CN105251316B - 独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除co2的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2的系统，包括烟气预处理单元，与烟气预处理单元依次相连有吸收器、溶液泵、溶液热交换器、解吸发生器、冷凝集液器和CO2压缩机；含有二氧化碳的混合气体进入吸收器被混合工质吸收后进入解吸发生器进行分离，太阳能集热组件提供系统再生所需要的能量驱动系统的进行；本发明利用系统内部实现高温再生吸收工质和低温吸收混合溶液的热量交换，提高热量的利用率；用节流阀代替常规系统的输液泵和再冷器，将太阳能集热作为热驱动能源，实现工业领域含碳烟气源节能减排的目的的同时，使系统更加紧凑，同时能扩大太阳能中温集热器的应用领域，达到节能减排和经济效益的多重利益。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用太阳能作为驱动热源的脱除CO2 的技术，具体涉及一种独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2 的系统。
背景技术
工业技术的发展使化石燃料的消耗剧增，导致大气中二氧化碳的浓度增大、全球气候日益变暖，烟气中CO2 脱除后再排入空气成为应对气候变化的重要战略选项。因此，应对全球气候变化和酸雨污染的关键是控制二氧化碳的排放。回收分离二氧化碳有着巨大的经济效益和环境效益，将二氧化碳纯化后可以有多种用途，不仅可以作为碳元素的来源，还可以通过不同的反应途径，生成多种关乎国计民生的碳产品，具有巨大的经济效益和环境效益。
经过对现有技术文献的检索发现，目前工业中应用较多的吸收系统的热源形式多以电厂抽蒸汽和余热等作为解吸再生热源，这些系统一般直接与电厂或者水泥厂等耦合，固定的热源形式就限定了其系统的应用范围。如欧专局公布的WO2013042088A2，专利名称：HEAT INTEGRATION OF A CEMENT MANUFACTURING PLANT WITH AN ABSORPTION BASEDCARBON DIOXIDE CAPTURE PROCESS，中文译名：基于水泥制造厂的二氧化碳的捕集过程热集成。该发明涉及一种耦合水泥厂烟气进行二氧化碳捕集的过程，该发明利用水泥厂的烟气温度由高到低分别经过再沸器，再生塔入口和吸收塔出口，梯级利用烟气余热作为解吸热源，起到了节能减排的目的，但是该系统的最大缺点是再生热源形式固定且单一，只能应用于水泥厂，由于烟气量一定，所能提供的再生热量固定，二氧化碳捕集量固定，其系统的应用范围较窄，只适用于水泥厂。
欧专局公布的WO2010EP68425，专利名称：power plant with CO2 capture andmethod to operate such power plant，中文译名：一种电厂捕集二氧化碳方法和运行方案。发明涉及一种二氧化碳捕集电厂系统及其操作方法，该发明中所述系统将电厂抽取的低压蒸汽作为再生热源，并从操作和控制方法上进行了描述，由于是电厂蒸汽轮机抽气作为解吸热源的系统，使电厂的发电效率降低，同时热源的局限性限制了系统的适用范围，使得该发明只是用与电厂的二氧化碳的捕集。
欧专局公布的WO2012045689A1,专利名称：COMBINED CYCLE POWER PLANT WITHCO2 CAPTURE AND METHOD TO OPERATE IT，中文译名：一种联合循环发电厂二氧化碳捕获和操作方法。发明涉及一种联合循环发电厂二氧化碳捕获系统及其操作方法，该发明将余热锅炉等乏汽作为解吸热源，同时将部分汽轮机做功用于二氧化碳压缩，将整个电厂的流程耦合在一起。此系统将锅炉乏汽等作为解吸热源，降低了锅炉给水的温度，从而降低了电厂的发电效率。由于用锅炉乏汽作为解吸热源，系统只能应用到电厂二氧化碳捕集。
国家专利局公布的CN104399356A，专利名称：一种二氧化碳捕集系统。该专利将热泵系统与二氧化碳捕集系统相结合，利用对再生塔底的富液进行一次放热后的低压蒸汽冷却液收集进冷凝水箱，将冷凝水箱的蒸汽冷凝水出口与热泵机组一热端相连，利用热泵机组给贫液降温的同时加热蒸汽冷凝水，热泵产生的热水与再生塔底部连通，提供解吸塔解吸过程所需热量。该系统热泵的运行同样需要消耗一部分电力，降低了电厂的发电效率，同时热泵出口温度需要满足解吸所需温度，此温度较高，对热泵的性能和效率挑战性都较高，限制了系统的推广运行。
