CN115371450A - 一种多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，主要采用的技术方案为:水泥厂单元包括用于干燥研磨水泥原料的原料磨；水泥窑烟气余热发电单元，其包括与原料磨连接的烟气净化装置、与原料磨连接的窑尾锅炉、窑头锅炉、高压蒸汽尖峰加热器、低压蒸汽尖峰加热器、汽轮机高压缸、汽轮机低压缸、除氧器和蒸汽发电电机；碳捕集单元，其包括co2吸收解析单元和co2冷却捕集及回收余热单元；碳捕集热源单元，其包括分别与所述汽轮机低压缸出口、所述再沸器和所述第一冷却器连接的换热器以及用于向所述换热器提供热源的太阳能热源单元、天然气热源单元和外部蒸汽热源单元；有机朗肯循环发电单元；供热单元。
Description
技术领域
本发明涉及碳捕集和余热利用技术领域，特别是涉及一种多热源驱动 的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统。
背景技术
在“碳中和”背景下，防止自然资源过度利用和污染成为全球范围内 认可的时代精神。节能减排作为最重要的能源和环境政策之一，受到广泛 关注。通常，在工业生产过程中，大部分输入的能量作为废热而损失。因 此余热回收显得非常重要，这也被认为是工业过程中节能减排的有效方法。 余热回收系统可以从工业废热中收集部分热能来产生有用的热量和/或电 能，否则这些热能会排放到周围环境。目前，一些余热回收的技术已经相对成熟，许多行业已通过余热利用技术进行升级以提高其能源利用效率。
全球变暖的原因是温室气体的排放，政府间气候变化专门委员会 (IPCC)指出，到2050年，需要将CO2排放量减少一半，并将全球气温上 升控制在2℃以内。中国政府也宣布力争到2030年二氧化碳排放达到峰值， 到2060年实现二氧化碳零排放。水泥生产是最耗能的行业之一，输入的能 源中有40％被浪费。
水泥行业的二氧化碳排放量也很高，占全球温室气体排放量的5％。另 外，水泥行业是CO2高排放行业，与钢铁行业并为第二大碳排放源，且其CO2捕集研究很少。碳捕集是一个成本高昂的过程，水泥窑无法提供碳捕集所 需的全部热量和电力。通常，水泥厂碳捕集的能量从燃煤电厂或增加余热 锅炉后燃烧天然气获得。然而，与这些方法相关的电耗和热耗成本相对较 高(例如：水泥窑生产蒸汽的成本为74.56元/MW，但天然气生产的蒸汽成 本为187.70元/MW)。一些相关的优化研究大多停留在锅炉系统的优化方面， 急需进一步对未来结合碳捕集进行探究。
在未来“碳达峰、碳中和”背景下，水泥窑厂的脱碳由于高耗能，其 自身无法提供所需热量，必然与燃煤机组、燃烧天然气或太阳能风电等外 部能源挂钩。只能依靠水泥窑建立天然气锅炉、从太阳能或风能获取蒸汽 或从邻近燃煤电厂购买蒸汽以获得足够的脱碳热源，未来水泥窑与外部能 源的耦合务必更加亲密。
水泥窑余热发电技术已经有了阶段性成果，其发电效率较低，主要是 因为水泥窑余热发电的蒸汽参数低。不少学者致力于系统结构的优化设计。 从单压循环升级为较为优势的双压循环，甚至选用其他循环如卡琳娜、闪 蒸循环等。但是依旧无法避免蒸汽参数低的问题，然而提高主蒸汽参数在 燃煤、生物质燃烧发电领域已经有充足的案例研究，因此可以考虑进一步 提升水泥窑余热发电的主蒸汽参数。
有机朗肯循环发电技术，是一项将工业生产过程中产生的中低品位余 热加以回收利用，转化为高品位电能的节能减排技术。其可选取得有机工 质种类众多，其不少具备较低的蒸发温度的工质经济性好、易获取，可以 回收大量的低温工业废热，实现低温热源的有效回收。不少研究学者已经 充分对不同蒸发温度的有机工质进行了深入研究，作为选取合适工质的参 考依据。有机朗肯循环通常采用多级、预热、再热、内部回热等技术手段优化循环，提升余热利用效率。
