本实用新型涉及气体回收技术领域，具体而言，涉及一种烟气中二氧化碳和氮气的联合捕集回收装置。
背景技术：
全球变暖是目前世界上主要的环境问题之一，在导致气候变化的各种温室气体中，二氧化碳(CO2)对地球升温影响最大，控制CO2排放已成为应对气候变暖的重要技术路线之一。人类活动产生的CO2排放最多的部分来自于燃煤发电，燃煤电厂的燃烧尾气中CO2排放具有浓度低、稳定、集中和量大等特点，是大规模减排CO2的最佳领域之一。同时，尾气中还包含大量浓度在70％左右的氮气(N2)，浓度低于空气中氮气的浓度，因此难以利用。
高纯度的CO2是一种重要的工业气体，分离捕集的CO2不仅可以注入石油和天然气田，提高油气采收率，也可以广泛用于合成有机化合物、制造碳酸饮料等，实现资源化利用。燃煤电厂CO2分离捕集技术应用前景广阔，具有显著的环保效益、经济效益和社会效益。因此，分离捕集CO2技术是关系到燃煤电厂温室气体减排的重要技术。
目前CO2的捕集回收方法中，膜分离法是较为有效的方法之一。膜分离法的主要原理是两种或两种以上的气体混合物通过高分子膜时，由于各种气体在膜中的溶解度和扩散系数的不同，导致不同气体在膜中相对渗透速率有差异。其中渗透速率相对快的气体，如二氧化碳、水蒸气、氢气、氦气、硫化氢等能够优先通过渗透膜而被富集；而渗透速率相对较慢的气体，如甲烷、氮气、一氧化碳等气体则在膜的滞留侧被富集，从而达到混合气体分离之目的。与其他方法相比，膜分离捕集CO2具有无化学反应、不会产生污染物，设备结构紧凑、占地面积小，开动灵活、维护及运行方便等优点。
然而，对于燃煤电厂，由于其产生的烟气量巨大，要求捕集的CO2量也巨大，对于单个电厂，通常捕集量需要100万吨/年，导致现有技术工艺中利用膜分离法处理燃煤电厂烟气时仍旧存在富集程度低、工艺复杂的问题。且燃煤电厂烟气中固体颗粒杂质和液体杂质含量较高，容易对膜分离组件造成污染甚至损坏，影响了膜分离效率。同时，在对CO2进行捕集的过程中，大量富集氮气也会被浪费。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于提供一种烟气中二氧化碳和氮气的联合捕集回收装置，以解决现有技术中采用膜分离法捕集回收烟气中的CO2时存在的富集程度低、工艺复杂、膜分离效率差，且大量富集氮气被浪费的问题。
为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种烟气中二氧化碳和氮气的联合捕集回收装置，其包括：烟气处理系统，烟气处理系统设置有处理进口和处理出口，烟气处理系统用于对烟气进行处理，以去除烟气中的液体杂质和固体杂质；第一CO2膜分离单元，第一CO2膜分离单元设置有第一进气口、第一二氧化碳富集气出口及第一高压非渗透气出口，第一进气口与处理出口相连；第二CO2膜分离单元，第二CO2膜分离单元设置有第二进气口、二氧化碳产品气出口和第二高压非渗透气出口，第二进气口与第一二氧化碳富集气出口相连；以及N2膜分离单元，N2膜分离单元设置有氮气富集气出口，且N2膜分离单元的进气口与第一高压非渗透气出口相连。
进一步地，装置还包括：第三CO2膜分离单元，第三CO2膜分离单元设置有第三进气口、第三二氧化碳富集气出口及尾气出口，第三进气口与第二高压非渗透气出口相连；气体混合器，气体混合器设置在第一二氧化碳富集气出口与第二进气口连通的管路上，且气体混合器还设置有返回气进口，返回气进口与第三二氧化碳富集气出口相连。
进一步地，第一CO2膜分离单元、第二CO2膜分离单元及第三CO2膜分离单元中的膜组件分别独立地选自中空纤维膜、卷式膜或板式膜。
进一步地，装置还包括：第一压缩机，第一压缩机与处理进口相连；第二压缩机，第二压缩机设置在气体混合器与第二进气口连通的管路上。
进一步地，烟气处理系统包括过滤器，过滤器的进口为处理进口，过滤器的出口为处理出口。
进一步地，烟气处理系统还包括：冷却机，冷却机的进口为处理进口，冷却机的出口与过滤器的进口相连。
进一步地，烟气处理系统还包括除雾器，除雾器的进口与冷却机的出口相连，除雾器的出口与过滤器的进口相连。
