本发明涉及二氧化碳回收技术领域，具体来说是一种玻璃窑烟气二氧化碳的捕集提纯装置及提纯方法。
背景技术：
全球变暖是本世纪初人类面临的最大挑战，它不仅是环境问题，也是经济、政治、人类发展等问题。从十九世纪后期，全球气温走出几千年的平稳，进入上升通道，并可能继续大幅上升。大气中，温度上升与温室气体浓度迅速的增加有着非常强的相关性，温室气体包括二氧化碳(co2)、甲烷(ch4)、氮氧化物(nox)、氯氟烃(cfcs)和水蒸气(h2o)。而二氧化碳是最主要的温室气体，其含量增加对增强温室效应的贡献大约为60％。
当前我国co2排放的主要行业是电力、钢铁、建材、化工等高耗能工业，其中建材工业约占全国能源活动co2排放量的15％。作为我国经济建设的支柱型产业，建材工业为经济的发展和社会的进步做出了巨大贡献，同时也消耗了大量的资源和能源。
碳捕集利用与封存是指将二氧化碳从工业排放源中分离后或直接加以利用或封存，以实现co2减排的工业过程，是一项新兴的、具有大规模二氧化碳减排潜力的技术，有望实现化石能源的低碳利用，被广泛认为是应对全球气候变化、控制温室气体排放的最重要技术之一。烟气中co2的捕集与分离是实现其封存和综合利用等减排措施的基础和前提条件。目前中国各大发电集团和石油系统也相继建成了co2捕集工业型示范装置。但在建材领域，特别是玻璃行业碳捕捉技术仍是空白。
由于玻璃窑燃烧后烟气温度高达1200℃，而进余热锅炉温度要求控制在600～650℃，普遍采用混入空气的方式降温，导致最终烟气中co2被大量n2稀释，使得二氧化碳的捕集变得十分困难。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种玻璃窑烟气二氧化碳捕集提纯装置和提纯方法。
为了实现上述目的，设计一种玻璃窑烟气二氧化碳捕集提纯装置，包括依次连接的二氧化碳烟气预处理系统、二氧化碳捕集系统和二氧化碳精制系统，其中，所述烟气预处理系统与玻璃窑连接，用于对玻璃窑排放的烟气进行脱硝、脱硫、除尘和降温的预处理；所述二氧化碳捕集系统包括水洗脱硫塔，所述水洗脱硫塔进一步吸收经过预处理的二氧化碳中的so2和nox，并实现迅速降温，通过变压吸附法将二氧化碳吸附解吸成为高浓度二氧化碳气体；所述的二氧化碳精制系统能够将高浓度二氧化碳气体压缩干燥，进一步去除杂质后制备成食品级液态二氧化碳产品。
本发明还具有如下优选的技术方案：
进一步的，所述烟气预处理系统包括与玻璃窑连接的烟气余热锅炉，烟气电除尘装置、烟气脱硝装置，烟气脱硫装置和烟气再循环装置，所述烟气余热锅炉高温段与烟气电除尘装置相连接，烟气经余热锅炉高温段后进入烟气电除尘装置收尘，烟气电除尘装置与烟气脱硝装置相连接，烟气在烟道内与氨水进行充分混合均匀后进入烟气脱硝装置，发生氧化还原反应脱硝，所述烟气脱硝装置与烟气余热锅炉低温段连接，完成脱硝后将烟气重新导入换热；烟气余热锅炉一路通过引风机和烟气脱硫装置连接二氧化碳捕集系统，另一路通过循环风机将余热锅炉出口烟气引入到余热锅炉入口。