国家经济正处于飞速发展中，人民的生活水平也随之升高，对供热的 需求也在不断提高。通过对低温废热的回收利用以供，可以提高低品位能 源的利用效率，也符合国家低碳经济发展体系，促进国家能源绿色转型。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循 环深度余热利用系统，主要目的在于提出多热源协同为碳捕集供热，使碳 捕集可以灵活选取热源，以实现最经济的碳捕集成本，并深度利用碳捕集 的废热，实现中低温工业废热的最大化利用和节能减排。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
本发明的实施例提供一种多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环 深度余热利用系统。其包括：
水泥厂单元，其用于对水泥原料进行高温废气加热干燥并收集高温废 气以及用于对高温废气加热后的水泥原料进行2000℃左右高温加热定形获 得水泥熟料并对水泥熟料进行冷却处理获得熟料冷却气；所述水泥厂单元 包括用于干燥研磨水泥原料的原料磨；
水泥窑烟气余热发电单元，其包括与所述原料磨连接的烟气净化装置、 与所述原料磨连接的窑尾锅炉、窑头锅炉、高压蒸汽尖峰加热器、低压蒸 汽尖峰加热器、汽轮机高压缸、汽轮机低压缸、除氧器和蒸汽发电电机； 将所述高温废气送入窑尾锅炉中加热从除氧器出口的第一部分给水，第一 部分给水被加热成第一高压蒸汽，将熟料冷却气送入窑头锅炉加热从除氧 器出口的第二部分给水，第二部分给水被加热成为第二高压蒸汽，两股高压蒸汽混合后，被高压蒸汽尖峰加热器加热到更高温度后进入汽轮机高压 缸做功；除氧器出口的第三部分给水进入窑头锅炉中被熟料冷却气加热为 低压蒸汽后经过低压蒸汽尖峰加热器与汽轮机高压缸的排气一起进入汽轮 机低压缸中做功，并通过蒸汽发电电机进行发电实现水泥窑烟气余热发电；
碳捕集单元，其包括co2吸收解析单元和co2冷却捕集及回收余热单元， 所述co2吸收解析单元用于将通过烟气净化装置净化后的高温烟气中的co2进行吸收解析获得co2和水的混合流体；所述co2冷却捕集及回收余热单元 用于将所述co2和水的混合流体冷却分离为高co2流股，再将高co2流股压缩 冷却到常温获得高压产品co2储存并在冷却过程中回收co2和水的混合流体 余热和高co2流股压缩过程余热；所述co2吸收解析单元包括再沸器和与所述再沸器连接的第一冷却器，所述吸收解析单元在吸收解析过程中通过第 一冷却器回收所述再沸器出口蒸汽的余热；
碳捕集热源单元，其包括分别与所述汽轮机低压缸出口、所述再沸器 和所述第一冷却器连接的换热器以及用于向所述换热器提供热源的太阳能 热源单元、天然气热源单元和外部蒸汽热源单元；所述太阳能热源单元、 天然气热源单元、外部蒸汽热源单元和所述汽轮机低压缸出口抽取部分蒸 汽均向所述换热器提供热源实现多热源协同为碳捕集单元供热；
有机朗肯循环发电单元，其包括有机工质换热器，与所述有机工质换 热器连接的有机工质汽轮机高压缸，与所述有机工质汽轮机高压缸连接的 有机工质再热器、与所述有机工质再热器连接的有机工质汽轮机低压缸、 分别与所述有机工质换热器和所述有机工质汽轮机低压缸连接的有机工质 泵、与所述有机工质汽轮机低压缸连接的有机工质发电电机；
供热单元，其包括用户，所述用户出来的循环水通过co2和水的混合流 体余热、高co2流股压缩过程余热和再沸器出口蒸汽的余热被加热先进入到 有机工质换热器中加热再从有机工质泵流出获得有机工质，高温有机工质 进入有机工质汽轮机高压缸做功，有机工质汽轮机高压缸出口的有机工质 进入有机工质再热器被再次加热到较高温度，进入有机工质汽轮机低压缸 做功，并通过有机工质发电电机发电。
