[发明专利]一种用于烟道气中CO2

说明书

本发明提供了一种烟道气中CO₂选择性脱除的膜吸收/膜解吸耦合方法，即在一个组件内同时存在两种不同功能的多孔中空纤维膜，一种为吸收多孔膜，另一种为解吸多孔膜。两类多孔膜在组件内以优化排列方式相邻并被吸收剂隔开：组件壳层内充满吸收剂，分离过程中吸收液的压力比烟道气高～0.5atm，烟道气在吸收多孔中空纤维膜内流动，其中所含CO₂被膜外侧的吸收液选择性吸收，而通过对与之相邻的解吸多孔中空纤维膜内抽真空实现吸收液内溶解的CO₂同步解吸与吸收剂再生。两类多孔纤维膜可以是相同的，也可以不同。与吸收塔、膜吸收等过程相比，本方法同步耦合吸收/解吸过程，具有分离效率高、吸收液用量少、能耗低等优点。

技术领域：

本发明涉及一种用于烟道气中CO₂分离的膜吸收/膜解吸耦合方法，属于膜分离相关的新型分离技术领域。

技术背景：

我国是全球最大的煤炭生产和消费国，经济和工业的快速发展建立在化石能源的大量消耗基础上，大规模的火电发展导致大量CO₂排放，随着世界对全球气候变暖问题越来越关注，我国所承受的国际减排压力也必然会越来越大。为控制和减少碳排放，我国已明确提出2030年单位国内生产总值CO₂排放较2005年下降60％～65％的减排目标。燃煤电厂碳排放量约占我国碳排放总量的40％，是CO₂的主要排放源。如何控制和减少碳排放已成为制约燃煤发电，乃至整个电力行业可持续发展的瓶颈之一。

针对作为CO₂主要释放源的燃煤电厂，目前研究较多的是燃烧后捕集。燃烧后捕集主流技术是从燃煤电厂除尘和脱硫后的尾部烟气中选择性分离出CO₂，采用的分离方法主要包括吸收法、吸附法、膜分离法以及新发展的耦合分离方法如膜吸收、膜吸附等。

吸收法的典型代表是活化N-甲基二乙醇胺(MDEA)法，由德国BASF公司于20世纪70年代开发成功，属物理化学吸收法，该技术吸收能力强、脱碳净化度高、溶剂价格便宜、溶液腐蚀性小，在热法中热耗最低。通过化学吸收分离和回收CO₂，工艺相对简单，技术成熟度高，对现有电厂影响小，具有较高的灵活性。由于烟气中CO₂浓度低(约9％～15％)，该法应用于烟道气脱碳过程需要消耗较多的中低温饱和蒸汽用于吸收剂再生，导致电厂发电效率下降8～13个百分点。

吸附法应用于烟道气脱碳过程，以国电新能源技术研究院的授权专利“一种捕集烟道气中二氧化碳系统和方法”(201210572964.4)为例，整个分离过程步骤较为复杂，吸附剂需要频繁再生，造成较高能耗，过程控制也面临较高要求，同时考虑到实际应用过程中烟道气组分较为复杂，对吸附剂的选择性吸附能力及循环使用寿命产生极大挑战性，因此实际应用于烟道气脱碳过程将面临严峻考验。

采用聚合物膜(醋酸纤维素、聚酰亚胺等)对CO₂进行分离可常温操作、环境友好，能耗低且易放大，目前已日趋成熟，设备规模也开始大型化。采用聚合物膜进行烟道气脱碳的弊端主要在于，一方面烟道气中CO₂浓度低，受材料分离性能限制单纯使用膜分离过程很难直接在渗透侧得到高浓度的CO₂；同时膜分离是压力驱动过程，这些问题使其与传统吸收过程相比缺乏竞争性。

膜吸收过程是将多孔膜与吸收过程通过膜接触器耦合，实现气体选择性吸收的一种新型技术。相比传统气液接触器如吸收塔而言，膜接触器具有很多优点：1.气液接触传质比表面积远高于搅拌釜、鼓泡塔、填料塔和板式塔等传统设备，可以大幅减小设备尺寸；2.气液两相可以独立操作，很大程度上避免了液泛、漏液、夹带、鼓泡等不良现象；3.膜接触器也可以用于吸收剂再生过程，实现过程的集成化；4.膜接触器持液量低，使用昂贵的吸收剂时具有明显经济性；5.膜吸收过程通过吸收剂与CO₂反应实现分离，不是压力驱动过程，故更适用于压力较低的烟道气脱碳过程。