一种低温二氧化碳分离装置的制作方法

本实用新型涉及一种新型的低温气体分离装置，特别涉及一种低温CO₂气体分离装置。

背景技术：

低温法碳捕集技术，属于燃烧后烟气中CO₂捕集技术的一种，它是基于混合气体中不同组分的溶沸点差异实现分离的方法。低温CO₂分离技术很有潜能成为一种低能源成本的烟气中CO₂分离技术，因为低温分离过程不需要化学试剂，而且不需要压降。最近，低温CO₂分离技术引起人们广泛的关注，但是仍有一些问题需要被解决。(1)换热器表面凝固的CO₂将严重影响热传递，并且会减小捕集效率。(2)制冷机的一个重要参数是COP(性能系数)，一些制冷机的性能系数太低。斯特林制冷机由于它的一些优良特性引起人们的研究兴趣。它的工作介质可以是空气、氢气或氦气。与传统的制冷机(CFCs、HCFCs、HFCs)相比，它的臭氧破坏势为0。在理想的情况下，斯特林循环是可逆的。另外斯特林制冷机可以在很宽的温度范围内(-120℃-70℃)工作，并且在低的热负载下，它的性能系数能超过2.5。

根据二氧化碳被捕集时的状态不同，低温法碳捕集技术包含了两种捕集形式：第一种是液化分离，即低温冷凝或精馏，利用与混合气体中其他成分的沸点差异，采用低温技术将CO₂液化并分离出来；第二种是凝华分离，它主要是利用凝华温度与混合气体中其他成分的差异，采用低温技术将CO₂固化并分离出来。CO₂通过凝华的方式以固体的形式被分离出来，在一定浓度范围内，是具有节能优势的。

检索国内外的研究，低温分离技术比较成熟的用于天然气中CO₂的去除，例如Cool Energy公司开发的CryoCell技术，利用一个低温处理过程把CO₂从天然气中脱除掉。

检索国内外的研究，低温捕集烟气中CO₂的装置比较少。Clodic和Younes等曾提出了一个常压下的低温CO₂分离装置。通过蒸发制冷剂工质在换热器冷侧凝固，从而达到捕集的目的。在该系统中，两个蒸发器结霜除霜过程交替运行，一个结霜，另一个则除霜。但是他们系统的缺点是：原料中水含量要尽可能小，防止水形成的冰堵塞管道或在操作过程中产生一个大的压降；在换热器表面形成的CO₂固体层，会严重影响换热器的热传递，减小了效率；昂贵的换热器必须在不同的温度下转换到再生循环，操作要特别注意，避免过大的机械压力。荷兰科学家M.J.Tuinier等开发了基于低温填充床的CO₂捕集技术,基于不同的露点和升华点，实现CO₂，H₂O和其他渗透气体的分离。相比于Clodic和Younes等提出的低温捕集系统，没有增加压降和产生堵塞问题，但是此填充床操作比较复杂，要先通氮气制冷，然后再通入原料气体。CO₂捕集过程中热量循环同样比较复杂，而且对填充颗粒的要求比较高。

本实用新型是基于自由活塞式斯特林制冷机的新型低温CO₂分离技术，根据凝华点的差异进行分离，H₂O和CO₂能在捕集系统的不同部分被冷凝和凝华，剩余的气体流出系统没有相的改变。水在预冷却过程浓缩，通过浓缩管流出，避免了堵塞问题。CO₂是以固相被捕集，避免了在其他的捕集方法中使用溶剂和考虑压力问题。剩余的为冷凝气体通过气体出口排出。

技术实现要素：

本实用新型的目的，是为了克服现有CO₂捕集技术能源消耗高，产品回收率低的缺点和不足，提供一种新型的低温CO₂分离装置，根据凝华点的差异进行CO₂分离。此装置CO₂捕集能耗低，可以在低温条件下实现CO₂的分离，最后CO₂以固态被保存，回收率高。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种低温CO₂分离装置，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B11，主冷却塔2和内塔B11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B11之间不相贯通；

内塔A6、内塔B11和储存塔3分别设置有制冷机A4、制冷机B9和制冷机C16，制冷机B9的换热器10设置在内塔B11的中央位置；换热器10的外围设置有旋转刮檫板14；主冷却塔2还设置有电动机13以控制旋转刮檫板14；

内塔A6内设置有冷凝管7，预冷却塔1的顶部设置有冷凝管7的进气口5，预冷却塔1的侧壁设置有冷凝管7的冷凝水出口8，冷凝管7的下端延伸到内塔B11中；内塔B11与其下面的储存塔3相贯通；储存塔3的侧壁设置有气体排出口15；

在冷凝管7的进气口5的前端还设置有气体预处理器17、阀门18、流量控制器19和压力控制器20。

所述预冷却塔1的内塔A6内设置温度为-60℃，主冷却塔2的内塔B11内设置温度为-120℃，储存塔3内设置温度为-80℃。

所述制冷机A4、制冷机B9和制冷机C16为自由活塞式斯特林制冷机。

所述预冷却塔12、主冷却塔13和储存塔14为不锈钢材料。

所述内塔A6、内塔B11的外表面设置有铝箔材料。

所述预冷却塔1、主冷却塔2和储存塔3的外表面设置有珍珠棉绝热材料。

本实用新型的有益效果如下：

1.本实用新型设计了基于自由活塞式斯特林制冷机的低温CO₂的分离装置。低温CO₂的分离技术相比于较成熟的化学吸收法分离CO₂，不需要化学试剂，防止了试剂的污染，另外不需要溶剂的再生，因此节约能源。

