CN107677044A - 一种采用低温凝华法的富氧燃烧尾气处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用低温凝华法的富氧燃烧尾气处理系统，属于工业废气处理技术领域，该尾气处理系统包括与富氧燃烧装置的尾气端连通的二氧化碳捕集装置；富氧燃烧装置包括燃烧炉、为燃烧炉内的燃烧提供氧气的供氧器以及连通燃烧炉的排气端且用于提纯并输出二氧化碳气体的尾气处理机；二氧化碳捕集装置包括凝华腔、为凝华腔提供冷量的冷源、与凝华腔通过一可开闭的密封板隔开的液化腔以及用于收集液化腔内液体的储液罐；液化腔的底部设有一换热盘管，液化腔的侧壁上设有连通凝华腔的气体出口；换热盘管内通入从尾气处理机输出的二氧化碳后连通凝华腔。本发明无需利用额外的能量便可实现增压，提高了能源利用率。
Description
技术领域
本发明涉及工业废气处理技术领域，具体地说，涉及一种采用低温凝华法的富氧燃烧尾气处理系统。
背景技术
目前我国电力行业的发电系统大多采用的是空气助燃，我国每年都消耗大量的煤炭并排放大量的二氧化碳，对全球气候造成威胁。富氧燃烧技术是最具潜力的燃煤电厂大规模碳减排技术之一，它在现有电站锅炉系统的基础上，用高纯度的氧气代替助燃空气，可获得高达含80％体积浓度的二氧化碳烟气，含有高浓度二氧化碳的尾气可经过一系列相关措施进行资源化利用。
对含高浓度二氧化碳的富氧燃烧尾气的传统的处理方式是通过冷凝压缩实现对二氧化碳的捕集，产物一般为液态的二氧化碳。根据二氧化碳的特性，在常压状态下，通过降温的方式，二氧化碳只能发生凝华，从气态直接转变为固态，固态二氧化碳即干冰，由于流动性差，不利于收集，而将二氧化碳转变成液态的形式更利于收集。
实现气态二氧化碳到液态二氧化碳转变的过程一般需要借助外力，通常采用压缩机，例如公布号为CN105605602A的中国专利文献所公开的一种将LNG冷能用于空分制氧和碳捕获的天然气富氧燃烧系统，该系统将高压天然气与高压氧气燃烧后的高压二氧化碳经过冷却和膨胀后，最终利用液氧将低压状态下的二氧化碳液化，实现碳的回收。
该发明的不足之处在于，二氧化碳产生时的状态是高压的，这要求燃烧炉内的氧气和天然气是高压的，对于原料气体的压力有一定的要求；另外，二氧化碳在发生相变的过程中与其他流体是通过非接触的方式实现换热，无法实现充分换热。
发明内容
本发明的目的为提供一种采用低温凝华法的富氧燃烧尾气处理系统，该处理系统无需依赖压缩机，即无需利用额外的能量便可实现增压，达到液化所需的压力条件。
为了实现上述目的，本发明提供的采用低温凝华法的富氧燃烧尾气处理系统包括与富氧燃烧装置的尾气端连通的二氧化碳捕集装置；富氧燃烧装置包括燃烧炉、为燃烧炉内的燃烧提供氧气的供氧器以及连通燃烧炉的排气端且用于提纯并输出二氧化碳气体的尾气处理机；二氧化碳捕集装置包括凝华腔、为凝华腔提供冷量的冷源、与凝华腔通过一可开闭的密封板隔开的液化腔以及用于收集液化腔内液体的储液罐；液化腔的底部设有一换热盘管，液化腔的侧壁上设有连通凝华腔的气体出口；换热盘管内通入从尾气处理机输出的二氧化碳后连通凝华腔。
上述技术方案中，燃烧炉为进行富氧燃烧的燃烧炉，产生的尾气含有高浓度的二氧化碳气体，在经过尾气处理机的除杂后得到提纯的二氧化碳原料气体，提纯过程包括过滤、吸附及干燥等。二氧化碳原料气体进入凝华腔，在冷源提供的低温环境下，二氧化碳气体凝华为二氧化碳固体，即干冰，打开凝华腔与液化腔之间的密封板，使干冰落入液化腔后迅速关闭密封板，并通过换热盘管内的二氧化碳与密闭的液化腔内的干冰换热，使干冰升温升华成二氧化碳气体并达到自增压的效果，在达到一定的压力条件后，二氧化碳将以液体的形成存在，最后将液化腔中的液态二氧化碳输送至储液罐内进行储存。换热盘管内的二氧化碳为尾气处理机输出的二氧化碳原料气体，在对二氧化碳原料气体进行预冷的同时对液化腔的二氧化碳进行升温，换热完成后通入凝华腔内进行凝华，无需利用额外的能量便可实现增压，提高了能源利用率。
具体的方案为冷源为向凝华腔内输入氮气的供氮器；凝华腔的侧壁上设有氮气输入口，顶部设有氮气输出口。二氧化碳原料气体与供氮器提供的氮气混合，实现充分换热，提高了换热效率。凝华腔顶部的氮气输出口用于排出利用完的氮气以及部分二氧化碳气体。
