CN113813744B - 一种提升燃煤锅炉烟气中co2捕集经济性的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统和方法。该系统以回转式CO2吸脱附装置为基础，主要包括除尘器、烟气加热器、回转式CO2吸脱附装置、脱硫塔、烟气调质装置、溶液吸收法碳捕集装置和烟囱。本发明通过利用回转式二氧化碳吸脱附装置对进入溶液吸收法碳捕集系统烟气的CO2浓度进行提升。该方法可在较低能耗的条件下提升进入溶液吸收工艺碳捕集装置的烟气CO2初始浓度，从而可大幅降低溶液吸收法碳捕集系统的能耗或减小溶液吸收法碳捕集系统的体积，最终大幅降低燃煤锅炉的二氧化碳捕集成本，有效提高系统碳捕集经济性。

Description

一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统和方法。
背景技术
化石燃料发电厂尤其是燃煤电厂只有结合碳捕集与封存技术，才能具有足够低的碳强度来满足减慢全球变暖的目标。CO2初始浓度的增加与分离CO2所需的相关最小功耗的减少直接相关，提高烟气中CO2的初始浓度对于降低成本具有重要作用。燃煤发电厂产生的烟气流量大且浓度较低，这两个因素直接影响了所部署的CO2捕集设备和系统的大小，进而直接影响了捕集成本。
胺溶液吸收法是一种成熟的CO2脱除工艺，在捕集燃煤电厂烟气中CO2的方面具有良好的推广应用潜力。但是，对于胺溶液化学吸收法，由于CO2与溶液的反应动力学比较快，CO2的传质是化学吸收过程中的限制步骤。传质速率取决于整体传质系数和可用传质驱动力，可用的传质驱动力与气相中的CO2分压成正比。当CO2吸收速率受到传质驱动力限制时，CO2分压较低会导致平衡条件下其对应的溶液CO2负载量较低。也就是要捕获相同数量的CO2需要更多的溶剂，从而增加了再沸器的能量消耗，同时要达到一定的CO2吸收效率需要更大的表面接触面积，从而增加了吸收塔中填料体积。如果能通过较低能耗来提升进入溶液吸收工艺碳捕集装置的烟气CO2初始浓度，燃煤电站的二氧化碳捕集成本将大大降低。然而，现有燃煤电站中尚未有一种能够提升现有烟气CO2初始浓度的工艺路线。
发明内容
针对现有燃煤电站中溶液吸收法碳捕集经济性差的问题，本发明提出一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统和方法。本发明通过二氧化碳吸附与脱附原理的回转式吸附再生装置，可利用烟气的自身能量提升现有烟气CO2浓度，从而实现对现有燃煤电厂中溶液吸收法碳捕集经济性的提升。该方法可在较低能耗的条件下提升进入溶液吸收工艺碳捕集装置的烟气CO2初始浓度，从而大大降低燃煤电站的二氧化碳捕集成本，提高经济效益。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统，包括除尘器、烟气加热器、回转式CO2吸脱附装置、脱硫塔、烟气调质装置、溶液吸收法碳捕集系统和烟囱；
除尘器入口与锅炉低温烟气相连，除尘器出口分别与烟气加热器的热烟气入口和回转式CO2吸脱附装置的脱附侧入口相连；烟气加热器的热烟气出口与脱硫塔的入口相连，回转式CO2吸脱附装置的脱附侧出口与脱硫塔入口相连；脱硫塔出口与烟气调质装置的入口相连；烟气调质装置的出口分别与回转式 CO2吸脱附装置的吸附侧入口和溶液吸收法碳捕集系统的入口相连；回转式 CO2吸脱附装置的吸附侧出口与烟囱相连，溶液吸收法碳捕集系统的出口与烟气加热器的冷烟气进口相连，烟气加热器的冷烟气出口与烟囱相连。
本发明进一步的改进在于，回转式CO2吸脱附装置用于将从其吸附侧冷烟气中捕集CO2并将CO2释放到其脱附侧的热烟气中，提高烟气的CO2浓度。
