一种液-固分相式的二氧化碳吸收和原位利用系统的制作方法

1.本实用新型涉及气体净化中的二氧化碳捕集领域，特别是一种液-固分相式的二氧化碳吸收和原位利用系统。


背景技术：

2.气候变化及其引发的各种灾难性事件已成为当前全球面临的最大挑战之一，而其毫无疑问的归因是来自人类活动的过量co2等温室气体排放。在此背景下，急需采取迅速的气候行动以抑制大气中co2的水平。在各种行动方案中，碳捕集、利用和封存(ccus)技术已被各国公认为重要的减排手段。
3.当前技术水平下高昂的碳捕集成本，是妨碍ccus在工业水平大规模迅速开展的主要因素。传统的碳捕集技术，以商业运行的化学吸收法为例，采取溶剂吸收和解吸再生的循环操作工艺，从混合气体中分离出高纯度co2气体，其中解吸步骤需要消耗大量能量，是导致高捕集成本的重要原因。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是，提供一种液-固分相式的二氧化碳吸收和原位利用系统，克服现有碳捕集技术成本过高的难题。
5.本实用新型的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的液-固分相式的二氧化碳吸收和原位利用系统，包括气液换热器、co2吸收塔、接触式冷凝器、过滤系统ⅰ、强制氧化池、过滤系统ⅱ、再溶解/再沉淀池、过滤系统ⅲ、冷却结晶池以及过滤系统ⅳ；所述气液换热器用于对进入接触式冷凝器下部进气口的源烟气进行冷却，所述接触式冷凝器底部的出液口与过滤系统ⅰ的进液口连通，所述过滤系统ⅰ的截留物出口与外界相通，过滤系统ⅰ的清液出口与强制氧化池的进液口连通；所述强制氧化池的进气口供外界空气进入，强制氧化池的出气口与外界连通，强制氧化池的出液口与过滤系统ⅱ的进液口连通，过滤系统ⅱ的硫酸盐出口与再溶解/再沉淀池的硫酸盐进口连通，再溶解/再沉淀池的添加碱a进料口与外界连通，再溶解/再沉淀池的悬浮液出口与过滤系统ⅲ的浆液进口连通，所述过滤系统ⅲ的高纯度石膏产品出口与外界相通；所述过滤系统ⅲ的清液出口与过滤系统ⅱ的清液出口连通，两者混合之碱液通过管道汇集于接触式冷凝器上部，与接触式冷凝器的碱液进口连通；所述接触式冷凝器顶部的烟气出口与co2吸收塔下部的烟气进口连通；所述co2吸收塔顶部的烟气出口与外界相通，co2吸收塔上部的进液口用于供贫co2的吸收溶液进入，底部富co2的吸收溶液出口与冷却结晶池的进液口连通，所述冷却结晶池的悬浮液出口与过滤系统ⅳ的浆液进口连通，所述过滤系统ⅳ的高纯度碳酸氢盐产品出口与外界相通。
6.本实用新型所述的一种液-固分相式的二氧化碳吸收和原位利用系统，其中，还包括溶液浓缩器和备液罐；所述溶液浓缩器的进液口和浓缩液出口均连通在过滤系统ⅲ的清液出口与过滤系统ⅱ的清液出口汇集之管道上，所述溶液浓缩器的淡水出口与再溶解/再沉淀池的进液口连通；所述备液罐的添加碱b进料口与外界连通，备液罐的清液进口与过滤
f3的浆液进口连通，过滤系统ⅲf3的高纯度石膏产品出口与外界相通。
20.过滤系统ⅲf3的清液出口以及过滤系统ⅱf2的清液出口连通，并且两者混合之碱液通过管道汇集于接触式冷凝器dcc上部，与接触式冷凝器dcc的碱液进口连通。
21.接触式冷凝器dcc顶部的烟气出口与co2吸收塔ca下部的烟气进口连通，co2吸收塔ca顶部的烟气出口与外界相通，co2吸收塔ca上部的进液口用于供贫co2的吸收溶液进入，co2吸收塔ca底部的富co2吸收溶液出口与冷却结晶池ct的进液口连通，冷却结晶池ct的悬浮液出口与过滤系统ⅳf4的浆液进口连通，过滤系统ⅳf4的高纯度碳酸氢盐产品出口与外界连通。
22.本实用新型的一种液-固分相式的二氧化碳吸收和原位利用系统，还包括溶液浓缩器rou和备液罐mt。溶液浓缩器rou的进液口和浓缩液出口均连通在过滤系统ⅲf3的清液出口与过滤系统ⅱf2的清液出口汇集之管道上，溶液浓缩器rou的淡水出口与再溶解/再沉淀池rd/rp的进液口连通；备液罐mt上设有与外界连通的添加碱b(碱性添加物质b)的进料口，备液罐mt的清液进口与过滤系统ⅳ的清液出口连通，备液罐mt的出液口与气液换热器he0的进液口连通，气液换热器he0的出液口与co2吸收塔ca上部的贫co2吸收溶液进液口连通。
