权利要求
1.一种用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，其特征在于包括喷淋塔、制冷机组、除湿转轮、碳捕集转轮，制冷机组出液口与喷淋塔上部进液口之间固定连通有冷却进液管线，喷淋塔底部出液口与制冷机组进液口之间固定连通有回液循环管线，喷淋塔上部出气口与除湿转轮下部进气口之间固定连通有烟气降温管线，除湿转轮下部出气口与碳捕集转轮下部进气口之间固定连通有烟气深度除湿管线，碳捕集转轮下部出气口与碳捕集转轮中部进气口之间固定连通有碳捕集降温管线，碳捕集转轮中部出气口与除湿转轮上部进气口之间固定连通有脱附加热管线，除湿转轮上部出气口固定连通有排气管线，碳捕集转轮上部出气口固定连通有气体压缩管线。
2.根据权利要求1所述的用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，其特征在于还包括多级压缩机、制冷液化装置、CO2储罐和烟气风机，碳捕集转轮上部出气口与多级压缩机顶部进气口之间固定连通有气体压缩管线，多级压缩机底部出口与制冷液化装置顶部进口之间固定连通有CO2输送管线，与制冷液化装置底部出口与CO2储罐顶部进口之间固定连通有CO2储存管线，烟气风机出口与喷淋塔下部进气口之间固定连通有烟气增压管线，烟气风机进口固定连通有烟气进入管线。
3.根据权利要求1或2所述的用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，其特征在于除湿转轮包括转轮和外壳，转轮直径为300mm至500mm，厚度为100mm至500mm，外壳包覆在转轮的外侧，外壳的内部设置有第一吸附区、第一脱附区，第一吸附区与第一脱附区的面积比为3：1，喷淋塔上部出气口与第一吸附区进气口之间固定连通有烟气降温管线。
4.根据权利要求3所述的用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，其特征在于碳捕集转轮包括转轮和外壳，转轮直径为500mm至1000mm，厚度为100mm至500mm，外壳包覆在转轮的外侧，外壳的内部按顺时针方向依次设置有第二吸附区、吹扫区、第二脱附区、冷却区，第二吸附区、吹扫区、第二脱附区、冷却区的面积比为4：1：3：4，第二吸附区出气口与冷却区进气口之间固定连通有碳捕集降温管线，冷却区出气口与第一脱附区进气口之间固定连通有脱附加热管线，第一脱附区出气口固定连通有排气管线。
5.根据权利要求4所述的用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，其特征在于烟气降温管线上固定安装有一级冷却器，碳捕集降温管线上固定安装有二级冷却器，冷却进液管线内的介质依次经过二级冷却器和一级冷却器，制冷机组与二级冷却器之间的冷却进液管线上固定安装有冷却循环水泵。
6.根据权利要求5所述的用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，其特征在于第二脱附区出气口与多级压缩机顶部进气口之间固定连通有气体压缩管线，气体压缩管线上固定安装有脱附循环风机，脱附循环风机和多级压缩机之间的气体压缩管线与第二脱附区进口之间固定连通有循环加热脱附管线，循环加热脱附管线上固定安装有加热器，循环加热脱附管线和多级压缩机之间的气体压缩管线与吹扫区进气口之间固定连通有吹扫进气管线，吹扫区出气口与烟气深度除湿管线之间固定连通有吹扫出气管线。
7.根据权利要求6所述的用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，其特征在于转轮为纤维材料纸张旋转制成的转轮状圆盘，纤维材料为蜂窝状纤维材料，转轮上含有CO2吸附剂，其中，CO2吸附剂为5A、斜发沸石、硅胶、活性炭、MOFs中的一种以上，纤维材料纸张包括陶瓷纤维材料纸张、玻璃纤维材料纸张、
碳纤维材料纸张;或/和，喷淋塔为填料喷淋塔、反应型喷淋塔、多级喷淋塔中的一种;或/和，制冷机组为压缩式制冷机组、磁悬浮制冷机组、吸收式制冷机组、蒸发式制冷机组、激冷式制冷机组、液氮制冷机组中的一种;或/和，脱附循环风机为风冷型耐高温离心风机或水冷型耐高温离心风机;或/和，加热器为电加热器、燃气加热器、蒸汽加热器、热水加热器、导热油加热器中的一种;或/和，多级压缩机为活塞式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、螺旋式压缩机中的一种;或/和，制冷液化装置为压缩式制冷液化装置、吸收式制冷液化装置、混合制冷剂制冷液化装置、热泵式制冷液化装置中的一种;或/和，CO2储罐为碳钢储罐、不锈钢储罐、低温钢储罐、
