[0001] 本发明涉及一种基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统、方法及应用。

[0002] 随着全球气候变化带来的影响日益严重，减排降碳是目前全球各国面临的巨大挑战。碳捕集利用与封存(CCUS)技术是各个国家研究的热点，并且，该技术已经进入工程实施阶段。其中，碳捕集是实施碳封存的基础工艺，根据碳捕集的工序又可将其分为燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集，其中，燃烧后捕集指的是在燃烧排放的烟气中捕集CO2。

[0003] 目前，天然气是氦气等稀有惰性气体提取的唯一来源，其提氦工艺主要是将干燥甲烷及轻组分分馏后逐步将甲烷、CO2、氮气、氢气等杂质逐步去除后剩下氦气等目标气体。

[0050] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

[0051] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“远”、“近”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0052] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0053] 发明人发现，现有的提氦工艺主要是将干燥甲烷及轻组分分馏后逐步将甲烷、CO2、氮气、氢气等杂质逐步去除后剩下氦气等目标气体。这种提氦工艺的工序复杂、成本高。基于此，本发明实施例提供一种基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统、方法及应用。

[0054] 实施例一

[0055] 本发明实施例提供一种基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统，参照图1所示，包括氦提取系统4以及分别与所述氦提取系统4连接的第一碳捕集系统1、第二碳捕集系统2和第三碳捕集系统3；

[0056] 第一碳捕集系统1适于在天然气燃烧后捕集含氦和高浓度CO2尾气中的CO2；

[0057] 第二碳捕集系统2适于在天然气燃烧后捕集含氦和中浓度CO2尾气中的CO2；

[0058] 第三碳捕集系统3适于在天然气燃烧后捕集含氦和低浓度CO2尾气中的CO2；

[0059] 氦提取系统4适于提取所述第一碳捕集系统1、所述第二碳捕集系统2和所述第三碳捕集系统3产生的含氦气体中的氦气。

[0060] 天然气燃烧后得到中含有氦气和CO2的尾气，根据含有氦气和CO2的尾气中的CO2浓度，选取第一碳捕集系统1、第二碳捕集系统2或第三碳捕集系统3进行CO2捕集，将尾气中的CO2收集并储存，达到降碳的目的；含有氦气和不同浓度CO2的尾气在第一碳捕集系统1、第二碳捕集系统2和第三碳捕集系统3中，已经完成了除杂、除水和去汞等程序，含氦气体中氦气的含量大幅提高，为氦提取工艺流程提供了良好基础。在第一碳捕集系统1、第二碳捕集系统2和第三碳捕集系统3中完成CO2捕集后产生的含氦气体，无需进行气源预处理，直接通入氦提取系统4，即可完成氦气提取。

[0061] 在一具体实施例中，参照图2所示，氦提取系统4包括依次连接的粗氦提取装置401、氦气精制装置402、氦液化装置403和液氦储罐404。经过碳捕集后的含氦气体通入粗氦提取装置401进行氦提取，得到粗制氦气；粗制氦气通入氦气精制装置402进行提纯，得到精制氦气；精制氦气通入氦液化装置403进行液化，得到液氦；将液氦通入液氦储罐404中，即可实现氦气的储存和运送。

[0062] 在一具体实施例中，粗氦提取的方法可以包括渗透法、吸附法和深冷法，根据不同的方法，氦提取系统4中的粗氦提取装置401可以为二级渗透膜4011、二级变压吸附装置4012或者深冷粗氦提取装置4013。

[0063] 本发明实施例提供的基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统将第一碳捕集系统1、第二碳捕集系统2和第三碳捕集系统3与氦提取系统4优化复配组合，实现了碳捕集和氦提取两种工艺的优化结合，将脱碳后的含氦气体中的氮气和微量氢气脱出即可获得氦气，简化了提氦工艺流程，提高了两种工艺的能量综合利用率，进而降低了CO2捕集和提氦的综合成本，同时，还提高了天然气燃烧后含氦和CO2尾气的利用效率。相较于现有的氦气提取工艺，经过第一碳捕集系统1、第二碳捕集系统2或第三碳捕集系统3捕集后的含氦气体可直接进行氦气提取，无需进行除杂等气源预处理程序，减少了设备投资，提高了设备的综合利用效率，同时，降低了设备能耗。

