用于工業(yè)制氫的超音速碳捕集能量回收裝置及系統(tǒng)
1.本發(fā)明涉及二氧化碳捕集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于工業(yè)制氫的超音速碳捕集能量回收裝置及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
2.化石燃料制氫(煤制氫、天然氣重整制氫、石油制氫)是氫原料氣的主要生產(chǎn)方式，占到氫原料氣總產(chǎn)量的72％-96％，此種制氫方式使得氫原料氣中含有大量二氧化碳雜質(zhì)。為防止二氧化碳的二次排放造成溫室效應(yīng)，同時(shí)對(duì)氫能進(jìn)行有效利用，對(duì)富氫流中的二氧化碳捕集與移除至關(guān)重要。
3.傳統(tǒng)的富氫流碳捕集技術(shù)主要有變壓吸附法、低溫分離法、溶劑吸收法和膜分離法(金屬鈀膜擴(kuò)散法、聚合物膜分離法、多孔無機(jī)膜分離、mof膜分離)，但這些方法均存在一定的缺陷。如，變壓吸附法廣泛用于甲醇裂解與焦?fàn)t煤氣等各類粗氫制備后的純化工藝，其占地面積大，投資成本高。低溫分離法適用于氫含量較低的大規(guī)模氫氣純化工業(yè)，其需要使用壓縮機(jī)持續(xù)供冷，故能量消耗大且溫度控制操作難度大。溶劑吸收法工藝相對(duì)成熟，二氧化碳脫除率高，但吸收溶液有損耗且設(shè)備能耗較高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
4.本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種用于工業(yè)制氫的超音速碳捕集能量回收裝置，有效解決傳統(tǒng)的富氫流碳捕集技術(shù)存在的缺陷。
5.為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
6.一種用于工業(yè)制氫的超音速碳捕集能量回收裝置，包括立式氣液旋流分離器和拉瓦爾噴管，所述立式氣液旋流分離器具有筒體、入口管、位于筒體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣液分離組件、位于筒體上部的氣相出口管和位于筒體底部的液相出口管。
7.所述入口管的出口與旋轉(zhuǎn)氣液分離組件的入口相通，所述氣相出口管的入口與旋轉(zhuǎn)氣液分離組件的出氣口相通。
8.所述拉瓦爾噴管的出口與所述入口管的入口相連接，所述入口管的出口設(shè)置有用于能量回收的葉輪。
9.所述旋轉(zhuǎn)氣液分離組件的下方設(shè)置有制冷盤管，所述制冷盤管接入制冷循環(huán)系統(tǒng)。
10.進(jìn)一步地，所述葉輪上設(shè)有葉輪軸，所述葉輪軸穿過所述筒體，并在葉輪軸的端部連接有發(fā)電機(jī)。
11.進(jìn)一步地，所述制冷循環(huán)系統(tǒng)是丙烷制冷循環(huán)系統(tǒng)，包括依次相連的壓縮機(jī)、換熱器和膨脹閥，所述膨脹閥的出氣管與制冷盤管的進(jìn)氣口相連，所述制冷盤管的出氣口與壓縮機(jī)的回氣管相連。
12.進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)氣液分離組件包括立式圓筒形的內(nèi)筒和位于內(nèi)筒的外側(cè)壁與筒體的內(nèi)側(cè)壁之間的環(huán)形空間內(nèi)的螺旋板，所述螺旋板的一側(cè)與內(nèi)筒的外側(cè)壁相連接，所
述內(nèi)筒的頂部向外周延伸至與筒體的內(nèi)側(cè)壁相接。
13.進(jìn)一步地，所述內(nèi)筒的頂部的左右兩部分具有高度差，其中，較高處與較低處之間形成一個(gè)弧面，所述弧面的兩個(gè)側(cè)邊分別向外側(cè)垂直延伸至與筒體的內(nèi)側(cè)壁相接，所述弧面與所述入口管的出口相對(duì)；較低處是螺旋板的螺旋起始部位，并且較低處的頂端位于所述氣相出口管的入口的下方。
14.進(jìn)一步地，所述發(fā)電機(jī)與所述制冷循環(huán)系統(tǒng)相連，為制冷循環(huán)系統(tǒng)提供電能。
15.進(jìn)一步地，所述液相出口管連接有用于收集冷凝二氧化碳的收集瓶。
16.本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種用于工業(yè)制氫的超音速能量回收碳捕集系統(tǒng)，有效解決傳統(tǒng)的富氫流碳捕集技術(shù)存在的缺陷。
17.一種用于工業(yè)制氫的超音速能量回收碳捕集系統(tǒng)，包括以上實(shí)施例所述的用于工業(yè)制氫的超音速碳捕集能量回收裝置和二級(jí)碳捕集系統(tǒng)，所述氣相出口管與二級(jí)碳捕集系統(tǒng)的入口相連。
18.進(jìn)一步地，所述二級(jí)碳捕集系統(tǒng)是醇胺溶劑吸收碳捕集系統(tǒng)。