更具体的方案为供氧器和供氮器为一体的空分装置，空分装置上设有供氧口和供氮口。空分装置能把空气中的各组分气体分离，氮气和氧气被分离后分别通过供氮口和供氧口通入凝华腔和燃烧炉内，其原料为普通空气。
进一步更具体的方案为空分装置的入口空气管道上设有空分换热器；供氧口输出的氧气通入空分换热器的换热盘管后再输入燃烧炉内。空分换热器实现空分装置提供的氧气与进入空分装置的原料空气进行换热，在升高氧气温度的同时，降低原料空气的温度，进一步提高了能源利用率。
另一个更具体的方案为凝华腔内位于氮气输出口的下方设有干冰滤网。实现对干冰颗粒的过滤，避免干冰颗粒被废氮气夹带排出凝华腔，同时，干冰滤网具有振动功能，可使收集到的少量干冰颗粒脱落。
再一个更具体的方案为尾气处理机与液化腔底部的换热盘管之间设有两预冷换热器；第一预冷换热器的换热盘管内通入冷却水，第二预冷换热器的换热盘管内通入从凝华腔的氮气输出口输出的废氮气后将废氮气排出。
利用冷却水对二氧化碳原料气体进行第一级预冷，第二级换热器实现二氧化碳原料气体和从凝华腔排出的废氮气之间的换热，利用废氮气对二氧化碳原料气体进行第二级预冷。进一步提高了能源利用率。
进一步更具体的方案为凝华腔的氮气输出口与第二预冷换热器的换热盘管连通的管路上设有第三预冷换热器；从液化腔内的换热盘管输出的二氧化碳通入第三预冷换热器的换热盘管后再输入凝华腔内。第三预冷换热器实现二氧化碳气体与从凝华腔排出的废氮气之间的换热，利用废氮气对二氧化碳原料气体进行第四级预冷。第三级预冷通过液化腔内的换热盘管实现。
另一个具体的方案为第三预冷换热器的换热盘管与凝华腔之间连通的管路上设有进气气泵。进气泵便于实现二氧化碳原料气体的输送，将二氧化碳原料气体输送至凝华腔。
再一个具体的方案为储液罐与液化腔之间连通的管路上设有输液泵；液化腔与凝华腔之间连通的管路上设有回气气泵。
优选的方案为液化腔位于凝华腔的正下方。便于干冰的掉落。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的二氧化碳不需要依赖压缩机增压，常压的气态二氧化碳首先在凝华腔中降温形成固态二氧化碳，随后固态二氧化碳在液化腔中升温并升华为气态二氧化碳，同时通过自增压的方式将压力升到液化所需的压力，从而发生液化，使二氧化碳在液化腔中实现固态到气态最后到液态的转变，另外，若液化腔中的压力足够高，固态二氧化碳可直接升温液化形成液态二氧化碳；
(2)本发明的二氧化碳在凝华腔中与低温氮气通过直接接触的方式实现换热，从而降温发生凝华形成固态二氧化碳，直接接触的换热方式相较于非接触的换热方式换热效率更高，且结构更简单。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图中各附图标记为：
1、凝华腔；2、液化腔；3、密封板；4、干冰滤网；5、换热盘管；6、空分装置；7、空分换热器；8、燃烧炉；9、尾气处理机；10、第一预冷换热器；11、第二预冷换热器；12、第三预冷换热器；13、回气气泵；14、进气气泵；15、输液泵；16、储液罐。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例
参见图1，本实施例采用低温凝华法的富氧燃烧尾气处理系统包括富氧燃烧装置、二氧化碳捕集装置及空分装置6。
富氧燃烧装置包括燃烧炉8和尾气处理机9，燃烧炉8可进行富氧燃烧，产生的尾气含有高浓度的二氧化碳气体，尾气处理机9具有过滤、吸附和干燥等功能，对从燃烧炉8排出的尾气进行干燥和净化，得到可用于捕集的二氧化碳原料气体。
二氧化碳捕集装置包括凝华腔1、液化腔2以及储液罐16。凝华腔1与液化腔2设置在同一腔体中，通过可活动的密封板3隔开，液化腔2位于凝华腔1的正下方，在液化腔2的底部设有换热盘管5。
空分装置6能将空气中的氧气和氮气分离出来，其原料为普通空气。氧气被分离出来后通过供氧口通入燃烧炉8内，在原料空气的进气管道上设有空分换热器7，供氧口输出的氧气通入空分换热器7的换热盘管后再输入燃烧炉8内，实现空分装置6提供的氧气与进入空分装置6的原料空气进行换热，在升高氧气温度的同时，降低原料空气的温度。氮气被空分装置6分离出来后通过供氮口通入凝华腔1内，为二氧化碳的冷凝提供冷源。
