CN108771947B - 一种高湿度烟气深度余热回收与co2捕集一体化装置及方法 - Google Patents

一种高湿度烟气深度余热回收与co2捕集一体化装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化装置及方法，属于烟气除湿及CO2捕集领域。包括烟气除湿/余热回收装置和CO2吸附床。除湿/余热回收装置由储液槽、除湿换热室和集液槽组成：除湿换热室高0.3m‑0.5m，多根管径为10‑20mm的水冷管在换热室内蛇形布置；除湿溶液从储液槽经漏斗状布液器流入除湿换热室，在蛇形管外壁贴壁下降形成液膜；烟气进入除湿换热室在蛇形管间流过，附壁液膜吸收烟气中的水分，进而与水冷管一起对烟气显热和水蒸气潜热实现深度回收，同时对杂质粉尘深度净化；稀溶液在下部集液槽收集。除湿降温后的烟气进入吸附床进行CO2的捕集，自蛇形管流出的中温水进入吸附床埋管中，为解吸过程提供能量，增强CO2解吸。本发明装置结构简单合理，占地面积小，集成度高。

Description

一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化装置及方法
技术领域
本发明属于烟气除湿及CO2捕集领域，特别是指一种中低温饱和湿烟气的除湿与余热回收、深度净化与CO2捕集的装置和方法。
背景技术
火电厂等所使用的化石燃料燃烧后所排放的烟气中主要含有氮氧化物、硫氧化物、粉尘和水蒸气等，经过湿法脱硫后的烟气中水蒸气体积分数约为 13％-15％，若将这些含尘湿饱和烟气通过烟囱直接排放到大气中，会引发“白烟”或“烟囱雨”现象，并伴随烟囱管道的腐蚀问题，同时加剧温室效应，造成环境污染。此外，烟气中含有的大量水蒸气潜热和水蒸气冷凝后的水也随之被浪费。常用的除湿方法包括冷却法、吸收法、膜法，冷却法一般以冷却水为媒介，技术成熟但耗水量较大；溶液吸收法回收水蒸气潜力比冷却法大，耗水量也较冷却法低；膜法技术尚不成熟，采用内冷型溶液除湿技术对于回收烟气中水蒸气的显热和潜热有较大潜力。
另一方面，CO2的减排与回收捕集是目前全球性的议题。我国是二氧化碳排放大国，化石燃烧的燃烧是CO2的排放的最主要源头，受资源结构和技术现状的制约，我国控制CO2气体排放的任务非常艰巨。吸附法分离回收CO2具有工艺简单、能耗低、对环境污染小等优点，该技术在排烟CO2吸附分离领域的潜在优势吸引了国内外学者进行研究，但烟气中水分的存在使得现有的吸附剂对CO2的吸附分离能力下降，工艺复杂，工业规模化受限，回收成本升高。在湿烟气进行吸附捕集CO2前采取简单经济的除湿操作十分必要。
综上所述，急需一种具有湿饱和烟气的除湿与余热回收、深度净化与CO2捕集一体化功能的方法和装置，以解决现存技术的不足。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种针对脱硫后的中低温湿饱和烟气的除湿、余热回收、深度净化和CO2捕集的装置和方法，降低了烟气的相对湿度和含湿量，同时达到余热回收和深度净化的目的，提高了CO2的回收率，有效减弱了湿烟气吸附受水蒸气的影响问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化装置，其特征在于：一体化装置包括除湿/深度余热回收装置和吸附装置，其中，除湿/深度余热回收装置包括储液槽(3)、除湿换热室和集液槽(18)；湿烟气入口(1)连接除湿换热室，除湿换热室内设有蛇形降膜管(2)、烟气通道(19)，布液板(21) 上带有布液器(4)，冷却水入口(20)、冷却水出口(23)、除湿溶液入口(24)、除湿溶液出口(22)、出液阀(17)；外部设有储
水槽(5)、溶液再生装置(16)；除湿降温与净化后的烟气经出口(6)进入双床吸附装置，双床吸附装置设有吸附床A(7)、吸附床B(9)、埋管(10)、储气罐(14)，还包括进气阀(15)、出气阀(13)、排气阀(8)、进水阀(12)、出水阀(11)。
