CN104204672A - 用于热量回收和冷却的冷凝器和方法 - Google Patents

用于热量回收和冷却的冷凝器和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于从烟道气中回收热量并冷却烟道气的设备和方法。如图1中所示，提供了冷凝器10，其具有两个填料床(20/26)和独立的冷凝物回路。冷凝物回路配置为使得第一填料床20最大限度地增加从烟道气12回收的热量，并且第二填料床26最大限度地增加对烟道气12的冷却。在入口烟道气12和回收的冷凝物38之间的温差得到最大限度地减小，同时在出口烟道气34和返回的冷凝物54之间的温差也得到最大限度地减小。

Description

用于热量回收和冷却的冷凝器和方法
技术领域
本公开涉及一种用于处理烟道气的冷凝器。更具体地说，其涉及一种高效地从烟道气中回收热量并冷却烟道气的设备和方法。
背景技术
某些工艺(例如含碳燃料的燃烧)会产生气态CO2的排放。CO2已经被确定为一种“温室”气体，其看来起似乎会促进全球变暖。因为其作为“温室”气体的状态原因，已经研究出技术来降低CO2的排放，包括：改善能量效率；提高可再生能源例如太阳能和风能的利用；促进CO2天然的吸收/转化(重新造林)；减少化石燃料的使用；等等。
虽然有这些努力和技术，但是化石燃料仍继续提供了现今生产能量的相当大的一部分。除了研究和开发能量改进和备选方案之外，还已经研究出了技术来限制或防止燃烧释放CO2，包括CO2捕获和储存(CCS)。采用CCS技术可极大地减少释放至大气的CO2的数量。
目前存在各种用于CCS的方法或技术。这些技术大体落在三个领域的其中一个领域：燃烧后捕获(PCC)，其中CO2在燃烧之后通过吸收或其它技术来除去；预燃烧(PC)，其中燃料在燃烧之前被转换，使得CO2不是能源生产的产物；以及氧燃烧式燃烧，其中燃料在富氧或纯氧而非环境空气中进行燃烧，从而浓缩CO2燃烧产物。
CCS技术的缺点包括增加了与技术相关联的投资成本和额外的能量消耗。例如，氧燃烧式燃烧产生了更浓缩的CO2流，从而减少了处理烟道气流以捕获CO2用于后面储存的能量和投资成本；然而，氧燃烧典型地需要用以产生纯氧或富氧的需要能量空气分离单元。为了解决这个缺点，已经研究出化学循环燃烧(CLC)，其利用氧载体来将氧携带至燃料反应器中。氧载体首先在空气反应器中进行氧化，然后将氧化的载体传送到燃料反应器中，在这里使其与燃料接触而得到还原。然后使载体返回空气反应器，以便重新氧化。通过利用载体，使燃烧在富含氧的气氛中完成，而无须以低温的方式产生富氧气体。
虽然氧燃烧和CLC系统大体产生了具有较高CO2浓度的烟道气流，并且极大地减少非反应性的空气成分(惰性气体)(例如氮气)的浓度，但是烟道气流将包括H2O作为燃烧产物。此外，即使在初始热量回收之后，烟道气流仍将具有升高的温度。CO2捕获和处理大体在气体处理单元(GPU)中完成，气体处理单元分离出CO2，以便酌情除去、储存或重复使用。在烟道气流可在GPU中处理之前，H2O大体从烟道气流中冷凝出来，留下相当浓缩的CO2，烟道气流中的H2O在离开燃料反应器时是气态的。在传送至GPU之前，烟道气流还被冷却。由于存在于烟道气流中的热量未能回收或回收的效率低，以及在传送到GPU之前对烟道气流的故意冷却方面的能量消耗的增加，从而可发生能量损耗。此外，腐蚀性物质，例如二氧化硫(SO2)可存在于烟道气流中，并且必须从烟道气流中清除，从而在传送至GPU之前最大限度地减小腐蚀风险。
