CN102635843B - 燃烧尾气减排固碳与循环水封闭冷却耦合方法 - Google Patents

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Abstract

一种回收燃烧尾气余热、减排二氧化碳并使循环水封闭冷却相耦合的方法，由完全互溶的二元溶液在（130~350）℃的燃烧尾气高温热源与（15~55）℃的循环水低温热源之间进行解析-吸收相变循环，冷却燃烧尾气并通过固碳和矿化使二氧化碳转化为化学产品、同时回收燃烧尾气余热驱动二元混合工质蒸汽透平发电、并在封闭条件下完成循环水降温（3~10）℃。通过实施例说明本发明使127t/h温度为310℃的燃烧尾气所含25.6t/h二氧化碳的75%以上被磷石膏固体废弃物所矿化，获得碳酸钙产品45.5t/h和硫酸铵产品60t/h，同时获得发电动力大于2MW，并且在35℃夏季气温条件下使1000t/h循环水从40℃封闭冷却降温到35℃，从而同步获得节能、节水、二氧化碳减排和提高经济效益的效果。

Description

燃烧尾气减排固碳与循环水封闭冷却耦合方法
技术领域 
 本发明涉及二氧化碳减排和节能节水技术领域，特别是尾气余热发电、二氧化碳矿化和循环水封闭冷却相结合的方法。
背景技术  
工业流程中由燃烧装置排放＞130℃的含碳尾气同时由凉水塔排放10~35℃的水蒸汽的现象普遍存在，此类末端排放物占温室气体总量的1/3以上、排放的废热量约占所用一次能源量的1/2。现有生产方式视末端排放物为无用、且相对于环境的能位差小（如夏季汽轮机乏汽冷却水与环境温差<5℃）不得不用开放式废热排放（如电厂凉水塔，耗水量＞ 0.3 kg/kW.h）。现有技术可以克服上述问题，但所增加的生产成本使之难于工业化。根据热力学第二定律，构建二元溶液耦合系统，为工业流程提供比大气环境温度更低的冷源以实现循环水封闭冷却、同时将尾气废热转化为功而使其温度降低有利于固碳减排，整体提高工业流程的热力学效率，实现节能节水减排并且降低生产成本。现有技术无法实现尾气减排固碳与循环水封闭冷却耦合的方法。
发明内容  
本发明公开一种方法，利用热力学第一、第二定律构建封闭式二元溶液耦合系统，该系统具有冷热两端，冷端从循环水吸取热量使循环水降温（3~10）℃，热端回收＞130℃的尾气余热产生压力≥0.5MPa的二元工质动力蒸气使尾气余热的15%以上转化为机械能、并实现常温下尾气固碳及矿化。
本发明主要发明思想是：由完全互溶的轻、重两组分配成二元溶液（以下简称溶液），通过调整组成和浓度使在所述温度范围内溶液的饱和蒸汽压为（0.11～2.0）MPa。溶液在以循环水为热源的低温端和以尾气为热源的高温端之间进行解析-吸收相变循环，在低温端输出循环水温度t c＜35℃的条件下使废热排放温度提高到比t c高15℃以上，同时在高温端利用尾气的热量使吸收液在更高的压力下解析、并使蒸汽过热、驱动透平输出动力，尾气降温后固碳及矿化。
在低温解析器2中，需要降温的循环水输入温度为t h、通过间壁放热、输出温度t c比t h降低（3~10）℃，其热量供来自低温闪蒸器1的溶液吸热解析、解析液温度t 2比t c低（3~8）℃、解析蒸汽压力p 2=（0.1~0.5）MPa（由t 2和溶液组成x 2决定）、被抽吸进入一级喷射器10，解析后的溶液被二级吸收加压泵13抽吸。
