CN102438731A - 从二氧化碳捕获和压缩过程回收热量来用于燃料处理 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于捕获CO2的系统和过程100。过程100包括通过将热量提供给燃料处理过程130来再利用来自CO2压缩过程120的热量。该热量可用来干燥化石燃料以改善化石燃料的燃烧效率。

Description

从二氧化碳捕获和压缩过程回收热量来用于燃料处理
背景
本申请总体上涉及热量回收。更具体地说，本申请涉及用于从二氧化碳捕获过程中回收废热以及使用该废热来干燥化石燃料的系统和方法。
二氧化碳(CO2)气体从诸如化石燃料发电厂以及垃圾焚化厂的各种工业设施释放到大气中。虽然通过提高能量转换和利用效率可实现大幅度减少CO2的排放，但是这样的减少可能不足以实现大气的CO2稳定。因此，已经致力于捕获和封存(sequestration)化石燃料发电厂排出的CO2。
一种类型的化石燃料发电厂使用粉煤作为燃烧源。粉煤具有的含水量可从约3％(重量)到约5％(重量)而变化。在有些情况下，可能需要在高效地燃烧粉煤来产生热量以前需要干燥粉煤。在这些情况下，可使用装置蒸汽、燃烧炉烟道气或再生式空气加热器来干燥粉煤。通常，在减小煤的颗粒大小的粉碎机中，通过与用来燃烧粉煤的同一空气来干燥烟煤或次烟煤。例如，烟道气可流过管状或再生式空气加热器以加热初级空气。对于较低级的、较潮湿的煤，燃烧炉烟道气也可与环境空气混合并供应给煤干燥单元。在煤干燥单元中使用蒸汽热的情况下，蒸汽将热量供应给流化床，并且用作流化介质和干燥介质。另一种类型的用于发电厂的化石燃料是褐煤，其有高的含水量，并且在燃烧之前通常需要干燥。
已经开发了各种系统和方法来捕获和再利用CO2气体。例如，已经开发了用氨水处理经冷却的烟道气的基于氨的工艺，氨水与烟道气中的CO2反应而形成碳酸铵或碳酸氢铵。可提高与捕获的CO2结合的材料的温度来逆转该捕获反应，以在压力下释放CO2。在另一个实例中，已经开发了各种胺法工艺，它们在吸收/汽提型的再生工艺中用胺的水溶液处理烟道气，以吸收CO2用于后续的解吸和捕获。
在这些示例性的CO2捕获方法中以及在其它类似方法中，为了运输和存储，捕获的CO2在再生后被压缩。CO2的再生和压缩导致有大量的废热。
所需要的是一种用于回收在CO2捕获过程中产生的废热的系统和方法，并且特别是，一种用于通过回收废热用于其它装置或设备操作(例如煤干燥)来改善装置的总效率的系统和方法。
公开的系统和方法的所意图的优点满足了这些需要中的一个或多个或者提供了其它有利的特征。根据本说明书，将使其它特征和优点显而易见。所公开的教导延伸到落入权利要求的范围内的那些实施例，而不管它们是否满足前面提到的需求中的一个或多个。
概述
根据本文示出的各方面，提供了一种用于回收热量的方法。该方法包括：通过捕获过程来从气流中分离出大量的CO2；将分离出的CO2提供给压缩过程；捕获在压缩过程期间释放的热量；以及将在压缩过程期间释放的热量提供给燃料处理过程。
根据本文示出的其它方面，提供了一种用于回收热量的系统，其包括用于从气流中分离出CO2的捕获系统和用于压缩从气流中分离出的CO2的压缩系统，以及燃料处理系统。压缩系统包括由压缩系统加热的至少一个经加热空气流。燃料处理系统接收该至少一个经加热空气流。
根据本文示出的其它方面，提供了一种CO2捕获系统，其包括用于产生包含CO2的烟道气流的燃烧系统、用于从烟道气流中分离出大量的CO2的捕获系统、用于压缩从烟道气流中分离出的CO2的压缩系统，以及燃料处理系统。压缩系统包括由压缩系统加热的经加热空气流。燃料处理系统接收该经加热空气流。
上面描述的特征以及其它特征通过以下附图和详细描述来例示。
附图简述
图1是根据本发明的第一实施例的用以从CO2捕获过程回收废热的工艺的一个实施例的示意图。
图2是示例性CO2捕获过程的示意图。
图3是根据本发明的褐煤干燥过程的一个实施例的示意图。
图4是根据本发明的褐煤干燥过程的另一个实施例的示意图。
示例性实施例的详细描述
图1是根据本发明的CO2捕获过程100(以下称为“过程100”)的一个示例性实施例的工艺流程图。参照图1，过程100包括CO2捕获或移除过程110、CO2压缩过程120，以及废热再利用过程130。在这个示例性实施例中，CO2移除过程110是基于胺的过程。在另一个实施例中，CO2移除过程110可为基于氨的过程或用于从气流中移除酸性气体污染物的其它过程。气流可为来自化石燃料燃烧过程的烟道气流。
