CN102061950B - 超低温发电联合深冷中压法捕捉烟道气中二氧化碳装置 - Google Patents

Abstract

CO2蒸发气化发电循环：液体CO2储槽、调频高压泵、冷热交换器、CO2预热器、CO2蒸发器、气轮机(带动发电机)、氨冷器、膨胀制冷机(带动发电机)、气液分离塔、液体CO2回储槽，供下一个发电循环。N2气和氨系统组成两套制冷制热循环：充分利用热泵工艺，制热用于加热CO2气化，制冷用于冷却发电系统CO2，烟气中CO2成液体，加以分离入储槽，供下一个循环和商品CO2出售。捕捉CO2系统：充分利用发电系统液体CO2之冷量，氨制热用于发电系统蒸发CO2成气体，制冷用于冷却烟气温度，使烟气中CO2液化便于捕捉。为了减轻氨冷器B负担，尾气冷量用板式换热器加以回收，完成捕捉CO2的任务。

Description

超低温发电联合深冷中压法捕捉烟道气中二氧化碳装置

技术领域：发电和捕捉二氧化碳相结合，属发电和化工领域.整套装置充分利用火力发电厂或大型化工厂的低势热能，[50---200度]采用二氧化碳做蒸发剂，氮和氨做制热制冷剂，通过一系列的设备，把液态二氧化碳通过“热泵”技术，提供热量进行预热，利用余热，废热最后对CO2加热气化，使CO2形成超临界的高压气体[10---30MP.温度50度左右]，推动气轮机高速运转，带动发电设备进行发电.。蒸发系统的CO2从付50蒸发成正50度，有很大的冷量可以利用，这就为捕捉CO2提供了很大的冷量.整套装置利用热泵技术，把烟道气中的温度提出来，加热发电系统的液体CO2，使其气化，又回收液体CO2之冷量，来降低烟道气中的温度，使烟道气中的温度降到-56度，使烟气中的CO2变成液态，通过气液分离塔，分离出液态CO2送入储槽，完成捕捉CO2之目的。

此套系统运行成本非常低，因为余热.废热是不花钱的能源，发电成本和水电相当，捕捉的CO2是商品，又可以降低了部分发电成本。它的建造费用和建造周期又远远低于水利发电的投入，整套系统无碳零排放，是国家提倡的清洁能源，对节约能源，提高能源利用率，将发挥重要作用。它必将是继风力发电-太阳能发电--核能发电之后的又一新成员。

背景技术：超低温发电和捕捉CO2相结合，是一种多学科的综合技术，集中采用了发电工艺--化工工艺--深冷工艺--热泵技术--化工仪表自控，蒸发剂和制冷制热剂优选，符合整套工艺的技术要求.设备采用化工/电力方面的先进设备，这就为以后的投运打下了很好的基础。

此发电系统和火力发电相似，火电是以水为蒸发剂，锅炉烧煤加热水产生高压蒸汽，推动蒸汽轮机运转，带动发电设备进行发电，而水的临界温度374.20度，而CO2的临界温度只有31.06度，低温废热，余热完全可以把CO2加热气化成超临界壮态.超临界的CO2气体压力再高也不会液化，只要有足够量的废热.余热，连续加热CO2液体，使其超临界的蒸发气化，就会产生高压气体，压力可达到30MPa或更高，推动气轮机运转，带动发电设备发电。

CO2和N2是惰性物质，(1)不燃烧，爆炸。(2)性质稳定.不活泼.无毒性.不破坏臭氧层。(3)极佳的热力学性质.较高的热导率和比定压热容.较小的动力黏度.较高的动力密度.较小的气液密度比。(4)单位容积制冷量是R22的五倍。CO2以上优点完全可以胜任做超低温发电的蒸发剂。N2气的物理特性和CO2差不多，但它的临界温度-147度，沸点-195度，在制冷循环中，N2不会被液化，起到制热.制冷和有效分离CO2液体之目的。

N2制冷制热系统和氨制冷制热系统，充分利用“热泵”原理，既回收蒸发发电系统CO2之冷量，用于冷却烟道气中温度，又加热了蒸发系统CO2，达到冷量和热量都合理应用。优其是原始开车和检修后开车生产都必须利用它们的制冷功能，使设备首先进行降温，达到能液化CO2的低温(-56℃)使CO2发电作功后，进入制冷系统既被液化，达到安全有效的循环。

