一种二氧化碳循环捕集再生系统

技术领域

本发明涉及一种低能耗、低污染的二氧化碳捕集再生系统及工艺，属于碳捕集技术领域。

背景技术

人类社会通过大量燃烧化石燃料获取生产能源的同时也排放了大量的二氧化碳，碳源的大量释放已对我们的生产和生活造成了潜在的威胁，而在燃烧后采用碳捕集技术减少碳排放是相对成熟且经济可行的方法。行业调查显示，国际上90％的贸易依靠船舶海运的方式实现，船舶海运的蓬勃发展也引起了人们对其碳源排放的关注，为了响应国际海事组织的碳减排战略和国内提出的“碳达峰、碳中和”的双碳目标，开发一种适用于船舶的低能耗、高效率、紧凑型的低浓度CO

通过调研发现，碳捕集和存储技术可以有效实现大规模碳减排要求，化学吸收类的碳捕集技术是当前实施CO

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种二氧化碳循环捕集再生系统，其能有效控制船舶发动机碳排放指标，解决传统碳捕集技术中高温再生能耗高、再生设备占地大、吸收剂损耗大、排气VOCs污染、低浓度碳捕集率低等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二氧化碳循环捕集再生系统，其特征在于，包括：

用于补集含碳废气的碳捕集塔，所述碳捕集塔的顶部设有脱碳废气排放口，上部设有碱液进口，下部设有废气进口，底部设有吸收液出口，脱碳废气排放口与废气排放管道连通；碳捕集塔内的顶部设有与碱液进口连通的喷淋装置，中部设有用于增强吸收过程气液传质传热效率的填料层，底部设有用于储存吸收液的储液槽；废气中的二氧化碳在碳捕集塔内与吸收液中氢氧化钠反应，生成碳酸钠和碳酸氢钠溶液；

用于解析吸收液的电膜解析装置，所述电膜解析装置包括膜堆单元及用于向膜堆单元和吸收液提供电场的电极单元、电源箱单元，所述电极单元包括分别与电源箱的供电端正、负极相连的正电极板、负电极板；所述膜堆单元包括设于正电极板、负电极板之间的膜堆，其由阳离子选择透过膜、阴离子选择透过膜与界面膜堆叠而成；所述膜堆单元设有一个吸收液进口、一个碱液出口、一个酸液出口和两个电极液循环口，所述吸收液进口与吸收液出口连通，两个电极液循环口与电极液罐通过泵连通形成回路，膜堆单元内的电极液在正电极板、膜堆、负电极板之间循环流动；

酸液闪蒸罐，所述酸液闪蒸罐设有酸液进口、液相出口一、排气口，酸液进口与酸液出口连通，液相出口与吸收液进口连通；所述酸液闪蒸罐采用减压闪蒸的方法促使碳酸分解释放二氧化碳；

气液分离罐，用于分离二氧化碳气体中夹带的液滴；所述气液分离罐上部设有气体进口，顶部设有气相出口，底部设有液相出口二，气体进口与排气口连通，气相出口用于排出可回收利用的二氧化碳。

优选地，所述吸收液出口与吸收液进口之间的管路上设有吸收液泵；所述液相出口与吸收液进口之间的管路上设有闪蒸罐液相泵。

优选地，所述喷淋装置包括喷头组件和进液分布器，进液分布器与碱液进口连通。

优选地，所述脱碳废气排放口与废气排放管道连通。

优选地，所述碱液出口与碱液进口连通。在电流作用下膜表面水分子大量电离为氢离子和氢氧根离子，通过电场的定向驱动和阴/阳离子膜的筛分使吸收液再生为氢氧化钠溶液和碳酸溶液，氢氧化钠溶液返回到碳捕集塔继续吸收二氧化碳。

更优选地，所述碱液出口与碱液进口之间的管路上设有碱液冷却器，用于移除捕集反应和电膜解析过程的放热，降低温度提高效率；所述碱液冷却器设有进口、出口、冷却水进口、冷却水出口，进口与碱液出口连通，出口与碱液进口连通，冷却水进口、冷却水出口与循环冷却水管道连通形成回路，形成了碱液吸收二氧化碳和再生释放二氧化碳的可持续循环过程。

