本实用新型涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种提纯食品级二氧化碳的装置。
背景技术：
二氧化碳作为一种温室气体被认为是加剧全球温室效应的主要因素。在全球气候持续变暖的背景下，极端天气气候事件频发。因此，减少温室气体排放，减缓环境进一步恶化，势在必行。
煤化工产业作为煤炭清洁高效利用技术的应用领域在我国得到了长足的发展。由于煤化工产业聚集度较高，排放的二氧化碳浓度高，便于开展大规模集中的CO2捕集净化和回收利用工作。
现行的食品级二氧化碳提纯技术主要有物理吸收法、化学吸收法、膜分离法、低温精馏法等，各提纯技术各有优缺点。根据煤气化排放的二氧化碳的气源特性，常选用低温精馏法。现行的低温精馏技术中冷冻液化部分全部采用液氨液化气体二氧化碳，能耗过大，运行成本较高。
技术实现要素：
为了解决现有低温精馏法提纯食品级二氧化碳时能耗过大，运行成本较高的问题，本实用新型针对目前粉煤加压气化技术中二氧化碳的气源特性，提供一种能够降低液化气体二氧化碳使用量的提纯食品级二氧化碳的装置，为二氧化碳资源合理利用提供技术保障。
本实用新型提供的一种提纯食品级二氧化碳的装置，包括：
预处理模块，用于对原料气进行预处理，得到第一物流；
吸附模块，用于对所述第一物流进行吸附处理，得到第二物流；
液化模块，用于将所述第二物流进行液化处理，得到第三物流；
提纯模块，用于将所述第三物流提纯，得到食品级二氧化碳。
在一种具体实施方案中，所述预处理模块包括缓冲罐以及与所述缓冲罐的出口管线连接的第一压缩机。
在一种具体实施方案中，所述吸附模块包括：用于对所述第一物流进行脱硫处理的脱硫单元，以及用于对所述脱硫单元输出的物流进行除水的除水单元。
在一种具体实施方案中，所述脱硫单元包括：
输入端与所述第一压缩机的输出端管线连接的预脱硫塔；以及
输入端与所述预脱硫塔的输出端管线连接的水解塔；以及
输入端与所述水解塔的输出端管线连接的精脱硫塔。
在一种具体实施方案中，所述除水单元包括输入端与所述脱硫单元的输出端管线连接的干燥塔以及连接于所述干燥塔出口端的第二压缩机。
在一种具体实施方案中，所述提纯模块包括提纯塔、再沸器、节流阀和气液分离器；所述液化模块的输出端与所述提纯塔的上部输入端管线连接，所述提纯塔的底部精馏塔输出端与所述再沸器的冷源输入端管线连接，所述再沸器的冷源输出端与所述提纯塔的精馏塔输入端管线连接；所述再沸器的热源入口与所述吸附模块的输出端管线连接，所述再沸器的热源入口在所述再沸器内部通过管线连接至再沸器的热源出口，所述再沸器的热源出口与所述液化模块管线连接；所述再沸器的底部出口通过管线连接所述节流阀输入端，所述节流阀输出端通过管线连接所述气液分离器的顶部输入端。
在一种具体实施方案中，所述液化模块包括工质二氧化碳预冷器和氨冷器；所述工质二氧化碳预冷器的输入端与所述吸附模块的输出端管线连接，所述工质二氧化碳预冷器的输出端与所述氨冷器的输入端管线连接；所述再沸器的气体输出端与所述氨冷器的输入端管线连接；所述氨冷器的输出端与所述提纯塔的上部输入端管线连接。
在一种具体实施方案中，所述气液分离器的顶部气体出口通过管线连接至所述提纯塔的顶部冷疑器入口；所述气液分离器的顶部气体出口还先通过管线与所述提纯塔的顶部不凝气出口连接后连接至所述工质二氧化碳预冷器的冷源入口。
本实用新型得到一种提纯食品级二氧化碳，按照以下步骤操作：
将原料气进行预处理，得到第一物流；
将所述第一物流进行吸附处理，得到第二物流；
将所述第二物流进行液化处理，得到第三物流；
将所述第三物流提纯，得到食品级二氧化碳。
在一种具体实施方案中，所述将原料气进行预处理，得到第一物流，包括：
通过缓冲罐将所述原料气稳压；
将稳压后的原料气输入第一压缩机进行一级压缩，得到压力为第一预定压力的第一物流；
将所述第一物流冷却至常温。
在一种具体实施方案中，所述将所述第一物流进行吸附处理，得到第二物流，包括：
通过预脱硫塔除去所述第一物流中的H2S，得到第四物流；
