CN102895860A

CN102895860A - 化学吸收co2捕获流程的降耗方法及系统

Info

Publication number: CN102895860A
Application number: CN2012103759607A
Authority: CN
Inventors: 张国强; 杨勇平; 翟代龙; 徐钢; 杨志平; 张锴
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN102895860B

Abstract

一种化学吸收CO₂捕获流程的降耗方法及系统属于能源利用与节能环保领域。基于一般化学吸收法CO₂捕获流程，吸收塔中的吸收剂吸收烟气中的CO₂成为富液，将得到的富液分为两股分别在两个不同压力的再生塔中分离CO₂，以富液高压解吸过程的余热作为低压解吸过程的热源；经再生塔处理后的混有水蒸气的CO₂气流，经过多级气液分离器、冷凝器、压缩机处理，得到高压液态CO₂。本发明减少了整个解吸过程的耗热量，实现了富液分流的高效解吸；在捕获率92%的前提下，改进流程得出了最优系统再生能耗37.84KJ（折合功）/mol，相比改进前能耗47.16KJ（折合功）/mol降低了19.77%，为火电厂低能耗CO₂捕获提供了降低能耗的新方法。

Description

化学吸收CO2捕获流程的降耗方法及系统

技术领域

本发明属于能源利用与节能环保领域，涉及一种化学吸收CO₂捕获流程的降耗方法及系统。

背景技术

当前，大气温室效应是全球面临的最大的环境问题之一，温室气体排放造成的温室效应将导致病虫害增加、海平面上升、气候反常、海洋风暴增多、土地干旱、沙漠化面积增大等一系列严重后果。化石能源系统中CO₂的大量排放被认为是造成全球气候变暖、温室效应加剧的主要原因。我国电力行业（主要是大量燃煤电厂）的CO₂排放量约占到全国CO₂排放总量的50%左右。我国已加入了《京都议定书》，在温室气体减排方面将面临巨大的国际政治、经济和环境压力。我国政府已承诺到2020年单位GDP CO₂排放量将比2005年下降45%。因此燃煤电厂在高效利用煤炭资源的同时，切实可行的减少CO₂量的排放显得尤为重要，必须采取有效措施对烟气中的CO₂进行分离和回收。

燃煤电厂CO₂的捕集技术有燃烧前捕集，燃烧中捕集，和燃烧后捕集。燃烧前捕集主要采用IGCC（整体煤气化联合循环）中，主要缺点是初投资太高。燃烧中捕集应用传统燃煤电站流程中，主要缺点是制氧技术投资和能耗太大。燃烧后捕集应用于火电厂尾部烟气脱碳，吸收方法包括化学吸收法、物理吸收法、膜分离方法、吸附法、低温分离法等。目前普遍认为燃烧后捕集在火电厂碳捕获中最为切实可行，因为采用燃烧后脱碳技术对现有电厂的改造，增加脱碳系统最为可行，投资少并且吸收CO₂量大。根据常规燃煤电厂烟气的特点：烟气温度高，烟气中CO₂分压低，烟气流量大，惰性气体量大即烟气中CO₂浓度低等,通常采用化学吸收法进行尾部烟道CO₂的吸收。化学吸收法对CO₂具有吸收效果好、分离程度高、处理量大、稳定的特点。CO₂化学吸收分离法是一种技术较成熟、适应性强的烟气脱碳工艺技术，并已有工程应用。但由于排气中CO₂浓度通常低于9%，而适合低浓度CO₂分离的化学吸收工艺需要消耗较多的中低温饱和蒸汽用于吸收剂再生，这部分蒸汽通常取自汽轮机抽汽，从而导致蒸汽循环有效输出功减少很多（约20%），会使电厂发电效率降低10~15个百分点，而且也会给汽轮机正常运行带来严重冲击，进而引起一系列的工程技术问题。

显然，过高的分离系统能耗不仅大幅度地降低了燃煤电厂的发电效率，而且意味着额外增加了单位发电量的能耗与CO₂排放量，这一代价是能源系统无法接受的。换言之，从技术角度来看，CO₂分离与回收已经比较成熟，但实现能源系统CO₂分离的难点却在于如何通过降低系统能耗来降低由于分离过程带来的发电系统效率的下降。

发明内容

针对当前对火电厂系统减排CO₂的需求，本发明提供了一种化学吸收CO₂捕获流程的降耗方法，目的是将一般化学吸收法脱碳流程改进，实现脱碳系统能耗大幅度降低。

本发明采用的技术方案为：

基于一般化学吸收法CO₂捕获流程，吸收塔中的吸收剂吸收烟气中的CO₂成为富液，将得到的富液分为两股分别在两个不同压力的再生塔中分离CO₂，以富液高压解吸过程的余热作为低压解吸过程的热源；经再生塔处理后的混有水蒸气的CO₂气流，经过多级气液分离器、冷凝器、压缩机处理，得到高压液态CO₂。

