CN108980951B - 一种结合co2捕集的热网水分级加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合CO2捕集的热网水分级加热系统，包括第一抽凝机组的发电系统、第二抽凝机组的发电系统、碳捕集子系统和热网水系统，本发明将两个汽轮机抽汽经混合后重新分配，一部分用于加热碳捕集系统中再生反应器，另一部分用于加热尖峰加热器。放热后的疏水经过混合后重新分配，回到各自的除氧器。这其中低温热网回水利用碳捕集过程中碳酸化反应器的放热完成初级加热，再利用高温吸附剂的冷却过程在吸附剂冷却塔中完成中级加热，最后被尖峰加热器加热。本发明利用低温干法捕集CO2过程中不同品位的大规模放热来实现热网水的分级加热，实现能量梯级利用的同时也减少了CO2的排放，整个系统具有良好的创新性和实践性。
Description
技术领域
本发明涉及一种结合CO2捕集的热网水分级加热系统，属于集中供热和二氧化碳减排技术领域。
背景技术
热电联产是指发电厂在发电的同时，利用已经做过功的蒸汽对用户供热的一种生产方式。与常规电厂相比，热电厂由于冷源损失大大减小，其热效率远高于普通的纯凝发电机组，从而极大地提高了能源利用效率，节省了燃料。从控制环境污染的角度来说，集中供热也有利于减少燃煤量，降低污染物的排放。一般而言，热电厂较为常见的采暖供热方式是利用汽轮机的抽汽加热热网回水，这种加热方式存在着较大的可用能损失。
另一方面，火力发电厂排放的大量CO2是导致全球气候变暖的重要因素，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而受到广泛重视。其中，采用高活性碱金属基固体吸附剂吸附CO2的技术能够在较低温度下(约60℃)实现二氧化碳的捕集而没有湿法捕集技术导致的设备腐蚀等问题，且吸附剂不易失活，无二次污染，故具有较好的应用前景。碱金属基固体吸附剂捕集CO2的过程主要包括如下两个反应：
碳酸化反应：M2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)→2MHCO3(s)
吸附剂再生反应：2MHCO3(s)→M2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)(M＝K，Na)
其中，吸附剂再生反应是吸热反应，一般采用汽轮机抽汽为再生反应提供热源。由于碳酸化反应的温度明显低于吸附剂再生反应温度，因此再生后的吸附剂需冷却至接近吸附反应温度才能进入碳酸化反应器，实现吸附剂的循环利用。再生后的吸附剂在冷却过程中会放出大量的物理热；另外，碳酸化反应过程会放出大量低品位热量。上述两部分热量如不能有效回收利用，会使整个系统的能耗大大增加，在一定程度上限制了碱金属基固体吸附剂捕集CO2技术的工业应用。
已有的吸收式换热技术能够成功地将热网回水温度降低至25～30℃。基于此技术的应用，低温热网回水能够作为上述碳酸化反应的冷却介质，在回收碳酸化反应部分低温反应热的同时实现热网水低温段的温升，接着再进一步作为再生吸 附剂的冷却介质实现热网水中温段的温升。用这种方式，能够在实现热网回水分级加热的同时有效回收碱金属基固体吸附剂碳捕集过程中的低品位余热，提高系统热效率。
针对热网水的加热过程，也有各种不同的改进方法。CN103712254A提出了利用不同压力的低压蒸汽将热网回水至少经过两级加热后，达到热网外供高温水的温度。这一发明主要是针对汽水系统的优化改进。CN206683029U也公开了一种热网水分级加热方法，在机组供热负荷较低时利用锅炉排烟余热对热网水进行初级加热，在热网负荷需求增大时，再利用蒸汽冷却器排汽对热网水进行尖峰加热，这一发明在回收烟气余热的同时实现了能量的梯级利用。这些方法都集中于单个机组的内部优化。