冷凝器可用于从烟道气流中冷凝出水，并冷却烟道气流。冷凝器可具有各种类型，包括直接接触式冷凝器，其可为具有填料床元件的柱式冷凝器。在具有填料床元件的冷凝器中，可包含外部交换器，用于回收烟道气中的热量，并且帮助冷却烟道气；然而，存在应该最大限度地减小在烟道气的温度和返回的冷凝物的温度之间的差异的要求，典型地不超过4℃。总地说来，较高的液体负荷对于最大限度地增加对烟道气的冷却是优选的。采用的液体负荷越低，则冷却烟道气所需要的填料床的面积越多。然而，增加液体负荷将造成在烟道气和返回的冷凝物之间的温差超过温差要求。为了最大限度地减小温度差异，应减少通过填料床元件的液体负荷，这降低了从烟道气流至冷凝物流的热传递效率，并且减少了对烟道气流的冷却。因为最大限度地减小温差的要求，需要低的液体负荷穿过填料床元件，所以需要足够高的柱以冷凝H2O，这牺牲了对烟道气的冷却。因此，需要一种改进的冷凝器和冷却烟道气流的方法，以便更高效地从烟道气中回收热量，冷却用于传送至GPU的烟道气，并从烟道气中除去二氧化硫以避免腐蚀风险。
发明内容
根据这里所示的方面，提供了一种具有柱部件的冷凝器，柱部件具有下端、上端和壁，壁连接下端和上端而形成中心空腔。第一填料床定位在空腔中，位于下端的上方。至少第二填料床定位在空腔中，位于第一填料床的上方。第一热交换器配置为从第一填料床接收冷凝物流。第二热交换器配置为至少部分地从第二填料床接收冷凝物流。柱部件的下端配置为通过气体入口接收烟道气。上端配置为允许烟道气通过气体出口离开柱部件。填料床配置为在烟道气流的相反方向上提供冷凝物流。第一填料床和冷凝物流配置为最大限度地增加从烟道气回收的热量。第二填料床和冷凝物流配置为最大限度地增加对烟道气的冷却。第一热交换器配置为从第一填料床的冷凝物中回收热量。
根据这里所示的其它方面，提供了一种具有柱部件的冷凝器，柱部件具有下端、上端和壁，壁连接下端和上端而形成中心空腔。第一填料床定位在空腔中，位于下端的上方。至少第二填料床定位在空腔中，位于第一填料床的上方。柱部件的下端配置为通过气体入口接收烟道气。上端容许气体通过气体出口离开柱部件。第一填料床配置为最大限度地增加从烟道气回收的热量。第二填料床配置为最大限度地增加对烟道气的冷却。
根据这里所示的其它方面，提供了一种通过将烟道气传送到冷凝器中而从烟道气中回收热量并冷却烟道气的方法，冷凝器具有下端、上端和侧壁，侧壁连接下端和上端而形成带中心空腔的柱。烟道气被注入到冷凝器的下端，向上传送而穿过冷凝器，并在柱的上端处从冷凝器中传送出来。当烟道气向上穿过冷凝器时，从烟道气中形成冷凝物。冷凝器包含至少两个填料床。第一填料床配置为对分布到第一填料床上的冷凝物提供高效的热传递，使得热量可通过第一热交换而进行回收。第二填料床配置为在烟道气离开冷凝器之前对烟道气提供高效冷却。
以下图纸和详细描述将举例说明上述特征以及其它特征。
附图说明
现在参照图纸，它们是示例性的实施例，其中相同的元件用相同的标号标出：
图1是本公开的一个示例性实施例的横截面图。
图2是本公开的另一示例性实施例的横截面图。
具体实施方式
根据本公开的一个示例性的实施例，提供了一种具有柱部件的冷凝器，柱部件大体可为圆柱形的，连接在上端和下端上，形成了中心空腔。第一填料床定位在中心空腔中，在下端上方，并且至少一个第二填料床定位在中心空腔中，在上端下方且在第一填料床上方。填充材料可包括大体用于填充目的的任何材料。第一热交换器配置为从第一填料床接收冷凝物，并且第二热交换器配置为至少部分地从第二填料床接收冷凝物。在冷凝物首先穿过第一热交换器之后，第二热交换器还可接收来自第一填料床的冷凝物的一部分。柱部件的下端配置为通过气体入口接收烟道气，并且柱部件的上端配置为允许烟道气通过气体出口而离开柱部件。填料床在烟道气流的相反方向上提供冷凝物流。第一填料床和冷凝物流可配置为最大限度地增加从烟道气回收的热量。第二填料床和冷凝物流可配置为最大限度地增加对烟道气的冷却。第一热交换器可配置为从第一填料床的冷凝物流中回收热量。第二热交换器可配置为接收冷却液体，以增加对冷凝物的冷却。本公开可包含添加试剂，其可为氢氧化钠。试剂的添加可通过pH值测量进行控制。试剂可用于除去腐蚀性物质，例如二氧化硫。
