[发明专利]基于湿法再生技术捕集烟气中二氧化碳的方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化碳减排的技术领域，特别涉及一种基于湿法再生技术捕集烟气中二氧化碳的方法。

背景技术

随着温室效应的加剧，如何控制以二氧化碳为主的温室气体的排放引起全世界的广泛关注。世界能源组织(IEA)公布的数据显示，2013年全球二氧化碳累计排放达360亿吨，其中由化石燃料燃烧为基础的电力系统的二氧化碳排放约占60％。而二氧化碳捕集与封存技术(CCS)被认为是控制电力系统二氧化碳排放的最有效方式之一，其中，二氧化碳的捕集是CCS技术的重要环节。

针对电厂烟气的环境条件，目前常用的捕集方法有：吸收分离法、吸附分离法、膜分离法、低温分馏法等。目前技术比较成熟、有望得到大规模工业应用的捕集技术有化学吸收法和吸附分离法。但是，化学吸收法普遍存在捕集成本高，再生能耗大，吸收剂降解、腐蚀、挥发等问题。例如利用MEA溶液法捕集电厂二氧化碳，其再生能耗为3～4MJ/kgCO₂，由此造成电厂效率下降约12％。采用冷氨法可使电厂效率下降10％左右，但存在氨挥发严重等问题。吸附分离有望显著降低二氧化碳的捕集成本，但是吸附分离得到的二氧化碳纯度较低，再生工艺复杂，且其能耗和捕集成本依然偏高。

近年来，文献中报道了一种通过调节环境湿度，来实现吸附-解吸循环吸附分离的方法，称为湿法再生技术。在此方法中，通过改变具有特定官能团的吸附材料的表面水合水的含量，来调节其与二氧化碳的吸附结合能力，从而改变二氧化碳的吸附平衡分压。由于此方法为化学吸附分离，因此得到的二氧化碳纯度较高；与变温再生或变压再生相比，湿法再生工艺简单，响应较快。

如孙轶敏(基于大气CO₂捕集的湿法再生吸附剂实验研究，浙江大学硕士学位论文)采用湿法再生技术，研究了表面改性的商业阴离子交换树脂膜(I-200)材料对空气中CO₂的吸附性能。但是，孙的方法只适用于干燥空气中的超低浓度二氧化碳富集，若直接应用于电厂高湿度、高二氧化碳分压的烟气捕集，将产生循环容量降低、再生困难、能耗激增等一系列问题。

鉴于此，本领域迫切需要一种新型高效的捕集电厂烟气中二氧化碳的方法。

发明内容

本发明提供了一种基于湿法再生技术，采用功能化的离子交换树脂膜材料，通过与电厂热力系统有机整合，高效、低成本吸附分离出高纯度二氧化碳的方法。

一种基于湿法再生技术捕集烟气中二氧化碳的工艺，步骤如下：

(1)预处理：烟气经冷却除湿后加热至40～45℃，以调整烟气的相对湿度为8.7～11.8％；

(2)吸附：将预处理后的烟气通入吸附塔，与置于吸附床上的吸附材料接触，脱除烟气中的二氧化碳；

所述的吸附材料为阴离子交换树脂膜；

(3)冲洗置换：将浓度为50～85％的二氧化碳通入吸附塔，顺向流过吸附床，置换吸附床内的氮气，得到的置换气送入置换气罐；

(4)喷水解吸：从吸附塔顶部喷淋水，解吸得到的二氧化碳和水蒸汽的混合气进入产品气罐；

(5)产品气吹扫：将部分产品气罐内的混合气通入吸附塔，逆向吹扫吸附床，回收残存的二氧化碳，再通回产品气罐；

(6)置换气吹扫：将置换气罐内的置换气通入吸附塔，逆向吹扫吸附床，进一步回收残存的二氧化碳后通回置换气罐；

(7)干燥再生：将步骤(2)脱除二氧化碳后的烟气通入置换气吹扫后的吸附床，对吸附材料进行初级干燥再生，再回收电厂中余热和废热得到的热空气，对吸附材料进行二级干燥再生，吸附材料干燥再生后，开始下一个循环过程。

本发明采用湿法再生技术，通过调节湿度来改变吸附材料吸附二氧化碳的平衡分压，充分利用电厂中的余热和废热，并采用多塔式循环吸附-解吸-再生技术，来实现连续分离烟气中二氧化碳的目的。

为了保证烟气中二氧化碳的连续分离，本发明采用多塔式、六步骤的循环吸附过程。作为优选，所述的工艺过程中包含至少三个吸附塔，吸附塔串联循环进行步骤(2)～(7)。当前一吸附塔完成吸附步骤后，预处理后的烟气进入下一吸附塔，以此类推，实现烟气中二氧化碳的连续分离。

作为优选，所述的工艺过程分为三个时间段，吸附过程所需时间为第一时间段，冲洗置换、喷水解吸、产品气吹扫共需时间为第二时间段，置换气吹扫和干燥再生共需时间为第三时间段。

为了使其动力学性能相匹配，并保证烟气中二氧化碳的连续分离，作为优选，第一时间段、第二时间段与第三时间段所需时间相等。