复合材料储罐、碳纤维储罐中的一种。
8.根据权利要求7所述的用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，其特征在于喷淋塔为多级喷淋塔;或/和，制冷机组为磁悬浮制冷机组;或/和，加热器为导热油加热器;或/和，制冷液化装置为采用R507制冷液的压缩式制冷液化装置;或/和，CO2储罐为不锈钢储罐或低温钢储罐。
9.一种实施根据权利要求1至8中任意一项所述的用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，其特征在于包括下述步骤：
S1，打开烟气风机，烟气经过烟气风机提高压力后输送至喷淋塔下部，打开制冷机组，制冷机组产生的冷却液体依次经过二级冷却器、一级冷却器、喷淋塔，自上而下的冷却液体与烟气逆向接触，烟气经冷却温度后排出，冷却液体自喷淋塔底部回到制冷机组内循环冷却;
S2，自喷淋塔排出的冷却后的烟气，依次经一级冷却器降温除湿、第一吸附区深度除湿、第二吸附区碳捕集、二级冷却器降温、冷却区冷却、第一脱附区加热后，得到符合排放标准的尾气排入大气;
S3，第一吸附区已经吸附饱和的蜂窝纤维材料转动到第一脱附区，第一脱附区内的高温气体对吸附饱和的蜂窝纤维材料进行直接解吸脱附，解吸脱附完的蜂窝纤维材料重新转动到第一吸附区进行深度除湿;
S4，第二吸附区已经吸附饱和的蜂窝纤维材料转动到吹扫区，吹扫区内的高浓度CO2气体将转轮中的死体积排出，然后蜂窝纤维材料再转动到第二脱附区进行循环加热脱附，最后转到冷却区进行冷却后重新恢复碳捕集转轮的碳捕集能力;
S5，第二脱附区循环的高浓度CO2富集气体排出后，先经过多级压缩机增压，再经过制冷液化装置进行深度液化，得到的液态CO2送至CO2储罐储存待用。
10.根据权利要求9所述的实施用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，其特征在于步骤S1中，喷淋塔内冷却液体的温度为-10℃至15℃，烟气中的成分包括体积浓度为6%至17%的CO2、20%至60%的水蒸气、30ppm至200ppm的SOX、30ppm至200ppm的NOX和颗粒物;或/和，步骤S2、S3和S4中，第一吸附区、第二吸附区的吸附温度均为30℃至70℃，第一脱附区、第二脱附区的脱附温度均为100℃至200℃，除湿转轮、碳捕集转轮转动的转速均为3r/h至11r/h，烟气进入第一吸附区和第二吸附区的流速均为0.5m/s至5m/s。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及二氧化碳捕集技术领域，是一种用于烟气中二氧化碳(CO2)捕集的双级转轮吸附装置及方法。
背景技术
[0002]燃烧后从烟气中捕获二氧化碳具有重要意义。溶剂吸收作为最成熟的二氧化碳捕集技术已得到广泛应用。到目前为止，从实验室和中试工厂试验到全球范围内的大型工厂，经过一系列工艺优化，该技术的碳捕集能耗在1.8GJ/t CO2至2.5GJ/t CO2之间。然而，关于能源消耗和其他维护，如溶液降解损失和设备防腐蚀，所产生的超过270元/t CO2的总成本的经济性仍存在争议。作为另一个主要的二氧化碳捕集技术，传统的固定床吸附技术具有坚固耐用、维护少、无腐蚀问题等优点，但碳捕集能耗较高，为1.9GJ/t至3.5GJ/t CO2尽管这两项技术的技术可行性已得到验证，但以降低碳捕集能耗和减少碳足迹这一长期追求的目标从未停止过。
[0003]吸附剂的结构、吸附床和装置作为关键技术因素，应与合适的循环吸附工艺很好地结合，以实现碳捕集工艺的强化。传统的固定床结构最简单，适用于填充颗粒状吸附剂，但存在传热传质阻力大、床层利用率低、压降不理想、变温过程热损失大等问题。为了强化基于吸附法的碳捕集过程，需要全面考虑吸附床中的吸附剂对气体流动、热量管理和二氧化碳富集的影响。
[0004]目前，烟气具有低浓度和大流量的特点，这使得传统的化学吸收液或吸附剂固定床在实际应用中面临设备腐蚀和高压降的问题，导致材料消耗较大、能耗较高。此外，由于吸收或吸附工艺通常是非连续的操作模式，这也会引起内部热量的浪费。尽管国内外对烟气CO2捕集技术进行了大量研究，但高能耗问题始终未能得到有效的解决。
[0005]公开号为CN113975937A的中国专利文献公开了一种烟气中CO2旋转式吸附捕集装置，包括转轮和外壳，所述外壳包覆在所述转轮的外侧，所述外壳内部设置有吸附区、脱附区和冷却区，所述脱附区还连接有自循环热解吸装置用以回收富集气体，所述自循环热解吸装置包括换热器与循环管道设计，所述换热器连接有余热管道用以吸收余热。但是该技术中，一方面，通过转轮吸附区的烟气直接排放至烟囱，然而这部分气体是干燥、纯净、温度较高的，非常适合用于脱附区气体的预热，以及转轮冷却区的吹扫和冷却，其并未合理利用;另一方面，烟气前端处理无喷淋塔的，这会导致烟气温度较高，无法满足转轮碳捕集材料需求。同时，其CO2纯度达到90%以上时需要的脱附温度较高。
