CN114618259A - 一种烟气中二氧化碳捕集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烟气中二氧化碳捕集方法，设置空气通路和烟气通路，空气通路通过管道依次连接空气压缩机、压缩空气冷却器、压缩空气储集器、压缩空气膨胀机；烟气通路通过管道依次连接烟气处理器、烟气压缩机、烟气冷却器、二氧化碳冷凝器，并将多个二氧化碳固化器与二氧化碳冷凝器并列连接；其中，压缩空气膨胀机利用压缩空气膨胀产生的膨胀功带动烟气压缩机运行，同时压缩空气膨胀机输出的低温空气为二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器提供冷源；空气在空气通路中进行压缩、冷却、储存、膨胀，对二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器进行制冷，烟气在烟气通路中进行脱硫脱硝脱水、压缩、冷却、冷凝、固化后得到固态二氧化碳，实现二氧化碳的捕集。

Description

一种烟气中二氧化碳捕集方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集技术领域，特别涉及针对烟气采用冷却法进行二氧化碳捕集的方法。
背景技术
碳捕集与封存(Carbon Capture and Sequestration，简称CCS，也被译作碳捕获与埋存、碳收集与储存等)是指将大型发电厂所产生的二氧化碳(CO2)收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。二氧化碳的捕集方式主要有三种：燃烧前捕集(Pre-combustion)、富氧燃烧(Oxy-fuel combustion)和燃烧后捕集(Post-combustion)。燃烧后捕集即在燃烧排放的烟气中捕集CO2，如今常用的CO2分离技术主要有化学吸收法(利用酸碱性吸收)和物理吸收法(变温或变压吸附)。从理论上说，燃烧后捕集技术适用于任何一种火力发电厂。然而，普通烟气的压力小体积大，CO2浓度低，而且含有大量的氮气，因此捕集系统庞大，耗费大量的能源。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中燃烧后捕集方式面临的困难，提供一种利用空气制冷方法，通过将烟气中的CO2进行液化和固化的工艺实现CO2的捕集。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种烟气中二氧化碳捕集方法，设置空气通路和烟气通路，在空气通路中通过管道依次连接空气压缩机、压缩空气冷却器、压缩空气储集器、压缩空气膨胀机；在烟气通路中通过管道依次连接烟气处理器、烟气压缩机、烟气冷却器、二氧化碳冷凝器，并将多个二氧化碳固化器与二氧化碳冷凝器并列连接；其中，所述压缩空气膨胀机利用压缩空气膨胀产生的膨胀功带动烟气压缩机运行，同时压缩空气膨胀机输出的低温空气为二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器提供冷源；空气在空气通路中经过压缩、冷却、储存、膨胀后输出低温空气，该低温空气过对烟气通路中的二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器进行制冷后排出；烟气在烟气通路中经过脱硫脱硝脱水、压缩、冷却、冷凝、固化后得到固态二氧化碳。
本发明的二氧化碳捕集方法中，所述压缩空气膨胀机通过机械传动机构连接烟气压缩机，从而将压缩空气膨胀产生的膨胀功传递给烟气压缩机。
