CN114087641A - 一种从igcc电站烟气回收水分和热量的开式吸收式热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，回收烟气中的水分，同时对燃气轮机进口空气加湿，减少了燃烧室所需注蒸汽的流量，进一步降低了电站系统的净耗水量以及燃气轮机燃烧室的NOx排放；利用燃气轮机进口低湿度空气与稀溶液直接接触再生，消除了开式热泵对高温驱动热源的需求，减少了对高品位热量的消耗；通过回收开式热泵中吸收过程释放的热量，有效地减少了系统其它工艺的热需求，从而提高了系统整体的热效率。

Description

一种从IGCC电站烟气回收水分和热量的开式吸收式热泵系统

技术领域

本发明属于IGCC发电技术和开式吸收式热泵领域，涉及一种IGCC电站节能节水的系统与方法，具体地说是一种结合开式吸收式热泵技术以实现IGCC电站进一步节能节水的系统。

背景技术

整体煤气化联合循环(Integrated gasification combined cycle,IGCC)技术是一种高效清洁的煤炭发电技术，煤通过气化单元转化为合成气，然后经过一系列净化装置后进入燃气轮机，通过燃气轮机联合循环发电或者热电联供。

相比于传统的燃煤电站发电，IGCC发电具有污染物排放低、效率高、水耗低，以及二氧化碳捕集代价小的特点。IGCC电站的余热锅炉排放烟气的温度通常在80-100℃，烟气中含有大量的水蒸气和低品位余热。烟气中的水蒸气一般来自于合成气或者氢气燃烧产生的水蒸气，以及燃气轮机燃烧室为控制NOX排放而注入的蒸汽。现有从烟气中回收低品位余热的方法通常有几种：直接换热；直接换热+闭式吸收式热泵；直接换热+压缩式热泵；开式吸收式热泵。直接换热即在出口烟道设置烟气-水换热器，通过将烟气温度降低至露点温度以下回收其中的潜热；直接换热+闭式吸收式热泵利用其中的蒸发器提供温度更低的冷却水，将烟气冷却至更低的绝对含湿量，以回收更多的潜热，烟气仍处于饱和状态。直接换热+压缩式热泵利用压缩式热泵系统中的蒸发器提供冷水，对烟气进行深度降温。开式吸收式热泵利用除湿剂溶液与烟气直接接触，利用烟气与溶液的水蒸气分压差推动水分传递，传质过程不受换热过程的温差限制，出口烟气处于过热状态。

溶液吸收法利用含湿烟气的水蒸气分压和溶液表面蒸汽压差驱动水蒸气从烟气向溶液的水分子的传质，同时释放大量汽化潜热，可向外输出热量。与冷凝法相比，由于溶液的表面蒸气压远低于烟气中的水蒸气分压，所以溶液吸收法可以回收更多的水蒸气，而且出口的烟气处于过热状态，烟气的相对湿度降至不饱和区域，有利于烟气的热力排烟，缓解或者避免出现“白羽”的现象。开式吸收式热泵技术是实现溶液吸收法的技术手段，通过吸收器、再生器和各种换热器组成的开式吸收式热泵系统，通过溶液的不断循环运行，能持续地从烟气中回收水分和热量，并通过冷凝器收集回收的水分，通过冷却水回收其中的热量。在吸收器中，溶液与烟气直接接触，吸收过程释放热量被冷却水带走。从开式热泵系统整体角度看，冷却水通过回收吸收过程的热量，可以实现系统冷却水出口温度高于进口烟气露点温度，实现回收热量品位的提升。

如何针对IGCC电站的烟气工况条件，结合IGCC工艺流程，进一步提高热电联供效率，降低水耗以及污染物排放，是开式热泵技术结合IGCC电站方案的关键问题之一。

发明内容

基于现有技术的上述状况，本发明的目的在于从系统集成的角度提供一种IGCC电站与开式热泵技术结合的新系统，具体是一种从IGCC电站烟气回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，能够实现IGCC电站余热锅炉排烟中的低温热回收利用与水回收，同时降低燃气轮机的氮氧化物排放，从而进一步提高IGCC电站的热电联供效率，降低水耗以及污染物排放。

