CN109232161A - 一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统及方法，包括增压风机、第一吸收塔、溶液储罐、贫富液换热器、再生塔、冷凝器、气液分离器、CO2缓冲罐、甲烷气体发生装置和甲烷提纯装置，通过将电厂烟道气中的CO2分离纯化，利用等离子体法或催化法CO2加氢转化为甲烷，实现弃电储能转化、副产氧气、CO2捕集与化工利用的一体化；解决了电厂烟气碳减排的CO2出路问题；同时有效实现了甲烷气体中混杂的CO2气体的回收再利用，并实现了在同一再生塔内进行CO2富液解吸；实现单塔再生CO2富液，降低投资运行成本。
Description
技术领域
本发明属于电厂烟气净化、二氧化碳减排技术领域，具体涉及一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统及方法。
背景技术
二氧化碳(CO2)是导致全球气候变化的主要温室气体，CO2的捕集、利用与封存已成为国际社会关注的热点问题之一。2017年我国CO2总排放量达93.3亿吨，其中电力行业排放量约占35％，是我国温室气体的主要排放源。此外，炼钢、水泥、化工(如合成氨、制氢、天然气净化)等工业领域也存在大量CO2排放。目前我国燃煤电厂CO2回收主要是通过化学吸收和变温再生方法将烟气中的CO2分离，再通过压缩、液化、精制等手段得到工业级或食品级CO2产品。但CO2产品市场容量有限且产品附加值低，该技术途径应用规模很小，目前燃我国最大的煤电厂CO2捕集装置规模仅为12万吨/年。因此，要实现燃煤电厂CO2大规模减排，迫切需要解决CO2高附加值利用问题。
CO2是碳和含碳化合物的最终氧化产物，广泛存在于自然界中，其含碳量是现有化石燃料含碳量的10倍。随着煤炭、石油等化石能源逐渐消耗，CO2将成为主要的碳源，而且CO2性质稳定，易于运输和储藏，若能有效利用，其工业前景十分可观。此外，随着社会经济的发展，光伏、风电及水电等非碳可再生能源占比大幅增加，但由于地域匹配和电网消纳的问题，面临着大量弃光、弃风、弃水等难题，导致资源的巨大浪费。
目前我国天然气人均占有率不到世界的10％，近年来环境问题日益凸显，天然气消费比例持续增长，我国天然气对外依存度已接近40％，未来将超过50％。因此，如果能够将电厂烟气中的CO2有效回收并利用将会对我国未来能源体系和消费结构产生重大影响，同时有助于实现电力行业大规模CO2减排。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的电厂烟气中的CO2得不到有效利用，提供一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统；本发明将电厂烟气中CO2有效回收并利用非碳电能转化为天然气等化学能，实现能量高密度储运，具体地，是将烟气中CO2回收并加氢转化甲烷，实现了CO2高附加值利用和非碳电能化学转化，扩大了产品出路，提高了电厂烟气脱碳技术的经济效益，具有良好的应用前景。
本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，包括增压风机、第一吸收塔、溶液储罐、贫富液换热器、再生塔、冷凝器、气液分离器、CO2缓冲罐、甲烷气体发生装置和甲烷提纯装置，其中，第一吸收塔下部的气体进口与电厂烟囱的下端气体出口之间通过增压风机连接，第一吸收塔顶部的气体出口与电厂烟囱上端的气体进口相连；第一吸收塔上的贫液进口与液储罐上的吸收剂溶液出口连接；第一吸收塔底部的CO2富液出口经过贫富液换热器与再生塔上部的富液进口相连，再生塔底部的热贫液出口与贫富液换热器上的热贫液进口连接；再生塔顶部的气体出口依次经过冷凝器和气液分离器与CO2缓冲罐连接，CO2缓冲罐的CO2气体出口与甲烷气体发生装置连接，甲烷气体发生装置的出口连接甲烷提纯装置的入口，甲烷气体发生装置上设置有甲烷气体出口和CO2气体出口，其中，CO2气体出口连接贫富液换热器的入口。
优选地，甲烷气体发生装置为反应器，其中，反应器和CO2缓冲罐之间设置有气体混合器，CO2缓冲罐的CO2气体出口与气体混合器上端的气体进口连接，气体混合器下端的气体进口连接有用于制备氢气的电解装置，气体混合器的气体出口与用于制备甲烷气体的反应器连接。
