CN112126477A - 基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统及方法，包括二氧化碳捕集与分离系统和热泵系统；所述二氧化碳捕集与分离系统包括吸收塔、解吸塔、贫液泵、富液泵、贫富液热交换器、贫液冷凝器；所述二氧化碳捕集与分离系统和所述热泵系统通过再沸器/冷凝器连接，所述再沸器/冷凝器包括再沸器和冷凝器，所述再沸器与所述二氧化碳捕集与分离系统连通，所述冷凝器与所述热泵系统连通；采用具有捕集效果好、处理风量强、工艺成熟等优点的化学吸收法处理高炉煤气，可以实现高炉煤气在90％的CO2脱除率下，降低高炉煤气碳排放系数的同时，可将高炉煤气热值由3500kJ/Nm3左右提升至4400kJ/Nm3左右。

Description

基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统及方法
技术领域
本发明涉及高炉热能回收技术领域，具体涉及一种基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统及方法。
背景技术
目前而言，国内炼铁过程中排放的高炉煤气经除尘器处理后用于余压发电，然后进入热风炉或其他炉窑作为加热燃料使用；用于冲洗炼铁过程产生炉渣的冲渣水直接经冷却塔换热后，再次循环利用冲洗高炉渣。因此造成高炉煤气在循环利用的过程中因碳排放系数及惰性气体含量较大、燃烧热值低、燃烧温度低、着火困难和燃烧稳定性差及高炉冲渣水的余热量直接放散于环境中等问题。出现高炉煤气燃烧效率走低，高炉煤气被迫放散严重，南方等非供暖地区对钢厂余热需求较少，高炉冲渣水等余热源耗散于环境等现象。
目前正在开展低能耗煤气热值提升与降低碳捕集系统再生能耗技术的研发，在分析化学吸收法的优缺点和经济性后，提出利用钢厂周边的余热资源作为实施化学吸收法捕集及分离CO2的能量来源，不但能降低高炉煤气碳排放系数，提高高炉煤气燃烧热值，还能获得高纯度的CO2气体。
在传统化学吸收法碳捕集系统中，解吸塔中溶液再生温度要维持在100℃～120℃，需要再沸器消耗大量的蒸汽或电能，增加了碳捕集的成本，成为了制约CO2捕集技术在各个排放源大规模应用的主要因素。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，包括二氧化碳捕集与分离系统和热泵系统；所述二氧化碳捕集与分离系统包括吸收塔、解吸塔、贫液泵、富液泵、贫富液热交换器、贫液冷凝器；所述二氧化碳捕集与分离系统和所述热泵系统通过再沸器/冷凝器连接，所述再沸器/冷凝器包括再沸器和冷凝器，所述再沸器与所述二氧化碳捕集与分离系统连通，所述冷凝器与所述热泵系统连通；
所述吸收塔下端通过富液流线与所述解吸塔上端连接，所述吸收塔上端通过贫液流线与所述解吸塔下端连接，所述富液流线上设置有所述富液泵，所述贫液流线上设置有所述贫液冷凝器和所述贫液泵，所述富液流线和所述贫液流线通过所述贫富液热交换器连接；所述贫液流线上设置有化学吸收剂流线，所述化学吸收剂流线与所述解吸塔下端连接，所述再沸器设置在所述化学吸收剂流线上。
较佳的，所述热泵系统包括压缩机、节流阀和蒸发器，所述压缩机、所述节流阀、所述蒸发器和所述冷凝器依次连接形成闭合回路。
较佳的，所述吸收塔的下端设置吸收塔下进口和吸收塔下出口，高炉煤气由所述吸收塔下进口进入所述吸收塔内部，所述吸收塔下出口通过所述富液流线与所述富液泵相连接；所述吸收塔的上端设置吸收塔上进口和吸收塔上出口，经所述吸收塔净化后的净化煤气由所述吸收塔上出口从所述吸收塔内部运出，所述吸收塔上进口通过所述贫液流线与所述贫液冷凝器相连接。
较佳的，所述解吸塔上端设置第一进口、第二进口和第一出口，所述富液流线和所述第一进口连接，所述第一出口通过蒸汽流线与所述气液分离器相连接，所述第二进口与液体流线相连接，所述解吸塔下端设置第三进口和第二出口，所述第二出口与所述贫液流线连接，所述第三进口与所述再沸器相连接。
较佳的，所述气液分离器的入口通过所述蒸汽流线与所述第一出口，所述气液分离器出口设置有用于高纯度的CO2排出的气体流线，且所述气液分离器出口通过所述液体流线与所述第二进口相连接。
