一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔及碳捕集方法

本发明属于碳捕集和烟气净化，特别是涉及一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔及碳捕集方法。

背景技术：

1、燃煤电厂、钢铁、水泥、化工等工业过程中会产生含二氧化碳烟气。采用吸收液对烟气中的二氧化碳进行吸收，是碳捕集过程中常用的处理方式之一。吸收塔作为气液吸收系统中的主要设备，其内部气液接触状态、气液分布以及烟气在塔内的停留情况会直接影响气液传质过程。

2、现有碳捕集吸收塔通常在塔体内设置喷淋层、填料层或者托盘等气液接触结构。运行过程中，烟气由塔体下部进入并向上流动，吸收液由塔体上部向下流动，使烟气与吸收液在塔体内部进行逆流或者错流接触。

3、上述结构能够实现烟气与吸收液之间的基本气液接触，但是，在塔体高度受到限制的情况下，烟气通常沿塔体高度方向向上运动，其有效流动路径有限；同时，吸收液在连续下落过程中还可能出现局部分布不均、偏流、沟流或者壁流，使不同区域的气液接触程度存在差异。

4、为了进一步增加烟气停留时间，现有技术可以采用增加塔体高度或者增加填料层数量等方式，但该方式同时会增加设备体积，并可能带来压降和运行成本的增加。因此，需要在有限的塔体高度内，通过改变烟气和吸收液的流动状态、增加有效气液接触路径以及改善液体分布，提高塔体内部的气液接触程度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔及碳捕集方法，以解决现有碳捕集吸收塔在有限塔高内烟气有效流动路径较短、气液接触形式相对单一以及吸收液在塔内连续流动过程中容易产生分布不均的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，包括塔体以及设置于塔体内部并沿塔体的中心轴线设置的中心支撑筒；所述塔体的顶部设有烟气出口和第一贫液进口，所述塔体的中部设有第二贫液进口，所述塔体的底部设有烟气进口和富液出口；所述塔体内部沿高度方向自上而下依次设置有螺旋式接触区、对冲式接触区和旋流式接触区；所述螺旋式接触区包括围绕中心支撑筒呈螺旋状设置的螺旋导流板；所述对冲式接触区包括与第二贫液进口连通的布液支管以及设置于布液支管上的多个喷嘴，多个所述喷嘴分布于中心支撑筒的相对两侧，位于相对两侧的喷嘴相向设置；所述旋流式接触区包括沿中心支撑筒的轴向间隔设置的多层旋流叶片组件，多层所述旋流叶片组件均设置于中心支撑筒的外周，每层所述旋流叶片组件包括沿中心支撑筒的周向分布的多个旋流叶片。

3、更进一步的，还包括除雾器、贫液喷淋层、第一填料层和第二填料层；所述除雾器设置于塔体内部的顶端并位于烟气出口的下方，所述贫液喷淋层设置于除雾器与螺旋式接触区之间，所述第一填料层设置于螺旋式接触区与对冲式接触区之间，所述第二填料层设置于对冲式接触区与旋流式接触区之间。

4、更进一步的，所述螺旋导流板紧贴塔体的内壁；所述螺旋式接触区还包括支撑杆，所述支撑杆连接螺旋导流板和中心支撑筒。

5、更进一步的，还包括贫液喷淋层，所述贫液喷淋层设置于螺旋导流板的上方，并与第一贫液进口连通。

6、更进一步的，所述第二贫液进口设有两个，两个所述第二贫液进口分别设置于塔体的相对两侧；所述布液支管设有两根，两根所述布液支管分别沿塔体的内壁竖向设置，并分别与两个所述第二贫液进口连通；多个所述喷嘴分别沿两根所述布液支管的长度方向间隔设置，分别设置于两根所述布液支管上的喷嘴在塔体的高度方向或周向上错位设置。

7、更进一步的，每层所述旋流叶片组件还包括安装套，所述安装套设置于中心支撑筒的外周，多个所述旋流叶片沿安装套的周向分布。

8、更进一步的，所述烟气进口设有两个，两个所述烟气进口分别设置于所述塔体的相对两侧，并沿所述塔体的切向设置；所述旋流叶片为弧形叶片，且所述旋流叶片相对于水平面具有10°~60°的倾角。