[0006]有鉴于此，需研究一种用于烟气中CO2捕集的双级转轮吸附装置及方法以解决上述问题。
发明内容
[0007]本发明提供了一种用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置及方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有传统碳捕集能耗过高以及工艺富集CO2浓度低的问题。
[0008]本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，包括喷淋塔、制冷机组、除湿转轮、碳捕集转轮，制冷机组出液口与喷淋塔上部进液口之间固定连通有冷却进液管线，喷淋塔底部出液口与制冷机组进液口之间固定连通有回液循环管线，喷淋塔上部出气口与除湿转轮下部进气口之间固定连通有烟气降温管线，除湿转轮下部出气口与碳捕集转轮下部进气口之间固定连通有烟气深度除湿管线，碳捕集转轮下部出气口与碳捕集转轮中部进气口之间固定连通有碳捕集降温管线，碳捕集转轮中部出气口与除湿转轮上部进气口之间固定连通有脱附加热管线，除湿转轮上部出气口固定连通有排气管线，碳捕集转轮上部出气口固定连通有气体压缩管线。
[0009]下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：
上述还包括多级压缩机、制冷液化装置、CO2储罐和烟气风机，碳捕集转轮上部出气口与多级压缩机顶部进气口之间固定连通有气体压缩管线，多级压缩机底部出口与制冷液化装置顶部进口之间固定连通有CO2输送管线，与制冷液化装置底部出口与CO2储罐顶部进口之间固定连通有CO2储存管线，烟气风机出口与喷淋塔下部进气口之间固定连通有烟气增压管线，烟气风机进口固定连通有烟气进入管线。
[0010]上述除湿转轮包括转轮和外壳，转轮直径为300mm至500mm，厚度为100mm至500mm，外壳包覆在转轮的外侧，外壳的内部设置有第一吸附区、第一脱附区，第一吸附区与第一脱附区的面积比为3：1，喷淋塔上部出气口与第一吸附区进气口之间固定连通有烟气降温管线。
[0011]上述碳捕集转轮包括转轮和外壳，转轮直径为500mm至1000mm，厚度为100mm至500mm，外壳包覆在转轮的外侧，外壳的内部按顺时针方向依次设置有第二吸附区、吹扫区、第二脱附区、冷却区，第二吸附区、吹扫区、第二脱附区、冷却区的面积比为4：1：3：4，第二吸附区出气口与冷却区进气口之间固定连通有碳捕集降温管线，冷却区出气口与第一脱附区进气口之间固定连通有脱附加热管线，第一脱附区出气口固定连通有排气管线。
[0012]上述烟气降温管线上固定安装有一级冷却器，碳捕集降温管线上固定安装有二级冷却器，冷却进液管线内的介质依次经过二级冷却器和一级冷却器，制冷机组与二级冷却器之间的冷却进液管线上固定安装有冷却循环水泵。
[0013]上述第二脱附区出气口与多级压缩机顶部进气口之间固定连通有气体压缩管线，气体压缩管线上固定安装有脱附循环风机，脱附循环风机和多级压缩机之间的气体压缩管线与第二脱附区进口之间固定连通有循环加热脱附管线，循环加热脱附管线上固定安装有加热器，循环加热脱附管线和多级压缩机之间的气体压缩管线与吹扫区进气口之间固定连通有吹扫进气管线，吹扫区出气口与烟气深度除湿管线之间固定连通有吹扫出气管线。
[0014]上述转轮为纤维材料纸张旋转制成的转轮状圆盘，纤维材料为蜂窝状纤维材料，转轮上含有CO2吸附剂，其中，CO2吸附剂为5A、斜发沸石、硅胶、活性炭、MOFs中的一种以上，纤维材料纸张包括陶瓷纤维材料纸张、玻璃纤维材料纸张、
碳纤维材料纸张。
[0015]上述喷淋塔为填料喷淋塔、反应型喷淋塔、多级喷淋塔中的一种。
[0016]上述喷淋塔为多级喷淋塔。
[0017]上述制冷机组为压缩式制冷机组、磁悬浮制冷机组、吸收式制冷机组、蒸发式制冷机组、激冷式制冷机组、液氮制冷机组中的一种。
[0018]上述制冷机组为磁悬浮制冷机组。
[0019]上述脱附循环风机为风冷型耐高温离心风机或水冷型耐高温离心风机。
[0020]上述加热器为电加热器、燃气加热器、蒸汽加热器、热水加热器、导热油加热器中的一种。
[0021]上述加热器为导热油加热器。
[0022]上述多级压缩机为活塞式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、螺旋式压缩机中的一种。
