CN110926108A - 一种中低温工业烟气二氧化碳捕集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中低温工业烟气二氧化碳捕集系统，该系统通过采用换热、除水、压缩、预冷、回冷和深冷流程实现对中低温工业烟气中CO2的低能耗捕集，由烟气为发生器提供热能，驱动吸收式制冷对烟气预冷；结合不凝性气体在回冷器的回冷过程进一步降低烟气温度，减少用于二氧化碳捕集的低温制冷机功耗，最终得到高纯度液态或固态CO2产品，实现了对于中低温工业烟气中CO2捕集过程。

Description

一种中低温工业烟气二氧化碳捕集系统
技术领域
本发明涉及节能减排领域，尤其涉及一种中低温工业烟气二氧化碳捕集系统。
背景技术
大气中二氧化碳浓度的升高是导致全球气候变化的主要原因之一，其对全球气温升高的贡献度高达70％，而化石燃料的使用被认为是二氧化碳排放的最大来源。在可预见的未来内，化石燃料仍有望在全球能源生产中发挥主导作用，因此在利用化石燃料时如何减少碳排放量是一项亟需解决的问题。
在钢铁、石油、化工、建材、电子等领域的工业烟气余热在总余热量中占到了很大比例，其中对于高温烟气的余热利用情况较好，而中低温烟气余热没有得到很好的利用，浪费了可观的余热能源。
CO2捕集技术包括燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧技术。燃烧前捕集是利用煤气化、天然气重整或水煤气变换反应将化石燃料转化为CO2和H2的混合气，随后可以较为容易地分离CO2；燃烧后捕集指的是在烟气中捕集CO2，其对于原有工业设备的改造程度最小，可以直接添加到现有工业设备中；富氧燃烧技术是将燃料与借助空分装置获得的富氧气体充分燃烧，产生高浓度、易捕集的CO2烟气。
吸收式制冷技术可采用低品位热源的热能直接驱动，运行成本远低于电驱动系统。具有环境友好、无噪音运行、可靠性高等特点。在与工业设备的耦合系统中，吸收式制冷可以由烟气热能驱动，同时对烟气进行预冷，以降低二氧化碳捕集过程中的功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中低温工业烟气二氧化碳捕集系统，借助吸收式制冷系统对中低温余热的有效利用，降低工业烟气中CO2捕集过程能耗的工艺。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种中低温工业烟气二氧化碳捕集系统，采用换热、除水、压缩、预冷、回冷和深冷流程实现对中低温工业烟气中CO2的低能耗捕集，实现工业设备减排目的，包括：
工业设备，所述工业设备排烟口在烟气二氧化碳捕集管道中依次与沉浸式发生器的管程、除水装置、压缩机、管壳式蒸发器的壳程、板式烟气回冷器的第一管路、低温制冷机提供冷源的管壳式捕集换热器的壳程以及板式烟气回冷器的第二管路相连。
沉浸式发生器，所述沉浸式发生器的管程出口通过烟气二氧化碳捕集管道依次连接除水装置、压缩机、管壳式蒸发器的壳程、板式烟气回冷器的第一管路、低温制冷机提供冷源的管壳式捕集换热器的壳程以及板式烟气回冷器的第二管路；所述的沉浸式发生器的气体壳程出口通过制冷剂气体管线依次连接喷淋式冷凝器的管程、板式过冷器的第一管路、第一节流阀、管壳式蒸发器的管程、板式过冷器的第二管路以及吸收器。
板式溶液热交换器，所述的板式溶液热交换器的第一管路进口通过第一连接管线连接沉浸式发生器的液体壳程出口；板式溶液热交换器的第一管路出口通过第二连接管线依次连接第二节流阀、吸收器、吸收式制冷工质泵以及板式溶液热交换器的第二管路的进口，所述的板式溶液热交换器的第二管路的出口通过第三连接管线与沉浸式发生器的液体壳程进口连通。
所述中低温工业烟气二氧化碳捕集系统的CO2捕集流程为：从工业设备排烟口排出的烟气进入吸收式制冷系统的沉浸式发生器的管程，与壳程中溶液换热后进入除水装置除去烟气中的水分，经压缩机调整压力后，进入管壳式蒸发器的壳程预冷。随后进入板式烟气回冷器的第一管路中与在第二管路中的不凝性气体进行回冷换热，进一步降温，最后进入由低温制冷机提供冷源的管壳式捕集换热器壳程，实现CO2的捕集过程，得到高纯度液态或固态CO2产品，经捕集后的不凝性气体进入板式烟气回冷器的第二管路回收冷能后排出。