9、更进一步的，相邻两层所述旋流叶片组件在周向上错开10°~45°设置。

10、更进一步的，所述第一填料层与对冲式接触区之间自上而下依次设置有第一集液器和第一液体分布器；所述第二填料层与旋流式接触区之间自上而下依次设置有第二集液器和第二液体分布器。

11、一种采用复合强化气液接触的碳捕集吸收塔进行碳捕集的方法，包括以下步骤：

12、s1：将待处理烟气由烟气进口通入塔体，并将吸收贫液分别由第一贫液进口和第二贫液进口送入塔体，由第一贫液进口进入的吸收贫液进入螺旋式接触区并沿螺旋导流板向下流动，由第二贫液进口进入的吸收贫液经布液支管输送至多个喷嘴，并由位于中心支撑筒相对两侧的喷嘴相向喷出；

13、s2：使烟气自下而上依次经过旋流式接触区、对冲式接触区和螺旋式接触区，吸收液总体自上而下流动；

14、s3：烟气在旋流式接触区经多层旋流叶片组件导向形成旋转上升气流，在对冲式接触区与相向喷出的吸收贫液进行气液接触，并在螺旋式接触区沿螺旋导流板形成的螺旋路径向上流动，与沿螺旋导流板向下流动的吸收液进行气液接触；

15、s4：吸收液吸收烟气中的二氧化碳后形成富液，富液向塔体底部汇集并由富液出口排出，经过气液接触后的烟气由烟气出口排出。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1、本发明通过在同一塔体内沿烟气流动方向依次设置旋流式接触区、对冲式接触区和螺旋式接触区，使烟气在不同塔段分别形成旋转扰动、对冲喷淋接触和螺旋导流接触，不同结构连续改变烟气的流动方向及其与吸收液的接触状态，使烟气不再仅沿塔体轴向直接上升，由此能够在有限的塔体高度内增加有效气液接触路径和接触过程。

18、2、本发明的对冲式接触区通过设置于塔体相对侧的布液支管和相向喷嘴，使不同方向喷出的吸收液在中心支撑筒外围的气液接触区域相互交汇，喷出的液滴在相向运动过程中发生碰撞并进一步分散，使吸收液在对冲式接触区内形成较为分散的液滴状态，从而增加烟气与吸收液之间的接触界面，并增强局部气液混合；

19、3、本发明的螺旋导流板围绕中心支撑筒呈螺旋状设置，吸收贫液经贫液喷淋层进入螺旋式接触区后沿螺旋导流板表面形成向下运动的液膜，烟气则受到螺旋导流板的导向而沿螺旋路径向上流动，由此形成烟气与下降液膜之间的螺旋逆向接触，在塔体高度不变的情况下增加烟气的实际流动路径；

20、4、本发明的烟气进口沿塔体切向设置，使烟气进入塔体后具有旋转运动趋势；多层旋流叶片组件沿中心支撑筒轴向间隔设置，旋流叶片具有倾角，并且相邻层旋流叶片组件在周向上错开，烟气由下向上通过不同旋流叶片层时受到连续导向、转向和剪切，使烟气流动状态不断变化，从而增强下部区域内的气液扰动和混合；

21、5、本发明在螺旋式接触区与对冲式接触区之间以及对冲式接触区与旋流式接触区之间分别设置集液器和液体分布器，对经过上一气液接触阶段后的吸收液进行收集，并在进入下一接触区域前重新分布，从而减弱吸收液连续向下流动过程中产生的局部偏流和集中下落，使吸收液进入不同强化接触区域时获得重新分配。