CO2移除过程110包括构造成使待净化的气流与一种或多种洗液接触的CO2吸收单元201，以下称为“吸收单元201”。在一个实施例中，气流是包含CO2的烟道气流。在一个实施例中，洗液可为水/胺洗液。在另一个实施例中，洗液可包含胺化合物。在一个实施例中，气流是含CO2的烟道气流，并且洗液是水/胺洗液。待从中移除CO2的烟道气流通过烟道气管线202供给吸收单元201。烟道气流被换热器203冷却。对换热器202提供来自冷却流体进料管线204的冷却流体。冷却流体从烟道气流中移除热量，并且通过冷却流体排出管线205排出换热器。
在吸收单元201中，烟道气与洗液接触。在这个接触期间，烟道气中的CO2被吸收到洗液中。在一个实施例中，通过使烟道气在洗液中鼓泡或将洗液喷到烟道气中来使烟道气与洗液的接触。通过洗液进料管线220来对吸收单元201供给洗液。可通过补充管线222来对吸收单元201供给额外的补充洗液。脱除了CO2的烟道气通过排出管线207离开吸收单元201。可由换热器208进一步冷却烟道气，以及/或者可通过在水洗单元(未示出)中直接与水接触来抛光(polish)烟道气。通过管线209来对换热器208提供冷却流体。冷却流体通过排出管线210排出换热器。
包含吸收的CO2和污染物的洗液通过排出管线211离开吸收单元201。洗液由泵212通过换热器213而泵送到汽提器214，在汽提器214中将CO2从洗水中分离出来。气态CO2通过管线215离开汽提器214。脱除了吸收的CO2的再生洗液通过排出管线216排出汽提器214，并且传送通过换热器213，在换热器213中再生洗液从包含吸收的CO2的洗液中移除热量。然后再生洗液由换热器217冷却。从进料管线218对换热器217供应冷却流体。冷却流体通过排出管线219排出换热器。然后经冷却的再生洗液通过进料管线220返回到吸收器201而完成吸收循环。
将通过管线215离开CO2移除过程110的气态CO2提供给CO2压缩过程120。CO2被供给第一闪蒸单元310，在第一闪蒸单元310中CO2被冷却。CO2在约90℃到约235℃的温度范围中被提供给第一闪蒸单元310。第一闪蒸单元310可为换热器或用作换热器。通过第一空气管线309a来对第一闪蒸单元310提供第一空气流。在第一闪蒸过程期间，通过将热量传递给第一空气流来冷却CO2。在第一闪蒸单元310中，在闪蒸过程期间从CO2中移除湿气。湿气通过第一湿气排出管线312返回到汽提器214。在另一个实施例中，可将湿气提供给具有CO2捕获过程100的其它过程或系统，或提供其它设备操作。用语“湿气”意图包括残余的洗液、液态水、水蒸气和它们的组合，以及水中的任何污染物和杂质。CO2通过第一CO2排出管线313从第一闪蒸单元308中排出，并且供给第二闪蒸单元314。在约90℃到约235℃的温度范围中对第二闪蒸单元314提供CO2。第一经加热空气流通过第一经加热空气管线309b排出第一闪蒸单元310，并且提供给混合器330。如下面论述的那样，额外的闪蒸单元也可为换热器或用作换热器。
在第二闪蒸单元314中，在第二闪蒸过程期间从CO2中移除额外的湿气。从CO2中移除的湿气通过第二湿气排出管线316从第二闪蒸单元314中排出，并且提供给第二混合器335。第二空气流通过第二空气管线315提供给第二闪蒸单元314。在第二闪蒸单元314中的第二闪蒸过程期间，热量从CO2中传递给第二空气流。第二经加热空气流从第二闪蒸单元314中排出，并且通过第二经加热空气管线315b提供给混合器330。CO2通过第二CO2排出管线317从第二闪蒸单元314排出，并且提供给第一压缩机单元318。
第一压缩机单元318将CO2压缩到增加的压力，加压CO2通过第一压缩机排出管线319排出到第一换热器380。第一换热器380是第一中间冷却器。第一中间冷却器空气流通过第一中间冷却器空气管线380a提供给第一中间冷却器380。在第一中间冷却器380中，热量从CO2中传递给第一中间冷却器空气流。第一经加热中间冷却器空气流通过第一中间冷却器经加热空气管线380b从第一中间冷却器380排出，并且提供给混合器330。从第一中间冷却器380排出的CO2通过第一中间冷却器排出管线319a提供给第三闪蒸单元320。在约90℃到约235℃的温度范围中对第三闪蒸单元320提供CO2。
在第三闪蒸单元320中，额外的湿气被从CO2中移除，并且通过第三湿气排出管线322提供给第二混合器335中。第三空气流通过第三空气管线321a提供给第三闪蒸单元320。在第三闪蒸单元320中，在第三闪蒸过程期间，热量从CO2中传递给第三空气流。第三经加热空气流通过第三经加热气体管线321b从第三闪蒸单元320中排出，并且被提供给混合器330。CO2通过第三CO2排出管线323从第三闪蒸单元320中排出，并且被提供给第二压缩机单元324。