CO2捕捉系统，必须在发电系统进入正常工作后才能投入运行。因为氨蒸发降压降温后，吸收烟气中的温度，必须靠热泵(冰机)吸收蒸发发电系统CO2冷量，使氨气液化，同时又对蒸发系统的CO2加热，来满足冰机的要求，完成有效安全的循环，才能达到捕捉CO2之目的。

整套系统是靠3个循环来完成的，既CO2蒸发气化发电循环。N2气制冷制热循环和氨气制冷制热循环。三套循环共同完成发电和捕捉CO2的任务。

发明内容：超低温发电和捕捉烟道气中CO2相结合，其结合点是利用发电蒸发系统CO2之冷量，来冷却烟道气中的温度，反过来就是利用烟气中的温度，来加热发电系统的CO2使其气化，这样既利用了烟气之热量，来加热发电系统的CO2，又利用了CO2之冷量，来冷却烟道气中温度。

超低温发电是一种全新的发电方法，其核心部分是利用临界温度极低的CO2做蒸发剂，N2和HN3做制热制冷剂，充分利了“热泵”原理，达到热冷都得到很好的利用。为了充分利用热泵能有效的工作，首选是烟道气中之热量，因为降低烟道气温度后(-56度)，CO2首先被液化，烟气中的氮.氩.氧因沸点更低不会液化，只要把烟气中的温度降到-56度，把CO2变成液体，捕捉CO2就很容易实现。因CO2蒸发系统有很大的冷量，氨制热制冷系统能有效的回收之冷量，用于降低烟道气的温度，这样就能圆满完成发电和捕捉CO2的任务。

整套装置主要特点是，利用低温余热蒸发CO2，使其气化成高压气体，推动气轮机完成发电任务后，制冷系统把CO2再液化，送入CO2储槽，供下一个蒸发循环。而液化烟道气中CO2，是利用发电蒸发系统CO2之冷量，利用热泵技术进行合理的冷热交换，完成捕捉烟道气中CO2的任务。

附图说明：图1和图2组成了发电和捕捉CO2，相结合的工艺控制流程图。图1主要是CO2蒸发气化发电系统，图2主要是氨制冷制热系统和烟道气CO2捕捉系统，但两图又紧密结合，必须把它当一幅图来看，才能迅速了解整套系统的运行情况。

图1是CO2蒸发气化发电主图，图2是付图，具体发电过程如下：液体CO2从储槽中(-53度左右)，被调频高压泵打入冷热交换器，和制冷压缩机出来的热气体，进行第一次冷热交换，CO2得到第一次加热，而后进入CO2预热器，和被冰机压缩的热气氨进行第二次冷热交换，CO2得到第二次加热，再进入CO2蒸发器中，用低势热能(80----200度)对CO2第三次加热，使CO2达到50度左右，这时的CO2已是超临界壮态，只要有足够的余热.废热加热CO2，它就会产生巨大的气体压力(30MPa)，满足气轮机的要求，完成发电的任务。高压的CO2气体对气轮机作功后，压力降低，位能增大，气体迅速膨胀，有很大的制冷效果，CO2气体变冷。出气轮机的CO2气体和从冷热交换器出来的冷N2气混合，一起进入氨冷器A，用液氨气化对混合气体进行降温，而后进入膨胀制冷机进行膨胀制冷，CO2被低温(-56度)所液化，气液分离塔分离出液态CO2入储槽，供下一个蒸发循环。N2气出气液分离塔，又被制冷压缩机吸入，进行下一个热泵循环。

图2是捕捉烟道气中CO2主图，图1是付图。烟道气首先进入除水.除尘.干燥系统，对烟气进行预处理，二次加压后进入板式换热器，和从气液分离塔出来的冷尾气进行冷热交换，使烟气得到降温，而后进入氨冷器B，氨吸收烟道气中的温度，使烟道气中的温度降到-56度，CO2进入液化壮态，进入气液分离塔被分离出来，送入CO2储槽，成为商品CO2。

而降压吸热后的气氨，被冰机吸入加压后，气氨温度迅速上升，可达到150度左右，送入CO2预热器，和气化发电系统的冷CO2进行冷热交换，气氨温度下降成为液氨，送入储槽供下一个制冷制热循环。蒸发剂CO2本身不起任何化学反应，很少损耗，主要是漏点和生产不正常时放空，造成损耗。制冷制热剂氨也没有损耗，可以反复使用。制冷制热剂N2有损耗，主要是生产不正常时，用液N2对气液分离塔进行降温，液N2的温度在-180度左右，送入气液分离塔迅速气化，吸收气液分离塔中CO2热量，CO2迅速降温达到液化，但进入N2循环系统的N2含量不能太高，20％左右比较合适，高出此范围必须放空，造成损耗，所以必须经常进行补给，以备急用。

