技术领域
[0001] 本
发明将富含二氧化碳的原料气通过为压缩、冷却方式分离出二氧化碳，属于制冷与低温技术领域。
背景技术
[0002] 快速的工业发展
进程给人们带来便捷生活的同时，也给人们带来巨大的环境问题，据美国
能源部统计，每年因燃烧化石
燃料而排放的二氧化碳达到300亿吨以上，而且还在不断增长。燃烧
化石燃料的电站、石油厂、
钢铁厂等重工业是二氧化碳排放的主要来源，电厂排放的烟气中二氧化碳体积含量约为15%左右，一些
冶金厂排放的烟气中二氧化碳体积含量较电厂高，约为35%左右。除电厂、冶金行业燃烧矿物燃料产生的烟气中含有大量二氧化碳外，未经处理的沼气以及
天然气中也含有一定量的二氧化碳，天然气原料中二氧化碳含量在5%至98%之间，从而对沼气以及天然气的品质产生影响。
[0003] 另一方面，二氧化碳是一种非常宝贵的资源,具有较高的民用和工业价值,现已广泛用于食品工业、化学工业、机械工业、农业、商业、运输、石油开采、国防、消防等部
门。主要包括物理利用和化学利用：二氧化碳的主要物理用途包括用于制造
干冰、超临界萃取
溶剂、饮料和
啤酒的添加剂、
灭火剂、香料和药物的提取剂、
清洗剂、用于烟丝膨胀、代替氯氟
烃用作发泡剂、气体
肥料以及用于强化石油开采（EOR）等；其化学应用主要是以二氧化碳为原料可生产多种有机和无机化工产品，在化学工业中,大规模利用二氧化碳的主要是尿素、纯
碱和碳酸氢铵。
[0004] 针对二氧化碳排放的控制问题，国内外业内人士进行了长期探索，而在短期内控制二氧化碳增长的最直接有效的方法是进行二氧化碳的捕集与
封存。其中主要包括溶液吸收法、变压
吸附法、膜分离法等。溶液吸收法技术成熟，应用较为广泛，但是此方法由于再生阶段需要大量热量而导致能耗较大，制备吸收剂需要大量能耗并且吸收剂具有
腐蚀性和毒性，同时吸收剂在反复进行吸收再生的过程中会失效，需要不断补充；变压吸附法无腐蚀性介质、运行维修
费用低，但是为获得较高的二氧化碳纯度，需要较多吸附塔，设备管理较为困难，投资偏高；膜分离法工艺过程简单，操作方便，但其对原料气要求较高、现阶段其处理量小、制膜工艺复杂、膜
稳定性差。以上常用方法，还存在共同的问题，即分离得到的二氧化碳产物均为气体，需要消耗
能量进一步处理成液体以便于运输封存。此外，所分离捕获的二氧化碳产物纯度一般很难达到直接应用的规格，如果需要将捕获后的二氧化碳应用于各产业，则需要进一步提纯。
发明内容
[0005] 发明目的：本发明的目的是为了克服
现有技术的不足，提出了一种液化再凝华的新型二氧化碳捕捉装置，该装置主要针对高含二氧化碳的混合气中的二氧化碳捕集分离，提高二氧化碳的捕集纯度、增加二氧化碳的捕集率。
[0006] 技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种液化再凝华的新型二氧化碳捕捉装置，它包括了依次连接的
过滤器、吸附器、干燥器、第一换热器、
压缩机和第二换热器；所述的第二换热器的出口与第三换热器的三号原料气入口连接，第三换热器的
接口还包括三号原料气出口，所述的三号原料气出口与第四换热器的入口连接，第四换热器的出口与第五换热器的五号原料气入口连接；所述的第五换热器的接口还包括五号液体二氧化碳入口、五号液体二氧化碳出口和五号原料气出口，所述的五号原料气出口与气液分离塔的气液分离塔原料气入口连接；所述的气液分离塔的接口还包括了气液分离塔二氧化碳出口和回收气体入口，所述的气液分离塔二氧化碳出口与一号
泵入口连接，一号泵的出口与精馏塔的精馏塔二氧化碳入口连接，所述的精馏塔的接口还包括精馏塔二氧化碳出口和精馏塔塔顶气体出口，精馏塔塔顶气体出口与气液分离塔回收入口连接，精馏塔二氧化碳出口与五号液态二氧化碳入口连接，五号液态二氧化碳出口与二号泵入口连接，二号泵的出口与储液器连接。
