专利名称：一种电动采集提纯二氧化碳的装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种电动采集提纯二氧化碳的装置与方法。
背景技术：
由于火电厂，石油，石化炼油，煤基发电厂的二氧化碳废气大量排放，导致越来越严重的温室效应，对气候，海洋，人体造成伤害，根据科学家统计，到本世纪末，需要从大气中去除数兆吨CO2，才能维持大气中二氧化碳的安全水平。目前二氧化碳的处理方式为CCS(Carbon dioxide capture and storage, 二氧化碳的采集和储存)，即分为二氧化碳的吸收、释放和封存三步。经常使用的二氧化碳吸收剂有二乙醇胺、二甘醇、甲基二乙醇胺等胺类吸收剂、聚乙二醇类吸收剂、哌嗪类吸收剂等，但是这些吸收剂普遍价格高、再生能耗大、具有二次污染性，不是节能环保的吸收剂。经过吸收后的二氧化碳需要进行二氧化碳的释放，一般的热力学释放方法操作复杂、不易控制、能耗高，不能节能高效的释放方法。为了克服现有技术和方法的弊端，本发明采用的是电动产生的碱性吸收剂对废气中的二氧化碳吸收，根据离子的迁移特性，生成的碳酸根离子和碳酸氢根离子的混合液，在四隔室的二氧化碳提取装置中迁移逐渐酸化形成二氧化碳，回收得到的二氧化碳气体经过气体纯化后可以进行工业应用，循环产生的碱性吸收剂继续吸收废气中的烟气，形成循环。具有价格低、易得、易储存、吸收液循环再生使用的优点。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有现有技术的不足，提供一种电动采集提纯二氧化碳的装置与方法，实现废气中的二氧化碳的采集提取，同时实现吸收液的电动产生与循环使用。电动采集提纯二氧化碳装置包括废气降温塔、冷却水槽、二氧化碳吸收塔、电动浓缩提取装置、阳极液储槽、气液平衡室、气液分离塔、储水槽、二氧化碳储存装置、二氧化碳浓度在线监测装置、加压装置、碱度计、流量计、阀门、泵、鼓风机；电动浓缩提取装置包括阴极室、阴离子交换树脂填充室、浓室、阳极室、阴离子交换膜、阳离子交换膜、阴极板、阳极板、电源、阴离子交换树脂填料，电动浓缩提取装置用两张阴离子交换膜和一张阳离子交换膜分隔成阴极室、阴离子树脂填充室、浓室和阳极室，阴离子树脂填充室内填充阴离子交换树脂填料，阴极室内设有阴极板，阴极板与直流电源相连，阳极室内设有阳极板，阳极板与直流电源相连；废气降温塔的底部液体出口经泵与冷却水槽相连，冷却水槽顶部液体出口经阀门与废气降温塔上部液体入口相连；废气降温塔顶部气体出口经流量计和阀门与二氧化碳吸收塔下部气体入口相连；二氧化碳吸收塔下部液体出口经阀门和泵与电动浓缩提取装置的阴极室底部液体入口相连、阴极室顶部液体出口经碱度计与二氧化碳吸收塔上部液体入口相连；阳极室顶部液体出口与阳极液储槽顶部液体入口相连，阳极液储槽下部液体出口经泵与阳极室底部液体入口相连；浓室顶部液体出口与气液平衡室顶部液体入口相连、气液平衡室底部液体出口经泵与浓室底部液体入口相连；气液平衡室顶部气体出口与气液分离塔下部气体入口相连，气液分离塔底部液体出口经阀门与储水槽顶部液体入口相连，气液分离塔顶部气体出口经鼓风机、二氧化碳浓度在线监测计、加压装置与二氧化碳储存装置相连。所述的阴极板的材料为不锈钢，阳极板的材料为石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布以及涂敷有RuO2、IrO2、TiO2、MnO2中至少一种的导电金属。所述的阴极板和阳极板的形状为网状、板状或孔状。所述的二氧化碳吸收塔分成上下等体积的两部分，上部为喷淋装置，下部为液体吸收装置，液体吸收装置由倒Z型溢流隔板分成等体积的两部分。所述的气液分离塔为螺旋上升结构，在螺旋上升气道中设置长板和短板两种隔板上下交替排列。