本发明进一步的改进在于，回转式CO2吸脱附装置还用于利用将热烟气的热能传递给冷烟气，从而提升冷烟气的温度，有助于冷烟气进入烟囱后顺利排放。
本发明进一步的改进在于，溶液吸收法碳捕集系统入口的烟气中CO2浓度高于常规的溶液吸收法碳捕集系统，从而降低其能耗或减小其体积，有更高的碳捕集经济性。
本发明进一步的改进在于，烟气调质装置用于对脱硫后的烟气进行除湿等预处理，处理后的烟气可以进入溶液吸收法碳捕集系统和回转式CO2吸脱附装置，从而保证下游设备的运行效率和寿命。
本发明进一步的改进在于，回转式CO2吸脱附装置中设置有二氧化碳吸附材料，二氧化碳吸附材料随转子转动不断经过捕集侧和释放侧，在捕集侧被冷烟气冷却同时吸附冷烟气中的二氧化碳，在脱附侧被热烟气加热同时将CO2释放至热烟气中。
一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的方法，该方法基于所述的基于一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统，包括：
除尘器出口的烟气分别进入烟气加热器和回转式CO2吸脱附装置脱附侧，烟气加热器的热烟气被冷却后进入脱硫塔；回转式CO2吸脱附装置脱附侧的烟气与回转式CO2吸脱附装置吸附侧的烟气进行热量交换和质量交换，一方面加热了吸附侧的冷烟气，另一方面从吸附侧的冷烟气得到了CO2，即脱附侧烟气被冷却且CO2浓度得到提升，吸脱附装置脱附侧含高浓度CO2的烟气随后进入脱硫塔；而后脱硫塔出口烟气进入烟气调质装置进行预处理后进入溶液吸收法碳捕集系统，从而提升了溶液吸收法碳捕集系统入口烟气中CO2的浓度，进而降低溶液吸收法碳捕集系统的能耗或减小溶液吸收法碳捕集系统的体积。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统，基于二氧化碳的吸附和脱附的物理原理，利用回转式CO2吸脱附装置对烟气中的CO2进行浓缩以提升溶液吸收法碳捕集系统入口的CO2浓度。回转式CO2吸脱附装置包括捕集通道和释放通道，以及由特定吸附材料制作的转子组成。首先，脱硫塔出口较低温度的烟气经过回转式CO2吸脱附的吸附通道，其中的CO2被吸附储存在回转式CO2吸脱附装置的转子中，剩余的烟气经过烟囱排入环境大气；同时，回转式CO2吸脱附的脱附通道CO2浓度为上游温度较高的烟气，CO2体积浓度约为15％，较高温度的烟气被通入回转式CO2吸脱附装置的脱附通道，较高温度烟气会使储存在回转式CO2吸脱附装置转子中的CO2脱附，烟气中CO2的浓度可被提升至50-80％，这部分烟气在脱硫塔与另一部分烟气混合后仍具有较高的CO2浓度，这些烟气经过脱硫塔和烟气调质后被通入溶液吸收法碳捕集系统。在整个流程中，该系统不需外部能量的输入，紧靠上游烟气中的余热即可工作，并且CO2吸脱附装置采用吸附法反应温度较为温和、耗能较少且占地较少。因此该系统可在较低能耗的条件下提升进入溶液吸收工艺碳捕集装置的烟气CO2初始浓度，大幅降低溶液吸收法碳捕集系统的能耗或减小溶液吸收法碳捕集系统的体积，从而大大降低燃煤电站的二氧化碳捕集成本。
综上所述，本发明基于CO2的吸附和脱附的物理原理，利用回转式CO2吸脱附装置对燃煤烟气中的CO2进行浓缩以提升通入溶液吸收法碳捕集系统的烟气CO2浓度；同时由于吸附法反应温度较为温和耗能较少，该系统不需外部能量的输入，紧靠上游烟气中的余热即可工作，利于利用烟气系统中的余热，且装置占地少。因此，该系统非常便于集成在燃煤电站烟气处理系统中，利用烟气系统中的余热提升溶液吸收法碳捕集系统入口的CO2浓度，大幅降低燃煤电站的二氧化碳捕集成本，提高经济效益。
附图说明
