CN114768488B - 一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，涉及废热回收技术领域，包括：碳捕集系统，包括依次连接的吸收塔、贫富液换热器、解吸塔，吸收塔顶部连接脱碳烟气水洗塔；解吸塔顶部连接气液分离器，底部连接再沸器；气液分离器和再沸器之间连接冷凝水换热器；吸收式热泵，其发生器用于将去除部分过热度的汽轮机过热蒸汽输入冷凝水换热器，发生器连接冷凝水换热器；吸收式热泵的蒸发器用于接收脱碳烟气水洗塔处理后的冷却水，蒸发器与脱碳烟气水洗塔之间连接循环冷却水储罐。本发明借助吸收式热泵系统回收脱碳烟气中的水蒸汽潜热，同时回收利用蒸汽的过热度或二氧化碳多级压缩的废热降低脱碳燃煤机组的能量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及废热回收技术领域，尤其涉及一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统。
背景技术
以醇胺类为吸收剂的化学类吸收法技术相对成熟，但在其吸收剂再生过程中需要大量的蒸汽热量，导致蒸汽动力循环的效率较低，降低了燃煤机组的输出功率。另外醇胺类吸收剂在高温下易分解，故对捕碳蒸汽的压力和温度有严格的要求，由此会产生抽蒸汽能级不匹配的问题，造成能量的浪费。
在碳捕集系统的运行过程中会不可避免地产生废热损失，其中吸收塔顶的脱碳烟气温度大约为60℃，其中仍含有大量的水蒸气汽化潜热，余热无法得到充分利用，造成了热量浪费。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种燃煤烟气二氧化碳捕集系统，借助吸收式热泵系统回收脱碳烟气中的水蒸汽潜热，同时回收利用蒸汽的过热度或二氧化碳多级压缩的废热降低脱碳燃煤机组的能量损耗。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，包括：
碳捕集系统，包括依次连接的吸收塔、贫富液换热器、解吸塔，吸收塔顶部连接脱碳烟气水洗塔；解吸塔顶部连接气液分离器，底部连接再沸器；气液分离器和再沸器之间连接冷凝水换热器；
吸收式热泵，其发生器用于将去除部分过热度的汽轮机过热蒸汽输入冷凝水换热器，发生器连接冷凝水换热器；吸收式热泵的蒸发器用于接收脱碳烟气水洗塔处理后的冷却水，蒸发器与脱碳烟气水洗塔之间连接循环冷却水储罐。
作为进一步的实现方式，所述吸收塔通过富液泵连接至贫富液换热器的冷侧入口，贫富液换热器的冷侧出口连接解吸塔的顶部入口；
所述贫富液换热器的顶部出口通过贫液冷却器连接吸收塔的顶部入口，贫富液换热器的底部入口通过贫液泵连接再沸器的底部出口。
作为进一步的实现方式，所述循环冷却水储罐顶部入口连接脱碳烟气水洗塔底部出口，循环冷却水储罐其中一个底部出口连接至贫液冷却器和贫富液换热器顶部出口之间，循环冷却水储罐另一出口连接蒸发器。
作为进一步的实现方式，所述脱碳烟气水洗塔的顶部入口连接蒸发器。
作为进一步的实现方式，所述解吸塔顶部出口通过解吸塔顶换热器连接气液分离器入口，气液分离器底部出口连接冷凝水换热器冷侧入口，所述冷凝水换热器的冷侧出口与解吸塔的底部入口相连。
作为进一步的实现方式，过热蒸汽在吸收式热泵的发生器和冷凝水换热器中降温至饱和状态，并与冷凝水换热器热侧入口相连，所述冷凝水换热器的热侧出口与再沸器的热侧入口相连，解吸塔的底部出口与再沸器的冷侧入口相连，解吸塔的底部入口与再沸器的冷侧出口相连。