23.工作时，通过再生的贫co2吸收溶液(冷媒)与源烟气(热媒)在气液换热器he0中发生热交换，以达到对源烟气冷却的目的，使之适应接触式冷凝器dcc的操作条件，减少额外冷却负荷造成的能耗，同时对循环再生的贫co2吸收溶液加热，使之在co2吸收塔ca中对co2保持较高的吸收速率，如此可减少co2吸收塔ca的尺寸，从而降低了co2捕集的成本。
24.此外，接触式冷凝器dcc上部碱液进口处的管道上安装有碱液泵ⅰbp1，溶液浓缩器rou进液口处的管道上安装有碱液泵ⅱbp2，溶液浓缩器rou浓缩液出口处的管道上安装有碱液泵ⅲbp3，备液罐mt出液口处的管道上安装有碱液泵ⅳbp4，这些液体泵的设置进一步保证了相应液体的顺利流通。
25.冷却结晶池ct上设有冷却水进口和冷却水出口，通过循环冷却水，可降低冷却结晶池ct中富co2吸收溶液的温度，利用其中溶质在低温下溶解度较低的特点，可进行冷却结晶，从而达到从母液中分离的效果。
26.本实用新型的工作原理如下：
27.如图1所示，从火电厂或者工业源集中排放的经过脱硝和除尘处理的源烟气(一般在100～200℃)，经过气液换热器he0被初冷却，产生的冷凝水可被回收利用，随后从接触式冷凝器dcc下部的烟气进口进入接触式冷凝器dcc内。烟气自下向上流，在此与由接触式冷凝器dcc上部碱液进口流下的碱性稀溶液(浓度10～20％)发生逆流接触，碱性稀溶液中的活性物质为氢氧化钠或氢氧化钾。
28.在逆流接触并化学反应的过程中，烟气被进一步冷却、淋洗，其中的水溶性、酸性物质和颗粒物被部分脱除，特别是在ph》5的弱碱性条件下，so2气体被碱性物质吸收并转化为亚硫酸盐，同时释放出co2气体(co2气体在此操作条件下不被吸收)。经过初步净化的烟气(60～80℃)由接触式冷凝器dcc顶部的烟气出口排出，产生的洗涤液则由接触式冷凝器dcc底部的出液口排出。
29.从接触式冷凝器dcc底部排出的洗涤液，经过多孔介质过滤系统ⅰf1除去不溶性物质，过滤产生的截留物被回收并作无害化处理，过滤介质重生后可循环利用，含亚硫酸盐的
滤出液通过强制氧化池fou的进液口进入强制氧化池fou内，在外界鼓入的空气流作用下，亚硫酸盐很容易被氧化成硫酸盐。由于硫酸盐(钠或钾)的溶解度比相应的亚硫酸盐低，所以在溶液循环利用过程中不断累积的硫酸盐，在强制氧化池fou中由于达到溶解度可沉淀析出，而在同样条件下，其他可溶性组分(例如硝酸盐，氯离子等)溶解度较大不会析出，如此得到的悬浮液，通过多孔介质过滤系统ⅱf2回收其中的固体成分(主要是硫酸盐)后，滤出清液通过碱液泵ⅰbp1注入到接触式冷凝器dcc上部的碱液进口，进行循环利用。
30.由于碱性活性物质(氢氧化钠或氢氧化钾)不断被so2气体消耗而渐渐减少，过滤系统ⅱf2回收的固体将进入再溶解/再沉淀池rd/rp中，被添加碱a的水溶液(饱和石灰水)再溶解，同时引入的ca(oh)2溶液在混合搅拌条件下，将硫酸盐(钠或钾)转化为溶解度更低的石膏(caso4)，同时再生氢氧化钠或氢氧化钾。由于烟气中so2浓度相较co2远为低，所以在强制氧化池fou中溶液的硫酸盐累积到足够程度时，再溶解/再沉淀池rd/rp中才会有足量的石膏产生，其中所得的悬浮碱液通过多孔介质过滤系统ⅲf3可获得高纯度(99.9％)的石膏产品，滤出的含氢氧化钠或氢氧化钾的清液将与过滤系统ⅱf2的滤出碱液合流，通过碱液泵ⅰbp1注入到接触式冷凝器dcc上部的碱液进口，进行循环利用，补充因吸收so2气体而产生的损耗。