进一步地，装置还包括脱水装置，脱水装置上设置有烟气进口和脱水烟气出口，脱水烟气出口与第一压缩机的进口相连。
应用本实用新型的技术方案，提供了一种烟气中二氧化碳和氮气的联合捕集回收装置，其包括烟气处理系统、第一CO2膜分离单元、第二CO2膜分离单元以及N2膜分离单元；烟气处理系统设置有处理进口和处理出口，烟气处理系统用于对烟气进行处理，以去除烟气中的液体杂质和固体杂质；第一CO2膜分离单元设置有第一进气口、第一二氧化碳富集气出口及第一高压非渗透气出口，第一进气口与处理出口相连；第二CO2膜分离单元设置有第二进气口、二氧化碳产品气出口和第二高压非渗透气出口，第二进气口与第一二氧化碳富集气出口相连；N2膜分离单元设置有氮气富集气出口，且N2膜分离单元的进气口与第一高压非渗透气出口相连。
利用上述装置，在对燃煤电厂烟气进行膜分离处理之前，先利用烟气处理系统能够去除烟气中的液体杂质(如水分和一些液体有机物)和固体杂质，以防止液体杂质和固体杂质的存在影响膜分离的效率。在处理之后，烟气进入第一CO2膜分离单元和第二CO2膜分离单元，利用先后两次膜分离过程对烟气中的二氧化碳进行富集。以上原因可以显著提高二氧化碳的富集程度。同时，利用N2膜分离单元还能够将第一高压非渗透气出口排出的气体进一步进行膜分离以回收氮气。除此以外，利用本实用新型的装置捕集回收烟气中的二氧化碳，工艺简单，无需后续的化学吸附等进一步富集过程，不仅适合燃煤电厂烟气中二氧化碳和氮气的联合分离，也适用于钢铁厂、水泥厂等低浓度烟气中二氧化碳和氮气的联合分离捕集。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本实用新型一种实施例的烟气中二氧化碳的捕集回收装置示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、烟气处理系统；11、冷却机；12、除雾器；13、过滤器；14、换热器；20、第一CO2膜分离单元；30、第二CO2膜分离单元；40、第三CO2膜分离单元；50、气体混合器；60、第一压缩机；70、第二压缩机；80、N2膜分离单元。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
正如背景技术部分所描述的，现有技术中采用膜分离法捕集回收烟气中的CO2时存在富集程度低、工艺复杂的问题。
为了解决这一问题，本实用新型提供了一种烟气中二氧化碳的捕集回收装置，如题1所示，其包括烟气处理系统10、第一CO2膜分离单元20、第二CO2膜分离单元30以及N2膜分离单元80，烟气处理系统10设置有处理进口和处理出口，烟气处理系统10用于对烟气进行处理，以去除烟气中的液体杂质和固体杂质；第一CO2膜分离单元20设置有第一进气口、第一二氧化碳富集气出口及第一高压非渗透气出口，第一进气口与处理出口相连；第二CO2膜分离单元30设置有第二进气口、二氧化碳产品气出口和第二高压非渗透气出口，第二进气口与第一二氧化碳富集气出口相连；N2膜分离单元80设置有氮气富集气出口，且N2膜分离单元80的进气口与第一高压非渗透气出口相连。
利用本实用新型的上述装置，在对燃煤电厂烟气进行膜分离处理之前，先利用烟气处理系统10能够去除烟气中的液体杂质(如水分和一些液体有机物)和固体杂质，以防止液体杂质和固体杂质的存在影响膜分离的效率。在处理之后，烟气进入第一CO2膜分离单元20和第二CO2膜分离单元30，利用先后两次膜分离过程对烟气中的二氧化碳进行富集。以上原因可以显著提高二氧化碳的富集程度。同时，利用N2膜分离单元80还能够将第一高压非渗透气出口排出的气体进一步进行膜分离以回收氮气。除此以外，利用本实用新型的装置捕集回收烟气中的二氧化碳，工艺简单，无需后续的化学吸收或是吸附等进一步富集过程，不仅适合燃煤电厂烟气中二氧化碳的分离，也适用于钢铁厂、水泥厂等低浓度烟气中二氧化碳的分离捕集。