进一步地，所述湿烟气水蒸气分压大于除湿溶液表面水蒸气分压。
进一步地，所述的冷却水可以换成其他气、液制冷工质。
进一步地，所述除湿溶液为吸湿性强的高浓度低温溶液，溶液的种类以及除湿溶液的温度、浓度等根据工艺选取。
进一步地，所述蛇形降膜管管外径为10-20mm，管长为0.3-0.5m；蛇形降膜管外管壁可以是平滑的，也可以是凹凸或竖条波纹状；蛇形降膜管的数量、尺寸和排布方式根据湿烟气处理量设计。
进一步地，所述布液器为漏斗状；布液器材料与布液板材料一致或为柔性材料；布液器上部和垂直方向的夹角30°≤θ≤60°；布液器下部与蛇形降膜管外管壁的间距不宜过大，建议小于5mm；布液器的数目、位置、尺寸与蛇形降膜管及布液板的尺寸及工艺要求相匹配。
进一步地，所述除湿过程中，必须保证布液器的上半部分溶液量浸没布液器最小环缝处，保持储液槽中浓溶液有一定的高度。
进一步地，所述集液槽中稀溶液必须保持一定的高度，一般工况建议高度为10-12mm。
如上所述一体化装置，在吸附装置之前设有除湿/余热回收装置的使用方法，其特征在于除湿/余热回收装置可以同时实现烟气除湿、余热回收和深度净化的功能。中低温湿饱和烟气进入除湿换热室，储液槽中的除湿溶液经漏斗状布液器在蛇形降膜管外管壁贴壁下降形成液膜，湿烟气在管道间与液膜接触发生传热传质，附壁液膜吸收烟气中的水分，完成除湿过程。管中通有冷却水与液膜进行间接换热以冷却除湿溶液来保证除湿效果，带走烟气显热和水蒸气潜热，实现余热回收。在烟气除湿的过程中，一些杂质粉尘与烟气分离，随稀溶液流入集液槽，达到烟气深度净化的目的。从集液槽流出的稀溶液进入再生装置中再生为浓溶液，再生处理后的浓溶液送到储液槽中继续使用。蛇形降膜管中流出的中温水进入吸附床的埋管中，为解吸过程提供能量，增强CO2的解吸。完成热交换后的水从埋管中流出，进入集水槽。完成除湿净化并降温后的烟气进入吸附装置回收捕集CO2，提高了CO2的回收率。在整个过程中，吸附装置的两个吸附床交替工作，调节阀门，使得CO2的吸附和解吸可以在两个吸附床中同时进行，完成CO2的捕集，整体实现烟气除湿、余热回收、深度净化与CO2捕集的功能。
本发明的有益效果是：
该装置结构简单合理、占地面积小、装置集成度高，集湿饱和烟气的除湿、余热回收、深度净化与CO2捕集于一体，适用于中低温湿饱和烟气的工况，在保证除湿与深度净化的同时还实现了余热回收利用，有效降低出口烟气的水蒸气含量，提高了吸附回收捕集CO2的回收率和纯度，有效减弱了水蒸气对吸附造成的不利影响。
附图说明
图1为一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化的装置及方法示意图
图2为除湿/余热回收装置的结构示意图
图3为布液器的结构示意图
在附图中：1-烟气入口；2-蛇形降膜管；3-储液槽；4-布液器；5-集水槽； 6-烟气出口；7-吸附床A；8-排气阀；9-吸附床B；10-埋管；11-出水阀；12- 进水阀；13-出气阀；14-储气罐；15-进气阀；16-再生装置；17-出液阀；18- 集液槽；19-烟气通道；20-冷却水入口；21-布液板；22-除湿溶液出口；23- 冷却水出口；24-除湿溶液入口；25-布液器下部。
具体实施方式
下面将结合说明书附图对本发明的技术方案和工作流程做进一步地说明。
本发明针对脱硫后的中低温湿饱和烟气进行吸附时受水蒸气影响的问题，提出了一种具有中低温湿饱和烟气的除湿与余热回收、深度净化与CO2捕集一体化的方法和装置。
如图1所示，在吸附装置前设置除湿/余热回收装置，其中，除湿/深度余热回收装置包括储液槽3、除湿换热室和集液槽18，湿烟气入口1连接除湿换热室，除湿换热室设有蛇形降膜管2、烟气通道19，布液板21上有多个下凹的布液器4，还设有集水槽5、冷却水入口20、冷却水出口23、除湿溶液入口 24、除湿溶液出口22、出液阀17、溶液再生装置16；除湿净化后的烟气经出口6进入吸附装置，双床吸附装置设有吸附床A7、吸附床B9、埋管10、储气罐14，还包括进气阀15、出气阀13、排气阀8、进水阀12、出水阀11。