第二压缩机单元324将CO2压缩到增加的压力。加压CO2通过第二压缩机排出管线325排出到第二换热器382。第二换热器382是第二中间冷却器。第二中间冷却器空气流通过第二中间冷却器空气管线331a提供给第二中间冷却器382。在第二中间冷却器382中，热量从CO2中传递给第二中间冷却器空气流。第二经加热中间冷却器空气流通过第二中间冷却器经加热空气管线331b从第二中间冷却器382排出，并且被提供给混合器330。从第二中间冷却器382排出的CO2通过第二中间冷却器排出管线325b提供给第四闪蒸单元326。在约90℃到约235℃的温度范围中对第四闪蒸单元316提供CO2。
在第四闪蒸单元326中，额外的湿气被从CO2中移除，并且通过第四湿气排出管线328提供给第二混合器335。第四空气流通过第四空气线327a提供给第四闪蒸单元326。在第四闪蒸单元326中，在第四闪蒸过程期间，热量从CO2中传递给第四空气流。第四经加热空气流通过第四经加热空气线327b从第四闪蒸单元326排出，并且被提供给混合器330。CO2通过第四CO2排出管线329从第四闪蒸单元326排出，并且可用于进一步处理。
如以上论述的那样，将分别通过第一经加热空气管线309b、第二经加热空气管线315b、第三经加热空气管线321b和第四经加热空气管线327b以及第一中间冷却器经加热空气管线315b和第二中间冷却器经加热空气管线331b，将来自第一闪蒸单元310、第二闪蒸单元314、第三闪蒸单元320和第四闪蒸单元326的经加热空气以及来自第一中间冷却器380和第二中间冷却器382的经加热空气提供给混合器330，而形成再利用经加热空气管线330b。
在另一个实施例中，可使用一个或多个闪蒸单元以及一个或多个中间冷却器来对混合器330提供经加热空气。在另一个实施例中，经加热空气管线可被一个或多个混合器和/或旁路结合和/或排除，而形成再利用经加热空气管线330b。在一个实施例中，第一、第二、第三和第四空气流以及第一和第二中间冷却器空气流最初为环境温度到约65℃。在一个实施例中，闪蒸和中间冷却过程将空气加热到介于约65℃到约180℃之间的温度。
在另一个实施例中，来自空气管线315、331和337的经加热空气可以任何组合从CO2压缩过程120中排出以及/或者提供给混合器330。在又一个实施例中，取决于各个单元获得的压缩量以及期望的加压量，可使用更少或更多的闪蒸单元310、314、320、326以及压缩机单元318、325。
如能够在图1中进一步看到的那样，来自CO2压缩过程120的经加热空气通过再利用经加热空气管线330b从混合器330提供给废热再利用过程130。废热再利用过程130是燃料处理过程。在这个示例性实施例中，废热再利用过程130是具有干燥过程的煤粉碎过程。经加热空气被提供给阻尼器410，阻尼器410可在通过管线411排出经加热空气之前旁通一些经加热空气。该经加热空气与来自额外的经加热空气管线412的额外的经加热空气结合。额外的经加热空气可由至少一个再生式空气加热器(未示出)或发电厂中典型地找到的其它源来提供。至少一些额外的经加热空气可由第二阻尼器413旁通。
经加热空气和额外的经加热空气在初级空气管线414内结合。初级空气管线414与空气流动装置415处于流体连通，空气流动装置415控制初级空气管线414中空气的体积和速度。在一个实施例中，该空气流动装置415可为初级空气(PA)风扇。在初级空气管线414中的经加热空气的流率由流量测量装置416测量。在一个实施例中，该流量测量装置可为皮托管。
将经加热空气提供给到粉碎机420，在粉碎机420中经加热空气与通过进料管线421提供给粉碎机420的化石燃料接触。化石燃料可为煤燃料。在一个实施例中，煤燃料可为高水分煤，例如(但不限于)烟煤或次烟煤。
在粉碎机中，经加热空气从煤中移除湿气以及/或者预热煤。粉煤和经加热空气通过粉状燃料进料管线422排出粉碎机。这样，来自闪蒸单元310、314、320和326的经加热空气可用来干燥煤。粉煤和经加热空气被提供给锅炉(未示出)用于燃烧。在一个实施例中，煤和经加热空气在约50℃和约80℃之间的温度处提供给锅炉中。在另一个实施例中，可使用一个或多个粉碎机420来处理煤。
在本发明的另一个实施例中，CO2移除过程110(图1)是图2中显示的基于氨的过程111。参照图2，基于氨的过程111包括布置成使待净化气流和洗液流接触的CO2吸收单元1101，下文称为“吸收单元1101”。气流可为烟道气流。洗液流包括氨。洗液流从烟道气中移除包括CO2的污染物。
