一种基于回收余热的合成气组分膜分离工艺制造技术

一种基于回收余热的合成气组分膜分离工艺，基于H2优先透过膜、CO2优先透过膜、压缩机、涡轮机、泵、换热器、管线实现。合成气与循环气S6混合后进入一级膜分离单元产出较高二氧化碳浓度气体以及高纯度氢气产品。一级膜渗透侧经过压缩以及冷却后进入二级膜分离单元，渗透侧物流经过压缩及冷却后返回，渗余侧作为氢气产品。同时，余热回收部分通过朗肯循环技术将膜分离系统中剩余压缩热进行回收利用。本发明专利技术将压缩后需降温的流股用于驱动朗肯循环发电，充分利用剩余热量，合理搭配优先渗透不同组分的膜组件来发挥膜技术优势，使循环气流量控制在较小范围，氢气及二氧化碳产品均从渗余侧获得，达到较高回收率，能耗远低于传统物理或化学吸收方法。学吸收方法。学吸收方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于回收余热的合成气组分膜分离工艺


[0001]本专利技术属于合成气脱碳、制氢
，具体是一种基于回收余热的合成气组分膜分离工艺，适用于煤制氢气、天然气制氢气及煤气化联合循环发电厂等情况的二氧化碳捕集、氢气提纯工况。

技术介绍

[0002]目前，研究针对传统火力发电的CO2减排方法越来越得到重视。煤炭是一种重要的化石燃料，煤电占全社会发电量约60％。在碳捕集途径方面，从燃煤电厂中捕获CO2有三种潜在可行途径:燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃料燃烧。燃烧后捕集是对原本排放到大气的烟气进行CO2的捕获，但压力接近大气压，需要额外的加压过程，而且CO2浓度比较低，只占据烟气中的10
‑
20％，由此会导致较高的能耗。在富氧燃烧捕集中，使用O2代替空气参与燃烧，可以获得几乎纯的CO2流用于分离，但同样需要高能耗空分装置产生高纯度O2。燃烧前通常在IGCC(煤气化联合循环发电厂)进行，IGCC电厂的优势在于较高的能源生产效率、低污染物排放和高燃料灵活性。在燃烧前捕捉中，由于合成气压力较高，且CO2浓度在40％左右，被认为是最有潜力的电厂碳捕集方式。与从烟道气中分离相比，从该气流中分离CO2更容易且成本更低，所以燃烧前碳捕集被认为是最具前景的碳减排方式。
[0003]目前可选用的几种CO2分离技术可分为，吸收法、吸附法、低温冷凝法与膜分离法。
[0004]对于IGCC燃烧前碳捕集，吸收法的工业化程度较高，可实现90％回收率，但存在工作步骤复杂、再生过程能量消费很大的问题。吸附法分为变温吸附与变压吸附，其中变压吸附广泛应用于炼厂及合成氨企业制氢装置的合成气提纯氢气。对于IGCC合成气脱碳提纯氢气，吸附法虽然具有产物H2纯度高的优点，但回收率普遍较低。虽然增加吸附塔数量会使回收率增加，但由于IGCC电厂的合成气流量通常很高，过大的吸附塔体积和数量会大大增加装置投资费用以及吸附剂的更换费用。低温冷凝法是一种利用不同组分露点实现分离的方法，主要需要经历压缩和冷却两个过程。其中冷却需要额外的制冷装置，且存在能耗高的缺点，且当CO2纯度有较高的要求。
[0005]膜分离技术是近年来新兴起的气体分离方法，具有工艺步骤简单、运行费用低及无环境污染等优点，已逐渐被应用于炼厂气回收、聚烯烃尾气以及天然气脱碳等过程。对于目前应用较广泛的膜聚合物膜材料，由于材料渗透系数与选择性之间的Trade
‑
off效应，难以单独依靠单级膜在碳捕集领域发挥作用。研究者多通过提高膜的分离级数来实现CO2产物同时达到较高纯度与回收率的目的，最常见为二级至四级膜，但过多级数不会大幅度降低系统能耗，也会增加复杂程度，在实际应用中没有价值，目前常通过二级膜完成分离过程。同时，不同膜材料对于不同气体渗透速率是不同的，在膜分离装置中需要借助两侧压力差完成不同组分的分离，渗透侧与进料端存在明显压力差，渗透侧压力常为常压，所以若渗透侧物流存在较高压力需求，则可能导致后续产品压缩能耗较高的问题。所以如何采用高效可靠的设计方法设计出最具竞争力的工艺流程是实现膜工艺碳捕集的关键。
[0006]与吸收工艺原理不同，膜分离系统利用的是进料与渗透侧两端的压力差完成分
离，需要压力驱动装置，如压缩机或真空泵为系统创造压力差，特别是对于目前的膜分离过程，压力比通常在10以上，所以常采用多级压缩。在气体的压缩过程中会使物料升温，会导致过剩的压缩热无法被完全利用，常见的方式是直接通过冷却水或空气进行冷却。目前通过冷却水或空气对压缩后气体进行降温，采用这种公用工程降温方式必然导致了热量的浪费，若能将热量进行回收利用，可进一步降低工艺的能耗和运行费用。综上所述，需要设计一种低能耗、工艺复杂度适中的工艺来满足合成气脱碳、制氢的实际工业需求。