如前所述的，所述水泥厂单元还包括与所述原料磨出口相连的旋风预 热器、与所述旋风预热器相连的回转窑和与所述回转窑连接的熟料冷却器， 所述旋风预热器出口排放高温废气，所述熟料冷却气出口排放熟料冷却气。
如前所述的，所述水泥窑烟气余热发电单元还包括凝汽器、给水泵和 给水加热器，所述除氧器出口分别与所述窑尾锅炉和所述窑头锅炉连接， 所述窑尾锅炉和所述窑头锅炉均与高压蒸汽尖峰加热器连接，所述高压蒸 汽尖峰加热器与所述汽轮机高压缸连接，所述汽轮机高压缸出口分别与给 水加热器和汽轮机低压缸连接，汽轮机低压缸出口分别与除氧器和凝汽器 连接，凝汽器出口与给水泵连接，给水泵与所述给水加热器连接，给水加 热器与窑头锅炉连接；窑头锅炉与低压蒸汽尖峰加热器连接，低压蒸汽尖 峰加热器与汽轮机低压缸连接。
如前所述的，所述高压蒸汽尖峰加热器为外置式高压蒸汽尖峰加热器；
所述低压蒸汽尖峰加热器为外置式低压蒸汽尖峰加热器。
如前所述的，所述给水加热器出口的给水送入窑头锅炉中被内部的尾 部烟气加热后送入除氧器。
如前所述的，所述co2吸收解析单元还包括与所述烟气净化装置出口连 接的鼓风机，与所述鼓风机连接的吸收塔、与所述吸收塔第一出口连接的 烟囱、与所述吸收塔第二出口连接的富液泵、与所述富液泵连接的贫富液 换热器、分别与所述再沸器和所述贫富液换热器连接的解析塔、分别与所 述再沸器和所述贫富液换热器连接的贫液泵、分别与贫富液换热器和吸收 塔连接的贫液冷却器。
如前所述的，所述co2冷却捕集及回收余热单元包括与所述解析塔的第 一出口连接的第二冷却器、与所述第二冷却器连接的分离器、分别与所述 分离器和所述解析塔的第二出口连接的压缩机、与所述压缩机连接的第三 冷却器、与所述第三冷却器连接的第四冷却器；所述解析塔第一出口排出 co2和水的混合流体，所述解析塔第一出口的co2和水的混合流体在第二冷 却器中被回收余热，冷却后在分离器中水分凝结成为高co2流股，高co2流股被送入压缩机中加压，其温度变高并随后通过第三冷却器和第四冷却器 冷却到常温，最后以高压产品co2储存，所述高co2流股在第三冷却器中被 回收高co2流股压缩过程余热。
如前所述的，所述太阳热源单元包括水箱、与所述水箱连接的太阳能 集热器、与所述太阳能集热器出口连接的太阳能换热器，太阳能换热器出 口与所述换热器的入口连接；
所述天然气热源单元包括与所述水箱连接的天然气锅炉、与所述天然 气的锅炉连接的天然气，所述天然气锅炉的出口与所述换热器的入口连接。
如前所述的，所述有机朗肯循环发电单元还包括加压泵、有机工质凝 汽器和有机工质回热器；
所述用户出来的循环水通过co2和水的混合流体余热、高co2流股压 缩过程余热和再沸器出口蒸汽的余热被加热后通过加压泵加压进入到有机 工质换热器中加热；
所述有机工质凝汽器分别与所述有机工质汽轮机低压缸出口和所述有 机工质泵连接，所述有机工质回热器分别与所述有机工质泵和所述有机工 质换热器连接，所述有机工质汽轮机低压缸排出的有机工质在有机工质凝 汽器中冷凝后进入有机工质泵，并通过有机工质回热器进一步回收有机工 质汽轮机低压缸排汽的余热，有机工质被加热后被送入有机工质换热器。
如前所述的，所述有机工质再热器与所述用户连接使所述有机工质再 热器流出的热水被利用回收为所述用户供暖或提供生活热水。
借由上述技术方案，本发明的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯 循环深度余热利用系统至少具有下列优点：
