连续CO2吸附装置和方法与流程

本发明涉及CO₂吸附领域，具体涉及连续CO₂吸附装置和方法。

背景技术：

以气候变化为核心的全球环境问题日益严重，控制温室气体排放已经成 为当今国际社会普遍的共识。CO₂捕集、利用与封存技术(Carbon Capture, Utilization&Storage，CCUS)作为减少化石燃料温室气体排放的重要手段仍 将是全球研究热点。而目前制约CCUS技术发展的一个主要瓶颈是CO₂捕集 成本过高，开展新的更低成本的CO₂捕集技术迫在眉睫。

调研发现，溶剂法是目前最主要的CO₂捕集工艺，但为了降低溶液粘度 及有机胺的挥发性，溶剂法在使用过程中需要加入70％左右的水。在CO₂吸收富液再生过程中，这些水同样需要加热，由此造成溶剂法碳捕集成本居 高不下。

为了进一步降低碳捕集成本，以吸附法为代表的非溶剂CO₂捕集法应运 而生。初步能耗核算结果表明，相比于溶剂法，吸附法能耗明显降低。但吸 附法在使用过程中存在单塔无法实现连续吸附与再生，致使吸附、再生与冷 凝操作操作需要频繁切换，增加了操作复杂性，同时由于吸附剂在捕集过程 中活性逐渐降低，导致捕集产生的二氧化碳浓度不稳定，捕集效率逐渐降低。 因此探索新的连续CO₂吸附工艺显得尤为重要。

CN106823684A公开了一种节能型分离了工业烟气中二氧化碳的变温吸 附系统，包括：第一吸附床(1)、第二吸附床(2)和第三吸附床(3)，所 述每个吸附床带有相互独立的换热室(17)和吸附室(16)，所述换热室(17) 对所述吸附室(16)加热或冷却；以及包括：可切换地与每个所述吸附室(16) 或所述换热室(17)连通的热烟气供给管路(8)，可切换地与每个所述换热 室(17)连通的空气供给管路(10)、可切换地与每个所述吸附室(16)连 通的CO₂供给与回收管路(18)。系统的操作存在吸附过程CO₂出口浓度会 随着吸附时间的延长而下降，吸附系统的压力降较大；并且频繁的阀门及气 路切换致使操作复杂，吸附质量及产品气CO₂浓度很难保持稳定。再有该系 统进行吸附所达到的效果，如整个系统的能耗，装置吸附效率以及得到的 CO₂的浓度均未有具体的数据公开。

但是吸附CO₂的现有技术一般能耗高且吸附效率低，脱附出的CO₂的浓 度低。需要改进的吸附烟气中CO₂的方法和设备。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的能耗高且吸附效率低，脱附出 的CO₂的浓度低问题，提供了连续CO₂吸附装置和方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种连续CO₂吸附装置，包括：

轴体1、套装在所述轴体上的可转动的中分配盘2、固定在所述轴体的 两端的上分配盘3和下分配盘4、与所述中分配盘连通的可转动的吸附盘5、 驱动所述吸附盘转动的驱动装置6，以及与所述上分配盘连接的CO₂回收装 置；其中，在所述下分配盘上设置相互之间隔离的烟气进入流道7、水蒸汽 进入流道8和冷却气进入流道9；在所述上分配盘上设置相互之间隔离的净 气流出流道10、脱附气流出流道11和冷却气流出流道12；在所述中分配盘 与所述轴体之间设置多个相互隔离的气流通道13，用于连通所述吸附盘和所 述上分配盘、所述吸附盘和所述下分配盘。

优选地，所述CO₂回收装置与所述脱附气流出流道相连通，用于将脱附 产物进行水蒸汽与CO₂的分离，回收CO₂。

优选地，所述轴体包括中轴a和连接在所述中轴两端的上轴b和下轴c， 所述上轴、中轴和下轴设置为中心轴线重合。

优选地，所述上轴和下轴的直径小于所述中轴的直径。

优选地，所述气流通道设置在所述上轴和所述中分配盘之间、所述下轴 和所述中分配盘之间。

优选地，所述吸附盘的内部设置气流隔板14而分为上盘15和下盘16， 所述气流隔板的外侧与所述吸附盘的外壳之间留有间隙，用作连通所述上盘 和下盘的气路。

优选地，所述吸附盘包括吸附剂加料口17、吸附剂排料口19、连通所 述上盘和所述中分配盘的上连接管道18、连通所述下盘和所述中分配盘的下 连接管道20。

优选地，所述吸附盘的内部分隔为多个相互独立的扇形盘21。

优选地，多个所述扇形盘均分所述吸附盘。

优选地，所述扇形盘的数目为16-48，优选为32。

优选地，所述下分配盘的烟气进入流道7、水蒸汽进入流道8和冷却气 进入流道9，分别与所述上分配盘的净气流出流道10、脱附气流出流道11 和冷却气流出流道12在垂直方向上相对应。