本发明为实现其发明目的所采用的技术方案如下：

一种从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，至少包括一IGCC电站、一开式吸收式热泵单元，所述IGCC电站包括余热锅炉，所述开式吸收式热泵单元至少包括一降膜式内冷吸收器和一再生器，所述降膜式内吸收器的排气管线与大气环境连通，所述再生器的进气管线与大气环境连通，其特征在于，

所述降膜式内冷吸收器，其顶部设有浓溶液进口、热网回水出口、排气管线，底部设有稀溶液出口、热网回水进口、进气管线，

所述再生器，其顶部设有稀溶液进口、含湿空气出口，底部设有浓溶液出口、环境空气进口，

其中，所述降膜式内冷吸收器的进气管线与所述余热锅炉的排烟管道连通、排气管线与大气环境连通、浓溶液进口通过管线与所述再生器的浓溶液出口连通、稀溶液出口通过管线与所述再生器的稀溶液进口连通，所述再生器的含湿空气出口通过管线与所述IGCC电站的压气机连通、环境空气进口与大气环境连通，

在所述降膜式内冷吸收器内，浓溶液依靠重力下降流动，烟气向上流动，浓溶液与烟气逆流接触进行传热传质，浓溶液吸收烟气中的水蒸气温度升高后，转变为稀溶液从所述降膜式内冷吸收器底部的稀溶液出口排出；且在所述降膜式内冷吸收器内，从所述热网回水进口引入的温度较低的热网回水通入所述降膜式内冷吸收器的壳程，在所述壳程的管束外表面通过管壁与溶液形成的液膜传热，温度较低的热网回水吸收溶液释放的热量后从所述降膜式内冷吸收器顶部的热网回水出口离开；

在所述再生器内，稀溶液从顶部的稀溶液进口喷入并向下流动，底部进入的温度较低的环境空气与温度相对较高的稀溶液直接逆流接触，稀溶液温度降低并浓缩蒸发，蒸发浓缩转变为浓溶液后被送往所述降膜式内冷吸收器，完成溶液的循环，从所述再生器顶排出的含湿空气送入所述IGCC电站的压气机。

本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统中，所述内冷型降膜吸收器利用冷却水与吸收过程的吸收剂进行换热，抑制吸收剂在吸收过程中的温度升高，从而降低其表面蒸气压，提高吸收过程的传质推动力，强化吸收器的水热回收性能。

优选地，所述降膜式蒸发器，其换热器材质为石墨，稀溶液依靠重力自上而下流动成膜，空气从下往上与稀溶液逆流接触，在稀溶液与空气中水蒸气的分压差的驱动下蒸发浓缩。

所述余热锅炉的排烟管道上设有一烟气冷却器，所述烟气冷却器的热侧通入所述余热锅炉排出的烟气、冷侧通入热网回水，且所述烟气冷却器的热侧设有冷凝水排出管线，温度较高的烟气与温度较低的热网回水换热，烟气被冷却到露点以下，其中的部分水蒸气从烟气中凝出并通过冷凝水排出管线回收，冷却后的烟气通入所述降膜式内吸收器中。

本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，其工作流程如下：

IGCC余热锅炉排烟直接进入内冷型降膜吸收器，在吸收器内，溶液依靠重力下降流动，与烟气逆流接触，进行传热传质。在吸收器内，溶液吸收烟气中的水蒸气，溶液温度升高，并成为稀溶液以后从吸收器底部排出。烟气在从下向上流动的过程中，其中的水蒸气进入进入溶液，烟气从吸收器顶部排出。吸收器的壳程流过冷却水，在管束外表面通过管壁与液膜传热，带走部分吸收过程释放的热量，冷却水回收热量后，从吸收器上方离开；

