專利名稱：一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO₂的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工分離領(lǐng)域，尤其涉及一種膜吸收法脫除煙氣中二氧化碳的方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著溫室效應(yīng)的加劇，減少以CO2為主的溫室氣體排放受到世界各國(guó)與學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注。而針對(duì)燃煤電廠尾部煙氣中大量的CO2進(jìn)行吸收處理也尤為重要?，F(xiàn)今工業(yè)上分離煙氣中CO2的方法眾多，包括吸收、吸附、膜分離、低溫蒸餾等傳統(tǒng)技術(shù)。吸收法分離回收CO2的純度高達(dá)99.9%以上，技術(shù)上已經(jīng)成熟，而膜分離法能耗較低，所以一種將膜基氣體分離與化學(xué)吸收法相結(jié)合的膜吸收耦合技術(shù)，因其具有氣液接觸面積大、傳質(zhì)速率快、無霧沫夾帶、操作彈性大和設(shè)備緊湊等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注，并具備良好的發(fā)展前景。相對(duì)于傳統(tǒng)的分離方法，膜吸收法是一種高效、低成本的煙氣處理方法。目前，膜接觸器已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和污水凈化等工業(yè)領(lǐng)域。膜組件由大量的膜材料(如平板薄膜或膜管等)組成膜芯，再和殼體、接口和固定件等元件，按照一定的技術(shù)條件要求組成。膜組件按結(jié)構(gòu)可分為圓管式和平板式兩種型式。而圓管式又分為管式、毛細(xì)管式和中空纖維膜式三種結(jié)構(gòu)。中空纖維膜組件除具備了管式膜組件流動(dòng)狀態(tài)好，流速易控制，安裝、拆卸、換膜和維修方便等特點(diǎn)外，還具有耐高壓，單位體積內(nèi)的有效膜表面積比率高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可做成一種效率高、成本低、體積小和重量輕的膜分離裝置。因此，中空纖維膜接觸器得到了廣泛應(yīng)用。膜吸收法中的氣體和吸收液不直接接觸，氣液兩相界面是固定的，且兩者分別在微孔膜兩側(cè)流動(dòng)。膜本身對(duì)氣體沒有選擇性，只起到隔絕氣體和吸收液的作用，CO2在濃度梯度作用下經(jīng)膜擴(kuò)散到液相側(cè)。理論上膜孔可以允許膜一側(cè)被分離的氣體分子不需要很高的壓力就可以穿透到膜另一側(cè)，主要依靠吸收劑的選擇性而達(dá)到分離氣體的目的。目前，國(guó)內(nèi)外基于膜吸收法脫除煙氣中二氧化碳的研究多處于基礎(chǔ)性研究，系統(tǒng)的能耗大，未對(duì)鍋爐尾氣的余熱進(jìn)行利用。同時(shí)吸收液解吸再生過程中存在二氧化碳能耗高，吸收液熱化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，脫除效率僅在90%左右等問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中二氧化碳脫除過程中高能耗問題，本發(fā)明的目的在于提供提高二氧化碳的脫除效率和回收純度的一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，在該方法中采用了一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括中空纖維膜接觸器1、煙氣換熱器、中空纖維膜接觸器I1、吸收液箱、吸收液輸送泵、吸收液過濾器、二氧化碳冷卻器和氣液分離器；該方法包括如下步驟:
1)、將余熱鍋爐的煙氣經(jīng)煙氣凈化器除塵后，進(jìn)入煙氣換熱器降溫至30-60°C；
2)、將降溫后的煙氣輸入中空纖維膜接觸器I，與吸收液在膜組件內(nèi)逆向流動(dòng)，煙氣中的二氧化碳透過膜孔與吸收液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成弱連接的化合物，脫除二氧化碳后的煙氣直接排入空氣；
3)、將中空纖維膜接觸器I內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的吸收液輸入煙氣換熱器，在煙氣換熱器內(nèi)升溫到80-100°C，部分二氧化碳從吸收液中解吸；
