CN104174273A - 一种太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成方式及实现方法。该集成系统主要由吸收塔、多级太阳能集热器、多级闪蒸装置、热交换器以及泵等装置组成。其集成方式如下：将所述吸收塔塔底富液依次与所述加压泵与贫/富液热交换器连通，热交换器出口富液直接与太阳能集热器连通，集热器出口与闪蒸装置连通，闪蒸装置底部出来的溶液与溶液混合罐连通，混合罐再通过泵与热交换器与吸收塔上部连通。集成系统根据分离的要求可以实现多级太阳能集热器与闪蒸装置的串联。本发明利用多级太阳能集热来取代再沸器提供解吸的能量，同时利用多级闪蒸装置来取代解吸塔进行CO₂分离，在简化捕集系统的同时，降低了电厂抽蒸汽的消耗，实现了太阳能的利用。

Description

一种太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统及方法

技术领域

本发明涉及可再生能源利用与温室气体减排领域，具体涉及一种二氧化碳捕集工艺与太阳能集热工艺的集成系统。

背景技术

在目前的化学吸收法捕集工艺过程中，烟气中CO₂吸收与解吸主要在吸收塔与解吸塔中进行，由于化学吸收的原理是利用溶剂的可逆化学反应，在解吸过程中不仅需要消耗溶液显热、蒸汽汽化潜热，而且还需提供反应逆向进行的反应热，造成溶液再生时需要消耗大量电厂蒸汽，引起电厂效率的下降，增加了捕集成本，成为制约CO₂捕集技术大规模应用的主要因素。

同时对于现有电厂来说，耦合二氧化碳捕集系统需从汽轮机抽取一定温度和压力的蒸汽，而电厂汽轮机的抽汽点是固定的，抽汽点位置不能随捕集所需温度和压力的变化而变化，这就造成了从汽轮机抽取的高温高压蒸汽需进行减温减压后进入二氧化碳捕集系统，过程中造成不可逆损失，引起高品位能源的极大浪费。

现有对化学吸收法的捕集工艺和技术的改进均是针对吸收塔和解吸塔，更加复杂的塔结构造成塔的造价也随之升高，增加了整个捕集系统的建设成本，因此，为降低建造成本需对捕集工艺进行简化。

利用闪蒸装置来代替解吸塔以实现对富含二氧化碳的溶液进行多级闪蒸，可以在无解吸塔的情况下实现对CO₂的分离，利用更加易于操作和低廉的闪蒸装置取代复杂的解吸塔，简化了工艺，降低了建造成本。

太阳能作为一种可再生的清洁能源，其开发利用潜力十分巨大。将太阳能与二氧化碳捕集系统结合，直接利用太阳能集热产生捕集系统解吸所需温度的热能进行闪蒸解吸，可大幅降低从电厂汽轮机中抽蒸汽的能耗，在维持电厂稳定性的同时实现可再生能源与电厂二氧化碳减排的双重功效，有力推动我国太阳能与烟气捕集集成技术的大规模应用。

申请号为CN103140271的发明专利申请中公开了一种无解吸塔的CO₂解吸，其主要思路是利用换热器作为闪蒸器进行CO₂分离，但其操作过程中仍存在不足：

(1)换热器既作为换热器又进行闪蒸，增加了操作的难度，同时仅利用一个换热器进行闪蒸，富含二氧化碳的吸收液分离程度有限，导致吸收困难。

(2)吸收液闪蒸前仍需要加热到一定温度，而采用直接抽蒸汽加热方式仍需消耗大量电厂蒸汽，造成电厂能耗效率的降低。

发明内容

针对目前捕集系统所带来的高能耗问题以及简化捕集工艺，本发明提出一种太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸集成系统，可以充分利用中低温太阳能集热来补偿传统捕集系统的能耗需求，同时简化捕集工艺，降低系统建设的投资成本。

本发明一种太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统，包括吸收塔、贫液泵、富液泵、贫/富液热交换器、贫液冷凝器、气液分离器、溶液混合罐和连接管路，所述吸收塔的顶部设有液体喷淋入口和气体出口，所述吸收塔的下部设有气体入口和液体出口；该集成系统还包括太阳能辅助多级闪蒸解吸装置，所述太阳能辅助多级闪蒸解吸装置包括多级太阳能集热器和多级闪蒸装置，太阳能集热器与闪蒸装置的个数均为N个，多级太阳能集热器和多级闪蒸装置的连接关系有下述两种情形之一：

