CN103143249B - 电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法与装置，包括烟气预处理系统所包含的脱硝、除尘和脱硫系统，以及水洗塔、吸收塔和再生塔等主塔设备。该系统还包括有蒸汽供给系统、溶液储罐系统、烟气干燥/吸附和换热系统、溶液吸收-再生系统，以及胺回收加热器等组成。本发明将电厂和CCS有机集成于一个系统，有效利用了电厂大量的蒸汽供给条件，解决了烟道气带水进入脱碳循环系统破坏水平衡的问题，大大降低了脱碳溶剂消耗量。为脱碳溶剂设计的溶剂吸收-再生循环系统设置了贫液换热器、贫/富液换热器以及富液换热器，大大提高了系统能量利用效率，使CCS系统能耗明显下降。

Description

电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法与装置
技术领域
本发明涉及一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法与装置，属于烟气净化与温室气体减排技术领域。
背景技术
大气中的CO2、O3以及水汽等气体，可以透过太阳短波辐射(吸收少)，但却阻挡地球表面向宇宙空间的长波辐射(吸收多)，随着CO2等浓度的增加，造成入射能量和逸散能量失去平衡，形成固定能量多于再辐射至空间的能量时，地球大气的温度必然增高，这种现象称作温室效应(greenhouse effect)。
二氧化碳是最重要的认为温室气体，能源活动是其主要的排放源。据政府间气候变化专门委员会(简称IPCC)第四次评估报告，全球大气中CO2的浓度从1750年的0.280mL/L增加到2005年的0.379mL/L，增加了35％，2004年全球CO2的排放量比1970年增加了月80％。报告还指出，工业化时期以来大气CO2浓度的增加，主要源于化石燃料的使用。我国人均累计CO2排放量很低，但是排放总量已位居世界第一，而且中国能源结构以煤为主，在电源结构方面将继续维持燃煤机组为主体的基本格局。近年来随着火电装机容量的迅速增发，燃煤电厂CO2排放的绝对量和相应比例将进一步增加。2000年我国火电厂单位发电量的CO2排放量高达1.09kg/(kW·h)，减少火电厂CO2排放及其捕集封存和资源化，对于控制和减少温室气体的排放，应对温室效应、全球变暖问题具有重要意义。
目前，世界范围内的电厂还没有大规模二氧化碳捕集的工业化装置，现在已建成的最大规模燃煤电厂碳捕集示范工程为上海石洞口电厂年产10万吨CO2排装置。但也存在运行成本高、系统三废排放量大且难处理的等问题。国内外在电厂碳捕集方面的研究也从未间断过，被认为目前最成熟、最具有市场推广前景的电厂碳捕集技术为化学溶剂法脱碳。该技术方法已在国内外多个工业化示范装置上进行测试，如中国专利CN101314102公开了一种燃煤电厂烟气中二氧化碳捕集方法与装置，该系统采用了双吸收塔串联的方法提升烟气处理量和处理效率。中国专利CN101063405公开了一种锅炉烟道气回收净化注井采油装置。中国专利CN201010001164.8公开了一种燃煤电厂烟气中二氧化碳捕集系统及处理方法，并在中国重庆合川双槐电厂建有年产1万吨的示范装置，但是由于工艺流程没有克服主要技术难题，导致运行过程中存在能耗高、水耗大和运行不稳定等问题。
因此，解决电厂锅炉岛、锅炉尾部烟气净化岛、发电岛与CCS岛的优化整合问题是将来CCS技术在电站大规模应用的主要技术难题。该难题严重限制了CCS技术在电厂中的大规模碳捕集应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适合于大规模化应用、运行稳定可靠、低能耗、高洁净的电站锅炉烟气中二氧化碳大规模捕集方法与装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，其特征在于，包括净化系统，净化系统的出口端连接由一个或两个以上并联连接的脱硫脱硝水洗塔组成的脱硫脱硝水洗系统中每个脱硫脱硝水洗塔的底部，脱硫脱硝水洗塔上部设有水洗段，水洗段的上方连接水洗液储罐；脱硫脱硝水洗塔的底部还连接一个再生罐，再生罐连接脱硫脱硝溶液储罐，脱硫脱硝溶液储罐与脱硫脱硝水洗塔的水洗段的下方连通；脱硫脱硝水洗塔的顶端通过置烟气换热器连接吸收塔的底部；吸收塔的顶部设有水洗段，吸收塔水洗段的下方通过洗涤液冷却器吸收塔洗涤液储罐连通，吸收塔洗涤液储罐与吸收塔的顶部连通；外部水蒸汽分别与再沸器、胺回收加热器及前置烟气换热器连通；再沸器与再生塔的底部相互连通形成循环；再生塔的底部分别连接胺回收加热器、贫/富液换热器，胺回收加热器还分别与再生塔的中部、净化系统连接；再生塔的顶部依次通过富液换热器与气液分离器连接；吸收塔的底部依次连接富液换热器、贫/富液换热器后，与再生塔的上部连接；贫/富液换热器通过贫液换热器与吸收塔水洗段的下方连通。