19.本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：
20.(1)利用拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)、能量回收葉輪與立式氣液旋流分離器配合使用構(gòu)建超音速碳捕集能量回收裝置，既有效回收超音速氣流的動(dòng)能，提高能源利用率；又實(shí)現(xiàn)了氫原料氣的碳捕集。此外，超音速碳捕集能量回收裝置相比于傳統(tǒng)氫原料氣的碳捕集裝置，具有結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單、設(shè)備體積和投資小、處理量大、無溶劑損失的優(yōu)勢(shì)。
21.(2)將超音速碳捕集能量回收裝置與傳統(tǒng)醇胺溶劑吸收碳捕集系統(tǒng)配合使用，在實(shí)現(xiàn)氫原料氣中二氧化碳完全脫除的同時(shí)，有效降低能耗，節(jié)約單一醇胺溶劑吸收法至少50％的溶劑損失。
附圖說明
22.下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地說明。
23.圖1是本發(fā)明超音速碳捕集能量回收裝置的剖視圖(圖中實(shí)心箭頭指示氣相和液相的流動(dòng)方向)。
24.圖2是本發(fā)明超音速碳捕集能量回收裝置的透視圖。
25.圖3是本發(fā)明超音速能量回收碳捕集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
26.如圖1和圖2所示，一種用于工業(yè)制氫的超音速碳捕集能量回收裝置，包括立式氣液旋流分離器1、拉瓦爾噴管2和用于能量回收的葉輪3。
27.所述立式氣液旋流分離器1具有筒體11、頂板12、底板13、入口管14、位于筒體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣液分離組件、位于筒體上部的氣相出口管15和位于筒體底部的液相出口管16。所述入口管14的出口與旋轉(zhuǎn)氣液分離組件的入口相通，所述氣相出口管15的入口與旋轉(zhuǎn)氣液分離組件的出氣口相通。
28.所述旋轉(zhuǎn)氣液分離組件包括立式圓筒形的內(nèi)筒17和位于內(nèi)筒的外側(cè)壁與筒體的內(nèi)側(cè)壁之間的環(huán)形空間內(nèi)的螺旋板18。筒體11的內(nèi)側(cè)壁、內(nèi)筒17的外側(cè)壁及上下相鄰兩圈螺旋板18之間形成螺旋通道。所述內(nèi)筒17上下開口，所述螺旋板18的一側(cè)與內(nèi)筒17的外側(cè)
壁相連接，所述內(nèi)筒17的頂部向外周延伸至與筒體11的內(nèi)側(cè)壁相接。所述內(nèi)筒17的頂部的左右兩部分具有高度差，如圖1中a點(diǎn)和b點(diǎn)所示，其中，較高處a與較低處b之間形成一個(gè)弧面19，所述弧面19的兩個(gè)側(cè)邊分別向外側(cè)垂直延伸至與筒體11的內(nèi)側(cè)壁相接，所述弧面19與所述入口管14的出口相對(duì)。較低處b是螺旋板18的螺旋起始部位，并且較低處b的頂端位于所述氣相出口管15的入口的下方。
29.所述拉瓦爾噴管2的出口與所述入口管14的入口相連接。如圖1所示，拉瓦爾噴管2的前部由大變小向中間收縮至一個(gè)窄喉，窄喉之后再由小變大向外擴(kuò)張至噴管的尾部。氫原料氣從井口出來后自帶壓力可達(dá)3-6mpa，自井口出來的氫原料氣受高壓流入拉瓦爾噴管2，先收縮后膨脹，膨脹過程出現(xiàn)非平衡凝結(jié)。氣流的速度也因噴截面積的變化而變化，使氣流從亞音速到音速，直至加速至超音速。自拉瓦爾噴管2進(jìn)入入口管14的氫原料氣，經(jīng)過上述變化過程后，氫原料氣的溫度可達(dá)-70℃。
30.為了控制激波，防止氫原料氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，保證進(jìn)入立式氣液旋流分離器1的氫原料氣保持低溫，在入口管14的出口處設(shè)置用于能量回收的葉輪3，進(jìn)一步地，葉輪3上設(shè)有葉輪軸31，所述葉輪軸31穿過立式氣液旋流分離器的筒體11。優(yōu)選的，葉輪軸31的端部連接發(fā)電機(jī)9。通過氫原料氣的動(dòng)能推動(dòng)葉輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)9發(fā)電，將氫原料氣的動(dòng)能回收后轉(zhuǎn)換成電能。
31.由于二氧化碳的凝點(diǎn)是-60℃，因此，進(jìn)入立式氣液旋流分離器1的氫原料氣中的二氧化碳凝結(jié)為液體。氣液混合物繼續(xù)沿著螺旋通道向下運(yùn)動(dòng)，為了保證立式氣液旋流分離器內(nèi)持續(xù)低溫，在所述內(nèi)筒17的下方設(shè)置有制冷盤管4，所述制冷盤管4接入制冷循環(huán)系統(tǒng)。