根据本公开的一个示例性的实施例，第一液体分布器可配置为跨第一填料床的一部分来分布冷凝物。第一液体收集器可为单独的收集器或柱部件的下端，其配置为在第一填料床下面收集冷凝物。第二液体分布器可配置为跨第二填料床的一部分来分布冷凝物。第二液体收集器可配置为在第二填料床下面收集冷凝物。在一个备选实施例中，第二液体收集器可配置为允许从第二填料床收集的冷凝物的一部分跨第一填料床的一部分进行分布。这个备选方案可包括穿孔的第二液体收集器，其容许某些冷凝物穿过第二液体收集器，并落在第一填料床的顶部部分上。
根据本公开的一个示例性的实施例，可包含至少两个单独的冷凝物回路，使得第一冷凝物回路配置为从第一液体收集器接收冷凝物。第一冷凝物回路可进一步配置为使冷凝物分布到第一填料床的顶部部分上。第一冷凝物回路可配置为使得冷凝物流过第一热交换器，以用于回收冷凝物中的热量。第二冷凝物回路可配置为从第二液体收集器接收冷凝物。或者，第二冷凝物回路可配置为从第一热交换器或从第二液体收集器或从这两者中接收冷凝物。第二冷凝物回路可配置为使冷凝物分布到第二填料床的顶部部分上。第二冷凝物回路可包括第二热交换器，其可进一步接收冷却液体。冷凝物回路可配置为允许添加试剂以控制pH值。试剂的一个示例可为NaOH。添加试剂以控制pH值，其容许本公开清洁烟道气，除去潜在的腐蚀性物质，例如二氧化硫。
根据本公开的一个示例性实施例，提供了一种通过将烟道气传送到冷凝器中而从烟道气回收热量并冷却烟道气的方法，冷凝器具有下端、上端和侧壁，侧壁连接下端和上端而形成带中心空腔的柱。烟道气可注入到冷凝器的下端中，向上传送而穿过冷凝器，并在上端处从冷凝器中释放出来。当烟道气向上穿过冷凝器时，从烟道气中形成冷凝物，冷凝器可具有两个或多个填料床。第一填料床可配置为对分布到第一填料床的顶部部分上的冷凝物提供高效的热传递，使得可通过第一热交换器回收热量。第二填料床可配置为对烟道气提供高效的冷却。在第一热交换器中回收的热量可并入到蒸汽循环中。分布到第二填料床上的冷凝物可通过第二热交换器进行冷却，可对第二热交换器供给冷却液体。
参照图1中所示的示例性的实施例，提供了一种冷凝器10，其具有大体可为圆柱形的柱部件18、下端14和上端16，从而形成中心空腔。烟道气通过位于下端14的气体入口而进入12冷凝器10，并且通过位于上端16的气体出口而离开34冷凝器10。在中心空腔中，第一填料床20支托在第一支撑栅格22上。穿过第一填料床20的冷凝物可通过第一液体收集器24来收集。或者，穿过第一填料床20的冷凝物可通过冷凝器10的下端14来收集。来自第一填料床20的冷凝物可通过第一泵部件36传送给第一热交换器44。在传送给第一热交换器44之前可将试剂40(例如NaOH)添加至冷凝物上。第一阀门42可被并入，以控制试剂40的流入。第一热交换器44可用于回收热量，以便并入到蒸汽循环中。冷凝物66可被进一步传送给第一液体分布器31。冷凝物66的一部分68可被排出。第一pH计62可被并入，以测量返回第一填料床20的冷凝物的pH值。测量的pH值可用于通过第一阀门42控制试剂40的流入。第一液体分布器31将冷凝物分布到第一填料床的顶部部分上。
仍然参照图1中所示的示例性的实施例，在中心空腔中，第二填料床26支托在第二支撑栅格28上。穿过第二填料床26的冷凝物可通过第二液体收集器74来收集。第二液体收集器74可具有开口，其配置为允许来自第一床20的气体传送到第二床26。来自第二填料床26的冷凝物可通过第二泵部件48传送给第二热交换器52。在传送给第二热交换器52之前可将试剂41(例如NaOH)添加至冷凝物中。第二阀门76可被并入，以控制试剂41的流入。第二热交换器52可配置为接收冷却液体。冷凝物54可被进一步传送给第二液体分布器30。第三阀门50可被并入，以控制离开第二热交换器52的冷凝物流量。冷凝物54的部分60可被排出。第二pH计56可被并入，以测量返回第二填料床26的冷凝物的pH值。测量的pH值可用于通过第二阀门76控制试剂41的流入。第一温度计58可被并入，以测量返回第二填料床26的冷凝物的温度。测量的温度可用于控制冷凝物64的流量。第二液体分布器30将冷凝物分布到第二填料床26的顶部部分上。