优选地，气体混合器和CO2缓冲罐之间设置有CO2气体提纯装置。
优选地，CO2气体提纯装置包括分子筛塔和提纯塔，其中，CO2缓冲罐上的CO2气体出口通过压缩机依次与分子筛塔和提纯塔连接，提纯塔的气体出口连接气体混合器的入口。
优选地，甲烷气体提纯装置包括第二吸收塔，反应器上的气体出口与第二吸收塔气体进口连接，第二吸收塔上部贫液进口与溶液储罐上的溶液出口连接；第二吸收塔的顶部设置有甲烷气体出口，其底部设置的富液出口与贫富液换热器的富液进口连接。
优选地，溶液储罐和第二吸收塔之间设置有第二溶液泵；第二吸收塔和贫富液换热器之间设置有第二富液泵。
优选地，溶液储罐和第一吸收塔之间设置有第一溶液泵。
优选地，第一吸收塔和贫富液换热器之间设置有第一富液泵。
一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用方法，基于所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，包括以下步骤：
含有CO2的电厂烟道气通过增压风机从烟囱抽出，经由吸收塔下部的气体进口输入吸收塔内，与此同时来自溶液储罐的吸收溶液由溶液泵泵入吸收塔上部的贫液进口，CO2气体与吸收剂在塔内充分逆向接触而被吸收剂吸收；
被吸收剂脱除CO2后的气体继续向上流动，经过洗涤和除沫后由吸收塔顶部的气体出口排出，返回电厂烟囱；
吸收CO2后的富液在吸收塔底部通过富液泵送至贫富液换热器，与来自再生塔底部的热贫液换热升温后进入再生塔进行热解吸；
含有部分水蒸气、吸收剂蒸气的CO2再生气由再生塔顶部的气体出口流出，经过冷却器冷却和气液分离罐后成为高浓度CO2气体，高浓度CO2气体进入CO2缓冲罐；
CO2缓冲罐中的CO2气体进入甲烷气体发生装置进行反应生成混合气；
反应后的混合气主要由甲烷和未反应的CO2组成，该混合气进入甲烷提纯装置进行提纯，脱除CO2后的甲烷气体由甲烷出口排出；未反应的CO2气体通过CO2气体出口送至贫富液换热器内进行热交换，继续循环使用。
优选地，甲烷气体发生装置为反应器，反应器和CO2缓冲罐之间设置有气体混合器，其中，CO2缓冲罐的CO2气体出口与气体混合器上端的气体进口连接，气体混合器下端的气体进口连接有用于制备氢气的电解装置，气体混合器的气体出口与用于制备甲烷气体的反应器连接；
CO2缓冲罐中的CO2气体与来自电解装置的高纯度氢气通过气体混合器充分混合后进入反应器充分反应生成混合气。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，通过将电厂烟道气中的CO2分离纯化，利用等离子体法或催化法CO2加氢转化为甲烷，实现弃电储能转化、副产氧气、CO2捕集与化工利用的一体化；解决了电厂烟气碳减排的CO2出路问题。
进一步的，本发明采用有机的与电厂烟气CO2吸收再生装置相结合，且有效实现了甲烷气体中混杂的CO2气体的回收再利用，并实现了在同一再生塔内进行CO2富液解吸；实现单塔再生CO2富液，降低投资运行成本。
本发明提供的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用方法，通过将电厂烟道气中的CO2分离纯化，利用等离子体法或催化法CO2加氢转化为甲烷，实现弃电储能转化、副产氧气、CO2捕集与化工利用的一体化；解决了电厂烟气碳减排的CO2出路问题；本发明采用有机的与电厂烟气CO2吸收再生装置相结合，且有效实现了甲烷气体中混杂的CO2气体的回收再利用，并实现了在同一再生塔内进行CO2富液解吸；实现单塔再生CO2富液，降低投资运行成本。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1、增压风机2、第一吸收塔3、第一富液泵4、贫富液换热器5、再生塔6、冷凝器7、气液分离器8、CO2缓冲罐9、压缩机10、分子筛塔11、提纯塔12、气体混合器13、反应器14、第二吸收塔15、第二富液泵16、贫液泵17、溶液储罐18、第一溶液泵19、第二溶液泵20、电解装置。