第二方面，本发明的实施例还提供了一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，包括：
碳捕集系统，包括依次连接的吸收塔、贫富液换热器、解吸塔，吸收塔顶部连接脱碳烟气水洗塔；解吸塔顶部连接气液分离器，底部连接再沸器；
吸收式热泵，其发生器用于将去除部分过热度的汽轮机过热蒸汽输入冷凝水换热器，发生器通过冷凝水换热器连接再沸器；吸收式热泵的蒸发器用于接收脱碳烟气水洗塔处理后的冷却水，蒸发器与脱碳烟气水洗塔之间连接循环冷却水储罐；
二氧化碳多级压缩装置，连接于气液分离器和解吸塔之间，用于回收压缩过程的中间冷却热。
作为进一步的实现方式，所述吸收塔底部出口依次通过富液泵、贫富液换热器热侧入口、贫富液换热器热侧出口、解吸塔顶部入口、解吸塔底部出口、再沸器冷侧入口、再沸器冷侧出口、贫液泵、贫富液换热器冷侧入口、贫富液换热器冷侧出口、贫液冷却器与吸收塔顶部入口形成回路。
作为进一步的实现方式，过热蒸汽在吸收式热泵的发生器中降温至饱和状态，并与再沸器热侧入口相连。
作为进一步的实现方式，所述二氧化碳多级压缩装置包括多级依次连接的再生二氧化碳压缩机和中间冷却器。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明利用吸收式热泵系统回收脱碳烟气的水蒸气潜热，降低了碳捕集系统的能量损失，脱碳烟气中的部分水蒸气被回收，作为补充水返回到了碳捕集系统中，降低了碳捕集系统的水耗。
(2)本发明利用汽轮机抽汽的过热度作为吸收式热泵系统的驱动热源，降低了捕集系统再沸器损的同时避免了碳捕集系统中吸收剂的热降解损失；利用汽轮机抽汽的过热度加热解吸塔顶的冷凝回水，加热后的冷回水以汽水混合物的状态返回至塔底，降低了碳捕集系统的再生能耗。
(3)本发明可回收压缩过程的中间冷却热，解吸塔顶部的再生气经过塔顶换热器冷凝，之后进入气液分离器，气态的高纯度的CO2从分离器顶部离开，进入CO2多级压缩装置，方便运输和储存；分离的液态水进入压缩机中间冷却器回收压缩过程产生的热量，变为气液混合态从解吸塔底部返回捕集系统。
(4)本发明的燃煤机组耦合回收系统可以回收碳捕集过程中的废热用于加热锅炉的回水，降低用于加热锅炉回水的回热抽汽，提高燃煤机组的蒸汽利用率和发电效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例二的结构示意图；
图3是本发明实施例三的结构示意图。
其中，1、吸收塔，2、富液泵，3、贫富液换热器，4、解吸塔，5、解吸塔顶换热器，6、气液分离器，7、吸收式热泵，7A、吸收器，7C、冷凝器，7E、蒸发器，7G、发生器，8、冷凝水换热器，9、再沸器，10、贫液泵，11、贫液冷却器，12、脱碳烟气水洗塔，13、循环冷却水储罐，14、锅炉，15、汽轮机，16、发电机，17、凝汽器，18、凝结水泵，19、除氧器，20、给水泵，21、给水加热器，22、烟囱，23、再生二氧化碳压缩机，24、中间冷却器。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，包括碳捕集系统和第一类吸收式热泵，如图1所示，碳捕集系统包括吸收塔1、贫富液换热器3、解吸塔4、脱碳烟气水洗塔12、吸收式热泵7等；为了便于描述，以图1所示方向为参考定义顶、底、侧等方位，该方位为相对概念，对本申请并不形成任何限制。