技术实现思路

[0007]为解决上述问题，即现有碳捕集技术能耗高、处理成本高的问题，本专利技术公开了一种带有余热利用的二级膜分离工艺，实现合成气高效、低能耗脱碳，在此工艺中，合理搭配使用了碳膜与氢膜，氢气和二氧化碳均从渗余侧获得。对于系统中的压缩热，本专利技术使用朗肯循环对废热进行了再利用，将废热用于发电，进一步降低了整个系统的能耗。使得工艺具有能耗低、成本低优势。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种基于回收余热的合成气组分膜分离工艺，所述的工艺过程包括膜分离和余热回收两部分，两部分同时进行；
[0010]所述的膜分离过程为：煤气化合成气经过脱硫和脱水后，主要成分是体积分数约60％的氢气和约40％的二氧化碳，作为本专利技术的合成气S1。本专利技术包括膜分离和余热回收两部分。在本专利技术中，合成气S1与循环气S6混合后进入一级膜分离单元1，在膜分离单元1中CO2优先渗透，渗透侧产出一级膜渗透气S3，为较高二氧化碳浓度气体，其中也含有少量H2，渗余侧产出高纯度氢气产品S2，氢气产品S2送出装置。S3依次经过第一压缩机2压缩、第一换热器3冷却后进入二级膜分离单元4，在膜分离单元4中H2优先渗透，渗透侧产出的二级膜渗透气S5，依次经过第二压缩机5压缩及第二换热器6冷却后作为循环气S6，与原料气混合，膜分离单元4渗余侧产出的二级膜渗余气S4为氢气产品送出装置。
[0011]所述的余热回收部分通过朗肯循环技术将膜分离系统中剩余压缩热进行回收利用。具体为：余热回收部分将膜分离工艺中剩余压缩热进行回收利用，液态的低压工质S7经过泵9加压后变为低温高压工质S8，低温高压工质S8分流为两部分：与二级膜渗透侧物流换热的工质S9和与一级膜渗透侧物流换热的工质S10，用于回收膜分离工艺两个压缩过程的两股多余热量。其中S9与物流S5换热并将S9由液态气化为气态，S10与物流S3换热并将S10由液态气化为气态。S9及S10气化后汇合进入膨胀机7降压并对外输出做功，然后进入第三冷却器8将温度降至室温，再次得到液态的低压工质S7，完成循环过程。
[0012]进一步的，通过合理选择氢气优先渗透膜与二氧化碳优先渗透膜，合理控制操作参数，并将压缩过程中的压缩热用于发电，能够进一步降低系统能耗。本专利技术可在现有商业化膜材料基础上实现96％以上CO2纯度及90％以上CO2回收率，能耗降低至1GJ/t以下。
[0013]进一步的，所述的一级膜分离单元1和二级膜分离单元4中的膜可采用平板、螺旋卷式或中空纤维式。针对合成气中组分及现有膜材料性能选择了两种不同类型的膜材料进行工艺设计。一级膜分离单元采用二氧化碳优先透过膜，二级膜采用氢气优先透过膜。
[0014]本专利技术的有益效果为：
[0015]目前应用较多的是吸收法，分为物理吸收(Selexol、Rectisol)和化学吸收(MEA、
MDEA)两大类。在IGCC系统相关的研究中，燃烧前碳捕集通常通过使用物理溶剂来进行，能耗一般1.1
‑
1.3GJ/tCO2。而本专利技术通过对废热进行利用，并合理搭配CO2优先透过膜与H2优先透过膜，产品均从高压渗余侧，尽量减小循环流量，节省运行能耗的同时减少压缩机投资费用，实现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于回收余热的合成气组分膜分离工艺，其特征在于，所述的工艺过程包括膜分离和余热回收两部分，两部分同时进行；所述的膜分离过程为：合成气S1与循环气S6混合后进入一级膜分离单元(1)，在膜分离单元(1)中CO2优先渗透，渗透侧产出一级膜渗透气S3，为较高二氧化碳浓度气体，其中也含有少量H2，渗余侧产出高纯度氢气产品S2，氢气产品S2送出装置；S3依次经过第一压缩机(2)压缩、第一换热器(3)冷却后进入二级膜分离单元(4)，在膜分离单元(4)中H2优先渗透，渗透侧产出的二级膜渗透气S5，依次经过第二压缩机(5)压缩及第二换热器(6)冷却后作为循环气S6，与原料气混合，膜分离单元(4)渗余侧产出的二级膜渗余气S4为氢气产品送出装置；所述的余热回收部分通过朗肯循环技术将膜分离系统中剩余压缩热进行回收利用。2.根据权利要求1所述的一种基于回收余热的合成气组分膜分离工艺，其特征在于，所述的余热回收部...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍军江，倪志强，贺高红，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：