CN114191965B - 一种自动调节的连续性多床层脱碳系统 - Google Patents

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Abstract

温室气体排放所造成的全球变暖问题是当今国际社会普遍关注的焦点之一，在温室气体中CO2占比高达60%，在以往的研究及示范下，采用碱金属基固体吸收剂进行烟气脱碳被认为具有广阔的应用前景，本发明的目的是提供一种应用碱金属基固体吸收剂的自动调节的连续性多床层脱碳系统，该系统包括至少一个吸收单元、一个再生单元、一个控制单元，一个余热回收装置，一个CO2提纯单元，另外，还可以根据捕集效率及能耗等的要求，可以设置二级或三级的组合脱碳系统。整个系统兼具CO2吸收的高选择性、对环境友好的优点，极具推广价值。

Description

一种自动调节的连续性多床层脱碳系统
技术领域
本发明属于烟气碳减排领域，具体涉及一种自动调节的连续性多床层脱碳系统。
背景技术
温室气体排放所造成的全球变暖问题是当今国际社会普遍关注的焦点之一，在温室气体中CO2占比高达60%，CO2最主要的来源是化石燃料的燃烧，3/4 的 CO2是由燃烧产生的，特别是火力发电厂燃煤排放了大量的 CO2气体。目前，碳捕集技术总体仍处于研发和示范阶段，主要问题是投资和运行成本过高，对于烟气中 CO2的捕集和大量储存还缺乏有效的手段，改进 CO2捕集和储存工艺成为控制全球气候变暖的关键技术而越来越受到国内外重视。
CO2捕集方法主要为溶剂吸收法、吸附法、膜分离法、生物法等，其中，吸附法适用于原料气中CO2分压较高或温度较高且宜于进行压力或温度变换的场合，膜分离法和生物法目前处于试验阶段，技术尚不成熟。鉴于燃煤机组排烟中CO2体积分数低（8%~15%）、烟气流量大且近乎常压（0~200 Pa），宜选用高选择性的吸收法。
与液体吸收剂相比，固体吸收剂的再生需要更少的能量，可以采用低品位热源，或者从其他装置回收余热，另外，固体不具有挥发性，储存、处理等对环境的危害较小，因此，采用碱金属基固体吸收剂进行烟气脱碳被认为具有广阔的应用前景，其工艺系统的开发是本发明的主题。
目前对于碱金属基固体吸收剂研究的文献较多，而对于采用碱金属基固体吸收剂捕集CO2的工艺系统的研究较少。
专利文献CN102265004B提供了一种用于具有烟道气再循环和CO2捕集系统的CCPP的优化运行的方法及其设备，并未对CO2捕集系统具体的形式进行详细描述。
发明内容
本发明的主要目标是提供一种用于燃煤机组排烟的自动调节的连续性多床层脱碳系统，该系统包括至少一个吸收单元、一个再生单元、一个控制单元，一个余热回收装置，一个CO2提纯单元，可以提高低CO2分压烟气的碳捕集效率。
另一个目标是提供非燃煤机组CO2分压低的排烟中的CO2捕集系统，并且具有再生气体回路，进而调节进吸收塔烟气的CO2分压。
本发明的本质是将一个吸收单元、一个再生单元、一个控制单元、一个余热回收装置及一个CO2提纯单元组合为一级脱碳系统，根据捕集效率及能耗等的要求，可以设置二级或三级的组合脱碳系统。
所述的吸收单元至少包括吸收塔、测量装置、再生吸收剂输送装置、吸收剂称重给料器，进一步地，可在称重给料器前布置吸收剂干燥装置，或/和在烟气进入吸收塔前布置烟气预处理装置。
吸收塔作为吸收单元的核心装置用于CO2的捕集，为由塔板和碱金属基固体吸收剂颗粒组成的多层流化床，塔板为筛孔塔板，每层塔板均匀开孔，但开孔率层间可以相同，也可以不同。烟气由塔底进入，碱金属基固体吸收剂颗粒从吸收塔顶部进入，塔内的主体流动为气固两相逆流流动，每层为均匀的错流流动，强化传质，被吸收了CO2的净烟气从塔顶排出进入排放系统或者下游其他处理系统，吸收了CO2的碱金属基固体吸收剂从塔底排出进入再生塔。
