CN111841064A - 低温戊烷洗二氧化碳捕集系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了低温戊烷洗二氧化碳捕集系统及方法，包括水冷器，水冷器的入口连接经过脱硝、除尘和脱硫后的锅炉烟气，水冷器的底部设置有烟气冷凝水出口，水冷器的饱和湿烟气出口连接至洗涤塔，洗涤塔的顶部设置有冷烟气出口，上部设置有低温正戊烷洗涤液入口，底部设置有固液混合物出口，所述冷烟气出口通过冷凝器连接至烟囱，所述固液混合物出口连接至固液分离器，固液分离器的液体出口通过蒸发器连接至低温正戊烷洗涤液入口，固液分离器的固体出口用于排出冰和干冰，所述冷凝器的制冷剂出口连接至蒸发器的制冷剂入口，蒸发器的制冷剂出口连接至压缩机，压缩机的出口连接至冷凝器的制冷剂入口。

Description

低温戊烷洗二氧化碳捕集系统和方法
技术领域
本发明属于二氧化碳捕集技术领域，具体涉及一种利用低温戊烷液体洗涤冷却烟气，进而将烟气中二氧化碳冷凝脱除的系统和方法。
背景技术
燃煤电厂是CO2温室气体的主要排放源，我国约50％的CO2排放来自燃煤电厂。电厂烟气CO2排放具有稳定、集中和量大的特点，是大规模开展CCS减排最值得重视的领域。燃煤电厂碳捕集技术可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧三种，其中燃烧后捕集具有适应性广、技术相对简单可靠等优点，是最具市场潜力的技术。燃烧后碳捕集工艺主要有化学吸收法、变压吸附法、膜分离法。相比较而言，针对燃煤烟气成分复杂、CO2分压较低等特点，化学吸收法是目前大型电厂烟气碳捕集装置的主流工艺选择。
近些年来，低温冷凝法被引入电厂烟气二氧化碳捕集(Cryogenic CO2Capture)。该方法是通过将烟气降温至烟气中二氧化碳的凝华温度，从而将CO2以固态的形式从烟气中分离出来。美国SES公司目前已经对低温冷凝脱除CO2的技术进行了中试验证，在烟气温度降至-120℃左右，获得较高CO2捕集率，且捕集成本比传统化学吸收法二氧化碳捕集低，因此具有较广阔的应用前景。
当前低温冷凝法二氧化碳捕集的主要难点之一是防止烟气中水分在降温至零度以下时结冰堵塞冷量回收器或烟气管道，因此需要在冷却之前通过分子筛干燥塔深度除湿，除湿后的干烟气经过冷量回收器被低温净烟气冷却至零度以下，从而避免换热器结冰堵塞(图2)。由于电厂烟气量大，分子筛除湿的工程放大具备一定难度，因此低温冷凝法二氧化碳捕集尚未得到工程放大应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温戊烷洗二氧化碳捕集系统和方法，以克服现有技术的缺陷，本发明无需增设分子筛干燥塔，可将湿烟气直接冷却至零度以下温区，且不产生冰堵。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
低温戊烷洗二氧化碳捕集系统，包括水冷器，水冷器的入口连接经过脱硝、除尘和脱硫后的锅炉烟气，水冷器的底部设置有烟气冷凝水出口，水冷器的饱和湿烟气出口连接至用于将湿烟气中二氧化碳和水分以固态干冰和固态冰的形式分离出来的洗涤塔，洗涤塔的顶部设置有冷烟气出口，上部设置有低温正戊烷洗涤液入口，底部设置有固液混合物出口，所述冷烟气出口通过冷凝器连接至烟囱，所述固液混合物出口连接至固液分离器，固液分离器的液体出口通过蒸发器连接至低温正戊烷洗涤液入口，固液分离器的固体出口用于排出冰和干冰，所述冷凝器的制冷剂出口连接至蒸发器的制冷剂入口，蒸发器的制冷剂出口连接至压缩机，压缩机的出口连接至冷凝器的制冷剂入口。