本发明第二方面提供一种连续CO₂吸附的方法，包括：将含CO₂的烟气 通入本发明提供的连续CO₂吸附装置；

该吸附装置包括的上分配盘3和下分配盘4固定，同时包括的轴体1、 中分配盘2和吸附盘5连续转动，使所述吸附盘中的吸附剂通过所述中分配 盘的气流通道13循环连通烟气进入流道7和净气流出流道10、水蒸汽进入 流道8和脱附气流出流道11、冷却气进入流道9和冷却气流出流道12，连 续进行所述烟气的CO₂吸附、所述吸附剂的脱附和冷却。

优选地，所述吸附盘的转动速率为0.6-60°/min；吸附温度为20-60℃， 吸附压力为0.1-0.5MPa，吸附时间为5-60min；脱附温度为110-150℃，脱附 压力为0.2-0.5MPa，脱附时间为5-30min；冷却温度为30-50℃，冷却时间为 5-20min。

通过上述技术方案，本发明可以实现CO₂连续旋转式吸附，能够降低 CO₂吸附能耗且提高吸附得到的CO₂纯度。

附图说明

图1是本发明的连续CO₂吸附装置的吸附盘的俯视图；

图2是图1中A-A’剖面的结构示意图；

图3是本发明中扇形盘的结构示意图；

图4是本发明中上分配盘上各流出流道的结构示意图；

图5是本发明的中分配盘上气流通道的结构示意图；

图6是本发明中下分配盘上各进入流道的结构示意图。

附图标记说明

1、轴体 2、中分配盘 3、上分配盘

4、下分配盘 5、吸附盘 6、驱动装置

7、烟气进入流道 8、水蒸汽进入流道 9、冷却气进入流道

10、净气流出流道 11、脱附气流出流道 12、冷却气流出流道

13、气流通道 14、气流隔板 15、上盘

16、下盘 17、吸附剂加料口 18、上连接管道

19、吸附剂排料口 20、下链接管道 21、扇形盘

22、挡板

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这 些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各 个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点 值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视 为在本文中具体公开。

本发明第一方面提供一种连续CO₂吸附装置，如图2、4、5、6所示， 包括：

轴体1、套装在所述轴体上的可转动的中分配盘2、固定在所述轴体的 两端的上分配盘3和下分配盘4、与所述中分配盘连通的可转动的吸附盘5、 驱动所述吸附盘转动的驱动装置6，以及与所述上分配盘连接的CO₂回收装 置；其中，在所述下分配盘上设置相互之间隔离的烟气进入流道7、水蒸汽 进入流道8和冷却气进入流道9；在所述上分配盘上设置相互之间隔离的净 气流出流道10、脱附气流出流道11和冷却气流出流道12；在所述中分配盘 与所述轴体之间设置多个相互隔离的气流通道13，用于连通所述吸附盘和所 述上分配盘、所述吸附盘和所述下分配盘。

根据本发明，所述吸附盘中装填吸附剂。所述下分配盘上设置的各流道 主要用于通入含CO₂的烟气、通入用于将吸附了CO₂的吸附剂(又可以称为 待生剂)进行脱附的水蒸汽、通入用于冷却经脱附后的吸附剂(又可以称为 脱附剂)的冷却介质(如空气)，使吸附剂经历吸附、脱附和冷却为再生剂， 可以进一步循环进行CO₂的吸附。对应地，所述上分配盘设置的各流动主要 用于排出脱除了CO₂的干净烟气、排出含有脱附出CO₂的水蒸汽(脱附产物)、 排出冷却了脱附剂后的空气。其中，优选地，所述CO₂回收装置与所述脱附 气流出流道相连通，用于将脱附产物进行水蒸汽与CO₂的分离，回收CO₂。

根据本发明，在所述下分配盘中，所述烟气进入流道、水蒸汽进入流道 和冷却气进入流道可以通过多块挡板22相分隔开，保证在各流道中流动的 各种介质(含CO₂的烟气、水蒸汽、空气)不混合、不干扰，在所述下分配 盘中形成相互隔离的吸附区、脱附区和冷却区。如图2和6所示，所述烟气 进入流道、水蒸汽进入流道和冷却气进入流道被开设的位置可是在所述下分 配盘上远离所述中分配盘的一个端面上。如图6所示可以是三段弧形的开槽。 在各段所述开槽之间是设置所述挡板。各段所述开槽的开口面积可以根据本 发明提供的连续CO₂吸附装置进行吸附、脱附和冷却步骤所需要的时间，以 及不同的可以用于CO₂吸附的吸附剂的性质确定。也可以图6所示的三段开 槽均等开设，即三段弧形的弧度均分为120°，进行连续CO₂吸附时可以通 过调整所述中分配盘和吸附盘的变频转动，实现进行吸附、脱附和冷却步骤 不同的时间控制。

