一种高效利用吸附剂的二氧化碳回收VPSA系统的制作方法

一种高效利用吸附剂的二氧化碳回收vpsa系统
技术领域
1.本实用新型涉及二氧化碳回收技术领域，具体涉及一种高效利用吸附剂二氧化碳回收 vpsa系统。


背景技术：

2.科技突飞猛进的发展大大提升了人类的生活质量，城市化、全球化迅速扩张，这一切将推动着巨额的能源消费。由此，也导致了无节制地向大气排放二氧化碳等温室气体，导致全球气候变暖，对地球生态环境产生了深远的负面影响，也相应地产生了大量的工业污染、废气等。植被被大量的破坏，生态平衡被打破。能源专家预测，到2030年全球二氧化碳的排放量可能超过380亿吨，由此引发的温室效应将严重威胁人类的生存。
3.二氧化碳有其危害性的一面，但也有其有益的一面。随着科学技术的发展，其利用价值和使用范围正迅速扩大，变废为宝的二氧化碳利用新途径正在受到人们越来越多的关注，目前，在民用行业中，国内市场上食品级二氧化碳(纯度大于99.9％)约1000元一吨；在无机化工行业中，二氧化碳是一种重要的原料；在有机化工行业中，二氧化碳可作为新的碳源，生产一系列有机化工产品。据统计，我国对二氧化碳需求量随着社会发展现在越来越大了，从以前每年的几万吨，到目前每年约四，五百万吨，而且应用领域正在迅速扩大。
4.真空变压吸附(vpsa)技术用于回收二氧化碳，具有投资少、能耗低、设备简单、操作灵活等优点，采用活性炭、硅胶、13x沸石分子筛、高硅分子筛、碳分子筛等吸附剂用于二氧化碳吸附剂材料。但目前的真空变压吸附通常采用两组吸附塔轮流吸附和抽真空再生，两组吸附塔交替重复吸附和再生，实现连续回收二氧化碳，往往工作效率还是不高，吸附剂利用率只有40％。
5.cn88105938.2提供了一种从各种富含二氧化碳混合气中提取二氧化碳的变压吸附方法。二氧化碳作为产品从解吸阶段获得，过程中利用部分产品气回流到塔中去置换，以进一步提高塔内二氧化碳浓度。为了提高二氧化碳的提取率，将顺向减压和置换后的排出气作为原料加以回收。该方法流程复杂，装置能耗高，在均压步序时只能靠吸附塔本身的压力进行均压，当均压到后期时两塔之间压差变小，吸附塔之间的气体流动速度将变慢，导致均压速度变慢，且不能完全实现在均压时对吸附塔内剩余气体的回收，同时，三塔工艺只有一塔吸附，不能充分提高吸附剂的利用效率。


技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本实用新型提供了一种高效利用吸附剂的二氧化碳回收vpsa系统。该系统设置了两个真空缓冲罐和真空泵，对多个吸附塔轮流均压和抽真空解析，回收吸附剂中吸附的二氧化碳。
7.为了实现实用新型目的，本实用新型采用的技术方案是：
8.一种高效利用吸附剂的二氧化碳回收vpsa系统，包括进风管、排风管、均压管、真空管一、真空管二、真空泵一、真空泵二和至少3个吸附塔，所述吸附塔分别通过程控阀一连
接所述进风管，所述吸附塔分别通过程控阀二连接所述排风管，所述吸附塔分别通过程控阀三连接所述均压管，所述吸附塔分别通过程控阀四连接所述真空管一，所述真空管一的出风口连接所述真空泵一，所述真空管一连通所述真空管二，所述真空管二的出风口连接所述真空泵二，所述真空泵二的出风口连接产品缓冲罐；所述真空管一上设置有真空缓冲罐一，所述真空管二上设置有真空缓冲罐二，所述排风管上设置有压力缓冲罐。
9.本实用新型所述真空缓冲罐一串联在所述真空管一上，所述真空缓冲罐二通过分管连接所述真空管二，所述分管上设置有程控阀七。
10.本实用新型所述真空缓冲罐一和真空缓冲罐二的体积是所述吸附塔体积的至少两倍。真空缓冲罐与吸附塔的体积比越大，均压的时间就会越短。
11.本实用新型所述排风管上设置有调节阀。
12.本实用新型所述吸附塔的数量为3-8台。同时间只有一塔处于抽真空解吸状态，其余塔均为吸附状态。
13.本实用新型的有益效果在于：
14.1、本系统通过均压管将各吸附塔连通，通过真空管将各吸附塔与真空泵连通，使吸附塔一(压力为50kpa)与完成抽真空解析的吸附塔二(压力为-50kpa)连通，同时吸附塔二与正在抽真空的真空管连通，利用吸附塔与真空管之间的高压差对吸附塔进行快速充分的冲洗，使均压后的塔内气压平衡，可将正负50kpa的吸附塔气压在数秒内快速均压至接近0kpa，以快速达到对吸附塔一内剩余气体的回收和吸附塔二的杂质冲洗，从而提高装置的生产效率。
15.2、本系统设置两个真空泵，吸附塔内有混合气体的时候由真空泵一抽出排放，塔内压力为负压时，真空泵二抽出的是吸附剂中的二氧化碳，保障回收的co2浓度。由于两个真空泵在整个系统中一直处于运行状态，需要增加真空缓冲罐来调节负荷，当两根真空管上的程控阀在不同时间处于关闭的时候，两个真空泵不至于低负荷运行，保障了设备运行的稳定；同时，通过设置真空缓冲罐，使抽真空开始时的吸附塔压力起点足够低，从而降低真空泵入口压力的波动，提高真空泵运转效率，降低装置能耗。
附图说明
16.图1为实施例4的三塔二氧化碳回收vpsa系统的结构图。
17.图2为实施例5的三塔二氧化碳回收vpsa系统的结构图。
18.图3为实施例6的四塔二氧化碳回收vpsa系统的结构图。
19.图4为实施例7的五塔二氧化碳回收vpsa系统的结构图。
20.图5为实施例8的六塔二氧化碳回收vpsa系统的结构图。
21.图6为实施例9的七塔二氧化碳回收vpsa系统的结构图。
22.图7为实施例10的八塔二氧化碳回收vpsa系统的结构图。
