CN113058369A - 一种用于钢厂烧结废气干法co2捕集的低温余热发电系统 - Google Patents

一种用于钢厂烧结废气干法co2捕集的低温余热发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，包括低温余热发电系统，低温余热发电系统包括钢厂烧结废弃余热回收部分，干法二氧化碳捕集系统部分，钢厂烧结废弃余热回收部分包括吸收塔、余热锅炉、第一降温器、冷凝器、升温器、第二循环泵和增压风机，干法二氧化碳捕集系统部分包括气液分离器、第二降温器、CO2除尘器、再生塔、吸收塔、旋风分离器、布袋除尘器、环冷风机、热管加热器、取热盘管、再生风机、降温器、冷凝器、升温器和增压风机。本发明结构简单，设计合理，通过有效利用CO2捕集过程中的反应热及CO2吸收剂再生过程中的余热资源，可以有效降低用能耗量10～20％，为钢铁行业规模化应用碳捕集装置创造条件。

Description

一种用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统
技术领域
本发明涉及钢铁行业节能技术领域，具体为一种用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统。
背景技术
由二氧化碳等温室气体排放引起的全球气候变化已经成为本世纪人类面临的最大挑战之一。在《巴黎协定》的框架下，到本世纪中叶实现碳中和是全球应对气候变化的最根本的举措。钢铁行业是工业领域的碳排放大户。烧结工艺是钢铁企业重要的原料加工工序，是典型的高耗能、高污染环节，对烧结废气进行CO2捕集和封存是实现低碳发展的不二选择，干法二氧化碳捕集工艺，是利用碱金属作为吸附剂，在吸收塔内烟气与碱金属吸附剂反应床充分接触，二氧化碳、水蒸气和碱金属碳酸盐吸附剂生成碳酸氢盐，CO2被有效捕集。反应式为M2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)→2MHCO3(s)(60～100℃)。吸收了二氧化碳的碳酸氢盐进入再生塔，在再生塔内升温后发生分解反应，2MHCO3(s)→M2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)(100～200℃)。CO2和H2O由再生塔顶部送至提纯工艺，达到二氧化碳捕集的目的，再生后的吸附剂重新送回吸收塔内，实现吸附剂的循环利用。此方法的关键在于烟气进入吸收塔前要满足水蒸气与二氧化碳的配比接近于1:1，同时要控制烟气温度满足吸附剂反应温度，最重要的是为吸附剂的再生提供能量。
目前烧结生产过程中，烧结环冷机余热发电技术日益成熟，它已被广泛的应用于各大钢铁企业，然而，烧结废气往往经脱硫脱硝除尘处理后排放，排烟温度120℃～150℃，本专利基于烧结废气的特点，以及现有的工艺路线，公开一种CO2捕集的低温余热发电系统，有效利用CO2捕集过程中的反应热及CO2吸收剂再生过程中的余热资源，可以有效降低用能耗量10～20％，为钢铁行业规模化应用碳捕集装置创造条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，低温余热发电系统，所述低温余热发电系统包括钢厂烧结废弃余热回收部分，干法二氧化碳捕集系统部分；
所述钢厂烧结废弃余热回收部分包括吸收塔、余热锅炉、第一降温器、冷凝器、升温器、第二循环泵和增压风机；
所述干法二氧化碳捕集系统部分包括气液分离器、第二降温器、CO2除尘器、再生塔、吸收塔、旋风分离器、布袋除尘器、环冷风机、热管加热器、取热盘管、再生风机、降温器、冷凝器、升温器和增压风机。
作为本发明的进一步改进，所述低温余热发电系统包括系统内热能综合收集部分与热量利用部分。
作为本发明的进一步改进，所述系统内热能综合收集部分包括第一冷凝器、吸收塔、取热盘管、第一降温器、第二降温器和冷却器，所述系统内热能综合收集部分内的热量分布主要包括烧结废气的显热和潜热。