通过水解塔将所述第四物流中的COS水解为H2S和CO2，得到第五物流；
将所述第五物流输入精脱硫塔脱去H2S，得到总硫含量小于第一阈值的第六物流；
将所述第六物流控制到常温后输入干燥塔，通过所述干燥塔脱除所述第六物流中的水分和甲醇，得到水分含量低于第二阈值且甲醇含量低于第三阈值的第七物流；
通过第二压缩机将所述第七物流多级压缩至第二预定压力，得到第二物流。
在一种具体实施方案中，所述将所述第三物流提纯，得到食品级二氧化碳，包括：
将所述第三物流输入提纯塔提纯，得到第八物流进入所述提纯塔的底部精馏塔；
将所述精馏塔输出的第九物流输入再沸器加热，得到第十物流重新输入所述精馏塔，同时得到第十一物流从所述再沸器的底部出口输出；
将所述第十一物流输出至节流阀，经所述节流阀节流至第三预定压力；
将所述节流阀输出的第十二物流输入气液分离器进行气液分离；
将所述气液分离器底部液体冷却后得到食品级二氧化碳输出。
在一种具体实施方案中，所述将所述第二物流进行液化处理，得到第三物流，包括：
将所述第二物流分为两份，一份送入工质二氧化碳预冷器进行冷却，另一份送入所述再沸器与所述精馏塔输入再沸器的第九物流进行热交换获取冷量；
将所述工质二氧化碳预冷器输出的第十三物流和所述再沸器输出的第十四物流共同送入氨冷器进行冷却，氨冷器最终输出所述第三物流。
在一种具体实施方案中，还包括：
将所述气液分离器的顶部气体输出至所述提纯塔顶部冷凝器作为冷流体的步骤；以及
将所述气液分离器的顶部气体和所述提纯塔的顶部不凝气输出至所述工质二氧化碳预冷器作为所述工质二氧化碳的冷量来源的步骤。
本实用新型提供的提纯食品级二氧化碳的方案，通过对原料气进行预处理后，依次进行脱硫、除水、液化、提纯等工序，可有效除去煤气化装置排放二氧化碳中的杂质，获得纯度高于99.999％的食品级二氧化碳。本实用新型提供的装置稳定可靠，相对能耗小，成本低，产量可达25万吨/年，与煤气化产生的二氧化碳气源匹配，可有效除去食品级液体二氧化碳中的有害物质，生产的食品级二氧化碳有安全保障。此外，本实用新型提供的方案可充分利用系统的余热和余冷，降低了液化工段的运行成本。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种提纯食品级二氧化碳的装置结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种提纯食品级二氧化碳的操作过程流程图；
图3为步骤S2的流程图；
图4为步骤S4的流程图；
图5为本实用新型实施例一提供的提纯食品级二氧化碳的装置结构示意图。
[附图标记说明]
101、预处理模块，102、吸附模块，103、液化模块，104、提纯模块，1、原料气，2、缓冲罐出口物流，3、第一物流，4、第四物流，5、第五物流，6、第六物流，7、第七物流，8、第二物流，9、第十五物流，10、第十六物流，11、第十三物流，12、第十四物流，13、第十七物流，14、第三物流，15、第九物流，16、第十一物流，17、食品级二氧化碳，18、气液分离器顶部气体，19、第一冷流体，20、提纯塔塔顶不凝气，21、第二冷流体，22、第十物流，23、汽化二氧化碳24、预冷二氧化碳出口25、气氨,V-01、缓冲罐，C-01、预脱硫塔，C-02、水解塔，C-03、精脱硫塔，C-04、干燥塔，E-01、工质二氧化碳预冷器，E-02、氨冷器，E-03、再沸器，C-05、提纯塔，V-02、气液分离器。
具体实施方式
为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
图1为本实用新型实施例提供的提纯食品级二氧化碳的装置的结构示意图，如图1中所示，该装置包括预处理模块101、吸附模块102、液化模块103和提纯模块104；其中，预处理模块101，用于对原料气进行预处理，得到第一物流；吸附模块102，用于对所述第一物流进行吸附处理，得到第二物流；液化模块103，用于将所述第二物流进行液化处理，得到第三物流；提纯模块104，用于将所述第三物流提纯，得到食品级二氧化碳，此外，提纯模块104产生的余热和余冷还输送回液化模块103进行二次利用，降低了液化工段的运行成本。