待从其中移除CO2的烟道气通过管线1102供给CO2吸收单元1101。烟道气可在进入吸收单元1101之前由第一换热器1121冷却。在CO2吸收单元1101中，烟道气与洗液接触。可通过使烟道气在所述洗液中鼓泡或将洗液喷到烟道气中来使烟道气与洗液的接触。洗液通过管线1103供给CO2吸收单元。在吸收单元1101中，通过形成或者呈溶解形式或者呈固体形式的碳酸铵或碳酸氢铵来将烟道气中的CO2吸收在洗液中。经使用的包含吸收的CO2的洗液通过管线1104离开吸收单元1101，并且被输送到汽提单元1111，在汽提单元1111中CO2从洗液中分离出来。分离出的CO2通过管线1112离开汽提单元，并且被提供给CO2压缩过程120(图1)。脱除了CO2的烟道气通过管线1105离开吸收单元1101。
冷却的氨过程111进一步包括水洗单元1106。水洗单元1106构造成将脱除了CO2的贫化烟道气与第二洗水接触。第二洗水通过管线1107供给水洗单元1106。在水洗单元1106中，残留在贫化烟道气中的污染物(例如氨)被吸收在洗水中。含有吸收的污染物的洗水通过管线1108离开水洗单元。去除了污染物的贫化烟道气通过管线1109离开水洗单元1106。第二洗水可通过再生单元1110回收，在再生单元1110中污染物从第二洗水中分离来。在又一个实施例中，可使用其它的CO2捕获过程来对CO2压缩过程120提供CO2。
在本发明的又一个实施例中，废热再利用过程130(图1)是褐煤干燥过程。图3中显示了褐煤干燥过程500的一个实施例。参照图3，来自CO2压缩过程120(图1)的经加热空气通过经加热空气供应管线511提供给流化床反应器510。经加热空气供应管线511接收CO2压缩过程120(图1)的经加热空气管线331。经加热空气从通过褐煤原料管线512提供给流化床的褐煤中移除湿气。褐煤在被提供给流化床反应器510之前被褐煤粗磨机513粗磨，以减小褐煤的颗粒大小。在另一个实施例中，可使用一个或多个粗磨机513。
在流化床反应器510中，经加热空气接触褐煤，并且从褐煤中移除湿气。来自CO2压缩过程的经加热空气可在被引入流化床反应器510之前与来自再生式空气加热器或其它源的经加热空气结合。在一个实施例中，经加热空气可在高达约80℃的温度处提供给流化床反应器。在另一个实施例中，来自单独的源的经加热空气可单独地提供给流化床反应器510。这样，本发明利用废热来干燥褐煤或对褐煤进行补充干燥，与使用蒸汽来干燥褐煤的传统的褐煤干燥操作相反。因而，本发明减少了用于装置操作中的蒸汽。
包含湿气的经加热空气通过排出管线514排出流化床反应器510，并且被提供给分离器515。分离器515可为静电除尘器。在分离器515处，包括任何褐煤的任何固体被从包含湿气的经加热空气中分离出来。固体通过排出管线516排出分离出器。包含湿气的经加热空气通过排出管线517排出分离出器515。包含湿气的经加热空气然后可或者通过管线518和风扇519返回到流化床反应器，或者通过管线520释放到大气中，或者被提供给蒸气冷凝器521以从通过管线522排出的气体中进一步分离出湿气和/或蒸气冷凝物。可通过进料管线523和返回管线524对蒸气冷凝器521提供冷却流体。冷却流体从包含湿气的经加热空气中移除热量以进一步使湿气冷凝。
在流化床反应器510处，移除了湿气的褐煤通过排出管线525排出。然后褐煤被冷却器526冷却，并且被提供给磨机527以进一步减小褐煤的颗粒大小。然后干燥的褐煤与从除尘器分离出的任何褐煤结合，并且通过管线530排出到锅炉(未示出)。在另一个实施例中，在褐煤被提供给该至少一个褐煤粗磨机513之前，可使用来自CO2压缩过程120(图1)的经加热空气来从褐煤中移除湿气。在这个实施例中，经加热空气可在第二流化床反应器(未示出)中接触褐煤。
图4中显示了根据本公开的褐煤干燥过程500的另一个实施例。如在图4中可看到的那样，使用干燥器510a来替代图3中描述的实施例的流化床反应器510。参照图4，来自CO2压缩过程120(图1)的经加热空气通过经加热空气供应管线511提供给干燥器510a。经加热空气循环通过干燥器510a中的管545，并且不接触褐煤。经加热空气加热褐煤，并且使湿气被从褐煤中移除。湿气通过排出管线514而从干燥器510a中移除。已对褐煤失去热量的经加热空气然后通过排出管线531排出干燥器510a。图4的其它构件与图3中显示的实施例中的描述相同。
虽然示出和描述了本发明的仅某些特征和实施例，但是本领域技术人员可想到许多修改和变化(例如，大小、尺寸、结构、各元件的形状和比例、参数(例如但不限于温度、压力)的值、安装布置、材料的使用、颜料、定向等等的改变)，而不实质上脱离权利要求中叙述的本主题的新颖的教导和优点。根据备选实施例，任何过程或方法步骤的排序或顺序可被改变或者重新排序。因此，应当理解，所附权利要求意图涵盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和变化。此外，为了致力于提供示例性实施例的简要描述，可能没有描述实际实现的所有特征(即，与当前设想的执行本发明的最佳模式没有联系的那些，或与使得能够实现要求保护的发明没有联系的那些)。应当理解，如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，可作出许多对于实现而言专有的决定。这种开发工作可为复杂和费时的，但尽管如此，其仍然是受益于本公开的普通技术人员的设计、生产和制造的例行任务，而无需过度的试验。

