CN105585015A - 一种利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统 - Google Patents

一种利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统，主要由电厂发电子系统、二氧化碳捕集子系统、中低温地热能子系统以及相关的控制部件组成。各部分主要通过烟气净化装置、再沸器、地热换热器进行连接，从而形成整个系统。经过与地热流体换热后的工作流体依次通过再沸器和电厂低压给水换热器，在提供二氧化碳捕集过程中再沸器的热量的同时，也能提供电厂低压给水换热器的热需求，降低电厂低压给水加热的抽汽。本发明充分实现了地热能的梯级利用，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利用与电厂二氧化碳减排的双重功效，有力推动我国地热能与烟气捕集集成技术的大规模应用。

Description

一种利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统
技术领域
本发明涉及一种中低温地热能辅助二氧化碳捕集集成技术，具体涉及中低温地热能与电厂烟气中二氧化碳捕集子系统以及电厂给水加热系统的集成，利用地热能提供二氧化碳捕集子系统的能量补偿，同时给给水加热系统提供低温热，在实现地热能梯级利用的同时，有效地降低电厂因抽蒸汽所带来的效率下降。
背景技术
CO2的捕集、利用与封存被视为减排CO2的战略性技术和重要途径，是现阶段可以实现大规模CO2减排的最直接技术，也是未来具有最大减排潜力的碳捕集技术。目前我国发电厂以火力发电为主，其燃烧发电过程排放的二氧化碳占到了总排放量的近六成，因此，电厂应该加快节能减排的进程，尤其是实现发电过程中CO2的捕集。
针对既有电厂方面烟气中CO2的捕集，燃烧后碳捕集这一技术方案被广泛认可，也是一种对现有电厂所需改造最少的捕集方式。在目前发展的捕集技术中，以化学吸收法，尤其是以单乙醇胺(MEA)为吸收剂的捕集方法发展最为快速和成熟，具有在示范和商业中应用的前景。但是，CO2捕集过程中需要消耗大量热能，对MEA法而言，再沸器的耗能达到3-4GJ/吨CO2，其热需求通常来源于电厂汽轮机中低压缸中的抽汽，从而造成电厂发电效率下降15-30％。
地热能作为一种清洁能源，具有温度分布广泛，开发利用潜力十分巨大的特点。据原地矿部统计，我国地热资源十分丰富，其探明的藏南、滇西、川西以及台湾省的地热资源尤为丰富，且多为150℃以上的高温地热资源，而其开发利用目前仍处于初级阶段。将地热能与现有的二氧化碳捕集子系统结合，利用地热的中低温热进行捕集系统解吸的用热需求以及电厂低压给水预热，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，有力推动我国地热能与烟气捕集集成技术的大规模应用。
发明内容
为了降低电厂CO2捕集对电厂的影响，本发明提出了一种利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统，根据不同的集成方式实现地热能不同温度区间的梯级利用。在提供CO2捕集解吸热的同时降低电厂抽汽系统的影响。
为了有效地解决上面的技术问题，本发明一种利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统，包括电厂发电子系统、二氧化碳捕集子系统、中低温地热能子系统；所述电厂发电子系统包括输煤器，锅炉、汽轮机、乏汽凝汽器、第一泵、低压给水换热器和高压给水换热器；所述锅炉、汽轮机、乏汽凝汽器、第一泵、低压给水换热器和高压给水换热器依次串联构成了一蒸汽循环系统；所述二氧化碳捕集子系统包括烟气净化处理装置、吸收塔、富液泵、贫/富液换热器、贫液泵、解吸塔、再沸器以及多级压缩装置；所述锅炉的烟气出口与所述烟气净化处理装置的入口连接，所述烟气净化处理装置的出口连接至吸收塔下部的气体入口；所述