本发明的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系 统填补当前水泥窑碳捕集领域的部分空白，本发明利用旋风预热器高温废 气和熟料冷却器排出的熟料冷却气进行余热发电，充分回收了水泥窑烟气 的废热，净发电量可达8.99MW。并且由于水泥窑无法满足自身碳捕集所需 的热量，必须从外部获取，但是购买传统能源产生的蒸汽价格昂贵，因此 提出的多热源协同为碳捕集供热，可以灵活选取热源，以实现最经济的碳 捕集成本。由于碳捕集需要大量的热源，同时也会产生大量的能源损失 (>40％)，因此回收高CO2流股压缩过程的余热、解析塔顶部的CO2和水流体 余热和再沸器出口蒸汽的余热，总共31MW。本发明将梯级利用回收的碳捕 集余热，首先用于有机朗肯循环的发电，可以产生2.6MW的电力，其次以 为用户提供65℃热水供暖的方式进一步深度利用碳捕集的余热，实现中低 温工业废热的最大化利用和节能减排。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的 技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例 并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利 用系统的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功 效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、 特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种多热源驱动的水泥窑碳 捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其包括：水泥厂单元1、水泥窑烟 气余热发电单元2、碳捕集单元3、碳捕集热源单元4、有机朗肯循环发电 单元5和供热单元6。
所述水泥厂单元1，其用于对水泥原料进行高温废气加热干燥并收集高 温废气以及用于对高温废气加热后的水泥原料进行2000℃左右高温加热定 形获得水泥熟料并对水泥熟料进行冷却处理获得熟料冷却气；所述水泥厂 单元1包括原料磨101、与所述原料磨101出口相连的旋风预热器102、与 所述旋风预热器102相连的回转窑103和与所述回转窑103连接的熟料冷 却器104，所述旋风预热器102出口排放高温废气105，所述熟料冷却器104 出口排放熟料冷却气106。在本发明中，原料磨101将水泥原料干燥、研磨 后送到旋风预热器102中被190℃左右的高温废气加热，而后在回转窑103 中被2000℃左右高温加热成为水泥熟料，并将水泥熟料送入熟料冷却器104 中被空气冷却，空气排出后为370℃熟料冷却气。
所水泥窑烟气余热发电单元2，其包括与所述原料磨101连接的烟气净 化装置201、与所述原料磨101连接的窑尾锅炉202、窑头锅炉203、高压 蒸汽尖峰加热器204、低压蒸汽尖峰加热器205、汽轮机高压缸206、汽轮 机低压缸207、除氧器208、蒸汽发电电机209、凝汽器210、给水泵211 和给水加热器212；高温废气105进入窑尾锅炉202、熟料冷却气106进入 窑头锅炉203，所述除氧器208出口分别与所述窑尾锅炉202和窑头锅炉 203连接，所述窑尾锅炉202和所述窑头锅炉203均与高压蒸汽尖峰加热器 204连接，所述高压蒸汽尖峰加热器204与所述汽轮机高压缸206连接，所 述汽轮机高压缸206出口分别与给水加热器212和汽轮机低压缸207连接， 汽轮机低压缸207出口分别与除氧器208和凝汽器210连接，凝汽器210 出口与给水泵211连接，给水泵211与所述给水加热器212连接，给水加 热器212与窑头锅炉203连接；窑头锅炉203与低压蒸汽尖峰加热器205 连接，低压蒸汽尖峰加热器205与汽轮机低压缸207连接，汽轮机低压缸 207与蒸汽发电电机209连接。