CN108679682B - 回收火力发电厂干法捕集co2过程余热并用于供热的系统 - Google Patents

回收火力发电厂干法捕集co2过程余热并用于供热的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种回收火力发电厂干法捕集CO2过程余热并用于供热的系统，该系统包括碳捕集机组和抽汽供热机组。本发明采用低温热网回水作为冷却碳捕集机组中碳酸化反应器的冷却介质，实现了吸附过程中放出的大量低品位热量的回收利用；利用再生反应器出口的再生气体取代碳捕集机组中低温回热器加热凝结水，回收再生气体的冷却热，减少碳捕集机组的低压抽汽；采用吸收式热泵回收了供热机组中部分汽轮机的排汽余热。本发明结合低温干法捕集CO2的技术和吸收式换热技术的优势，回收碳捕集过程中的余热，同时实现发电、CO2捕集和集中供热，符合能量梯级利用的原则，整个系统具有较好的经济性。

Description

回收火力发电厂干法捕集CO2过程余热并用于供热的系统
技术领域
本发明涉及一种回收火力发电厂干法捕集CO2过程余热并用于供热的系统，属于二氧化碳减排和集中供热技术领域。
背景技术
CO2的大量排放是导致全球气候变暖的重要因素，而碳捕集与封存技术被认为是减缓全球气候变暖的最有效措施。其中采用碱金属基固体吸附剂的干法CO2捕集技术能够在低温下实现二氧化碳捕集而没有湿法导致的设备腐蚀等问题，兼具湿法吸收和物理吸附的优点，故具有较好的应用前景。
常见的碱金属基固体吸附剂有钾基固体吸附剂和钠基固体吸附剂两种。钾基固体吸附剂的反应速率更快，而钠基固体吸附剂的优势则在于其来源广泛价格低廉、便于温控。捕集过程主要包括如下反应：
碳酸化反应：M2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)→2MHCO3(s)
再生反应：2MHCO3(s)→M2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)(M＝K，Na)
再生反应是吸热反应，需要热源加热维持反应进行，常选用汽轮机抽汽作为再生过程的热源提供热量。而碳酸化反应过程是个高放热反应，要维持反应在合适的温度区间，碳酸化过程中就需要冷却介质及时带走这部分热量。带走的这部分热量因品味过低常常无法得到有效利用而被浪费。如能将这一部分热量加以利用，则能够很大程度上降低碳捕集的综合能耗，提高系统的经济性。
已有的吸收式换热技术能够成功地降低热网回水温度至25～30℃，实现大温差传热。基于此技术的应用，低温热网回水能够作为碳捕集过程中碳酸化反应的冷却介质，回收部分低温余热实现热网水低温段的温升，再经抽凝机组抽汽加热达到集中供热要求。若在此基础上热网水中温段的温升再利用吸收式热泵通过蒸汽驱动提取汽轮机排汽余热来实现，则抽汽供热机组的供热能力能得到进一步的提升。
目前将CO2捕集和供热相结合的方法很少且只能满足特定的供热温度范围，如CN102322301A公开了一种燃煤发电的CO2捕获-供热一体化的系统及方法，针对采用化学吸收法捕集CO2的单个机组，将捕获CO2过程的中产生的低温热用于地暖供热，供暖范围在35-60℃。CN106215682A则公开了一种结合钙循环捕集 CO2和热电冷三联产系统的办法实现了三联产系统的零碳排放，能够同时实现供热、制冷、发电、CO2捕集等收益，但该方法针对的是钙循环捕集而非碱金属基吸附剂干法捕集，两者的碳捕集反应温度不同。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种回收火力发电厂干法捕集CO2过程余热并用于供热的系统，其具体技术方案如下：
一种回收火力发电厂干法捕集CO2过程余热并用于供热的系统，包括碳捕集机组和抽汽供热机组，
所述碳捕集机组包括锅炉、烟气处理装置、增压风机、碳酸化反应器、预热器、旋风分离器、再生反应器、吸附剂冷却塔、烟气换热器、除氧器、汽轮机、减温减压阀、换热器、凝结水泵、凝汽器、发电机、冷却塔、冷却器、气液分离器、CO2压缩装置、循环风机、阀门；