[0064] 实施例二

[0065] 为了对上述实施例一提供的基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统进行更加详细的说明，提供以下实施例对基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统的一种具体实现方式进行详细描述如下：

[0066] 参照图3所示，上述第一碳捕集系统1可以包括依次连接的第一气液分离器101、第一压缩机102、除油器103、脱油器104、净化器105、精过滤器106、液化器108、换热器107、精馏塔109、深冷器110和第一CO2储罐111，以及，与净化器105连接的第一电加热器112。第一气液分离器101与气源连接，第一气液分离器101与气源之间可以设置有第一阀门120，用于控制气源与第一气液分离器101之间的气路通断。第一电加热器112与净化器105连接，第一电加热器112能够对净化器105中的气体加热，从而提高精馏的效率。精馏塔109连接到粗氦提取装置401，从精馏塔109出来的CO2进入深冷器110降温后直接通入第一CO2储罐111储存，精馏塔109内的含氦气体直接通入氦提取系统4中进行提氦。

[0067] 当天然气燃烧后的尾气为含氦和高浓度CO2尾气时，采用第一碳捕集装置对含氦和高浓度CO2尾气进行碳捕集处理，捕集含氦和高浓度CO2尾气中的CO2，其具体的工艺流程可以包括：

[0068] 打开第一阀门120，将含氦和高浓度CO2尾气通入第一气液分离器101，初步分离出含氦和高浓度CO2尾气中的水分，再通过第一压缩机102对初步除水后的含氦和高浓度CO2气体进行增压；增压后的含氦和高浓度CO2气体再依次通过除油器103和脱硫器进行除油和脱硫；除油并脱硫后的含氦和高浓度CO2气体依次通过净化器105和精过滤器106，在净化器105和精过滤器106中去除气源中残余的水分和固体杂质，再通入换热器107中进行热交换，得到低温含氦和高浓度CO2气体；将低温含氦和高浓度CO2气体通入液化器108中液化，得到液化含氦和高浓度CO2气体；将液化的含氦和高浓度CO2气体通入精馏塔109中进一步提纯、精馏后，得到液态CO2和含氦气体，液态CO2经过深冷器110降温后，储存进第一CO2储罐111中。

[0069] 本发明实施例中，上述含氦和高浓度CO2尾气具体是指CO2含量大于90％天然气燃烧后尾气，适于通过直接压缩法进行CO2捕集。第一压缩机102对含氦和高浓度CO2尾气进行压缩时，能够将含氦和高浓度CO2尾气升压至2.3‑2.5MPa(G)，从而提高CO2捕集的效率；深冷器110对CO2进行降温处理后，液态CO2的温度可以达到‑23～‑25℃，从而能够高效并安全地储存于第一CO2储罐111。显然，除了将捕集后得到的液态CO2储存于第一CO2储罐111，还可以将其直接储存于罐车，便于直接运送。

[0070] 本实施例中，精馏塔109中剩余的含氦气体，已经完成了提氦工艺的气源预处理程序，含氦气体可直接进入粗氦提取装置401中进行粗氦提取，置于第一碳捕集系统1后的粗氦提取装置401可以是二级渗透膜4011、二级变压吸附装置4012或者深冷粗氦提取装置4013。

[0071] 以二级渗透膜4011作为粗氦提取装置401为例，精馏塔109中剩余的含氦气体匀速通过二级渗透膜4011，以渗透的方式进行膜分离提氦，得到粗制氦；粗制氦气通入氦气精制装置402进行提纯，得到精制氦气；精制氦气通入氦液化装置403进行液化，得到液氦；将液氦通入液氦储罐404中，即可实现氦气的储存和运送。

[0072] 在一具体实施例中，精馏塔109和粗氦提取装置401之间还可以设置依次连接的第二电加热器113和第四压缩机114，分别用于对从精馏塔109出来的含氦气体进行加热和增压。从精馏塔109中排出的含氦气体，可以在升温增压后，通入氦提取系统4进行氦提取处理，从而提高氦提取的效率。

[0073] 本实施例中，通过将第一碳捕集系统1与以二级渗透膜4011为粗氦提取装置401的氦提取系统4复配优化组合，实现CO2捕集工艺与渗透法提氦工艺相结合，在CO2捕集工艺过程中，已经将含氦和高浓度CO2中的杂质、水分和酸性气体去除，得到的含氦气体可直接进行膜分离提氦，节省了气源预处理程序的能耗，提高了能量的利用率，进而降低了CO2捕集和氦提取的综合成本。