[0023]上述制冷液化装置为压缩式制冷液化装置、吸收式制冷液化装置、混合制冷剂制冷液化装置、热泵式制冷液化装置中的一种。
[0024]上述制冷液化装置为采用R507制冷液的压缩式制冷液化装置。
[0025]上述CO2储罐为碳钢储罐、不锈钢储罐、低温钢储罐、复合材料储罐、碳纤维储罐中的一种。
[0026]上述CO2储罐为不锈钢储罐或低温钢储罐。
[0027]本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种实施用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，包括下述步骤：
S1，打开烟气风机，烟气经过烟气风机提高压力后输送至喷淋塔下部，打开制冷机组，制冷机组产生的冷却液体依次经过二级冷却器、一级冷却器、喷淋塔，自上而下的冷却液体与烟气逆向接触，烟气经冷却温度后排出，冷却液体自喷淋塔底部回到制冷机组内循环冷却;
S2，自喷淋塔排出的冷却后的烟气，依次经一级冷却器降温除湿、第一吸附区深度除湿、第二吸附区碳捕集、二级冷却器降温、冷却区冷却、第一脱附区加热后，得到符合排放标准的尾气排入大气;
S3，第一吸附区已经吸附饱和的蜂窝纤维材料转动到第一脱附区，第一脱附区内的高温气体对吸附饱和的蜂窝纤维材料进行直接解吸脱附，解吸脱附完的蜂窝纤维材料重新转动到第一吸附区进行深度除湿;
S4，第二吸附区已经吸附饱和的蜂窝纤维材料转动到吹扫区，吹扫区内的高浓度CO2气体将转轮中的死体积排出，然后蜂窝纤维材料再转动到第二脱附区进行循环加热脱附，最后转到冷却区进行冷却后重新恢复碳捕集转轮的碳捕集能力;
S5，第二脱附区循环的高浓度CO2富集气体排出后，先经过多级压缩机增压，再经过制冷液化装置进行深度液化，得到的液态CO2送至CO2储罐储存待用。
[0028]下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：
上述步骤S1中，喷淋塔内冷却液体的温度为-10℃至15℃，烟气中的成分包括体积浓度为6%至17%的CO2、20%至60%的水蒸气、30ppm至200ppm的SOX、30ppm至200ppm的NOX和颗粒物。
[0029]上述步骤S2、S3和S4中，第一吸附区、第二吸附区的吸附温度均为30℃至70℃，第一脱附区、第二脱附区的脱附温度均为100℃至200℃，除湿转轮、碳捕集转轮转动的转速均为3r/h至11r/h，烟气进入第一吸附区和第二吸附区的流速均为0.5m/s至5m/s。
[0030]本发明具有脱附能耗低、气体流通压阻低、工艺连续化、热量回收率高的特点，其提升了富集的CO2浓度，并使得碳捕集转轮后的烟气中CO2浓度较低，可在保证CO2脱除率和富集浓度的同时，实现单位CO2捕集能耗的大幅度下降。
附图说明
[0031]附图1为本发明实施例1的工艺流程示意图。
[0032]附图1中的编码分别为：1为烟气进入管线，2为烟气增压管线，3为回液循环管线，4为冷却进液管线，5为烟气降温管线，6为烟气深度除湿管线，7为碳捕集降温管线，8为脱附加热管线，9为排气管线，10为烟气风机，11为喷淋塔，12为一级冷却器，13为二级冷却器，14为冷却循环水泵，15为制冷机组，16为气体压缩管线，17为循环加热脱附管线，18为吹扫进气管线，19为CO2输送管线，20为除湿转轮，21为第一吸附区，22为第一脱附区，23为碳捕集转轮，24为第二吸附区，25为冷却区，26为第二脱附区，27为吹扫区，28为脱附循环风机，29为加热器，30为多级压缩机，31为制冷液化装置，32为CO2储罐，33为CO2储存管线，34为吹扫出气管线。
具体实施方式
[0033]本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。本发明中所提到各种化学试剂和化学用品如无特殊说明，均为现有技术中公知公用的化学试剂和化学用品。
[0034]下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：如附图1所示，该用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，包括喷淋塔11、制冷机组15、除湿转轮20、碳捕集转轮23，制冷机组15出液口与喷淋塔11上部进液口之间固定连通有冷却进液管线4，喷淋塔11底部出液口与制冷机组15进液口之间固定连通有回液循环管线3，喷淋塔11上部出气口与除湿转轮20下部进气口之间固定连通有烟气降温管线5，除湿转轮20下部出气口与碳捕集转轮23下部进气口之间固定连通有烟气深度除湿管线6，碳捕集转轮23下部出气口与碳捕集转轮23中部进气口之间固定连通有碳捕集降温管线7，碳捕集转轮23中部出气口与除湿转轮20上部进气口之间固定连通有脱附加热管线8，除湿转轮20上部出气口固定连通有排气管线9，碳捕集转轮23上部出气口固定连通有气体压缩管线16。