上述第一CO2膜分离单元20、第二CO2膜分离单元30及第三CO2膜分离单元40中的膜组件是易于渗透过CO2而不易渗透过N2和氧气的气体分离膜；N2膜分离单元80中的膜组件为对氧气可渗透而对N2不渗透的气体分离膜。在具体的操作过程中，烟气(经除尘、脱硫脱硝处理后的燃烧烟气)进入烟气处理系统10去除液体杂质和固体杂质后，从第一进气口进入第一CO2膜分离单元20，经第一次膜分离处理后得到第一段高压侧的非渗透气和低压侧的渗透气。第一段低压侧的渗透气富含CO2，从第一二氧化碳富集气出口排出后进入第二进气口，利用第二CO2膜分离单元30进行第二次膜分离处理，获得第二段非渗透气和渗透气。其中第二段渗透气中CO2的纯度较高，可以直接作为CO2产品气外送进行收集。第一段高压侧的非渗透气含N2浓度较高，将这部分气体通入N2膜分离单元80可以将其中的氮气和氧气分离，使氮气从非渗透一侧排出并收集，作为氮气富集气，可以进一步压缩后进行售卖。N2膜分离单元80的渗透气中的主要气体是氧气还有一些少量CO2，氧气含量高于空气中的氧气含量，利用CO2膜可以进一步膜分离CO2和氧气，获得高纯度的CO2和氧气产品气。
上述第二段非渗透气中携带了部分二氧化碳，为了进一步回收这部分二氧化碳，在一种优选的实施例中，如图1所示，上述装置还包括第三CO2膜分离单元40和气体混合器50，第三CO2膜分离单元40设置有第三进气口、第三二氧化碳富集气出口及尾气出口，第三进气口与第二高压非渗透气出口相连；气体混合器50设置在第一二氧化碳富集气出口与第二进气口连通的管路上，且气体混合器50还设置有返回气进口，返回气进口与第三二氧化碳富集气出口相连。这样可以将第二段非渗透气进行进一步膜分离处理，将其中的二氧化碳进一步富集后，返回至气体混合器50中，然后与第一二氧化碳富集气出口排出的气体混合后一起进入第二CO2膜分离单元30进行处理。这样的多级膜分离与分离器循环回流的工艺相结合，能够进一步提高烟气中二氧化碳的富集程度，提高回收率，增大捕集量。
在一种优选的实施例中，上述第一CO2膜分离单元20、第二CO2膜分离单元30及第三CO2膜分离单元40中的膜组件分别独立地选自中空纤维膜、卷式膜或板式膜。这里的“分别独立地选自”指的是第一CO2膜分离单元20、第二CO2膜分离单元30及第三CO2膜分离单元40中的膜组件各自选自上述三种膜组件中的一种，三者相互之间可以相同，也可以不同。优选地，膜组件的材料是高分子聚合物有机材料。相比于无机膜作为膜组件，采用高分子聚合物有机材料形成的膜组件其加工工艺简单，制造成本较低，用于大规模分离回收燃煤电厂烟气中的CO2能够极大地减少项目投资成本。同时，燃煤电厂烟气浓度非常低(大约12％)，有机膜的选择性更高，能够进一步提高CO2分离回收率和捕集量。特别说明的是，本实用新型通过利用烟气处理系统10有效解决了有机膜容易受到颗粒物等固体杂质污染、对湿度要求和温度要求较高的问题，使其能够更有效地发挥出自身优点。
在一种优选的实施例中，上述装置还包括第一压缩机60和第二压缩机70，第一压缩机60与处理进口相连；第二压缩机70设置在气体混合器50与第二进气口连通的管路上。利用第一压缩机60能够为第一CO2膜分离单元20的CO2渗透进一步提供压力驱动；同理，利用第二压缩机70能够为第二CO2膜分离单元30的CO2渗透进一步提供压力驱动。且需要说明的是，相比于在渗透侧利用抽真空或吹扫减压的方法，本实用新型利用第一压缩机60和第二压缩机70能够提供足够的压力差，以驱动足够多的CO2透过膜，特别是有机膜，从而进一步提高CO2的捕集回收率。
烟气处理系统10的作用是去除烟气中的液体杂质和固体杂质，避免其影响有机膜分离效率。在一种优选的实施方式中，如图1所示，烟气处理系统10包括过滤器13，过滤器13的进口为处理进口，且过滤器13的出口为处理出口。这样可以通过过滤处理去除烟气中的液体杂质和固体杂质。
更优选地，如图1所示，烟气处理系统10还包括：冷却机11，冷却机11的进口为处理进口，冷却机11的出口与过滤器13的进口相连。烟气经过冷却机11冷却可以将烟气中的，进入过滤器13可以液体进一步冷凝出来，然后经过滤器13去除，从而能够进一步去除杂质。