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，包括增压风机1、第一吸收塔2、第一富液泵3、贫富液换热器4、再生塔5、冷凝器6、气液分离器7、CO2缓冲罐8、压缩机9、分子筛塔10、提纯塔11、气体混合器12、反应器13、第二吸收塔14、第二富液泵15、贫液泵16、溶液储罐17、第一溶液泵18、第二溶液泵19和电解装置20，其中，增压风机1的进口与电厂烟囱相连，增压风机1的出口与第一吸收塔2下部的气体进口相连；第一吸收塔2顶部的气体出口与电厂烟囱相连，第一吸收塔2底部的CO2富液出口依次通过富液泵3、贫富液换热器4与再生塔5上部的富液进口相连；再生塔5顶部的再生气出口通过冷凝器6与气液分离器7的气体进口相连；气液分离器7底部的冷凝回流液出口与再生塔5上部的回流液进口相连，气液分离器7上部的气体出口依次通过CO2缓冲罐8、压缩机9、分子筛塔10、提纯塔11与气体混合器12的CO2气体进口相连；气体混合器12的气体出口与反应器13的气体进口相连；反应器13的气体出口与第二吸收塔14下部的气体进口相连；第二吸收塔14底部的CO2富液出口依次通过富液泵15、贫富液换热器4与再生塔5上部的富液进口相连；再生塔5底部的贫液出口依次通过贫液泵16、贫富液换热器4与溶液储罐17的溶液进口相连；溶液储罐17底部的溶液出口分别通过溶液泵18、溶液泵19与吸收塔2、第二吸收塔14的贫液进口相连；电解装置20的氢气出口与气体混合器12的氢气进口相连。
本发明的工作原理如下：
含有CO2的电厂烟道气通过增压风机1从烟囱抽出，经由吸收塔2下部的气体进口输入吸收塔2内，与此同时来自溶液储罐17的吸收溶液由溶液泵18泵入吸收塔2上部的贫液进口，CO2气体与吸收剂在塔内充分逆向接触而被吸收剂吸收。被吸收剂脱除CO2后的气体继续向上流动，经过洗涤和除沫后由吸收塔2顶部的气体出口排出，返回电厂烟囱。
吸收CO2后的富液在吸收塔2底部通过富液泵3送至贫富液换热器4，与来自再生塔5底部的热贫液换热升温后进入再生塔5进行热解吸。含有部分水蒸气、吸收剂蒸气的CO2再生气由再生塔5顶部的气体出口流出，经过冷却器6冷却和气液分离罐7后成为高浓度CO2气体，高浓度CO2气体进入CO2缓冲罐8，冷凝液返回再生塔5。
CO2缓冲罐8中的CO2气体由压缩机9升压后，进入分子筛塔10、提纯塔11进一步脱除水汽、不凝气等杂质气体后得到高纯度CO2产品气，之后与来自电解装置20的高纯度氢气通过气体混合器12充分混合后进入反应器13充分反应生成甲烷气体，反应器13中含有等离子体发生装置或催化剂床层，反应过程中保持CO2气体过量以保证氢气充分反应。反应后的混合气主要由甲烷和未反应的CO2组成，经由反应器13的气体出口排出后进入第二吸收塔14，与此同时来自溶液储罐17的吸收溶液由溶液泵19泵入第二吸收塔14上部的贫液进口，脱除CO2后的甲烷气体由第二吸收塔14顶部气体出口排出，吸收CO2后的富液在第二吸收塔14底部通过富液泵15送至贫富液换热器4，与来自再生塔5底部的热贫液换热升温后进入再生塔5进行热解吸。再生塔5底部脱除CO2后的贫液由贫液泵16引出，经过贫富换热器4换热后进入溶液储罐17而循环使用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，其特征在于，包括增压风机(1)、第一吸收塔(2)、溶液储罐(17)、贫富液换热器(4)、再生塔(5)、冷凝器(6)、气液分离器(7)、CO2缓冲罐(8)、甲烷气体发生装置和甲烷提纯装置，其中，第一吸收塔(2)下部的气体进口与电厂烟囱的下端气体出口之间通过增压风机(1)连接，第一吸收塔(2)顶部的气体出口与电厂烟囱上端的气体进口相连；第一吸收塔(2)上的贫液进口与液储罐(17)上的吸收剂溶液出口连接；第一吸收塔(2)底部的CO2富液出口经过贫富液换热器(4)与再生塔(5)上部的富液进口相连，再生塔(5)底部的热贫液出口与贫富液换热器(4)上的热贫液进口连接；再生塔(5)顶部的气体出口依次经过冷凝器(6)和气液分离器(7)与CO2缓冲罐(8)连接，CO2缓冲罐(8)的CO2气体出口与甲烷气体发生装置连接，甲烷气体发生装置的出口连接甲烷提纯装置的入口，甲烷气体发生装置上设置有甲烷气体出口和CO2气体出口，其中，CO2气体出口连接贫富液换热器(4)的入口。