燃煤机组的烟气与吸收塔1的底部入口相连，吸收塔1顶部出口与脱碳烟气水洗塔12的底部入口相连，吸收塔1顶部入口与贫液冷却器11的出口相连，吸收塔1底部出口与富液泵2的入口相连。
贫富液换热器3的冷侧入口与富液泵2的出口相连，贫富液换热器3的冷侧出口与解吸塔4的顶部入口相连，贫富液换热器3的热侧入口通过贫液泵10与再沸器9的底部出口相连，贫富液换热器3的热侧出口与贫液冷却器11的入口相连。
解吸塔4的顶部出口再生气与解吸塔顶换热器5入口相连，解吸塔4底部出口流入再沸器9；气液分离器6的入口与解吸塔顶换热器5的出口相连，气液分离器6顶部出口用于排出捕集到的高纯度二氧化碳气体，可进入后续的压缩装置。
解吸塔4底部出口与冷凝水换热器8的冷侧入口相连，冷凝水换热器8的冷侧出口与解吸塔4的底部入口相连。再沸器9的冷侧入口与解吸塔4的底部出口相连，冷侧出口与解吸塔4的底部入口相连；再沸器9的热侧入口与汽轮机抽蒸汽管道相连，再沸器9热侧出口与锅炉冷凝回水管道相连。
在本实施例中，第一类吸收式热泵以汽轮机抽蒸汽的过热度作为驱动热源，在吸收式热泵7的发生器7G中去除过热度后排出；循环冷却水在脱碳烟气水洗塔12的顶部进入，吸收脱碳烟气中的水蒸气汽化潜热作为吸收式热泵7的低温热源。
循环冷却水储罐13的入口与脱碳烟气水洗塔12的底部出口相连，循环冷却水储罐13底部出口的一部分冷却水作为补充水与贫富液换热器3的热侧出口物流汇合后与贫液冷却器11的入口相连，其余大部分冷却水进入吸收式热泵7的蒸发器7E中完成放热；锅炉的回水依次进入吸收式热泵7的冷凝器7C和吸收器7A中吸热。
本实施例的工艺过程为：
第一类吸收式热泵的工艺流程：
从汽轮机抽取的过热蒸汽通过吸收式热泵7的发生器7G去除部分过热度后进入冷凝水换热器8中冷却至饱和蒸汽状态，然后排至碳捕集系统的再沸器9。循环冷却水在脱碳烟气水洗塔12内吸收脱碳烟气中的水蒸气汽化潜热后，一小部分冷却水作为碳捕集系统的补充水返回碳捕集系统中，绝大部分进入吸收式热泵7的蒸发器7E中。燃煤机组中从凝汽器流出的凝结水依次经过吸收式热泵7的冷凝器7C和吸收器7A，再经各级回水加热器后送入锅炉。
二氧化碳捕集系统的工艺流程为：
燃煤烟气经脱硫脱硝后从底部进入吸收塔1，与从顶部进入的乙醇胺吸收溶液在吸收塔1内逆流接触，完成对烟气中CO2的脱除。吸收塔1顶部的脱碳烟气进入脱碳烟气水洗塔12。底部的富液经富液泵2加压后进入贫富液换热器3升温，最后进入解吸塔4完成CO2的解吸和吸收剂的再生。
解吸塔4顶部的再生气经过解吸塔顶换热器5冷凝，之后进入气液分离器6，气态的高纯度的CO2从气液分离器6顶部离开，分离的液态水进入冷凝水换热器8中吸收抽汽的过热，变为气液混合态从解吸塔底部返回碳捕集系统。
解吸塔4底部设有再沸器9，再沸器9的热侧入口与冷凝水换热器8的出口相连，汽轮机抽汽在再沸器9中冷凝放热后从热侧出口流出返回至锅炉的回水系统；吸收剂溶液从再沸器9的冷侧入口进入，吸热后从冷侧出口流出。解吸塔4底的贫液经贫液泵升压后进入贫富液换热器3预冷，随后进入贫液冷却器11进一步降温后进入吸收塔1完成循环。
本实施例利用吸收式热泵系统回收脱碳烟气的水蒸气潜热，降低了碳捕集系统的能量损失，脱碳烟气中的部分水蒸气被回收，作为补充水返回到了碳捕集系统中，降低了碳捕集系统的水耗。并利用汽轮机抽汽的过热度作为吸收式热泵系统的驱动热源，降低了捕集系统再沸器损的同时避免了碳捕集系统中吸收剂的热降解损失。通过汽轮机抽汽的过热度加热解吸塔顶的冷凝回水，加热后的冷回水以汽水混合物的状态返回至塔底，降低了碳捕集系统的再生能耗。