[0035]实施例2：作为上述实施例的优化，如附图1所示，还包括多级压缩机30、制冷液化装置31、CO2储罐32和烟气风机10，碳捕集转轮23上部出气口与多级压缩机30顶部进气口之间固定连通有气体压缩管线16，多级压缩机30底部出口与制冷液化装置31顶部进口之间固定连通有CO2输送管线19，与制冷液化装置31底部出口与CO2储罐32顶部进口之间固定连通有CO2储存管线33，烟气风机10出口与喷淋塔11下部进气口之间固定连通有烟气增压管线2，烟气风机10进口固定连通有烟气进入管线1。
[0036]根据需要，本发明中烟气风机10采用轴流风机、离心风机、混流风机、背压风机中的一种，优选5kPa至10kPa的离心风机，便于给烟气提供压力来克服后续设备的压阻。
[0037]实施例3：作为上述实施例的优化，如附图1所示，除湿转轮20包括转轮和外壳，转轮直径为300mm至500mm，厚度为100mm至500mm，外壳包覆在转轮的外侧，外壳的内部设置有第一吸附区21、第一脱附区22，第一吸附区21与第一脱附区22的面积比为3：1，喷淋塔11上部出气口与第一吸附区21进气口之间固定连通有烟气降温管线5。
[0038]实施例4：作为上述实施例的优化，如附图1所示，碳捕集转轮23包括转轮和外壳，转轮直径为500mm至1000mm，厚度为100mm至500mm，外壳包覆在转轮的外侧，外壳的内部按顺时针方向依次设置有第二吸附区24、吹扫区27、第二脱附区26、冷却区25，第二吸附区24、吹扫区27、第二脱附区26、冷却区25的面积比为4：1：3：4，第二吸附区24出气口与冷却区25进气口之间固定连通有碳捕集降温管线7，冷却区25出气口与第一脱附区22进气口之间固定连通有脱附加热管线8，第一脱附区22出气口固定连通有排气管线9。
[0039]根据需要，本发明中第一吸附区21主要用于对烟气的深度脱水处理，第一脱附区22的脱附气体采用碳捕集转轮23的冷却区25出口烟气，由于其烟气的极其干燥特性对除湿转轮20中蜂窝纤维材料脱附有促进作用。
[0040]根据需要，本发明中除湿转轮20为碳捕集转轮23提供露点在-20℃以下的干气，这样可以保证第二吸附区24吸附剂可以吸附更多的CO2，且第一脱附区22可以降低富集气的含水量。
[0041]同时，第二吸附区24出口的烟气具有较低的比热容，且含水量极低，作为冷却气对降低富集气CO2浓度的影响极小。
[0042]实施例5：作为上述实施例的优化，如附图1所示，烟气降温管线5上固定安装有一级冷却器12，碳捕集降温管线7上固定安装有二级冷却器13，冷却进液管线4内的介质依次经过二级冷却器13和一级冷却器12，制冷机组15与二级冷却器13之间的冷却进液管线4上固定安装有冷却循环水泵14。
[0043]根据需要，一级冷却器12和二级冷却器13均需要将烟气温度降低至零度以下，便于给碳捕转轮冷却区25提供足够的冷量。一级冷却器12和二级冷却器13采用管壳式换热器、板式换热器、翅片式换热器和螺旋板式换热器、管式换热器中的一种，优选板式换热器。
[0044]实施例6：作为上述实施例的优化，如附图1所示，第二脱附区26出气口与多级压缩机30顶部进气口之间固定连通有气体压缩管线16，气体压缩管线16上固定安装有脱附循环风机28，脱附循环风机28和多级压缩机30之间的气体压缩管线16与第二脱附区26进口之间固定连通有循环加热脱附管线17，循环加热脱附管线17上固定安装有加热器29，循环加热脱附管线17和多级压缩机30之间的气体压缩管线16与吹扫区27进气口之间固定连通有吹扫进气管线18，吹扫区27出气口与烟气深度除湿管线6之间固定连通有吹扫出气管线34。
[0045]根据需要，本发明中的加热器29、脱附循环风机28与第二脱附区26形成循环加热脱附，便于转轮的蜂窝纤维材料所脱附的CO2在循环管路中不断富集成高浓度的产品气。
[0046]同时，吹扫区27的吹扫可以提高第二脱附区26循环管路的CO2富集气浓度。
[0047]实施例7：作为上述实施例的优化，转轮为纤维材料纸张旋转制成的转轮状圆盘，纤维材料为蜂窝状纤维材料，转轮上含有CO2吸附剂，其中，CO2吸附剂为5A、斜发沸石、硅胶、活性炭、MOFs中的一种以上，纤维材料纸张包括陶瓷纤维材料纸张、玻璃纤维材料纸张、碳纤维材料纸张。
[0048]根据需要，本发明中CO2吸附剂可以为多种组合，其能形成孔径的梯度分布，使得吸附剂涂层具备两个优点，一是微孔快速填充的吸附深度，二是大孔逐步捕集CO2的大吸附容量。