本实施例中，通过对原料气进行预处理后，依次进行脱硫、除水、液化、提纯等工序，可有效除去煤气化装置排放二氧化碳中的杂质，获得纯度高于99.999％的食品级二氧化碳，装置稳定可靠，相对能耗小，成本低。
在一个具体实施例中，预处理模块101可以包括缓冲罐以及与所述缓冲罐的出口管线连接的第一压缩机。原料气经缓冲罐稳压、除去介质中液体后，进入压缩机一级压缩，压缩后气体压力达到0.3～0.5MPa，冷却至常温后进入吸附工段。
在一个具体实施例中，吸附模块102可以包括脱硫单元和除水单元；其中，脱硫单元用于对所述第一物流进行脱硫处理；除水单元用于对脱硫单元输出的物流进行除水。
优选地，脱硫单元可以包括：输入端与所述第一压缩机的输出端管线连接的预脱硫塔；以及输入端与所述预脱硫塔的输出端管线连接的水解塔；以及输入端与所述水解塔的输出端管线连接的精脱硫塔。第一物流先经过预脱硫塔除去H2S，然后进入水解塔，水解塔将COS水解为H2S和CO2后进入精脱硫塔脱去H2S，使物流的总硫含量小于0.1ppm，温度控制在常温后进入后续除水阶段。
优选地，除水单元包括输入端与脱硫单元的输出端管线连接的干燥塔以及连接于干燥塔出口端的第二压缩机。脱硫单元输出的物流进入干燥塔，同时脱除水和甲醇。水含量降至20ppm以下；甲醇含量降至10ppm以下后进入压缩机组，经多级压缩至2.5～3.5MPa，进入液化工段。
在一个具体实施例中，提纯模块104可以包括提纯塔、再沸器、节流阀、气液分离器和储罐；其中，液化模块103的输出端与提纯塔的上部输入端管线连接，提纯塔的底部精馏塔输出端与再沸器的冷源输入端管线连接，再沸器的冷源输出端与提纯塔的精馏塔输入端管线连接；再沸器的热源入口与吸附模块102的输出端管线连接，再沸器的热源入口在再沸器内部通过管线连接至再沸器的热源出口，再沸器的热源出口与液化模块103管线连接；再沸器的底部出口通过管线连接节流阀输入端，节流阀输出端通过管线连接气液分离器的顶部输入端，气液分离器的底部出口通过管线连接储罐。本实施例中，第三物流以液态进入提纯塔，含少量轻组分的液体二氧化碳进入精馏塔底部，经塔底再沸器加热后，原料气中的轻组分通过再沸器的热源出口输出至提纯塔，随后上升至塔顶，在塔顶部分冷凝；而由提纯塔进入再沸器的物流进行热交换后得到的纯度高于99.99％的液体二氧化碳由再沸器底部流出，经节流阀节流至2.2Mpa后进入气液分离器进行气液分离，气液分离器底部液体冷却后为食品级二氧化碳进入储罐储存。
在一个具体实施例中，液化模块103可包括工质二氧化碳预冷器和氨冷器；工质二氧化碳预冷器的输入端与吸附模块102的输出端管线连接，工质二氧化碳预冷器的输出端与氨冷器的输入端管线连接；再沸器的气体输出端与氨冷器的输入端管线连接；氨冷器的输出端与提纯塔的上部输入端管线连接。如此设计，将吸附模块102输出的部分热气输入再沸器用于对精馏塔底部输入再沸器的物流加热，同时达到了对吸附模块102输出的第二物流的部分冷却效果，充分利用了系统余热，提高了能源利用率。
在一个具体实施例中，气液分离器的顶部气体出口通过管线连接至提纯塔的顶部冷疑器入口，以作为冷疑器的冷流体；气液分离器的顶部气体出口还先通过管线与提纯塔的顶部不凝气出口连接后连接至工质二氧化碳预冷器的冷源入口，以作为工质二氧化碳预冷器的冷源。本实施例，进一步利用了气液分离器的余气冷量，进一步降低了液化工段的运行成本。
对应于本实用新型实施例提供的提纯食品级二氧化碳的装置，本实用新型实施例按照下面步骤操作得到一种提纯食品级二氧化碳。
图2所示为本实用新型实施例提供的一种提纯食品级二氧化碳的操作过程流程图，如图2中所示，该操作过程包括以下步骤：
S1：将原料气进行预处理，得到第一物流。
优选地，步骤S1可先通过缓冲罐将原料气稳压，随后将稳压后的原料气输入第一压缩机进行一级压缩，得到压力为第一预定压力的第一物流；最后将第一物流冷却至常温即可进入吸附工序。
