CN110296576A - 一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，包括工业设备，CO2捕集系统和CO2动力循环系统；本发明通过压缩膨胀液化流程实现工业烟气CO2捕集，并将所捕集到的CO2应用于CO2动力循环实现工业烟气余热利用，实现CO2捕集、利用与存储一体化；通过控制各阀门和捕集系统压缩机转速，在工业设备启动工况下通过驱动电机带动CO2捕集系统运行，将捕集到的液态CO2通入储存罐储存，当储存罐储量高于动力循环所需循环工质储量时启动CO2动力循环以实现工业设备烟气余热利用，并将回收利用高温烟气余热后的烟气通入CO2捕集系统；CO2动力循环系统的动力循环膨胀机输出功用于驱动CO2捕集系统的捕集系统压缩机，降低捕集系统功耗。

Description

一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统
技术领域
本发明涉及工业设备节能减排技术，特别涉及一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统。
背景技术
全球气候变化问题已成为近几十年来国际社会普遍关注的重点问题之一。二氧化碳(CO2)及其他温室气体的过量排放是造成全球气候变化的主要原因。据国际能源署统计，CO2占全球温室气体排放量的65％。二氧化碳捕集、利用与封存(Carbon dioxide Capture,Utilization and Storage,CCUS)为缓解全球气候变化提供了有效方案，它为当前世界化石燃料经济与可再生能源未来之间提供了桥梁。
工业烟气是CO2排放主要来源，广泛分布于冶金、电力、化工、机械、内燃机等领域，降低工业烟气CO2排放是减少CO2排放的主要目标。同时，由于生产工艺与能源利用效率的限制，工业设备存在烟气余热数量大，温度分布范围宽的特点，是余热利用的主要对象。由于CO2排放与余热能在工业烟气中大量存在，如何在高效利用工业设备余热的同时实现烟气中CO2的捕集与利用是国内外学者关注的重点问题。
近年来，作为CO2利用的重要技术之一，以CO2作为工作介质的动力循环在太阳能、核能等领域已经日趋成熟并逐步实现工程应用。如果能够将工业烟气中捕集到的CO2直接用于CO2动力循环并实现工业设备余热回收利用，则可实现CO2捕集、利用与存储一体化，并将CO2捕集系统与余热回收系统集成化，降低工业设备的CO2捕集功耗并提高工业设备的能源利用效率。
发明内容
本发明基于上述技术现状和研究思路，提供一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，采用压缩膨胀液化流程将工业设备烟气中的CO2进行捕集并储存于储存罐中，并将捕集到的CO2应用于CO2动力循环，回收利用工业设备烟气余热，提高工业设备能源利用效率。为工业烟气CO2捕集、利用与余热利用技术的工程应用提供方案。
本发明所采用的技术方案是：一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，包括工业设备，还包括CO2捕集系统和CO2动力循环系统；
所述CO2捕集系统用于捕集所述工业设备烟气中CO2，包括依次连接的烟气净化装置、除水装置、捕集系统压缩机、多流体换热器、烟气冷却器、捕集系统膨胀机和气液分离器，经过所述气液分离器得到的液态CO2和CO2捕集后剩余烟气均通入至所述多流体换热器；
所述CO2动力循环系统用于将所述CO2捕集系统捕集到的CO2作为动力循环工质回收所述工业设备烟气余热，包括依次连接的烟气换热器、动力循环膨胀机、工质冷凝器和CO2储存罐，所述CO2储存罐的其中一个出口与所述烟气换热器的CO2入口相连接，所述烟气换热器的烟气入口与所述工业设备的烟气出口相连接，所述烟气换热器的烟气出口与所述烟气净化装置的烟气入口相连接，所述多流体换热器的CO2出口与所述CO2储存罐的其中一个入口相连接；
所述烟气换热器与所述工业设备的连接管线上设置有第一三通阀，所述烟气换热器与所述烟气净化装置的连接管线上设置有第二三通阀)，所述第一三通阀的第三端口和所述第二三通阀的第三端口之间通过管线相互连接。
进一步地，所述多流体换热器为管壳式换热器，所述烟气运行在所述多流体换热器的热侧，经过所述气液分离器后的所述CO2捕集后剩余烟气与捕集到的所述液态CO2运行在所述多流体换热器的冷侧。
进一步地，所述多流体换热器与所述CO2储存罐的连接管线上设置有实现跨临界CO2动力循环和超临界CO2动力循环切换的增压泵，所述增压泵的压力增大至将CO2压缩至超临界状态的临界压力时，所述CO2动力循环系统为超临界CO2动力循环；所述增压泵的压力低于所述临界压力时，所述CO2动力循环系统为跨临界CO2动力循环。