[0049]同时，转轮中的蜂窝状纤维材料的蜂窝多孔结构和多种吸附剂组合涂层，进一步降低碳捕集转轮23的脱附温度，最佳脱附温度为120℃至140℃;蜂窝多孔结构降低了烟气压阻，提高了转轮蜂窝吸附剂的传热传质系数，使得转轮在实现快速脱附和吸附的优异特性同时，且多种吸附剂组合涂层有效的降低已吸附CO2的脱附活化能。因此，结构和材料的双重加持，可使碳捕集转轮23脱附温度低于传统颗粒床的脱附温度。
[0050]实施例8：作为上述实施例的优化，如附图1所示，喷淋塔11为填料喷淋塔、反应型喷淋塔、多级喷淋塔中的一种。
[0051]实施例9：作为上述实施例的优化，如附图1所示，喷淋塔11为多级喷淋塔。
[0052]根据需要，本发明中多级喷淋塔采用直接蒸发的方式使得烟气高效冷却至常温，并且冷却液体来自于制冷机组15，制冷机组15内冷却液体可以为工业用水、纯水、乙二醇溶液，且乙二醇溶液可以采用制冷设备冷却至零度以下，能起到更好的降温效果。
[0053]实施例10：作为上述实施例的优化，如附图1所示，制冷机组15为压缩式制冷机组、磁悬浮制冷机组、吸收式制冷机组、蒸发式制冷机组、激冷式制冷机组、液氮制冷机组中的一种。
[0054]实施例11：作为上述实施例的优化，如附图1所示，制冷机组15为磁悬浮制冷机组。
[0055]根据需要，本发明中依次为第二级冷却器13、第一级冷却器12、喷淋塔11提供冷却液体，并实现循环制冷，这进一步扩大了制冷液体的选择。同时，优先选择磁悬浮制冷机组，具有更低的能耗和-5℃以下的制冷温度。
[0056]实施例12：作为上述实施例的优化，如附图1所示，脱附循环风机28为风冷型耐高温离心风机或水冷型耐高温离心风机。
[0057]由于气体需要不断地加热输送至第二脱附区26，因此，采用脱附循环风机28在为循环气体提高足够的动力的同时，也提供较高送风压力，加速转脱附过程。
[0058]根据需要，脱附循环风机28可优选为水冷型耐高温离心风机，且脱附循环风机28进出口需要加上保温。
[0059]实施例13：作为上述实施例的优化，如附图1所示，加热器29为电加热器、燃气加热器、蒸汽加热器、热水加热器、导热油加热器中的一种。
[0060]实施例14：作为上述实施例的优化，如附图1所示，加热器29为导热油加热器。
[0061]根据需要，加热器29的加热温度为120℃至140℃。
[0062]实施例15：作为上述实施例的优化，如附图1所示，多级压缩机30为活塞式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、螺旋式压缩机中的一种。
[0063]根据需要，针对高流量产品气输出，应该选择离心式压缩机;针对低流量产品气输出，应该选择活塞式压缩机;主要作用为降低CO2的液化温度。
[0064]实施例16：作为上述实施例的优化，如附图1所示，制冷液化装置31为压缩式制冷液化装置、吸收式制冷液化装置、混合制冷剂制冷液化装置、热泵式制冷液化装置中的一种。
[0065]实施例17：作为上述实施例的优化，如附图1所示，制冷液化装置31为采用R507制冷液的压缩式制冷液化装置。
[0066]实施例18：作为上述实施例的优化，如附图1所示，CO2储罐32为碳钢储罐、不锈钢储罐、低温钢储罐、复合材料储罐、碳纤维储罐中的一种。
[0067]实施例19：作为上述实施例的优化，如附图1所示，CO2储罐32为不锈钢储罐或低温钢储罐，因为液化后的CO2温度较低，采用不锈钢储罐或低温钢储罐利用存储。
[0068]根据需要，该用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的各管线和设备上，还可根据生产需要，设置有本领域公知公用的常规阀门、温度计和压力表等。
[0069]实施例20：如附图1所示，该实施用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，包括下述步骤：
S1，打开烟气风机10，烟气经过烟气风机10提高压力后输送至喷淋塔11下部，打开制冷机组15，制冷机组15产生的冷却液体依次经过二级冷却器13、一级冷却器12、喷淋塔11，自上而下的冷却液体与烟气逆向接触，烟气经冷却温度后排出，冷却液体自喷淋塔11底部回到制冷机组15内循环冷却;
S2，自喷淋塔11排出的冷却后的烟气，依次经一级冷却器12降温除湿、第一吸附区21深度除湿、第二吸附区24碳捕集、二级冷却器13降温、冷却区25冷却、第一脱附区22加热后，得到符合排放标准的尾气排入大气;
S3，第一吸附区21已经吸附饱和的蜂窝纤维材料转动到第一脱附区22，第一脱附区22内的高温气体对吸附饱和的蜂窝纤维材料进行直接解吸脱附，解吸脱附完的蜂窝纤维材料重新转动到第一吸附区21进行深度除湿;