所述的塔板上均匀地开有一定数量的供气体自下而上流动的通道，气体通道的型式有很多种，但不限定，可以根据系统及性能要求，设计各种异型开孔的塔板。
所述的再生单元至少包括再生塔、旋风分离器、加热装置、测量装置。
再生塔作为再生单元的核心装置用于吸收剂的再生，再生塔为循环流化床型式，可以与吸收塔的型式相同，也可以不同，塔内布置有加热装置，为再生反应提供热量。来自于吸收单元的吸收了CO2的碱金属基固体吸收剂经输送装置以及余热回收装置后从再生塔底部进入，流化气体从再生塔底部进入，流化气体为从旋风分离器顶部排出的CO2再生气体的部分回流，回流量通过阀门调节，再生后的碱金属基固体吸收剂，被旋风分离器收集，然后全部循环至吸收塔，或者一部分循环至吸收塔，一部分继续返回再生塔，返回量通过设置于第一吸收剂回路上的阀门调节。
进一步地，可以设置第二吸收剂回路，针对系统不稳定的情况，进一步提高吸收剂的利用率。
进一步地，可以设置CO2再生气体回路，调节烟气流的CO2分压，降低CO2分压对系统的影响。
余热回收装置，将再生后的碱金属基固体吸收剂的热量转移给吸收了CO2的碱金属基固体吸收剂，减少再生塔的热负荷。
CO2提纯单元，将CO2与水蒸气分离，保证CO2的纯度达到95%以上或者更要的要求，包括冷凝器、水箱、CO2捕集气体流测量装置、阀门。
所有测量装置均与控制单元连接，控制系统加载可编程序，对测量的各参数进行迭代计算，以优化CO2的捕集效率。
附图说明
下面将在附图的帮助下更详细地阐述本发明，以下相同的附图编号表示相同的元件。
图1是表示一种自动调节的连续性多床层脱碳系统的结构示意图。
图2是表示两级组合自动调节的连续性多床层脱碳系统的结构示意图。
图3是表示具有多种回路的一种自动调节的连续性多床层脱碳系统的结构示意图。
以上各图中，1为吸收单元、2为再生单元、3为控制单元、4为余热回收装置、5为CO2提纯单元、6为烟气流、7为烟气预处理装置、8为烟气测量装置、9为吸收剂干燥装置、10为吸收剂称重给料器、11为吸收塔、12为塔板、13为吸收塔测量装置、14为净烟气流、15为再生吸收剂输送装置、16为再生塔、17为加热装置、18为再生塔测量装置、19为旋风分离器、20为冷凝器、21为水箱、22为CO2捕集气体流、23为CO2捕集气体流测量装置、24为流化气体控制阀门、25为水箱阀门、26为第一吸收剂回路阀门、27为第二吸收剂回路阀门、28为再生气体回路阀门。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。应当指出，对于本技术领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对本发明进行修饰或变更，但这些修饰或变更也落入本发明权利要求的保护范围内。
主要的反应原理：吸收塔内，碱金属基固体吸收剂与CO2的反应过程属于气体与多孔固体的反应，在有水蒸气存在的条件下，碱金属基固体吸收剂吸收CO2生成碱金属基酸式碳酸盐；再生塔内，碱金属基酸式碳酸盐吸热解吸生成CO2和水蒸气的混合气体；混合气体经CO2提纯单元制备高纯度的CO2，再生的碱金属基固体吸收剂返回吸收塔的吸收剂入口，循环利用。
<第一实施例>
图1示出了本实施例涉及的连续性多床层脱碳系统的结构示意图，包括一个吸收单元、一个再生单元、一个控制单元，一个余热回收装置，一个CO2提纯单元。
吸收单元包括吸收塔、测量装置、再生吸收剂输送装置、吸收剂称重给料器、吸收剂干燥装置、烟气预处理装置。