所述吸收剂为K₂CO₃溶液、MEA溶液和氨溶液中的一种或多种。

所述富液分为高压和低压两股，均经过贫富液换热器进入再生塔；再生塔生成的贫液经过贫富换热器与富液换热后返回吸收塔进行循环。

本发明还提供了一种基于所述方法的化学吸收CO₂捕获流程的降耗系统，其技术方案为：

压气机与吸收塔的下部入口连接；吸收塔的底部出口通过富液泵与分离器连接；分离器的出口分两路，分别与第一贫富液换热器和第二贫富液换热器的富液入口连接；第一贫富液换热器和第二贫富液换热器的富液出口分别与第一再生塔和第二再生塔的上部入口连接，第一再生塔和第二再生塔底部的贫液出口分别与第一釜式再沸器和第二釜式再沸器的入口连接，第一釜式再沸器和第二釜式再沸器的贫液出口分别通过贫液泵与第一贫富液换热器和第二贫富液换热器的贫液入口连接，然后通过冷凝器接入吸收塔上部的入口；第一再生塔和第二再生塔顶部的气体出口依次与多级气液分离器、冷凝器、压缩机连接。

本发明的有益效果为：

由于吸收剂循环量越大，系统能耗越高，因此采用将吸收剂循环量进行分股解吸。再生塔解吸压力越高，再沸器塔釜和塔顶出口温度也越高，同时CO₂压缩功耗较低，因此，当再生塔解吸压力相对较大时，直接对再生塔顶部CO₂进行冷凝会造成大量热量损失，合理对此部分余热利用可以降低系统能耗。解吸出来的CO₂需要进行多级压缩级间冷却最后达到高压液态封存，每一级压缩后的CO₂温度较高，直接级间冷凝也会造成大量热量损失，对此部分热量进行能量集成用于系统可以降低系统能耗。当再生塔解吸压力较低时，再沸器塔釜和塔顶出口温度也越低，通过余热回收和热集成即可满足塔釜的热需要，但CO₂压缩功耗较大。

综合CO₂捕获过程的热消耗和压缩功消耗，富液进行75%，25%分股，75%的富液进入再生塔解吸压力1.2bar的再生塔，25%的富液进入再生塔解吸压力0.2bar的再生塔。在此情况下，将冷凝器的热量进行能量集成提供釜式再沸器的热负荷。

本发明相当于整个脱碳系统的吸收剂循环量只是改进前的三分之二，大幅度的降低了再沸器热负荷，此改进方案系统再沸器热负荷只是再沸器热负荷，整个系统再生能耗降低19.77%。

附图说明

图1为基于碳酸钾为吸收剂的改进模拟流程图。

图中标号：

1-烟气；2-压气机；3-吸收塔；4-富液；5-排烟，6-富液泵；7-分离器，8-下股富液；9-第一再生塔；10-贫液；11-第一贫富液换热器；12-第一釜式再沸器；13-贫液泵；15-补充水；16-CO₂物流；18-第二再生塔；20-上股富液；21-第二贫富液换热器；22-第二釜式再沸器；17、23、24、25、26-气液分离器；14、19、27、28、29、30、31-冷凝器；32、33、34、35、36-压缩机。

具体实施方式

本发明提供了一种化学吸收CO₂捕获流程的降耗方法及系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

该降耗方法基于一般化学吸收法CO₂捕获流程，吸收塔中的吸收剂吸收烟气中的CO₂成为富液，将得到的富液分为高压和低压两股，均经过贫富液换热器进入两个不同压力的再生塔中分离CO₂，以富液高压解吸过程的余热作为低压解吸过程的热源；再生塔生成的贫液经过贫富换热器与富液换热后返回吸收塔进行循环；经再生塔处理后的混有水蒸气的CO₂气流，经过多级气液分离器、冷凝器、压缩机处理，得到高压液态CO₂。

实施例

本例中，吸收剂为质量分数33%的K₂CO₃溶液，吸收塔3塔板数为8，第一再生塔9和第二再生塔18的塔板数为12，CO₂贫液负载量α=0.062。系统结构如图1所示

工作时，烟气1经压气机2加压以后进入吸收塔3与自上而下的与K₂CO₃溶液充分接触反应，K₂CO₃溶液充分吸收完CO₂后成为富液4从吸收塔3底流出，吸收完CO₂的烟气从塔顶排出成为排烟5。