优选地，所述的净化系统包括依次连接的脱硝系统、除尘系统及脱硫系统，所述脱硫脱硝水洗塔与所述胺回收加热器分别与脱硫系统连接。
优选地，所述的脱硫脱硝水洗塔与所述前置烟气换热器之间设有至少一个干燥吸附塔。
优选地，所述的水蒸汽通过减温减压系统分别与再沸器、胺回收加热器及前置烟气换热器连通。
进一步地，所述的减温减压系统包括3个减温减压器，减温减压器一与所述再沸器连接；减温减压器二与所述胺回收加热器连接；减温减压器三与所述前置烟气换热器连接。
优选地，所述的贫液换热器与所述吸收塔之间设有贫液过滤器。
优选地，所述的富液换热器与所述气液分离器之间设有产品气冷凝器。
优选地，所述吸收塔中的通入的烟气从吸收塔顶部烟囱直接排空或经洗涤后循环至吸收塔顶部烟囱排空。
优选地，所述减温减压系统中蒸汽压力不大于10Mpa，温度不大于540℃。
本发明还提供了一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，采用上述任意一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，烟气经过净化系统净化后通入脱硫脱硝水洗塔底部并向上流动，与从脱硫脱硝水洗塔上部喷入的脱硫脱硝溶液逆流接触，进一步脱除烟气中的SOx、NOx；剩余烟气继续向上流动进入脱硫脱硝水洗塔顶部水洗段，再进入前置烟气换热器，使烟气温度低于40℃；降温后的烟气从吸收塔底部进入向上流动与吸收塔上部喷入向下流动的脱碳吸收剂逆向混合，脱除烟气中的CO2；剩余烟气在吸收塔顶部水洗段被水洗液喷淋洗涤，洗除烟气中夹带的少量吸收液，烟气从吸收塔顶部排空；吸收塔内吸收了CO2的富液进入富液换热器，在富液换热器内，富液与从再生塔顶部流出的CO2气体换热升温，再进入贫/富液换热器进行热交换后从再生塔中上部喷入再生塔；富液在再生塔内自上往下流动，在再生塔中下部被引出进入再沸器，与从减温减压系统通入的水蒸汽进行换热再生，贫液在再生塔底部引出后经贫/富液换热器后进入贫液换热器后从吸收塔水洗段下方喷入吸收塔完成吸收剂吸收与再生的循环过程；同时，再生塔底部的底液经胺回收加热器进行回收再生，胺回收加热器的热源为水蒸汽；再生塔内CO2气体被不断从富液中蒸出从再生塔顶部通入富液换热器，再从富液换热器进入气液分离器后得到CO2产品气。
优选地，所述再生塔底部的底液中5-30％的底液进入所述胺回收加热器。
本发明提供的电站锅炉烟气中二氧化碳大规模捕集装置的水洗塔可由一个或多个串/并联组成水洗系统，水洗液由洗涤液槽供应，在水洗塔内实现保碳脱硫脱硝的过程，使NOx、SOx等酸性气体被拦截在脱碳吸收塔入口之外。
水洗塔后设有干燥塔或吸附塔主要用于控制烟气中剩余水蒸汽和酸性气体，避免破坏脱碳溶剂吸收-再生系统的水平衡和降低溶剂失活率，但该干燥塔和吸附塔中间设有旁路，可不经过吸附和干燥直接进入下游工序，为更换吸附剂和干燥剂提供便利。
吸收塔入口换热器主要用控制吸收塔入口烟气温度，确保烟气温度控制在脱碳溶剂最佳活性温度范围内。
吸收塔由一个或多个串/并联构成，吸收顶部部还设有水洗段，洗涤水经洗涤液换热器换热后进入洗涤水槽循环使用。
吸收塔底部富液经富液泵加压送入各换热器换热后进入再生塔再生，再生塔内顶部设有金属滤网，以避免产生的CO2气流夹带溶剂泡沫或其他杂质进入后续工艺。
再生塔底部贫液抽取5～30％底液进入胺回收加热系统进行再生，剩余贫液经贫富液换热器和贫液换热器后再通过贫液过滤器后进入吸收塔，完成溶液循环。
再生塔顶部出口的CO2气体温度高达85℃以上，为充分利用该部分热量，同时降低产品气中水蒸汽浓度，依次设有一富液换热器、产品气冷却器和气液分离器。
系统内热源均取自电厂系统乏汽或低压蒸汽，该部分蒸汽为满足CCS工艺要求，在蒸汽入口处设一减温减压装置控制蒸汽参数。
相比现有技术，本发明提供的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法与装置具有如下有益效果：