优选地，所述酸液进口与酸液出口之间的管路上设有减压阀。

优选地，所述排气口与气体进口之间的管路上设有真空喷射泵，真空喷射泵设有进液口，抽吸气进口和喷射气出口，进液口与液相出口二连通，抽吸气进口与排气口连通，喷射气出口与气体进口连通。经膜堆处理后碳酸溶液经压力释放阀进入酸液闪蒸罐之后压力降低，促使碳酸分解变成二氧化碳和水，气体二氧化碳被真空喷射泵从酸液闪蒸罐的顶部抽出进入气液分离器，最终成为二氧化碳产品回收利用；酸液闪蒸罐的水相返回到膜堆单元酸水室，维持循环过程水量平衡。气液分离罐的液相从底部流入进入真空喷射泵，大部分液相经升高压力后进入喷射泵进液口，作为喷射液，部分水相返回到酸液闪蒸罐中，维持气液分离器内液位平衡。

更优选地，所述进液口与液相出口二之间的管路上设有喷射水泵，喷射水泵的出口端还与酸液闪蒸罐内部连通。

优选地，所述膜堆内膜的堆叠方式为：阳离子选择膜、阴离子选择膜、界面膜依次循环，且膜堆最外的两侧均为阳离子选择膜。膜堆的外侧与正电极板、负电极板之间分别形成极水腔，阳离子选择膜与阴离子选择膜之间为吸收液腔，阳离子选择膜与界面膜之间为碱水腔，阴离子选择膜与界面膜之间为酸水腔，每个腔室通过一个循环泵与一个容器连通形成回路。运行期间循环泵将容器中的溶液以1m

本发明以无机强碱溶液作为吸附剂，高效的实现了二氧化碳的快速捕集和低温电膜再生的循环。强碱溶液与二氧化碳反应速度快，碳捕集塔内件简单、高度低、结构紧凑，大大节约设备空间；且不存在有机胺污染和高温损耗的问题；耦合电膜对吸收液进行再生时，水被电离后与盐离子经离子选择膜筛分后形成碱液溶液和碳酸溶液，碳酸经减压分解成二氧化碳和水，而再生后得到的碱液浓度不变，循环使用。该方法组建了完整的发动机尾气二氧化碳吸收解析设备及工艺，具有针对性强、无二次污染、条件温和、安全稳定等诸多有点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明中避免了传统胺液捕集技术胺液逃逸的问题，并且吸收液在常温下依靠电膜装置进行电化学再生，解吸过程无相变，能耗更低。

2)本发明中采用无机强碱溶液作为吸收剂，溶液碱性高且与二氧化碳反应速度快，对气体中二氧化碳捕集率高、反应速快，碳捕集塔尺寸更小，吸收液体积少，输送泵能耗更低，生成的产物碳酸盐结构稳定。

附图说明

图1为本发明提供的二氧化碳循环捕集再生系统的示意图；

图2、3为膜堆的示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，为本发明提供的一种二氧化碳循环捕集再生系统，其包括：

用于补集含碳废气的碳捕集塔1，所述碳捕集塔1的顶部设有脱碳废气排放口A，上部设有碱液进口B，下部设有废气进口C，底部设有吸收液出口D，脱碳废气排放口A与废气排放管道连通；碳捕集塔1内的顶部设有与碱液进口B连通的喷淋装置，中部设有用于增强吸收过程气液传质传热效率的填料层，底部设有用于储存吸收液的储液槽；所述喷淋装置包括喷头组件和进液分布器，进液分布器与碱液进口B连通；所述脱碳废气排放口A与废气排放管道连通；

用于解析吸收液的电膜解析装置3，所述电膜解析装置3包括膜堆单元及用于向膜堆单元和吸收液提供电场的电极单元、电源箱单元，所述电极单元包括分别与电源箱的供电端正、负极相连的正电极板31、负电极板35；所述膜堆单元设有一个吸收液进口E、一个碱液出口F、一个酸液出口G和两个电极液循环口，所述吸收液进口E与吸收液出口D连通，两个电极液循环口与电极液罐通过泵连通形成回路，膜堆单元内的电极液在正电极板、膜堆、负电极板之间循环流动；所述吸收液出口D与吸收液进口E之间的管路上设有吸收液泵2；所述液相出口I与吸收液进口E之间的管路上设有闪蒸罐液相泵4；所述碱液出口F与碱液进口B连通，所述碱液出口F与碱液进口B之间的管路上设有碱液冷却器9，碱液冷却器9设有进口、出口、冷却水进口、冷却水出口，进口与碱液出口F连通，出口与碱液进口B连通，冷却水进口、冷却水出口与循环冷却水管道连通形成回路；