富液4经富液泵6加压以后，经分离器7将富液4分成两股流，上股富液20循环流量占75%，下股富液8占25%。下股富液8与来自第一再生塔9底部流出的加压贫液10经第一贫富换热器11换热后温度升高进入第一再生塔9。第一再生塔9解吸压力为0.2bar，经过第一釜式再沸器12后，由贫液泵13加压的贫液10与下股富液8进行换热降温后，再经过冷凝器14降温到吸收塔内CO₂与K₂CO₃反应温度后，与补充水15混合进入吸收塔3完成循环。在第一再生塔9顶端，混有水蒸气的CO₂ 物流16先经过气液分离器17冷凝降温析出水，接着进入两级压缩级间冷却后（包括压缩机32、33，冷凝器27、28和气液分离器23）与第二再生塔18顶部经过冷凝器19后的CO₂ 混合。

上股富液20与来自第二再生塔18底部流出的第二贫液经换热器21换热后温度升高进入第二再生塔18。第二再生塔18解吸压力为1.2bar，再沸器热负荷高，贫液出口温度可达到120℃。第二再生塔18贫液经过第二釜式再沸器22后与上股富液20换热同来自第一再生塔9经过贫富换热后的贫液混合一起进行冷凝进入吸收塔3。

第二再生塔18顶部温度较高，在109℃左右，如果直接冷凝到压缩机进口温度会有大量热量浪费。因此需要此部分热量用于第二再沸器22热负荷。

第二再生塔18顶部CO₂经过一次冷凝后与来自第一再生塔9经两级压缩后的CO₂混合进行三级压缩级间冷却（包括压缩机34、35、36，冷凝器29、30、31和气液分离器24、25、26）达到纯度99%以上的高压液态CO₂。

由气液分离器分离出来的水与补充水15混合循环使用。第一再沸器12热负荷较低，足以将冷凝器（包括冷凝器19、27、28、29、30、31）的能量进行能量集成用于第一釜式再沸器12热负荷。只需控制冷凝器（包括冷凝器19、27、28、29、30、31）出口温度比第一再沸器12贫液流出温度高10℃即可。因此，基于碳酸钾为吸收剂的改进方案再沸器能耗只是第一再沸器12能耗，大大降低了整个系统再生能耗。

表1为该实施例的主要数据参数，从表中可以看出再沸器18热负荷为0.93MW, 冷凝器（19、27、28、29、30、31）能量集成热量为0.94MW，能量集成量足以提供第一再沸器12热负荷。此种状况下，相比改进前能耗47.16KJ（折合功）/mol降低了19.77%，系统能耗大幅度降低，成效显著。

表1：本实施例主要数据参数

Claims

1.一种化学吸收CO₂捕获流程的降耗方法，其特征在于，基于一般化学吸收法CO₂捕获流程，吸收塔中的吸收剂吸收烟气中的CO₂成为富液，将得到的富液分为两股分别在两个不同压力的再生塔中分离CO₂，以富液高压解吸过程的余热作为低压解吸过程的热源；经再生塔处理后的混有水蒸气的CO₂气流，经过多级气液分离器、冷凝器、压缩机处理，得到高压液态CO₂。

2.根据权利要求1所述的化学吸收CO₂捕获流程的降耗方法，其特征在于，所述吸收剂为K₂CO₃溶液、MEA溶液和氨溶液中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的化学吸收CO₂捕获流程的降耗方法，其特征在于，所述富液分为高压和低压两股，均经过贫富液换热器进入再生塔；再生塔生成的贫液经过贫富换热器与富液换热后返回吸收塔进行循环。

4.一种基于权利要求1所述方法的化学吸收CO₂捕获流程的降耗系统，其特征在于，压气机（2）与吸收塔（3）的下部入口连接；吸收塔（3）的底部出口通过富液泵（6）与分离器（7）连接；分离器（7）的出口分两路，分别与第一贫富液换热器（11）和第二贫富液换热器（21）的富液入口连接；第一贫富液换热器（11）和第二贫富液换热器（21）的富液出口分别与第一再生塔（9）和第二再生塔（18）的上部入口连接，第一再生塔（9）和第二再生塔（18）底部的贫液出口分别与第一釜式再沸器（12）和第二釜式再沸器（22）的入口连接，第一釜式再沸器（12）和第二釜式再沸器（22）的贫液出口分别通过贫液泵与第一贫富液换热器（11）和第二贫富液换热器（21）的贫液入口连接，然后通过冷凝器接入吸收塔（3）上部的入口；第一再生塔（9）和第二再生塔（18）顶部的气体出口依次与多级气液分离器、冷凝器、压缩机连接。