综上所述，目前，工业上出现较多的二氧化碳脱除系统的热源形式较为多样，都是与特定的工业对象（如乏汽余热、烟气余热等）来提供解吸热源进行系统的耦合设计，针对本专利的目的，脱离了耦合热源且热源的来源为无污染量大的可再生能源作为解吸热源的系统还较为少见，目前尚无有效的系统设备方案，针对二氧化碳解吸所需热量特点及特性，解吸再生所需热量作为二氧化碳再生时的热力驱动成为制约其推广的主要瓶颈之一，如果能实现二氧化碳脱除系统与可再生能源作为再生热力驱动能源的集成，既能实现对二氧化碳的减排要求，又能以清洁能源实现减排任务，提高二氧化碳脱除的经济性，实现节能减排的双丰收，进而提高二氧化碳脱除的综合效益。
发明内容
本发明的目的在于解决现有脱碳设备再生能耗较大的技术瓶颈，提供一种以可再生能源等自身排碳较低的能源作为解吸热源、再生能耗又很低的低能耗脱碳系统设备，同时对现有工业生产中应用的系统设备进行改进和简化，节省初投资的同时使系统更加紧凑。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2 的系统，包括与烟气预处理器依次相连有吸收器、溶液泵、溶液热交换器、解吸发生器、冷凝集液器和CO2 压缩机；所述烟气预处理器连接至吸收器气体进口，所述吸收器的液体出口连接至所述溶液泵，所述溶液热交换器的低温侧出口与所述解吸发生器的进口相连，所述解吸发生器的蒸汽出口连接至所述冷凝集液器；所述解吸发生器的液体出口连接至所述溶液热交换器的高温侧进口，所述溶液热交换器的高温侧出口连接至所述吸收器的液体进口；在所述溶液热交换器与所述吸收器的连接管路上设有再生液节流阀，所述吸收器与所述冷凝集液器的连接管路上设有冷凝液节流阀；所述解吸发生器包括太阳能热源，所述太阳能热源由太阳能中温集热组件和连接管路构成，所述太阳能中温集热组件由多组中温太阳能集热器经串并联组合而成，连接管路上设有一截止阀；所述吸收器完成二氧化碳的吸收工作，含有二氧化碳的混合气体在压力驱动下进入吸收器与其内部喷淋的混合工质进行热质交换后被混合工质吸收形成含有二氧化碳的混合溶液，净化后的气体从所述吸收器排空，混合溶液经所述溶液泵和溶液热交换器进入解吸发生器进行分离；所述溶液泵的工作压力为2MPa，所述溶液泵进行吸收二氧化碳后的混合溶液的输送工作，将混合溶液由吸收器运送至解吸发生器；所述解吸发生器的工作温度为110~125℃，所述解吸发生器将吸收器输送过来的含有二氧化碳的混合溶液进行分离；分离后的二氧化碳和部分混合工质蒸汽的混合气体被送往冷凝集液器进行进一步分离，不含二氧化碳的混合工质送往吸收器继续吸收二氧化碳；节流阀对不含二氧化碳的混合工质进行节流降压，降低后的压力等于吸收器所需的压力；所述太阳能中温集热组件集热温度与所述解吸发生器的解吸温度一致。
进一步讲：
所述溶液热交换器对吸收器排出的含有二氧化碳的混合溶液与解吸发生器解吸出的不含二氧化碳的混合工质进行热量交换，使系统保持低温吸收二氧化碳、高温解吸二氧化碳的工况。
所述冷凝集液器对解吸发生器解吸出的二氧化碳和混合工质的混合溶液进行进一步冷却分离，冷凝后的混合工质留待继续吸收二氧化碳。
所述冷凝液节流阀控制由冷凝集液器进入吸收器的混合工质的流量。
所述截止阀实现集热流体的控制来满足解吸发生器的热量需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
烟气经空气预处理单元后进入吸收器与混合工质进行热质交换，CO2 被混合工质吸收，脱碳后的气体进入大气，含有二氧化碳的混合溶液经过热交换器升温后进入解吸发生器进行CO2 分离，分离出的CO2 经压缩后存储；不含CO2 的混合工质经热交换器降温后与冷凝集液器产生的低温吸收工质混合后进入吸收器重新吸收CO2 。系统装置省去混合工质进入吸收器前的冷凝环节，节流阀代替高温泵，按照吸收式热力循环特点对系统设备的连接进行低能耗运行控制。提高CO2 纯度，降低能耗的同时使系统结构更加紧凑，实现节能减排目的的同时，提高了环境效益。本发明系统的特点如下：
（1）本发明系统是基于吸收式热力循环设计的系统，因此可以充分利用吸收式热力循环的特点进行节能运行控制。
（2）现有技术中，通常是在吸收器的进口处设有高温溶液泵及再冷设备，本发明采用节流阀代替传统的高温溶液泵，既简化了设备结构，使系统更加紧凑，又提高了系统的寿命；另外，又去掉了吸收工质进入吸收器前的再冷设备，在充分利用能源的同时又促进了喷淋效果，增强吸收工质的热质交换。
（3）将太阳热能作为系统再生的热驱动动力，充分利用可再生能源的清洁性和可再生性等优点进行二氧化碳的脱除工作，实现环境效益和社会效益的双丰收。
附图说明
图1为本发明的系统原理及结构组成示意图。