进入一级喷射器10的射流介质是一级解析液空冷器7来的组成为x 10的溶液、温度t 10比大气环境温度t a高（10~30）℃、压力p 10比低温解析器2来的蒸汽压力p 2高（0.15~0.5）MPa、其气液平衡压力p * 10由t 10和x 10决定（比p 2低0.005~0.035MPa），气液两相通过射流卷吸混合快速喷入一级吸收空冷器6的反应管内进行气液吸收反应放热，热量通过管壁释放到大气环境，使一级吸收液温升不超过15℃，进入一级吸收加压泵12。
加压泵12为一级吸收液提供的扬程保证使该吸收液通过串联的高温解析器4和一级解析液空冷器7后、到达一级喷射器10的入口处溶液压力p 10比p 2高（0.15~0.5）MPa。
在高温解析器4中，尾气与一级吸收液间壁传热，尾气放热、温度从T 5下降到T 4后去中温解析器3继续放热，一级吸收液被加热到温度t 4比t 10高（20~50）℃、解析出的蒸汽压力p 4比p 2高（0.3~1.5）MPa、解析后溶液的组成x 10要满足t 10温度下气液平衡压力p * 10比p 2低（0.005~0.035）MPa的条件，解析出的蒸汽进入蒸汽过热器5进一步加热。
输入温度T 0（＞130℃）的尾气进入蒸汽过热器5，首先与高温解析器4和中温解析器3来的蒸汽间壁传热，尾气温度下降到T 5后去高温解析器4继续放热，蒸汽被过热到温度t 5比T 5低（20~50）℃去驱动二元工质蒸汽透平14。
温度t 5、压力p 4的过热蒸汽驱动二元工质蒸汽透平14输出动力功率不低于尾气（温度T 0）有效热焓值的15%，蒸汽做功后乏汽压力下降到p 14比p 2高（0.05~0.15）MPa、温度下降到t 14比与p 14平衡的温度t * 14高（2~5）℃、被抽吸进入二级喷射器11，
进入二级喷射器11的射流介质是二级吸收加压泵13送来的组成为x 2的低温解析液、经过低温闪蒸器1预热其温度t 11比大气环境温度t a高（1~10）℃、压力p 11比乏汽压力p 14高（0.15~0.5）MPa、其气液平衡压力p * 11由t 11和x 2决定（比p 14低0.005~0.035MPa），气液两相通过射流卷吸混合快速喷入二级吸收空冷器8的反应管内进行气液吸收反应放热，热量通过管壁释放到大气环境，使二级吸收液温升不超过15℃，进入中温解析器3。
在中温解析器3中，由高温解析器4来的尾气与二级吸收液间壁传热，尾气继续放热、温度从T 4下降到T 3比大气环境温度t a高（10~40）℃后去固碳及矿化装置15，二级吸收液被加热、解析出的蒸汽压力p 3与p 4相等，解析后溶液的组成x 3要满足在比低温解析液温度t 2低（1~5）℃的温度下其气液平衡压力p * 3等于p 2，二级解析液的温度t 3比T 3低（10~30）℃、由p 3与x 3决定。
二级解析液通过空冷器9冷却到温度t 9比大气环境温度t a高（10~20）℃、进入低温闪蒸器1与加压泵13送来的低温解析液间壁传热、温度进一步降低（5~10）℃后通过闪蒸使其压力降低到p 1等于p 2，气液两相均进入低温解析器2。
本发明所述循环水输入温度t h在（15~55）℃范围、所述尾气输入温度T 0在（130~350）℃范围、所述大气环境温度t a在（-30~+40）℃范围。
附图说明  附图中图1是本发明提供的尾气减排固碳与循环水封闭冷却耦合方法示意图。图中：1-低温闪蒸器；2-低温解析器；3-中温解析器；4-高温解析器；5-蒸汽过热器；6-一级吸收空冷器；7-一级解析液空冷器；8-二级吸收空冷器；9-二级解析液空冷器；10-一级喷射器；11-二级喷射器；12-一级吸收加压泵；13-二级吸收加压泵；14-二元工质蒸汽透平；15-尾气固碳及矿化装置。
以下结合实施例对附图作进一步阐述。