进一步地，所述固液混合物出口通过循环泵连接至固液分离器。
进一步地，所述固液分离器顶部还连接有低温正戊烷洗涤液补充管路。
进一步地，所述冷凝器的制冷剂出口通过节流阀连接至蒸发器的制冷剂入口。
低温戊烷洗二氧化碳捕集方法，锅炉烟气经过脱硝、除尘和脱硫工序后，进入到水冷器，将烟气降温至接近室温，同时排出烟气冷凝水，经水冷降温之后的饱和湿烟气进入到洗涤塔，被由上而下喷淋的低温正戊烷洗涤页冷却至二氧化碳凝华温度，从而将烟气中的二氧化碳以固态干冰的形式从烟气中分离出来，同时也将烟气中的水分以固态冰的形式从烟气中冷凝下来，固态干冰和固态冰不溶于正戊烷洗涤液，与正戊烷洗涤液形成固液混合浆液，从洗涤塔塔底流出，经过循环泵，进入到固液分离器，分离出固态干冰和固态冰，正戊烷洗涤液在蒸发器中被制冷剂冷却至设定温度后，进入洗涤塔塔顶，循环使用，经脱碳后的低温净烟气进入到冷凝器，与压缩机出口高温制冷剂换热回收冷量后排入烟囱。
进一步地，所述水冷器通过间接换热或接触式喷淋降温方式将烟气降温至接近室温。
进一步地，所述固液分离器顶部还连接有洗涤液补充管路，以补充烟气带走的部分洗涤液。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用低温正戊烷液体直接喷淋冷却烟气，将其降温至零度以下温区，其特点是在冷却烟气前无需增设分子筛除湿装置，烟气中的水分和二氧化碳在烟气冷却至二氧化碳凝华温度时，会以固态形式析出，同时被低温正戊烷液体携带出洗涤塔，不会产生堵塞现象。由于水和二氧化碳不溶于正戊烷，不会和正戊烷形成共沸混合物，因此随戊烷流出洗涤塔的固态冰和干冰能够通过固液分离器分离出低温戊烷洗涤液，实现脱除和分离。
本发明无需增设分子筛干燥塔，可将湿烟气直接冷却至零度以下温区，且不产生冰堵；低温净烟气冷量通过制冷系统冷凝器回收，不采用预冷原烟气的方式回收，烟气中二氧化碳和水分均不溶于正戊烷液体，不会形成共沸物，便于从正戊烷洗涤循环液中分离出固态干冰和固态冰。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明系统结构示意图；
图2为对比实施例系统示意图。
其中，1、水冷器；2、洗涤塔；3、循环泵；4、固液分离器；5、蒸发器；6、压缩机；7、冷凝器；8、节流阀；9、分子筛干燥塔；10、冷量回收器。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述：
参见图1，低温戊烷洗二氧化碳捕集系统，包括水冷器1，水冷器1的入口连接经过脱硝、除尘和脱硫后的锅炉烟气，水冷器1的底部设置有烟气冷凝水出口，水冷器1的饱和湿烟气出口连接至用于将湿烟气中二氧化碳和水分以固态干冰和固态冰的形式分离出来的洗涤塔2，洗涤塔2的顶部设置有冷烟气出口，上部设置有低温正戊烷洗涤液入口，底部设置有固液混合物出口，所述冷烟气出口通过冷凝器7连接至烟囱，所述固液混合物出口通过循环泵3连接至固液分离器4，固液分离器4的液体出口通过蒸发器5连接至低温正戊烷洗涤液入口，固液分离器4的固体出口用于排出冰和干冰，固液分离器4顶部还连接有低温正戊烷洗涤液补充管路，所述冷凝器7的制冷剂出口连接至蒸发器5的制冷剂入口，蒸发器5的制冷剂出口连接至压缩机6，压缩机6的出口连接至冷凝器7的制冷剂入口。
其中，水冷器1：用于将脱硫后烟气冷却至接近室温，并分离出烟气冷凝水。水冷器1可采用水冷间接换热方式或直接喷淋冷却方式。
