CN112516614A - 一种动力装置烟气二氧化碳减排系统 - Google Patents

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舒歌群
孙瑞
田华
石凌峰
李晓雅
蔡金文
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Abstract

本发明公开了一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，主要包括第一预冷器、第二预冷器、凝华换热器、气液分离器、节流膨胀阀。本发明通过CO2低温凝华相变原理实现烟气中CO2的捕集，并将所捕集到的固态CO2应用于CO2气固两相制冷循环，利用固态CO2升华相变潜热进行CO2低温凝华捕集前预冷，从而实现低能耗CO2凝华捕集。通过气液分离器分别得到气态和液态CO2，气态CO2用于与低温凝华捕集得到的固态CO2混合形成气固两相制冷循环工质，液态CO2通过增压泵提升压力后送往输运与储存环节。

Description

一种动力装置烟气二氧化碳减排系统
技术领域
本发明涉及二氧化碳凝华捕集系统领域，具体是一种动力装置烟气二氧化碳减排系统。
背景技术
人为造成的温室气体过量排放引发的全球气候变化问题日趋严峻。二氧化碳（CO2）作为温室气体的主要组成，对其产生与排放的控制受到广泛关注。碳捕集、利用与封存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）作为CO2排放控制的关键技术成为国内外学者重点研究领域之一。
低温凝华CO2捕集作为CO2燃烧后捕集技术之一，具有产品回收率高、纯度高、捕集过程环境友好等特点。然而在低温凝华CO2捕集技术中，低温冷源的制冷能耗是整个CO2捕集系统的主要能耗来源。此外，在低温凝华捕集过程中，CO2直接以固态形式被捕集，固态CO2相应的低温储存条件严格，不利于后续的CO2输运、利用与封存环节。在通过管道输运之前，必须将CO2从固体转变为在约35 °C和11~15 MPa压力下的超临界流体。因此，如何实现CO2的低能耗凝华捕集以及捕集后CO2的储存与输运是该技术需要关注的重点问题。
将固态CO2（干冰）转变为超临界CO2的传统途径是在大气压下将干冰升华，并使用目前应用于胺吸收捕集工艺中的多级压缩方法。这种途径的主要缺点是CO2压缩过程所需的能量投入（传统的CO2压缩能量需求为90~120 kW h/t CO2，即324~432 kJ/kg CO2）以及辅助设施负荷的增加。同时，该方法对于固态CO2升华过程中释放的潜热值（约570 kJ/kg）未实现合理利用。
近年来，以自然物质CO2作为工质的制冷循环在制冷低温领域已日趋成熟并逐步实现工程应用。由于CO2独特的三相点物性（-56.6 °C, 0.518 MPa），基于固态CO2升华吸热的CO2气固两相制冷循环可用于提供低于CO2三相点的制冷温度。同时，升华后的气态CO2可通过制冷循环中的节流膨胀装置与气液分离装置实现低能耗液化。由于在相同压力增加下，液态CO2的焓值增加远小于气态下的焓值增加，即液态压缩时的轴功输入较少。因此，通过采用具有较低负荷的泵代替能量需求较高的气体压缩机，可以有效降低压缩能耗。
综上，将低温凝华CO2捕集得到的固态CO2直接用于CO2气固两相制冷并提供CO2低温凝华捕集所需的部分制冷量，并通过泵将CO2压缩至输运压力，则可实现CO2低能耗捕集与压缩。
发明内容
本发明的目的是提供一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，以解决现有技术烟气中二氧化碳凝华捕集系统存在能耗高、未充分利用捕集过程中二氧化碳状态变化产生的能量的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，包括第一预冷器、第二预冷器、凝华换热器、气液分离器、节流膨胀阀，其中：