稀溶液被送往再生器，在再生器中，稀溶液从再生器顶部喷入，向下流动。在再生器中，环境空气从吸收器底部进入，与稀溶液直接逆流接触，由于空气中水蒸气含量低，水蒸气分压小，溶液温度相对较高，其表面水蒸气分压高于空气，在水蒸气分压差的驱动下稀溶液浓缩蒸发，同时稀溶液温度降低，蒸发浓缩后的浓溶液被送往吸收器，完成溶液的循环。溶液蒸发产生的水蒸气进入空气中，从吸收器顶部排出的含湿空气送入燃气轮机压气机。

本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，其工作原理是：本发明通过回收IGCC余热锅炉排烟中的水和潜热，将回收的水和热量用于IGCC电站的供热，从而提高热电联供效率，降低电站水耗。

同现有技术相比，本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统通过烟气的水和潜热回收，进一步提高IGCC电站的效率，降低其水耗，其特点在于：

(1)本发明通过回收烟气中的水分，将其用于燃气轮机进口空气加湿，减少了燃烧室所需注蒸汽的流量，从而降低了电站系统的净耗水量以及燃气轮机燃烧室的NOx排放。

(2)本发明利用燃气轮机进口低湿度空气与稀溶液直接接触再生，消除了开式热泵对高温驱动热源的需求，减少了对高品位热量的消耗。

(3)本发明通过回收开式热泵中吸收过程释放的热量，有效地减少了系统其它工艺的热需求，从而提高了系统整体的热效率。

附图说明

图1为本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统示意图。

图2为图1的局部系统示意图。

附图标记说明：

1气化炉，2废热锅炉，3干法除尘器，4合成气冷却器，5湿法洗涤器，6 COS水解反应器，7煤气冷却器，8脱硫器，9湿化器，10煤气预热器，11压气机，12燃烧室，13透平，14换热器，15空气压缩机，16汽轮机，17余热锅炉，18吸收器，19再生器，20换热器，烟气冷却器21。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，包括IGCC电站和开式吸收式热泵单元，其中，IGCC电站包括煤炭气化炉1、净化岛、动力岛、余热锅炉17，净化岛由废热锅炉2、干法除尘器3、合成气冷却器4、湿法洗涤器5、COS水解反应器6、煤气冷却器7、脱硫器8、湿化器9、煤气预热器10等部件组成，动力岛由压气机11、燃烧室12、透平13等部件组成，开式吸收式热泵单元包降膜式内冷吸收器18和再生器19，吸收器18的进气管线与IGCC中的余热锅炉17的排烟管道连通、排气管线与环境连通，再生器19的进气管线与环境空气连通。

本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统中，煤炭经过气化炉1后生成合成气，再经过净化岛除去杂质后进入动力岛，烟气离开余热锅炉17后，进入到烟气冷却器21，在烟气冷却器21中，烟气与热网水换热，烟气被冷却到露点以下，部分水蒸气从烟气中凝出并回收，烟气进一步进入到开式吸收式热泵系统中的吸收器18，在吸收器18内，在溶液表面蒸气压和烟气水蒸气分压的驱动下，水分和对应的潜热从烟气传递至溶液。热网回水带走吸收过程产生的部分热量，同时强化吸收器性能。经过水热回收后的烟气处于过热状态，直接排向环境。浓溶液经过吸收器18后成为稀溶液，随后去往再生器19，在水蒸气分压差的驱动下蒸发浓缩，出口浓溶液回到吸收器，完成溶液的循环。再生器内水分从溶液传递至空气，从再生器顶部出口空气进入燃气轮机。至此，完成了IGCC排烟的水和潜热回收，系统集成后形成新的物流闭环。

本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统中，内冷型降膜吸收器18利用冷却水与吸收过程的吸收剂进行换热，抑制吸收剂在吸收过程中的温度升高，从而降低其表面蒸气压，提高吸收过程的传质推动力，强化吸收器的水热回收性能。