4)、解吸后的二氧化碳和吸收液輸入經(jīng)蒸汽吹掃的中空纖維膜接觸器II，進(jìn)一步加熱分離出二氧化碳；
5)、脫除二氧化碳后的吸收液經(jīng)吸收液輸送泵和吸收液過濾器返回吸收液箱，再供中空纖維膜接觸器I使用，實(shí)現(xiàn)吸收液循環(huán)利用；
6)、脫除后含有少量水蒸氣的二氧化碳經(jīng)二氧化碳冷卻器冷凝，進(jìn)入氣液分離器分離出高濃度的二氧化碳，并儲(chǔ)存。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，在步驟5)中，脫除二氧化碳后的吸收液首先經(jīng)吸收液換熱器冷卻后輸入吸收液輸送泵。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，在步驟6)中，進(jìn)入氣液分離器分離出高濃度的二氧化碳用真空泵抽吸，進(jìn)行儲(chǔ)存。作為本發(fā)明的又一種優(yōu)選方案，所述中空纖維膜接觸器I由多個(gè)中空纖維膜接觸器串聯(lián)或并聯(lián)形成。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)方案，所述中空纖維膜接觸器I和中空纖維膜接觸器II內(nèi)的吸收液為單一吸收液甲基二乙醇胺或由乙醇胺和2-氨基-2-甲基-1-丙醇組成的混合吸收液。作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)方案，所述中空纖維膜接觸器I和中空纖維膜接觸器II內(nèi)的膜材料為表面覆蓋一層薄且致密的可滲透層改性后的聚丙烯或聚四氟乙烯，且為非對(duì)稱疏水性中空纖維膜，膜組件內(nèi)部每根膜絲內(nèi)徑為0.3-0.9mm，外徑為0.4-1.5mm，孔徑為
0.1-0.2 ,，孔隙率為 40-80%O作為本發(fā)明的又一種改進(jìn)方案，在步驟4)中，蒸汽來源于蒸汽發(fā)生器，且溫度為75-85。。。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本方法將鍋爐排放的高溫?zé)煔馔ㄈ霟煔鈸Q熱器對(duì)富含二氧化碳的吸收液進(jìn)行加熱解吸，充分利用了煙氣的余熱，節(jié)省了能源。2、中空纖維膜接觸器I采用多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的形式排列，將脫除效率從90%提高至95%以上，減少了二氧化碳的排空，并且更易放大。3、將中空纖維膜接觸器I內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的吸收液通過煙氣換熱器進(jìn)行初次升溫解吸，然后進(jìn)入中空纖維膜接觸器II加熱并解吸出二氧化碳，提高了二氧化碳的解吸效率，降低了脫除二氧化碳所需能耗，提高了吸收液的純度和熱化學(xué)穩(wěn)定性，以備循環(huán)利用。4、中空纖維膜為聚丙烯、聚四氟乙烯等具有低表面能和高疏水性的膜材料，膜表面覆蓋一層薄且致密的可滲透層修飾，顯著減輕了膜的潤(rùn)濕性。5、中空纖維膜接觸器內(nèi)部錯(cuò)流結(jié)構(gòu)保證了流體的均勻分布，增加了氣液的反應(yīng)時(shí)間，解決了傳質(zhì)效率較低等問題。
6、采用低溫蒸汽作為吹掃氣，容易得到且避免了對(duì)膜材料的腐蝕問題，同時(shí)與二氧化碳分離簡(jiǎn)單，降低了脫除二氧化碳的吸收液所需能耗；冷卻后進(jìn)入氣液分離器分離，同時(shí)采用真空泵進(jìn)行抽吸，提高了 二氧化碳的純度。7、氣液分離器中分離出的水，返回到蒸汽發(fā)生器，作為其一部分水源，提高了水的回收利用。


圖1為一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中:I一中空纖維膜接觸器；2 —中空纖維膜接觸器；3—煙氣換熱器；4一中空纖維膜接觸器II; 5—二氧化碳冷卻器；6—?dú)庖悍蛛x器；7—真空泵；8—蒸汽發(fā)生器；9一吸收液換熱器；10—吸收液輸送泵；11 一吸收液過濾器；12—吸收箱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，在該方法中采用了一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的系統(tǒng)。一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)包括中空纖維膜接觸器1、煙氣換熱器3、中空纖維膜接觸器II 4、吸收液箱12、吸收液輸送泵10、吸收液過濾器11、二氧化碳冷卻器5、氣液分離器6、真空泵