进一步的，所述的二氧化碳捕集系统包括水洗脱硫脱硝装置，所述的水洗脱硫脱硝装置包括水洗脱硫塔，水洗脱硫塔内存放填料，玻璃窑脱硫脱硝后的烟气从脱硫水洗塔下部进入塔中，烟气在底部进行降温除尘，再进入中部与从上向下流动的脱硫液逆流接触进行避碳脱酸，二氧化硫和氮氧化物被溶剂吸收，经过水洗和脱硫脱硝后，烟道气得到净化，经原料冷却器和气液分离器降温分水后经引风机送到吸附解吸装置，其中，所述水洗脱硫塔连接第一冷却器，用于将水洗液通过换热降温到40℃以下再返回到水洗脱硫塔中进行降温水洗工作，吸收二氧化硫和氮氧化物后的脱硫溶液通过配入naoh溶液，把硫酸盐中和成为nano3和na2so4，经过除盐冷却器冷却结晶后经盐液分离器分离出母液用泵送回到水洗脱硫塔中循环使用。
进一步的，所述二氧化碳捕集系统还包括吸附解吸装置，所述吸附解吸装置包括变压吸附装置，变压吸附装置两端分别连接水洗脱硫脱硝装置和二氧化碳精制系统。所述的吸附解吸装置包括至少7个变压吸附装置，所述变压吸附装置内存放填料和吸附剂，用于吸收净化后的烟道气中的易吸附组分，不易吸附组分由塔顶流出经过脱硝后排空，当易吸附组分的吸附前沿快要到达塔顶时停止通气。
进一步的，所述的二氧化碳精制系统包括压缩吸附装置、冷冻液化装置和精馏及成品存储装置。
本发明的另一方面，包括一种玻璃窑烟气二氧化碳捕集提纯方法，包括以下步骤：
s1、对玻璃窑产生的具有二氧化碳的烟气进行预处理，包括除尘和脱硫脱硝处理；
s2、对经过预处理的烟气进行水洗和脱硫脱硝，获得净化后的烟气；
s3、对净化后的烟气采用变压吸附法对二氧化碳解吸工艺，制备高纯度的二氧化碳气体；
s4、将所述高纯度的二氧化碳气体经压缩吸附、冷冻液化和精馏后，得到食品级的二氧化碳。
进一步的，所述步骤s1中，包括以下步骤：
s11、玻璃窑产生的含有二氧化碳的烟气进入烟气余热锅炉；
s12、所述烟气经余热锅炉高温段后进入烟气电除尘装置收尘；
s13、所述烟气在烟道内与氨水进行充分混合均匀后进入烟气脱硝装置，发生氧化还原反应脱硝；
s14、完成脱硝后将烟气重新导入烟气余热锅炉换热；换热后通过引风机和烟气脱硫装置引入二氧化碳捕集系统。
进一步的，所述步骤s2中，包括以下步骤
s21、经过预处理后的烟气从脱硫水洗塔下部进入塔中，烟气在底部通过水洗液进行降温除尘，所述水洗液可通过冷却器循环使用；
s22、降温除尘后的烟气再进入脱硫水洗塔中部，与从上向下流动的脱硫液逆流接触进行避碳脱酸，吸收烟气中的二氧化硫和氮氧化物；
s23、经过水洗和脱硫脱硝的烟气经原料冷却器和气液分离器降温分水后经引风机送到吸附解吸装置；
s24、吸收过二氧化硫和氮氧化物的脱硫液配入naoh溶液，将硫酸盐中和成为nano3和na2so4，经过除盐冷却器冷却结晶后经盐液分离器分离出母液，用泵送回到水洗脱硫塔中循环使用。
进一步的，所述步骤s3中，包括以下步骤：
s31、经过水洗和脱硫脱硝的烟气进入7座变压吸附塔；
s32、每个变压吸附装置存放填料和吸附剂，气体中的易吸附组分被吸收，不易吸附组分由塔顶流出经过脱硝后排空，当易吸附组分的吸附前沿快要到达塔顶时停止通气，通过和别的塔进行3次均降后，初步将吸附塔内的二氧化碳进行富集，然后通过逆放步序将吸附塔内的高纯度的二氧化碳气体放入二氧化碳气缓冲罐供液体二氧化碳工段使用；
s33、逆放结束后再通过与别的塔进行3次均升及顶部尾气的最终升压后再次进入下一吸附循环，任一时刻均有2个吸附塔处于进料吸附并生产二氧化碳气的过程，使得原料气进料和产品气生产连续进行。
进一步的，所述步骤s4包括以下步骤：
s41、变压吸附塔的纯度为95.0％的二氧化碳产品气进入压缩吸附装置进一步加压吸附，使不含杂质的产品气从顶部引出；
s42、将不含杂质的产品气经过冷冻液化装置液化；