另一方面，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过程中产生的低温热用于地暖供热，供暖温度在35-60℃，局限性较大。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方法，实现了三联产系统的零碳排放，能够同时实现供热、制冷、发电和CO2捕集，但该方法针对的是钙循环碳捕集技术，碳捕集温度较高(600℃以上)，因此余热利用的难度大幅下降，且与本发明提出的系统和方法有本质区别。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合CO2捕集的热网水分级加热系统，该系统与碱金属基固体吸附剂碳捕集技术有机结合，通过两个抽凝机组的耦合，实现了能量的梯级高效利用，并有效降低CO2捕集系统的能耗，其具体技术方案如下：
一种结合CO2捕集的热网水分级加热系统，包括第一抽凝机组的发电系统、第二抽凝机组的发电系统、碳捕集子系统和热网水系统，
所述第一抽凝机组的发电系统包括第一锅炉、烟气处理装置、第一汽轮机、第一发电机、第一凝汽器、第一凝结水泵、第一换热器、第一除氧器、第一高压加热器及其连接管道和阀门；
所述第二抽凝机组的发电系统包括第二锅炉、第二汽轮机、第二凝汽器、第二凝结水泵、第二换热器、第二除氧器、第二发电机、第二高压加热器及其连接 管道和阀门；
所述碳捕集子系统包括增压风机、碳酸化反应器、旋风分离器、再生反应器、吸附剂冷却塔、第一换热器、冷却塔、第二换热器、冷凝器、循环风机、第一减温减压阀及其连接管道和阀门；
所述热网水系统包括碳酸化反应器、吸附剂冷却塔、尖峰加热器、循环水泵、吸收式换热机组、第二减温减压阀及其连接管道和阀门。
低温热网回水利用碳捕集过程中碳酸化反应器的放热完成初级加热，再利用高温吸附剂的冷却过程在吸附剂冷却塔中完成中级加热，最后被尖峰加热器加热；
所述第一汽轮机和第二汽轮机的抽汽经混合后重新分配，一部分经第一减温减压阀节流降温后用于加热碳捕集系统中再生反应器，另一部分经第二减温减压阀节流降温后用于加热尖峰加热器，加热完再生反应器和热网尖峰加热器后的疏水经过混合后重新分配，回到第一除氧器和第二除氧器。
所述第一锅炉连接烟气处理装置和第一汽轮机，第一汽轮机连接第一发电机和第一凝汽器，第一凝汽器通过第一凝结水泵连接第一换热器，第一换热器连接第一除氧器，第一除氧器通过第一高压加热器连接第一锅炉。
所述第二锅炉连接第二汽轮机，第二汽轮机连接第二发电机和第二凝汽器，第二凝汽器通过第二凝结水泵连接第二换热器，第二换热器连接第二除氧器，第二除氧器通过第二高压加热器连接第二锅炉。
所述烟气处理装置通过增压风机连接碳酸化反应器，碳酸化反应器连接旋风分离器，旋风分离器连接再生反应器，再生反应器连接吸附剂冷却塔。
碳捕集子系统中经脱硫脱硝除尘处理后的烟气经增压风机增压后进入碳酸化反应器与高活性碱金属基固体吸附剂反应，脱除烟气中的CO2；反应后的吸附剂经旋风分离器分离后进入再生反应器，经来自汽轮机的抽汽加热再生后的高温吸附剂被热网水冷却后返回碳酸化反应器，再生反应器出口分离出一部分气体作流化介质后，剩余的再生气体分两股分别进入第一换热器和第二换热器加热第一凝结水泵和第二凝结水泵出口的凝结水。
所述尖峰加热器通过循环水泵连接吸收式换热机组，吸收式换热机组经供热管道连接至碳酸化反应器，碳酸化反应器经供热管道连接吸附剂冷却塔。热网水系统中低温热网水先经过碳酸化反应器实现初级加热，再经过吸附剂冷却塔实现 中级加热，最后进入尖峰加热器加热至高温后经循环水泵输送入热网供热。在用户侧实现换热后，再回到碳酸化反应器。
本发明的有益效果是：
与利用汽轮机抽汽直接将热网水加热至供热温度的方式相比，本发明将热网水的升温过程分为低温段、中温段、高温段这三个阶段，实现了能量的梯级利用，降低了换热过程的可用能损失，炯效率显著提高；与碱金属基固体吸附剂捕集CO2的技术相结合，减少了CO2排放的同时也利用了碳捕集过程中再生吸附剂冷却的物理热和吸附反应热，极大地降低了碳捕集系统的综合能耗；对再生气体的冷却热的回收，减少了汽轮机抽汽对净发电效率的影响，适当提高了两个抽凝机组的净发电量，也使得碳捕集系统的综合能耗进一步降低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