(1)本发明采用了三塔系列，即水洗塔、吸收塔和再生塔，在水洗塔之后设置了干燥/吸附塔和换热器，可严格控制吸收塔入口的烟气温度和含水量，解决了吸收-再生系统水平问题；
(2)本发明采用了电厂辅助蒸汽或乏汽作为CCS系统再生热源，如用于再生塔溶液再生、胺回收加热器残液再生和干燥/吸附塔再生吹扫，可大大提高能源利用效率，降低系统能耗；
(3)本发明采用了富液换热器、贫富液换热器以及贫液换热器，提高了吸收-再生系统内的能量最大化利用。
本发明克服了现有技术的不足，运行稳定可靠，二氧化碳捕集工艺系统设计合理，能量利用率高，适合于大规模化应用。
附图说明
图1为本发明提供的电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置的示意图；
图2为本发明提供的电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法的流程图。
图中：
1-脱硝系统；         2-除尘系统；          3-脱硫系统；
4-脱硫脱硝水洗塔；   5-吸收塔；            6-再生塔；
7-水洗液储罐；       8-脱硫脱硝溶液储罐；  9-吸收塔洗涤液储罐；
10a-干燥吸附塔一；   10b-干燥吸附塔二；    11a-前置烟气换热器；
11b-洗涤液冷却器；   12-贫液过滤器；       13-贫液换热器；
14-贫/富液换热器；   15-胺回收加热器；     16-富液换热器；
17-产品气冷凝器；    18-气液分离器；       19-再沸器；
20a-减温减压器一；   20b-减温减压器二；    20c-减温减压器三。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
一、装置
图1为本发明提供的电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置的示意图，包括净化系统，净化系统包括依次连接的脱硝系统1、除尘系统2及脱硫系统3。脱硫系统3的出口端连接一个脱硫脱硝水洗塔4的底部，脱硫脱硝水洗塔4上部设有水洗段，水洗段的上方通过泵连接水洗液储罐7。脱硫脱硝水洗塔4的底部还连接一个再生罐21，再生罐21通过泵连接脱硫脱硝溶液储罐8，脱硫脱硝溶液储罐8通过泵与脱硫脱硝水洗塔4的水洗段的下方连通。脱硫脱硝水洗塔4的顶端通过置烟气换热器11a连接吸收塔5的底部。脱硫脱硝水洗塔4与前置烟气换热器11a之间设有2个并联连接的干燥吸附塔，即干燥吸附塔一10a、干燥吸附塔二10b。吸收塔5的顶部设有水洗段，吸收塔5水洗段的下方通过洗涤液冷却器11b吸收塔洗涤液储罐9连通，吸收塔洗涤液储罐9与吸收塔5的顶部连通。外部水蒸汽分别通过减温减压器一20a、减温减压器二20b、减温减压器三20c与再沸器19、胺回收加热器15及前置烟气换热器11a连通。再沸器19与再生塔6的底部相互连通形成循环。再生塔6的底部分别连接胺回收加热器15、贫/富液换热器14，胺回收加热器15与再生塔6的中部连接。胺回收加热器15通过泵与脱硫系统3连接。再生塔6的顶部依次通过富液换热器16、产品气冷凝器17与气液分离器18连接。吸收塔5的底部通过泵连接富液换热器16后，依次连接贫/富液换热器14、再生塔的上部连接。贫/富液换热器14依次通过贫液换热器13、贫液过滤器12与吸收塔5水洗段的下方连通。
脱硝系统1采用SCR脱硝；除尘系统2采用静电除尘；脱硫系统3采用FGD脱硫。
二、二氧化碳捕集方法
1、烟道气来源：
某电厂烟道气含量(体积分数)：H2O(20.12％)、CO2(11.19％)、CO(100PPm)、N2(64.51％)和O2(4.17％)，该烟道气中还含有灰尘(50mg/Nm3)、NOx(40mg/Nm3)及SOx(72mg/Nm3)。
2、目标：捕集CO2产品气：纯度≥96％，气态。
3、方法步骤：