23.附图标记为：t1～t8：吸附塔1～吸附塔8；a1～a7：程控阀一～程控阀七；v1：压力缓冲罐；v2：真空缓冲罐一；v3：真空缓冲罐二；v4：产品缓冲罐；p1：真空泵一；p2：真空泵二；l1：进风管；l2：排风管；l3：均压管；l4：真空管一；l5：真空管二；pv01：调节阀。
具体实施方式
24.为了更加清楚、详细地说明本实用新型的目的技术方案，下面通过相关实施例对本实用新型进行进一步描述。以下实施例仅为具体说明本实用新型的实施方法，并不限定本实用新型的保护范围。
25.实施例1
26.如图1-7所示，一种高效利用吸附剂的二氧化碳回收vpsa系统，包括进风管l1、排风管l2、均压管l3、真空管一l4、真空管二l5、真空泵一p1、真空泵二p2和至少3个吸附塔，所述吸附塔分别通过程控阀一a1连接所述进风管l1，所述吸附塔分别通过程控阀二a2 连接所述排风管l2，所述吸附塔分别通过程控阀三a3连接所述均压管l3，所述吸附塔分别通过程控阀四a4连接所述真空管一l4，所述真空管一l4的出风口连接所述真空泵一p1，所述真空管一l4连通所述真空管二l5，所述真空管二l5的出风口连接所述真空泵二p2，所述真空泵二p2的出风口连接产品缓冲罐v4；所述真空管一l4上设置有真空缓冲罐一v2，所述真空管二l5上设置有真空缓冲罐二v3，所述排风管l2上设置有压力缓冲罐v1。
27.本系统的工作原理，各个吸附塔顺序循环处于吸附、一次均压降、二次均压降、三次均压降/抽真空解吸和冲洗升压的状态，单个吸附塔的一个循环周期具体为：
28.a、吸附(a)：将二氧化碳混合气送入吸附塔，吸附塔内的二氧化碳吸附剂吸附气体中的二氧化碳，排放吸附处理后的气体；
29.b、一次均压降(ed1)：吸附塔完成吸附后，停止进气，将本吸附塔剩余气体放入抽真空解吸完成后进入冲洗升压的吸附塔；
30.c、二次均压降(ed2)：吸附塔与真空缓冲罐一连通进行二次均压，真空泵一抽出吸附塔内残余气体并排放；
31.d、三次均压降/抽真空解吸(ed3/v)：真空缓冲罐二和吸附塔内压力快速均压，真空泵二对吸附塔继续抽真空，解吸回收吸附剂中吸附的二氧化碳；
32.e、冲洗升压(er)：本吸附塔回收处于一次均压降的吸附塔内剩余气体。
33.系统的真空泵一和真空泵二始终保持开启状态，通过多个程控阀一的控制，使各个吸附塔轮流在吸附状态时与进风管连通，通过多个程控阀四、程控阀五和程控阀六的联合控制，使各个吸附塔轮流在二次均压降和冲压升压状态时与真空泵一连通，在三次均压降/抽真空解析时与真空泵二连通。
34.所述二氧化碳吸附剂可采用无定型焦炭、活性炭、硅胶、氧化铝、碳分子筛和高硅分子筛等常规吸附剂。
35.本实用新型中的程控阀为气动/液动蝶阀，具体规格型号由装置规模和用户需求选定。
36.实施例2
37.本实施例在实施例1的基础上：
38.所述排风管l2上设置有调节阀pv01，保证vpsa系统压力平衡，通过后端调节阀pv01 调节开度，可以保证系统压力的稳定。
39.调节阀可采用气动/液动调节阀，具体规格型号由装置规模和用户需求选定。
40.实施例3
41.本实施例在实施例1的基础上：
42.如图2-7所示，所述真空缓冲罐一v2串联在所述真空管一l4上，所述真空缓冲罐二v3 通过分管连接所述真空管二l5，所述分管上设置有程控阀七。
43.所述真空缓冲罐一v2和真空缓冲罐二v3的体积是所述吸附塔体积的至少2倍。
44.处于冲洗升压状态时，真空管二道上的程控阀关闭，真空管一上的程控阀打开，吸附塔通过与真空管一的压力差，快速回收一次均压降的吸附塔内剩余气体，使一次均压降和冲洗升压降耗时在5s以内；使二次均压降时吸附塔的压力能快速降低至负压，并使抽真空开始时的吸附塔压力起点足够低，从而降低真空泵入口压力的波动，提高真空泵运转效率。使二次均压降和三次均压降耗时也在5s以内。
45.将真空缓冲罐二v3通过分管连接真空管二l5，便于在真空解析的初始，程控阀七a7 打开真空缓冲罐二v3与吸附塔能迅速完成均压，从而降低真空泵入口压力的波动，提高真空泵运转效率，均压完成后，立即关闭程控阀七a7，真空泵二对吸附塔直接抽真空，不经过大体积的真空缓冲罐二v3，有助于尽快完成对二氧化碳的回收，提高工作效率，并且对吸附剂的解析更彻底。
46.实施例4
47.表1为本实用新型co2回收vpsa系统的3塔工艺程序时序表，结构图见图1。
48.时间段t1t2t3t1t2t3t1t2t3步序123456789t1aaaaaed1ed2ed3/vert2ed2ed3/veraaaaaedt3aaed1ed2ed3/veraaaa5onoffononoffononoffona6offonoffoffonoffoffonoff
49.t1:二次均压降时间；t2:三次均压降/抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升压时间；通过对 t1/t2/t3时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为3，将所述回收co2周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的9个阶段。
50.每个回收co2周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、ed3/v、er；其中a分配有5个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，ed3/v为t2时间，ed1/er为 t3时间。