吸收塔作为吸收单元的核心装置用于CO2的捕集，烟气由塔底进入，碱金属基固体吸收剂颗粒经干燥器、称重给料器从吸收塔顶部进入，烟气与吸收剂在塔内进行传热、传质和反应，塔内的主体流动为气固两相逆流流动，每层为均匀的错流流动，被吸收了CO2的净烟气从塔顶排出进入排放系统或者下游其他处理系统，吸收了CO2的碱金属基固体吸收剂从塔底排出进入再生塔。吸收塔是由塔板和固体吸收剂颗粒组成的多层流化床，塔内布置有塔板。塔板上均匀地开有一定数量的供气体自下而上流动的通道，气体通道的型式有很多种，本实施例采用筛孔塔板，但本发明并不限定塔板型式，塔内布置有两个吸收塔测量装置，两个吸收塔测量装置均与控制单元连接。
烟气进入吸收塔前布置烟气预处理装置，除去烟气中的强酸性气体，减少与吸收剂的竞争性反应。烟气输送管道上布置有烟气测量装置，测量烟气的热力学及动力学参数，烟气测量装置与控制单元连接。
碱金属基固体吸收剂为负载型的钠基碳酸盐、钾基碳酸盐等，载体为Al2O3、V2O3、TiO2、ZrO2等的一种或多种的掺杂混合物，因为碱金属基固体吸收剂颗粒具有强烈的吸湿性，在称重给料器前布置吸收剂干燥装置，吸收剂干燥装置可以采用电加热或者余热回收的方式加热干燥。
吸收剂称重给料器布置在吸收剂干燥装置后，称重给料器的传感器与控制单元连接，根据控制单元输出的信号随时调节吸收剂的量，以便于可以提高整个系统对负荷的适应性，同时提高吸收剂的利用率。
再生单元包括再生塔、旋风分离器、加热装置、测量装置， 再生塔作为再生单元的核心装置用于吸收剂的再生，再生塔为循环流化床型式，塔内布置有加热装置，加热装置可以采用电加热或者其他加热介质，为再生反应提供热量。来自于吸收单元的吸收了CO2的碱金属基固体吸收剂经余热回收装置后从再生塔底部进入，从旋风分离器顶部排出的CO2再生气体的部分回流作为流化气体从再生塔底部进入，作为流化气体的同时加热碱金属基固体吸收剂，再生后的碱金属基固体吸收剂被旋风分离器收集，然后经余热回收装置全部循环至吸收塔，塔内布置有2个再生塔测量装置，2个再生塔测量装置均与控制单元连接。
余热回收装置，将再生后的碱金属基固体吸收剂的热量转移给吸收了CO2的碱金属基固体吸收剂，减少再生塔的热负荷。
CO2提纯单元，将CO2与水蒸气分离，保证CO2的纯度达到95%以上或者更要的要求，包括冷凝器、水箱、CO2浓度测量装置、阀门。
<第二实施例>
图2示出了本实施例涉及两级组合的自动调节的连续性多床层脱碳系统的结构示意图，包括两个吸收单元、两个再生单元、两个控制单元，两个余热回收装置，两个CO2提纯单元，其中，两级吸收单元的工艺在烟气流方面存在差异。
第二实施例在第一实施例的基础上，布置两级脱碳系统，第二级脱碳系统为第一级的强化，进一步提高CO2的捕集效率。级间仅仅通过烟气流连接，上一级吸收塔塔顶排出的净烟气直接进入下一级吸收塔烟气入口，作为被捕集的烟气；碱金属基固体吸收剂只在级内循环， 并且每一级具有自己的吸收剂循环特性。
两级吸收塔内气流的组成不同，第二级气流的CO2浓度要低于第一级，对于较低CO2分压的烟气流，要达到更高的吸收性能，需对吸收塔进行对应的改进，主要从塔板数及塔板开孔率两个方面进行改进，本实施例主要是增大塔板开孔率，增大烟气流的流通面积，增加烟气与碱金属基固体吸收剂的接触面积，强化吸收反应的进行，提高吸收性能。
<第三实施例>
图3示出了本实施例涉及的具有多种回流的适应其他烟气的更加节能的连续性多床层脱碳系统的结构示意图，是在第一实施例的基础上，进一步优化系统，减少系统能耗，提高吸收剂利用率，包括一个吸收单元、一个再生单元、一个控制单元，一个余热回收装置，一个CO2提纯单元，两个再生吸收剂回路，一个再生气体回路。
第一个再生吸收剂回路设置于旋风分离器底部和再生塔之间，阀门26位于第一个再生吸收剂回路上，用以调节再生吸收剂的回流量，阀门26是可以调节其开度的阀门，但不限定于此，阀门调节根据控制单元输出的再生塔的信号进行调节。