具体实施方式  以下结合但不限于实施例阐述本发明具体实施方式
物流：CO2浓度（V%）13.2%的燃烧尾气127t/h（CO2含量25.6t/h），温度T 0=310℃；循环水1000t/h，输入温度t h=40℃。任务：循环水封闭冷却降温5℃；CO2减排75%以上；尾气余热有效焓值的15%以上转化为机械功。大气环境温度35℃。使用氨-水二元溶液，组成用氨浓度x（m%）表示。
40℃的循环水1000t/h通过低温解析器2间壁放热温度下降到35℃，其热量供来自低温闪蒸器1的溶液解析，解析液温度t 2=30℃、溶液组成x 2=50%、解析压力p 2=0.4MPa的蒸汽混合物10t/h被抽吸进入一级喷射器10，解析液被抽吸进入二级吸收加压泵13。
喷射器10的射流介质来自一级解析液空冷器7、其组成x 10=38%、温度t 10=50℃、压力p 10=0.65MPa、其气液平衡压力p * 10=0.37MPa，气液两相喷入垂直安装的一级吸收空冷器6的反应管内吸收反应放热，热量通过管壁释放到大气环境，进入一级吸收加压泵12的吸收液温度不超过62℃、加压泵提供的扬程足够使该吸收液通过串联的高温解析器4和一级解析液空冷器7后到达喷射器10的入口处溶液压力p 10≥0.65MPa。
在高温解析器4中，温度T 5≥290℃的尾气间壁加热一级吸收液后尾气温度下降到T 4≥160℃，一级吸收液被加热到温度t 4=85℃解析、解析后溶液组成x 10=38%通过空冷器7送往喷射器10、解析出的蒸汽压力p 4≥1.0MPa进入蒸汽过热器5进一步加热。
温度T 0=310℃的尾气在蒸汽过热器5中间壁加热高温解析器4和中温解析器3来的蒸汽，尾气温度下降到T 5≥290℃后去高温解析器4，蒸汽被过热到温度t 5≥240℃去驱动二元工质蒸汽透平14、输出轴功率≥2MW。乏汽压力下降到p 14=0.53MPa、温度下降到t 14=28℃、被抽吸进入二级喷射器11。
喷射器11的射流介质组成为x 2=50%、温度t 11=36℃、压力p 11=0.8MPa、其气液平衡压力p * 11≤0.52MPa，抽吸蒸汽透平14的乏汽后气液两相通过射流卷吸混合快速喷入二级吸收空冷器8的反应管内吸收反应放热，热量通过管壁释放到大气环境，使二级吸收液温度不超过50℃，进入中温解析器3被温度为T 4的尾气间壁加热到t 3=55℃解析、二级解析压力p 3与p 4相等、解析后溶液的组成x 3=54%，解析出蒸汽5t/h进入蒸汽过热器5与高温解析器4来的蒸汽汇合过热后驱动透平。二级解析液通过空冷器9冷却到温度t 9=45℃、进入低温闪蒸器1与加压泵13送来的低温解析液间壁传热、温度进一步降低6℃后通过闪蒸使其压力降低到p 1=p 2=0.4MPa，气液两相均进入低温解析器2。
在中温解析器3被降温到T 3≤70℃的尾气直接引入固碳及矿化装置15、或通过分离后只把尾气中的二氧化碳引入固碳及矿化装置15，与15.5t/h合成氨（气态）、78.5t/h二水磷石膏（固态）在水溶液中按下式进行气-液-固三相反应
CaSO4·2H2O (固) + 2NH3 (气) + CO2 (气) → (NH4)2SO4 (液) + CaCO3↓(固) + H2O
生成60 t/h硫酸铵（溶液）和45.5t/h碳酸钙（沉淀），从而将20 t/h二氧化碳矿化。