一是：一级太阳能集热器、一级闪蒸装置、二级太阳能集热器、二级闪蒸装置、……、N-1级太阳能集热器、N-1级闪蒸装置、N级太阳能集热器、N级闪蒸装置顺次连接；

二是：由一级太阳能集热器、二级太阳能集热器、……、N-1级太阳能集热器、N级太阳能集热器串联形成太阳能集热器阵列，由一级闪蒸装置、二级闪蒸装置、N-1级闪蒸装置、N级闪蒸装置串联形成多级闪蒸装置；太阳能集热器阵列与多级闪蒸装置之间利用多级中间换热器耦合连接，中间换热器的个数为N个，最后一级中间换热器与太阳能集热器阵列的入口之间设有工质泵；

所述吸收塔下部的液体出口连接至所述富液泵的入口，所述富液泵的出口依次连接至所述贫/富液换热器和太阳能辅助多级闪蒸解吸装置，所述太阳能辅助多级闪蒸解吸装置中的各级闪蒸装置的顶部出口均连接至所述冷凝器的入口，最后一级闪蒸装置的液体出口连接至所述溶液混合罐的进口，所述冷凝器的出口连接至所述气液分离器，最后一级闪蒸装置的液体出口和所述气液分离器的液体出口均连接至所述溶液混合罐的进口，所述气液分离器的液体出口连接至所述贫液泵的入口，所述贫液泵的出口连接至所述贫/富液换热器，所述贫液冷凝器设置在所述吸收塔的上部液体喷淋入口与所述贫/富液换热器之间的连接管路上。

本发明一种太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的方法，采用本发明中的太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统；

若多级太阳能集热器和多级闪蒸装置的连接关系是：一级太阳能集热器、一级闪蒸装置、二级太阳能集热器、二级闪蒸装置、……、N-1级太阳能集热器、N-1级闪蒸装置、N级太阳能集热器、N级闪蒸装置顺次连接；则采用太阳能直接换热方式，即：经过预处理的烟气进入吸收塔，经过吸收反应后的气体从吸收塔的顶部排出；经过吸收反应后的富液从吸收塔底部排出经过富液泵加压后进入贫/富液热交换器，换热后的富液进入一级太阳能集热器的集热管中进行加热，富液加热至解吸温度后通入一级闪蒸装置中进行闪蒸，闪蒸出来的气体进入冷凝器，闪蒸后的液体通入二级太阳能集热器，加热到解吸温度后的液体通入二级闪蒸装置中进行二次闪蒸，进一步分离出液体中的CO₂，闪蒸出来的气体进入冷凝器，以此类推，从最后一级闪蒸装置中出来的液体通入液体混合罐，经过冷凝器冷却后的CO₂气体通过气液分离器进行分离，CO₂气体排出，冷却液体通入溶液混合罐进行液体混合，从溶液混合罐出来的液体通过贫液泵后与贫/富液换热器的富液进行换热，换热后的贫液通入贫液冷凝器中，从贫液冷凝器中出来的贫液从吸收塔的上部喷淋至塔内；

若多级太阳能集热器和多级闪蒸装置的连接关系是：由一级太阳能集热器、二级太阳能集热器、……、N-1级太阳能集热器、N级闪蒸装置串联形成多级太阳能集热器，由一级闪蒸装置、二级闪蒸装置、N-1级闪蒸装置、N级闪蒸装置串联形成多级闪蒸装置；太阳能集热器阵列与多级闪蒸装置之间利用多级中间换热器耦合连接，中间换热器的个数为N个，最后一级中间换热器与太阳能集热器阵列的入口之间设有工质泵；则采用太阳能间接换热方式，即：经过预处理的烟气进入吸收塔，经过吸收反应后的气体从吸收塔的顶部排出；经过吸收反应后的富液经过富液泵加压后进入贫/富液热交换器，换热后的富液与太阳能集热器阵列出口的工质通过一级中间换热器换热后富液达到解吸温度，进入一级闪蒸装置中进行闪蒸，闪蒸后的液体继续进行二级中间换热器中进行加热使富液达到解吸温度，再进入二级闪蒸装置中进行闪蒸，进一步分离出液体中的CO₂，闪蒸出来的CO₂气体进入冷凝器，以此类推，从最后一级闪蒸装置中出来的液体通入液体混合罐，经过冷凝器冷却后的气体通过气液分离器进行分离，CO₂气体排出，冷却液体通入溶液混合罐进行液体混合；同时从太阳能集热器阵列中集热的工质与一级中间换热器的热端入口相连，一级中间换热器的工质出口与二级中间换热器的热端相连，从二级中间换热器工质出口与二级中间换热器的热端相连，依次类推，从N-1级中间换热器工质出口与N级中间换热器的热端相连，从最后一级换热器出来的工质与工质泵的入口端相连，工质经过工质泵后重新进入太阳能集热器阵列，进行下一工作循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用闪蒸装置代替解吸塔进行解吸，可以简化捕集流程，降低捕集CO₂的相对庞大、复杂的设备所带来的成本。