参照图2中所示的示例性的实施例，冷凝器设置为冷凝器11，其具有大体可为圆柱形的柱部件18、下端14和上端16，从而形成中心空腔。烟道气通过位于下端14的气体入口12而进入冷凝器10，并且通过位于上端16的气体出口34而离开冷凝器10。在中心空腔中，第一填料床20支托在第一支撑栅格22上。穿过第一填料床20的冷凝物可通过第一液体收集器24来收集。或者，穿过第一填料床20的冷凝物可通过冷凝器11的下端14来收集。来自第一填料床20的冷凝物可通过第一泵部件36传送给第一热交换器44。在传送给第一热交换器44之前可将试剂40(例如NaOH)添加至冷凝物上。第一阀门42可被并入，以便利用由第二pH计62所测量的pH值来控制试剂40的流入。第一热交换器44可用于蒸汽的产生。冷凝物46可被进一步传送给第二热交换器52。在传送给第二热交换器52之前，来自第二填料床26的冷凝物可通过第二泵48添加至冷凝物46中。第二阀门50可被并入，以便利用由第一温度计58所测量的温度来控制从第二填料床26至第二热交换器52的冷凝物流量。在这个实施例中，第二液体收集器23定位在第二填料元件26的下面。第二液体收集器23可配置为允许一部分冷凝物从第二填料床流过21第二液体收集器，并且按照烟道气的相反方向25流到第一填料元件的顶部部分上。试剂40可通过第一阀门42来添加，其流入可通过第二pH计56的pH测量值进行控制。
本公开的实施例在烟道气传送至GPU之前最大限度地增加了从烟道气回收的热量和对烟道气的冷却。来自第一填料床20的冷凝物38和进入冷凝器(11或12)的烟道气12的温差可保持在4℃以下，潜在地低于2℃。离开的气流34和冷凝物流54的温差大体可低于2℃，潜在地低于1℃。此外，如果在本公开中利用试剂40/41，那么可实现烟道气的高效清洁，除去腐蚀性物质。出口流34中的SO2的浓度大体可被减少至小于1ppmv，潜在地低于0.1ppmv。因而本公开通过在具有独立或部分集成的冷凝物回路的冷凝器柱中利用至少两个单独的填料床从而克服了之前冷凝器的限制，填料床可单独地配置为允许在一个回路中有最大的热量回收和在另一回路中有最大的冷却。
虽然已经参照各种示例性的实施例描述了本发明，但是本领域中的技术人员将懂得，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出各种变化，并且等效物可替代本发明的元件。另外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，还可作出许多改型，使特定的情形或材料适应本发明的教导。因此，意图的是，本发明并不局限于作为被认为是实现本发明的最佳模式而公开的特定的实施例，相反本发明将包括落在附属权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1. 一种冷凝器包括：
柱部件，其具有下端、上端和壁，所述壁将所述下端和所述上端连接起来而形成中心空腔；
在所述空腔中，在所述下端上方的第一填料床；
至少第二填料床，其位于所述空腔中，在所述第一填料床上方；
第一热交换器，其配置为从所述第一填料床接收冷凝物流；
第二热交换器，其配置为至少部分地从所述第二填料床接收冷凝物流；
其中所述柱部件的下端配置为通过气体入口接收烟道气；
其中所述上端配置为允许烟道气通过气体出口离开所述柱部件；
其中所述填料床配置为在烟道气流的相反方向上提供冷凝物流；
其中所述第一填料床和冷凝物流配置为最大限度地增加从烟道气回收的热量；
其中所述第二填料床和冷凝物流配置为最大限度地增加对烟道气的冷却；
其中所述第一热交换器配置为从所述第一填料床的冷凝物中回收热量。
2. 根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，还包括第一液体分布器，其配置为跨所述第一填料床的顶部部分来分布冷凝物。