电动采集提纯二氧化碳的方法是:废气降温塔和冷却水槽用于降低废气的温度，废气被降温后进入二氧化碳吸收塔，由阴极室电动产生的PH大于12的碱性吸收液吸收后形成碳酸根和碳酸氢根溶液，循环流动进入阴极室，剩余气体由二氧化碳吸收塔顶端排出；阴极板和阳极板在电源的作用下，在电动浓缩提取装置中产生电势，阴极室中的碳酸根和碳酸氢根阴离子透过阴离子交换树脂填充室选择性迁移到浓室中，在电场的作用下，阴极室和阳极室分别发生如下电极反应:4H20+4e — 2H2+40H_，2H20-4e — 02+4H+，分别产生氢氧根离子和氢离子，氢离子透过阳离子交换树脂膜迁移到浓室中与碳酸根和碳酸氢根结合形成碳酸和二氧化碳，并与气液平衡室循环，氢氧根离子则实现阴离子交换树脂填充室中树脂的再生，并碱化吸收液，实现吸收液的回用；气液平衡室中的二氧化碳进入气液分离塔干燥，在重力分离、折流分离和旋风分离三种力的作用下阻挡水分子上升，获得纯净二氧化碳气体，获得的二氧化碳经在线监测计检测、加压装置加压后进入二氧化碳储存装置进行储存。与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1)能够连续无间断的稳定运行去除含二氧化碳的废气，同时回收二氧化碳，作为生产有机燃料的原料；
2)碱性吸收液电动产生、循环使用，以碱液喷淋和碱液吸收的形式不断吸收废气中的二氧化碳；
3)二氧化碳的采集和提取过程实现物料的循环使用，无需额外添加化学试剂，具有节能环保的优点。
图1是电动采集提纯二氧化碳装置 图2是电动浓缩提取二氧化碳原理 图3是气液分离塔分离提纯原理图。图中，废气降温塔1、冷却水槽2、二氧化碳吸收塔3、阴极室4、阴离子交换树脂填充室5、浓室6、阳极室7、阴离子交换膜8、阳离子交换膜9、阴极板10、阳极板11、EDI装置
12、电源13、阴离子交换树脂填料14、阳极液储槽15、气液平衡室16、气液分离塔17、储水槽18、二氧化碳储存装置19、二氧化碳浓度在线监测计20、加压装置21、碱度计22、流量计23、阀门24、泵25、鼓风机26。
具体实施例方式如图1所示，电动采集提纯二氧化碳装置包括废气降温塔1、冷却水槽2、二氧化碳吸收塔3、电动浓缩提取装置12、阳极液储槽15、气液平衡室16、气液分离塔17、储水槽18、二氧化碳储存装置19、二氧化碳浓度在线监测装置20、加压装置21、碱度计22、流量计23、阀门24、泵25、鼓风机26 ;电动浓缩提取装置12包括阴极室4、阴离子交换树脂填充室
5、浓室6、阳极室7、阴离子交换膜8、阳离子交换膜9、阴极板10、阳极板11、电源13、阴离子交换树脂填料14，电动浓缩提取装置12用两张阴离子交换膜8和一张阳离子交换膜9分隔成阴极室4、阴离子树脂填充室5、浓室6和阳极室7，阴离子树脂填充室5内填充阴离子交换树脂填料14，阴极室4内设有阴极板10，阴极板10与直流电源13相连，阳极室7内设有阳极板11，阳极板11与直流电源13相连；废气降温塔I的底部液体出口经泵25与冷却水槽2相连，冷却水槽2顶部液体出口经阀门24与废气降温塔I上部液体入口相连；废气降温塔I顶部气体出口经流量计23和阀门24与二氧化碳吸收塔3下部气体入口相连；二氧化碳吸收塔3下部液体出口经阀门24和泵25与电动浓缩提取装置12的阴极室4底部液体入口相连、阴极室4顶部液体出口经碱度计22与二氧化碳吸收塔3上部液体入口相连；阳极室7顶部液体出口与阳极液储槽15顶部液体入口相连，阳极液储槽15下部液体出口经泵25与阳极室7底部液体入口相连；浓室6顶部液体出口与气液平衡室16顶部液体入口相连、气液平衡室16底部液体出口经泵25与浓室6底部液体入口相连；气液平衡室16顶部气体出口与气液分离塔17下部气体入口相连，气液分离塔17底部液体出口经阀门24与储水槽18顶部液体入口相连，气液分离塔17顶部气体出口经鼓风机26、二氧化碳浓度在线监测计20、加压装置21与二氧化碳储存装置19相连。所述的阴极板10的材料为不锈钢，阳极板11的材料为石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布以及涂敷有Ru02、Ir02、TiO2、MnO2中至少一种的导电金属。所述的阴极板10和阳极板11的形状为网状、板状或孔状。所述的二氧化碳吸收塔3分成上下等体积的两部分，上部为喷淋装置，下部为液体吸收装置，液体吸收装置由倒Z型溢流隔板分成等体积的两部分。所述的气液分离塔17为螺旋上升结构，在螺旋上升气道中设置长板和短板两种隔板上下交替排列。