附图标记列表：1是第一锅炉、2是烟气处理装置、3是增压风机、4是碳酸化反应器、5是旋风分离器、6是再生反应器、7是吸附剂冷却塔、8是第一汽轮机、9是第一发电机、10是第一凝汽器、11是第一凝结水泵、12是第一换热器、13是第一除氧器、14是第一高压加热器、15是第二锅炉、16是第二汽轮机、17是第二凝汽器、18是第二凝结水泵、19是第二换热器、20是第二除氧器、21是第二发电机、22是第二高压加热器、23是冷凝器、24是冷却塔、25是循环风机、26是尖峰加热器、27是循环水泵、28是吸收式换热机组、29是第二减温减压阀、30是第一减温减压阀、31-36是阀门；A是送入锅炉的燃料；B是经过处理后的烟气；C是CO2被大规模脱除后的剩余烟气；D是再生反应器中的流化介质，在管路中循环；E是再生气体，主要成分为CO2和水蒸气；F是经冷凝处理后高纯的CO2；G是来自汽轮机的抽汽；H为加热后的疏水；I是热网供水，输送给用户；J是热网回水；K是系统启动时用于作流化介质而通入的纯CO2。
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。
图1是本发明的结构示意图，附图标记列表：1是第一锅炉、2是烟气处理装置、3是增压风机、4是碳酸化反应器、5是旋风分离器、6是再生反应器、7 是吸附剂冷却塔、8是第一汽轮机、9是第一发电机、10是第一凝汽器、11是第一凝结水泵、12是第一换热器、13是第一除氧器、14是第一高压加热器、15是第二锅炉、16是第二汽轮机、17是第二凝汽器、18是第二凝结水泵、19是第二换热器、20是第二除氧器、21是第二发电机、22是第二高压加热器、23是冷凝器、24是冷却塔、25是循环风机、26是尖峰加热器、27是循环水泵、28是吸收式换热机组、29是第二减温减压阀、30是第一减温减压阀、31-36是阀门；A是送入锅炉的燃料；B是经过处理后的烟气；C是CO2被大规模脱除后的剩余烟气；D是再生反应器中的流化介质，在管路中循环；E是再生气体，主要成分为CO2和水蒸气；F是高纯的CO2；G是来自汽轮机的抽汽；H为加热后的疏水；I是热网供水，输送给用户；J是热网回水；K是系统启动时用于作流化介质而通入的纯CO2。
结合附图可见，本结合CO2捕集的热网水分级加热系统，包括第一抽凝机组的发电系统、第二抽凝机组的发电系统、碳捕集子系统和热网水系统，
所述第一抽凝机组的发电系统包括第一锅炉1、烟气处理装置2、第一汽轮机8、第一发电机9、第一凝汽器10、第一凝结水泵11、第一换热器12、第一除氧器13、第一高压加热器14及其连接管道和阀门；
所述第二抽凝机组的发电系统包括第二锅炉15、第二汽轮机16、第二凝汽器17、第二凝结水泵18、第二换热器19、第二除氧器20、第二发电机21、第二高压加热器22及其连接管道和阀门；
所述碳捕集子系统包括增压风机3、碳酸化反应器4、旋风分离器5、再生反应器6、吸附剂冷却塔7、第一换热器12、冷却塔24、第二换热器19、冷凝器23、循环风机25、第一减温减压阀30及其连接管道和阀门；
所述热网水系统包括碳酸化反应器4、吸附剂冷却塔7、尖峰加热器26、循环水泵27、吸收式换热机组28、第二减温减压阀29及其连接管道和阀门。低温热网回水利用碳捕集过程中碳酸化反应器4的放热完成初级加热，再利用高温吸附剂的冷却过程在吸附剂冷却塔7中完成中级加热，最后被尖峰加热器26加热；
所述第一汽轮机8和第二汽轮机16的抽汽经混合后重新分配，一部分用于经第一减温减压阀30节流降温后加热碳捕集系统中再生反应器6，另一部分经第二减温减压阀29节流降温用于加热尖峰加热器26，加热完再生反应器6和热 网尖峰加热器26后的疏水经过混合后重新分配，回到第一除氧器13和第二除氧器20。
所述第一锅炉1连接烟气处理装置2和第一汽轮机8，第一汽轮机8连接第一发电机9和第一凝汽器10，第一凝汽器10通过第一凝结水泵11连接第一换热器12，第一换热器12连接第一除氧器13，第一除氧器13通过第一高压加热器14连接第一锅炉1。