s43、变为液态的二氧化碳进入精馏及成品存储装置精馏后存储，精馏塔塔顶逸出的气体作为压缩吸附装置的再生气。
发明的有益效果
本发明所提供的一种玻璃窑烟气二氧化碳捕集提纯装置和捕集提纯方法的有益之处在于：纯氧玻璃窑燃烧后排放的二氧化碳浓度约为30-40％，由于玻璃窑燃烧后烟气温度高达1200℃，而进余热锅炉温度要求控制在600～650℃，所以采用混入空气的方式降温，导致最终烟气中co2被大量n2稀释，使得二氧化碳的捕集变得十分困难。对于二氧化碳捕捉工艺，二氧化碳的含量决定采取的捕捉工艺和捕捉效率，因此，改变原玻璃炉窑参冷风降温的方式，将经过脱硫脱硝和降温除尘后的玻璃窑烟气，经循环风机重新引入余热发电锅炉前，通过循环烟气实现在不改变co2含量的前提下实现降温的目的。
纯氧玻璃窑炉能产生大量高co2含量的烟道气，其中含二氧化碳30～40％，氮气2～4％，氧气3～10％，水分50～60％，其余是一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫，粉尘等杂质。本发明首先通过烟气预处理部分对玻璃窑烟道气进行脱硝、脱硫、除尘和降温的预处理，使烟气指标符合碳捕集工艺要求。由于烟气中含有少量酸性气体，如so2，nox，co等，因此需要采用碱洗法进行深度脱除，将经过烟气预处理部分处理后的烟气通过脱硫水洗塔进行避碳脱酸预处理，对烟气进行降温除尘、脱除烟气中的酸性杂质并去除水气，然后再通过变压吸附装置把二氧化碳浓度提浓至95％浓度以上，形成高浓度二氧化碳气体。再将95％的二氧化碳气体输送到二氧化碳精制部分，经过风机引入缓冲罐后进入压缩机增压，经冷却分水、稳压后进入脱硫床，在压力作用下硫化物被脱硫床内的脱硫剂吸附，脱硫后的气体进入吸附塔，吸附塔内的吸附剂采用三种组合，脱除烃类，醇、醛、醚和水分等杂质，不含杂质的气体从吸附床顶部引出，返回到压缩机级间出口。再被冷冻液化装置降温液化，进入精馏塔。轻组分氮气、氧气全部从塔顶除去，塔底得到纯度为99.9％以上的高纯度二氧化碳产品。二氧化碳产品通过成品储罐进行存储运输，满足使用。经过上述操作后，烟气中基本不再含有二氧化碳，实现玻璃生产线二氧化碳近零排放，并且原有二氧化硫和氮氧化物的排放量将急剧下降，二氧化硫排放量降至5mg/nm3，大大节减轻对环境的污染。为工业企业的清洁生产提供了新的思路，具有良好的社会效益。
附图说明
图1为本发明所述的玻璃窑烟气二氧化碳捕集提纯装置的结构示意图；
图2为本发明所述的玻璃窑烟气二氧化碳烟气预处理装置的结构示意图；
图3为本发明所述的玻璃窑烟气二氧化碳水洗脱硫装置装置的结构示意图；
图4为本发明所述的玻璃窑烟气二氧化碳变压吸附装置装置的结构示意图；
图5为本发明所述的玻璃窑烟气二氧化碳精制部分的结构示意图；
附图中标记为：1-烟气预处理系统，2-二氧化碳捕集系统，3-二氧化碳精制系统，4-玻璃窑，5-烟囱，6-水洗脱硫脱硝装置，7-吸附解吸装置，8-稳压罐，9-压缩机，10-脱硫床，11-吸附床，12-液化装置，13-制冷装置，14-精馏塔，15、成品储罐，101-烟气余热锅炉，102-烟气除尘装置，103-脱硝装置，104-引风机，105-脱硫装置，106-循环风机，201-水洗脱硫塔，202-第一冷却器，203-第二冷却器，204-原料冷却器，205-气液分离器，206-naoh溶液，207-脱硫溶液缓冲罐，208-除盐冷却器，209-盐液分离罐。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种二氧化碳捕集提纯的烟气预处理装置，包括玻璃窑、烟气余热锅炉，烟气脱硝装置，烟气脱硫装置，烟气除尘装置和烟气再循环装置。