作为本发明的进一步改进，所述热量利用部分包括热交换器、发电机组、第二冷凝器、热交换器、补水泵、第一循环泵和第一冷凝器，热量利用部分一部分含有热能的循环水用于烧结工艺中混合制粒工序，另一部分是采用低沸点、高饱和蒸汽压物质作为工作介质。
作为本发明的进一步改进，所述取热盘管对吸收塔内的热量进行收集，保证吸收塔内床层的温度场稳定，净化后的烟气从吸收塔排出，经过旋风分离器把烟气中携带的部分吸附剂分离出来，回流到吸收塔，烟气经布袋除尘器进一步除尘后排至烟气出界区。
作为本发明的进一步改进，所述吸收塔中每吸收1摩尔CO2会产生130kJ/mol的化学反应热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、目前烧结生产过程中，经处理后的烧结废气排烟温度一般为120℃～150℃，二氧化碳的含量为6％～8％，水蒸气含量为～10％，水蒸气的组分会略高于二氧化碳组分，所以在进入吸收塔前要对烟气进行降温和脱水，首先烟气经过第一降温器，释放部分显热，烟气中的水含量不变；然后进入第一冷凝器对烟气进行深度脱水，使水蒸气含量与二氧化碳含量接近，释放出潜热，实现热量的深度回收；而这时烟气温度往往低于吸附剂的反应温度，所以要在余热锅炉引一路蒸汽过来对烟气升温，达到反应温度后通过增压风机进入吸收塔。
2、干法二氧化碳捕集部分：首先吸附剂的再生需热量，需要设置一台热管换热器，从烧结环冷机引一路热空气过来，热管内工质受热将沸腾或蒸发，吸收热空气热量，产生汽化潜热，由液体变为蒸汽，产生的蒸汽在热管内一定压差的作用下，流到吸收塔内冷凝段，蒸汽遇冷壁面及吸附剂，凝结成液体，同时放出汽化潜热，并通过管壁传给吸附剂，冷凝液靠重力(或吸液芯)作用下回流到蒸发段再次蒸发，如此往复，实现对吸附剂再生的热量传递,然后吸附剂的吸附过程是一个放热过程，所以在吸收塔内设置取热盘管，烧结废气在吸收塔内CO2被捕集的同时，取热盘管对吸收塔内的热量进行收集，保证吸收塔内床层的温度场稳定，净化后的烟气从吸收塔排出，经过旋风分离器把烟气中携带的部分吸附剂分离出来，回流到吸收塔，烟气经布袋除尘器进一步除尘后排至烟囱,最后是吸附剂在再生塔内还原需要回到吸收塔，由于再生塔内的吸附剂温度较高，所以需要经过冷却器，将温度降低至吸附温度回到吸收塔后继续捕集二氧化碳，吸附剂完成吸附、再生的循环，再生塔内分离出的二氧化碳和水蒸气出塔后，小部分通过再生风机回流至再生塔作为循环气，大部分通过CO2除尘器，第二降温器，气液分离器，得到粗提纯后的CO2出界区进入高度提纯工艺，可得到纯度更高的CO2能源产品。
3、系统内热能综合收集部分：系统内的热量分布主要包括烧结废气的显热和潜热，吸收塔中每吸收1摩尔CO2产生的130kJ/mol的化学反应热，再生系统内二氧化碳与气态水的热量，吸附剂中的显热，系统内用于吸收热能的工质为循环水，循环水首先进入第一冷凝器吸收烟气潜热，再进入吸收塔内的取热盘管逐级吸收反应热，温度升高，同时保证吸收塔内床层的温度场稳定，提高吸收效率，升温后的循环水进入CO2气体第二降温器，烟气第一降温器及吸附剂冷却器，温度逐级升高。
4、热量利用部分：一部分含有热能的循环水用于烧结工艺中混合制粒工序，另一部分是采用低沸点、高饱和蒸汽压物质作为工作介质，与含有热能的循环水通过热交换器换热，被蒸发发生相变后，变为高压气体，再使之驱动汽轮机带动发电机组发电，完成整个热-电转化过程，做功后的工作介质通过第二冷凝器冷却后变为液态，通过工质泵加压后重新回到热交换器与循环水换热，循环水与补水泵送来的补水汇合通过第一循环泵加压后重新回到第一冷凝器，完成新一轮的逐级吸热。
附图说明
图1是本发明的低温余热发电系统结构示意图；
图2是本发明的钢厂烧结废弃余热回收部分结构示意图；
图3是本发明的干法二氧化碳捕集系统部分结构示意图。