本发明的二氧化碳捕集方法中，所述二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器均采用间壁式换热器结构，所述二氧化碳冷凝器设有烟气入口和液态二氧化碳出口、空气入口和排气口，所述二氧化碳固化器设有二氧化碳入口和排气口、空气入口和空气出口；其中，二氧化碳冷凝器的液态二氧化碳出口通过管道并列连接多个二氧化碳固化器的二氧化碳入口，多个二氧化碳固化器的空气出口通过管道并列连接二氧化碳冷凝器的空气入口；所述压缩空气膨胀机的出口通过管道并列连接到多个二氧化碳固化器的空气入口。压缩空气膨胀机输出的低温空气先流经二氧化碳固化器再流经二氧化碳冷凝器与烟气进行间壁式换热。
上述二氧化碳的捕集方法中，空气在空气通路中依次经过空气压缩机、压缩空气冷却器、压缩空气储集器、压缩空气膨胀机进行压缩、冷却、储存、膨胀，再经过对二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器的制冷环节后排出系统；烟气依次经过烟气通路的烟气处理器、烟气压缩机、烟气冷却器、二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器进行脱硫脱硝脱水、压缩、冷却、冷凝、固化后得到固态二氧化碳，其余成分直接排放到大气环境。空气与烟气在本发明方法中都是通过各自的工艺流程进行流动换热，在二氧化碳冷凝器以及多个二氧化碳固化器中空气与烟气发生热量交换，空气温度升高，烟气温度降低，分离出二氧化碳。本流程中的多个二氧化碳固化器是错时、轮次使用的，这样可以保障二氧化碳捕集工艺的连续性，二氧化碳固化器中分离的固态二氧化碳需要采用机械手段进行收集和移除。本方法中烟气处理器的作用是进行脱硫、脱硝等去除具有管路腐蚀性的气体，以及脱水干燥，避免工艺过程中水分凝结堵塞管路。
在发明的二氧化碳捕集方法中，空气经过压缩、冷却、储存、膨胀、制冷环节后排出系统；烟气经过压缩、冷却、冷凝、固化后得到固态二氧化碳，其余成分直接排放到大气环境。
本发明的二氧化碳捕集方法中，设置多个二氧化碳固化器。在进行二氧化碳固化时，二氧化碳固化器的排气是轮次进行的，有一定的时间间隔。
本发明的二氧化碳捕集方法具备压缩空气储能功能。空气压缩机与压缩空气膨胀机可以同时运行，也可以利用低谷电压缩空气储存在压缩空气储集器中，此时压缩空气膨胀机是不运行的。
本发明的二氧化碳捕集方法可仅依靠压缩空气实现运转。压缩空气储集器中具有充足的压缩空气时，便可驱动压缩空气膨胀机运转带动烟气压缩机。
本发明的二氧化碳捕集方法所处理的烟气可以是任意包含二氧化碳的工、商、交通业废气。
本发明的二氧化碳捕集方法中，二氧化碳固化器需要在二氧化碳固化后对固体二氧化碳进行收集和转移。
本发明的二氧化碳捕集方法中，烟气处理器是处理根据不同行业烟气排放处理规定中除二氧化碳以外成分的装置。
在本发明的一个实施例中，所述烟气冷却器采用间壁式换热器结构，设有热汇入口和排气口、烟气入口和烟气出口；多个二氧化碳固化器的排气口通过管道并列连接烟气冷却器的热汇入口，烟气压缩机的出口通过管道连接烟气冷却器的烟气入口，烟气冷却器的烟气出口通过管道连接二氧化碳冷凝器的烟气入口；烟气冷却器利用二氧化碳固化器的低温排气作为冷源对来自烟气压缩机的高温烟气进行冷却，实现冷量回收。在另一个实施例中，二氧化碳冷凝器的排气口也通过管道连接烟气冷却器的热汇入口，利用二氧化碳固化器中完成CO2捕集后的烟气的冷量与二氧化碳冷凝器排出空气的冷量同时作为烟气冷却器的冷源，实现冷量回收。
在本发明的一个实施例中，所述压缩空气冷却器采用间壁式换热器结构，设有热汇入口和排气口，二氧化碳冷凝器的排气口通过管道连接压缩空气冷却器的热汇入口，利用二氧化碳冷凝器排出空气的冷量作为压缩空气冷却器的冷源，实现冷量回收。