第一预冷器中通入烟气，同时通入换热介质吸收烟气热量使烟气初次预冷；第一预冷器与第二预冷器连接，由此第一预冷器中初次预冷的烟气进入第二预冷器，同时第二预冷器通入换热介质吸收烟气热量使烟气二次预冷；第二预冷器与凝华换热器连接，由此第二预冷器二次预冷的烟气进入凝华换热器，由凝华换热器基于低温凝华相变原理使烟气中二氧化碳凝华分离形成固态二氧化碳，完成对烟气中的二氧化碳的捕集，同时在凝华换热器中得到低温的剩余烟气；凝华换热器与第一预冷器连接，由此凝华换热器的低温剩余烟气进入第一预冷器作为第一预冷器的换热介质，对通入第一预冷器中的烟气进行初次预冷；
节流膨胀阀初始时通入气态二氧化碳，节流膨胀阀与气液分离器连接，气液分离器与凝华换热器共同与第二预冷器连接，第二预冷器与节流膨胀阀连接；初始时气态二氧化碳经节流膨胀阀、气液分离器后与凝华换热器得到的固态二氧化碳混合形成气固两相流体，气固两相流体进入第二预冷器作为第二预冷器的换热介质使烟气二次预冷，其中气固两相流体中的固态二氧化碳吸热变成液态，由此气固两相流体换热后形成气液两相流体从第二预冷器流出；气液两相流体再经节流膨胀阀进入气液分离器，由气液分离器将气液两相流体中的气态二氧化碳和液态二氧化碳分离，其中的液态二氧化碳由气液分离器流出至外部收集装置，其中的气态二氧化碳再次与凝华换热器得到的新的固态二氧化碳混合形成新的气固两相流体进入第二预冷器，依次循环过程由形成的气固两相流体作为第二预冷器的换热介质对烟气二次预冷。
一种动力装置烟气二氧化碳减排系统还包括捕集系统压缩机，捕集系统压缩机进口与第一预冷器连接，捕集系统压缩机出口与第二预冷器连接，由捕集系统压缩机将第一预冷器流出的烟气压缩后送入第二预冷器。
一种动力装置烟气二氧化碳减排系统中，所述凝华换热器配置低温制冷机，低温制冷机与凝华换热器连接形成制冷剂循环回路，由低温制冷剂向凝华换热器通入制冷剂使烟气中的二氧化碳凝华为固态。
一种动力装置烟气二氧化碳减排系统还包括捕集系统膨胀机，捕集系统膨胀机的进口与凝华换热器连接，捕集系统膨胀机的出口与第一预冷器连接，由捕集系膨胀机从凝华换热器中的剩余烟气回收部分压力后再将剩余烟气通入第一预冷器中作为换热介质。
一种动力装置烟气二氧化碳减排系统还包括制冷系统压缩机，制冷系统压缩机的进口与第二预冷器连接，制冷系统压缩机的出口与节流膨胀阀连接，第二预冷器流出的气液两相流体经制冷系统压缩机提升压力后进入节流膨胀阀。
一种动力装置烟气二氧化碳减排系统还包括气体冷却器，气体冷却器的进口与制冷系统压缩机的出口连接，气体冷却器的出口与节流膨胀阀连接，气液两相流体经制冷系统压缩机提升压力后再经气体冷却器冷却后进入节流膨胀阀。
本发明中，采用低温凝华相变原理实现烟气中二氧化碳捕集，并将所捕集到的二氧化碳应用于二氧化碳气固两相制冷循环，实现二氧化碳低温凝华捕集前二次预冷，降低低温凝华捕集能耗。通过气液分离器分别得到气态和液态二氧化碳，气态二氧化碳用于与低温凝华捕集得到的固态二氧化碳混合形成气固两相流体以实现烟气低温凝华捕集前的二次预冷，并通过增压泵将液态二氧化碳送往输运储存环节。
本发明的工作过程为：来自动力装置的烟气首先通入第一预冷器中，利用捕集后剩余烟气的冷量将烟气中的水分凝结并分离，同时实现烟气压缩前的初次预冷。经捕集系统压缩机压缩后的烟气进入第二预冷器与气固制冷循环中的气固两相流体换热降温，之后通过凝华换热器进一步冷却降温实现二氧化碳凝华与分离。捕集到的固态二氧化碳与气液分离器得到的气态二氧化碳混合形成气固两相流体，通过该气固两相流体在第二预冷器中气化吸热获得制冷量实现凝华前的二次预冷，并且气固两相流体换热后形成气液两相流体。气液两相流体经过压缩、冷却与膨胀过程，在气液分离器中将液态二氧化碳分离后送往后续二氧化碳收集装置进行输运与利用。
本发明的有益效果是：
本发明集成了二氧化碳低温凝华捕集系统与了二氧化碳气固制冷系统，实现低能耗了二氧化碳捕集，有利于实现了二氧化碳捕集、利用与输运的工程应用。首先，了二氧化碳直接以固态形式捕集，其捕集效率高且纯度高；其次，捕集得到的固态了二氧化碳用于提供制冷量以降低捕集能耗，并实现所捕集了二氧化碳的有效利用；第三，通过了二氧化碳气固制冷循环将捕集到的固态了二氧化碳转化为便于输运与封存的液态形式，避免了现有技术凝华捕集技术中需要将捕集到的气态了二氧化碳通过多级压缩至输运压力时的压缩功耗，具有显著的节能减排效益和应用前景。