进一步优选地，烟气处理系统10包括顺次连接设置的冷却机11、除雾器12及过滤器13，冷却机11的进口为处理进口，且过滤器13的出口为处理出口。烟气进入冷却机11被冷冻后，进入除雾器12可以将烟气中可冷凝的液沫、雾滴及可能被夹带的固体粒子去除。然后进入过滤器13能够进一步除去原料气中可能夹带的细微液体等有害杂质。总之，利用该烟气处理系统10能够更为充分地去除烟气中的液体杂质、固体颗粒等杂质，从而进一步提高二氧化碳的捕集效果。同时，设置冷却机11还能够有效控制烟气温度，以进一步提高有机膜的运行稳定性。
优选地，上述过滤器13为凝结型过滤器。这样可以利用凝结过程进一步去除原料气中可能夹带的细微液体等有害杂质，同时还能将过滤后的烟气收集以备后续处理。
在一种优选的实施例中，烟气处理系统10还包括换热器14，换热器14设置有待加热进口和待加热出口，待加热进口与过滤器13的出口相连，且待加热出口为处理出口。这样可以将去除杂质后的烟气在换热器14中进行热交换而被加热，使其远离露点并恒定系统的操作温度。
在一种优选的实施例中，上述装置还包括第一压缩机60和第二压缩机70，第一压缩机60与处理进口相连，第二压缩机70设置在气体混合器50与第二进气口连通的管路上；第一压缩机60还设置有排气支路和进气支路，换热器14还设置有热介质进口和热介质出口，热介质进口与排气支路相连，热介质出口与进气支路相连。这样，经第一次压缩后的烟气分成两路，一路进入冷却机11进行处理，一路作为加热媒介进入换热器14，与完成除杂的烟气进行换热。换热完成后，作为加热媒介的高压烟气降温后重新返回冷却机11进行处理。这可以进一步利用烟气自身的热量，降低工艺能耗，使捕集过程更为绿色环保。具体地，冷却机11的冷却方式为水冷。
为了进一步去除烟气中携带的液体杂质，在一种优选的实施例中，上述装置还包括脱水装置，脱水装置上设置有烟气进口和脱水烟气出口，脱水烟气出口与第一压缩机60的进口相连。这样可以在烟气进入烟气处理系统10之前先进行脱水处理。
根据本实用新型的另一方面，还提供了一种烟气中二氧化碳和氮气的联合捕集回收方法，其包括：将烟气进行处理，以去除烟气中的液体杂质和固体杂质，得到处理烟气；将处理烟气进行第一次CO2膜分离处理，得到第一二氧化碳富集气和第一高压非渗透气；将第一二氧化碳富集气进行第二次CO2膜分离处理，得到二氧化碳产品气和第二高压非渗透气；以及对第一高压非渗透气进行N2膜分离处理，得到氮气富集气。
利用本实用新型的上述方法，在对燃煤电厂烟气进行膜分离处理之前，先去除烟气中的液体杂质(如水分和一些液体有机物)和固体杂质，能够防止液体杂质和固体杂质的存在影响膜分离的效率。在处理之后，烟气进入第一次CO2膜分离处理和第二次CO2膜分离处理，利用先后两次CO2膜分离处理对烟气中的二氧化碳进行富集。以上原因可以显著提高二氧化碳的富集程度。同时，利用N2膜分离处理还能够将第一高压非渗透气进一步进行膜分离以回收氮气。除此以外，利用本实用新型的方法捕集回收烟气中的二氧化碳，工艺简单，无需后续的化学吸收或吸附等进一步富集过程，不仅适合燃煤电厂烟气中二氧化碳的分离，也适用于钢铁厂、水泥厂等低浓度烟气中二氧化碳的分离捕集。
在一种优选的实施例中，得到第二高压非渗透气的步骤之后，方法还包括以下步骤：对第二高压非渗透气进行第三次CO2膜分离处理，得到第三二氧化碳富集气和尾气；以及将第三二氧化碳富集气返回并与第一二氧化碳富集气混合，以进行第二次CO2膜分离处理。这样的多级膜分离与循环回流的工艺相结合，能够进一步提高烟气中二氧化碳的富集程度，提高回收率，增大捕集量。
在一种优选的实施例中，第一次CO2膜分离处理、第二次CO2膜分离处理及第三次CO2膜分离处理的步骤中采用的膜组件分别独立地选自中空纤维膜、卷式膜或板式膜，且膜组件的材料是高分子聚合物有机材料。相比于无机膜作为膜组件，采用高分子聚合物有机材料形成的膜组件其加工工艺简单，制造成本较低，用于大规模分离回收燃煤电厂烟气中的CO2能够极大地减少项目投资成本。同时，燃煤电厂烟气浓度非常低(大约12％)，有机膜的选择性更高，能够进一步提高CO2分离回收率和捕集量。特别说明的是，本实用新型通过利用烟气处理系统10有效解决了有机膜容易受到颗粒物等固体杂质污染、对湿度要求和温度要求较高的问题，使其能够更有效地发挥出自身优点。