在本发明的一个实施例中，所述烟气冷却器采用间壁式换热器结构，设有热汇入口和排气口、烟气入口和烟气出口，烟气压缩机的出口通过管道连接烟气冷却器的烟气入口，烟气冷却器的烟气出口通过管道连接二氧化碳冷凝器的烟气入口，二氧化碳冷凝器的排气口通过管道连接烟气冷却器的热汇入口，热汇与烟气在烟气冷却器中进行非接直接接触式热交换，实现冷量回收。
在本发明的一个实施例中，所述压缩空气冷却器采用间壁式换热器结构，设有热汇入口和排气口；多个二氧化碳固化器的排气口通过管道并列连接压缩空气冷却器的热汇入口，热汇与压缩空气在压缩空气冷却器中进行非接直接接触式热交换，实现冷量回收。在另一个实施例中，二氧化碳冷凝器的排气口也通过管道连接压缩空气冷却器的热汇入口，利用二氧化碳固化器中完成CO2捕集后的烟气的冷量与二氧化碳冷凝器排出空气的冷量同时作为压缩空气冷却器的冷源，实现冷量回收。在又一个实施例中，所述烟气冷却器也采用间壁式换热器结构，设有热汇入口和排气口、烟气入口和烟气出口；二氧化碳冷凝器的排气口通过管道连接烟气冷却器的热汇入口，在利用二氧化碳固化器中完成CO2捕集后的烟气的冷量作为压缩空气冷却器的冷源的同时，利用二氧化碳冷凝器排出空气的冷量作为烟气冷却器的冷源，实现冷量回收。
在本发明的二氧化碳捕集方法中，空气压缩机、压缩空气冷却器、压缩空气储集器、压缩空气膨胀机、烟气处理器、烟气压缩机、烟气冷却器、二氧化碳冷凝器等装置的具体类型不受限制，可以是任何能够实现工艺要求的装置。
本发明采用空气为制冷工质，安全、绿色、来源广，所用装置及工艺实施方法门槛低，更加利于推广。同时该方法具备储能功能，不完全依赖于外部能源，可利用任意能源形式获取的压缩空气驱动系统运行。
附图说明
图1是本发明实施例一的二氧化碳捕集系统的构成及连接方式示意图。
图2是本发明实施例二的二氧化碳捕集系统的构成及连接方式示意图。
图3是本发明实施例三的二氧化碳捕集系统的构成及连接方式示意图。
图4是本发明实施例四的二氧化碳捕集系统的构成及连接方式示意图。
图5是本发明实施例五的二氧化碳捕集系统的构成及连接方式示意图。
图6是本发明实施例六的二氧化碳捕集系统的构成及连接方式示意图。
图7是本发明实施例七的二氧化碳捕集系统的构成及连接方式示意图。
图8是本发明实施例八的二氧化碳捕集系统的构成及连接方式示意图。
图中标号说明：
1—空气压缩机，2—压缩空气冷却器，3—压缩空气储集器，4—压缩空气膨胀机，5—烟气处理器，6—烟气压缩机，7—烟气冷却器，8—二氧化碳冷凝器，9-1至9-3—二氧化碳固化器。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步阐述本发明的技术方案。
实施例一
如图1所示，该实施例中CO2捕集系统由空气压缩机1、压缩空气冷却器2、压缩空气储集器3、压缩空气膨胀机4、烟气处理器5、烟气压缩机6、烟气冷却器7、二氧化碳冷凝器8以及若干个二氧化碳固化器9-1至9-3等组成，其中，空气压缩机1、压缩空气冷却器2、压缩空气储集器3、压缩空气膨胀机4通过管道依次连接；烟气处理器5、烟气压缩机6、烟气冷却器7、二氧化碳冷凝器8通过管道依次连接；所述二氧化碳冷凝器8为间壁式换热器结构；压缩空气膨胀机4通过机械传动连接烟气压缩机6；所述二氧化碳固化器9-1至9-3为并联结构，其液态二氧化碳进口通过管道并列连接二氧化碳冷凝器8的液态二氧化碳出口，同时，其空气入口通过管道并联连接压缩空气膨胀机4的空气出口，二氧化碳固化器9-1至9-3的空气出口通过管路并联连接二氧化碳冷凝器8的空气入口。