具体实施方式：超低温发电联合深冷中压法捕捉烟道气中CO2装置，它的动力源就是低温热量，所以必须依靠有余热废热，有锅炉的企业来建造。首选企业是火力发电厂，它有大量的废热和余热，锅炉的烟道气质量也高，锅炉产生的高压蒸汽，推动汽轮机发电后的低压蒸汽，可以直接通入CO2蒸发器中，对CO2进行加热使其气化，产生高压气体，不需要特殊的余热废热提取设备，而且温度和总热量基本不变，便于提高发电效率和装置的稳定性，可以选择大规模的发电和捕捉CO2装置。

发出的电力可直接上国家电网，无需复杂的上网手续，技术工艺和火力发电相似，职工的培训及设备的维修和备品备件的准备也好进行，以上优点对按装此装置有极大的帮助，能有效地发挥此装置的作用，为节能降耗，减少CO2排放，减少水资源的浪费，并回收烟道气中的CO2，成为化工原料贡献力量。

笫二是大型氮肥企业，合成氨装置有大量的废热可以利用，(1)大型气体压缩机的压缩热。(2)变换炉.合成塔的化学反应热。(3)造气炉半水煤气湿热。(4)锅炉的烟道气热。(5)吹风气锅炉的尾气热。这些热量都可利用，但必须增加一套温度提取设备，把低温废热收集起来，送入CO2蒸发器中，完成对CO2的超临界加温，形成高压气体，推动气轮机高速运转，带动发电机完成发电任务。

大型氮肥企业需要大量的电能，这样就可以就地消化，超低温发电装置发出的电力，可直接并入本企业的电网中，供本企业使用，这样企业就可以节省一大部分电费开支，既节能降耗，又科技环保。CO2捕捉系统，又回收了烟道气中的CO2，它是重要的化工原料，可以生产多种产品。

超低温发电联合深冷中压法捕捉烟道气中CO2装置，综合了多学科的技术，一旦实施还有大量的工作要做，设备的选型，非标设备的设计及制作，工艺指标参数的制定，原始开工生产的生产方案，这需要多学科的技术人员参加，一起深入研究，共同完善此装置，使此装置更加合理.科学.先进，为节能降耗，提高能源利用率，减少二氧化碳排放，共同完成这项利国.利民.利地球的工程。

Claims (1)

1.超低温发电联合深冷中压法捕捉烟道气中二氧化碳装置，是针对火力发电厂，大型氮肥企业开发的一种发电和捕捉CO2装置，采用CO2为蒸发剂，氮气和氨为制冷制热剂，其技术特征是：所述“超低温发电联合深冷中压法捕捉烟道气中二氧化碳装置”是由低温气化发电系统和制热制冷系统，深冷中压法捕捉烟道气中CO2系统和制热制冷系统，共两大系统组成该装置， 

液体CO2从储槽中，被调频高压泵送入蒸发系统，氮制热和氨制热依次对CO2进行加热，低温废热，余热最后对CO2进行加热，使CO2的温度达到超临界温度以上，产生高压气体，推动气轮机高速运转，带动发电机发电，氮气和氨气对液体CO2进行加热后，它本身的温度也大大降低，氨被液化送入储槽，进行下一个循环；氮虽然不液化，但温度也大大降低，从冷热交换器出来后，和从气轮机出来的CO2气体混合，一起进入氨冷器A进一步降温，而后进入膨胀制冷机进行作功制冷，膨胀制冷机带动发电机第二次发电，最后进入气液分离塔，这时的混合气温度一定要达到 -53------ -56度，CO2被液化分离出来，送入储槽供下一个蒸发循环，因氮的沸点更低不会液化，从气液分离塔项出来，被制冷压缩机吸入，进行下一个制热制冷循环； 

捕捉烟道气中CO2系统，充分利用蒸发气化发电系统的冷量，来冷却烟道气的温度，同时又对蒸发气化发电系统的CO2加热，利用氨冷器B和冰机的强大制热制冷效果，把烟气温度降到-56度，将CO2液化加以捕捉。