较佳的，所述贫富液换热器的溶液入口通过所述富液流线与所述富液泵相连接，通过所述贫液流线与所述贫液泵相连接；所述贫富液换热器的溶液出口通过所述富液流线与所述解吸塔的所述第一进口相连接，通过所述贫液流线与所述贫液冷凝器相连接。
较佳的，所述贫液冷凝器的入口设置有冷却水流线入口和与所述贫富液换热器连接的贫液流线入口，所述贫液冷凝器的出口设置有冷却水流线出口和与所述吸收塔连接的贫液流线出口。
较佳的，一种基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集方法，采用所述基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，包括：
二氧化碳捕集与分离系统循环步骤：经除尘、脱硫和脱硝的高炉煤气由所述吸收塔底部自下而上进入所述吸收塔与所述吸收塔自上而下喷淋的贫液状态化学吸收剂进行逆流接触，所述化学吸收剂吸收高炉煤气中的CO2后由贫液状态变成富液状态并由所述富液泵输送到所述贫富液换热器，净化后的高炉煤气由所述吸收塔塔顶离开；经所述贫富液换热器换热升温的富液状态化学吸收剂进入所述解吸塔上端部与由塔底所述再沸器产生的自下而上的蒸汽进行逆流接触，分离出含CO2的蒸汽，在所述气液分离器作用下，冷凝液体回流到所述解吸塔上端部，高纯度CO2从所述解吸塔排出，所述化学吸收剂中的CO2含量降低由富液状态转变成贫液状态，并由所述贫液泵输送到所述贫富液换热器换热降温后，再经所述贫液冷凝器进一步降温返回所述吸收塔塔顶进行循环吸收；
热泵系统循环步骤：钢厂高炉冲渣水经沉淀清除杂质预处理后进入所述蒸发器，将高炉冲渣水热量传递给制冷工质，所述制冷工质在所述压缩机的作用下变成高温高压介质，进入所述冷凝器放出热量，在所述冷凝器换热降温后的制冷工质经所述节流阀降压进入所述蒸发器完成换热循环。
较佳的，所述化学吸收剂为无机胺或有机胺或多种配比混合组成的醇胺吸收剂。
较佳的，所述制冷工质为R123、R114、R141b、R142b、R245fa、R600、R744中的一种或几种的混合物。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，采用具有捕集效果好、处理风量强、工艺成熟等优点的化学吸收法处理高炉煤气，可以实现高炉煤气在90％的CO2脱除率下，降低高炉煤气碳排放系数的同时，可将高炉煤气热值由3500kJ/Nm3左右提升至4340～4439kJ/Nm3；2，以高炉冲渣水的余热为基础热源，合理利用钢铁厂余热资源，碳捕集再生能耗显著降低；在不影响高炉正常运行的同时，减少CO2排放，整个碳捕集过程以高炉冲渣水余热驱动热泵进行二氧化碳的捕集与分离，实现能量品位的转换与对接，为进行钢铁企业碳捕集减轻能耗负担；使用热泵技术利用高炉冲渣水余热，保证供热连续稳定性；3，当钢铁企业出现高炉冲渣水温度变化导致余热量波动时，可以通过压缩机补充能量，如电能，以保证供给碳捕集再生单元的热量维持恒定，可以很好的适应于不同气候条件及地域的钢厂的运行模式。
附图说明
图1为所述基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统的结构视图。
图中数字表示：
1-高炉煤气；2-富液泵；3-贫富液换热器；4-吸收塔；5-贫液冷凝器；6-净化煤气；7-冷却水；8-贫液泵；9-解吸塔；10-气液分离器；11-高纯度的CO2；12-压缩机；13-再沸器/冷凝器；14-节流阀；15-蒸发器；16-高炉冲渣水；17-热泵系统；18-二氧化碳捕集与分离系统。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
如图1所示，图1为所述基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统的结构视图；本发明所述基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统包括二氧化碳捕集与分离系统18和热泵系统17；所述二氧化碳捕集与分离系统18包括吸收塔4、解吸塔9、贫液泵8、富液泵2、贫富液热交换器3、贫液冷凝器5和气液分离器10；所述热泵系统17包括压缩机12、节流阀14和蒸发器15，所述二氧化碳捕集与分离系统18和所述热泵系统17通过再沸器/冷凝器13连接，所述再沸器/冷凝器13包括再沸器和冷凝器，所述再沸器与所述二氧化碳捕集与分离系统18连通，所述冷凝器与所述热泵系统17连通。