空气首先经过空气压缩机1进行压缩，压缩空气经过压缩空气冷却器2冷却后进入压缩空气储集器3。这一过程可以是在CO2捕集过程中同时进行，也可以是在系统空闲时间独立进行。压缩空气储集器3中的压缩空气释放到压缩空气膨胀机4中时，压缩空气膨胀产生极低温度约-120℃，同时产生大量的膨胀功。压缩空气膨胀机4利用膨胀功带动烟气压缩机6运行，烟气压缩机6从烟气处理器5吸入富含大量CO2的烟气，经过压缩的烟气送入烟气冷却器7冷却后，在二氧化碳冷凝器8中经过间壁式换热温度进一步降低到CO2液化温度，此时CO2气体实现液化从烟气中分离开来，经二氧化碳冷凝器8液体出口排出的液态CO2和烟气的混合物随之进入二氧化碳固化器9-1至9-3。在这里，压缩空气膨胀机4输出的-120℃的低温空气通过间壁式换热将液态二氧化碳进一步冷却为固态二氧化碳，然后剩余的不凝烟气直接从二氧化碳固化器的排气口排出。因为CO2的凝固需要有一定时间，因此二氧化碳固化器有若干个，从而保障工艺处理过程的连贯，不同的二氧化碳固化器由相应的控制机构保障工质进出的时机。-120℃的低温空气在将CO2凝固后温度仍然很低，因此再次进入二氧化碳冷凝器8，作为CO2液化的冷源。
实施例二
如图2所示，该实施例中，在实施例一的基础上，二氧化碳固化器9-1至9-3的排气口通过管道并列连接烟气冷却器7的热汇入口；烟气冷却器7为间壁式换热器结构，烟气与热汇在此进行非接直接接触式热交换，烟气冷却器7的烟气入口与烟气压缩机6的出口通过管道连接，烟气冷却器7利用二氧化碳固化器9-1至9-3的低温排气作为冷源对来自烟气压缩机6的高温烟气进行冷却。利用二氧化碳固化器9-1至9-3中完成CO2捕集后的烟气的冷量作为烟气冷却器7的冷源，实现冷量回收。其余方法及过程与实施例一相同。
实施例三
如图3所示，该实施例中，在实施例一的基础上，所述压缩空气冷却器2采用间壁式换热器结构，二氧化碳冷凝器8的排气口通过管道连接压缩空气冷却器2的热汇入口，热汇与压缩空气在压缩空气冷却器2中进行非接直接接触式热交换。利用二氧化碳冷凝器8排出空气的冷量作为压缩空气冷却器2的冷源，实现冷量回收。其余方法及过程与实施例一相同。
实施例四
如图4所示，该实施例中，在实施例一的基础上，所述烟气冷却器7采用间壁式换热器结构，二氧化碳冷凝器8的排气口通过管道连接烟气冷却器7的热汇入口，热汇与烟气在烟气冷却器7中进行非接直接接触式热交换。利用二氧化碳冷凝器8出口空气的冷量作为烟气冷却器7的冷源，实现冷量回收。其余方法及过程与实施例一相同。
实施例五
如图5所示，该实施例中，在实施例一的基础上，所述压缩空气冷却器2采用间壁式换热器结构，二氧化碳固化器9-1至9-3的排气口通过管道并列连接压缩空气冷却器2的热汇入口，热汇与压缩空气在压缩空气冷却器2中进行非接直接接触式热交换。利用二氧化碳固化器9-1至9-3中完成CO2捕集后的烟气的冷量作为压缩空气冷却器2的冷源，实现冷量回收。其余方法及过程与实施例一相同。
实施例六
如图6所示，该实施例中，在实施例五的基础上，二氧化碳冷凝器8的排气口也通过管道连接压缩空气冷却器2的热汇入口，热汇与压缩空气在压缩空气冷却器2中进行非接直接接触式热交换。利用二氧化碳固化器9-1至9-3中完成CO2捕集后的烟气的冷量与二氧化碳冷凝器8排出空气的冷量同时作为压缩空气冷却器2的冷源，实现冷量回收。其余方法及过程与实施例一相同。
实施例七
如图7所示，该实施例中，在实施例二的基础上，二氧化碳冷凝器8的排气口通过管道连接烟气冷却器7的热汇入口，烟气冷却器7采用间壁式换热器结构，热汇与烟气进行非接直接接触式热交换。利用二氧化碳固化器9-1至9-3中完成CO2捕集后的烟气的冷量与二氧化碳冷凝器8排出空气的冷量同时作为烟气冷却器7的冷源，实现冷量回收。其余方法及过程与实施例一相同。
实施例八