所述膜堆单元包括设于正电极板31、负电极板35之间的膜堆(如图2、3所示，图2中空心箭头为电场方向)，其由阳离子选择透过膜32、阴离子选择透过膜33与界面膜34堆叠而成；所述膜堆内膜的堆叠方式为：阳离子选择膜32、阴离子选择膜33、界面膜34依次循环，且膜堆最外的两侧均为阳离子选择膜32；膜堆的外侧与正电极板31、负电极板35之间分别形成极水腔36，阳离子选择膜32与阴离子选择膜33之间为吸收液腔37，阳离子选择膜32与界面膜34之间为碱水腔38，阴离子选择膜33与界面膜34之间为酸水腔39，每个腔室通过一个循环泵与一个容器连通形成回路(如图3所示，吸收液进口E与吸收液容器310连通，吸收液容器310通过吸收液泵311与吸收液腔37连通，碱水容器312通过碱水泵313与碱水腔38连通，酸水容器314通过酸水泵315与酸水腔39连通，极水容器316通过极水泵317与极水腔36连通，每个泵均设置在对应腔室的入口处，每个腔室的出口与对应容器连通，酸水腔39的出口还与酸液出口G连通，碱水腔38的出口还与碱液出口F连通；吸收液容器310、碱水容器312、酸水容器314、极水容器316内分别为吸收液、碱液、酸液、电极液)；

酸液闪蒸罐5，所述酸液闪蒸罐5设有酸液进口H、液相出口一I、排气口J，酸液进口H与酸液出口G连通，液相出口I与吸收液进口E连通；所述酸液进口H与酸液出口G之间的管路上设有减压阀10；所述排气口J与气体进口K之间的管路上设有真空喷射泵6，真空喷射泵6设有进液口N，抽吸气进口O和喷射气出口P，进液口N与液相出口二M连通，抽吸气进口O与排气口J连通，喷射气出口P与气体进口K连通；所述进液口N与液相出口二M之间的管路上设有喷射水泵8，喷射水泵8的出口端还与酸液闪蒸罐5内部连通；

气液分离罐7，所述气液分离罐7上部设有气体进口K，顶部设有气相出口L，底部设有液相出口二M，气体进口K与排气口J连通，气相出口L用于排出可回收利用的二氧化碳。

上述系统中，吸收液可以选用氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钡溶液、氢氧化锂溶液中的任意一种或几种；

所述的碳捕集塔喷淋液的碱液的浓度为1.0～20wt％，温度为5～45℃，碳捕集塔顶还可增设除雾器，减少废气的液沫夹带；

所述的电膜解析装置配备的电源箱单元供电采用直流电源，因为溶液电导率高，将采用低电压高电流的方式供电，可以优化能耗并减少电解水反应生成氢气和氧气，膜堆电流密度控制在100～500A/m

所述的电膜解析装置再生每吨氢氧化钠能耗为600～1200kW/h，再生碱液浓度为1.0～20wt％，再生酸水室溶液pH控制在2～7之间；

所述的碱液冷却器采用7～12℃的冷冻水对碱液进行冷却，要求碱液冷却器的出口温度为5～30℃，保证碱液吸收二氧化碳后温度不超过25℃，吸收液进电膜解析装置的温度不超过25℃；

所述的酸液闪蒸罐配备压力表监测压力，通过真空喷射泵控制酸液闪蒸罐内压力为5～80kPa(A)，配备液位计和阀门控制液位稳定在10～60％，液相pH控制在5～9之间；

所述的气液分离器内的液位控制在10～70％，液相大部分用于真空喷射泵的喷射水，小部分液相通过液位控制回到酸液闪蒸罐。

实施例

针对1000kW船用双燃料发动机排放废气碳减排系统工程项目中设计建造的二氧化碳捕集再生系统装置及工艺如下，通过取样分析发现1000kW船用柴油发动机(低硫燃料)排放废气经风机增压和水洗冷却后的气体工况如下：

处理废气流量为6200Nm

电膜解析装置的电压采用了4个膜堆并联，每个膜堆尺寸为0.6m×1.0m，由60片膜组堆叠而成，每个膜堆电源箱输出设置正负极板间电压135V、电流240A。约15℃的吸收液以7.5m

酸液闪蒸罐的容积约8m

碱水腔生成的氢氧化钠浓度为8％，由于电流的效应和吸收二氧化碳放热，如果不换热系统温度会越来越高，碱液冷却器采用7℃～12℃的冷冻水作为冷源，对生成的氢氧化钠溶液降温冷却到10℃，再重新回到碳捕集塔。

气液分离罐容积约5m

综上可知，采用氢氧化钠溶液作为吸收液，通过电膜解析装置将碳酸钠和碳酸氢钠分离并转化为碳酸和氢氧化钠，再通过减压闪蒸充分释放二氧化碳的系统技术及工艺实施二氧化碳的捕集和回收，具有吸收效率高，能耗低，无有机污染物逃逸，设备紧凑占地小的诸多优点。