参见图2，玻璃窑炉出口烟气通过引风机和连接管道引入烟气余热锅炉。烟气经余热锅炉高温段后，烟气进入烟气除尘装置收尘，经收尘后，烟气在烟道内与氨水进行充分混合均匀后进入烟气脱硝装置，烟气脱硝装置为scr反应器，烟气中的nox与nh3在催化剂的作用下发生氧化还原反应，生成氮气和水，从而完成脱硝过程。经余热锅炉后进入脱硫装置，实现烟气出口颗粒物浓度＜5mg/nm3，so2浓度＜30mg/nm3，nox浓度＜100mg/nm3，满足进入二氧化碳捕集系统的烟气指标要求。
原系统采用掺冷风降温方式实现炉窑出口1200℃高温烟气降到650℃，本发明为保持二氧化碳浓度不降低，改为锅炉烟气循环方式降温，抽取余热锅炉出口170℃废气通过循环风机代替冷空气掺入窑出口烟气，实现烟气降温至600-650℃进烟气余热锅炉。为确保玻璃窑微正压，烟气接入点需要在玻璃窑调节闸板阀之后。循环风量通过循环风机的电动蝶阀调节。
所述的二氧化碳捕集部分包括水洗脱硫脱硝装置和吸附解吸装置。
参见图3，所述的水洗脱硫脱硝装置包括水洗脱硫塔，烟道气在引风机的作用下从水洗塔下部进入塔中，烟道气迅速降温，同时气体中夹带的微量灰尘被溶剂洗净，进入脱硫水洗塔的烟气温度高达140℃，进入脱硫水洗塔后会快速使水洗液升温，所述水洗塔下部连接第一冷却器，把升温到大约80℃的水洗液通过换热降温到40℃以下再返回到脱硫塔中进行降温水洗工作，然后烟气进入中部与从上向下流动的脱硫液逆流接触进行避碳脱酸，二氧化硫和氮氧化物被溶剂吸收，吸收后的脱硫溶液通过配入naoh溶液，把硫酸盐中和成为nano3和na2so4，经过除盐冷却器冷却结晶后从系统分离。经盐液分离器分离出来的母液用泵送回到水洗脱硫塔中循环使用。经过水洗和脱硫脱硝后，烟气得到净化降温，由引风机送到吸附解吸装置。
参见图4，所述的吸附解吸装置采用变压吸附自然解吸工艺，流程为7-2-3-bd流程，即共7个吸附塔，2个塔处于吸附状态，经过3次均压逆放实现解吸的工艺流程。上述烟道气进入变压吸附装置处于吸附状态的2个吸附塔，气体中的易吸附组分如二氧化碳、水等先被吸收，不易吸附组分如氮气氧气等组分由塔顶流出经过脱硝后排空，当易吸附组分的吸附前沿快要到达塔顶时停止通气，通过和别的塔进行3次均降后，初步将吸附塔内的二氧化碳进行富集，然后通过逆放步序将吸附塔内的高纯度的二氧化碳气体放入二氧化碳气缓冲罐供二氧化碳压缩吸附装置使用。逆放结束后再通过与别的塔进行3次均升及顶部尾气的最终升压后再次进入下一吸附循环。整个操作过程在入塔原料气温度下进行，每台吸附塔依次经历吸附、3次均压降、逆放、3次均压升、最终升压等步序进入下一个循环。
表1：7-2-3-bd流程中吸附塔的工艺时序表
表中：吸附a、三次均压降(ed1～ed3)、逆放d、均压升(er3～er1)、最终升压fr。
吸附a：开启程控阀v-a1和v-a2，原料气进入吸附塔a，以二氧化碳为主的易吸附组分在吸附剂表面上吸附，气体中的易吸附组分如二氧化碳、水等被吸附剂吸收，不易吸附组分如氮气氧气等组分作为吸附废气通过程控阀v-a2自吸附塔a顶部流出。吸附步骤时间结束时，关闭阀v-a1和v-a2，终止吸附，此时原料气进入已完成最终升压步骤的另一吸附塔即吸附塔b进行吸附。