本实施例可以回收碳捕集过程中的废热用于加热锅炉的回水，降低用于加热锅炉回水的回热抽汽，提高燃煤机组的蒸汽利用率和发电效率。
实施例二：
本实施例提供了一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，基于对解吸塔顶回水加热，包括碳捕集系统、第一类吸收式热泵和二氧化碳多级压缩装置，其与实施例一的区别在于回收压缩过程的中间冷却热，如图2所示，气液分离器6和解吸塔4之间连接二氧化碳多级压缩装置，再沸器9的顶部出口连接至解吸塔4底部入口。
第一类吸收式热泵的工艺流程与实施例一相同，本实施例吸收式热泵的发生器7G连接再沸器9。
二氧化碳多级压缩装置包括多级依次连接的再生二氧化碳压缩机23和中间冷却器24，其中，中间冷却器24为介于压缩机之间的冷却器，仅用于与其他位置的冷却器进行区分，对其结构并未进行限制。
在本实施例中，设置三级二氧化碳压缩机23和中间冷却器24，气液分离器6的顶部出口连接一级二氧化碳压缩机23的入口，一级二氧化碳压缩机23的出口连接一级中间冷却器24的顶部入口，一级中间冷却器24的底部出口连接二级二氧化碳压缩机23的入口，依次类推。气液分离器6的底部出口与各级中间冷却器24的冷侧入口并联，各级中间冷却器24的冷侧出口连接至解吸塔4的底部入口。
燃煤烟气经脱硫脱硝后从底部进入吸收塔1，与从顶部进入的乙醇胺吸收溶液在吸收塔1内逆流接触，完成对烟气中CO2的脱除。脱除CO2的烟气从吸收塔1顶部排出，吸收塔1底部的富液经富液泵2加压后进入贫富液换热器3升温，最后进入解吸塔4完成CO2的解吸和吸收剂的再生。
解吸塔4顶部的再生气经过解吸塔顶换热器5冷凝，之后进入气液分离器6，气态的高纯度的CO2从气液分离器6顶部离开，进入二氧化碳多级压缩装置，方便运输和储存。
分离的液态水进入中间冷却器24回收压缩过程产生的热量，变为气液混合态从解吸塔4底部返回捕集系统。解吸塔4底部设有再沸器9，过热蒸汽在吸收式热泵7的发生器7G中完全去除过热度后又进入再沸器9中冷凝放热后从热侧出口流出返回至锅炉的回水系统；吸收剂溶液从再沸器9的冷侧入口进入，吸热后从冷侧出口流出。解吸塔4底的贫液经贫液泵升压后进入贫富液换热器3预冷，随后进入贫液冷却器11进一步降温后进入吸收塔完成循环。
实施例三：
实施例一或实施例二所述的燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统可用于燃煤机组中，如图3所示，还包括锅炉14、汽轮机15、除氧器19等，具体的，以实施例一所述的燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统为例，如图3所示，锅炉14产生的蒸汽进入汽轮机15，驱动发电机16发电，汽轮机15的排汽依次通过凝汽器17、凝结水泵18、吸收式热泵7、除氧器19和给水加热器21后返回到锅炉14中。
本实施例的汽轮机15排汽经过凝汽器17冷凝和凝结水泵18升压后，进入吸收式热泵7中吸热；汽轮机15的捕碳抽蒸汽进入吸收式热泵7去除过热度，然后为碳捕集系统的二氧化碳解吸过程供热，冷凝水与锅炉回水汇合后流入除氧器19中；在汽轮机中引出两股蒸汽分别流向除氧器19和给水加热器21用于除氧和加热锅炉回水。