贫/富液换热器分别与所述贫液泵的出口、所述解吸塔上部的富液喷淋入口、所述富液泵的出口及所述吸收塔的上部贫液喷淋入口相连；所述解吸塔底部的入口分别与所述再沸器的出口及所述贫液泵的入口相连，所述解吸塔顶部的气体出口连接到所述多级压缩装置的入口；所述汽轮机与所述再沸器之间的连接管路上设有抽汽阀门；所述中低温地热能子系统包括第二泵和依次与生产井串联的第一控制阀、过滤器、地热换热器、第三泵以及注入井；所述地热换热器的低温测出口与再沸器的高温侧入口连接，所述汽轮机的抽汽口与所述再沸器的高温侧入口连接，所述再沸器的高温侧出口与第二泵的入口端之间的连接关系包括以下两种情形；一种是：所述再沸器的高温侧出口与第二泵的入口端直接相连；另一种是；所述再沸器的高温侧出口与低压给水换热器的热源端入口连接，所述低压给水换热器的热源端出口与第二泵的入口端相连；所述第二泵的出口端连接至所述地热换热器的低温测入口。
本发明中，电厂发电子系统中锅炉燃烧后会产生大量含有一定浓度的烟气，烟气经过预处理装置处理后从塔底进入吸收塔，与塔顶喷淋的化学吸收液进行接触，吸收烟气中的二氧化碳，形成富液，富液经富液泵与贫/富液换热器换热后从塔顶喷淋到解吸塔进行再生，同时再沸器提供解吸所需的热量，解吸出的二氧化碳经过压缩后进行存储。解吸出二氧化碳后的贫液经贫液泵、贫/富液换热器后重新喷淋到吸收塔并形成整个吸收解吸循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)地热能与CO2捕集系统及电厂的结合，在利用CO2捕集降低电厂CO2排放降低的同时，引入的地热能也实现了碳减排的效果，同时也提升了可再生能源的占比。
(2)地热能的回灌温度较低，既可以利用地热能直接提供CO2捕集的再生能耗，经过CO2捕集的低温地热也可以与电厂低压给水集成，实现地热能的梯级利用，避免了低品位能源的浪费。
(3)与其它可再生能源相比，地热能具有的稳定性可以实现集成系统的稳定运行，并且基本能消除传统电厂抽汽方式对汽轮机的不利影响。
附图说明
图1为本发明地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统实施例1的示意图；
图2为本发明地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统实施例2的示意图。
图中：1-输煤器，2-锅炉，3-烟气净化处理装置，4-汽轮机，5-吸收塔，6-解吸塔，7-多级压缩装置，8-再沸器，9-贫/富液换热器，10-富液泵，11-贫液泵，12-低压给水换热器，13-高压给水换热器，14-乏汽凝汽器，15-第一泵，16-抽汽阀门，17-控制阀，18-第二控制阀，19-第一控制阀，20-过滤器，21-地热换热器，22-第三泵，23-第二泵，24-生产井，25-注入井。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1和图2所示，本发明一种利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统，包括电厂发电子系统、二氧化碳捕集子系统和中低温地热能子系统。
所述电厂发电子系统包括输煤器1，锅炉2、汽轮机4、乏汽凝汽器14、第一泵15、低压给水换热器12和高压给水换热器13；所述锅炉2、汽轮机4、乏汽凝汽器14、第一泵15、低压给水换热器12和高压给水换热器13依次串联，所述输煤器1出口与锅炉2入口相连；从锅炉2出口的蒸汽依次经过汽轮机4、乏汽凝汽器14、低压给水换热器12、高压给水换热器13后进入锅炉2中，从而构成了蒸汽发电系统。