(2)将太阳能中低温集热与CO₂捕集系统结合，可以充分利用中低温太阳能集热系统在捕集再生的温度范围内的高集热效率，以降低传统电厂抽取高品位能源所造成的捕集效率的降低，提高系统综合效率。

(3)直接利用中低品位热能实现再沸器的能量需求，实现能量品位的对接，避免传统捕集方法大量使用降温减压后的蒸汽所带来的不可逆损失，造成高品位能源的浪费。

(4)太阳能集热温度可以控制并调节，增强了系统运行的灵活性，同时也降低了原有系统大量抽汽再生对汽轮机的不利影响。

附图说明

图1为本发明实现方式一的系统原理图及结构示意图；

图2为本发明实现方式二的系统原理图及结构示意图。

具体实施方式

下面以具有二级太阳能集热器和二级闪蒸装置为例，结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

本发明太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统的集成方式之一如图1所示，该集成系统主要由吸收塔1、富液泵2、贫/富液换热器3、贫液冷凝器4、贫液泵5、一级太阳能集热器6、二级太阳能集热器7、一级闪蒸装置8、二级闪蒸装置9、冷凝器10、气液分离器11以及吸收液混合罐12组成。经过预处理的烟气与吸收塔1的底部连接，经过吸收塔内吸收反应后的气体从吸收塔1的顶部排出；从吸收塔1底部出来的富液经过富液泵2的加压后与贫/富液热交换器3相连，换热后直接进入一级太阳能集热器6的集热管中进行加热，富液通过集热器达到一定温度后通入一级闪蒸装置8中进行闪蒸，闪蒸出来的气体管路与冷凝器10连接，液体继续通入二级太阳能集热器7加热到一定温度后通入二级闪蒸装置9中进行二次闪蒸，进一步分离出液体中的CO₂，从闪蒸装置9中出来的液体通入液体混合罐12，从闪蒸装置8、9中出来的气体与冷凝器10相连，经过冷凝器10冷却后的CO₂气体通过气液分离器11进行分离，CO₂气体排出，冷却液体通入溶液混合罐12进行液体混合，从溶液混合罐12出来的液体通过贫液泵5后与贫/富液换热器3的富液进行换热，换热后的贫液通入贫液冷凝器4中，从贫液冷凝器4中出来的贫液从吸收塔1的上部喷淋至塔内。

本发明太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统的集成方式之二如图2所示，该集成系统主要由吸收塔1、富液泵2、贫/富液换热器3、贫液再冷却器4、贫液泵5、一级中间换热器14、太阳能集热系列70、工质泵13、二级中间换热器15、一级闪蒸装置8、二级闪蒸装置9、冷凝器10、气液分离器11以及吸收液混合罐12组成。经过预处理的烟气与吸收塔1的底部连接，经过吸收塔内吸收反应后的气体从吸收塔1的顶部排出；从吸收塔1底部出来的富液经过富液泵2的加压后与贫/富液热交换器3相连，换热后的富液与太阳能集热阵列70出口的工质通过一级中间换热器14换热后进入一级闪蒸装置8中进行闪蒸，闪蒸后的液体继续进行二级中间换热器15中进行加热后再进入二级闪蒸装置9中进行闪蒸，进一步分离CO₂，二级闪蒸装置9中出来的液体通入液体混合罐12，从闪蒸装置8、9中出来的气体与冷凝器10连接，冷凝后通入气液分离器11中分离出气体和液体，液体通入混合罐12进行混合，CO₂气体排出，同时从集热器阵列70中集热的工质与一级中间换热器14的热端入口相连，工质出口与二级中间换热器15的热端相连，从二级换热器15出来的工质与工质泵13的入口端相连，经过工质泵13后重新进入集热器阵列70中进行加热，从而构成太阳能集热子系统。

本发明太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统中，二氧化碳捕集工艺适合所有需要进行加热及解吸的捕集过程，其中的吸收剂可以是无机氨类吸收剂，也可以是以醇胺类物质为基础的化学吸收剂水溶液，既可以是单种化学吸收物质配成的吸收溶液，也可以是多种化学吸收物质配比组成的混合吸收剂。

本发明太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统中，所述太阳能集热器的选择形式可以根据解吸温度的要求选择真空管集热器、热管集热器、复合抛物聚光集热器(CPC)、槽式集热器、菲涅尔集热器、碟式集热器以及塔式集热器等形式。