电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法的流程如图2所示，来自电厂的烟气经过脱硝系统1、除尘系统2和脱硫系统3后进入脱硫脱硝水洗塔4底部并向上流动，与从脱硫脱硝水洗塔4上部喷入的脱硫脱硝溶液逆流接触，进一步脱除烟气中的SOx、NOx；剩余烟气继续向上流动进入脱硫脱硝水洗塔4顶部水洗段，再进入前置烟气换热器11a，使烟气温度低于40℃；降温后的烟气从吸收塔5底部进入向上流动与吸收塔5上部喷入向下流动的脱碳吸收剂逆向混合，脱除烟气中的CO2；剩余烟气在吸收塔5顶部水洗段被水洗液喷淋洗涤，洗除烟气中夹带的少量吸收液，烟气从吸收塔5顶部排空；吸收塔5内吸收了CO2的富液进入富液换热器，在富液换热器16内，富液与从再生塔6顶部流出的CO2气体换热升温，再进入贫/富液换热器14进行热交换后从再生塔6中上部喷入再生塔6；富液在再生塔6内自上往下流动，在再生塔6中下部被引出进入再沸器19，与从减温减压系统通入的水蒸汽进行换热再生，贫液在再生塔6底部引出后经贫/富液换热器14后进入贫液换热器13后从吸收塔5水洗段下方喷入吸收塔5完成吸收剂吸收与再生的循环过程；同时，再生塔6底部的底液经胺回收加热器15进行回收再生，胺回收加热器15的热源为水蒸汽；再生塔6内CO2气体被不断从富液中蒸出从再生塔6顶部通入富液换热器16，再从富液换热器16进入气液分离器18后得到CO2产品气。
再生塔6底部的底液中5-30％的底液进入所述胺回收加热器15。吸收塔5中的通入的烟气从吸收塔5顶部烟囱直接排空或经洗涤后循环至吸收塔5顶部烟囱排空。
二氧化碳捕集系统中所需水蒸汽分为三个等级，分别为再沸器19所需再生蒸汽、胺回收加热器15再生所需蒸汽和干燥吸附塔一10a/干燥吸附塔二10b/前置烟气换热器11a再生所需蒸汽，蒸汽参数可由减温减压装置控制调节。减温减压器一20a，即进入再沸器19的蒸汽控制温度为143℃，0.3MPa；、减温减压器二20b，即进入胺回收加热器15的蒸汽参数为170℃，0.7MPa；减温减压器三20c，即进入干燥吸附塔一10a/干燥吸附塔二10b/前置烟气换热器11a再生所需蒸汽的参数为150℃，0.5MPa。
本发明中设有水洗液储罐7和洗涤液储罐9，分别用于供给水洗塔4和吸收塔5顶部水洗段喷淋用液，保碳脱硫脱硝溶剂设有溶剂储罐9和溶剂中和再生罐21。胺回收加热器15无法再生的残渣、残液经泵增压后送至脱硫系统3再利用或统一处理。
三、检测试验
检测CO2产品气中CO2的纯度为98％。
本发明与传统二氧化碳捕集工艺系统相比，电单耗下降约20％，脱碳溶剂等化学药剂单耗下降约40％，水单耗下降约15％，系统年稳定运行时间可达7200h以上。
当CO2产品用于生物养殖时仅需要脱除烟气或原料气中的有毒有害杂质气体，保留CO2即可，因此，工艺流程仅需要到水洗脱硫工段出口可达到产品标准。
当CO2产品需要达到工业级时，原料气需要经走完本系统全流程，才能达到工业级提及浓度99％以上。
当CO2产品需要达到工业级时，原料气需要经走完本系统全流程，再进行精制提纯工艺才能达到99.9％以上纯度，此时，本工艺流程可为精制流程提供原料气，达到高度提浓效果。
四、总结
上述试验结果表明，本发明提供的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法与装置，由于采用了电厂辅助蒸汽用于CCS供热，大大降低了系统能耗，并在吸收塔5入口增设吸附/干燥工艺和前置式换热器，可灵活控制吸收塔5入口烟道气温度、湿度等参数，该工艺系统易于大型化放大设计。

Claims (11)

1.一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，其特征在于，包括净化系统，净化系统的出口端连接由一个或两个以上并联连接的脱硫脱硝水洗塔(4)组成的脱硫脱硝水洗系统中每个脱硫脱硝水洗塔(4)的底部，脱硫脱硝水洗塔(4)上部设有水洗段，水洗段的上方连接水洗液储罐(7)；脱硫脱硝水洗塔(4)的底部还连接一个再生罐(21)，再生罐(21)连接脱硫脱硝溶液储罐(8)，脱硫脱硝溶液储罐(8)与脱硫脱硝水洗塔(4)的水洗段的下方连通；脱硫脱硝水洗塔(4)的顶端通过前置烟气换热器(11a)连接吸收塔(5)的底部；吸收塔(5)的顶部设有水洗段，吸收塔(5)水洗段的下方通过洗涤液冷却器(11b)吸收塔洗涤液储罐(9)连通，吸收塔洗涤液储罐(9)与吸收塔(5)的顶部连通；外部水蒸汽分别与再沸器(19)、胺回收加热器(15)及前置烟气换热器(11a)连通；再沸器(19)与再生塔(6)的底部相互连通形成循环；再生塔(6)的底部分别连接胺回收加热器(15)、贫/富液换热器(14)，胺回收加热器(15)还分别与再生塔(6)的中部、净化系统连接；再生塔(6)的顶部依次通过富液换热器(16)与气液分离器(18)连接；吸收塔(5)的底部依次连接富液换热器(16)、贫/富液换热器(14)后，与再生塔的上部连接；贫/富液换热器(14)通过贫液换热器(13)与吸收塔(5)水洗段的下方连通。 