32.進(jìn)一步的，所述發(fā)電機(jī)與所述制冷循環(huán)系統(tǒng)相連，為制冷循環(huán)系統(tǒng)提供電能。從而，將氫原料氣的動(dòng)能回收，轉(zhuǎn)換成電能再利用，提高了能源利用率。
33.優(yōu)選的，所述制冷循環(huán)系統(tǒng)是丙烷制冷循環(huán)系統(tǒng)，如圖3所示，包括依次相連的壓縮機(jī)5、換熱器6和膨脹閥7，所述膨脹閥7的出氣管與制冷盤管4的進(jìn)氣口相連，所述制冷盤管4的出氣口與壓縮機(jī)5的回氣管相連。
34.如圖1所示，所述氫原料氣經(jīng)拉瓦爾噴管2進(jìn)入立式氣液旋流分離器1后，氣液混合物沿螺旋通道向下運(yùn)動(dòng)，凝結(jié)的二氧化碳受重力與離心力的作用移動(dòng)至壁面，并從液相出口管16排出。優(yōu)選的，在液相出口管16處設(shè)置收集瓶8，用于收集冷凝二氧化碳。初步脫除二氧化碳后的氫原料氣沿內(nèi)筒17的內(nèi)部向上運(yùn)動(dòng)至氣相出口管15，進(jìn)入下一級(jí)純化流程。
35.利用拉瓦爾噴管2結(jié)構(gòu)、能量回收葉輪3與立式氣液旋流分離器1配合使用構(gòu)建的超音速碳捕集能量回收裝置，相比于傳統(tǒng)單一的拉瓦爾噴管，具有壓力回收的能力，可有效解決拉瓦爾噴管壓力損失過大的問題。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)氫原料氣的碳捕集。相比于傳統(tǒng)的富氫流碳捕集技術(shù)，本發(fā)明提供的超音速碳捕集能量回收裝置，高度僅有2-3米，寬度僅40-50厘米，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備體積和投資小，并且操作簡(jiǎn)單、處理量大、無溶劑損失。
36.如圖3所示，本發(fā)明還提供了一種用于工業(yè)制氫的超音速能量回收碳捕集系統(tǒng)，包括上述實(shí)施例所述的用于工業(yè)制氫的超音速碳捕集能量回收裝置和二級(jí)碳捕集系統(tǒng)，所述氣相出口管連接二級(jí)碳捕集系統(tǒng)的入口。優(yōu)選的，所述二級(jí)碳捕集系統(tǒng)是醇胺溶劑吸收碳捕集系統(tǒng)。由于醇胺溶劑吸收碳捕集系統(tǒng)是現(xiàn)有的較成熟的碳捕集技術(shù)，因此，其具體的結(jié)構(gòu)設(shè)置及工作原理在此不做贅述。將超音速碳捕集能量回收裝置和醇胺溶劑吸收碳捕集系
統(tǒng)結(jié)合形成級(jí)聯(lián)式的碳捕集系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的單一碳捕集方式，使二氧化碳完全脫除的同時(shí)，有效降低能耗，減少單一醇胺溶劑吸收法至少50％的溶劑損失。
37.本發(fā)明的工作原理是：(1)含二氧化碳雜質(zhì)氣體的氫原料氣由拉瓦爾噴管2的入口進(jìn)入超音速碳捕集能量回收裝置，首先，經(jīng)過拉瓦爾噴管2使氣體達(dá)到超音速狀態(tài)，溫度下降至-70℃，氫原料氣中的二氧化碳在低溫條件下凝結(jié)為液滴。隨后氣液混合物從入口管14進(jìn)入立式氣液旋流分離器1，超音速氣流推動(dòng)葉輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于超音速狀態(tài)下氫原料氣動(dòng)能的回收。通過葉輪3轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。之后，氣液混合物繼續(xù)沿螺旋通道向下運(yùn)動(dòng)，在內(nèi)筒17下方的制冷盤管4，為筒體11內(nèi)提供低溫支持，實(shí)現(xiàn)大部分二氧化碳的冷凝。凝結(jié)的二氧化碳受重力與離心力作用移動(dòng)至壁面，并從液相出口管16排出，進(jìn)入收集瓶8。(2)脫碳后的氣體向上運(yùn)動(dòng)至氣相出口管15排出，進(jìn)入下一級(jí)醇胺溶劑吸收碳捕集系統(tǒng)，經(jīng)過醇胺法脫酸循環(huán)，徹底脫除二氧化碳。
38.本發(fā)明相較于傳統(tǒng)的富氫流碳捕集技術(shù)，超音速碳捕集能量回收裝置具有結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單、設(shè)備體積和投資小、處理量大、無溶劑損失的優(yōu)勢(shì)。其與醇胺溶劑吸收碳捕集系統(tǒng)結(jié)合組成的級(jí)聯(lián)式碳捕集系統(tǒng)，在二氧化碳完全脫除的同時(shí)，有效降低能耗。
39.本發(fā)明中未述及的部分采用或借鑒現(xiàn)有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。
40.當(dāng)然，上述說明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