所述吸收塔4下端通过富液流线与所述解吸塔9上端连接，所述吸收塔4上端通过贫液流线与所述解吸塔9下端连接，所述富液流线上设置有所述富液泵2，所述贫液流线上设置有所述贫液冷凝器5和所述贫液泵8，所述富液流线和所述贫液流线通过所述贫富液热交换器3连接。
所述贫液流线上设置有化学吸收剂流线，所述化学吸收剂流线与所述解吸塔9下端连接，所述再沸器设置在所述化学吸收剂流线上。
所述压缩机12、所述节流阀14、所述蒸发器15和所述冷凝器依次连接形成闭合回路，所述蒸发器15内设置有换热流线，所述换热流线内通有高炉冲渣水16。所述贫液冷凝器5内设置有冷却水流线，所述冷却水流线内通有冷却水7。
所述吸收塔4的下端设置吸收塔下进口和吸收塔下出口，高炉煤气1由所述吸收塔下进口进入所述吸收塔4内部，所述吸收塔下出口通过富液流线与所述富液泵2相连接；所述吸收塔4的上端设置吸收塔上进口和吸收塔上出口，经所述吸收塔4净化后的净化煤气6由所述吸收塔上出口从所述吸收塔4内部运出，所述吸收塔上进口通过贫液流线与所述贫液冷凝器5相连接。
所述解吸塔9上端设置第一进口、第二进口和第一出口，所述富液流线和所述第一进口连接，所述第一出口通过携带CO2的蒸汽流线与所述气液分离器10相连接，所述第二进口与经所述气液分离器10回流的液体流线相连接，所述解吸塔9下端设置第三进口和第二出口，所述第二出口与所述贫液流线连接，所述第三进口与所述再沸器相连接。
所述贫富液换热器3的溶液入口通过所述富液流线与所述富液泵2相连接，通过所述贫液流线与所述贫液泵8相连接；所述贫富液换热器3的溶液出口通过所述富液流线与所述解吸塔9的所述第一进口相连接，通过所述贫液流线与所述贫液冷凝器5相连接。
所述贫液冷凝器5的入口设置有冷却水流线入口和与所述贫富液换热器3连接的贫液流线入口，所述贫液冷凝器5的出口设置有冷却水流线出口和与所述吸收塔4连接的贫液流线出口。
所述气液分离器10的入口通过所述蒸汽流线与所述第一出口，所述气液分离器10出口设置有用于高纯度的CO211排出的气体流线，且所述气液分离器10出口通过所述液体流线与所述第二进口相连接。
本发明所述基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集方法，包括以下步骤：
二氧化碳捕集与分离系统循环步骤：经除尘、脱硫和脱硝的高炉煤气由所述吸收塔4底部自下而上进入所述吸收塔4与所述吸收塔4自上而下喷淋的贫液状态化学吸收剂进行逆流接触，在填料表面进行气液两相的传热传质，使得所述化学吸收剂与高炉煤气中的CO2发生化学反应，所述化学吸收剂吸收高炉煤气中的大部分CO2后由贫液状态变成富液状态并由所述富液泵2输送到所述贫富液换热器3，净化后的高炉煤气由所述吸收塔4塔顶离开进入其他利用工序；经所述贫富液换热器3换热升温的富液状态化学吸收剂进入所述解吸塔9上端部与由塔底所述再沸器产生的自下而上的蒸汽进行逆流接触，在温度和压力的作用下，使得富液状态化学吸收剂中的CO2发生解吸分离，分离出含CO2的蒸汽，在所述气液分离器10作用下，冷凝液体回流到所述解吸塔9上端部，高纯度CO2进入其他工序被封存利用，所述化学吸收剂中的CO2含量降低由富液状态转变成贫液状态，并由所述贫液泵8输送到所述贫富液换热器3换热降温后，再经所述贫液冷凝器5进一步降温返回所述吸收塔4塔顶进行循环吸收。
热泵系统循环步骤：钢厂高炉冲渣水经沉淀清除杂质预处理后进入所述蒸发器15，将高炉冲渣水热量传递给制冷工质，从而回收一定量的余热，制冷工质在所述压缩机12的作用下变成高温高压介质，进入所述冷凝器放出热量，供给所述再沸器为所述化学吸收剂再生提供所需能量，在所述冷凝器换热降温后的制冷工质经所述节流阀14降压进入所述蒸发器15完成换热循环。
所述压缩机12的进出口分别通过制冷工质流线与所述蒸发器15和所述冷凝器相连接；所述冷凝器的进出口分别通过制冷工质流线与所述压缩机12和所述节流阀14相连接，通过化学吸收剂流线与所述解吸塔9和所述贫液泵8相连接；所述蒸发器15的进出口通过制冷工质流线与所述节流阀14和所述压缩机12相连接，通过所述换热流线与高炉冲渣水低温热源相连接。