7、蒸汽發(fā)生器8和吸收液換熱器9。其中，中空纖維膜接觸器I可由多個(gè)中空纖維膜接觸器串聯(lián)或并聯(lián)形成，本實(shí)施例中，中空纖維膜接觸器I由中空纖維膜接觸器I和中空纖維膜接觸器2串聯(lián)形成，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理能力的放大。一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法包括如下步驟:
I)、余熱鍋爐煙氣溫度為170-200°c，經(jīng)煙氣凈化器除塵后，進(jìn)入煙氣換熱器3降溫至30-60。。。2)、將降溫后的煙氣輸入中空纖維膜接觸器I (即送入串聯(lián)的中空纖維膜接觸器I和中空纖維膜接觸器2)，與吸收液在膜組件(膜組件為現(xiàn)有技術(shù)，再次不再贅述)內(nèi)逆向流動(dòng)，煙氣中的二氧化碳透過膜孔與吸收液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成弱連接的化合物，脫除二氧化碳后的煙氣直接排入空氣。3)、將中空纖維膜接觸器I內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的吸收液輸入煙氣換熱器3，在煙氣換熱器3內(nèi)升溫到80-100°C，部分二氧化碳從吸收液中解吸。4)、解吸后的二氧化碳和吸收液輸入經(jīng)蒸汽吹掃的中空纖維膜接觸器II 4，進(jìn)一步加熱分離出二氧化碳。5)、脫除二氧化碳后的吸收液首先經(jīng)吸收液換熱器9冷卻后，然后經(jīng)吸收液輸送泵10和吸收液過濾器11返回吸收液箱12，再供中空纖維膜接觸器I和中空纖維膜接觸器2使用，實(shí)現(xiàn)吸收液循環(huán)利用。6)、脫除后含有少量水蒸氣的二氧化碳經(jīng)二氧化碳冷卻器5冷凝，進(jìn)入氣液分離器6分離出高濃度的二氧化碳，用真空泵抽吸、儲(chǔ)存。煙氣換熱器中熱流體為經(jīng)煙氣凈化器處理后具有一定溫度(170-200°C)的煙氣，煙氣換熱器中冷流體為含有二氧化碳的吸收液。吸收液為單一吸收液甲基二乙醇胺(MDEA)或由乙醇胺(MEA)和2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)組成的混合吸收液。中空纖維膜接觸器1、中空纖維膜接觸器2和中空纖維膜接觸器II 4內(nèi)的膜材料為表面覆蓋一層薄且致密的可滲透層改性后，低成本的聚丙烯(PP)或穩(wěn)定性最強(qiáng)的聚四氟乙烯(PTFE)，且為非對(duì)稱疏水性中空纖維膜，膜組件內(nèi)部每根膜絲內(nèi)徑為0.3-0.9mm，外徑為0.4-1.5mm,孔徑為
0.1-0.2 —,孔隙率為40-80%。中空纖維膜接觸器II 4中吹掃氣氛為水蒸汽，對(duì)膜材料無腐蝕性，無污染，安全可靠，也易得到。水蒸汽來源于蒸汽發(fā)生器8，溫度為75-85°C (80°C左右)；氣液分離器6中分離出的水，返回到蒸汽發(fā)生器，作為其一部分水源，實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水的循環(huán)利用。本方法將鍋爐排放的高溫?zé)煔馔ㄈ霟煔鈸Q熱器對(duì)富含二氧化碳的吸收液進(jìn)行加熱解吸，充分利用了煙氣自身的熱量。同時(shí)串聯(lián)連接形式的中空纖維膜接觸器I吸收二氧化碳，將脫除效率從90%提高至95%以上，減少了二氧化碳的排放。富含二氧化碳的吸收液通過煙氣換熱器進(jìn)行初次升溫解吸，然后在中空纖維膜接觸器II 4中再次被低溫蒸汽吹掃、加熱，進(jìn)一步提高了 二氧化碳的解吸效率和吸收液的純度。