如图8所示，该实施例中，在实施例五的基础上，所述烟气冷却器7采用间壁式换热器结构，二氧化碳冷凝器8的排气口通过管道连接烟气冷却器7的热汇入口，热汇与烟气进行非接直接接触式热交换。利用二氧化碳固化器9-1至9-3中完成CO2捕集后的烟气的冷量作为压缩空气冷却器2的冷源，实现冷量回收；利用二氧化碳冷凝器8排出空气的冷量作为烟气冷却器7的冷源，实现冷量回收。其余方法及过程与实施例一相同。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明型不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种烟气中二氧化碳捕集方法，设置空气通路和烟气通路，在空气通路中通过管道依次连接空气压缩机、压缩空气冷却器、压缩空气储集器、压缩空气膨胀机；在烟气通路中通过管道依次连接烟气处理器、烟气压缩机、烟气冷却器、二氧化碳冷凝器，并将多个二氧化碳固化器与二氧化碳冷凝器并列连接；其中，所述压缩空气膨胀机利用压缩空气膨胀产生的膨胀功带动烟气压缩机运行，同时压缩空气膨胀机输出的低温空气为二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器提供冷源；空气在空气通路中经过压缩、冷却、储存、膨胀后输出低温空气，该低温空气过对烟气通路中的二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器进行制冷后排出；烟气在烟气通路中经过脱硫脱硝脱水、压缩、冷却、冷凝、固化后得到固态二氧化碳。
2.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述压缩空气膨胀机通过机械传动机构连接烟气压缩机，从而将压缩空气膨胀产生的膨胀功传递给烟气压缩机。
3.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述二氧化碳冷凝器和二氧化碳固化器均采用间壁式换热器结构，压缩空气膨胀机输出的低温空气先流经二氧化碳固化器再流经二氧化碳冷凝器与烟气进行间壁式换热。
4.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，在进行二氧化碳固化时，多个二氧化碳固化器轮次进行排气。
5.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述空气压缩机与压缩空气膨胀机同时运行，或者，利用低谷电压缩空气储存在压缩空气储集器中，此时压缩空气膨胀机不运行。
6.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述烟气冷却器采用间壁式换热器结构，在烟气冷却器中利用二氧化碳固化器的低温排气作为冷源对来自烟气压缩机的高温烟气进行冷却。
7.如权利要求1或6所述的烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述烟气冷却器采用间壁式换热器结构，利用二氧化碳冷凝器排出空气的冷量作为烟气冷却器的冷源。
8.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述压缩空气冷却器为间壁式换热器结构，利用二氧化碳固化器中完成CO2捕集后的烟气的冷量作为压缩空气冷却器的冷源。
9.如权利要求1或8所述的烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述压缩空气冷却器为间壁式换热器结构，利用二氧化碳冷凝器排出空气的冷量作为压缩空气冷却器的冷源。
10.如权利要求8所述的烟气中二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述烟气冷却器采用间壁式换热器结构，利用二氧化碳冷凝器排出空气的冷量作为烟气冷却器的冷源。
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