31.烟气在接触式冷凝器dcc中被直接接触冷却，以及引入饱和石灰水等在系统中累积的自由水，将稀释来自过滤系统ⅲf3和过滤系统ⅱf2的混合清液，该混合碱液在进入碱液泵ⅰbp1之前，部分溶液需通过碱液泵ⅱbp2进入溶液浓缩器rou处理。溶液浓缩器rou可以是一个反渗透水处理单元，经处理后，浓缩液通过碱液泵ⅲbp3连通未经过溶液浓缩器rou处理的剩余部分溶液，所得的混合稀碱液通过碱液泵ⅰbp1回到接触式冷凝器dcc循环再利用，而处理得到的淡水则回收利用以维持系统水平衡，其中部分淡水进入再溶解/再沉淀池rd/rp中辅助溶解硫酸盐。
32.经过接触式冷凝器dcc预处理的烟气，由接触式冷凝器dcc顶部的烟气出口排出后，从co2吸收塔ca下部的烟气进口进入co2吸收塔ca中，与经过气液换热器he0被源烟气加热过的，从上部进入co2吸收塔ca的贫co2吸收溶液发生逆流接触反应。co2吸收塔ca的操作温度在60～80℃，其中的吸收溶液与接触式冷凝器dcc的吸收溶液需采用相同的碱金属阳离子，且采用的碱性吸收溶剂是钠或钾的氨基酸盐溶液(aas)，或者钠或钾的碳酸盐溶液。当采用钠或钾的碳酸盐溶液时，在60～80℃的条件下其吸收co2的反应速率仍较慢，此时还需辅助采用有机胺及其衍生物类物质或其他有机和无机物作为co2吸收反应的活化剂。这类活化剂在本实用新型所述系统的操作条件下不发生降解等损耗，而且溶解度较大，故亦不会从溶液中沉淀析出。但采用钠或钾的氨基酸盐溶液(aas)时，由于其自身反应动力学速率较快，无需活化剂。
33.净化后的烟气从co2吸收塔ca顶部的烟气出口排出至外界，而吸收溶液脱除烟气中的co2气体后从co2吸收塔ca底部的富co2吸收溶液出口排出。采用钠或钾的碳酸盐溶液与co2发生吸收反应时，产物为碳酸氢盐(hco
3-)，采用钠或钾的氨基酸盐溶液(aas)与co2发生吸收反应时，反应的中间产物是氨基甲酸盐(carbamate)，对于特定的氨基酸而言，由于其具有空间位阻效应或在高co2负载量时，氨基甲酸盐(carbamate)不稳定，容易发生水解，产生碳酸氢盐(hco
3-)。碳酸氢盐(hco
3-)溶解度较低，特别是在冷却条件下(35～55℃)，可大量结晶析出。所以富co2的吸收溶液在冷却结晶池ct中搅拌，可发生结晶沉淀，悬浮浆液通
过多孔介质过滤系统ⅳf4过滤可获得高纯度(99.9％)的碳酸氢盐产品。可选用来制备钠或钾的氨基酸盐溶液(aas)的氨基酸包括但不局限于甘氨酸，丙氨酸，苯丙氨酸，氨基丁酸，2-氨基异丁酸，牛磺酸，肌氨酸，氨基己酸和脯氨酸。
34.过滤系统ⅳf4的上清液进入备液罐mt中，且添加碱b(氢氧化钾或氢氧化钠，与co2吸收塔ca吸收溶液采用同样的碱金属离子)通过进料口加入备液罐mt中，以补充因生产碳酸氢盐产品而消耗的活性碱，混合搅拌后，可重新配制贫co2的吸收溶液。无论co2吸收塔ca采用何种碱性吸收溶质，钠或钾的碳酸盐溶液或氨基酸盐溶液(aas)，需补充的添加碱b均为纯氢氧化钠或氢氧化钾，其与上清液中的碳酸氢盐或氨基酸(aa)按照等摩尔比例反应，得到碳酸盐或氨基酸盐溶液。配制好的碱液(co2贫溶液)通过碱液泵ⅳbp4进入气液换热器he0中，于此被源烟气加热至60～80℃后，从上部进入co2吸收塔ca中。
35.本实用新型使用双碱吸收溶剂回收火电厂或工业部门烟气或尾气中低浓度的co2和so2气体，与传统碳捕集技术不同的是，本技术将气体吸收产物从溶液中提取出来，直接做成高纯度的石膏和碳酸氢盐两种工业产品，无需常规基于吸收法的捕碳技术中吸收后富co2的溶液需要解吸再生这个高耗能步骤。除此以外，本实用新型将co2捕集和烟气脱硫集成在一套系统中，实现了一体化去除烟气或尾气中的so2和co2气体，省却了烟气脱碳治理中通常必要的烟气脱硫装置(fgd)、深度脱硫装置及其相应的成本，而且利用烟气或尾气中的so2和co2作为原料气体，转化并分别制成具有较高附加值的工业产品，达到了资源综合再生利用、变废为宝的目的。
36.以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的保护范围内。