一种物料循环级联膜法分离烟气中二氧化碳的方法与流程

本发明属于气体膜分离技术领域，特别是涉及一种物料循环级联膜法分离烟气中二氧化碳的方法。

背景技术：

全球变暖和温室气体co2减排是目前全球关注的热点和难点问题。co2的主要来源是工业排放，其中燃煤电厂排放的烟气中的co2占很大一部分。采用清洁能源替代化石能源是控制和减少co2排放的最理想途径，但在短时期内对能源结构做出的调整是十分有限的。未来的几十年，燃煤发电仍占很大部分。所以通过各种各样的方法捕集燃煤电厂烟气中co2引起人们广泛的关注，在这一背景下，各国科学家在co2捕集、再利用及封存技术领域做了大量研究，以减缓因使用化石燃料所导致的温室效应等问题。

气体膜分离技术于20世纪70年代已开始商业应用，该技术是利用膜对不同气体的渗透速率差而对气体进行分离的。该技术是一种能耗低、无污染、操作简单、易保养的清洁生产技术。但是单一阶的膜过程不论使用多高性能的膜材料，很难满足90％co2回收率的同时，产品具有高的纯度。因为膜系统的表现严格受膜两侧压差的影响。因此需要多级膜或者多段膜过程来得到想要的产品纯度和回收率。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，为了避免单一阶膜分离气体过程中产品纯度和回收率不高的弊端，提供了一种物料循环级联膜法分离烟气中二氧化碳的方法，采用物料循环多级膜分离过程，在得到想要产品纯度和回收率的同时，降低能源消耗，尤其适合燃煤电厂烟气中co2的捕集。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种物料循环级联膜法分离烟气中二氧化碳的方法，包括以下步骤：

步骤一，燃烧锅炉产生的烟气经过除尘器除去其中的杂质颗粒，去除杂质颗粒后的烟气经过压缩机加压，作为原料气进入ⅰ级膜分离器进行分离；

步骤二，经过ⅰ级膜分离器分离出的非渗透气作为原料气进入ⅱ级膜分离器，ⅱ级膜分离器分离出的非渗透气作为废气排出，ⅱ级膜分离器分离出的渗透气循环进入燃烧锅炉；

步骤三，经过ⅰ级膜分离器分离出的渗透气经过下游侧的真空泵，作为原料气进入ⅲ级膜分离器，ⅲ级膜分离器分离出的非渗透气作为原料气循环进入ⅰ级膜分离器，ⅲ级膜分离器分离出的渗透气作为产品气进行收集。

步骤一所述ⅰ级膜分离器中的膜材料为聚酰亚胺中空纤维膜，ⅰ级膜分离器中气体的流动模式为错流模式。

步骤二所述ⅱ级膜分离器中的膜材料为聚酰亚胺中空纤维膜，ⅱ级膜分离器中的气体流动模式为逆流扫气模式，吹扫气为燃煤空气，在膜下游侧采用燃煤空气吹扫。

步骤三所述ⅲ级膜分离器中的膜材料为聚酰亚胺中空纤维膜，ⅲ级膜分离器中气体的流动模式为错流模式。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中ⅰ级膜分离器分离过程采用原料压缩和渗透侧抽真空相结合的驱动力产生方式，能得到膜面积和能源消耗的均衡；

(2)本发明在ⅱ级膜分离器中用燃煤空气作为吹扫气，增加了膜两侧的压差，增加了驱动力，减少了能源的消耗；

(3)本发明将ⅱ级膜分离器分离出的渗透气循环进入燃煤锅炉，将增加进入ⅰ级膜分离器的原料气中co2浓度，将减少膜面积；

(4)本发明将ⅲ级膜分离器分离出的非渗透气循环作为原料气进入ⅰ级膜分离器，将增加原料气中co2的浓度，将增加co2的渗透性；增加了膜上游侧co2分压，增加驱动力，增加产品co2纯度，最终产品co2的纯度和回收率都能高于90％。