[0074] 实施例三

[0075] 为了对上述实施例一提供的基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统进行更加详细的说明，提供以下实施例对基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统的一种具体实现方式进行详细描述如下：

[0076] 参照图4所示，上述第一碳捕集系统1还可以包括另一工艺路线，具体包括依次连接的第三原料气预处理装置115、第三压缩机116、低温分离装置117、罗茨鼓风机118和罗茨鼓风机119；第三原料气预处理装置115与气源连接，第三原料气预处理装置115与气源之间可以设置有第四阀门121，用于控制气源与第三原料气预处理装置115之间的气路通断。低温分离装置117连接到粗氦提取装置401，从低温分离装置117出来的CO2直接通入罗茨鼓风机119储存，低温分离装置117内的含氦气体直接通入氦提取系统4中进行提氦。

[0077] 当天然气燃烧后的尾气为含氦和高浓度CO2尾气时，采用第一碳捕集装置对含氦和高浓度CO2尾气进行碳捕集处理，捕集含氦和高浓度CO2尾气中的CO2，其具体的工艺流程可以包括：

[0078] 打开第四阀门121，将含氦和高浓度CO2尾气通入第三原料气预处理装置115，脱除杂质、水分、含硫组分和重烃组分，然后通过第三压缩机116增压后进入低温分离装置117，对含氦和高浓度CO2尾气进行CO2低温冷凝分离；通过罗茨鼓风机118将分离出来的CO2吹入罗茨鼓风机119进行储存或者直接装入罐车运送。

[0079] 本发明实施例中，上述含氦和高浓度CO2尾气具体是指CO2含量大于90％天然气燃烧后尾气，适于通过低温分离法进行CO2捕集，即通过低温分离装置117对含氦和高浓度CO2尾气进行冷却后，引起CO2的相变，通过低温冷凝分离CO2。低温分离法虽然更加适用于捕集含高浓度CO2气体中的CO2，但由于可以增加冷却和压缩的次数，对于CO2含量大于30％并小于90％的气体，低温分离法的CO2捕集效果也较佳。

[0080] 本发明实施例中，低温分离装置117中剩余的含氦气体，已经完成了提氦工艺的气源预处理程序，含氦气体可直接进入粗氦提取装置401中进行粗氦提取，置于第四碳捕集系统后的粗氦提取装置401可以是二级渗透膜4011、二级变压吸附装置4012或者深冷粗氦提取装置4013。

[0081] 以深冷粗氦提取装置4013作为粗氦提取装置401为例，低温分离装置117中剩余的含氦气体进入深冷粗氦提取装置4013，在深冷条件下使吸收塔303来的含氦气体液化，并对液氦进行低温精馏分离，得到粗氦；粗氦通入氦气精制装置402进行提纯，得到精制氦气；精制氦气通入氦液化装置403再次液化，得到液氦；将液氦通入液氦储罐404中，即可实现氦气的储存和运送。

[0082] 本发明实施例中，通过将第一碳捕集系统1与以深冷粗氦提取装置4013为粗氦提取装置401的氦提取系统4复配优化组合，实现CO2捕集工艺与吸附法提氦工艺相结合，在CO2捕集工艺过程中，已经将含氦和高浓度CO2中的杂质、水分和酸性气体去除，得到的含氦气体可直接进行深冷提氦，合并了CO2捕集工艺与深冷法提氦工艺共有的预处理环节，节省了气源预处理程序的能耗，提高了能量的利用率，进而降低了CO2捕集和氦提取的综合成本。

[0083] 实施例四

[0084] 为了对上述实施例一提供的基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统进行更加详细的说明，提供以下实施例对基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统的一种具体实现方式进行详细描述如下：

[0085] 参照图5所示，上述第二碳捕集系统2可以包括依次连接的第二气液分离器201、第一原料气预处理装置202、第二压缩机203、膜分离装置204和第二CO2储罐205；第二气液分离器201与气源连接，第二气液分离器201与气源之间可以设置有第二阀门207，用于控制气源与第二气液分离器201之间的气路通断。膜分离装置204连接到粗氦提取装置401，从膜分离装置204出来的CO2直接通入第二CO2储罐205储存，膜分离装置204内的含氦气体直接通入氦提取系统4中进行提氦。