所述中低温工业烟气二氧化碳捕集系统的吸收式制冷流程为：浓溶液在沉浸式发生器壳程中受热后挥发，得到制冷剂蒸气，发生终了时浓溶液变为稀溶液。稀溶液离开沉浸式发生器后通过板式溶液热交换器的第一管路进入板式溶液热交换器中，与从吸收式制冷工质泵输送的过冷液体换热，随后经第二节流阀减压膨胀进入吸收器中，与从板式过冷器第二管路来的制冷剂蒸气混合，混合过程中的热量传递至外界冷却水，同时制冷剂与吸收剂组成的溶液浓度逐渐升高至饱和状态。浓溶液经吸收式制冷工质泵加压后变为过冷液体进入到板式溶液热交换器的第二管路，完成换热后进入沉浸式蒸发器壳程中实现浓溶液的再生过程。由沉浸式发生器壳程得到的制冷剂蒸气进入喷淋式冷凝器管程中等压冷凝为液体，随后进入板式过冷器的第一管路中被管壳式蒸发器管程返回的低温蒸气过冷，过冷后的液体通过第一节流阀膨胀降压，然后进入管壳式蒸发器壳程实现对烟气的预冷过程。从管壳式蒸发器管程出来的低温蒸气返回板式过冷器的第二管路对第一管路的工质过冷，随后进入吸收器中，实现循环过程。吸收式制冷可为使用氨-水或水-溴化锂工质对的单效或多效吸收式制冷，也可为氨-水与水-溴化锂工质对组合的双效或多效吸收式制冷。
本发明的有益效果是：本发明集成了CO2捕集系统和吸收式制冷系统，实现了中高温烟气热能回收和CO2低能耗捕集的效果。中低温工业烟气于沉浸式发生器中散热，作为吸收式制冷的高温热源驱动吸收式制冷对烟气预冷。同时结合不凝性气体的回冷过程，实现了工业设备烟气中CO2的低能耗捕集。根据产品需求调整压缩机出口压力和低温制冷机的制冷温度，可选择得到高纯度液态或固态CO2产品。
附图说明
图1为根据本发明的中低温工业烟气二氧化碳捕集系统示意图。
其中，附图标记说明如下：
工业设备1、沉浸式发生器2、除水装置3、压缩机4、管壳式蒸发器5、板式烟气回冷器6、低温制冷机7、管壳式捕集换热器8、板式溶液热交换器9、吸收器10、吸收式制冷工质泵11、喷淋式冷凝器12、板式过冷器13、第一节流阀14-1、第二节流阀14-2。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明基于上述技术现状和研究思路，提出一种中低温工业烟气二氧化碳捕集系统：采用换热、除水、压缩、预冷、回冷和深冷流程实现烟气中CO2的低能耗捕集，借助燃烧后补集手段降低了对原有工业设备的改造程度；使用吸收式制冷系统将大量难以以动力循环形式回收的中低温烟气热能加以利用，预冷预处理后的烟气；利用不凝性气体的回冷过程进一步降低烟气温度，减少用于二氧化碳捕集的低温制冷机功耗，实现工业设备烟气中CO2的低能耗捕集。通过对国内外相关的专利检索和分析，申请人未发现与本发明特征相近的技术方案。
如图1所示，本发明的一种中低温工业烟气二氧化碳捕集系统，包括：
工业设备1，所述工业设备1排烟口在烟气二氧化碳捕集管道中依次与沉浸式发生器2的管程、除水装置3、压缩机4、管壳式蒸发器5的壳程、板式烟气回冷器6的第一管路、低温制冷机7提供冷源的管壳式捕集换热器8的壳程以及板式烟气回冷器6的第二管路相连，使得从管壳式捕集换热器8壳程出口流出的不凝性气体进入板式烟气回冷器6的第二管路后排出。
沉浸式发生器2，所述沉浸式发生器2的管程出口通过烟气二氧化碳捕集管道依次连接除水装置3、压缩机4、管壳式蒸发器5的壳程、板式烟气回冷器6的第一管路、低温制冷机7提供冷源的管壳式捕集换热器8的壳程以及板式烟气回冷器6的第二管路；所述的沉浸式发生器2的气体壳程出口通过制冷剂气体管线依次连接喷淋式冷凝器12的管程、板式过冷器13的第一管路、第一节流阀14-1、管壳式蒸发器5的管程、板式过冷器13的第二管路以及吸收器10，实现循环过程。
板式溶液热交换器9，所述的板式溶液热交换器9的第一管路进口通过第一连接管线连接沉浸式发生器2的液体壳程出口；板式溶液热交换器9的第一管路出口通过第二连接管线依次连接第二节流阀14-2、吸收器10、吸收式制冷工质泵11以及板式溶液热交换器9的第二管路的进口，所述的板式溶液热交换器9的第二管路的出口通过第三连接管线与沉浸式发生器2的液体壳程进口连通。