以低温正戊烷为洗涤剂的洗涤塔2：用于将烟气喷淋降温至二氧化碳凝华点，将烟气中的二氧化碳以固态干冰的形式从烟气中分离出来，同时将烟气中水分以固态冰的形式从烟气中分离出来。洗涤塔2可以采用喷淋塔或填料塔等形式。
循环泵3：作为低温戊烷洗涤液循环泵。
固液分离器4：用于将固态冰和干冰从戊烷循环液中分离出来，同时用于补充戊烷洗涤液，克服烟气携带损失。
制冷机组：制冷机组包含蒸发器5、压缩机6、冷凝器7和节流阀8。制冷机组可以采用活塞式、螺杆式或离心式制冷机组，可以采用单级制冷或多级制冷。本发明不对制冷机组形式做限定。制冷机组通过蒸发器5冷却低温正戊烷循环液，同时通过冷凝器7回收冷烟气冷量。
使用时，锅炉烟气经过脱硝、除尘和脱硫等工序后，进入到水冷器1，通过间接换热或接触式喷淋降温等方式将烟气降温至接近室温，同时排出烟气冷凝水。经水冷降温之后的饱和湿烟气进入到低温戊烷洗涤塔2，被由上而下喷淋的低温戊烷液体洗涤冷却至二氧化碳凝华温度，从而将烟气中的二氧化碳以固态干冰的形式从烟气中分离出来，同时也将烟气中的水分以固态冰的形式从烟气中冷凝下来。固态干冰和固态冰不溶于戊烷液体，与戊烷液体形成固液混合浆液，从洗涤塔2塔底流出，经过低温循环泵3，进入到固液分离器4，分离出固态干冰和固态冰。戊烷洗涤液在蒸发器5中被制冷剂冷却至设定温度后，进入洗涤塔2塔顶，循环使用。经脱碳后的低温净烟气进入到冷凝器7，与压缩机出口高温制冷剂换热回收冷量后排入烟囱。由于烟气会带走少量戊烷，因此需要定期从固液分离器4中补充戊烷，维持物流平衡。
为清楚说明本发明，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。本领域技术人员了解，下述内容不是对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化，都在本发明的保护范围之内。
实施例：
如附图1所示，锅炉烟气经过脱硝、除尘和脱硫等工序后，进入到水冷器1，通过水冷降温至30℃，同时排出烟气冷凝水。经水冷降温之后的饱和湿烟气进入到低温正戊烷作为洗涤剂的洗涤塔2，被由上而下喷淋的低温正戊烷液体洗涤冷却至-117℃，烟气中90％的二氧化碳以及99.99％以上的水分以固态干冰和固态冰的形式从烟气中分离出来，与正戊烷液体形成固液混合浆液，从洗涤塔2塔底流出，经过循环泵3，进入到固液分离器4，分离出固态干冰和固态冰。正戊烷洗涤液在蒸发器5中被四氟化碳制冷剂冷却至-120℃，进入洗涤塔2塔顶，喷淋冷却烟气。经脱碳后的低温净烟气进入到冷凝器7，与压缩机出口高温制冷剂换热回收冷量后排入烟囱。
对比实施例
如附图2所示，锅炉烟气经过脱硝、除尘和脱硫等工序后，进入到水冷器1，通过水冷降温至30℃，同时排出烟气冷凝水。经水冷降温之后的饱和湿烟气进入到分子筛干燥塔9，分子筛干燥塔9采用两塔模式，按照设定程序分别进行干燥、再生、冷却等工序，烟气中的水分在分子筛干燥塔9加热再生过程中被吹扫出来。经过分子筛干燥塔9干燥后的干烟气进入到冷量回收器10，与低温净烟气进行换热，被预冷至零度以下温区。由于烟气中水分被分子筛干燥塔9脱除，因此不会在冷量回收器10中形成冰堵现象。经过冷量回收器10预冷的烟气进入到洗涤塔2，被低温洗涤液喷淋冷却至-117℃，烟气中90％的二氧化碳以固态干冰形式从烟气中分离出来，与低温洗涤液形成固液混合浆液，从洗涤塔2塔底流出，经过循环泵3，进入到固液分离器4，分离出固态干冰。低温洗涤液在蒸发器5中被四氟化碳制冷剂冷却至-120℃，进入洗涤塔2塔顶，喷淋冷却烟气。经脱碳后的低温净烟气经过冷量回收器10加热后排入烟囱。