所述碳捕集机组中燃料煤在锅炉中燃烧形成的烟气，进入烟气处理装置进行脱硫脱硝除尘处理，经脱硫脱硝除尘后的烟气经增压风机增压后送入碳酸化反应器，在碳酸化反应器内与高活性碱金属固体吸附剂反应，脱除烟气中的CO2；反应后的吸附剂经预热器预热、旋风分离器分离后进入再生反应器，分解再生后的高温吸附剂进入吸附剂冷却塔冷却后返回碳酸化反应器实现循环利用；再生反应产生的CO2和水蒸汽用于加热凝结水泵出口的凝结水，再经冷却器冷却、气液分离器分离后获得高纯的CO2；高纯的CO2一部分作为流化介质由循环风机送入再生反应器，剩余的进行压缩冷却处理；
所述抽汽供热机组包括锅炉、汽轮机、发电机、减温减压阀、循环水泵、尖峰加热器、吸收式热泵、循环水冷却塔、凝汽器、除氧器和阀门；
所述碳捕集机组和抽汽供热机组通过碳酸化反应器、预热器、吸附剂冷却塔、烟气换热器和阀门及相应的管道连接。
所述抽汽供热机组中热网回水作为冷却介质冷却碳酸化反应器，冷却后一部分热网水进入吸附剂冷却塔冷却高温吸附剂，再经预热器预热吸附反应后的吸附剂，再回到尖峰加热器；另一部分热网水经吸收式热泵加热，再回到尖峰加热器；经尖峰加热器加热后的热网水由循环水泵送入热网供热。
所述碳捕集机组中用于吸附烟气中CO2的吸附剂为高活性的碱金属基固体吸附剂。
所述碳捕集机组中所述碳酸化反应器采用低温热网回水作为冷却介质。
所述碳捕集机组中凝结水泵出口的凝结水由再生反应器出口的再生气体加热到相应温度后进入除氧器。
所述碳捕集机组中布置在再生反应器之前的旋风分离器出口烟气余热被回收用来加热烟气换热器出口的热网水。
所述热网一二次网间即热力站采用的换热设备为吸收式换热机组来降低热网回水温度。
本发明的有益效果是：
本发明与抽汽供热机组的结合降低了碳捕集子系统的综合能耗，使得碳捕集过程中的低品位余热得到利用；抽汽供热机组中热网水回收碳捕集子系统的低温余热，并利用吸收式热泵提取循环冷却水余热，在同等抽汽量的基础上增加了供热量，同时回收了部分汽轮机排汽余热。高温吸附剂的冷却介质由热网水提供，能实现对这部分冷却热的最大程度回收；再生气体用于取代低温回热器来加热凝结水，减少了抽汽对汽轮机发电量的影响。耦合系统能够获得CO2减排、供热、发电等收益，整个系统实现了能源的高效利用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
附图标记列表：1-锅炉、2-烟气处理装置、3-增压风机、4-碳酸化反应器、 5-预热器、6-旋风分离器、7-再生反应器、8-吸附剂冷却塔、9-烟气换热器、10-除氧器、11-汽轮机、12-减温减压阀、13-换热器、14-凝结水泵、 15-凝汽器、16-发电机、17-锅炉、18-汽轮机、19-发电机、20-21-减温减压阀、22-循环水泵、23-尖峰加热器、24-吸收式热泵、25-吸收式换热机组、26-冷却塔、27-循环水冷却塔、28-凝汽器、29-冷却器、30-气液分离器、31-CO2压缩装置、32-除氧器、33-循环风机、34-38-阀门，A-送入锅炉的燃料煤；B-再生气体，主要由CO2和水蒸气组成；C-再生气体经分离压缩后得到的高浓度CO2；D-CO2被大规模脱除后的剩余烟气；E-热网供水，输送给用户；F-热网回水；G-再生后的高温吸附剂，送入吸附剂冷却塔冷却；H-汽轮机抽汽；I-放出潜热后的疏水，被送回除氧器；J-经冷凝分离后的高浓度 CO2，作为流化介质送入再生反应器，I-碳捕集机组，II-抽汽供热机组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明中所涉及的系统由碳捕集机组和抽汽供热机组两个机组组成，两者主要通过热网水与碳酸化反应器的换热实现耦合。
碳捕集机组主要有发电子系统一和碳捕集子系统两部分。
发电子系统一中锅炉燃烧产生的烟气经过烟气处理装置、增压风机、碳酸化反应器、预热器、旋风分离器、烟气换热器后排入大气；
发电子系统一中汽轮机11抽汽经减温减压阀12、再生反应器后回到除氧器；
碳捕集子系统中的高活性碱金属基固体吸附剂经碳酸化反应器、预热器、旋风分离器、再生反应器、吸附剂冷却塔后再度被送回碳酸化反应器，实现吸附剂的循环利用；
碳捕集子系统中再生反应器出口气体经换热器加热凝结水后进入冷却器、分离器，一部分进入再生反应器作流化介质，其余进入CO2压缩装置；