烟气的除湿功能通过溶液表面水蒸气的分压与湿烟气中水蒸气的分压差为驱动力来实现；在烟气除湿的同时，一些杂质粉尘与烟气分离，随稀溶液流入集液槽18，实现烟气的深度净化；在蛇形降膜管2中通入冷却水同时达到冷却除湿溶液和回收烟气显热和水蒸气潜热的目的；通过除湿净化后的低温烟气进入到吸附装置进行CO2的捕集，不仅减小了水蒸气对吸附过程的影响，还减小了废气中CO2和杂质粉尘的排放量。
蛇形降膜管管外径为10-20mm，管长0.3-0.5m，其数量和相关尺寸根据实际烟气处理量来改动，以满足工艺的要求。
在溶液入口24处设置布液器4，为了使除湿溶液能够均匀地沿蛇形降膜管2外管壁贴壁下降形成液膜，布液器4设计成漏斗状，材质建议取柔性材料，上部与垂直方向的夹角30°≤θ≤60°，下部与外管壁的间距小于5mm。在除湿过程中，保证布液器4的上半部分浓溶液量浸没其最小环缝处，布液器4 的尺寸根据实际工艺要求设计调整。
储液槽3中的浓溶液需要保持一定的高度，保证可以连续形成贴外管壁下降的液膜。
集液槽18中的稀溶液必须保持一定的高度，一般工况建议高度为 10-12mm，起到液封作用，保证烟气不漏出。
在实际使用过程中，中低温湿饱和烟气由烟气入口1进入除湿换热室，储液槽3中的除湿溶液经漏斗状布液器4在蛇形降膜管2外管壁贴壁下降形成液膜，湿烟气在烟气通道19中依次与液膜接触发生传热传质，烟气中的水蒸气被液膜吸收，完成除湿过程。蛇形降膜管2中通有冷却水与液膜进行间接换热以冷却除湿溶液来保证除湿效果，同时带走烟气显热和水蒸气的潜热，实现余热回收。烟气中的杂质粉尘在除湿过程中与烟气分离并随稀溶液流入集液槽 18，达到烟气深度净化的目的。当集液槽18中稀溶液的高度达到一定水平时，打开出液阀17，流出的稀溶液进入再生装置16再生处理后变为浓溶液，送到储液槽3中继续使用。蛇形降膜管2中流出的中温水进入吸附床的埋管10中，为解吸过程提供能量，增强CO2的解吸。完成热交换后的水从埋管10中流出，进入集水槽5。完成除湿净化后的烟气经出口6进入吸附装置捕集CO2，提高了CO2的回收率，废气经排气阀8排出。在CO2捕集过程中，双床吸附装置的吸附床A、吸附床B交替工作，完成CO2的捕集工作。假设吸附床A7进行吸附，则吸附床B9同时进行解吸，此时，从除湿换热室出来的低温低湿烟气经过进气阀15自下而上通入吸附床A7中，从吸附床A7顶部排出的烟气经过排气阀8排出；假设吸附床B9中已经完成了一次上述吸附操作，则被吸附的 CO2气体通过抽真空降压进行解吸，CO2在吸附床B9中自上而下经出气阀13 被捕集到集气罐14中。在解吸的过程中，从蛇形降膜管2中排出的中温水经进水阀12流入埋管10中，中温水在埋管中自下而上流动，与解吸的CO2气体逆流换热，为解吸过程提供能量，增强了CO2的解吸，从埋管10上部流出的水经出水阀11流回储
水槽5中，实现了余热利用与水的循环使用。当解吸完成后，从除湿换热室出来的低温低湿烟气经过进气阀15自下而上通入吸附床B9中进行吸附操作，同时吸附床A7进行解吸操作，如此交替同时工作。整体实现烟气除湿、余热回收、深度净化与CO2回收的功能。
整个过程中的除湿溶液和冷却水都是循环再利用的，通过对湿饱和烟气进行除湿净化处理，降低了烟气的含湿量和杂质粉尘的含量，预处理后的烟气送入吸附装置进行CO2的捕集，废气通过排气阀排出。该技术方法有效降低了烟气的相对湿度和水蒸气的含量，提高了除湿效率，回收利用了烟气中水蒸气的潜热，并实现了烟气的深度净化，有效减弱了水蒸气对吸附过程的不利影响。既减少了CO2和杂质粉尘的排放量，又避免了出口烟气对烟囱的腐蚀问题和“烟囱雨”现象。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化装置，其特征在于：一体化装置包括除湿/深度余热回收装置和吸附装置，其中，除湿/深度余热回收装置包括湿烟气入口（1）、储液槽（3）、除湿换热室、集液槽（18）、出口（6）、集水槽（5）和溶液再生装置（16）；