实施例说明本发明的有益效果是使（310℃）燃烧尾气（127 t/h）中CO2（25.6t/h）的75%以上被矿化为碳酸钙产品（45.5t/h）的同时，获得超过燃烧尾气余热有效焓值15%以上的动力产品（2MW）和化肥硫酸铵产品（60 t/h），并且在大气温度35℃条件下使循环水（1000t/h）从40℃封闭冷却降温到35℃、节水15t/h，从而达到节能、节水、减排同时降低生产成本、提高经济效益。
本发明不限于上述实施例，其技术方案已在发明内容部分予以说明。

Claims (1)

1. 一种燃烧尾气减排与循环水封闭冷却的方法，其特征在于该系统具有冷热两端，冷端吸取循环水的热量使之降温3~10℃，热端回收＞130℃的尾气余热并使其15%以上转化为机械能驱动透平输出动力，尾气冷却降温后固碳并矿化为碳酸钙；
二元溶液由完全互溶的轻、重两组分配成，在以循环水为热源的低温端和以尾气为热源的高温端之间进行解析-吸收相变循环，其饱和蒸汽压为0.11～2.0MPa；
需要降温的循环水输入低温解析器、通过间壁放热降温3~10℃后输出、其热量供来自低温闪蒸器的溶液解析，解析液温度比循环水输出温度低3~8℃、被二级吸收加压泵（13）抽吸，解析蒸汽压力由解析液的温度和组成决定、被一级喷射器抽吸；
一级喷射器的射流介质是经过空冷的一级解析液、温度比大气环境温度高10~30℃、压力比所抽吸的低温解析器的蒸汽压力高0.15~0.5MPa、而其气液平衡压力则比之低0.005~0.035MPa；气液两相射流喷入一级吸收空冷器的管内进行吸收反应放热，热量释放到大气环境，使一级吸收液温升不超过15℃；
用加压泵为一级吸收液提供足够的扬程使其通过串联的高温解析器和一级解析液空冷器、到达一级喷射器入口的压力比低温解析器蒸汽压力高0.15~0.5MPa；
尾气在高温解析器间壁放热，加热一级吸收液使其温度升高到比一级喷射器射流介质的温度高20~50℃，解析出的蒸汽压力比低温解析器的蒸汽压力高0.3~1.5MPa，解析后溶液的组成满足其在一级喷射器射流介质入口条件下的气液平衡压力比低温解析器蒸汽压力低0.005~0.035MPa；
＞130℃的高温尾气首先在蒸汽过热器间壁放热、加热高温解析器和中温解析器来的蒸汽，把过热蒸汽出口温度提高到比尾气出口温度低20~50℃； 
过热蒸汽驱动二元工质蒸汽透平，输出动力功率不低于尾气在输入温度下的有效热焓值的15%，蒸汽做功后乏汽压力下降到比低温解析器蒸汽压力高0.05~0.15MPa、乏汽温度下降到比二级喷射器入口射流介质的平衡温度高2~5℃、被抽吸进入二级喷射器；
二级喷射器的射流介质是二级吸收加压泵送来的低温解析器的解析液，经过低温闪蒸器预热其温度比大气环境温度高1~10℃，压力比乏汽压力高0.15~0.5MPa、而其气液平衡压力则比之低0.005~0.035MPa；气液两相射流喷入二级吸收空冷器的管内进行吸收反应放热，热量释放到大气环境，使二级吸收液温升不超过15℃；
经过高温解析器降温的尾气继续在中温解析器间壁放热，加热二级吸收液使其解析出的蒸汽压力与高温解析器相等、解析后溶液的组成要满足在比低温解析液温度低1~5℃条件下其气液平衡压力等于低温解析器的蒸汽压力，二级解析液出口温度比尾气出口温度低10~30℃；
在中温解析器降温到≤70℃的尾气直接引入固碳及矿化装置，与气态氨、固态二水磷石膏在水溶液中进行气-液-固三相反应，使燃烧尾气中75%以上的CO2被矿化为碳酸钙产品；
所述循环水输入温度在15~55℃范围、所述尾气输入温度在130~350℃范围、所述大气环境温度在-30~40℃范围、所述低温解析器中解析蒸汽压力在0.1~0.5MPa。
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