图1为本发明一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、除尘器；2、烟气加热器；3、回转式CO2吸脱附装置；4、脱硫塔；5、烟气调质装置；6、溶液吸收法碳捕集装置；7、烟囱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本发明提供的一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统，包括除尘器1、烟气加热器2、回转式CO2吸脱附装置3、脱硫塔4、烟气调质装置5、溶液吸收法碳捕集系统6、烟囱7，其中除尘器1入口与锅炉低温烟气相连，除尘器1出口分别与烟气加热器2的热烟气入口和回转式CO2吸脱附装置3的脱附侧入口相连；烟气加热器2的热烟气出口与脱硫塔4的入口相连，回转式CO2吸脱附装置3的脱附侧出口与脱硫塔4入口相连；脱硫塔4出口与烟气调质装置5的入口相连；烟气调质装置5的出口分别与回转式CO2吸脱附装置3的吸附侧入口和溶液吸收法碳捕集系统6的入口相连；回转式CO2吸脱附装置3的吸附侧出口与烟囱7相连，溶液吸收法碳捕集系统6的出口与烟气加热器2的冷烟气进口相连，烟气加热器2的冷烟气出口与烟囱7相连。
其中，回转式CO2吸脱附装置3用于将从其吸附侧冷烟气中捕集CO2并将 CO2释放到其脱附侧的热烟气中，提高了烟气的CO2浓度。
其中，溶液吸收法碳捕集系统6入口的烟气中CO2浓度高于常规的溶液吸收法碳捕集系统，从而可大大降低其能耗或减小其体积，有更高的碳捕集经济性。
本发明提供的一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的方法，包括以下步骤：
除尘器1出口的烟气分别进入烟气加热器2和回转式CO2吸脱附装置3脱附侧，烟气加热器2的热烟气被冷却后进入脱硫塔4；回转式CO2吸脱附装置3 脱附侧的烟气与回转式CO2吸脱附装置3吸附侧的烟气进行热量交换和质量交换，一方面加热了吸附侧的冷烟气，同时也从吸附侧的冷烟气得到了CO2，即脱附侧烟气被冷却且CO2浓度得到提升，吸脱附装置3脱附侧含高浓度CO2的烟气随后进入脱硫塔4；而后脱硫塔4出口烟气进入烟气调质装置5进行预处理后溶液吸收法碳捕集系统6，从而有效提升了溶液吸收法碳捕集系统6入口烟气中 CO2的浓度，从而可大大降低溶液吸收法碳捕集系统6的能耗或减小溶液吸收法碳捕集系统6的体积，该方法有效提高了系统碳捕集经济性。
本发明提供的一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统与方法，相对于传统的溶液吸收法碳捕集系统，具有以下优势：第一，本发明基于二氧化碳的吸附和脱附的物理原理，利用回转式CO2吸脱附装置对燃煤烟气中的CO2进行浓缩，回转式CO2吸脱附的脱附通道CO2浓度为上游温度较高的烟气，CO2体积浓度约为15％，吸脱附装置转子中的CO2脱附侧烟气中CO2的浓度可被提升至50-80％，这部分烟气在脱硫塔与另一部分烟气混合后仍具有较高的CO2浓度，最终大幅提升溶液吸收法碳捕集系统入口的CO2浓度；第二，由于该系统中回转式二氧化碳吸脱附装置可通过转子的连续转动，可持续捕集烟气中的二氧化碳，从而不间断地提升进入溶液吸收法碳捕集系统的烟气中二氧化碳浓度，实现系统的连续运行；第三，在整个流程中，由于吸附法反应温度较为温和耗能较少，该系统不需外部能量的输入，紧靠上游烟气中的余热即可工作，并且CO2吸脱附装置采用吸附法反应温度较为温和、耗能较少且占地较少，该系统非常便于集成在燃煤电站烟气处理系统中，利用烟气系统中的余热提升溶液吸收法碳捕集系统入口的CO2浓度，大幅降低燃煤电站的二氧化碳捕集成本，提高经济效益。