如图1、图2、图3所示，电动采集提纯二氧化碳的方法是:废气降温塔I和冷却水槽2用于降低废气的温度，废气被降温后进入二氧化碳吸收塔3，由阴极室4电动产生的pH大于12的碱性吸收液吸收后形成碳酸根和碳酸氢根溶液，循环流动进入阴极室4，剩余气体由二氧化碳吸收塔3顶端排出；阴极板10和阳极板11在电源13的作用下，在电动浓缩提取装置12中产生电势，阴极室4中的碳酸根和碳酸氢根阴离子透过阴离子交换树脂填充室5选择性迁移到浓室6中，在电场的作用下，阴极室4和阳极室7分别发生如下电极反应:4H20+4e — 2H2+40H_，2H20-4e — 02+4H+，分别产生氢氧根离子和氢离子，氢离子透过阳离子交换树脂膜9迁移到浓室6中与碳酸根和碳酸氢根结合形成碳酸和二氧化碳，并与气液平衡室16循环，氢氧根离子则实现阴离子交换树脂填充室5中树脂的再生，并碱化吸收液，实现吸收液的回用；气液平衡室16中的二氧化碳进入气液分离塔17干燥，在重力分离、折流分离和旋风分离三种力的作用下阻挡水分子上升，获得纯净二氧化碳气体，获得的二氧化碳经在线监测计20检测、加压装置21加压后进入二氧化碳储存装置19进行储存。实施例1
如图一所示的二氧化碳采集提取装置，回收电厂烟 废气中的二氧化碳。废气中二氧化碳的浓度约为104.lg/m3，气体流量100.0m3/h，经过二氧化碳采集提取装置进行气体采集处理后，烟气中二氧化碳的去除率为97.4、8.1%，经过四隔室EDI装置提取后，吸收剂中酸根转化率为93.r93.6%，吸收剂恢复碱性，pH > 13.2。提取后的二氧化碳湿气中二氧化碳浓度为67.2飞8.3%，获得的湿气通入到气液分离塔中，在塔中水汽和二氧化碳受到重力、折流和旋风作用，由于水汽比重大，受到阻挡逐渐降落在塔底，经过旋风气液分离塔脱水干燥和提纯的二氧化碳收集于塔顶，获得的干燥二氧化碳浓度为98.7^99.8%。并且阴树脂填充室的容积为3.0dm3，树脂层厚度为4.0cm，膜的有效面积为7.5dm2，电压为120V条件。实施例2
如图一所示的二氧化碳采集提取装置，回收小型锅炉厂燃煤废气中的二氧化碳。废气中二氧化碳的浓度约为39.3g/m3，气体流量40m3/h，废气中的二氧化碳经过二氧化碳吸收塔后，剩余废气排出，二氧化碳去除率约为97.8%，经过四隔室EDI装置提取后，吸收液中的碳酸根离子和碳酸氢根离子进入浓室的迁移率为93.2%，进入EDI装置的吸收液pH由原先的约10.0变为12.8以上。经过干燥后的出气中的二氧化碳浓度约为99.4%。并且阴树脂填充室的容积为0.45dm3，树脂层厚度为1.8cm，膜的有效面积为2.5dm2，电压为75V条件。实施例3
如图一所示的二氧化碳采集提取装置，回收合成氨过程排放的废气中的二氧化碳。处理的碳酸根的总量为9M，进水流量保持在4L/h，碳酸根的转化率为92.8^93.3%，干燥后的气体纯度高达99.r99.2%，阴极出水pH发生了明显变化，维持在12.4以上。阴树脂填充室的容积为0.24dm3，树脂层厚度为1`.5cm，膜的有效面积为1.6dm2，电压为75V条件。
权利要求
1.一种电动采集提纯二氧化碳装置，其特征包括废气降温塔(I)、冷却水槽(2)、二氧化碳吸收塔(3)、电动浓缩提取装置(12)、阳极液储槽(15)、气液平衡室(16)、气液分离塔(17)、储水槽(18)、二氧化碳储存装置(19)、二氧化碳浓度在线监测装置(20)、加压装置(21)、碱度计(22)、流量计(23)、阀门(24)、泵(25)、鼓风机(26)；电动浓缩提取装置(12)包括阴极室(4)、阴离子交换树脂填充室(5)、浓室(6)、阳极室(7)、阴离子交换膜(8)、阳离子交换膜(9)、阴极板(10)、阳极板(11)、电源(13)、阴离子交换树脂填料(14)，电动浓缩提取装置(12)用两张阴离子交换膜(8)和一张阳离子交换膜(9)分隔成阴极室(4)、阴离子树脂填充室(5)、浓室(6)和阳极室(7)，阴离子树脂填充室(5)内填充阴离子交换树脂填料(14)，阴极室(4)内设有阴极板(10)，阴极板(10)与直流电源(13)相连，阳极室(7)内设有阳极板(11)，阳极板(11)与直流电源(13)相连；废气降温塔(I)的底部液体出口经泵(25)与冷却水槽(2)相连，冷却水槽(2)顶部液体出口经阀门(24)与废气降温塔(I)上部液体入口相连；废气降温塔(I)顶部气体出口经流量计(23)和阀门(24)与二氧化碳吸收塔(3)下部气体入口相连；二氧化碳吸收塔(3)下部液体出口经阀门(24)和泵(25)与电动浓缩提取装置(12 )的阴极室(4)底部液体入口相连、阴极室(4)顶部液体出口经碱度计(22 )与二氧化碳吸收塔(3)上部液体入口相连；阳极室(7)顶部液体出口与阳极液储槽(15)顶部液体入口相连，阳极液储槽(15)下部液体出口经泵(25)与阳极室(7)底部液体入口相连；浓室(6 )顶部液体出口与气液平衡室(16 )顶部液体入口相连、气液平衡室(16 )底部液体出口经泵(25)与浓室(6)底部液体入口相连；气液平衡室(16)顶部气体出口与气液分离塔(17)下部气体入口相连，气液分离塔(17)底部液体出口经阀门(24)与储水槽(18)顶部液体入口相连，气液分离塔(17)顶部气体出口经鼓风机(26)、二氧化碳浓度在线监测计(20)、加压装置(21)与二氧化碳储存装置(19)相连。
2.根据权利要求1所述的一种电动采集提纯二氧化碳装置，其特征所述的阴极板(10)的材料为不锈钢，阳极板(11)的材料为石墨、活性炭纤维毡、活性炭纤维布以及涂敷有RuO2> Ir02、Ti02、MnO2中至少一种的导电金属。
3.根据权利要求1所述的一种电动采集提纯二氧化碳装置，其特征所述的阴极板(10)和阳极板(11)的形状为网状、板状或孔状。
4.根据权利要求1所述的一种电动采集提纯二氧化碳装置，其特征所述的二氧化碳吸收塔(3)分成上下等体积的两部分，上部为喷淋装置，下部为液体吸收装置，液体吸收装置由倒Z型溢流隔板分成等体积的两部分。
5.根据权利要求1所述的一种电动采集提纯二氧化碳装置，其特征所述的气液分离塔(17)为螺旋上升结构，在螺旋上升气道中设置长板和短板两种隔板上下交替排列。
6.一种使用如权利要求1所述装置的电动采集提纯二氧化碳的方法，其特征在于所述的废气降温塔(I)和冷却水槽(2)用于降低废气的温度，废气被降温后进入二氧化碳吸收塔(3)，由阴极室(4)电动产生的pH大于12的碱性吸收液吸收后形成碳酸根和碳酸氢根溶液，循环流动进入阴极室(4)，剩余气体由二氧化碳吸收塔(3)顶端排出；阴极板(10)和阳极板(11)在电源(13)的作用下，在电动浓缩提取装置(12)中产生电势，阴极室(4)中的碳酸根和碳酸氢根阴离子透过阴离子交换树脂填充室(5)选择性迁移到浓室(6)中，在电场的作用下，阴极室(4)和阳极室(7)分别发生如下电极反应:4H20+4e — 2H2+40H_，2H20-4e — 02+4H+，分别产生氢氧根离子和氢离子，氢离子透过阳离子交换树脂膜(9)迁移到浓室(6)中与碳酸根和碳酸氢根结合形成碳酸和二氧化碳，并与气液平衡室(16)循环，氢氧根离子则实现阴离子交换树脂填充室(5)中树脂的再生，并碱化吸收液，实现吸收液的回用；气液平衡室(16)中的二氧化碳进入气液分离塔(17)干燥，在重力分离、折流分离和旋风分离三种力的作用下阻挡水分子上升，获得纯净二氧化碳气体，获得的二氧化碳经在线监测计(20 ) 检测、加压装置(21)加压后进入二氧化碳储存装置(19 )进行储存。
全文摘要
本发明公开了一种电动采集提纯二氧化碳的装置与方法。该装置的主要部分为二氧化碳吸收塔、电动浓缩提取装置和气液分离塔，废气中的二氧化碳在二氧化碳吸收塔中被电动产生的碱液吸收成为碳酸盐溶液，进入电动浓缩提取装置后，碳酸根迁移进入浓室，与电动产生的氢离子汇合逐渐形成碳酸，达到饱和后不断逸出，经气液分离塔分离提纯后压缩储存纯净二氧化碳。该装置具有无污染、操作简单、电动产生碱液循环使用等优点，可以广泛应用于燃煤发电、焦化企业的焦炉燃烧、石灰窑锻造等产生二氧化碳废气的工业部门，获得的二氧化碳气体纯净，可以用作工业原料，如有机燃料甲醇、灭火剂、致冷剂、人工降雨剂等的原材料。
文档编号B01D53/78GK103191633SQ20131012095
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者吴祖成, 任琼, 廖文 申请人:浙江大学