1.一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，其特征在于：包括塔体（1）以及设置于塔体（1）内部并沿塔体（1）的中心轴线设置的中心支撑筒（1-6）；所述塔体（1）的顶部设有烟气出口（1-1）和第一贫液进口（1-2），所述塔体（1）的中部设有第二贫液进口（1-3），所述塔体（1）的底部设有烟气进口（1-4）和富液出口（1-5）；所述塔体（1）内部沿高度方向自上而下依次设置有螺旋式接触区（4）、对冲式接触区（5）和旋流式接触区（6）；所述螺旋式接触区（4）包括围绕中心支撑筒（1-6）呈螺旋状设置的螺旋导流板（4-1）；所述对冲式接触区（5）包括与第二贫液进口（1-3）连通的布液支管（5-1）以及设置于布液支管（5-1）上的多个喷嘴（5-2），多个所述喷嘴（5-2）分布于中心支撑筒（1-6）的相对两侧，位于相对两侧的喷嘴（5-2）相向设置；所述旋流式接触区（6）包括沿中心支撑筒（1-6）的轴向间隔设置的多层旋流叶片组件，多层所述旋流叶片组件均设置于中心支撑筒（1-6）的外周，每层所述旋流叶片组件包括沿中心支撑筒（1-6）的周向分布的多个旋流叶片（6-2）。

2.根据权利要求1所述的一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，其特征在于：还包括除雾器（2）、贫液喷淋层（3）、第一填料层（7-1）和第二填料层（7-2）；所述除雾器（2）设置于塔体（1）内部的顶端并位于烟气出口（1-1）的下方，所述贫液喷淋层（3）设置于除雾器（2）与螺旋式接触区（4）之间，所述第一填料层（7-1）设置于螺旋式接触区（4）与对冲式接触区（5）之间，所述第二填料层（7-2）设置于对冲式接触区（5）与旋流式接触区（6）之间。

3.根据权利要求1所述的一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，其特征在于：所述螺旋导流板（4-1）紧贴塔体（1）的内壁；所述螺旋式接触区（4）还包括支撑杆（4-2），所述支撑杆（4-2）连接螺旋导流板（4-1）和中心支撑筒（1-6）。

4.根据权利要求3所述的一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，其特征在于：还包括贫液喷淋层（3），所述贫液喷淋层（3）设置于螺旋导流板（4-1）的上方，并与第一贫液进口（1-2）连通。

5.根据权利要求1所述的一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，其特征在于：所述第二贫液进口（1-3）设有两个，两个所述第二贫液进口（1-3）分别设置于塔体（1）的相对两侧；所述布液支管（5-1）设有两根，两根所述布液支管（5-1）分别沿塔体（1）的内壁竖向设置，并分别与两个所述第二贫液进口（1-3）连通；多个所述喷嘴（5-2）分别沿两根所述布液支管（5-1）的长度方向间隔设置，分别设置于两根所述布液支管（5-1）上的喷嘴（5-2）在塔体（1）的高度方向或周向上错位设置。

6.根据权利要求1所述的一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，其特征在于：每层所述旋流叶片组件还包括安装套（6-1），所述安装套（6-1）设置于中心支撑筒（1-6）的外周，多个所述旋流叶片（6-2）沿安装套（6-1）的周向分布。

7.根据权利要求6所述的一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，其特征在于：所述烟气进口（1-4）设有两个，两个所述烟气进口（1-4）分别设置于所述塔体（1）的相对两侧，并沿所述塔体（1）的切向设置；所述旋流叶片（6-2）为弧形叶片，且所述旋流叶片（6-2）相对于水平面具有10°~60°的倾角。

8.根据权利要求7所述的一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，其特征在于：相邻两层所述旋流叶片组件在周向上错开10°~45°设置。

9.根据权利要求2所述的一种复合强化气液接触的碳捕集吸收塔，其特征在于：所述第一填料层（7-1）与对冲式接触区（5）之间自上而下依次设置有第一集液器（8）和第一液体分布器（9）；所述第二填料层（7-2）与旋流式接触区（6）之间自上而下依次设置有第二集液器（10）和第二液体分布器（11）。

10.一种采用权利要求1所述的复合强化气液接触的碳捕集吸收塔进行碳捕集的方法，其特征在于，包括以下步骤：