[0086] 当天然气燃烧后的尾气为含氦和中浓度CO2尾气时，采用第二碳捕集系统2对含氦和中浓度CO2尾气进行碳捕集处理，捕集含氦和中浓度CO2尾气中的CO2，其具体的工艺流程可以包括：

[0087] 打开第二阀门207，将含氦和中浓度CO2尾气通入第二气液分离器201，初步分离出含氦和中浓度CO2尾气中的水分；将除水后的含氦和中浓度CO2尾气通入第一气源预处理装置中进行脱硫并去除重烃组分，然后经过第二压缩机203增压后进入膜分离装置204进行CO2分离和提纯；提纯后的CO2即可进入第二CO2储罐205进行储存或者直接装入罐车运送。

[0088] 本发明实施例中，上述含氦和中浓度CO2尾气具体是指CO2含量大于20％并小于90％的天然气燃烧后尾气，适于通过膜分离法进行CO2捕集。由于膜分离装置204对气源的要求较高，无法对杂质过多的气源进行分离，因此，需要设置第一原料气预处理装置202，进行脱硫并去除气体中的固体颗粒和重烃组分等杂质。

[0089] 本发明实施例中，膜分离装置204中剩余的含氦气体，已经完成了提氦工艺的气源预处理程序，含氦气体可直接进入粗氦提取装置401中进行粗氦提取，置于第二碳捕集系统2后的粗氦提取装置401可以是二级渗透膜4011、二级变压吸附装置4012或者深冷粗氦提取装置4013。

[0090] 以二级变压吸附装置4012作为粗氦提取装置401为例，膜分离装置204中剩余的含氦气体进入二级变压吸附装置4012，在二级变压吸附装置4012中通过吸附剂对含氦气体中的氦气进行吸附，得到粗制氦气；粗制氦气通入氦气精制装置402进行提纯，得到精制氦气；精制氦气通入氦液化装置403进行液化，得到液氦；将液氦通入液氦储罐404中，即可实现氦气的储存和运送。

[0091] 在一具体实施例中，膜分离装置204和粗氦提取装置401之间还可以设置第三电加热器206，用于对从膜分离装置204出来的含氦气体进行加热。从精馏塔109中排出的含氦气体，可以在升温后，通入氦提取系统4进行氦提取处理，从而提高氦提取的效率。

[0092] 本发明实施例中，通过将第二碳捕集系统2与以二级变压吸附装置4012为粗氦提取装置401的氦提取系统4复配优化组合，实现CO2捕集工艺与吸附法提氦工艺相结合，在CO2捕集工艺过程中，已经将含氦和高浓度CO2中的杂质、水分和酸性气体去除，得到的含氦气体可直接进行吸附提氦，节省了气源预处理程序的能耗，提高了能量的利用率，进而降低了CO2捕集和氦提取的综合成本。

[0093] 实施例五

[0094] 为了对上述实施例一提供的基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统进行更加详细的说明，提供以下实施例对基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统的一种具体实现方式进行详细描述如下：

[0095] 参照图6所示，上述第三碳捕集系统3可以包括依次连接的第二原料气预处理装置301、引风机302、吸收塔303、再生塔304和第三CO2储罐305；第二原料气预处理装置301与气源连接，第二原料气预处理装置301与气源之间可以设置有第三阀门306，用于控制气源与第二原料气预处理装置301之间的气路通断。再生塔304连接到粗氦提取装置401，吸收剂在吸收塔303中对CO2进行吸收后，进入再生塔304进行解吸，解吸后得到的CO2直接通入第三CO2储罐305进行储存，吸收塔303内剩余的含氦气体则直接通入氦提取系统4中进行提氦。

[0096] 当天然气燃烧后的尾气为含氦和低浓度CO2尾气时，采用第三碳捕集系统3对含氦和低浓度CO2尾气进行碳捕集处理，捕集含氦和低浓度CO2尾气中的CO2，其具体的工艺流程可以包括：

[0097] 打开阀门，将含氦和低浓度CO2尾气通入第二原料气预处理装置301，脱除杂质、水分和含硫组分，然后由引风机302吹入吸收塔303；吸收剂在吸收塔303中对预处理后的含氦和低浓度CO2尾气中的CO2进行吸收后，进入再生塔304进行解吸；解吸后得到的CO2即可进入第三CO2储罐305进行储存或者直接装入罐车运送。