S4，第二吸附区24已经吸附饱和的蜂窝纤维材料转动到吹扫区27，吹扫区27内的高浓度CO2气体将转轮中的死体积排出，然后蜂窝纤维材料再转动到第二脱附区26进行循环加热脱附，最后转到冷却区25进行冷却后重新恢复碳捕集转轮23的碳捕集能力;
S5，第二脱附区26循环的高浓度CO2富集气体排出后，先经过多级压缩机30增压，再经过制冷液化装置31进行深度液化，得到的液态CO2送至CO2储罐32储存待用。
[0070]实施例21：作为上述实施例的优化，如附图1所示，步骤S1中，喷淋塔11内冷却液体的温度为-10℃至15℃，烟气中的成分包括体积浓度为6%至17%的CO2、20%至60%的水蒸气、30ppm至200ppm的SOX、30ppm至200ppm的NOX和颗粒物。
[0071]实施例22：作为上述实施例的优化，如附图1所示，步骤S2、S3和S4中，第一吸附区21、第二吸附区24的吸附温度均为30℃至70℃，第一脱附区22、第二脱附区26的脱附温度均为100℃至200℃，除湿转轮20、碳捕集转轮23转动的转速均为3r/h至11r/h，烟气进入第一吸附区21和第二吸附区24的流速均为0.5m/s至5m/s。
[0072]本发明的第一目的在于提供一种用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置，烟气由烟气风机10引入，先通过喷淋塔11和冷却器降温除湿，再通过除湿转轮20除湿和碳捕集转轮23碳捕集，最后通过多级压缩机30和制冷液化装置31将高纯度CO2液体输送至CO2储罐32中。
[0073]本发明的第二目的在于提供一种实施用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，其通过设置双级转轮(即除湿转轮20和碳捕集转轮23)，可以实现烟气先进行烟气除湿，再进行碳捕集的过程;本发明中除湿转轮20后的烟气露点较低，从而使得碳捕集转轮23水分吸附较少，提升了富集的CO2浓度;本发明碳捕集转轮23后的烟气CO2浓度较低，这主要是由于碳捕集转轮23内蜂窝状纤维材料的结构上涂敷了CO2高性能吸附材料。
[0074]本发明通过引入双级转轮设计，成功实现了对大流量烟气的连续、高效的二氧化碳捕集处理，CO2脱除率可达到90%以上。同时，结合除湿转轮20和碳捕集转轮23的自循环热脱附，本发明能够产出不低于90%的CO2产品气，用于之后的CO2液化储存。因此，本发明不仅提高了热量回收效率，还显著减少了脱附过程中的热能消耗。
[0075]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明可实现大规模烟气CO2捕集与回收的连续化进行，可显著降低工艺的运行成本，实现CO2的大规模低能耗捕集;
(2)本发明设置了双级转轮(即除湿转轮20和碳捕集转轮23)串联，除湿转轮20可以为碳捕集转轮23提供极低露点的烟气，并且有效降低碳捕集转轮23脱附区富集气体水分含量;
(3)本发明设计喷淋塔11、一级冷却器12、二级冷却器13作为烟气的降温处理，提高了转轮中CO2吸附剂的吸附量，提升了系统CO2脱除率;
(4)本发明在碳捕集转轮23中设置了自循环热解吸装置，使得高温的富集气加热后再次用于脱附，解吸热利用率及回收率高，同时使CO2产品气浓度更高，并实现了比一般转轮吸附技术更低的捕集能耗，其中脱附气流来自部分富集气和部分冷却出口气;
(5)本发明转轮采用的蜂窝纤维材料具备蜂窝多孔结构和多种吸附剂组合涂层，提高了转轮材料传热传质系数、CO2吸附容量，降低了脱附活化能及脱附温度，可实现较低温度120℃至140℃下脱附;
(6)本发明在运行过程中不会产生废物副产品或排放逃逸物质，也不会对环境、健康或安全造成显著风险。
[0076]实施例23：如附图1所示，该实施用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，包括下述步骤：
S1，打开烟气风机10，烟气(主要组成为12%CO2、相对湿度70%、NOx为60ppm、SOx为70ppm，其余为N2和O2)按照700Nm3/h的入口流量经过烟气风机10提高压力后输送至喷淋塔11下部，打开制冷机组15(冷却液体为-10℃的乙二醇溶液)，制冷机组15产生的冷却液体依次经过二级冷却器13、一级冷却器12、喷淋塔11，自上而下的冷却液体与烟气逆向接触，烟气经冷却温度后排出，冷却液体自喷淋塔11底部回到制冷机组15内循环冷却;
S2，自喷淋塔11排出的冷却后的烟气，依次经一级冷却器12降温除湿、第一吸附区21深度除湿、第二吸附区24碳捕集、二级冷却器13降温、冷却区25冷却、第一脱附区22加热后，得到符合排放标准的尾气排入大气，其中，脱碳后的烟气CO2浓度在5000ppm以下;