S2：将第一物流进行吸附处理，得到第二物流。
本实施例中，将第一物流进行脱硫和除水等吸附处理，得到二氧化碳含量较高的第二物流。
优选地，如图3所示，步骤S2可以包括以下步骤S21-S25：
S21：通过预脱硫塔除去第一物流中的H2S，得到第四物流；
S22：通过水解塔将第四物流中的COS水解为H2S和CO2，得到第五物流；
S23：将第五物流输入精脱硫塔脱去H2S，得到总硫含量小于第一阈值的第六物流；
S24：将第六物流控制到常温后输入干燥塔，通过干燥塔脱除第六物流中的水分和甲醇，得到水分含量低于第二阈值且甲醇含量低于第三阈值的第七物流；
S25：通过第二压缩机将第七物流多级压缩至第二预定压力，得到第二物流。
S3：将第二物流进行液化处理，得到第三物流。
本实施例中，将第二物流(二氧化碳含量较高的气体)进行液化处理，得到二氧化碳含量较高的液体作为第三物流。
S4：将第三物流提纯，得到食品级二氧化碳。
本实施例中，将二氧化碳含量较高的第三物流进行二氧化碳提纯，最终得到食品级二氧化碳。
优选地，如图4所示，步骤S4可以通过以下步骤S41-S45来实现：
S41：将第三物流输入提纯塔提纯，得到第八物流进入提纯塔的底部精馏塔；
S42：将精馏塔输出的第九物流输入再沸器加热，得到第十物流重新输入精馏塔，同时得到第十一物流从再沸器的底部出口输出；
此步骤中，精馏塔输出的第九物流为含少量轻组分的液体二氧化碳，将精馏塔输出的第九物流通过再沸器加热后，原料气中的轻组分回送至提纯塔，随后上升至塔顶，在塔顶部分冷凝，而纯度高于99.99％的液体二氧化碳则作为第十一物流由再沸器底部流出。
S43：将第十一物流输出至节流阀，经节流阀节流至第三预定压力；
S44：将节流阀输出的第十二物流输入气液分离器进行气液分离；
S45：将气液分离器底部液体冷却后得到食品级二氧化碳输出。
本实用新型的操作过程，通过对原料气进行预处理后，依次进行脱硫、除水、液化、提纯等工序，可有效除去煤气化装置排放二氧化碳中的杂质，获得纯度高于99.999％的食品级二氧化碳。本实用新型提供的装置稳定可靠，相对能耗小，成本低，产量可达25万吨/年，与煤气化产生的二氧化碳气源匹配，可有效除去食品级液体二氧化碳中的有害物质，生产的食品级二氧化碳有安全保障。
在另一优选实施例中，步骤S3将第二物流进行液化处理的过程可以为：首先将第二物流分为两份，一份送入工质二氧化碳预冷器进行冷却，另一份送入再沸器与精馏塔输入再沸器的第九物流进行热交换获取冷量；随后将工质二氧化碳预冷器输出的第十三物流和再沸器输出的第十四物流共同送入氨冷器进行冷却，氨冷器最终输出第三物流。本实施例中，将部分第二物流热气输入再沸器对精馏塔底部输入再沸器的第九物流加热，同时达到了对第二物流的部分冷却效果，充分利用了系统余热，提高了能源利用率。
进一步地，在另一优选实施例中，本实用新型提供的方法还可包括：将气液分离器的顶部气体输出至提纯塔顶部冷凝器作为冷流体的步骤；以及将气液分离器的顶部气体和提纯塔的顶部不凝气输出至工质二氧化碳预冷器作为工质二氧化碳的冷量来源的步骤。本实施例，进一步利用了气液分离器的余气冷量，进一步降低了液化工段的运行成本。
下面通过具体实施例来说明本实用新型实施例提供的提纯食品级二氧化碳的装置。
实施例一
图5为本实用新型实施例一提供的提纯食品级二氧化碳的装置结构示意图，如图5所示，本实施例的装置包括：缓冲罐V-01、预脱硫塔C-01、水解塔C-02、精脱硫塔C-03、干燥塔C-04、工质二氧化碳预冷器E-01、氨冷器E-02、再沸器E-03、提纯塔C-05、气液分离器V-02、第一压缩机、第二压缩机及图中未表示的节流阀。