[0098] 本发明实施例中，上述含氦和低浓度CO2尾气具体是指CO2含量小于20％的天然气燃烧后尾气，适于通过化学吸收法进行CO2捕集。第三碳捕集系统3中的吸收塔303和再生塔304共同组成一组化学吸收装置，能够对含低浓度CO2的气体进行CO2捕集，并且，根据气源的具体情况，可以设置多组化学吸收装置进行CO2捕集，以提高CO2捕集的效率，提升CO2捕集的效果。显然，由于化学吸收装置可以设置多组，化学吸收法也适用于对CO2含量大于20％并小于80％的气体进行CO2捕集。

[0099] 本发明实施例中，吸收塔303中剩余的含氦气体，已经完成了提氦工艺的气源预处理程序，含氦气体可直接进入粗氦提取装置401中进行粗氦提取，置于第三碳捕集系统3后的粗氦提取装置401可以是二级渗透膜4011、二级变压吸附装置4012或者深冷粗氦提取装置4013。

[0100] 以深冷粗氦提取装置4013作为粗氦提取装置401为例，吸收塔303中剩余的含氦气体进入深冷粗氦提取装置4013，在深冷条件下使吸收塔303来的含氦气体液化，并对液氦进行低温精馏分离，得到粗氦；粗氦通入氦气精制装置402进行提纯，得到精制氦气；精制氦气通入氦液化装置403再次液化，得到液氦；将液氦通入液氦储罐404中，即可实现氦气的储存和运送。

[0101] 本发明实施例中，通过将第三碳捕集系统3与以深冷粗氦提取装置4013为粗氦提取装置401的氦提取系统4复配优化组合，实现CO2捕集工艺与吸附法提氦工艺相结合，吸收塔303中的CO2吸收环节是提氦工艺中脱除酸性气体的一部分；在CO2捕集工艺过程中，已经将含氦和高浓度CO2中的杂质、水分和酸性气体去除，得到的含氦气体可直接进行深冷提氦，合并了CO2捕集工艺与深冷法提氦工艺共有的预处理环节，节省了气源预处理程序的能耗，提高了能量的利用率，进而降低了CO2捕集和氦提取的综合成本。

[0102] 实施例六

[0103] 基于同一发明构思，本发明实施例提供一种基于天然气燃烧后碳捕集的提氦方法，使用实施例一至实施例五所描述的基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统，该方法包括：

[0104] S101：确定天然气燃烧得到的含氦和CO2尾气中的CO2浓度；

[0105] S102：将含高浓度CO2的尾气通入第一碳捕集系统1；

[0106] S103：将含中浓度CO2的尾气通入第二碳捕集系统2；

[0107] S104：将含低浓度CO2的尾气通入第三碳捕集系统3；

[0108] S105：将第一碳捕集系统1、第二碳捕集系统2和第三碳捕集系统3排放的含氦气体通入氦提取系统4，进行氦气提取。

[0109] 本发明实施例中，该基于天然气燃烧后碳捕集的提氦方法与上述实施例一至实施例五所描述的基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统相对应，其具体实现过程可以参照上述实施例一至实施例五中应用该基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统实现碳捕集和氦提取的过程，重复之处，在此，不再赘述。

[0110] 本发明实施例中，根据不同的含氦和CO2尾气中的CO2含量，可以选择不同CO2浓度的的含氦和CO2尾气所对应的碳捕集系统，实现了CO2捕集工艺和提氦工艺的优化结合，提高了氦提取的效率。

[0111] 本发明实施例提供的基于天然气燃烧后碳捕集的提氦方法，在天然气燃烧后，先通过第一碳捕集系统1、第二碳捕集系统2或第三碳捕集系统3对燃烧后的尾气进行CO2捕集，再通过氦提取系统4将脱碳后得到的含氦气体中的氮气和微量氢气脱出，即可获得氦气，简化提氦的工艺流程，降低了生产成本。

[0112] 实施例七

[0113] 基于同一发明构思，本发明还提供一种上述实施例一至实施例五所描述的基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统在碳捕集和氦提取中的应用。

[0114] 本发明实施例中，应用该基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统实现碳捕集和氦提取的具体过程可以参照上述实施例一至实施例五中应用该基于天然气燃烧后碳捕集的提氦工艺系统实现实现碳捕集和氦提取的过程，重复之处，在此，不再赘述。

[0115] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。