第二个再生吸收剂回路设置于再生塔塔底与再生吸收剂输送装置之间，阀门27位于第二个再生吸收剂回路上，在再生塔流化状态不稳定的情况下，吸收了CO2的吸收剂或者与再生吸收剂的混合物聚集在再生塔塔底，通过阀门27调节其流量，阀门调节根据控制单元输出的整个CO2捕捉系统的综合信号进行调节。
再生气体回路用于调节烟气流的CO2分压，降低CO2分压对系统的影响，设置于旋风分离器出口与烟气预处理装置之间，具体位置位于流化气体下游的分支通道上，位于再生气体回路上的阀门28，根据控制单元输出的烟气流的信号进行调节。
以上，对本发明设计的典型的实施例进行了说明，但本发明不限定于上述实施例，可以再权利要求书的范围内实施各种修正或变更。
例如，对烟气流中水蒸气含量的调节，以促进吸收反应的进行，水源可以用CO2再生气分离下来的冷凝水，水管连接水箱底端的阀门。对于两级组合的脱碳系统，控制单元在实施例二中每级间是相对独立的，也可以将两个控制单元组合成一个主控单元。

Claims (7)

1.一种自动调节的连续性多床层脱碳系统，其特征在于，该系统包括至少一个吸收单元、一个再生单元、一个控制单元，一个余热回收装置，一个CO2提纯单元，用于节能降耗的物料流回路，设备及物料流的测量装置及阀门，吸收单元包括吸收塔、测量装置、再生吸收剂输送装置、吸收剂称重给料器、烟气预处理装置、吸收剂干燥装置，再生单元包括再生塔、旋风分离器、加热装置、测量装置，再生塔的流化气体为从旋风分离器顶部排出的CO2再生气体的部分回流，回流量根据控制单元输出的信号通过阀门调节，所有的测量装置和吸收单元内的吸收剂称重给料器均与控制单元连接，控制单元加载可编程序，对测量的各参数进行迭代计算，输出信号进行系统调节，提高系统的稳定运行，优化CO2的捕集效率，根据捕集效率及能耗要求，设置二级或三级的组合脱碳系统，级间仅仅通过烟气流连接，碱金属基固体吸收剂只在级内循环，并且每一级具有自己的吸收剂循环特性，级间控制单元相互独立或者多个控制单元组合成一个主控单元。
2.根据权利要求1所述的一种自动调节的连续性多床层脱碳系统，其特征在于，吸收塔作为吸收单元的核心装置用于CO2的捕集，为由塔板和吸收剂颗粒组成的多层流化床，塔板上开有供气体自下而上流动的通道，塔内布置有2个吸收塔测量装置，2个吸收塔测量装置均与控制单元连接。
3.根据权利要求1所述的一种自动调节的连续性多床层脱碳系统，其特征在于，再生塔作为再生单元的核心装置用于吸收剂的再生，再生塔为循环流化床型式，塔内布置有加热装置和2个测量装置，加热装置为再生反应提供热量， 2个测量装置均与控制单元连接。
4.根据权利要求1所述的一种自动调节的连续性多床层脱碳系统，其特征在于，再生塔的塔底设置再生吸收剂回路，再生吸收剂回路与再生吸收剂输送装置连接，回流量根据控制单元输出的信号通过阀门调节。
5.根据权利要求1所述的一种自动调节的连续性多床层脱碳系统，其特征在于，旋风分离器底部设置再生吸收剂回路，再生吸收剂回路与再生塔连接，回流量根据控制单元输出的信号通过阀门调节。
6.根据权利要求1所述的一种自动调节的连续性多床层脱碳系统，其特征在于，余热回收装置为一套设备将再生后的碱金属基固体吸收剂的热量转移给吸收了CO2的碱金属基固体吸收剂，提高了余热利用率，减少再生塔的热负荷。
7.根据权利要求1所述的一种自动调节的连续性多床层脱碳系统，其特征在于，CO2提纯单元将CO2与水蒸气分离，保证CO2的纯度达到95%以上，包括冷凝器、水箱、CO2捕集气体流测量装置，测量装置与控制单元连接。
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