附图说明
图1是本发明系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，包括第一预冷器1、捕集系统压缩机2、第二预冷器3、凝华换热器4、凝华换热器配置的低温制冷机5、捕集系统膨胀机6、制冷系统压缩机7、气体冷却器8、节流膨胀阀9、气液分离器10、增压泵11，其中：
第一预冷器1、第二预冷器3分别各自具有主通道和换热介质通道，主通道用于通入烟气，换热介质通道用于通入换热介质。第一预热器1的主通道进口通入烟气，第一预热器的主通道出口与捕集系统压缩机2的进口连接，捕集系统压缩机2的出口与第二预冷器3的主通道进口连接。
凝华换热器4具有主通道、制冷剂通道，其中主通道用于通入烟气，制冷剂通道两端分别与低温制冷机5的进、出口连接形成制冷剂循环回路。第二预冷器3的主通道出口与凝华换热器4的主通道进口连接，凝华换热器4的主通道出口与捕集系统膨胀机6的进口连接，捕集系统膨胀机6的出口与第一预冷器1的换热介质通道进口连接。
第一预冷器1主通道通入烟气，同时换热介质通道通入换热介质以吸收烟气热量使烟气初次预冷，初次预冷后的烟气经捕集系统压缩机2压缩后进入第二预冷器3的主通道，同时第二预冷器3的换热介质通道通入换热介质吸收烟气热量使烟气二次预冷。第二预冷器3二次预冷的烟气进入凝华换热器4的主通道，凝华换热器4的制冷器通道同时通入低温制冷机5输出的制冷剂，由凝华换热器4基于低温凝华相变原理使烟气中的二氧化碳凝华分离形成固态二氧化碳，完成对烟气中的二氧化碳的捕集，同时在凝华换热器4中得到低温的剩余烟气。凝华换热器4的低温剩余烟气经捕集系统膨胀机6回收部分压力后送入第一预冷器1的换热介质通道，作为第一预冷器1的换热介质，对通入第一预冷器1中的烟气进行初次预冷。以上形成烟气中二氧化碳的捕集和剩余烟气冷量的利用。
第二预冷器3的换热介质通道出口与制冷系统压缩机7的进口连接，制冷系统压缩机7的出口与气体冷却器8的进口连接，气体冷却器8的出口与节流膨胀阀9的进口连接，节流膨胀阀9的出口与气液分离器10下部的进口连接，气液分离器10一侧有液体出口与增压泵11的进口连接，增压泵11的出口与外部收集装置连接。凝华换热器4设置有固态出口用于使固态二氧化碳流出，气液分离器10上部有气体出口与凝华换热器4的固态出口通过管路汇合后，再与第二预冷器3的换热介质进口连接。
节流膨胀阀9初始时通入气态二氧化碳，初始时气态二氧化碳经节流膨胀阀9、气液分离器10后与凝华换热器4得到的固态二氧化碳混合形成气固两相流体，气固两相流体进入第二预冷器3的换热介质通道，作为第二预冷器3的换热介质使烟气二次预冷，其中气固两相流体中的固态二氧化碳吸热变成液态，由此气固两相流体换热后形成气液两相流体从第二预冷器3流出。气液两相流体再经制冷系统压缩机7提升压力后进入气体冷却器8冷却，然后再次进入节流膨胀阀9节流膨胀后进入气液分离器10，由气液分离器10将气液两相流体中的气态二氧化碳和液态二氧化碳分离，其中的液态二氧化碳由气液分离器10进入增压泵11，再经增压泵11输送至外部收集装置，其中的气态二氧化碳再次与凝华换热器4得到的新的固态二氧化碳混合形成新的气固两相流体进入第二预冷器3，依次循环过程由形成的气固两相流体作为第二预冷器3的换热介质对烟气二次预冷。以上形成了第二预冷器3中换热介质的循环过程。
本发明中， 烟气首先通入第一预冷器1中，利用捕集后剩余烟气的冷量将烟气中的水分凝结并分离，同时实现烟气压缩前的预冷。经捕集系统压缩机2压缩后的烟气进入第二预冷器3与气固两相流体换热降温，之后在凝华换热器4中通过与低温制冷机5冷却换热进一步冷却降温，以实现烟气中二氧化碳的凝华与分离。捕集后的剩余烟气通过捕集系统膨胀机6回收部分压力能后通入第一预冷器1作为中换热介质与新通入的烟气换热，实现剩余烟气冷量回收利用。