2.低温CO₂的分离技术，与膜分离法捕集CO₂相比较，不需要压力差，而压力差的产生需要压缩机或真空泵，消耗能源，从这方面来说，低温CO₂的分离技术也是节约能源的。

3.本实用新型使用自有活塞式斯特林制冷机，它具有结构紧凑、重量轻、无油、运动部件少，可靠性高、低噪声、低振动、不易磨损、寿命长、制冷量方便可调等优点。

4.本实用新型在低温CO₂分离时，原料气中的水蒸汽在预冷却过程被浓缩，通过浓缩管流出，避免了堵塞问题。水和CO₂能在捕集系统的不同部分被冷凝和凝华，剩余的气体流出系统没有相的改变。CO₂是以固相被捕集，避免了在其他的捕集方法中使用溶剂和考虑压力问题。在最优的温度和流动速率下实现了96％的CO₂回收率，能源消耗仅为1.5MJ/Kg CO₂.

附图说明

图1是本实用新型低温CO₂分离装置的结构示意图；

图2是本实用新型低温CO₂分离过程的工艺简图。

本实用新型附图表及如下：

1———预冷却塔 2———主冷却塔

3———储存塔 4———制冷机A

5———进气口 6———内塔A

7———冷凝管 8———冷凝水出口

9———制冷机B 10———换热器

11———内塔B 12———固态CO₂

13———电动机 14——旋转刮擦板

15———气体排出口 16———制冷机C

17———气体预处理器 18———阀门

19———流量控制器 20———压力控制器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

图1是本实用新型低温CO₂分离装置的结构示意图,图2是本实用新型低温CO₂分离过程的工艺简图。

参见附图，本实用新型的一种低温CO₂分离装置，包括：预冷却塔1，主冷却塔2，储存塔3三部分,按上中下依次垂直设置，为不锈钢材料，其外表面设置有珍珠棉绝热材料。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B11，主冷却塔2和内塔B11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B11之间不相贯通；内塔A6、内塔B11的外表面设置有铝箔材料。

内塔A6、内塔B11和储存塔3分别设置有制冷机A4、制冷机B9和制冷机C16，制冷机B9的换热器10设置在内塔B11的中央位置；换热器10的外围设置有旋转刮檫板14，主冷却塔2还设置有电动机13以控制旋转刮檫板14；

内塔A6内设置有冷凝管7，预冷却塔1的顶部设置有冷凝管7的进气口5，预冷却塔1的侧壁设置有冷凝管7的冷凝水出口8，冷凝管7的下端延伸到内塔B11中；内塔B11与其下面的储存塔3相贯通；储存塔3的侧壁设置有气体排出口15；

在冷凝管7的进气口5的前端还设置有气体预处理器17、阀门18、流量控制器19和压力控制器20。

原料气通过气体预处理器17、阀门18、流量控制器19和压力控制器20，从进气口5进入预冷却塔1的内塔A6的冷凝管7，内塔A6的温度为-60℃，可以实现水蒸汽的液化，形成液态的水，液态水由冷凝管出口8中排出。由于内塔A6内的温度高于CO₂的凝固点，CO₂和其它的气体(如N₂、O₂)以气态形式进入主冷却塔2。主冷却塔2通过与它相连的斯特林制冷机B9，控制内塔B11内的温度为-120℃，低于CO₂的凝固点，内塔B11内的CO₂被凝固成固体，冻结在换热器10的表面，从而实现了H₂O和CO₂在不同部位的分离。冻结在换热器表面的固态CO₂12，通过电动机13带动的旋转刮擦板14进行刮擦，使它落入储存塔3内。储存塔3通过与它相连的斯特林制冷机C16，控制储存塔3内温度为-80℃，高纯度的CO₂以固态的形式被储存。未冷凝的N₂和其它的气体通过气体排出口15排出。

实施例1

以CO₂/N₂/H₂O的混合气体模拟燃烧后烟气中的成分，其中CO₂为13vol％，N₂为82vol％，H₂O为5vol％。采用本实用新型的低温CO₂气体分离装置，以低温法进行CO₂的分离，具体实施过程如下：

混合气体先通过气体预处理器17除去烟气中的SO_x、NO_x和飞灰，再通过流量控制器19控制流动速率，再通过压力控制器20控制混合气进气压力。混合气体从进气口5进入冷凝管7，预冷却塔1的内塔A6与斯特林制冷机A4相连，控制内塔A6内的温度为-60℃。此温度下水蒸汽液化，形成液态水(防止了形成冰对管道的堵塞)，液态的水从冷凝管出口8中排出。由于此时温度高于CO₂凝固点(约-78.5℃)和N₂的凝固点(约-209.86℃)，使CO₂和N₂以气态顺利进入主冷却塔2的内塔B11。

主冷却塔1的内塔B11与斯特林制冷机B9相连接，内塔B9的设置温度为-120℃，由于此时的温度低于CO₂的凝固点，使CO₂被凝固成固体，冻结在换热器10的表面，而此温度仍高于N₂的凝固点，所以N₂仍以气态进入储存塔3。冻结在换热器10表面的CO₂12，通过电动机13带动的旋转刮擦板14进行刮擦，使固态CO₂12落入储存塔3内。

储存塔3与斯特林制冷机C16相连接，储存塔3的设置温度为-80℃，高纯度的CO₂以固态的形式被储存，未冷凝的N₂以气态形式通过气体排出口15排出。

混合气体通过本实用新型的低温CO₂气体分离装置，实现了低温CO₂的分离。最终，水蒸汽以液态的形式在从预冷却塔的内塔A6排出，CO₂以固态形式储存在储存塔内，未冷凝的气体(N₂)，从储存塔内的气体排出口排出。