所述吸收塔和所述解吸塔均采用填料塔，其理论板数为20块；所述高炉冲渣水温度在50℃～95℃。
所述化学吸收剂可以为无机胺(氨水和热钾碱)、有机胺(单乙醇胺、乙二醇胺、甲基二乙醇胺、苯丙胺、磷酸二铵、哌嗪)及多种配比混合组成的醇胺吸收剂。
所述制冷工质可以为R123、R114、R141b、R142b、R245fa、R600、R744或混合工质。
本发明可降低高炉煤气中碳排放系数，提高高炉煤气可燃成份热值，克服现有余热利用技术在碳捕集系统应用中受外界环境因素及地域限制，造成碳捕集系统运行不稳定，节能不明显等问题。本发明提供一种基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统及方法，它通过化学吸收法降低高炉煤气中的CO2的排放系数，来提高高炉煤气中CO及H2等可燃成份的燃烧热值；利用热泵技术将高炉冲渣水余热源与碳捕集系统整合在一起，有助于碳捕集系统在不同环境及地域中持续高效稳定运行，还可为高炉碳捕集技术与钢铁企业特有余热源整合，提供降低碳捕集能耗的优化设计思路。
实施例
表一高炉煤气成份组成表
Figure BDA0002687258300000061
本实施案例对高炉煤气(煤气温度40℃，二氧化碳含量20％)，采用本发明的二氧化碳捕集与分离系统，对二氧化碳进行碳分离处理。
所述的二氧化碳捕集与分离系统包括高炉煤气1、净化煤气6、吸收塔4、解吸塔9、贫液泵8、富液泵2、贫富液换热器3、贫液冷凝器5、气液分离器10、再沸器。经除尘、脱硫和脱硝的高炉煤气1由吸收塔4底部自下而上进入吸收塔4与吸收塔自上而下喷淋的贫液吸收剂进行逆流接触，在填料表面进行气液两相的传热传质，使得贫液与高炉煤气1中的CO2发生化学反应，高炉煤气1中的大部分CO2被贫液吸收变成富液由富液泵2输送到贫富液换热器3，净化后的高炉煤气6由吸收塔4塔顶离开进入其他利用工序；经贫富液换热器3换热升温的富液进入解吸塔9上端部由塔底再沸器产生自下而上的蒸汽进行逆流接触，在温度和压力的作用下，使得富液中的CO2发生解吸分离，分离出含CO2的蒸汽，在气液分离器10作用下，冷凝液体回流到解吸塔9上端部，高纯度CO211进入其他工序被封存利用，富液中的CO2含量降低转变成贫液，由贫液泵8输送到贫富液换热器3换热降温后，再经贫液冷凝器5进一步降温返回吸收塔4塔顶进行循环吸收。
其中吸收塔和解吸塔的尺寸为，高6.1m，直径0.427m，填料类型为填料类型为IMTP，理论塔板数20级。吸收塔和解吸塔的压力分别为1atm和1.2atm。
表二实施案例中不同工艺参数和模拟结果表
Figure BDA0002687258300000071
其中1GJ＝109J，1atm＝101.325kPa。
在该实施案例中采用响应曲面设计的模拟实验设计，预测出最佳模拟工艺参数为贫液温度30℃，贫液负荷0.24mol/mol，解吸塔压力1.8atm。在此工况下的模拟再生能耗为3.12GJ/tCO2，相比目前碳捕集系统再生能耗不超过4.0GJ/tCO2而言，节约系统能耗22％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，其特征在于，包括二氧化碳捕集与分离系统和热泵系统；所述二氧化碳捕集与分离系统包括吸收塔、解吸塔、贫液泵、富液泵、贫富液热交换器、贫液冷凝器；所述二氧化碳捕集与分离系统和所述热泵系统通过再沸器/冷凝器连接，所述再沸器/冷凝器包括再沸器和冷凝器，所述再沸器与所述二氧化碳捕集与分离系统连通，所述冷凝器与所述热泵系统连通；
所述吸收塔下端通过富液流线与所述解吸塔上端连接，所述吸收塔上端通过贫液流线与所述解吸塔下端连接，所述富液流线上设置有所述富液泵，所述贫液流线上设置有所述贫液冷凝器和所述贫液泵，所述富液流线和所述贫液流线通过所述贫富液热交换器连接；所述贫液流线上设置有化学吸收剂流线，所述化学吸收剂流线与所述解吸塔下端连接，所述再沸器设置在所述化学吸收剂流线上。
2.如权利要求1所述的基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述热泵系统包括压缩机、节流阀和蒸发器，所述压缩机、所述节流阀、所述蒸发器和所述冷凝器依次连接形成闭合回路。