进一步地，所述CO2储存罐与所述烟气换热器的连接管线上设置有动力循环工质泵。
进一步地，所述捕集系统压缩机的输入轴分别与所述动力循环膨胀机的输出轴、驱动电机的输出轴相连接，当所述动力循环膨胀机的输出功大于所述捕集系统压缩机的耗功时，由所述动力循环膨胀机独立驱动所述捕集系统压缩机运行；当所述动力循环膨胀机的输出功小于所述捕集系统压缩机的耗功时，由所述动力循环膨胀机和所述驱动电机共同驱动所述捕集系统压缩机运行。
进一步地，所述CO2储存罐的另一个出口连接CO2排放管线，所述CO2排放管线上设置有第三三通阀；所述CO2储存罐与所述多流体换热器的连接管线上设置有第四三通阀，所述第三三通阀的第三端口和所述第四三通阀的第三端口之间通过管线相互连接。
进一步地，所述CO2储存罐与所述工质冷凝器的连接管线上设置有第一流量调节阀，所述CO2储存罐与所述烟气换热器的连接管线上设置有第二流量调节阀。
进一步地，所述烟气换热器和所述动力循环工质泵之间增设有中间换热器，用于进一步回收所述动力循环膨胀机后的乏汽能量。
本发明的有益效果是：本发明工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统集成了工业设备CO2捕集系统与余热回收系统(即，CO2动力循环系统)，实现CO2捕集、利用与存储一体化，系统结构紧凑，附件增加少，有利于实现工业烟气CO2捕集、利用与余热回收技术在工业设备的工程应用。对于工业设备来说，安装该系统可在有限的空间布置条件下实现对烟气中CO2的捕集、利用与存储，并实现对烟气余热的最大化利用，提高工业设备的能源利用效率，具有显著的节能减排效益和应用前景。
附图说明
图1：本发明一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统结构示意图；
附图标注：1.工业设备；2.烟气换热器；3.动力循环膨胀机；4.工质冷凝器；5.CO2储存罐；6.动力循环工质泵；7.烟气净化装置；8.除水装置；9.捕集系统压缩机；10.驱动电机；11.多流体换热器；12.烟气冷却器；13.捕集系统膨胀机；14.气液分离器；15.增压泵；16-1.第一三通阀；16-2.第二三通阀；16-3.第三三通阀；16-4.第四三通阀；17-1.第一流量调节阀；17-2.第二流量调节阀；
图中“→”表示烟气；表示动力循环工质CO2；表示捕集CO2；表示捕集后剩余烟气；“→”表示冷却水。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1所示，一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，包括工业设备1，CO2捕集系统和CO2动力循环系统。
所述CO2捕集系统用于捕集所述工业设备1烟气中CO2，包括依次连接的烟气净化装置7、除水装置8、捕集系统压缩机9、多流体换热器11、烟气冷却器12、捕集系统膨胀机13和气液分离器14，经过所述气液分离器14得到的液态CO2和CO2捕集后剩余烟气均通入至所述多流体换热器11。
所述CO2动力循环系统用于将所述CO2捕集系统捕集到的CO2作为动力循环工质回收所述工业设备1烟气余热，包括依次连接的烟气换热器2、动力循环膨胀机3、工质冷凝器4和CO2储存罐5；所述CO2储存罐5的其中一个出口与所述烟气换热器2的CO2入口相连接、另一个出口连接CO2排放管线，所述CO2储存罐5的两个入口分别连接所述工质冷凝器4的CO2出口和所述多流体换热器11的CO2出口；所述烟气换热器2的烟气入口与所述工业设备1的烟气出口相连接，所述烟气换热器2的烟气出口与所述烟气净化装置7的烟气入口相连接。
所述烟气换热器2与所述工业设备1的连接管线上设置有第一三通阀16-1，所述烟气换热器2与所述烟气净化装置7的连接管线上设置有第二三通阀16-2，所述第一三通阀16-1的第三端口和所述第二三通阀16-2的第三端口之间通过管线相互连接，通过所述第一三通阀16-1和所述第二三通阀16-2的切换实现工业烟气经过所述烟气换热器2或不经过所述烟气换热器2直接进入烟气净化装置7。
其中，所述多流体换热器11为管壳式换热器，所述烟气运行在所述多流体换热器11的热侧，经过所述气液分离器14后的所述CO2捕集后剩余烟气与捕集到的所述液态CO2运行在所述多流体换热器11的冷侧。