根据本发明，与所述下分配盘的上述设置相对应，在所述上分配盘中， 如图2和4所示，所述净气流出流道、脱附气流出流道和冷却气流出流道通 过多块挡板22相分隔开，脱除CO₂的净化气、脱附产物和冷却后空气互不 混合，在所述上分配盘中形成相互隔离的吸附区、脱附区和冷却区。所述净 气流出流道、脱附气流出流道和冷却气流出流道被开设在所述上分配盘上远 离所述中分配盘的一个端面上。如图4所示所述净气流出流道、脱附气流出 流道和冷却气流出流道可以是三段弧形的开槽。所述开槽的设置方式可以与 所述下分配盘的上述描述相同，且开槽的功能相对应：下分配盘的所述烟气 进入流道与上分配盘的所述净气流出流道相对应，下分配盘的所述水蒸汽进 入流道和上分配盘的所述脱附气流出流道相对应，下分配盘的所述冷却气进 入流道和上分配盘的所述冷却气流出流道相对应。相对应地，所述上分配盘 和下分配盘中各自的吸附区、脱附区和冷却区互为对应。优选地，所述下分 配盘的烟气进入流道7、水蒸汽进入流道8和冷却气进入流道9，分别与所 述上分配盘的净气流出流道10、脱附气流出流道11和冷却气流出流道12 在垂直方向上相对应。

根据本发明，如图2所示，优选地，所述轴体包括中轴a和连接在所述 中轴两端的上轴b和下轴c，所述上轴、中轴和下轴设置为中心轴线重合。 优选所述中分配盘套装在所述中轴上，实现所述中分配盘的转动，且防止进 行CO₂吸附操作时，各种介质从所述中分配盘中直接穿过。

根据本发明，如图2所示，优选地，所述上轴和下轴的直径小于所述中 轴的直径。从而在所述轴体和所述中分配盘之间可以形成气流通道。优选地， 如图5所示，所述气流通道设置在所述上轴和所述中分配盘之间、所述下轴 和所述中分配盘之间。

根据本发明，所述气流通道随所述中分配盘转动。每个所述气流通道均 可以循环地与所述上分配盘或下分配盘连通。具体地，在所述上轴与所述中 分配盘之间形成的多个所述气流通道随所述中分配盘转动，可以循环地与所 述上分配盘连通，进而循环地与在所述上分配盘上设置的所述净气流出流道、 脱附气流出流道和冷却气流出流道相连通。在所述下轴与所述中分配盘之间 形成的多个所述气流通道随所述中分配盘转动，可以循环地与所述下分配盘 连通，进而循环地与在所述下分配盘上设置的所述烟气进入流道、水蒸汽进 入流道和冷却气进入流道相连通。

根据本发明，所述吸附盘与所述中分配盘相连通且随所述中分配盘转动。 所述吸附盘与所述中分配盘为相对固定。所述吸附盘中的吸附剂可以随所述 中分配盘转动，并通过所述气流通道循环地与上分配盘、下分配盘各自的吸 附区、脱附区和冷却区连通，使所述吸附剂可以相应地处于吸附段、脱附段 和冷却段，循环进行CO₂吸附、CO₂脱附和脱附剂冷却。

根据本发明，所述吸附盘的内部可以分盘设置。优选地，如图2所示， 所述吸附盘的内部设置气流隔板14而分为上盘15和下盘16，所述气流隔板 的外侧与所述吸附盘的外壳之间留有间隙，用作连通所述上盘和下盘的气路。

根据本发明，所述吸附盘还包括与外部连接的结构。优选地，如图2、3 所示，所述吸附盘包括吸附剂加料口17、吸附剂排料口19、连通所述上盘 和所述中分配盘的上连接管道18、连通所述下盘和所述中分配盘的下连接管 道20。如此，含CO₂烟气、水蒸汽或冷却介质(如空气)可以由所述下分 配盘通入，通过所述气流通道(在所述上轴与所述中分配盘之间设置的)、 所述下连接管道进入所述下盘，再进入所述上盘，然后经所述上连接管道、 所述气流通道(在所述下轴与所述中分配盘之间设置的)进入所述上分配盘， 然后排出本发明的吸附装置。