综上所述，本发明基于CO2的吸附和脱附的物理原理，利用回转式CO2吸脱附装置对燃煤烟气中的CO2进行浓缩以提升通入溶液吸收法碳捕集系统的烟气CO2浓度；同时由于吸附法反应温度较为温和耗能较少，该系统不需外部能量的输入，紧靠上游烟气中的余热即可工作，利于利用烟气系统中的余热，且装置占地少。因此，该系统非常便于集成在燃煤电站烟气处理系统中，利用烟气系统中的余热提升溶液吸收法碳捕集系统入口的CO2浓度，大幅降低燃煤电站的二氧化碳捕集成本，提高经济效益。
以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方法仅限于此，对于本发明所属的技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统，其特征在于，包括除尘器(1)、烟气加热器(2)、回转式CO2吸脱附装置(3)、脱硫塔(4)、烟气调质装置(5)、溶液吸收法碳捕集系统(6)和烟囱(7)；
除尘器(1)入口与锅炉低温烟气相连，除尘器(1)出口分别与烟气加热器(2)的热烟气入口和回转式CO2吸脱附装置(3)的脱附侧入口相连；烟气加热器(2)的热烟气出口与脱硫塔(4)的入口相连，回转式CO2吸脱附装置(3)的脱附侧出口与脱硫塔(4)入口相连；脱硫塔(4)出口与烟气调质装置(5)的入口相连；烟气调质装置(5)的出口分别与回转式CO2吸脱附装置(3)的吸附侧入口和溶液吸收法碳捕集系统(6)的入口相连；回转式CO2吸脱附装置(3)的吸附侧出口与烟囱(7)相连，溶液吸收法碳捕集系统(6)的出口与烟气加热器(2)的冷烟气进口相连，烟气加热器(2)的冷烟气出口与烟囱(7)相连；所述回转式CO2吸脱附装置(3)中设置有二氧化碳吸附材料，二氧化碳吸附材料随转子转动不断经过捕集侧和释放侧，在捕集侧被冷烟气冷却同时吸附冷烟气中的二氧化碳，在脱附侧被热烟气加热同时将CO2释放至热烟气中；
回转式CO2吸脱附装置(3)用于将从其吸附侧冷烟气中捕集CO2并将CO2释放到其脱附侧的热烟气中，提高烟气的CO2浓度，回转式CO2吸脱附装置(3)还用于利用将热烟气的热能传递给冷烟气，从而提升冷烟气的温度，有助于冷烟气进入烟囱后顺利排放。
2.根据权利要求1所述的一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统，其特征在于，烟气调质装置(5)用于对脱硫后的烟气进行除湿预处理，处理后的烟气可以进入溶液吸收法碳捕集系统和回转式CO2吸脱附装置，从而保证下游设备的运行效率和寿命。
3.一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1或2所述的一种提升燃煤锅炉烟气中CO2捕集经济性的系统，包括：除尘器(1)出口的烟气分别进入烟气加热器(2)和回转式CO2吸脱附装置(3)脱附侧，烟气加热器(2)的热烟气被冷却后进入脱硫塔(4)；回转式CO2吸脱附装置(3)脱附侧的烟气与回转式CO2吸脱附装置(3)吸附侧的烟气进行热量交换和质量交换，一方面加热了吸附侧的冷烟气，另一方面也从吸附侧的冷烟气得到了CO2，即脱附侧烟气被冷却且CO2浓度得到提升，回转式CO2吸脱附装置(3)脱附侧含高浓度CO2的烟气随后进入脱硫塔(4)；而后脱硫塔(4)出口烟气进入烟气调质装置(5)进行预处理后进入溶液吸收法碳捕集系统(6)，从而提升了溶液吸收法碳捕集系统(6)入口烟气中CO2的浓度，进而降低溶液吸收法碳捕集系统(6)的能耗或减小溶液吸收法碳捕集系统(6)的体积。
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