2.如权利要求1所述的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述的净化系统包括依次连接的脱硝系统(1)、除尘系统(2)及脱硫系统(3)，所述脱硫脱硝水洗塔(4)与所述胺回收加热器(15)分别与脱硫系统(3)连接。 
3.如权利要求1所述的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述的脱硫脱硝水洗塔(4)与所述前置烟气换热器(11a)之间设有至少一个干燥吸附塔。 
4.如权利要求1所述的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述的水蒸汽通过减温减压系统分别与再沸器(19)、胺回收加热器(15)及前置烟气换热器(11a)连通。 
5.如权利要求4所述的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述的减温减压系统包括3个减温减压器，减温减压器一(20a)与所述再沸器(19)连接；减温减压器二(20b)与所述胺回收加热器(15)连接；减温减压 器三(20c)与所述前置烟气换热器(11a)连接。 
6.如权利要求1所述的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述的贫液换热器(13)与所述吸收塔(5)之间设有贫液过滤器(12)。 
7.如权利要求1所述的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述的富液换热器(16)与所述气液分离器(18)之间设有产品气冷凝器(17)。 
8.一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任意一项提供的电站锅炉烟气中二氧化碳捕集装置，烟气经过净化系统净化后通入脱硫脱硝水洗塔(4)底部并向上流动，与从脱硫脱硝水洗塔(4)上部喷入的脱硫脱硝溶液逆流接触，进一步脱除烟气中的SOx、NOx；剩余烟气继续向上流动进入脱硫脱硝水洗塔(4)顶部水洗段，再进入前置烟气换热器(11a)，使烟气温度低于40℃；降温后的烟气从吸收塔(5)底部进入向上流动与吸收塔(5)上部喷入向下流动的脱碳吸收剂逆向混合，脱除烟气中的CO2；剩余烟气在吸收塔(5)顶部水洗段被水洗液喷淋洗涤，洗除烟气中夹带的少量吸收液，烟气从吸收塔(5)顶部排空；吸收塔(5)内吸收了CO2的富液进入富液换热器，在富液换热器(16)内，富液与从再生塔(6)顶部流出的CO2气体换热升温，再进入贫/富液换热器(14)进行热交换后从再生塔(6)中上部喷入再生塔(6)；富液在再生塔(6)内自上往下流动，在再生塔(6)中下部被引出进入再沸器(19)，与从减温减压系统通入的水蒸汽进行换热再生，贫液在再生塔(6)底部引出后经贫/富液换热器(14)后进入贫液换热器(13)后从吸收塔(5)水洗段下方喷入吸收塔(5)完成吸收剂吸收与再生的循环过程；同时，再生塔(6)底部的底液经胺回收加热器(15)进行回收再生，胺回收加热器(15)的热源为水蒸汽；再生塔(6)内CO2气体被不断从富液中蒸出从再生塔(6)顶部通入富液换热器(16)，再从富液换热器(16)进入气液分离器(18)后得到CO2产品气。 
9.如权利要求8所述的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述再生塔(6)底部的底液中5-30％的底液进入所述胺回收加热器(15)。 
10.如权利要求8所述的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述吸收塔(5)中的通入的烟气从吸收塔(5)顶部烟囱直接排空或经洗涤后循环至吸收塔(5)顶部烟囱排空。 
11.如权利要求8所述的一种电站锅炉烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于， 所述减温减压系统中蒸汽压力不大于10Mpa，温度不大于540℃。 
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