本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，其工作流程如下：IGCC电站的余热锅炉17的排烟直接进入内冷型降膜吸收器18，在吸收器18内浓溶液依靠重力下降流动，与烟气逆流接触，进行传热传质，浓溶液在吸收器18内通过吸收烟气中的水蒸气，溶液温度升高，并成为稀溶液以后从吸收器18的底部排出。烟气在从下向上流动的过程中，其中的水蒸气进入进入浓溶液，烟气从吸收器18的顶部排出。吸收器18的壳程流过冷却水，在管束外表面通过管壁与液膜传热，带走部分吸收过程释放的热量，冷却水回收热量后，从吸收器18的上方离开。

稀溶液被送往再生器19，在再生器19中，稀溶液从再生器19的顶部喷入，向下流动。在再生器19中，环境空气从吸收器19的底部进入，与稀溶液直接逆流接触，由于空气中水蒸气含量低，水蒸气分压小，溶液温度相对较高，其表面水蒸气分压高于空气，在水蒸气分压差的驱动下稀溶液浓缩蒸发，同时稀溶液温度降低，蒸发浓缩后的浓溶液被送往吸收器18，完成溶液的循环。溶液蒸发产生的水蒸气进入空气中，从吸收器18顶部排出的含湿空气送入燃气轮机压气机。再生器中释放的热量，用于预热热网回水。

本发明的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，其工作原理是：通过回收IGCC余热锅炉排烟中的水和潜热，将回收的水和热量用于IGCC电站的供热，从而提高热电联供效率，降低电站水耗。

本发明通过烟气的水和潜热回收，进步提高IGCC电站的效率，降低其水耗，其特点在于：(1)通过回收烟气中的水分，将其用于燃气轮机进口空气加湿，减少了燃烧室所需注蒸汽的流量，从而降低了电站系统的净耗水量以及燃气轮机燃烧室的NOx排放。(2)利用燃气轮机进口低湿度空气与稀溶液直接接触再生，消除了开式热泵对高温驱动热源的需求，减少了对高品位热量的消耗。(3)通过回收开式热泵中吸收过程释放的热量，有效地减少了系统其它工艺的热需求，从而提高了系统整体的热效率。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (3)

1.一种从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，至少包括一IGCC电站、一开式吸收式热泵单元，所述IGCC电站包括余热锅炉，所述开式吸收式热泵单元至少包括一降膜式内冷吸收器和一再生器，所述降膜式内吸收器的排气管线与大气环境连通，所述再生器的进气管线与大气环境连通，其特征在于，

所述降膜式内冷吸收器，其顶部设有浓溶液进口、热网回水出口、排气管线，底部设有稀溶液出口、热网回水进口、进气管线，

所述再生器，其顶部设有稀溶液进口、含湿空气出口，底部设有浓溶液出口、环境空气进口，

其中，所述降膜式内冷吸收器的进气管线与所述余热锅炉的排烟管道连通、排气管线与大气环境连通、浓溶液进口通过管线与所述再生器的浓溶液出口连通、稀溶液出口通过管线与所述再生器的稀溶液进口连通，所述再生器的含湿空气出口通过管线与所述IGCC电站的压气机连通、环境空气进口与大气环境连通。

2.根据上述权利要求所述的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，其特征在于，所述降膜式蒸发器，其换热器材质为石墨，稀溶液依靠重力自上而下流动成膜，空气从下往上与稀溶液逆流接触，在稀溶液与空气中水蒸气的分压差的驱动下蒸发浓缩。

3.根据上述权利要求所述的从IGCC电站烟气中回收水分和热量的开式吸收式热泵系统，其特征在于，所述余热锅炉的排烟管道上设有一烟气冷却器，所述烟气冷却器的热侧通入所述余热锅炉排出的烟气、冷侧通入热网回水，且所述烟气冷却器的热侧设有冷凝水排出管线，温度较高的烟气与温度较低的热网回水换热，烟气被冷却到露点以下，其中的部分水蒸气从烟气中凝出并通过冷凝水排出管线回收，冷却后的烟气通入所述降膜式内冷吸收器中。

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