低温凝华捕集得到的固态二氧化碳与制冷循环中节流膨胀阀9节流膨胀过程得到的气态二氧化碳混合形成气固两相流体，该气固两相流体在第二预冷器3中升华吸热实现烟气中二氧化碳凝华捕集前的烟气二次预冷，并且气固两相流体中的固态二氧化碳吸热变成液态，由此气固两相流体变成气液两相流体。气液两相流体经制冷系统压缩机7提升压力后进入气体冷却器8中冷却，随后通过节流膨胀阀9节流膨胀进入气液分离器10。在气液分离器10中将该气液两相流体中的气态二氧化碳与液态二氧化碳分离，气液分离器10上部及下部分别得到气态二氧化碳和液态二氧化碳，其中气态二氧化碳用于与凝华换热器4低温凝华捕集得到的固态二氧化碳混合形成气固两相流体，液态二氧化碳由增压泵11提升压力后送往后续二氧化碳收集装置进行输运与储存。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，其特征在于：包括第一预冷器、第二预冷器、凝华换热器、气液分离器、节流膨胀阀，其中：
第一预冷器中通入烟气，同时通入换热介质吸收烟气热量使烟气初次预冷；第一预冷器与第二预冷器连接，由此第一预冷器中初次预冷的烟气进入第二预冷器，同时第二预冷器通入换热介质吸收烟气热量使烟气二次预冷；第二预冷器与凝华换热器连接，由此第二预冷器二次预冷的烟气进入凝华换热器，由凝华换热器基于低温凝华相变原理使烟气中二氧化碳凝华分离形成固态二氧化碳，完成对烟气中的二氧化碳的捕集，同时在凝华换热器中得到低温的剩余烟气；凝华换热器与第一预冷器连接，由此凝华换热器的低温剩余烟气进入第一预冷器作为第一预冷器的换热介质，对通入第一预冷器中的烟气进行初次预冷；
节流膨胀阀初始时通入气态二氧化碳，节流膨胀阀与气液分离器连接，气液分离器与凝华换热器共同与第二预冷器连接，第二预冷器与节流膨胀阀连接；初始时气态二氧化碳经节流膨胀阀、气液分离器后与凝华换热器得到的固态二氧化碳混合形成气固两相流体，气固两相流体进入第二预冷器作为第二预冷器的换热介质使烟气二次预冷，其中气固两相流体中的固态二氧化碳吸热变成液态，由此气固两相流体换热后形成气液两相流体从第二预冷器流出；气液两相流体再经节流膨胀阀进入气液分离器，由气液分离器将气液两相流体中的气态二氧化碳和液态二氧化碳分离，其中的液态二氧化碳由气液分离器流出至外部收集装置，其中的气态二氧化碳再次与凝华换热器得到的新的固态二氧化碳混合形成新的气固两相流体进入第二预冷器，依次循环过程由形成的气固两相流体作为第二预冷器的换热介质对烟气二次预冷。
2.根据权利要求1所述的一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，其特征在于：还包括捕集系统压缩机，捕集系统压缩机进口与第一预冷器连接，捕集系统压缩机出口与第二预冷器连接，由捕集系统压缩机将第一预冷器流出的烟气压缩后送入第二预冷器。
3.根据权利要求1所述的一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，其特征在于：所述凝华换热器配置低温制冷机，低温制冷机与凝华换热器连接形成制冷剂循环回路，由低温制冷剂向凝华换热器通入制冷剂使烟气中的二氧化碳凝华为固态。
4.根据权利要求1所述的一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，其特征在于：还包括捕集系统膨胀机，捕集系统膨胀机的进口与凝华换热器连接，捕集系统膨胀机的出口与第一预冷器连接，由捕集系膨胀机从凝华换热器中的剩余烟气回收部分压力后再将剩余烟气通入第一预冷器中作为换热介质。
5.根据权利要求1所述的一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，其特征在于：还包括制冷系统压缩机，制冷系统压缩机的进口与第二预冷器连接，制冷系统压缩机的出口与节流膨胀阀连接，第二预冷器流出的气液两相流体经制冷系统压缩机提升压力后进入节流膨胀阀。
6.根据权利要求5所述的一种动力装置烟气二氧化碳减排系统，其特征在于：还包括气体冷却器，气体冷却器的进口与制冷系统压缩机的出口连接，气体冷却器的出口与节流膨胀阀连接，气液两相流体经制冷系统压缩机提升压力后再经气体冷却器冷却后进入节流膨胀阀。
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