均压降ed1：开启程控阀v-a4和v-d4，完成吸附步骤的吸附塔a与完成er2均压升步骤的吸附塔d进行压力均衡，当两个吸附塔压力基本平衡后，关闭v-a4，完成吸附塔a的ed1均压降步骤。
均压降ed2：继续开启程控阀v-a4和v-e4，完成吸附步骤的吸附塔a与完成er3均压升步骤的吸附塔e进行压力均衡，当两个吸附塔压力基本平衡后，关闭v-a4和v-e4，完成吸附塔a的均压降ed2步骤。
均压降ed3：继续开启程控阀v-a4和v-f4，完成吸附步骤的吸附塔a与完成逆放d步骤的吸附塔f进行压力均衡，当两个吸附塔压力基本平衡后，关闭v-a4和v-f4，完成吸附塔a的均压降ed3步骤。
逆放d：开启程控阀v-a3，完成ed3步骤的吸附塔a由底部排出气体，压力降低。逆放气经阀v-a3进入co2缓冲罐。当吸附塔a压力降至常压后，关闭v-a3，逆放步骤完成。
均压升er1：完成逆放步骤后，开启程控阀v-a4和v-c4，吸附塔a与完成ed2均压降的吸附塔c进行压力均衡，两塔压力基本相等时，关闭阀v-c4，完成吸附塔a的均压升er1。
均压升er2：完成均压升er1步骤后，开启程控阀v-a4和v-d4，吸附塔a与完成ed1均压降步骤的吸附塔d进行压力均衡，两塔压力基本相等时，关闭阀v-d4，完成吸附塔a的均压升er2。
均压升er3：完成均压升er2步骤后，开启程控阀v-a4和v-e4，吸附塔a与完成吸附步骤的吸附塔e进行压力均衡，两塔压力基本相等时，关闭阀v-e4，完成吸附塔a的均压升er3。
最终升压fr：完成均压升步骤后，通过控制程序使处于最终升压(fr)步位的吸附塔的进出口端程控阀v-a1和v-a3开启不同的开度，使可按不同比例的流量同时使用产品气和原料气进行最终升压，减少了产品气和原料气的压力波动。
从工艺时序表可以看出，在吸附塔均压升或均压降的过程中，还有一组吸附塔也处于均压过程，因此应开启对应的程控阀，如吸附塔a在均压降ed1的过程时，开启程控阀v-a4和v-c4，同时，吸附塔e正和吸附塔g在进行均压升er3过程，因此需打开v-e5和v-g5，以满足两组吸附塔同时完成均压操作。
完成解吸的二氧化碳气体进入所述的二氧化碳精制系统，所述二氧化碳精制系统包括压缩吸附装置、冷冻液化装置和精馏及成品存储装置三个装置。
参见图5，所述的压缩吸附装置包括缓冲罐、压缩机、两个脱硫床、三个吸附床，来自变压吸附装置的纯度为95.0％的二氧化碳原料气首先进入缓冲罐，缓冲罐的入口管道上安装温度、压力计，检测两种工艺数据。然后进入co2压缩机，压缩后二级压缩出口的二氧化碳气体首先进入脱硫床中，在压力作用下硫化物被床内的脱硫剂吸附，脱硫后的气体进入吸附塔，吸附塔内的吸附剂采用三种组合，脱除烃类，醇、醛、醚和水分等杂质。不含杂质的气体从吸附床顶部引出，返回到压缩机级间出口。另外，在精馏塔器向产品罐输送过程中气化的co2和设备表面散热气化的co2气体混合后返回至压缩机级间出口，有效地回收了损失的co2，提高产品收率。混合气经压缩机三级压缩后进入冷冻液化装置。