凝华腔的侧壁上设有氮气输入口和二氧化碳输入口，顶部设有氮气输出口。换热盘管5通入从尾气处理机9输出的二氧化碳原料气体后连通凝华腔1的二氧化碳输入口，在尾气处理机9与换热盘管5设有对二氧化碳原料气体进行预冷的第一预冷换热器10和第二预冷换热器11，第一预冷换热器10通过冷却水与二氧化碳原料气体进行换热，第二预冷换热器11的换热盘管内通入从凝华腔1的氮气输出口输出的废氮气后将废氮气排出。再氮气输出口与第二预冷换热器11的换热盘管连通的管路上设有第三预冷换热器12，第三预冷换热器12与二氧化碳输入口之间的管路上安装有进气气泵，从液化腔2内的换热盘管5输出的二氧化碳通入第三预冷换热器12的换热盘管后再输入凝华腔1内。
液化腔2的侧壁上设有连通凝华腔的气体出口，在该气体出口与凝华腔连通的管路上设有回气气泵13。储液罐16与液化腔2的底部连通，且在连通的管路上设有输液泵15。
本实施例的工作过程或原理如下：
燃烧炉8产生的尾气含有高浓度的二氧化碳气体，在经过尾气处理机9的除杂后得到提纯的二氧化碳原料气体，提纯过程包括过滤、吸附及干燥等。经过第一预冷换热器10和第二预冷换热器11预冷后的二氧化碳原料气体进入液化腔内的换热盘管5进行第三级预冷，然后通过第三预冷换热器12进行第四级预冷，最后通入凝华腔1，与空分装置6提供的低温氮气混合，二氧化碳气体凝华为二氧化碳固体，即干冰，打开凝华腔1与液化腔2之间的密封板3，使干冰落入液化腔2后迅速关闭密封板3，并通过换热盘管5内的二氧化碳与密闭的液化腔2内的干冰换热，使干冰升温升华成二氧化碳气体并达到自增压的效果，在达到一定的压力条件后，二氧化碳将以液体的形成存在，最后将液化腔中的液态二氧化碳输送至储液罐16内进行储存。换热盘管5内的二氧化碳为尾气处理机9输出的二氧化碳原料气体，在对二氧化碳原料气体进行预冷的同时对液化腔2的二氧化碳进行升温，换热完成后通入凝华腔1内进行凝华，无需利用额外的能量便可实现增压，提高了能源利用率。
Claims (10)
1.一种采用低温凝华法的富氧燃烧尾气处理系统，包括与富氧燃烧装置的尾气端连通的二氧化碳捕集装置；
其特征在于：
所述富氧燃烧装置包括燃烧炉、为所述燃烧炉内的燃烧提供氧气的供氧器以及连通所述燃烧炉的排气端且用于提纯并输出二氧化碳气体的尾气处理机；
所述二氧化碳捕集装置包括凝华腔、为所述凝华腔提供冷量的冷源、与所述凝华腔通过一可开闭的密封板隔开的液化腔以及用于收集所述液化腔内液体的储液罐；
所述液化腔的底部设有一换热盘管，液化腔的侧壁上设有连通所述凝华腔的气体出口；
所述换热盘管内通入从所述尾气处理机输出的二氧化碳后连通所述凝华腔。
2.根据权利要求1所述的富氧燃烧尾气处理系统，其特征在于：
所述的冷源为向所述凝华腔内输入氮气的供氮器；
所述凝华腔的侧壁上设有氮气输入口，顶部设有氮气输出口。
3.根据权利要求2所述的富氧燃烧尾气处理系统，其特征在于：
所述的供氧器和所述的供氮器为一体的空分装置，空分装置上设有供氧口和供氮口。
4.根据权利要求3所述的富氧燃烧尾气处理系统，其特征在于：
所述的空分装置的入口空气管道上设有空分换热器；
所述供氧口输出的氧气通入所述空分换热器的换热盘管后再输入所述的燃烧炉内。
5.根据权利要求2所述的富氧燃烧尾气处理系统，其特征在于：
所述的凝华腔内位于所述氮气输出口的下方设有干冰滤网。
6.根据权利要求2所述的富氧燃烧尾气处理系统，其特征在于：
所述的尾气处理机与所述的液化腔底部的换热盘管之间设有两预冷换热器；
第一预冷换热器的换热盘管内通入冷却水，第二预冷换热器的换热盘管内通入从所述凝华腔的氮气输出口输出的废氮气后将废氮气排出。
7.根据权利要求6所述的富氧燃烧尾气处理系统，其特征在于：
所述的凝华腔的氮气输出口与所述的第二预冷换热器的换热盘管连通的管路上设有第三预冷换热器；
从所述液化腔内的换热盘管输出的二氧化碳通入所述第三预冷换热器的换热盘管后再输入所述凝华腔内。
8.根据权利要求1所述的富氧燃烧尾气处理系统，其特征在于：
所述的第三预冷换热器的换热盘管与所述的凝华腔之间连通的管路上设有进气气泵。
9.根据权利要求1所述的富氧燃烧尾气处理系统，其特征在于：
所述的储液罐与所述的液化腔之间连通的管路上设有输液泵；
所述的液化腔与所述的凝华腔之间连通的管路上设有回气气泵。
10.根据权利要求1至9任一权利要求所述的富氧燃烧尾气处理系统，其特征在于：
所述的液化腔位于所述的凝华腔的正下方。
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