[发明专利]一种应用于合成气的多级膜分离碳捕集工艺

说明书

一种应用于合成气的多级膜分离碳捕集工艺，属于煤气化脱碳制氢领域，能够解决现有碳捕集能耗过高及系统复杂的问题。由氢膜、碳膜、压缩机、冷却器、管线等设备实现。含有氢气和二氧化碳的合成气首先经过冷却后进入碳膜，碳膜渗余侧气体作为氢气产品送出，渗透侧气体压缩后进入二级氢膜。二级氢膜渗余侧加压后进入三级氢膜，三级膜渗余侧物流作为二氧化碳产品送出，二、三级氢膜渗透侧经过压缩后返回至进料侧。本发明通过合理搭配不同膜发挥膜技术优势，使循环气流量控制在较小范围，氢气及二氧化碳产品均从渗余侧获得，能耗远低于使用单种膜类型的膜分离技术，可同时实现较高COsubgt;2/subgt;纯度和较高COsubgt;2/subgt;回收率，实现低于15$/t碳捕集成本，远低于常规的吸收方法。

技术领域

本发明属于煤气化制氢领域，具体是一种应用于合成气的膜分离碳捕集工艺，适用于煤制氢气、天然气制氢气及煤气化联合循环发电厂等情况的二氧化碳捕集及氢气提纯。通过合理选择氢气优先渗透膜与二氧化碳优先渗透膜，并合理控制操作参数，可在现有商业化膜材料基础上实现96％以上纯度及90％以上回收率，在考虑二氧化碳液化条件下，回收成本降低至15$/t CO₂。

背景技术

随着化石能源消耗量的日益增加，CO₂排放导致的温室效应等环境问题越来越引起人类的重视，其中发电厂烟气排放的CO₂占全球CO₂排放的70％以上，这在全球变暖中起着关键作用。作为煤炭的生产与消费大国，我国2021年煤炭资源产量达41.3亿吨，煤炭占据我国能源消费总量的56％。我国每年开采的煤炭资源有60％用于发电领域，但燃煤电厂所导致的CO₂排放是目前制约传统火力发电方式的主要问题。在节能减排的大背景下，研究针对传统火力发电的CO₂减排方法越来越得到世界各国的重视，但目前可大规模应用的吸收法存在工作步骤复杂而导致投资高，吸收之后的再生过程能量消费很大，这些都严重制约了吸收法的碳捕集技术发展。

在碳捕集途径方面，从燃煤电厂中捕获CO₂有三种潜在可行途径:燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃料燃烧。燃烧后捕集可以对已经运行的工厂进行改造，但是压力接近大气压，CO₂浓度只有10-20％，对于捕捉过程驱动力较低需要额外的加压过程，由此会导致较高的能耗。在富氧燃烧中，通过使用O₂代替空气进行燃烧，可以获得几乎纯的CO₂流用于分离，需要解决的关键问题是在燃料燃烧前产生纯O₂。燃烧前通常在IGCC电厂进行，IGCC电厂的优势在于较高的能源生产效率、低污染物排放和高燃料灵活性。在燃烧前捕捉中，煤首先经过气化变换成H₂和CO₂及H₂0、H₂S混合物，然后通过脱除CO₂等物质后的纯H₂进入燃气轮机电。由于合成气压力较高且CO₂浓度在40％左右，被认为是最有潜力的电厂碳捕集方式。在IGCC工厂中，离开变换反应器的气体通常压力为30-50Bar，其中含有约40％的CO₂。与从烟道气中分离相比，从该气流中分离CO₂更容易且成本更低，燃烧前碳捕集是最具前景的碳减排方式。

目前可选用的几种CO₂分离技术可分为，吸收法、吸附法、膜分离法与低温冷凝法，其中膜分离法具有操作简单、能耗低及无污染等优点，被视为最有发展前景的碳捕集方式。