在一种优选的实施例中，将烟气进行处理以去除液体杂质和固体杂质的步骤之前，方法还包括对烟气进行一次压缩的步骤；优选一次压缩的步骤中，使气体压力大于0.3MPa。将第一二氧化碳富集气和可选的第三二氧化碳富集气进行第二次CO2膜分离处理的步骤之前，方法还包括将第一二氧化碳富集气和可选的第三二氧化碳富集气进行二次压缩的步骤；优选地，二次压缩的步骤中，使气体压力大于0.3MPa。
利用一次压缩能够为第一次CO2膜分离的CO2渗透进一步提供压力驱动；同理，利用二次压缩能够为第二次CO2膜分离的CO2渗透进一步提供压力驱动。且需要说明的是，相比于在渗透侧利用抽真空或吹扫减压的方法，本实用新型利用压缩的方式能够提供足够的压力差，以驱动足够多的CO2透过膜，特别是有机膜，从而进一步提高CO2的捕集回收率。而且，利用压缩的方式得到的第一高压非渗透气本身具有一定压力，经氮气回收后得到的氮气本身也具有较高压力，随后经进一步压缩后便可以作为氮气产品气售卖，在一定程度上达到了回收压力能的效果。
在一种优选的实施方式中，将烟气进行处理以去除液体杂质和固体杂质的步骤包括：对烟气进行过滤，得到所述烟气。这样可以将液体杂质和固体杂质过滤去除。更优选地，在对烟气进行过滤的步骤之前，将烟气进行处理以去除液体杂质和固体杂质的步骤还包括：将烟气进行冷却，使液体杂质凝结，得到冷却烟气；对冷却烟气进行过滤，得到处理烟气。这样能够利用冷却过程进一步将烟气中夹带的液体凝结出来以过滤去除。
进一步优选地，对冷却烟气进行过滤的步骤之前，将烟气进行处理以去除液体杂质和固体杂质的步骤还包括：将冷却烟气进行除雾，得到除雾烟气；以及对除雾烟气进行过滤，得到处理烟气。烟气先被冷却后，通过除雾可以将烟气中可冷凝的液沫、雾滴及可能被夹带的固体粒子去除。然后通过过滤处理能够进一步除去原料气中可能夹带的细微液体等有害杂质。总之，利用上述烟气处理方式能够更为充分地去除烟气中的液体杂质、固体颗粒等杂质，从而进一步提高二氧化碳的捕集效果。同时，通过对烟气进行冷却还能够有效控制烟气温度，以进一步提高有机膜的运行稳定性。
在一种优选的实施方式中，将烟气进行一次压缩的步骤之前，方法还包括对烟气进行脱水处理的步骤。这样可以在烟气进入烟气处理阶段之前先进行脱水处理，更有利于去除水分杂质，控制烟气湿度，相应进一步提高有机膜的膜分离效率。
实施例1
对某燃煤电厂烟道气进行测试，衡算本实用新型图1中所示的装置对于烟道气中低浓度CO2工艺的捕集回收处理效果。物料衡算结果如表1所示：
表1烟气中二氧化碳的捕集回收装置处理某燃煤电厂烟道气中CO2的物料衡算表
由表1可知，当处理的某电厂经除尘脱硫后的烟道气流量为10000Nm3/h，CO2含量为12.37％时，本实施例中的膜分离工艺获得的第二段CO2膜分离单元渗透气(产品气)流量为699Nm3/h，CO2含量为97.11％。获得的N2膜分离器非渗透气流量6702Nm3/h，N2含量为98.07％。
从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：
利用本实用新型提供的烟气中二氧化碳和氮气联合捕集回收装置及方法，在对烟气进行膜分离处理之前，先利用烟气处理系统能够去除烟气中的液体杂质和固体杂质，以防止液体杂质和固体杂质的存在影响膜分离的效率。在处理之后，烟气进入第一CO2膜分离单元和第二CO2膜分离单元，利用先后两次膜分离过程对烟气中的二氧化碳进行富集。以上原因可以显著提高二氧化碳的富集程度。同时，利用N2膜分离单元还能够将第一高压非渗透气出口排出的气体进一步进行膜分离以回收氮气。而且，利用本实用新型的装置捕集回收烟气中的二氧化碳，工艺简单，无需后续的化学吸收或吸附等进一步富集过程，无污染，不仅适合燃煤电厂烟气中二氧化碳的分离，也适用于钢铁厂、水泥厂等低浓度烟气中二氧化碳的分离捕集。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。