3.如权利要求2所述的基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述吸收塔的下端设置吸收塔下进口和吸收塔下出口，高炉煤气由所述吸收塔下进口进入所述吸收塔内部，所述吸收塔下出口通过所述富液流线与所述富液泵相连接；所述吸收塔的上端设置吸收塔上进口和吸收塔上出口，经所述吸收塔净化后的净化煤气由所述吸收塔上出口从所述吸收塔内部运出，所述吸收塔上进口通过所述贫液流线与所述贫液冷凝器相连接。
4.如权利要求3所述的基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述解吸塔上端设置第一进口、第二进口和第一出口，所述富液流线和所述第一进口连接，所述第一出口通过蒸汽流线与气液分离器相连接，所述第二进口与液体流线相连接，所述解吸塔下端设置第三进口和第二出口，所述第二出口与所述贫液流线连接，所述第三进口与所述再沸器相连接。
5.如权利要求4所述的基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述气液分离器的入口通过所述蒸汽流线与所述第一出口，所述气液分离器出口设置有用于高纯度的CO2排出的气体流线，且所述气液分离器出口通过所述液体流线与所述第二进口相连接。
6.如权利要求5所述的基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述贫富液换热器的溶液入口通过所述富液流线与所述富液泵相连接，通过所述贫液流线与所述贫液泵相连接；所述贫富液换热器的溶液出口通过所述富液流线与所述解吸塔的所述第一进口相连接，通过所述贫液流线与所述贫液冷凝器相连接。
7.如权利要求6所述的基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述贫液冷凝器的入口设置有冷却水流线入口和与所述贫富液换热器连接的贫液流线入口，所述贫液冷凝器的出口设置有冷却水流线出口和与所述吸收塔连接的贫液流线出口。
8.一种基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集方法，其特征在于，采用如权利要求4-7中任一项所述的基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集系统，包括：
二氧化碳捕集与分离系统循环步骤：经除尘、脱硫和脱硝的高炉煤气由所述吸收塔底部自下而上进入所述吸收塔与所述吸收塔自上而下喷淋的贫液状态化学吸收剂进行逆流接触，所述化学吸收剂吸收高炉煤气中的CO2后由贫液状态变成富液状态并由所述富液泵输送到所述贫富液换热器，净化后的高炉煤气由所述吸收塔塔顶离开；经所述贫富液换热器换热升温的富液状态化学吸收剂进入所述解吸塔上端部与由塔底所述再沸器产生的自下而上的蒸汽进行逆流接触，分离出含CO2的蒸汽，在所述气液分离器作用下，冷凝液体回流到所述解吸塔上端部，高纯度CO2从所述解吸塔排出，所述化学吸收剂中的CO2含量降低由富液状态转变成贫液状态，并由所述贫液泵输送到所述贫富液换热器换热降温后，再经所述贫液冷凝器进一步降温返回所述吸收塔塔顶进行循环吸收；
热泵系统循环步骤：钢厂高炉冲渣水经沉淀清除杂质预处理后进入所述蒸发器，将高炉冲渣水热量传递给制冷工质，所述制冷工质在所述压缩机的作用下变成高温高压介质，进入所述冷凝器放出热量，在所述冷凝器换热降温后的制冷工质经所述节流阀降压进入所述蒸发器完成换热循环。
9.如权利要求8所述的基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述化学吸收剂为无机胺或有机胺或多种配比混合组成的醇胺吸收剂。
10.如权利要求8所述的基于高炉冲渣水余热回收利用的二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述制冷工质为R123、R114、R141b、R142b、R245fa、R600、R744中的一种或几种的混合物。
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