图中：1-烟气预处理器，2-吸收器，3-解吸发生器，4-冷凝集液器，5-溶液热交换器，6-溶液泵，7-再生节流阀，8-冷凝节流阀，9- CO2 压缩机，10-太阳能中温集热组件，11-截止阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明利用混合工质在不同温度下CO2 担载量的不同实现二氧化碳从烟气中脱除的工作，系统内部实现高温再生吸收工质和低温吸收混合溶液的热量交换，提高热量的利用率；用节流阀代替常规系统的输液泵和再冷器，节能的同时使系统更加紧凑；将太阳能集热作为热驱动能源，充分利用太阳能的可再生等优点，实现工业领域含碳烟气源节能减排的目的的同时，使系统更加紧凑，同时能扩大太阳能中温集热器的应用领域，达到节能减排和经济效益的多重利益。
如图1所示，本发明提出的一种独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2的系统，包括烟气预处理器1，其特征在于，与烟气预处理器1依次相连有吸收器2、溶液泵6、溶液热交换器5、解吸发生器3、冷凝集液器4和CO2 压缩机9；所述烟气预处理器1连接至吸收器2气体进口，所述吸收器2的液体出口连接至所述溶液泵6，所述溶液热交换器5的低温侧出口与所述解吸发生器3的进口相连，所述解吸发生器3的蒸汽出口连接至所述冷凝集液器4；所述太阳能中温集热组件10提供解吸用热。
所述解吸发生器3的液体出口连接至所述溶液热交换器5的高温侧进口，所述溶液热交换器5的高温侧出口连接至所述吸收器2的液体进口。
所述冷凝集液器4对解吸发生器3解吸出的二氧化碳和混合工质的混合溶液进行进一步冷却分离，冷凝后的混合工质留待继续吸收二氧化碳。
在所述溶液热交换器5与所述吸收器2的连接管路上设有再生液节流阀7，所述吸收器2与所述冷凝集液器4的连接管路上设有冷凝液节流阀8。
所述解吸发生器3包括太阳能热源，所述太阳能热源由太阳能中温集热组件10和连接管路构成，所述太阳能中温集热组件10由多组中温太阳能集热器经串并联组合而成，连接管路上设有一截止阀11。
所述吸收器2完成二氧化碳的吸收工作，含有二氧化碳的混合气体在压力驱动下进入吸收器2与其内部喷淋的混合工质进行热质交换后被混合工质吸收形成含有二氧化碳的混合溶液，净化后的气体从所述吸收器2排空，混合溶液经所述溶液泵6和溶液热交换器5进入解吸发生器3进行分离。
所述溶液热交换器5对吸收器2排出的含有二氧化碳的混合溶液与解吸发生器3解吸出的不含二氧化碳的混合工质进行热量交换，使系统保持低温吸收二氧化碳、高温解吸二氧化碳的工况。
所述溶液泵6的工作压力为2MPa，所述溶液泵6进行吸收二氧化碳后的混合溶液的输送工作，将混合溶液由吸收器2运送至解吸发生器3。
所述解吸发生器3的工作温度为110~125℃，所述解吸发生器3将吸收器2输送过来的含有二氧化碳的混合溶液进行分离；分离后的二氧化碳和部分混合工质蒸汽的混合气体被送往冷凝集液器4进行进一步分离，不含二氧化碳的混合工质送往吸收器2继续吸收二氧化碳。
节流阀对不含二氧化碳的混合工质进行节流降压，降低后的压力等于吸收器2所需的压力。
所述冷凝液节流阀8控制由冷凝集液器4进入吸收器2的混合工质的流量。
所述太阳能中温集热组件10集热温度与所述解吸发生器3的解吸温度一致。
所述截止阀11实现集热流体的控制来满足解吸发生器3的热量需求。
以下对本发明一种独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2 的系统流程进行说明。
本发明系统共有四条物质流流程，分别是：待净化烟气流、混合工质对二氧化碳的吸收-解吸物质流、纯净二氧化碳压缩存储流和太阳能中温集热物质流。
待净化烟气流是含有二氧化碳以及杂质气体的烟气经烟气预处理器1处理后进入吸收器2，在吸收器2中二氧化碳被喷淋的吸收工质吸收，脱除二氧化碳后的净化气体排入大气；混合工质对二氧化碳的吸收-解吸物质流是在吸收器2中喷淋的吸收工质吸收二氧化碳后在吸收器2底部汇集，被抽出后经过溶液热交换器5温度得到提升后进入解吸发生器4，在解吸发生器4的高温高压下将二氧化碳释放后从底部被抽出，经溶液热交换器5换热后温度降低，送至吸收器2重新喷淋吸收二氧化碳；纯净二氧化碳压缩存储流是解吸发生器3中顶部的二氧化碳和吸收工质的蒸汽进入冷凝集液器4，在低温环境下吸收工质液化从冷凝集液器4底部抽出后经冷凝节流阀8送至吸收器2，纯净的二氧化碳经CO2 压缩机9压缩后存储；太阳能中温集热物质流是换热介质在太阳能集热器中吸收太阳能，温度升高后经截止阀11进入解吸发生器3提供二氧化碳脱除所需要的热量，换热介质放热后重新进入集热器进行集热升温。