吸附床设置3个吸附塔，每个塔依次经过吸附a、加热h、冷吹c的连续运行过程，通过程序控制，使吸附和再生循环往复，连续平稳(见表2)，和双塔流程相比，吸附剂工作时的吸附—加热—冷吹过程连续运行，吸附剂用量少，再生所用的气量少，设备效率高。采用精馏塔顶部逸出的气体作为吸附剂的再生气，无外来再生气污染床层。
表2：吸附塔在不同周期下的运行状态
吸附a：开启程控阀v-x1和v-x2，原料气进入吸附塔x，水分等杂质在吸附剂表面上吸附，二氧化碳通过程控阀v-x2自吸附塔a顶部流出。吸附步骤时间结束时，关闭阀v-x1和v-x2，终止吸附，此时原料气进入已完成冷吹步骤的另一吸附塔z进行吸附。
加热h：开启程控阀v-x3和v-x4，经蒸汽加热后的再生气与原料气气流反向通过吸附塔，使被吸附的杂质随再生气流出吸附塔，吸附剂得到再生。加热步骤时间结束时，关闭阀v-x3和v-x4。
冷吹c：开启程控阀v-x5和v-x6，精馏顶部逸出气体进入已完成加热步骤的吸附塔x完成冷吹步骤，关闭阀v-x5和v-x6。重复吸附-加热-冷吹过程。
所述的冷冻液化装置包括制冷压缩机、冷凝器、贮液器、压力调节阀、液化装置、气液分离器和管道，制冷压缩机是螺杆式或活塞式，制冷剂是液氨或者氟利昂。整个冷冻液化装置是一个循环的过程，气态制冷剂进入制冷压缩机中压缩，压缩机与蒸发式冷凝器连接，气态制冷剂在蒸发式冷凝器中被冷凝为液体制冷剂，液体制冷剂贮存在贮液器中。
所述的贮液器出来的液态制冷剂，分成四路：一路经过调节阀节流降温后，引到液化装置中，将冷量传到给换热器列管中的二氧化碳气体，使其降温液化，连同轻组分气体一同被送到精馏塔中。液化器管间的液体制冷剂本身被汽化，进入气液分离器中，气体制冷剂重新返回到制冷压缩机中循环使用。
贮液器中第二路液体制冷剂经过调节阀节流降压后，进入原料冷却器中，把管内的原料气体降温到10℃左右，在此条件下气体中的大部分水分被液化，在分水罐中分离。液体制冷剂本身被汽化，进入气液分离器中，气体制冷剂重新返回到制冷压缩机中。
贮液器中第三路液体制冷剂经过调节阀节流降温后，引到除盐冷却器中，用于脱硫脱硝的副产品结晶使用。液化器管间的液体制冷剂本身被汽化，进入气液分离器中，气体制冷剂重新返回到制冷压缩机中。
所述的贮液器中第四路液体制冷剂经过调节阀节流降温后，引到精馏塔顶全凝器壳层中用于冷凝管内塔顶馏份，壳层液体制冷剂本身被汽化，进到气液分离器中，气体制冷剂同样返回到制冷压缩机中循环使用。
制冷压缩机出口压力在2.0-2.6mpa(g)之间，经过调节阀后的压力在0.1-0.35mpa之间，温度在-40℃～-5℃之间。
所述的精馏及成品存储装置包括精馏塔、食品级产品储罐。二氧化碳经co2液化装置冷冻降温液化后进入精馏塔，轻组分氮气、氧气全部从塔顶除去，塔底得到纯度为99.9％以上的高纯度二氧化碳产品，送至食品级co2成品储罐，供充瓶或装槽车。
各部件之间都是通过不同管径的管道相连，管道上配置有管件、阀门、流量计，安装由压力计、温度计等检测仪表，设备上也装有压力、温度、液位等检测仪表和安全阀、减压阀等安全设施、关键部位的仪表参数统一由plc或dcs系统程序控制，并带有测量、调节、记录、报警等功能，自动控制装置运行。
以上所述，仅为此发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案和新型的构思加于等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