51.在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有2塔吸附，一个塔抽真空，吸附和解析时间有数十秒，而每次均压时间都只有1～5s，也就是说，几乎所有时间都是2个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，吸附时间占比55％，即分子筛的利用率达55％。
52.本系统设计的一次均压降(ed1)：打开吸附完成后的吸附塔t1(压力为50kpa)的程控阀三、打开抽真空解析完成后的吸附塔t2(压力为-50kpa)的程控阀三，打开吸附塔t2的程控阀四,打开连接真空管一的程控阀五，通过真空管一的压差来加速塔间的均压，控制吸附塔t2的程控阀四开度时间，将一次均压降后吸附塔t1压力控制在0～5kpa；吸附塔t2通过回收吸附塔t1的气体将压力从-50kpa升到-5～0kpa，在吸附塔t1完成一次均压降的同时，吸附塔t2完成了冲洗升压的过程。
53.本系统设计的二次均压降(ed2)：吸附塔t1在一次均压降结束后压力为0～5kpa，真空缓冲罐v2在抽真空后的压力已经降到-20～-15kpa，当系统进入ed2状态时，真空缓冲
罐一入口程控阀五打开，吸附塔的程控阀四打开，这时吸附塔、真空缓冲罐一及真空泵一通过真空管线连通，吸附塔内的气体会因为压力差，并且真空缓冲罐一体积是吸附塔体积的至少两倍，一部分气体被快速均压到真空缓冲罐一，一部分气体被真空泵一抽走；待真空缓冲罐一和吸附塔压力达到-10～-5kpa，关闭真空缓冲罐一的程控阀五；此时吸附塔已经压力降低至负压，吸附塔中已经没有残留气体，做好了回收co2的准备。
54.本系统设计的三次均压降/抽真空解析(ed3/v)：打开程控阀六，对吸附塔抽真空，真空缓冲罐二和吸附塔压力快速均压，压力降至-40～-35kpa，真空泵二持续对吸附塔抽真空，吸附塔和真空缓冲罐二压力均降至-50～-45kpa，实现回收吸附塔内吸附剂中吸附的co2。
55.由于真空泵二抽真空结束时，真空缓冲罐二串联在管线上，真空泵二将会持续对真空缓冲罐二抽在真空，使真空管二的压力达到-50～-45kpa，才能完成对吸附塔内的抽真空步骤，这样会使系统压力持续降低，对设备和真空缓冲罐二要求就更高了。
56.如果真空管二通过分管连接真空缓冲罐二，真空缓冲罐二在t2开始阶段和吸附塔均压，存储了一部分均压过来的co2，压力平衡后再关闭分管上的程控阀，真空泵二就可以不经过真空缓冲罐二直接对吸附塔抽真空，而在抽真空结束的t1和t3段开启分管上的程控阀a7，使真空泵二对真空缓冲罐二抽真空，而不是对整个系统抽真空，这样更节约功耗，有利于降低成本，同时也可见降低对设备的要求。
57.实施例5
58.表2为本实用新型co2回收vpsa系统的3塔工艺程序时序表，结构图见图2。
[0059][0060]
t1:二次均压降时间；t2:三次均压降/抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升压时间；通过对 t1/t2/t3时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为3，将所述回收co2周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的9个阶段。
[0061]
每个回收co2周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、ed3/v、er；其中a分配有5个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，ed3/v为t2时间，ed1/er为 t3时间。
[0062]
在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有2塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，几乎所有时间都是2个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，吸附时间占比55％，即分子筛的利用率达55％，二氧化碳产品气浓度为99.5％。
为t3时间。
[0072]
本实施例的工艺控制原理同实施例5，在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有3塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，几乎所有时间都是3 个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，吸附时间占比66％，分子筛的利用率达66％，二氧化碳产品气浓度为99.5％。
[0073]
实施例7
[0074]
表3为本实用新型co2回收vpsa系统的5塔工艺程序时序表，结构图见图4。
[0075][0076]
t1:二次均压降时间；t2:三次均压降/抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升通过对t1/t2/t3 时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为5，将所述回收co2 周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的15个阶段。
[0077]