本发明太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统中，所具有的二级太阳能集热器中循环流体根据采用的集热方式不同，一般采用高温导热油作为传热介质，也可以使用水作为传热介质，以导热油为介质与再沸器连接时需经过一级换热，而以水为换热介质时则只需直接与再沸器连接。

下面针对本实施例具有二级闪蒸的具体操作参数进行了说明：

采用的吸收液为质量分数为30％的一乙醇胺溶液(MEA溶液)，过程闪蒸结合AspenPlus软件进行吗，所涉及到的工艺参数如表1所示。

本发明根据捕集系统富液的换热方式提供了两种与太阳能的集成方式，如图1所示的集成系统是通过吸收塔出来的富液加压后通过贫/富液热交换器换热后直接进入太阳能集热管，利用太阳辐射进一步提升富液温度，从集热器出来的富液进入闪蒸装置进行闪蒸分离，从闪蒸装置出来的溶液重新进入太阳能集热器加热，然后进入下一级闪蒸装置进行闪蒸分离，耦合过程根据分离的要求可以设置单级或多级闪蒸过程。在操作过程中，对如图1所示的实施方式一来说，分别设置一级和二级集热装置富液的出口温度，利用集热将富液加热到所需温度，加热过程中所需的太阳能集热面积根据富液得热量和太阳能集热器效率计算。上述实施方式一的集成系统的优点是减少了中间换热器，没有换热损失，可以提高太阳能利用效率，但同时也存在缺陷，如果富液溶液具有一定的腐蚀性，对集热器管路会造成一定的腐蚀，对太阳能集热系统的材料提出了一定要求，系统防腐蚀的成本将会提高。因此考虑富液的腐蚀程度，提出了如图2所示的实施方式二的集成系统，其中的二氧化碳捕集与太阳能集热是两个相互独立的子系统，两者之间利用中间换热器耦合连接，可以根据中间换热器的要求设置富液与太阳能子系统的换热温差。对二氧化碳捕集子系统，从吸收塔出来的富液加压后通过贫/富液热交换器换热后再进入中间换热器与太阳能集热器侧流体进行换热，然后再进入闪蒸装置进行闪蒸分离。对太阳能集热子系统，其主要部件有集热器、工质泵、中间换热器等，经过中间换热器后的工质经工质泵重新进入集热器进行加热再循环，其中循环工质可以是导热油或水等非腐蚀性物质。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统，包括吸收塔(1)、贫液泵(5)、富液泵(2)、贫/富液热交换器(3)、贫液冷凝器(4)、气液分离器(11)、溶液混合罐(12)和连接管路，所述吸收塔(1)的顶部设有液体喷淋入口和气体出口，所述吸收塔(1)的下部设有气体入口和液体出口；

其特征在于：

该集成系统还包括太阳能辅助多级闪蒸解吸装置(20)，所述太阳能辅助多级闪蒸解吸装置(20)包括多级太阳能集热器和多级闪蒸装置，太阳能集热器与闪蒸装置的个数均为N个，多级太阳能集热器和多级闪蒸装置的连接关系有下述两种情形之一：

一是：一级太阳能集热器、一级闪蒸装置、二级太阳能集热器、二级闪蒸装置、……、N-1级太阳能集热器、N-1级闪蒸装置、N级太阳能集热器、N级闪蒸装置顺次连接；

二是：由一级太阳能集热器、二级太阳能集热器、……、N-1级太阳能集热器、N级太阳能集热器串联形成太阳能集热器阵列(70)，由一级闪蒸装置、二级闪蒸装置、N-1级闪蒸装置、N级闪蒸装置串联形成多级闪蒸装置；太阳能集热器阵列(70)与多级闪蒸装置之间利用多级中间换热器耦合连接，中间换热器的个数为N个，最后一级中间换热器与太阳能集热器阵列(70)的入口之间设有工质泵；

所述吸收塔(1)下部的液体出口连接至所述富液泵(2)的入口，所述富液泵(2)的出口依次连接至所述贫/富液换热器(3)和太阳能辅助多级闪蒸解吸装置(20)，所述太阳能辅助多级闪蒸解吸装置(20)中的各级闪蒸装置的顶部出口均连接至所述冷凝器(10)的入口，最后一级闪蒸装置的液体出口连接至所述溶液混合罐(12)的进口，所述冷凝器(10)的出口连接至所述气液分离器(11)，最后一级闪蒸装置的液体出口和所述气液分离器(11)的液体出口均连接至所述溶液混合罐(12)的进口，所述气液分离器(11)的液体出口连接至所述贫液泵(5)的入口，所述贫液泵(5)的出口连接至所述贫/富液换热器(3)，所述贫液冷凝器(4)设置在所述吸收塔(1)的上部液体喷淋入口与所述贫/富液换热器(3)之间的连接管路上。