3. 根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，还包括第一液体收集器，其配置为在所述第一填料床下面收集冷凝物。
4. 根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，还包括第二液体分布器，其配置为跨所述第二填料床的顶部部分来分布冷凝物。
5. 根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，还包括第二液体收集器，其配置为在所述第二填料床下面收集冷凝物。
6. 根据权利要求5所述的冷凝器，其特征在于，所述第二液体收集器配置为允许从所述第二填料床收集的冷凝物的一部分分布到所述第一填料床上。
7. 根据权利要求6所述的冷凝器，其特征在于，穿过所述第一热交换器的冷凝物被传送给所述第二热交换器。
8. 根据权利要求7所述的冷凝器，其特征在于，在被传送给所述第二热交换器之前，从所述第二填料床收集的冷凝物的一部分与离开所述第一热交换器的冷凝物组合起来。
9. 根据权利要求8所述的冷凝器，其特征在于，穿过所述第二热交换器的冷凝物的一部分被分布到所述第二填料床的顶部部分上。
10. 根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，还包括至少两个独立的冷凝物回路。
11. 根据权利要求10所述的冷凝器，其特征在于，第一冷凝物回路配置为从所述第一填料床接收冷凝物，并将冷凝物传送给所述第一热交换器。
12. 根据权利要求10所述的冷凝器，其特征在于，所述第一热交换器配置为从冷凝物中回收热量，以产生蒸汽。
13. 根据权利要求10所述的冷凝器，其特征在于，所述第一冷凝物回路配置为将液体分布到所述第一填料床的顶部部分上。
14. 根据权利要求10所述的冷凝器，其特征在于，第二冷凝物回路配置为从所述第二填料床接收冷凝物，并将冷凝物传送给所述第二热交换器。
15. 根据权利要求14所述的冷凝器，其特征在于，所述第二热交换器配置为在将冷凝物分布到所述第二填料床的顶部部分上之前冷却冷凝物。
16. 一种冷凝器包括：
柱部件，其具有下端、上端和壁，所述壁将所述下端和所述上端连接起来而形成中心空腔；
在所述空腔中，在所述下端上方的第一填料床；
至少第二填料床，其位于所述空腔中，在所述第一填料床上方；
其中所述柱部件的下端配置为通过气体入口接收烟道气；
其中所述上端容许气体通过气体出口离开所述柱部件；
其中所述第一填料床配置为最大限度地增加从烟道气回收的热量；
其中所述第二填料床配置为最大限度地增加对烟道气的冷却。
17. 一种用于从烟道气中回收热量并冷却烟道气的方法，包括：
将烟道气传送给冷凝器，所述冷凝器具有下端、上端和侧壁，所述侧壁连接所述下端和所述上端，从而形成具有中心空腔的柱；
将烟道气注入到所述冷凝器的下端中；
通过所述冷凝器向上传送烟道气；
在所述柱的上端处将烟道气从所述冷凝器中传送出来；
当烟道气向上穿过所述冷凝器时，从烟道气中形成冷凝物；
其中所述冷凝器包含至少两个填料床；
其中所述第一填料床配置为对分布到所述第一填料床上的冷凝物提供高效的热传递，使得可通过第一热交换回收热量；
其中第二填料床配置为在烟道气离开所述冷凝器之前对烟道气提供高效的冷却。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括利用来自所述第一填料床的冷凝物中的热量来产生蒸汽。
19. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括通过由冷却液体提供的第二热交换来冷却所述第二填料床的冷凝物。
20. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，来自所述第二填料床的冷凝物的一部分被分布到所述第一填料床上。
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