其中，所述多流体换热器11与所述CO2储存罐5的连接管线上设置有实现跨临界CO2动力循环和超临界CO2动力循环切换的增压泵15。所述CO2动力循环系统可为跨临界CO2动力循环，即CO2在CO2储存罐5中储存时处于液态，增压泵15的压力低于能将CO2压缩至超临界状态的临界压力(即，增压泵15增压到低于7.377MPa的任意值)，CO2在烟气换热器2中吸热过程处于超临界状态，在工质冷凝器4中放热过程处于亚临界状态。所述CO2动力循环也可为超临界CO2动力循环，即CO2通过捕集系统以液态形式捕集，通过增压泵15将压力增大至将CO2压缩至超临界状态的临界压力(即，增压泵15增压到7.377MPa以上)，使CO2处于超临界状态并在储存罐中储存，CO2在烟气换热器2吸热过程和工质冷凝器4放热过程均处于超临界状态，在CO2动力循环过程中不发生相变。
所述增压泵15压缩后的压力决定了所述CO2动力循环系统工作时的低压压力，在所述CO2动力循环系统工作时，高压压力可以通过动力循环工质泵6调节。所述动力循环工质泵6设置在所述CO2储存罐5与所述烟气换热器2的连接管线上。
其中，所述捕集系统压缩机9设置有两个输入轴，分别与所述动力循环膨胀机3的输出轴、驱动电机10的输出轴相连接。
其中，所述CO2储存罐5的另一个出口连接的所述CO2排放管线上设置有第三三通阀16-3；所述CO2储存罐5与所述多流体换热器11的连接管线上、位于所述增压泵15之后设置有第四三通阀16-4，所述第三三通阀16-3的第三端口和所述第四三通阀16-4的第三端口之间通过管线相互连接，使得捕集到的CO2能通入所述CO2储存罐5或不通入CO2储存罐5直接排放。
其中，所述CO2储存罐5与所述工质冷凝器4的连接管线上设置有第一流量调节阀17-1，所述CO2储存罐5与所述烟气换热器2的连接管线上、位于所述动力循环工质泵6之前设置有第二流量调节阀17-2。
其中，所述烟气换热器2和所述动力循环工质泵6之间可增设中间换热器，用于进一步回收所述动力循环膨胀机3后的乏汽能量。
本发明系统通过压缩膨胀液化流程实现烟气中CO2的捕集，并将所捕集到的CO2应用于CO2动力循环实现工业烟气余热利用，实现CO2捕集、利用与存储一体化。通过控制各阀门和捕集系统压缩机9转速，在工业设备1启动工况下通过驱动电机10带动CO2捕集系统运行，将捕集到的液态CO2通入CO2储存罐5储存，当CO2捕集量高于一定水平时(即，CO2储存罐5的CO2储量高于动力循环所需循环工质储量时)启动CO2动力循环系统，通过CO2动力循环系统实现工业设备1烟气余热的回收利用，从而提高工业设备1能源利用效率，并减小工业设备1总体CO2排放，同时，将回收利用高温烟气余热后的烟气通入CO2捕集系统。通过将CO2捕集系统的储存装置与CO2动力循环系统的CO2动力循环工质储存装置集成化为CO2储存罐5，减少设备投资成本。CO2动力循环系统的动力循环膨胀机3的输出功用以驱动CO2捕集系统的捕集系统压缩机9，降低捕集系统功耗。其中，所述压缩膨胀液化流程是指通过捕集系统压缩机9、多流体换热器11、烟气冷却器12和捕集系统膨胀机13调整烟气的压力、温度，从而使得烟气中的CO2由气态转变成液态的过程。
本发明系统中，用作动力循环工质的CO2为通过CO2捕集系统对工业设备1烟气中CO2捕集并储存于CO2储存罐5中的CO2。
本发明工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统的工作过程为：
工业设备1启动工况下，关闭第三三通阀16-3，切换第一三通阀16-1和第二三通阀16-2使工业烟气不经过烟气换热器2，由旁路通入烟气净化装置7，去除一氧化碳、氮氧化物、硫化物、颗粒物等有害排放物之后通入除水装置8去除烟气中水分。捕集系统压缩机9在驱动电机10带动下提升烟气压力并将烟气通入多流体换热器11，与捕集到的液态CO2以及捕集后的低温剩余烟气换热冷却降温，通过烟气冷却器12和捕集系统膨胀机13进一步冷却降温，最终进入气液分离器14实现CO2液化与分离。切换第四三通阀16-4，将捕集到的液态CO2通过增压泵15提升压力至CO2储存罐5存储压力后输入CO2储存罐5储存。
当CO2储存罐5的储量高于动力循环所需循环工质储量时切换第三三通阀16-3和第四三通阀16-4，此时CO2捕集系统捕集到的CO2通过第三三通阀16-3和第四三通阀16-4送往CO2输运环节；开启第一流量调节阀17-1和第二流量调节阀17-2，切换第一三通阀16-1和第二三通阀16-2使工业烟气经过烟气换热器2，作为动力循环工质的CO2由CO2储存罐5输出，经动力循环工质泵6提升压力后进入烟气换热器2与烟气换热并吸收烟气余热，随后进入动力循环膨胀机3膨胀做功并通过工质冷凝器4由冷却水冷却，最终回到CO2储存罐5完成做功循环。