[0008] 其中，所述的第三换热器的接口还包括三号氮气分离入口和三号氮气分离气出口；所述的气液分离塔的接口还包括气液分离塔氮气出口、气液分离塔氮气入口和气液分离塔混合气出口；其中，三号氮气分离入口与气液分离塔氮气出口连接；所述的气液分离塔的气液分离塔混合气出口与一号凝华分离塔的一号凝华分离塔混合气入口连接，所述的一号凝华分离塔的接口还包括一号凝华分离塔氮气入口、一号凝华分离塔氮气出口、一号凝华分离塔二氧化碳出口和一号凝华分离塔混合气出口，所述的一号凝华分离塔氮气出口与气液分离塔氮气入口连接，一号凝华分离塔氮气入口与二号凝华分离塔的二号凝华塔氮气出口连接，一号凝华分离塔二氧化碳出口与五号液体二氧化碳入口连接，所述的二号凝华分离塔的接口还包括了二号凝华分离塔混合气入口、二号凝华分离塔混合气出口、二号凝华分离塔二氧化碳出口和二号凝华分离塔氮气入口，其中一号凝华分离塔混合气出口与二号凝华分离塔混合气入口连接，二号凝华分离塔二氧化碳出口与五号液体二氧化碳入口连接，二号凝华分离塔混合气出口与膨胀机的入口连接，膨胀机的出口与二号凝华分离塔氮气入口连接。
[0009] 其中，所述的五号原料气出口通过管道经过一号凝华分离塔和二号凝华分离塔的冷凝池与气液分离塔的气液分离塔原料气入口连接。
[0010] 其中，所述的膨胀机为低温透平膨胀机。
[0011] 其中，所述一号凝华分离塔和二号凝华分离塔的
制冷设备为复叠式制冷机。
[0012] 其中，一号凝华分离塔和二号凝华分离塔内部的换热器表面分别设有电动旋转刮刀。
[0013] 本发明将原料气首先依次通过过滤器、吸附器和干燥器，使得原料气在捕集二氧化碳气体之前就先进行干燥、
净化。本系统未采用醇胺等化学反应的溶剂，避免了有毒物质的产生以及设备的腐蚀性严重等问题。接着通过多次换热器低温处理，将原料气通过气液分离塔分离出液态二氧化碳，可直接储备，之后继续降温凝华分离出干冰。通过一号凝华分离塔和二号凝华分离塔分离之后的气体，其中含有二氧化碳的含量较低，确保不产生干冰损坏设备，最后通过膨胀机回收冷量和膨胀功。回收二氧化碳纯度高、节能。
[0014] 有益效果：（1）与目前广泛采用的醇胺吸收法相比，本系统未采用醇胺等化学反应的溶剂，避免了有毒物质的产生以及设备的腐蚀性严重等问题；
[0015] （2）该系统捕集分离得到的二氧化碳纯度较高，在一些领域可直接应用，二氧化碳的捕集率提高，实现二氧化碳零排放；
[0016] （3）与得到气态二氧化碳产物的传统方法相比，捕获后的二氧化碳为液体，可以直接用泵
增压至溶液储存，节省液化能耗；
[0017] （4）与传统低温方法相比，一方面较仅使用液化分离方法的二氧化碳捕集分离率提高，分离较为彻底；另一方面较仅使用凝华方法的能耗有所降低。
附图说明
[0018] 图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0020] 如图1所示，一种液化再凝华的新型二氧化碳捕捉装置，它包括了依次连接的过滤器1、吸附器2、干燥器3、第一换热器4、压缩机5和第二换热器6。原料气通过过滤器1、吸附器2和干燥器3，使原料气在捕集二氧化碳气体之前先进行干燥、净化；通过过滤器1脱除一些固体杂质，然后通过吸附器2吸收
酸性气体，最后通过干燥器3除去
水分。与目前广泛采用的醇胺吸收法相比，本系统未采用醇胺等化学反应的溶剂，避免了有毒物质的产生以及设备的腐蚀性严重等问题。
[0021] 第二换热器6的出口与第三换热器7的三号原料气入口连接，第三换热器7的接口还包括三号原料气出口，所述的三号原料气出口与第四换热器8的入口连接，第四换热器8的出口与第五换热器9的五号原料气入口连接；所述的第五换热器9的接口还包括五号液体二氧化碳入口、五号液体二氧化碳出口和五号原料气出口，所述的五号原料气出口通过管道经过一号凝华分离塔11和二号凝华分离塔12的冷凝池与气液分离塔10的气液分离塔原料气入口连接；一号凝华分离塔11和二号凝华分离塔12的制冷设备为复叠式制冷机，所述的气液分离塔10的接口还包括了气液分离塔二氧化碳出口和回收杂余气体入口，所述的气液分离塔二氧化碳出口与一号泵14入口连接，一号泵14的出口与精馏塔15的精馏塔二氧化碳入口连接，所述的精馏塔15的接口还包括精馏塔二氧化碳液体出口和精馏塔塔顶出口，精馏塔塔顶出口气体通进气液分离塔10进行进一步的回收分离其中的二氧化碳，精馏塔二氧化碳出口与五号液态二氧化碳入口连接，五号液态二氧化碳出口与二号泵16入口连接，二号泵16的出口与储液器17连接，由于冷凝池内的压