2.根据权利要求1所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，其特征在于，甲烷气体发生装置为反应器(13)，其中，反应器(13)和CO2缓冲罐(8)之间设置有气体混合器(12)，CO2缓冲罐(8)的CO2气体出口与气体混合器(12)上端的气体进口连接，气体混合器(12)下端的气体进口连接有用于制备氢气的电解装置(20)，气体混合器(12)的气体出口与用于制备甲烷气体的反应器(13)连接。
3.根据权利要求2所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，其特征在于，气体混合器(12)和CO2缓冲罐(8)之间设置有CO2气体提纯装置。
4.根据权利要求3所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，其特征在于，CO2气体提纯装置包括分子筛塔(10)和提纯塔(11)，其中，CO2缓冲罐(8)上的CO2气体出口通过压缩机(9)依次与分子筛塔(10)和提纯塔(11)连接，提纯塔(11)的气体出口连接气体混合器(12)的入口。
5.根据权利要求1所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，其特征在于，甲烷气体提纯装置包括第二吸收塔(14)，反应器(13)上的气体出口与第二吸收塔(14)气体进口连接，第二吸收塔(14)上部贫液进口与溶液储罐(17)上的溶液出口连接；第二吸收塔(14)的顶部设置有甲烷气体出口，其底部设置的富液出口与贫富液换热器(4)的富液进口连接。
6.根据权利要求5所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，其特征在于，溶液储罐(17)和第二吸收塔(14)之间设置有第二溶液泵(19)；第二吸收塔(14)和贫富液换热器(4)之间设置有第二富液泵(15)。
7.根据权利要求1所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，其特征在于，溶液储罐(17)和第一吸收塔(2)之间设置有第一溶液泵(18)。
8.根据权利要求1所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，其特征在于，第一吸收塔(2)和贫富液换热器(4)之间设置有第一富液泵(3)。
9.一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用系统，包括以下步骤：
含有CO2的电厂烟道气通过增压风机(1)从烟囱抽出，经由吸收塔(2)下部的气体进口输入吸收塔(2)内，与此同时来自溶液储罐(17)的吸收溶液由溶液泵(18)泵入吸收塔(2)上部的贫液进口，CO2气体与吸收剂在塔内充分逆向接触而被吸收剂吸收；
被吸收剂脱除CO2后的气体继续向上流动，经过洗涤和除沫后由吸收塔(2)顶部的气体出口排出，返回电厂烟囱；
吸收CO2后的富液在吸收塔(2)底部通过富液泵(3)送至贫富液换热器(4)，与来自再生塔(5)底部的热贫液换热升温后进入再生塔(5)进行热解吸；
含有部分水蒸气、吸收剂蒸气的CO2再生气由再生塔(5)顶部的气体出口流出，经过冷却器(6)冷却和气液分离罐(7)后成为高浓度CO2气体，高浓度CO2气体进入CO2缓冲罐(8)；
CO2缓冲罐(8)中的CO2气体进入甲烷气体发生装置进行反应生成混合气；
反应后的混合气主要由甲烷和未反应的CO2组成，该混合气进入甲烷提纯装置进行提纯，脱除CO2后的甲烷气体由甲烷出口排出；未反应的CO2气体通过CO2气体出口送至贫富液换热器(4)内进行热交换，继续循环使用。
10.根据权利要求9所述的一种电厂烟气中二氧化碳回收与利用方法，其特征在于，甲烷气体发生装置为反应器(13)，反应器(13)和CO2缓冲罐(8)之间设置有气体混合器(12)，其中，CO2缓冲罐(8)的CO2气体出口与气体混合器(12)上端的气体进口连接，气体混合器(12)下端的气体进口连接有用于制备氢气的电解装置(20)，气体混合器(12)的气体出口与用于制备甲烷气体的反应器(13)连接；
CO2缓冲罐(8)中的CO2气体与来自电解装置(20)的高纯度氢气通过气体混合器(12)充分混合后进入反应器(13)充分反应生成混合气。
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