所述中低温工业烟气二氧化碳捕集系统的CO2捕集流程为：从工业设备1排烟口排出的烟气进入吸收式制冷系统的沉浸式发生器2的管程，与壳程中溶液换热后进入除水装置3除去烟气中的水分，经压缩机4调整压力后，进入管壳式蒸发器5的壳程预冷。随后进入板式烟气回冷器6的第一管路中与在第二管路中的不凝性气体进行回冷换热，进一步降温，最后进入由低温制冷机7提供冷源的管壳式捕集换热器8的壳程，实现CO2的捕集过程，得到高纯度液态或固态CO2产品，经捕集后的不凝性气体进入板式烟气回冷器6的第二管路回收冷能后排出。
所述中低温工业烟气二氧化碳捕集系统的吸收式制冷流程为：浓溶液在沉浸式发生器2的壳程中受热后挥发，得到制冷剂蒸气，发生终了时浓溶液变为稀溶液。稀溶液离开沉浸式发生器2后通过板式溶液热交换器9的第一管路进入板式溶液热交换器9中，与从吸收式制冷工质泵11输送的过冷液体换热，随后经第二节流阀14-2减压膨胀进入吸收器10中，与从板式过冷器9第二管路来的制冷剂蒸气混合，混合过程中的热量传递至外界冷却水，同时制冷剂与吸收剂组成的溶液浓度逐渐升高至饱和状态。浓溶液经吸收式制冷工质泵11加压后变为过冷液体进入到板式溶液热交换器9的第二管路，完成换热后进入沉浸式蒸发器2的壳程中实现浓溶液再生过程。由沉浸式发生器2壳程得到的制冷剂蒸气进入喷淋式冷凝器12管程中等压冷凝为液体，随后进入板式过冷器13的第一管路中被管壳式蒸发器5管程返回的低温蒸气过冷，过冷后的液体通过第一节流阀14-1膨胀降压，然后进入管壳式蒸发器5的壳程实现对烟气的预冷过程。从管壳式蒸发器5管程出来的低温蒸气返回板式过冷器13的第二管路对第一管路的工质过冷，随后进入吸收器10中，实现循环过程。吸收式制冷可为使用氨-水或水-溴化锂工质对的单效或多效吸收式制冷，也可为氨-水与水-溴化锂工质对组合的双效或多效吸收式制冷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，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 (1)

1.一种中低温工业烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：包括工业设备(1)、沉浸式发生器(2)、除水装置(3)、压缩机(4)、管壳式蒸发器(5)、板式烟气回冷器(6)、低温制冷机(7)、管壳式捕集换热器(8)、板式溶液热交换器(9)、吸收器(10)、吸收式制冷工质泵(11)、喷淋式冷凝器(12)、板式过冷器(13)、第一节流阀(14-1)、第二节流阀(14-2)，该系统耦合了碳捕集、吸收式制冷系统，通过换热、除水、压缩、预冷、回冷和深冷流程实现中低温工业烟气中CO2低能耗捕集；
工业设备(1)，所述工业设备(1)排烟口在烟气二氧化碳捕集管道中依次与沉浸式发生器(2)的管程、除水装置(3)、压缩机(4)、管壳式蒸发器(5)的壳程、板式烟气回冷器(6)的第一管路、低温制冷机(7)提供冷源的管壳式捕集换热器(8)的壳程以及板式烟气回冷器的第二管路相连；
沉浸式发生器(2)，所述沉浸式发生器(2)的管程出口通过烟气二氧化碳捕集管道依次连接除水装置(3)、压缩机(4)、管壳式蒸发器(5)的壳程、板式烟气回冷器(6)的第一管路、低温制冷机(7)提供冷源的管壳式捕集换热器(8)的壳程以及板式烟气回冷器的第二管路；所述的沉浸式发生器(2)的气体壳程出口通过制冷剂气体管线依次连接喷淋式冷凝器(12)的管程、板式过冷器(13)的第一管路、第一节流阀(14-1)、管壳式蒸发器的管程、板式过冷器(13)的第二管路以及吸收器；
板式溶液热交换器(9)，所述的板式溶液热交换器(9)的第一管路进口通过第一连接管线连接沉浸式发生器(2)的液体壳程出口；板式溶液热交换器(9)的第一管路出口通过第二连接管线依次连接第二节流阀(14-2)、吸收器(10)、吸收式制冷工质泵(11)以及板式溶液热交换器(9)的第二管路的进口，所述的板式溶液热交换器(9)的第二管路的出口通过第三连接管线与沉浸式发生器(2)的液体壳程进口连通。
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