最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，其特征在于:在該方法中采用了一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括中空纖維膜接觸器1、煙氣換熱器(3)、中空纖維膜接觸器II (4)、吸收液箱(12)、吸收液輸送泵(10)、吸收液過濾器(11)、二氧化碳冷卻器(5)和氣液分離器(6); 該方法包括如下步驟: 1)、將余熱鍋爐的煙氣經(jīng)煙氣凈化器除塵后，進(jìn)入煙氣換熱器(3)降溫至30-60°C； 2)、將降溫后的煙氣輸入中空纖維膜接觸器I，與吸收液在膜組件內(nèi)逆向流動(dòng)，煙氣中的二氧化碳透過膜孔與吸收液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成弱連接的化合物，脫除二氧化碳后的煙氣直接排入空氣； 3)、將中空纖維膜接觸器I內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的吸收液輸入煙氣換熱器(3)，在煙氣換熱器(3)內(nèi)升溫到80-100°C，部分二氧化碳從吸收液中解吸； 4)、解吸后的二氧化碳和吸收液輸入經(jīng)蒸汽吹掃的中空纖維膜接觸器II(4)，進(jìn)一步加熱分離出二氧化碳； 5)、脫除二氧化碳后的吸收液經(jīng)吸收液輸送泵(10)和吸收液過濾器(11)返回吸收液箱(12)，再供中空纖維膜接觸器I使用，實(shí)現(xiàn)吸收液循環(huán)利用； 6)、脫除后含有少量水蒸氣的二氧化碳經(jīng)二氧化碳冷卻器(5)冷凝，進(jìn)入氣液分離器(6)分離出高濃度的二氧化碳，并儲(chǔ)存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，其特征在于:在步驟5)中，脫除二氧化碳后的吸收液首先經(jīng)吸收液換熱器(9)冷卻后輸入吸收液輸送泵(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，其特征在于:在步驟6)中，進(jìn)入氣液分離器(6)分離出高濃度的二氧化碳用真空泵(7)抽吸，進(jìn)行儲(chǔ)存。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，其特征在于:所述中空纖維膜接觸器I由多個(gè)中空纖維膜接觸器串聯(lián)或并聯(lián)形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，其特征在于:所述中空纖維膜接觸器I和中空纖維膜接觸器II (4)內(nèi)的吸收液為單一吸收液甲基二乙醇胺或由乙醇胺和2-氨基-2-甲基-1-丙醇組成的混合吸收液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，其特征在于:所述中空纖維膜接觸器I和中空纖維膜接觸器II (4)內(nèi)的膜材料為表面覆蓋一層薄且致密的可滲透層改性后的聚丙烯或聚四氟乙烯，且為非對(duì)稱疏水性中空纖維膜，膜組件內(nèi)部每根膜絲內(nèi)徑為0.3-0.9mm,外徑為0.4-1.5mm,孔徑為0.1-0.2_ ,孔隙率為40-80%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，其特征在于:在步驟4)中，蒸汽來源于蒸汽發(fā)生器(8)，且溫度為75-85°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中空纖維疏水膜高效脫除煙氣中CO2的方法，將余熱鍋爐的煙氣除塵后進(jìn)入煙氣換熱器降溫；輸入中空纖維膜接觸器Ⅰ中與吸收液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫除二氧化碳后直接排入空氣；反應(yīng)后的吸收液輸入煙氣換熱器升溫，部分二氧化碳從吸收液中解吸；再輸入中空纖維膜接觸器Ⅱ，加熱分離出二氧化碳；脫除二氧化碳后的吸收液返回吸收液箱，循環(huán)利用；脫除后含有少量水蒸氣的二氧化碳經(jīng)二氧化碳冷卻器冷凝，進(jìn)入氣液分離器分離出高濃度的二氧化碳，并儲(chǔ)存。本發(fā)明具有二氧化碳高脫除率，余熱利用充分，節(jié)約能源，再生能耗低，再生的二氧化碳純度高，易放大等顯著優(yōu)點(diǎn),在電廠及其他工業(yè)上有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B01D53/62GK103120886SQ20131002902
公開日2013年5月29日 申請(qǐng)日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者閆云飛, 張力, 張智恩, 鞠順祥, 楊仲卿, 陳艷容, 唐強(qiáng), 冉景煜, 蒲舸 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)