每个回收co2周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、ed3/v、er；其中a分配有11个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，ed3/v为t2时间，ed1/er为t3时间。
[0078]
本实施例的工艺控制原理同实施例5，在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有4塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，几乎所有时间都是4 个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，吸附时间占比73％，分子筛的利用率达73％，二氧化碳产品气浓度为99.8％。
[0079]
实施例8
[0080]
表4为本实用新型co2回收vpsa系统的6塔工艺程序时序表，结构图见图5。
[0081][0082]
t1:二次均压降时间；t2:三次均压降/抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升通过对t1/t2/t3 时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为6，将所述回收co2 周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的18个阶段。
[0083]
每个回收co2周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、ed3/v、er；其中a分配有14个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间，
ed3/v 为t2时间，ed1/er为t3时间。
[0084]
本实施例的工艺控制原理同实施例5，在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有5塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，几乎所有时间都是5 个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，吸附时间占比77％，分子筛的利用率达77％，二氧化碳产品气浓度为99.6％。
[0085]
实施例9
[0086]
表5为本实用新型co2回收vpsa系统的7塔工艺程序时序表，结构图见图6。
[0087][0088]
t1:二次均压降时间；t2:三次均压降/抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升通过对t1/t2/t3 时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个数为7，将所述回收co2 周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的21个阶段。
[0089]
每个回收co2周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、ed3/v、er；其中a分配有17个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1时间， ed3/v为t2时间，ed1/er为t3时间。
[0090]
本实施例的工艺控制原理同实施例5，在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有6塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，几乎所有时间都是6 个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，吸附时间占比80％，分子筛的利用率达80％，二氧化碳产品气浓度为99.8％。
[0091]
实施例10
[0092]
表6为本实用新型co2回收vpsa系统的8塔工艺程序时序表，结构图见图7。
[0093][0094]
t1:二次均压降时间；t2:三次均压降/抽真空时间；t3:一次均压降/冲洗升压时间；通过对 t1/t2/t3时间的设置，可以使各个步序在该状态时达到最优状态。吸附塔的个
数为7，将所述回收co2周期的步骤依序划分为t1/t2/t3循环的24个阶段。
[0095]
每个回收co2周期的吸附塔包含五种循环状态，分别为：a、ed1、ed2、ed3/v、er；其中a分配有21个时间段，为t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2/t3/t1/t2，ed2为t1 时间，ed3/v为t2时间，ed1/er为t3时间。
[0096]
本实施例的工艺控制原理同实施例5，在除去吸附塔的均压时间外，在其它时间都是同时有7塔吸附一个塔抽真空，且每次均压时间都只有1～5s，也就是说，几乎所有时间都是7 个塔在同时吸附，仅一塔在抽真空，吸附时间占比83％，分子筛的利用率达83％，二氧化碳产品气浓度为99.8％。
[0097]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。