2.根据权利要求1所述的太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统，其特征在于，系统中的吸收剂是物理吸收剂或是化学吸收剂。

3.根据权利要求1所述的太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统，其特征在于，所述太阳能集热器是聚焦或非聚焦太阳能集热器。

4.根据权利要求1所述的太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统，其特征在于，所述太阳能集热器包括真空管集热器、热管集热器、复合抛物聚光集热器、槽式集热器、菲涅尔集热器、碟式集热器及塔式集热器中的一种或是其中的多种组合。

5.一种太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的方法，其特征在于，采用如权利要求1至4中任何一种所述的太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的集成系统；

若多级太阳能集热器和多级闪蒸装置的连接关系是：一级太阳能集热器、一级闪蒸装置、二级太阳能集热器、二级闪蒸装置、……、N-1级太阳能集热器、N-1级闪蒸装置、N级太阳能集热器、N级闪蒸装置顺次连接；则采用太阳能直接换热方式，即：经过预处理的烟气进入吸收塔(1)，经过吸收反应后的气体从吸收塔(1)的顶部排出；经过吸收反应后的富液从吸收塔(1)底部排出经过富液泵(2)加压后进入贫/富液热交换器(3)，换热后的富液进入一级太阳能集热器(6)的集热管中进行加热，富液加热至解吸温度后通入一级闪蒸装置(8)中进行闪蒸，闪蒸出来的气体进入冷凝器(10)，闪蒸后的液体通入二级太阳能集热器(7)，加热到解吸温度后的液体通入二级闪蒸装置(9)中进行二次闪蒸，进一步分离出液体中的CO₂，闪蒸出来的气体进入冷凝器(10)，以此类推，从最后一级闪蒸装置中出来的液体通入液体混合罐(12)，经过冷凝器(10)冷却后的CO₂气体通过气液分离器(11)进行分离，CO₂气体排出，冷却液体通入溶液混合罐(12)进行液体混合，从溶液混合罐(12)出来的液体通过贫液泵(5)后与贫/富液换热器(3)的富液进行换热，换热后的贫液通入贫液冷凝器(4)中，从贫液冷凝器(4)中出来的贫液从吸收塔(1)的上部喷淋至塔内；

若多级太阳能集热器和多级闪蒸装置的连接关系是：由一级太阳能集热器、二级太阳能集热器、……、N-1级太阳能集热器、N级闪蒸装置串联形成多级太阳能集热器(70)，由一级闪蒸装置、二级闪蒸装置、N-1级闪蒸装置、N级闪蒸装置串联形成多级闪蒸装置；太阳能集热器阵列(70)与多级闪蒸装置之间利用多级中间换热器耦合连接，中间换热器的个数为N个，最后一级中间换热器与太阳能集热器阵列(70)的入口之间设有工质泵；则采用太阳能间接换热方式，即：经过预处理的烟气进入吸收塔(1)，经过吸收反应后的气体从吸收塔(1)的顶部排出；经过吸收反应后的富液经过富液泵(2)加压后进入贫/富液热交换器(3)，换热后的富液与太阳能集热器阵列(70)出口的工质通过一级中间换热器(14)换热后富液达到解吸温度，进入一级闪蒸装置(8)中进行闪蒸，闪蒸后的液体继续进行二级中间换热器(15)中进行加热使富液达到解吸温度，再进入二级闪蒸装置(9)中进行闪蒸，进一步分离出液体中的CO₂，闪蒸出来的CO₂气体进入冷凝器(10)，以此类推，从最后一级闪蒸装置(9)中出来的液体通入液体混合罐(12)，经过冷凝器(10)冷却后的气体通过气液分离器(11)进行分离，CO₂气体排出，冷却液体通入溶液混合罐(12)进行液体混合；同时从太阳能集热器阵列(70)中集热的工质与一级中间换热器(14)的热端入口相连，一级中间换热器(14)的工质出口与二级中间换热器(15)的热端相连，从二级中间换热器(15)工质出口与二级中间换热器(15)的热端相连，依次类推，从N-1级中间换热器(15)工质出口与N级中间换热器(15)的热端相连，从最后一级换热器出来的工质与工质泵(13)的入口端相连，工质经过工质泵(13)后重新进入太阳能集热器阵列(70)，进行下一工作循环。

6.根据权利要求5所述的太阳能直接驱动二氧化碳闪蒸解吸的方法，其特征在于，所述太阳能间接式换热方式中集热器内传热介质选择导热油、熔融盐和水中的一种。