根据本发明，所述吸附盘的内部还可以进行分隔设置。优选地，如图1 所示，所述吸附盘的内部分隔为多个相互独立的扇形盘21；优选地，多个所 述扇形盘均分所述吸附盘。所述扇形盘之间不连通。

根据本发明，优选地，所述扇形盘的数目为16-48，优选为32。

本发明中，所述气流通道的数目可以与所述扇形盘的数目相同，每一个 所述气流通道可以对应一个所述扇形盘。

本发明提供的连续CO₂吸附装置中，所述中轴与中分配盘之间、中分配 盘分别与所述上分配盘和下分配盘之间均设置有密封机构，以避免气体泄漏。

本发明第二方面提供一种连续CO₂吸附的方法，包括：将含CO₂的烟气 通入本发明提供的连续CO₂吸附装置；

该吸附装置包括的上分配盘3和下分配盘4固定，同时包括的轴体1、 中分配盘2和吸附盘5连续转动，使所述吸附盘中的吸附剂通过所述中分配 盘的气流通道13循环连通烟气进入流道7和净气流出流道10、水蒸汽进入 流道8和脱附气流出流道11、冷却气进入流道9和冷却气流出流道12，连 续循环进行所述烟气的CO₂吸附、所述吸附剂的脱附和冷却。

根据本发明，优选地，所述吸附盘的转动速率为0.6-60°/min；吸附温 度为20-60℃，吸附压力为0.1-0.5MPa，吸附时间为5-60min；脱附温度为 110-150℃，脱附压力为0.2-0.5MPa，脱附时间为5-30min；冷却温度为30-50℃， 冷却时间为5-20min。所述脱附温度和脱附压力可以是用于脱附的水蒸汽的 温度和压力。

本发明中，所述吸附盘的转动在所述驱动装置的驱动下进行。所述驱动 装置可以为变频驱动，可以控制所述吸附盘的每个所述扇形盘中的吸附剂经 历需要的吸附时间、脱附时间和冷却时间。

根据本发明，所述吸附剂可以是本领域用于CO₂吸附的吸附材料。可以 是无机吸附剂和/或有机吸附剂。优选地，所述吸附剂选自活性炭、沸石分子 筛、复合型离子交换树脂。所述吸附剂为已知物质，可以商购获得。

本发明中，加入的含CO₂的烟气的量可以根据实际处理要求确定，可以 优选相对于处于所述吸附段中的吸附剂总体积确定，含CO₂的烟气通入所述 吸附段的体积空速为1-50h^-1，优选为10-40h^-1。

本发明中，可以通过本发明提供的上述连续CO₂吸附装置所包括的吸附 盘和中分配盘的转动而实现含CO₂的烟气的连续CO₂吸附：

本发明的连续CO₂吸附装置在驱动装置6的驱动下，吸附盘5和中分配 盘2环绕轴体1转动。轴体1与中分配盘2之间的多个气流通道13也随着 转动，通过上连接管道18轮流与固定的上分配盘3上的净气流出流道10、 脱附气流出流道11和冷却气流出流道12连通，通过下连接管道20与固定 的下分配盘4上的烟气进入流道7、水蒸汽进入流道8和冷却气进入流道9 连通。

具体地，含CO₂的烟气(如电厂烟道气)通过下分配盘4上设置的烟气 进入流道7通入下分配盘4中的吸附区，然后进入正好转动到位的连通下分 配盘4的气流通道13(位于中分配盘2与下轴c之间)，再通过下连接管道 20进入吸附盘5的一个扇形盘21，烟气先后流经下盘16和上盘15，与其中 的吸附剂进行接触完成CO₂吸附；完成吸附得到的净化气经上连接管道18、 气流通道13(位于中分配盘2与上轴b之间)进入固定的上分配盘3中的吸 附区，从净气流出流道10排出；

完成了CO₂吸附，装填了吸附了CO₂的待生剂的扇形盘21随吸附盘5 和中分配盘2的转动离开吸附区，转入连通上分配盘3和下分配盘4的脱附 区；此时，水蒸汽通过下分配盘4上设置的水蒸汽进入流道8通入下分配盘 4中的脱附区，然后进入正好转动到位的连通下分配盘4的气流通道13(位 于中分配盘2与下轴c之间)，再通过下连接管道20进入有待生剂的扇形盘 21，水蒸汽先后流经下盘16和上盘15，与其中的待生剂进行接触完成CO₂脱附，得到的脱附产物(水蒸汽混合CO₂)经上连接管道18、气流通道13 (位于中分配盘2与上轴b之间)进入固定的上分配盘3中的脱附区，从脱 附气流出流道11排放到CO₂回收装置，经气液分离，得到纯净的CO₂气体；