碳捕集子系统中碳酸化反应器反应温度在50-80℃，再生反应器反应温度随吸附剂温度的不同而有所变化，采用钠基固体吸附剂时再生反应温度在 120-200℃，而采用钾基固体吸附剂时其再生反应温度在300-400℃；
旋风分离器出口烟气的余热用于加热预热器出口的热网水，进一步回收烟气余热；
再生反应器出口的再生气体温度和再生温度一致，需要先冷凝分离出混合气体中的水，其冷却热被用于加热凝结水，取代低温回热器，减少低压抽汽提高发电量。
抽汽供热机组主要涉及发电子系统二和热网水加热子系统。
发电子系统二中汽轮机18抽汽分为两股，一股用于驱动吸收式热泵后回到除氧器，另一股用于承担热网水尖峰加热后回到除氧器；
发电子系统二中循环冷却水一部分进入吸收式热泵作为低温热源，其余进入冷却塔冷却；
热网水经一二次网间换热的换热设备吸收式换热机组、碳酸化反应器换热后分两股，一股经阀门、吸附剂冷却塔、预热器、烟气换热器后回到尖峰加热器，另一股经阀门、吸收式热泵后进入尖峰加热器，两者在尖峰加热器被混合加热后经循环水泵加压送入热网系统供热；
热网水系统中的一二次网换热设备为吸收式换热机组，目的在于降低热网回水温度至25-30℃。
下面结合具体实施例说明本发明：
图1是本发明的结构示意图，结合附图可见，本发明选取同等规模的两个 300MW等级的燃煤机组，分别作为系统的碳捕集机组(I)和抽汽供热机组(II)，采用高活性钠基固体吸附剂(70wt％Al2O3+30wt％Na2CO3)作为碳捕集过程的吸附剂， CO2脱除率为90％，吸附剂能够完全再生。
碳捕集机组(I)中锅炉1、除氧器10、汽轮机11、凝结水泵14、凝汽器 15和发电机16构成了基本的汽轮机发电子系统。而碳捕集子系统则主要由碳酸化反应器4、预热器5、旋风分离器6、再生反应器7、吸附剂冷却塔8这几部分构成。在碳捕集子系统中，高活性钠基固体吸附剂在碳酸化反应器4中吸附烟气中的CO2，碳酸化反应温度设为60℃，系统的CO2脱除率为90％；吸附了CO2的吸附剂被烟气送入预热器5预热到125℃左右，再经旋风分离器6分离出剩余烟气后被送入再生反应器7进行再生，再生反应温度为150℃；再生后的吸附剂温度较高，经吸附剂冷却塔8冷却至60℃后再被送入碳酸化反应器4继续循环利用，所用的吸附剂冷却水为冷却碳酸化反应器4的出口热网水，其温度为50℃。
碳酸化反应器4采用循环流化床反应器，再生反应器7用鼓泡床反应器，这样能够实现较好的气固传热。其中碳酸化反应器4的流化介质为烟气，而再生反应器7的流化介质可选用分离出的高浓度的CO2，或者也可由水蒸气取代。
发电子系统一中锅炉1排放出的尾部烟气经烟气处理装置2完成脱硫脱硝除尘过程后，需要经过增压风机3增压后再送入碳酸化反应器4。目前常用的脱硫方式为湿法脱硫，经脱硫处理后的烟气中水蒸气含量较高，基本满足吸附过程所需的水量，故不再另外补充反应所需水蒸气。再生过程加热通过汽轮机11的中低压抽汽放热提供，抽汽量为额定工况下的主汽流量的45％。冷却完高温吸附剂的这部分热网水温度较高，设计用于吸附剂进入再生反应器7前的预热，预热后的热网水温度在72℃左右。旋风分离器6分离出的剩余烟气温度在125℃左右，用于加热预热器5出口的热网水。再生气体B由CO2和水蒸气组成，温度为150℃，其中CO2的冷却热和水蒸气的汽化潜热被用来加热凝结水泵14出口的凝结水，取代了低压抽汽对凝结水的回热，减少了抽汽量过多对系统发电效率的影响。经过冷却分离后的高浓度CO2，一部分由循环风机33被送入再生反应器7中作为流化介质J，另一部分被送入压缩装置进行多级压缩冷却处理。在不考虑厂用电的情况下，整个碳捕集机组的净发电效率为31.4％，与额定工况相比降低了8.5％。
作为同样300MW等级的燃煤机组，抽汽供热机组(II)中锅炉17、汽轮机 18、发电机19、凝汽器28、除氧器32构成了基本的发电子系统。25℃的低温热网回水作为冷却水冷却碳捕集子系统中的碳酸化反应器4，被加热至50℃；中温段的加热则选择通过汽轮机抽汽驱动吸收式热泵提取汽轮机排汽余热来提供；选用的吸收式热泵的COP值为1.75，能够将热网回水加热到80℃。最后和前述烟气换热器9出口的那一部分热网水混合，再经过尖峰加热器23加热至120℃后经循环水泵22加压送入热网供热。整个热网水加热系统回收碳酸化反应器4的低品位余热达66％，回收汽轮机排汽余热达18％。