尽管上面结合附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 (5)
1.一种独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2 的系统，包括烟气预处理器（1），其特征在于，与烟气预处理器（1）依次相连有吸收器（2）、溶液泵（6）、溶液热交换器（5）、解吸发生器（3）、冷凝集液器（4）和CO2 压缩机（9）；所述烟气预处理器（1）连接至吸收器（2）气体进口，所述吸收器（2）的液体出口连接至所述溶液泵（6），所述溶液热交换器（5）的低温侧出口与所述解吸发生器（3）的进口相连，所述解吸发生器（3）的蒸汽出口连接至所述冷凝集液器（4）；
所述解吸发生器（3）的液体出口连接至所述溶液热交换器（5）的高温侧进口，所述溶液热交换器（5）的高温侧出口连接至所述吸收器（2）的液体进口；
在所述溶液热交换器（5）与所述吸收器（2）的连接管路上设有再生液节流阀（7），所述吸收器（2）与所述冷凝集液器（4）的连接管路上设有冷凝液节流阀（8）；
所述解吸发生器（3）包括太阳能热源，所述太阳能热源由太阳能中温集热组件（10）和连接管路构成，所述太阳能中温集热组件（10）由多组中温太阳能集热器经串并联组合而成，连接管路上设有一截止阀（11）；
所述吸收器（2）完成二氧化碳的吸收工作，含有二氧化碳的混合气体在压力驱动下进入吸收器（2）与其内部喷淋的混合工质进行热质交换后被混合工质吸收形成含有二氧化碳的混合溶液，净化后的气体从所述吸收器（2）排空，混合溶液经所述溶液泵（6）和溶液热交换器（5）进入解吸发生器（3）进行分离；
所述溶液泵（6）的工作压力为2MPa，所述溶液泵（6）进行吸收二氧化碳后的混合溶液的输送工作，将混合溶液由吸收器（2）运送至解吸发生器（3）；
所述解吸发生器（3）的工作温度为110~125℃，所述解吸发生器（3）将吸收器（2）输送过来的含有二氧化碳的混合溶液进行分离；分离后的二氧化碳和部分混合工质蒸汽的混合气体被送往冷凝集液器（4）进行进一步分离，不含二氧化碳的混合工质送往吸收器（2）继续吸收二氧化碳；
节流阀对不含二氧化碳的混合工质进行节流降压，降低后的压力等于吸收器（2）所需的压力；
所述太阳能中温集热组件（10）集热温度与所述解吸发生器（3）的解吸温度一致。
2.根据权利要求1所述独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2 的系统，其特征在于，所述溶液热交换器（5）对吸收器（2）排出的含有二氧化碳的混合溶液与解吸发生器（3）解吸出的不含二氧化碳的混合工质进行热量交换，使系统保持低温吸收二氧化碳、高温解吸二氧化碳的工况。
3.根据权利要求1所述独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2 的系统，其特征在于，所述冷凝集液器（4）对解吸发生器（3）解吸出的二氧化碳和混合工质的混合溶液进行进一步冷却分离，冷凝后的混合工质留待继续吸收二氧化碳。
4.根据权利要求1所述独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2 的系统，其特征在于，所述冷凝液节流阀（8）控制由冷凝集液器（4）进入吸收器（2）的混合工质的流量。
5.根据权利要求1所述独立太阳能直接热力驱动利用混合工质脱除CO2 的系统，其特征在于，所述截止阀（11）实现集热流体的控制来满足解吸发生器（3）的热量需求。
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Address after: 300350 District, Jinnan District, Tianjin Haihe Education Park, 135 beautiful road, Beiyang campus of Tianjin University Applicant after: Tianjin University Address before: 300072 Tianjin City, Nankai District Wei Jin Road No. 92 Applicant before: Tianjin University |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180105 Termination date: 20201026 |