[发明专利]一种气体分离系统以及使用该系统分离气体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体分离系统以及使用该系统分离气体的方法，特别是，涉及一种吸附和脱附特定气体的分离系统以及使用该系统从废气或气体混合物中分离上述特定气体的方法。

背景技术

随着在工业、生活领域中广泛使用石油、天然气、煤等燃料，这些燃料在燃烧过程中产生的废气排放问题作为全球规模的环境问题长期受到关注。上述废气中含有大量二氧化碳，而地球温室化的一个主要原因是由于大气中二氧化碳浓度增加。又如，许多工业上排放的废气中还可能包含除二氧化碳之外的成分、例如硫氧化物(SO_X)，而硫氧化物有助于酸雨的形成。由于今后对上述燃料的需求仍然可观，因此怎样处理产生的废气或混合气中的二氧化碳或其他有毒气体将是一个严峻的问题。

实际上，废气或混合气中的某些气体在一些工业过程中是需要供给的原材料，例如CO₂、CO、CH₄、NH₄等都可以被分离提纯后用作产品材料回收利用。比如，在碳捕获及储存(CCS)和提高原油采收(EOR)领域中二氧化碳是必不可少的原材料，为了获得高浓度二氧化碳或降低购买二氧化碳的成本，能够从混合气中便利地分离和回收二氧化碳是解决上述问题的一个重要途径。

在过去的几十年中，关于从燃烧后的废气或混合气中分离和回收一些特定的气体一直是若干研究的课题，其中变温吸附(TSA)方法是利用吸附剂的平衡吸附量随温度升高而降低的特性，采用常温吸附、升温脱附的操作方法。因为在燃料燃烧后的废气或混合气中二氧化碳的量较多，很多研究是从怎样回收利用废气中的二氧化碳开始的，这些研究早期针对的是所谓的二氧化碳的“湿”分离和回收方法，即基于用能够选择性吸附二氧化碳的合适溶液或溶剂洗涤混合气，并通过加热吸附溶液或溶剂来回收所吸附的二氧化碳的方法。但是，此方法遇到的问题在于洗涤溶液易受到其组分氧化现象的影响，而且，废气或混合气中通常还包含硫和氮氧化物(SO_X和NO_X)，与洗涤溶液中的某些组分反应，会产生稳定的盐和难以清除和处理的其他有害化合物，因此需要经常替换洗涤溶液。

近年来，国内外研究主要集中在用固体吸附剂分离和回收二氧化碳的系统和方法上，例如US6,387,337公开了一种从混合气中分离二氧化碳的工艺，其中吸附反应器中使用了经脱附二氧化碳而还原成可以反复使用的碱金属或碱土金属的吸附剂，在一个双床式反应器之间移动。此工艺包括：第一反应器为填装有还原的吸附剂的吸附塔，将含有二氧化碳的混合气通入第一反应器中，从而将二氧化碳吸附在所述吸附剂上；将吸附有二氧化碳的用过的吸附剂移至第二反应器以便还原，用于脱附吸附剂上的二氧化碳的气体可包括天然气、甲烷、一氧化碳、氢气和一氧化碳与氢气的合成气；而后，将还原的吸附剂移至第一反应器，使其继续进行吸附过程。此工艺的流程和操作简单、高效，但是外源性还原气体的引入将直接导致分离后的二氧化碳纯度降低，进而需要进行额外的气体分离操作。

US6,755,892公开了一种从废气中分离二氧化碳的系统，该系统包括：填装含胺和腈官能团的吸附剂的二氧化碳吸附床；连通含二氧化碳的废气源和所述吸附床的管道；所述吸附床的出口管道；从所述吸附塔中释放出二氧化碳的再生装置；和至少一个可以控制所述吸附床的进出气的调节阀。此系统通过上述调节阀或加设的控制装置转换系统中的气流方向，从而进行吸附过程和脱附过程。而上述用于脱附二氧化碳的再生装置为加热器，系统中利用外设加热器加热所述吸附床，以便达到脱附二氧化碳的温度。另外，此发明中也提到可用通入蒸汽的方法达到脱附二氧化碳目的。此发明系统进行二氧化碳分离和回收所需的设备复杂、昂贵、难以操作，因而意味着需要高投资和高维护费用。此外，还存在外设性热源传热效率问题、分离后二氧化碳纯度、高压热蒸汽对吸附剂的磨损等问题。

事实上，US6,755,892所公开的二氧化碳分离系统包括了至少两个二氧化碳吸附剂床，其中当一个吸附剂床在吸附时，另一个吸附剂床在脱附，但由于脱附速度通常要比吸附速度快得多，两个吸附剂床无法同时达到满负荷，因此，该分离系统的吸附效率和脱附效率并不高。

US7,153,344公开了一种从燃烧的氧化物废气中分离和回收二氧化碳的方法。该方法包括：将废气通入半渗透材料中，通过气体半渗透材料从所述废气中分离包括高浓度二氧化碳的气流，其中将至少一部分包括高浓度二氧化碳的气流用作工业生产的原料入料和/或储存至少一部分包括高浓度二氧化碳的气流。