力高于二氧化碳
三相点压力值，使得凝华分离出的产物干冰融
化成液体而非直接
升华为气体，并且纯度很高，将融化的二氧化碳液体通过凝华分离塔二氧化碳出口直接与五号液体二氧化碳入口连接进行收集。该系统捕集分离得到的二氧化碳纯度较高，在一些领域可直接应用，二氧化碳的捕集率提高，实现二氧化碳零排放。
[0022] 所述的第三换热器7的接口还包括三号氮气分离入口和三号氮气分离气出口；所述的气液分离塔10的接口还包括气液分离塔氮气出口、气液分离塔氮气入口和气液分离塔混合气出口；其中，三号氮气分离入口与气液分离塔氮气出口连接；所述的气液分离塔10的气液分离塔混合气出口与一号凝华分离塔11的一号凝华分离塔混合气入口连接，所述的一号凝华分离塔11的接口还包括一号凝华分离塔氮气入口、一号凝华分离塔氮气出口、一号凝华分离塔二氧化碳出口和一号凝华分离塔混合气出口，所述的一号凝华分离塔氮气出口与气液分离塔氮气入口连接，一号凝华分离塔氮气入口与二号凝华分离塔12的二号凝华塔氮气出口连接，一号凝华分离塔二氧化碳出口与五号液体二氧化碳入口连接，所述的二号凝华分离塔12的接口还包括了二号凝华分离塔混合气入口、二号凝华分离塔混合气出口、二号凝华分离塔二氧化碳出口和二号凝华分离塔氮气入口，其中一号凝华分离塔混合气出口与二号凝华分离塔混合气入口连接，二号凝华分离塔二氧化碳出口与五号液体二氧化碳入口连接，二号凝华分离塔混合气出口与膨胀机13的入口连接，膨胀机13的出口与二号凝华分离塔氮气入口，所述的膨胀机13为低温透平膨胀机。其中凝华分离塔分两级，从而使第一级所需冷量
温度偏高，减少较低温位的冷量需求，在相同冷量需求不变下，节省制冷所需功耗，凝华分离塔中所需冷量一部分由回流
低温流体提供，另一部分由外部制冷装置提供。
[0023] 高含二氧化碳气体以富氧燃烧烟气为例，结合图1，该工艺流程：高含量的二氧化碳烟气首先通过过滤器1脱除一些固体杂质，脱除固体杂质后的气体进入吸附器2吸收H2S、NOx、SOx等酸性气体，之后进入干燥器3脱除其中的水分；假定经过初步处理后的混合气中各物质含量为：氮气为50%、二氧化碳为50%，0.1MPa，398.15K。首先经过第一换热器4水冷预冷至常温，其参数变为0.1MPa，298.15K。然后经过等温压缩加压到2MPa，经外部供冷以及利用回流氮气的冷量后，进入气液分离塔10。由2MPa下二氧化碳分压，确定气液分离塔10中二氧化碳不出现固体所能达到浓度，从而确定气液分离塔10出口气体二氧化碳的浓度为26%。气液分离之后的液体进入精馏塔15进行精馏得到高纯度的液体二氧化碳，精馏塔15塔顶出口气体回流至气液分离塔10，进一步回收分离；气液分离之后的气体进入一号凝华分离塔11和二号凝华分离塔12中进行凝华分离，在塔中的换热器表面上二氧化碳凝华为固体，塔内换热器外表面设有电动旋转刮刀，之后通过电动旋转刮刀进行刮落，通过刚通进来的原料气的相对较高的温度使干冰融化，干冰融化后的液体二氧化碳与精馏塔15得到的液体二氧化碳一起通过二号泵16加压至11MPa存储到储液器17中。所述的一号凝华分离塔11和二号凝华分离塔12分两级，从而使第一级所需冷量温度偏高，减少较低温位的冷量需求，在相同冷量需求不变下，节省外界制冷所需功耗，凝华分离塔中所需冷量一部分由回流低温流体提供，另一部分由外部制冷装置提供；出凝华塔的气体温度为-155.8℃，此时二氧化碳浓度为1ppm，达到较高分离等级，此时氮气纯度也较高。此时的氮气压力以及携带的冷量可以再次利用，可通过低温膨胀机的膨胀，一方面回收膨胀功，一方面可获得冷量。可以为一号凝华分离塔11、二号凝华分离塔12、气液分离塔10以及原料气预冷部分提供冷量，使整个系统的能量利用效率最高。
[0024] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