在抽汽供热机组(II)中，汽轮机抽汽量设定为400t/h，占主汽流量的44％，用于提供尖峰加热器23的高温热源和吸收式热泵24的驱动热源。吸收式热泵的低温热源则来自于凝汽器的循环冷却水。同时，这里针对的热网热力站中一二次换热方式要求为吸收式换热，这样能够满足换热后的热网回水F温度低至25℃。
在实现CO2脱除率90％、假设吸附剂能够完全再生的情况下，碳捕集机组由于汽轮机抽汽导致的净发电效率的降低为8.5％，优于常规的碳捕集方式。对抽汽供热机组而言，同样使热网水从25℃升温至120℃，同等抽汽量下该系统中热网供热量是传统的直接加热方式的1.8倍，供热能力提升显著；且加热过程符合能量梯级利用的原则，可用能损失降低。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种回收火力发电厂干法捕集CO 2过程余热并用于供热的系统，其特征在于包括碳捕 集机组（Ⅰ）和抽汽供热机组（Ⅱ），所述碳捕集机组（Ⅰ）包括锅炉（1）、烟气处理装置（2）、增压风机（3）、碳酸化反应器（4）、 预热器（5）、旋风分离器（6）、再生反应器（7）、吸附剂冷却塔（8）、烟气换热器（9）、除氧器 （10）、汽轮机（11）、减温减压阀（12）、换热器（13）、凝结水泵（14）、凝汽器（15）、发电机（16）、 冷却塔（26）、冷却器（29）、气液分离器（30）、CO 2压缩装置（31）、循环风机（33）、阀门（38）；
所述碳捕集机组（Ⅰ）中燃料在锅炉中燃烧生成的烟气，进入烟气处理装置进行脱硫脱硝除尘处理，经脱硫脱硝除尘后的烟气经增压风机（3）增压后送入碳酸化反应器（4），在碳酸化反应器（4）内与高活性碱金属固体吸附剂反应，脱除烟气中的CO 2；反应后的吸附剂经预热器（5）预热、旋风分离器（6）分离后进入再生反应器（7），分解再生后的高温吸附剂进入吸附剂冷却塔（8）冷却后返回碳酸化反应器（4）实现循环利用；再生反应产生的CO 2和水蒸汽用于加热凝结水泵（14）出口的凝结水，再经冷却器（29）冷却、气液分离器（30）分离后获得高纯的CO 2；高纯的CO 2一部分作为流化介质由循环风机（33）送入再生反应器（7），剩余的 进行压缩冷却处理；所述抽汽供热机组（Ⅱ）包括锅炉（17）、汽轮机（18）、发电机（19）、减温减压阀（20）- （21）、循环水泵（22）、尖峰加热器（23）、吸收式热泵（24）、循环水冷却塔（27）、凝汽器（28）、 除氧器（32）和阀门；
所述碳捕集机组（Ⅰ）和抽汽供热机组（Ⅱ）通过碳酸化反应器（4）、预热器（5）、吸附剂冷却塔（8）、烟气换热器（9）和阀门（38）及相应的管道连接；
所述抽汽供热机组（Ⅱ）中热网回水作为冷却介质冷却碳酸化反应器（4），冷 却后一部分热网水进入吸附剂冷却塔（8）冷却高温吸附剂，再经预热器（5）预热吸附反应后 的吸附剂，再回到尖峰加热器（23）；另一部分热网水经吸收式热泵（24）加热，再回到尖峰加 热器（23）；经尖峰加热器（23）加热后的热网水由循环水泵（22）送入热网供热。
2.根据权利要求1所述的一种回收火力发电厂干法捕集CO 2过程余热并用于供热的系统，其特征在于所述碳捕集机组（Ⅰ）中用于吸附烟气中CO 2的吸附剂为高活性的碱金属基固 体吸附剂。
3.根据权利要求1所述的一种回收火力发电厂干法捕集CO 2过程余热并用于供热的系统，其特征在于所述碳捕集机组（Ⅰ）中所述碳酸化反应器（4）采用低温热网回水作为冷却介质。
4.根据权利要求1所述的一种回收火力发电厂干法捕集CO 2过程余热并用于供热的系统，其特征在于所述碳捕集机组（Ⅰ）中凝结水泵（22）出口的凝结水由再生反应器（7）出口的再生气体加热到相应温度后进入除氧器（10）。
5.根据权利要求1所述的一种回收火力发电厂干法捕集CO 2过程余热并用于供热的系统，其特征在于所述碳捕集机组（Ⅰ）中布置在再生反应器（7）之前的旋风分离器（6）出口烟气余热被回收用来加热烟气换热器（9）出口的热网水。
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