附图说明

图1是本发明物料循环级联膜法分离烟气中二氧化碳的方法的装置图。

附图标记:1煤进口；2燃煤锅炉；3除尘器；4压缩机；5ⅰ级膜分离器；

6ⅱ级膜分离器；7排放管线；8输入管线；9真空泵；10ⅲ级膜分离器；

11收集管线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

膜分离器的级联操作可分为两类：简单级联，即无循环级联。简单级联中上一级分离器的尾气或渗透气(必要时可经加压)用作下一级分离器原料气。部分物料循环级联中，膜分离器的尾气或渗透气经加压后返回到上一级的原料气中。简单级联方式包括分离器的并联和串联。通常每个分离器的处理气量有合适的范围，应用时，如果处理气量低，产生严重的不均匀流动，降低分离器的分离效果，如处理气量偏大，会增加原料气侧流动阻力。如处理气量较大，须用若干个分离器并联使用，并控制流动阻力使原料气流在各个分离器之间均匀分配。如果提高渗透气中快气的回收率，须串联使用多个分离器。实际应用中，膜分离器之间的级联方式和操作工艺参数取决于要得到的产品气纯度和回收率，还需兼顾操作成本和投资费用。部分物料循环级联可提高产品气纯度和回收率。为得到较高的产品回收率和浓度，可以将尾气加压或吹扫后返回到原料气中。如将渗透气加压后返回到原料气，能增大混合后原料气中产品气浓度，在回收率一定的前提下提高渗透气中产品浓度。

图1是本发明物料循环级联膜法分离烟气中二氧化碳的方法的装置图,包括:燃煤锅炉2、除尘器3、压缩机4、ⅰ级膜分离器5、ⅱ级膜分离器6、真空泵9和ⅲ级膜分离器10等。本发明的物料循环级联膜法分离烟气中二氧化碳的方法，由三级膜分离组成，具体过程如下：

首先，将煤和空气经煤进口1通入燃煤锅炉2进行燃烧，燃烧锅炉2产生的烟气(燃烧尾气)经过除尘器3除去其中的杂质颗粒，去除杂质颗粒后的烟气中的主要成分为n2和co2，其中co2的含量在15％左右，然后烟气经过压缩机4加压，增加烟气的压力，作为原料气进入ⅰ级膜分离器5，根据膜对混合气体渗透性的差异进行膜分离。

其中，所述ⅰ级膜分离器5中的膜材料为聚酰亚胺中空纤维膜，ⅰ级膜分离器5中气体的流动模式为错流模式，ⅰ级膜分离器5上游侧采用压缩机4加压下游侧采用真空泵9抽真空的驱动力产生方式，增加膜两侧的压差，增加气体的渗透性。

然后，经过ⅰ级膜分离器5分离出的非渗透气中仍含有约10％的co2，所以为了提高co2的回收率，非渗透气作为ⅱ级膜分离器6的原料气，进入ⅱ级膜分离器6进行进一步的分离。经过ⅱ级膜分离器6分离出的非渗透气中含有少量的co2，co2的含量约为2％，作为废气经排放管线7排空。ⅱ级膜分离器6分离出的渗透气中co2的含量约为20％，作为循环气循环进入燃煤锅炉2，将增加燃煤烟气中co2的浓度，从而增加进入ⅰ级膜分离器5的原料气中co2的浓度，将增加膜对co2的渗透性。

其中，所述ⅱ级膜分离器6中的膜材料为聚酰亚胺中空纤维膜，ⅱ级膜分离器6中的气体流动模式为逆流扫气模式，减少了能源消耗。为了提高ⅱ级膜分离器6对co2的渗透性，ⅱ级膜分离器6的吹扫气为燃煤空气，经过输入管线8输入。在膜下游侧采用燃煤空气吹扫，使得ⅱ级膜分离器中膜下游侧的co2分压下降，从而增加膜两侧co2的压力差，增加驱动力，增加co2渗透性。