完成了CO₂脱附，装填了脱附剂的扇形盘21随吸附盘5和中分配盘2 的转动离开脱附区，转入连通上分配盘3和下分配盘4的冷却区；此时，用 于冷却的空气通过下分配盘4上设置的冷却气进入流道9通入下分配盘4中 的冷却区，然后进入正好转动到位的连通下分配盘4的气流通道13(位于中 分配盘2与下轴c之间)，再通过下连接管道20进入有脱附剂的扇形盘21， 空气先后流经下盘16和上盘15，与其中的脱附剂进行接触完成冷却，得到 的再生剂，空气经上连接管道18、气流通道13(位于中分配盘2与上轴b 之间)进入固定的上分配盘3中的冷却区，从冷却气流出流道12排出；同 时吸附盘5和中分配盘2，将装有再生剂的扇形盘21再次转入连通上分配盘 3和下分配盘4的吸附区，循环进行CO₂的连续吸附。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，图2所示的 连续CO₂吸附装置的吸附盘具有32个扇形盘，中分配盘有32个气流通道。

实施例1

将压力为0.1MPa、温度为30℃、CO₂含量为11体积％的烟气通入图2 所示的连续CO₂吸附装置的烟气进入流道，流量为3m³/h。驱动装置驱动吸 附盘以旋转速率6°/min旋转。烟气与烟气进入流道对应的吸附盘中吸附段 的吸附剂接触，体积空速为10h^-1，进行吸附反应，并通过吸附前后的CO₂浓度变化判断吸附效果。

吸附温度为20℃，吸附压力为0.1MPa，吸附时间为30min；

脱附温度为150℃，脱附压力为0.5MPa，脱附时间为30min；

冷却温度为40℃，冷却时间为10min。

脱除CO₂的能耗为2.5GJ/t CO₂，得到的CO₂的纯度为95％。

实施例2

将压力为0.1MPa、温度为25℃、CO₂含量为12体积％的烟气通入图2 所示的连续CO₂吸附装置的烟气进入流道，流量为10m³/h。驱动装置驱动吸 附盘以旋转速率12°/min旋转。烟气与烟气进入流道对应的吸附盘中吸附 段的吸附剂接触，体积空速为40h^-1，进行吸附反应，并通过吸附前后的CO₂浓度变化判断吸附效果。

将含CO₂烟气通入连续CO₂吸附装置，驱动装置驱动吸附盘以旋转速率 12°/min旋转。

吸附温度为30℃，吸附压力为0.5MPa，吸附时间为15min；

脱附温度为110℃，脱附压力为0.2MPa，脱附时间为10min；

冷却温度为50℃，冷却时间为5min。

脱除CO₂的能耗为2.4GJ/t CO₂，得到的CO₂的纯度为94％。

实施例3

将压力为0.11MPa、温度为40℃、CO₂含量为12体积％的烟气通入图2 所示的连续CO₂吸附装置的烟气进入流道，流量为30m³/h。驱动装置驱动吸 附盘以旋转速率60°/min旋转。烟气与烟气进入流道对应的吸附盘中吸附 段的吸附剂接触，体积空速为20h^-1，进行吸附反应，并通过吸附前后的CO₂浓度变化判断吸附效果。

吸附温度为60℃，吸附压力为0.2MPa，吸附时间为60min；

脱附温度为130℃，脱附压力为0.3MPa，脱附时间为5min；

冷却温度为30℃，冷却时间为20min。

脱除CO₂的能耗为2.3GJ/t CO₂，得到的CO₂的纯度为95％。

对比例1

常规的吸附CO₂方法。

采用固定床吸附：吸附床直径为0.3m，高度为3m，装填吸附剂(分子 筛吸附剂，颗粒平均粒度为0.5-1cm)。

将压力为0.11MPa、温度为40℃、CO₂含量为12体积％的烟气从吸附 床底部加入，流量为30m³/h，体积空速为20h^-1；吸附剂吸附饱和后，切换 通入水蒸汽(150℃，0.5MPa，3kg/h)进行吸附剂脱附。

脱除CO₂的能耗为2.8GJ/t CO₂，得到的CO₂的纯度为85％。

通过实施例和对比例的结果可以看出，采用本发明的装置和方法的实施 例可以有效地实现提高吸附烟气中CO₂的效率，收取的CO₂纯度更好，同时 降低吸附过程的能耗。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限 于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单 变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和 组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。