S3，第一吸附区21已经吸附饱和的蜂窝纤维材料转动到第一脱附区22，第一脱附区22内的高温气体对吸附饱和的蜂窝纤维材料进行直接解吸脱附，解吸脱附完的蜂窝纤维材料重新转动到第一吸附区21进行深度除湿;
S4，第二吸附区24已经吸附饱和的蜂窝纤维材料转动到吹扫区27，吹扫区27内的高浓度CO2气体将转轮中的死体积排出，然后蜂窝纤维材料再转动到第二脱附区26进行循环加热脱附，最后转到冷却区25进行冷却后重新恢复碳捕集转轮23的碳捕集能力，其中，除湿转轮20直径为550mm，厚度300mm，转速设置为6r/h，碳捕集转轮23直径为960mm，厚度500mm，转速设置为6r/h，除湿转轮20和碳捕集转轮23的转轮上的CO2吸附剂为5A、斜发沸石、硅胶的组合，第一脱附区22、第二脱附区26的脱附温度均为120℃，第二脱附区26进行循环加热脱附时循环解吸气流量为250Nm3/h;
S5，第二脱附区26循环的高浓度CO2富集气体排出后，先经过多级压缩机30增压，再经过制冷液化装置31(制冷温度为-25℃)进行深度液化，得到的液态CO2送至CO2储罐32储存待用，其中，第二脱附区26循环排出的高浓度CO2富集气流量为20Nm3/h。
[0077]S4中的死体积是转轮蜂窝孔道中的空隙，里面有原料气，如果不吹扫的话会影响脱附气的浓度。
[0078]实施例24：该实施用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，其他操作步骤与实施例23中所述方法步骤一致，区别在于：步骤S1中，烟气按照300Nm3/h的入口流量进入，烟气中CO2浓度为6%。
[0079]实施例25：该实施用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，其他操作步骤与实施例23中所述方法步骤一致，区别在于：步骤S1中，烟气按照1000Nm3/h的入口流量进入，制冷机组15内冷却液体为5℃的工业用水。
[0080]实施例26：该实施用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，其他操作步骤与实施例23中所述方法步骤一致，区别在于：步骤S4中，第二脱附区26进行循环加热脱附时循环解吸气流量为100Nm3/h。
[0081]实施例27：该实施用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置的方法，其他操作步骤与实施例23中所述方法步骤一致，区别在于：步骤S4中，第二脱附区26进行循环加热脱附时循环解吸气流量为500Nm3/h。
[0082]对比例1：其他操作步骤与实施例23中所述方法步骤一致，区别在于：步骤S2中，用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置中去掉除湿转轮20，即一级冷却器12后直接通入碳捕集转轮23的第二吸附区24。
[0083]实施例23至27以及对比例1处理过程中的烟气中CO2吸附量、回收率、浓度以及能耗进行检测和对比，结果如表1所示。
[0084]表1
[0085]由表1可知，
(1)本发明中除湿转轮20和碳捕集转轮23的蜂窝纤维材料在多次循环后，仍然能保持-20℃露点输送和0.5%以下的CO2排气浓度。
[0086](2)本发明可以实现低浓度CO2富集至90%以上，并且碳捕集能耗不大于1.8GJ/tCO2。
[0087](3)入口流量较高的烟气会略微降低转轮CO2吸附量，这主要是由于转轮的蜂窝纤维材料内吸附剂快速的传热传质系数，减少了吸附穿透时间，但转轮转速过慢，吸附剂在进入脱附区时已经达到吸附饱和状态。
[0088](4)除湿转轮20是本发明中必不可少的装置，缺少除湿转轮20会降低装置CO2的富集浓度。
[0089]综上所述，本发明具有脱附能耗低、气体流通压阻低、工艺连续化、热量回收率高的特点，其提升了富集的CO2浓度，并使得碳捕集转轮后的烟气中CO2浓度较低，可在保证CO2脱除率和富集浓度的同时，实现单位CO2捕集能耗的大幅度下降。
[0090]以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
说明书附图(1)
声明：
“用于烟气中二氧化碳捕集的双级转轮吸附装置及方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：中油（新疆）石油工程有限公司, 北京科技大学, 中国石油工程建设有限公司, 中国石油天然气集团有限公司
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2025年05月08日 ~ 10日 