所述二氧化碳捕集子系统包括烟气净化处理装置3、吸收塔5、富液泵10、贫/富液换热器9、贫液泵11、解吸塔6、再沸器8以及多级压缩装置7；所述锅炉2的烟气出口与所述烟气净化处理装置3的入口连接，从而使所述锅炉2的出口烟气进入烟气净化处理装置3中。所述烟气净化处理装置3的出口连接至吸收塔5下部的气体入口，经过净化处理装置8除尘后的烟气从吸收塔5的底部进入塔内进行二氧化碳捕集；从吸收塔5出口的富液与富液泵10的入口连接；所述贫/富液换热器9分别与所述贫液泵11的出口、所述解吸塔6上部的富液喷淋入口、所述富液泵10的出口及所述吸收塔5的上部贫液喷淋入口相连；所述解吸塔6底部的入口分别与所述再沸器8的出口及所述贫液泵11的入口相连，所述解吸塔6顶部的气体出口连接到所述多级压缩装置7的入口，经过多级压缩后的CO2进入输运与存储系统。所述电厂发电子系统中的所述汽轮机4根据捕集温度的需要从中引出抽汽，因此，所述汽轮机4的抽汽口与所述再沸器8的高温侧入口连接。所述汽轮机4与所述再沸器8之间的连接管路上设有抽汽阀门16，以控制从汽轮机4中的抽汽量。经过再沸器8换热后的蒸汽分成两支路，一支路进入中低温地热能子系统，另一路通过控制阀17的控制进入到电厂发电子系统中。
所述中低温地热能子系统包括第二泵23和依次与生产井24串联的第一控制阀19、过滤器20、地热换热器21、第三泵22以及注入井25；所述生产井24提供的地热能的温度在100℃以上。所述地热换热器21的低温测出口与再沸器8的高温侧入口连接，所述汽轮机4的抽汽口与所述再沸器8的高温侧入口连接，所述再沸器8高温侧出口通过第二泵23的连接；所述地热换热器21的低温侧入口与第二泵23的出口连接，所述地热换热器21的低温侧出口则通过第二控制阀18汇入抽汽管道。
本发明中，根据中低温地热能回灌温度的不同(即地热能是否梯级利用)，中低温地热能子系统与电厂发电子系统及二氧化碳捕集子系统之间有两种集成方式，即所述中低温地热能的热量输出端与所述再沸器和电厂的低压给水换热器12之间的连接关系包括下述两种情形之一：一种是：所述地热换热器21的低温侧出口与再沸器8高温侧入口相连，再沸器8的高温侧出口与低压给水换热器12的热源端入口相连，低压给水换热器12的热源端出口则通过第二泵23重新返回地热换热器21，从而构成循环；这种连接方式可以将中温地热能根据品位的不同依次实现再沸器8与低压给水换热器12的梯级利用，减少汽轮机4抽汽，同时实现地热流体的低温回灌；另一种是：所述地热换热器21的低温侧出口与再沸器8的高温侧入口相连，再沸器8的高温侧出口直接经第二泵23返回地热换热器21，这种连接方式可以只利用地热能为再沸器8提供热量，在简化系统的同时降低了地热换热器21的温差。上述两种连接方式均设计了从汽轮机4抽汽的连接管路，这样可以在地热能不足时利用抽汽提供热量。
实施例1：
当中低温地热能进行梯级利用时，中低温地热能子系统与电厂发电子系统及二氧化碳捕集子系统之间的连接关系是：如图1所示，所述中低温地热能子系统中的生产井24经过第一控制阀19、过滤器20、地热换热器21以及第三泵22的依次串联后，换热后的地热水再回灌入注入井25，以保持地热水的平衡。所述再沸器8的热源端出口工质与低压给水换热器12的热源端入口相连，低压给水换热器12的热源端出口则与第二泵23入口相连，从而实现中低温地热能的梯级利用。实施例1的连接方式可以利用120-130℃左右的地热能，通过地热换热器21后首先提供给再沸器8所需温度的热量，经过再沸器8换热后再继续与低压给水换热器12换热，将低温地热能梯级供给电厂低压给水换热器12。经过梯级利用后的地热水的温度可以降低到35℃左右。同时地热能不足的部分则可以通过控制电厂抽汽来解决，这样既实现了能量品位的梯级利用，减少了电厂抽汽的不可逆损失，同时低温地热水也便于回灌。
实施例2：
当中低温地热能只实现再沸器8供能利用时，中低温地热能子系统与电厂发电子系统及二氧化碳捕集子系统之间的连接关系是：如图2所示，所述再沸器8的热源端出口直接与第二泵23连接，第二泵23的出口与地热换热器21的低温端入口相连，地热换热器21的低温端出口则汇入抽汽管道，并与再沸器8热源端相连，以提供再沸器8所需热能。实施例2的连接方式只利用地热能提供再沸器8所需的热量，其优点是简化了系统结构，降低了地热换热器21的换热温差；缺点是地热水回灌温度过高，地热能利用不充分。