图中：1、气液分离器；2、第二降温器；3、CO2除尘器；4、再生塔；5、吸收塔；6、旋风分离器；7、布袋除尘器；8、环冷风机；9、热管加热器；10、取热盘管；11、余热锅炉；12、再生风机；13、冷却器；14、第一降温器；15、第一冷凝器；16、升温器；17、第二循环泵；18、增压风机；19、第一循环泵；20、补水泵；21、热交换器；22、工质泵；23、第二冷凝器；24、发电机组；I、低温余热发电系统；II、钢厂烧结废弃余热回收部分；III、干法二氧化碳捕集系统部分。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
需要说明的是，当元件被称为“固定”、“安装”、“连接”或“设置”有另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上的。需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有说明书特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
作为本发明的进一步改进，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，包括低温余热发电系统I，低温余热发电系统I包括钢厂烧结废弃余热回收部分II，干法二氧化碳捕集系统部分III；
钢厂烧结废弃余热回收部分II包括吸收塔5、余热锅炉11、第一降温器14、冷凝器15、升温器16、第二循环泵17和增压风机18；
干法二氧化碳捕集系统部分III包括气液分离器1、第二降温器2、CO2除尘器3、再生塔4、吸收塔5、旋风分离器6、布袋除尘器7、环冷风机8、热管加热器9、取热盘管10、再生风机12、降温器14、冷凝器15、升温器16和增压风机18。
其中，低温余热发电系统I包括系统内热能综合收集部分与热量利用部分。
其中，系统内热能综合收集部分包括第一冷凝器15、吸收塔5、取热盘管10、第一降温器14、第二降温器2和冷却器13，系统内热能综合收集部分内的热量分布主要包括烧结废气的显热和潜热。
其中，热量利用部分包括热交换器21、发电机组24、第二冷凝器23、热交换器21、补水泵20、第一循环泵19和第一冷凝器15，热量利用部分一部分含有热能的循环水用于烧结工艺中混合制粒工序，另一部分是采用低沸点、高饱和蒸汽压物质作为工作介质。
其中，取热盘管10对吸收塔5内的热量进行收集，保证吸收塔5内床层的温度场稳定，净化后的烟气从吸收塔5排出，经过旋风分离器6把烟气中携带的部分吸附剂分离出来，回流到吸收塔5，烟气经布袋除尘器7进一步除尘后排至烟气出界区。
其中，吸收塔5中每吸收1摩尔CO2会产生130kJ/mol的化学反应热。
工作原理：
某钢厂烧结废气温度为150℃；
烟气体积百分率：O2:12.15N2:71.1H2O:10CO2:6.3CO：0.45；
由此数据可知，此时烟气中的水蒸气含量大于CO2含量，经计算，当饱和烟气温度降为～38℃时，水蒸气与二氧化碳的配比接近于1:1。将吸收塔5温度定为60℃，再生塔4温度定为150℃；
正常运行时脱硫脱硝除尘处理后的烧结废气自界区来，首先经过第一降温器14释放烟气中大部分显热，然后经过第一冷凝器15脱水降温至38℃，释放烟气中的显热与潜热，最后经过升温器16将烟气温度升温至60℃左右，热源为余热锅炉11所产生的蒸汽，蒸汽加热烟气后变为热水通过第二循环泵17重新送回余热锅炉11，经过降温脱水再升温后的废气由增压风机18送入吸收塔5，烟气中的二氧化碳和水蒸气被吸附剂捕集下来，同时由吸收塔5内取热盘管10带走吸附过程中释放的热量，保证吸收塔5内床层的温度场稳定在60℃。脱除二氧化碳的烟气出吸收塔5通过旋风分离器6，将烟气携带的部分吸附剂送回吸收塔5，再经布袋除尘器7除尘后送至烟囱；