其中，原料气从缓冲罐V-01的输入口输入，缓冲罐V-01的输出端依次连接第一压缩机、预脱硫塔C-01、水解塔C-02、精脱硫塔C-03、干燥塔C-04；干燥塔C-04的输出端通过管线分别连接至工质二氧化碳预冷器E-01的输入端以及再沸器E-03的热源入口，工质二氧化碳预冷器E-01的输出端以及再沸器E-03的热源出口均连接至氨冷器E-02的输入端，氨冷器E-02的输出端与提纯塔C-05的上部输入端管线连接；提纯塔C-05底部精馏塔输出端与再沸器E-03的冷源输入端连接，再沸器E-03的冷源输出端右连接回提纯塔C-05的精馏塔输入端，形成一个循环回路；再沸器E-03的底部出口通过管线连接节流阀输入端，节流阀输出端通过管线连接气液分离器V-02的顶部输入端，最终得到的食品级二氧化碳从气液分离器V-02输出。进一步地，如图2中所示，气液分离器V-02的顶部气体出口连接至提纯塔C-05的顶部冷疑器入口，气液分离器V-02的顶部气体出口还先通过管线与提纯塔C-05的顶部不凝气出口连接后连接至工质二氧化碳预冷器E-01的冷源入口。
在一个实施例中，若原料气1的温度为30℃，压力为0.04MPaG，流量为19.2kNm3/h，原料气1各组分浓度分别为：CO2：98.5％vol，CO：0.07％，H2：0.08％，N2：0.32％，CH4：0.00049％，CH3OH：0.02％，H2S：0.13％，COS：0.07％，Ar：0.0004％，则采用图5所示装置以及本实用新型提供的操作过程提纯食品级二氧化碳，包括以下步骤：
(1)将原料气1经缓冲罐V-01稳压，缓冲罐V-01的出口物流2进入第一压缩机压缩至0.3MPa，由于气体的温度随压力增高而升高，因此压缩后的物流经压缩机自带冷却器降温至40℃后，得到第一物流3进入吸附工序。
(2)第一物流3进入预脱硫塔C-01除去大部分H2S后，预脱硫塔C-01输出的第四物流4进入水解塔C-02，发生水解反应，第四物流4中的COS水解为H2S和CO2；水解塔C-02输出的第五物流5进入精脱硫塔C-03，脱除剩余H2S，精脱硫塔C-03输出的第六物流6中总硫含量降至0.06ppm；第六物流6经干燥塔C-04干燥后，干燥塔C-04输出的第七物流7的水含量降至7ppm，甲醇含量降至2ppm。第七物流7进入第二压缩机分别经1.1MPa和2.5MPa两级压缩冷却后，第二压缩机输出的第二物流8以压力2.5MPa、温度40℃的工况下进入后续冷却工段。
(3)第二压缩机输出的第二物流8的一部分(图5中所示第十五物流9)进入工质二氧化碳预冷器E-01中预冷(由图5中的调节阀A控制)，冷却到-8℃送入氨冷器E-02。第二压缩机输出的第二物流8的另一部分(图5中所示第十六物流10)进入再沸器E-03作为热源(由调节阀B控制)，加热提纯塔C-05的精馏塔底部出口第九物流15，并获得冷量，温度降至-11℃，同样送入氨冷器E-02，即工质二氧化碳预冷器E-01输出的第十三物流11和再沸器E-03输出的第十四物流12汇合为图5中所示第十七物流13送入氨冷器E-02。
(4)氨冷器E-02将第十七物流13冷却至-18℃，此时氨冷器E-02输出第三物流14以液态进入提纯塔C-05，含少量轻组分的液体二氧化碳(即第八物流)进入精馏塔底部，经塔底输出第九物流15至再沸器E-03加热后，原料气中的轻组分作为第十物流22被送回提纯塔，第十物流22上升至塔顶，在塔顶部分冷凝，不凝气进入工质二氧化碳预冷器E-01作为冷源，而纯度高于99.99％的液体二氧化碳作为第十一物流16由再沸器E-01底部流出，经节流阀节流至2.2Mpa的第十二物流后进入气液分离器V-02。
(5)气液分离器V-02顶部气体18的温度为-16℃，这部分气体18一部分输出至提纯塔C-05顶部冷凝器作为第一冷流体19，另一部分与提纯塔C-05塔顶不凝气20混合为第二冷流体21，第二冷流体21进入工质二氧化碳预冷器E-01作为冷源。气液分离器V-02底部液体冷却后作为食品级二氧化碳17输出，例如可输出值储罐储存。
本实施例一可有效除去煤气化技术排放二氧化碳中的杂质，获得纯度高于99.999％的食品级二氧化碳，且充分利用系统的余热和余冷，降低了液化工段的运行成本。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。