Claims (21)

1.一种用于回收热量的方法，包括：
通过捕获过程来从气流中分离出大量的CO2；
将分离出的CO2提供给压缩过程；
捕获在所述压缩过程期间释放的热量；以及
将捕获的热量提供给燃料处理过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热量捕获自闪蒸单元。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热量捕获自换热器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料处理过程选自由煤干燥过程和褐煤干燥过程组成的组。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述捕获过程是基于胺的过程。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述捕获过程是基于氨的过程。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述压缩过程期间捕获热量包括加热空气流而形成经加热空气流，并且将所述捕获的热量提供给燃料处理过程包括用所述经加热空气流来干燥化石燃料。
8.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述换热器包括设置在压缩机单元之后的中间冷却器。
9.一种用于回收热量的系统，包括：
用于从气流中分离出CO2的捕获系统；
用于压缩从所述气流中分离出的CO2的压缩系统，所述压缩系统包括被所述压缩系统加热的至少一个经加热空气流；以及
接收所述至少一个经加热空气流的燃料处理系统。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述压缩系统包括形成所述至少一个经加热空气流的至少一个闪蒸单元。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述压缩系统包括形成所述至少一个经加热空气流的至少一个换热器。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料处理系统选自由煤干燥系统和褐煤干燥系统组成的组。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述捕获系统选自由基于胺的系统和基于氨的系统组成的组。
14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料处理系统构造成通过使化石燃料与该加热空气流接触来加热所述化石燃料。
15.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料处理系统构造成加热化石燃料，而不使所述化石燃料与所述经加热空气流接触。
16.一种CO2捕获系统，包括：
用于产生包含CO2的烟道气流的燃烧系统；
用于从所述烟道气流中分离出大量的CO2的捕获系统；
用于压缩从所述烟道气流中分离出的CO2的压缩系统，所述压缩系统包括至少一个闪蒸单元，所述至少一个闪蒸单元包含被闪蒸CO2加热的经加热空气流；以及
接收所述经加热空气流的燃料处理系统。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述燃料处理过程包括煤干燥系统。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述燃料处理过程包括褐煤干燥系统。
19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述捕获系统是基于胺的系统。
20.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述捕获系统是基于氨的系统。
21.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述褐煤干燥系统构造成用来自所述至少一个闪蒸单元的经加热空气来加热褐煤，而不使所述褐煤与所述经加热空气接触。
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