环冷机的热空气自界区来，一部分进入原有工艺余热锅炉11产蒸汽发电，另一部分引入再生塔4内的热管加热器9，为吸附剂的分解反应提供热源，两部分热空气换热后汇总由环冷风机8排至烟囱，再生塔4内吸附剂还原后经冷却器13送回吸收塔5，还原反应释放的二氧化碳和水蒸气(～150℃)出再生塔4，一小部分通过再生风机12送回再生塔4，大部分通过CO2除尘器3除尘后进入第二降温器2，将二氧化碳降温至100℃以下，最后经过气液分离器1得到粗提纯的二氧化碳，二氧化碳出界区送入高度提纯工艺，得到能源产品；
低温循环水通过第一循环泵19送入第一冷凝器15，吸热后的循环水再经过吸收塔5内的取热盘管10、第二降温器2、第一降温器14、冷却器13实现逐级吸热，一部分热水送去烧结工艺中混合制粒工序，另一部分在热交换器21加热低温工质(一种低沸点、高饱和蒸汽压物质)，释放热量后循环水与补水泵20的补充水汇合，通过第一循环泵19重新送回至第一冷凝器15，进入下一轮循环；
在热交换器21中吸收热量后的低温工质，被蒸发发生相变，变为高压气体，再使之驱动汽轮机带动发电机组24发电，做功后的工作介质通过第二冷凝器23冷却后变为液态，最后通过工质泵22加压后重新回到热交换器21与循环水换热。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，包括包括低温余热发电系统(I)，其特征在于，所述低温余热发电系统(I)包括钢厂烧结废弃余热回收部分(II)，干法二氧化碳捕集系统部分(III)；
所述钢厂烧结废弃余热回收部分(II)包括吸收塔(5)、余热锅炉(11)、第一降温器(14)、冷凝器(15)、升温器(16)、第二循环泵(17)和增压风机(18)；
所述干法二氧化碳捕集系统部分(III)包括气液分离器(1)、第二降温器(2)、CO2除尘器(3)、再生塔(4)、吸收塔(5)、旋风分离器(6)、布袋除尘器(7)、环冷风机(8)、热管加热器(9)、取热盘管(10)、再生风机(12)、降温器(14)、冷凝器(15)、升温器(16)和增压风机(18)。
2.根据权利要求1所述的用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，其特征在于，所述低温余热发电系统(I)包括系统内热能综合收集部分与热量利用部分。
3.根据权利要求2所述的用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，其特征在于，所述系统内热能综合收集部分包括第一冷凝器(15)、吸收塔(5)、取热盘管(10)、第一降温器(14)、第二降温器(2)和冷却器(13)，所述系统内热能综合收集部分内的热量分布主要包括烧结废气的显热和潜热。
4.根据权利要求2所述的用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，其特征在于，所述热量利用部分包括热交换器(21)、发电机组(24)、第二冷凝器(23)、热交换器(21)、补水泵(20)、第一循环泵(19)和第一冷凝器(15)，所述热量利用部分一部分含有热能的循环水用于烧结工艺中混合制粒工序，另一部分是采用低沸点、高饱和蒸汽压物质作为工作介质。
5.根据权利要求1所述的用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，其特征在于，所述取热盘管(10)对吸收塔(5)内的热量进行收集，保证吸收塔(5)内床层的温度场稳定，净化后的烟气从吸收塔(5)排出，经过旋风分离器(6)把烟气中携带的部分吸附剂分离出来，回流到吸收塔(5)，烟气经布袋除尘器(7)进一步除尘后排至烟气出界区。
6.根据权利要求1所述的用于钢厂烧结废气干法CO2捕集的低温余热发电系统，其特征在于，所述吸收塔(5)中每吸收1摩尔CO2会产生130kJ/mol的化学反应热。
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