最后，经过ⅰ级膜分离器5分离出的渗透气中co2的含量约为50％，为了进一步提高产品co2的纯度，将ⅰ级膜分离器5分离出的渗透气经过下游侧的真空泵9进入ⅲ级膜分离器10，作为ⅲ级膜分离器10的原料气，提高产品纯度。ⅲ级膜分离器10分离出的渗透气作为产品气，通过收集管线11进行收集，其中co2的浓度约为90％。ⅲ级膜分离器10分离出的非渗透气中co2的浓度约为30％，作为ⅰ级膜分离器5的原料气，循环进入ⅰ级膜分离器5。ⅲ级膜分离器10分离出的非渗透气中co2的含量高于进入ⅰ级膜分离器5的原料气中co2的含量，因此将非渗透气循环进入ⅰ级膜分离器5，增加了原料气中co2的含量，增加了膜上游侧co2分压，增加驱动力，增加co2的渗透性。

其中，所述ⅲ级膜分离器10中的膜材料为聚酰亚胺中空纤维膜，ⅲ级膜分离器10中气体的流动模式为错流模式，经过又一次的膜分离，增加产品co2纯度，最终产品co2的纯度和回收率都能高于90％。

实施例1

以co2/n2的混合气体模拟燃烧后烟气中的成分，其中co2为15vol％，n2为85vol％。采用本发明中物料循环级联膜法分离烟气中二氧化碳的方法，进行co2的分离，具体实施过程如下：

co2/n2的混合气体先经过压缩机4加压，增加烟气的压力至600kpa左右，作为原料气进入ⅰ级膜分离器5，ⅰ级膜分离器5的下游侧采用真空泵9抽真空至60kpa左右。采用膜上游侧压缩机4增压和膜下游侧真空泵9抽真空相结合的方式，为ⅰ级膜分离器5的膜两侧产生压差，从而为气体的渗透产生驱动力。这种两种方式结合的驱动力产生方式达到膜面积和能源消耗的均衡。ⅰ级膜分离器5中的膜材料为聚酰亚胺中空纤维膜。根据膜对混合气体渗透性的差异进行膜分离，在co2/n2的混合气体中，聚酰亚胺中空纤维膜对co2的渗透快于对n2的渗透，所以经过膜渗透，co2的浓度得到提高。经过ⅰ级膜分离器后，渗透气中co2的浓度可以提高到约50％左右，非渗透气中co2的浓度约为10％，为了提高co2的回收率，非渗透气作为ⅱ级膜分离器6的原料气，进入ⅱ级膜分离器6进行进一步的分离。

ⅱ级膜分离器6中的膜材料为聚酰亚胺中空纤维膜。经过ⅱ级膜分离器6后，非渗透气中co2的含量约为2％，作为废气排放。ⅱ级膜分离器6气体采用逆流吹扫模式。以燃煤空气作为扫气，燃煤空气中co2含量低，使得ⅱ级膜分离器6中膜下游侧的co2分压下降，从而增加膜两侧的压力差，增加驱动力。而且扫气模式，减少了能源消耗。ⅱ级膜分离器6分离出的渗透气中co2的含量约为20％，作为循环气循环进入燃煤锅炉2，将增加燃煤烟气中co2的浓度，从而增加进入ⅰ级膜分离器5的原料气中co2的浓度，将增加膜对co2的渗透性。

ⅰ级膜分离器5分离出的渗透气中co2的含量约为50％，为了进一步提高产品co2的浓度，将渗透气作为ⅲ级膜分离器10的原料气。ⅲ级膜分离器10中的膜材料为聚酰亚胺中空纤维膜。经过ⅲ级膜分离器10后，渗透气作为产品气，其中co2的浓度约为90％，非渗透气中co2的浓度约为30％，循环作为ⅰ级膜分离器5的原料气，进入ⅰ级膜分离器5。最终本发明的物料循环级联膜法分离烟气中二氧化碳的方法，可以实现co2回收率和纯度高于90％的目标，而且减少了能源消耗。

本发明的尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。