动力循环膨胀机3与捕集系统压缩机9机械连接，当动力循环膨胀机3输出功大于捕集系统压缩机9耗功时，由动力循环膨胀机3独立驱动捕集系统压缩机9运行；当动力循环膨胀机3输出功小于捕集系统压缩机9耗功时，由动力循环膨胀机3与驱动电机10共同驱动捕集系统压缩机9运行。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，包括工业设备(1)，其特征在于，还包括CO2捕集系统和CO2动力循环系统；
所述CO2捕集系统用于捕集所述工业设备(1)烟气中CO2，包括依次连接的烟气净化装置(7)、除水装置(8)、捕集系统压缩机(9)、多流体换热器(11)、烟气冷却器(12)、捕集系统膨胀机(13)和气液分离器(14)，经过所述气液分离器(14)得到的液态CO2和CO2捕集后剩余烟气均通入至所述多流体换热器(11)；
所述CO2动力循环系统用于将所述CO2捕集系统捕集到的CO2作为动力循环工质回收所述工业设备(1)烟气余热，包括依次连接的烟气换热器(2)、动力循环膨胀机(3)、工质冷凝器(4)和CO2储存罐(5)，所述CO2储存罐(5)的其中一个出口与所述烟气换热器(2)的CO2入口相连接，所述烟气换热器(2)的烟气入口与所述工业设备(1)的烟气出口相连接，所述烟气换热器(2)的烟气出口与所述烟气净化装置(7)的烟气入口相连接，所述多流体换热器(11)的CO2出口与所述CO2储存罐(5)的其中一个入口相连接；
所述烟气换热器(2)与所述工业设备(1)的连接管线上设置有第一三通阀(16-1)，所述烟气换热器(2)与所述烟气净化装置(7)的连接管线上设置有第二三通阀(16-2)，所述第一三通阀(16-1)的第三端口和所述第二三通阀(16-2)的第三端口之间通过管线相互连接。
2.根据权利要求1所述的一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，其特征在于，所述多流体换热器(11)为管壳式换热器，所述烟气运行在所述多流体换热器(11)的热侧，经过所述气液分离器(14)后的所述CO2捕集后剩余烟气与捕集到的所述液态CO2运行在所述多流体换热器(11)的冷侧。
3.根据权利要求1所述的一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，其特征在于，所述多流体换热器(11)与所述CO2储存罐(5)的连接管线上设置有实现跨临界CO2动力循环和超临界CO2动力循环切换的增压泵(15)，所述增压泵(15)的压力增大至将CO2压缩至超临界状态的临界压力时，所述CO2动力循环系统为超临界CO2动力循环；所述增压泵(15)的压力低于所述临界压力时，所述CO2动力循环系统为跨临界CO2动力循环。
4.根据权利要求1所述的一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，其特征在于，所述CO2储存罐(5)与所述烟气换热器(2)的连接管线上设置有动力循环工质泵(6)。
5.根据权利要求1所述的一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，其特征在于，所述捕集系统压缩机(9)的输入轴分别与所述动力循环膨胀机(3)的输出轴、驱动电机(10)的输出轴相连接，当所述动力循环膨胀机(3)的输出功大于所述捕集系统压缩机(9)的耗功时，由所述动力循环膨胀机(3)独立驱动所述捕集系统压缩机(9)运行；当所述动力循环膨胀机(3)的输出功小于所述捕集系统压缩机(9)的耗功时，由所述动力循环膨胀机(3)和所述驱动电机(10)共同驱动所述捕集系统压缩机(9)运行。
6.根据权利要求1所述的一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，其特征在于，所述CO2储存罐(5)的另一个出口连接CO2排放管线，所述CO2排放管线上设置有第三三通阀(16-3)；所述CO2储存罐(5)与所述多流体换热器(11)的连接管线上设置有第四三通阀(16-4)，所述第三三通阀(16-3)的第三端口和所述第四三通阀(16-4)的第三端口之间通过管线相互连接。
7.根据权利要求1所述的一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，其特征在于，所述CO2储存罐(5)与所述工质冷凝器(4)的连接管线上设置有第一流量调节阀(17-1)，所述CO2储存罐(5)与所述烟气换热器(2)的连接管线上设置有第二流量调节阀(17-2)。
8.根据权利要求4所述的一种工业烟气二氧化碳捕集与余热回收集成系统，其特征在于，所述烟气换热器(2)和所述动力循环工质泵(6)之间增设有中间换热器，用于进一步回收所述动力循环膨胀机(3)后的乏汽能量。
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