实施例和对比实施例相比，省却了分子筛干燥塔和冷量回收器两个设备，零下温区冷却没有结冰堵塞风险，低温净烟气的冷量通过制冷系统冷凝器进行回收，降低冷却水用量，因此本发明工艺更具有应用潜力。

Claims (7)

1.低温戊烷洗二氧化碳捕集系统，其特征在于，包括水冷器(1)，水冷器(1)的入口连接经过脱硝、除尘和脱硫后的锅炉烟气，水冷器(1)的底部设置有烟气冷凝水出口，水冷器(1)的饱和湿烟气出口连接至用于将湿烟气中二氧化碳和水分以固态干冰和固态冰的形式分离出来的洗涤塔(2)，洗涤塔(2)的顶部设置有冷烟气出口，上部设置有低温正戊烷洗涤液入口，底部设置有固液混合物出口，所述冷烟气出口通过冷凝器(7)连接至烟囱，所述固液混合物出口连接至固液分离器(4)，固液分离器(4)的液体出口通过蒸发器(5)连接至低温正戊烷洗涤液入口，固液分离器(4)的固体出口用于排出冰和干冰，所述冷凝器(7)的制冷剂出口连接至蒸发器(5)的制冷剂入口，蒸发器(5)的制冷剂出口连接至压缩机(6)，压缩机(6)的出口连接至冷凝器(7)的制冷剂入口。
2.根据权利要求1所述的低温戊烷洗二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述固液混合物出口通过循环泵(3)连接至固液分离器(4)。
3.根据权利要求1所述的低温戊烷洗二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述固液分离器(4)顶部还连接有低温正戊烷洗涤液补充管路。
4.根据权利要求1所述的低温戊烷洗二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述冷凝器(7)的制冷剂出口通过节流阀(8)连接至蒸发器(5)的制冷剂入口。
5.低温戊烷洗二氧化碳捕集方法，基于权利要求1-4任一项所述的低温戊烷洗二氧化碳捕集系统，其特征在于，锅炉烟气经过脱硝、除尘和脱硫工序后，进入到水冷器(1)，将烟气降温至接近室温，同时排出烟气冷凝水，经水冷降温之后的饱和湿烟气进入到洗涤塔(2)，被由上而下喷淋的低温正戊烷洗涤页冷却至二氧化碳凝华温度，从而将烟气中的二氧化碳以固态干冰的形式从烟气中分离出来，同时也将烟气中的水分以固态冰的形式从烟气中冷凝下来，固态干冰和固态冰不溶于正戊烷洗涤液，与正戊烷洗涤液形成固液混合浆液，从洗涤塔(2)塔底流出，经过循环泵(3)，进入到固液分离器(4)，分离出固态干冰和固态冰，正戊烷洗涤液在蒸发器(5)中被制冷剂冷却至设定温度后，进入洗涤塔(2)塔顶，循环使用，经脱碳后的低温净烟气进入到冷凝器(7)，与压缩机(6)出口高温制冷剂换热回收冷量后排入烟囱。
6.根据权利要求5所述的低温戊烷洗二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述水冷器(1)通过间接换热或接触式喷淋降温方式将烟气降温至接近室温。
7.根据权利要求5所述的低温戊烷洗二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述固液分离器(4)顶部还连接有洗涤液补充管路，以补充烟气带走的部分洗涤液。
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