所述湿烟气入口（1）与所述除湿换热室连接，所述出口（6）分别与所述除湿换热室与所述吸附装置连接，除湿降温与净化后的烟气经出口（6）进入双床吸附装置；
所述集水槽（5）和溶液再生装置（16）设于除湿换热室外部；
所述除湿换热室包括蛇形降膜管（2）、烟气通道（19）、布液板（21）、冷却水入口（20）、冷却水出口（23）、除湿溶液入口（24）、除湿溶液出口（22）、出液阀（17）；
所述吸附装置设有吸附床A（7）、吸附床B（9）、埋管（10）、储气罐（14），还包括进气阀（15）、出气阀（13）、排气阀（8）、进水阀（12）、出水阀（11）；
所述布液板（21）上带有布液器（4），所述的布液器（4）呈漏斗状；布液器（4）的材料与布液板（21）的材料相同，或选取柔性材料；布液器（4）上部与垂直方向的夹角 30
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；布液器下部（25）和外管壁的间距小于5mm；布液器（4）的数目、位置、尺寸与蛇形降膜管（2）及布液板（21）的尺寸及工艺要求相匹配；
所述的集液槽（18）内的稀溶液必须保持一定的高度，工况高度为10-12mm，起到液封作用，保证烟气不漏出；
所述的蛇形降膜管（2）管外径为10-20mm，管长为0.3m-0.5m，根据实际烟气处理量设置降膜管的数目、尺寸及排布方式。
2.根据权利要求1所述的一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化装置，其特征在于：所述的冷却水可换成其他气、液冷却工质。
3.根据权利要求1所述的一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化装置，其特征在于：所述的除湿溶液为吸湿性强的高浓度低温溶液，包含一种以上的除湿工质，除湿溶液的温度、浓度根据实际工艺要求选取。
4.根据权利要求1所述的一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化装置，其特征在于：所述的蛇形降膜管（2）外管壁是平滑的，或者是凸凹状或竖条波纹状。
5.根据权利要求1所述的一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化装置，其特征在于：所述的布液板（21）板面上设有多个下凹的布液器（4）。
6.根据权利要求1所述的一种高湿度烟气深度余热回收与CO2捕集一体化装置，其特征在于：所述的储液槽（3）内的浓溶液必须保持一定的高度，保证布液器（4）上部溶液量浸没其最小环缝处，以连续形成贴外管壁下降的液膜。
7.如权利要求1所述一体化装置的使用方法，其特征在于在吸附装置之前设有除湿/余热回收装置，除湿/余热回收装置能同时实现烟气除湿、余热回收和深度净化的功能；中低温湿饱和烟气进入除湿换热室，储液槽（3）中的除湿溶液经漏斗状布液器（4）在蛇形降膜管（2）外管壁贴壁下降形成液膜，湿烟气在管道间与液膜接触发生传热传质，附壁液膜吸收烟气中的水分，完成除湿过程；管中通有冷却水与液膜进行间接换热以冷却除湿溶液来保证除湿效果，带走烟气显热和水蒸气潜热，实现余热回收；在烟气除湿的过程中，一些杂质粉尘与烟气分离，随稀溶液流入集液槽（18），达到烟气深度净化的目的；从集液槽（18）流出的稀溶液进入再生装置（16）中再生为浓溶液，再生处理后的浓溶液送到储液槽（3）中继续使用；蛇形降膜管（2）中流出的中温水进入吸附床的埋管（10）中，为解吸过程提供能量，增强CO2的解吸；完成热交换后的水从埋管（10）中流出，进入集水槽（5）；完成除湿净化并降温后的烟气进入吸附装置回收捕集CO2，提高了CO2的回收率；在整个过程中，吸附装置的两个吸附床交替工作，调节阀门，使得CO2的吸附和解吸可以在两个吸附床中同时进行，完成CO2的捕集，整体实现烟气除湿、余热回收、深度净化与CO2捕集的功能。
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