再生塔顶高温再生气的余热回收目前主要采用的是分流冷富CO₂吸收剂溶液在再生塔内与再生气直接混合而对再生气进行降温，或在再生塔顶设置一通用换热器，用分流的冷富CO₂吸收剂溶液与再生气进行热交换，再生气冷凝释放的潜热通过导热的形式传递到冷富CO₂吸收剂溶液，使冷富CO₂吸收剂溶液升温。但对于前者，必须对冷富CO₂吸收剂溶液分流量进行限制，否则会导致工艺中的贫CO₂吸收剂溶液(简称贫液)冷却器热负荷过高，再加上气液接触时间较短，因而再生热耗下降幅度有限(约5～10％)。而对于后者，再生气降温所释放的潜热只能以单一导热形式传递到冷富CO₂吸收剂溶液侧，系统换热系数较小，一般只能保证20K(开尔文)左右的经济换热温差，此时再生热耗降低幅度低(约6％)。如要实现更高的降耗幅度，必须将换热温差降低到5～10K，但此时必然将带来换热面积的大幅增加，导致占地面积大和投资高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水蒸气传质强化余热回收的CO₂化学吸收系统与方法，该系统与方法能在保持原有成熟的CO₂吸收与富液再生技术的基础上高效回收富液热再生塔顶排出的高温再生气余热，可较大幅度地降低再生热耗，同时还能降低再生气余热回收所需的换热器体积与投资。