在本发明一种利用中低温地热能辅助电厂二氧化碳捕集的梯级利用系统工作过程中，再沸器8的热量需求由生产井24提供的地热能和电厂低压抽汽共同提供，两者通过抽汽阀门16与第二控制阀18进行切换与调节。在地热能能够完全满足再沸器8热需求时，抽汽阀门16关闭；在地热能部分满足再沸器8热需求时，抽汽阀门16开启，同时利用地热能和抽汽提供热量。
本发明中低温地热能既可以是地热水、热液，也可以是地热蒸汽，其形式取决于地热资源及开采情况。
本发明中低温地热与再沸器的利用为间接换热形式，即中低温地热经过地热换热器21与再沸器8的热源端流体进行换热，也可以利用直接换热形式，即中低温地热直接作为再沸器8热源端工作流体，省去地热换热器21。
本发明中所述二氧化碳捕集子系统主要适用于化学吸收法捕集，吸收剂主要以醇胺类物质或无机氨水溶液为基础。
本发明中所述中低温地热能温度主要由所述二氧化碳捕集部分的解吸温度决定。
本发明系统充分实现了地热能的梯级利用，可大幅降低从电厂汽轮机4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利用与电厂二氧化碳减排的双重功效，有力推动我国地热能与烟气捕集集成技术的大规模应用。
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，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统，包括电厂发电子系统、二氧化碳捕集子系统、中低温地热能子系统；其特征在于：
所述电厂发电子系统包括输煤器(1)，锅炉(2)、汽轮机(4)、乏汽凝汽器(14)、第一泵(15)、低压给水换热器(12)和高压给水换热器(13)；所述锅炉(2)、汽轮机(4)、乏汽凝汽器(14)、第一泵(15)、低压给水换热器(12)和高压给水换热器(13)依次串联构成了一蒸汽循环系统；
所述二氧化碳捕集子系统包括烟气净化处理装置(3)、吸收塔(5)、富液泵(10)、贫/富液换热器(9)、贫液泵(11)、解吸塔(6)、再沸器(8)以及多级压缩装置(7)；所述锅炉(2)的烟气出口与所述烟气净化处理装置(3)的入口连接，所述烟气净化处理装置(3)的出口连接至吸收塔(5)下部的气体入口；所述贫/富液换热器(9)分别与所述贫液泵(11)的出口、所述解吸塔(6)上部的富液喷淋入口、所述富液泵(10)的出口及所述吸收塔(5)的上部贫液喷淋入口相连；所述解吸塔(6)底部的入口分别与所述再沸器(8)的出口及所述贫液泵(11)的入口相连，所述解吸塔(6)顶部的气体出口连接到所述多级压缩装置(7)的入口；所述汽轮机(4)与所述再沸器(8)之间的连接管路上设有抽汽阀门(15)；
所述中低温地热能子系统包括第二泵(23)和依次与生产井(24)串联的第一控制阀(19)、过滤器(20)、地热换热器(21)、第三泵(22)以及注入井(25)；所述地热换热器(21)的低温测出口与再沸器(8)的高温侧入口连接，所述汽轮机(4)的抽汽口与所述再沸器(8)的高温侧入口连接，
所述再沸器(8)的高温侧出口与第二泵(23)的入口端之间的连接关系包括以下两种情形；
一种是：所述再沸器(8)的高温侧出口与第二泵(23)的入口端直接相连；
另一种是；所述再沸器(8)的高温侧出口与低压给水换热器(12)的热源端入口连接，所述低压给水换热器(12)的热源端出口与第二泵(23)的入口端相连；
所述第二泵(23)的出口端连接至所述地热换热器(21)的低温测入口。
2.根据权利要求1所述利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统，其特征在于，所述二氧化碳捕集子系统适用于以化学吸收法捕集的系统，其中吸收剂为有机醇胺类或无机氨水类。
3.根据权利要求1所述利用中低温地热能辅助二氧化碳捕集的梯级利用系统，其特征在于，所述生产井(24)提供的地热能的温度在100℃以上。
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