所述第二锅炉15连接第二汽轮机16，第二汽轮机16连接第二发电机21和第二凝汽器17，第二凝汽器17通过第二凝结水泵18连接第二换热器19，第二换热器19连接第二除氧器20，第二除氧器20通过第二高压加热器22连接第二锅炉15。
所述烟气处理装置2通过增压风机3连接碳酸化反应器4，碳酸化反应器4连接旋风分离器5，旋风分离器5连接再生反应器6，再生反应器6连接吸附剂冷却塔7。碳捕集子系统中经脱硫脱硝除尘处理后的烟气经增压风机3增压后进入碳酸化反应器4与高活性碱金属基固体吸附剂反应，脱除烟气中的CO2；反应后的吸附剂经旋风分离器5分离后进入再生反应器6，经来自汽轮机的抽汽加热再生后的高温吸附剂被热网水冷却后返回碳酸化反应器4，再生反应器6出口分离出一部分气体作流化介质后，剩余的再生气体分两股分别进入第一换热器12和第二换热器19加热第一凝结水泵11和第二凝结水泵18出口的凝结水。
所述尖峰加热器26通过循环水泵27连接吸收式换热机组28，吸收式换热机组28经供热管道连接至碳酸化反应器4，碳酸化反应器4经供热管道连接吸附剂冷却塔7。热网水系统中低温热网水先经过碳酸化反应器4实现初级加热，再经过吸附剂冷却塔7实现中级加热，最后进入尖峰加热器26加热至高温后经循环水泵27输送入热网供热。在用户侧实现换热后，再回到碳酸化反应器4。
下面举例说明本发明：
选取两个同等规模的300MW抽凝机组I和抽凝机组II，假设两个抽凝机组抽汽量均为400t/h，占主汽流量的44％；选择脱除抽凝机组I尾部烟气中的CO2，脱除率为90％，采用的吸附剂为高活性的钠基固体吸附剂(70wt％Al2O3+30wt％Na2CO3)。
在该系统中，第一锅炉1、第一汽轮机8、第一发电机9、第一凝汽器10、 第一凝结水泵11、第一换热器12、第一除氧器13和第一高压加热器14及相应辅助设备和管道构成了抽凝机组I的基本发电子系统；第二锅炉15、第二汽轮机16、第二凝汽器17、第二凝结水泵18、第二换热器19、第二除氧器20、第二发电机21和第二高压加热器22及相应辅助设备和管道则构成了抽凝机组II的基本发电子系统；热网水系统主要涉及碳酸化反应器4、吸附剂冷却塔7、尖峰加热器26、循环水泵27、吸收式换热机组28及相应的管道和阀门；而碳捕集子系统则主要由增压风机3、碳酸化反应器4、旋风分离器5、再生反应器6、吸附剂冷却塔7、冷凝器23、循环风机25及相应的管道阀门组成。
选择从两个抽凝机组中汽轮机的中低压缸间管路抽汽，对应的抽汽压力为0.7335MPa。两股抽汽经混合后重新分配，分两股由第二减温减压阀29和第一减温减压阀30调整至需要的参数后进入下一个设备加热。相应的再生反应器6需要的抽汽量占85.4％，而用于尖峰加热器26的抽汽量占14.6％。
热网水系统中，设定热网回水温度为25℃，经碳酸化反应器4的加热后升温至50℃，再经再生反应器6出口高温吸附剂加热至103.1℃，最后经尖峰加热器26加热至120℃后由循环水泵27加压供给热网用户侧。
在碳捕集子系统中，钠基固体吸附剂在碳酸化反应器4中吸附烟气中的CO2，吸附反应温度维持在60℃；吸附了CO2的吸附剂被烟气送入旋风分离器5，将剩余烟气分离后，吸附剂进入再生反应器6被加热再生，再生温度150℃；再生后的吸附剂温度过高，在进入碳酸化反应器4之前，需在吸附剂冷却塔7内被冷却到60℃，再被送入碳酸化反应器4继续循环利用；再生床出口的再生气体分离出一部分被送回再生床作为流化介质，剩余气体进入第一换热器12和第二换热器19换热；换热完后的两股再生气体先混合，再经冷凝器冷凝后得到高浓度的CO2。
以同等规模的300MW机组的基本参数做对比，在抽汽量相同的情况下相关参数如下：
表1：新型系统与对照机组的各主要参数性能对比
在本实例中，所提出的新型热网水分级加热系统的供热量是单机组的1.6倍，碳捕集量是单机组的1.73倍。且新型热网水的加热过程满足能量梯级利用的原则，其加热过程炯效率达65.61％，而传统加热方式的炯效率只有39.64％。从实例中可以看出，新型系统具有较好的经济性。
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)