本实施例的锅炉14燃烧产生的含碳烟气经碳捕集系统脱除二氧化碳，且其水蒸气潜热被吸收式热泵7的蒸发器回收后，送入烟囱22排到环境中。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，包括：
碳捕集系统，包括依次连接的吸收塔、贫富液换热器、解吸塔，吸收塔顶部连接脱碳烟气水洗塔；解吸塔顶部连接气液分离器，底部连接再沸器；气液分离器和再沸器之间连接冷凝水换热器；
吸收式热泵，其发生器用于将去除部分过热度的汽轮机过热蒸汽输入冷凝水换热器，发生器连接冷凝水换热器；吸收式热泵的蒸发器用于接收脱碳烟气水洗塔处理后的冷却水，蒸发器与脱碳烟气水洗塔之间连接循环冷却水储罐；
所述吸收塔通过富液泵连接至贫富液换热器的冷侧入口，贫富液换热器的冷侧出口连接解吸塔的顶部入口；
所述贫富液换热器的顶部出口通过贫液冷却器连接吸收塔的顶部入口，贫富液换热器的底部入口通过贫液泵连接再沸器的底部出口；
所述循环冷却水储罐顶部入口连接脱碳烟气水洗塔底部出口，循环冷却水储罐其中一个底部出口连接至贫液冷却器和贫富液换热器顶部出口之间，循环冷却水储罐另一出口连接吸收式热泵的蒸发器；
其特征在于，所述脱碳烟气水洗塔的顶部入口连接吸收式热泵的蒸发器；
所述解吸塔顶部出口通过解吸塔顶换热器连接气液分离器入口，气液分离器底部出口连接冷凝水换热器冷侧入口，所述冷凝水换热器的冷侧出口与解吸塔的底部入口相连；
过热蒸汽在吸收式热泵的发生器和冷凝水换热器中降温至饱和状态，并与冷凝水换热器热侧入口相连，所述冷凝水换热器的热侧出口与再沸器的热侧入口相连，解吸塔的底部出口与再沸器的冷侧入口相连，解吸塔的底部入口与再沸器的冷侧出口相连。
2.一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，包括：
碳捕集系统，包括依次连接的吸收塔、贫富液换热器、解吸塔，吸收塔顶部连接脱碳烟气水洗塔；解吸塔顶部连接气液分离器，底部连接再沸器；
吸收式热泵，其发生器用于将去除部分过热度的汽轮机过热蒸汽输入冷凝水换热器，冷凝水换热器连接再沸器；吸收式热泵的蒸发器用于接收脱碳烟气水洗塔处理后的冷却水，蒸发器与脱碳烟气水洗塔之间连接循环冷却水储罐；
二氧化碳多级压缩装置，连接于气液分离器和解吸塔之间，气液分离器分离出的水用于回收压缩过程的中间冷却热。
3.根据权利要求2所述的一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述吸收塔底部出口依次通过富液泵、贫富液换热器热侧入口、贫富液换热器热侧出口、解吸塔顶部入口、解吸塔底部出口、再沸器冷侧入口、再沸器冷侧出口、贫液泵、贫富液换热器冷侧入口、贫富液换热器冷侧出口、贫液冷却器与吸收塔顶部入口形成回路。
4.根据权利要求2所述的一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，过热蒸汽在吸收式热泵的发生器中降温至饱和状态，并与再沸器热侧入口相连。
5.根据权利要求2所述的一种燃煤机组烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述二氧化碳多级压缩装置包括多级依次连接的再生二氧化碳压缩机和中间冷却器。
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