1.一种结合CO2捕集的热网水分级加热系统，其特征在于包括第一抽凝机组的发电系统、第二抽凝机组的发电系统、碳捕集子系统和热网水系统，
所述第一抽凝机组的发电系统包括第一锅炉（1）、烟气处理装置（2）、第一汽轮机（8）、第一发电机（9）、第一凝汽器（10）、第一凝结水泵（11）、第一换热器（12）、第一除氧器（13）、第一高压加热器（14）及其连接管道和阀门；
所述第二抽凝机组的发电系统包括第二锅炉（15）、第二汽轮机（16）、第二凝汽器（17）、第二凝结水泵（18）、第二换热器（19）、第二除氧器（20）、第二发电机（21）、第二高压加热器（22）及其连接管道和阀门；
所述碳捕集子系统包括增压风机（3）、碳酸化反应器（4）、旋风分离器（5）、再生反应器（6）、吸附剂冷却塔（7）、第一换热器（12）、冷却塔（24）、第二换热器（19）、冷凝器（23）、循环风机（25）、第一减温减压阀（30）及其连接管道和阀门；
所述热网水系统包括碳酸化反应器（4）、吸附剂冷却塔（7）、尖峰加热器（26）、循环水泵（27）、吸收式换热机组（28）、第二减温减压阀（29）及其连接管道和阀门；
低温热网回水利用碳捕集过程中碳酸化反应器（4）的放热完成初级加热，再利用吸附剂冷却塔（7）中高温吸附剂的冷却放热完成中级加热，最后被尖峰加热器（26）加热；
所述第一汽轮机（8）和第二汽轮机（16）的抽汽经混合后重新分配，一部分用于加热碳捕集子系统中再生反应器（6），另一部分用于加热尖峰加热器（26），加热完再生反应器（6）和热网尖峰加热器（26）后的疏水经过混合后重新分配，回到第一除氧器（13）和第二除氧器（20）。
2.根据权利要求1所述的一种结合CO2捕集的热网水分级加热系统，其特征在于所述第一锅炉（1）连接烟气处理装置（2）和第一汽轮机（8），第一汽轮机（8）连接第一发电机（9）和第一凝汽器（10），第一凝汽器（10）通过第一凝结水泵（11）连接第一换热器（12），第一换热器（12）连接第一除氧器（13），第一除氧器（13）通过第一高压加热器（14）连接第一锅炉（1）。
3.根据权利要求1所述的一种结合CO2捕集的热网水分级加热系统，其特征在于所述第二锅炉（15）连接第二汽轮机（16），第二汽轮机（16）连接第二发电机（21）和第二凝汽器（17），第二凝汽器（17）通过第二凝结水泵（18）连接第二换热器（19），第二换热器（19）连接第二除氧器（20），第二除氧器（20）通过第二高压加热器（22）连接第二锅炉（15）。
4.根据权利要求1所述的一种结合CO2捕集的热网水分级加热系统，其特征在于所述烟气处理装置（2）通过增压风机（3）连接碳酸化反应器（4），碳酸化反应器（4）连接旋风分离器（5），旋风分离器（5）连接再生反应器（6），再生反应器（6）连接吸附剂冷却塔（7）；
碳捕集子系统中经脱硫脱硝除尘处理后的烟气经增压风机（3）增压后进入碳酸化反应器（4）与高活性碱金属基固体吸附剂反应，脱除烟气中的CO2；反应后的吸附剂经旋风分离器（5）分离后进入再生反应器（6），经来自汽轮机的抽汽加热再生后的高温吸附剂被热网水冷却后返回碳酸化反应器（4），再生反应器（6）出口分离出一部分气体作流化介质后，剩余的再生气体分两股分别进入第一换热器（12）和第二换热器（19）加热第一凝结水泵（11）和第二凝结水泵（18）出口的凝结水。
5.根据权利要求1所述的一种结合CO2捕集的热网水分级加热系统，其特征在于所述尖峰加热器（26）通过循环水泵（27）连接吸收式换热机组（28），吸收式换热机组（28）经供热管道连接至碳酸化反应器（4），碳酸化反应器（4）经供热管道连接吸附剂冷却塔（7）；
热网水系统中低温热网水先经过碳酸化反应器（4）实现初级加热，再经过吸附剂冷却塔（7）实现中级加热，最后进入尖峰加热器（26）加热至高温后经循环水泵（27）输送入热网供热；
在用户侧实现换热后，再回到碳酸化反应器（4）。
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