在本发明中，所述高压蒸汽尖峰加热器204 为外置式高压蒸汽尖峰加热器；所述低压蒸汽尖峰加热器205为外置式低 压蒸汽尖峰加热器。具体工作时，65kg/s的370℃高温废气送入窑尾锅炉 中加热从除氧器出口的第一部分给水，第一部分给水被加热成为2.2MPa高 压蒸汽，119kg/s的370℃的熟料冷却气进入窑头锅炉加热从除氧器出口的 第二部分给水，第二部分给水被加热成为2.2MPa高压蒸汽，两股高压蒸汽 混合后，为了实现高参数、高效率运行，被外置式高压蒸汽尖峰加热器加 热到更高温度，之后进入汽轮机高压缸做功，汽轮机高压缸的抽汽送入给 水加热器中加热给水；除氧器出口的第三部分给水，即4.61kg/s的给水送 入窑头锅炉中被熟料冷却气加热为0.5Mpa的低压蒸汽后经过外置式低压蒸 汽尖峰加热器，与汽轮机高压缸的排汽一起进入汽轮机低压缸中做功，并 通过蒸汽发电电机进行发电，最终发电11.8MW，汽轮机低压缸的部分抽汽 进入除氧器加热给水，汽轮机低压缸的排汽进入凝汽器中冷凝，并被给水 泵加压，加压后的给水进入给水加热。在本发明中，给水加热器出口的给水送入窑头锅炉中被内部的尾部烟气加热后送入除氧器。在本发明中，窑 尾锅炉出口烟气仍达到190℃左右来加热原料磨中的原料，由于高温废气具 备较高的CO2含量，需要之后在烟气净化装置中净化并降温到40℃后被送 到碳捕集单元。
碳捕集单元3，其包括co2吸收解析单元301和co2冷却捕集及回收余 热单元302，所述co2吸收解析单元301用于将通过烟气净化装置201净化 后的的高温烟气105中的co2进行吸收解析获得co2和水的混合流体；所 述co2冷却捕集及回收余热单元302用于将所述co2和水的混合流体冷却 分离为高co2流股，再将高co2流股冷却到常温获得高压产品co2储存并 在冷却过程中回收co2和水的混合流体余热和高co2流股压缩过程余热。具 体的，所述co2吸收解析单元301包括与所述烟气净化装置201出口连接 的鼓风机3011，与所述鼓风机3011连接的吸收塔3012、与所述吸收塔3012 第一出口连接的烟囱3013、与所述吸收塔第二出口连接的富液泵3014、与 所述富液泵3014连接的贫富液换热器3015、与所述贫富液换热器3015连 接的解析塔3016、与所述解析塔3016连接的再沸器3017、分别与所述再 沸器3017和所述贫富液换热器3015连接的贫液泵3018、分别与贫富液换 热器3015和吸收塔连3012接的贫液冷却器3019、与所述再沸器3017连接 的第一冷却器3020。具体工作时，降温后的高温废气中含有较高的CO2 (20.00vol.％CO2)，鼓风机加压净化后的烟气到1.2MPa后进入吸收塔，其 中的CO2被溶液吸收后，吸收塔底部流出的富液通过富液泵进入贫富液换热器以回收温度过高的贫液热量，因此被从解析塔底部流出并通过贫液泵 加压的的贫液加热后，进入解析塔，减少了解析塔能耗。所述co2冷却捕 集及回收余热单元302包括与所述解析塔3016的第一出口连接的第二冷却 器3021、分别与所述第二冷却器3021和所述解析塔3016的第二出口连接 的分离器3022、与所述分离器3022连接的压缩机3023、与所述压缩机3023 连接的第三冷却器3024、与所述第三冷却器3024连接的第四冷却器3025。 具体工作时，解析塔顶部第一出口排出CO2和水的混合流体，解析塔顶部第 一出口的CO2和水的混合流体在第二冷却器3021中被回收CO2和水的混合流 体余热，冷却后在分离器3022中水分凝结成为高CO2流股，高CO2流股被 送入压缩机3023中加压到8MPa，其温度变高并随后通过第三冷却器3024 和第四冷却器3025冷却到常温，最后以高压产品CO2储存。所述高co2流股在第三冷却器3024中被回收高co2流股压缩过程余热。
所述碳捕集热源单元4，其包括分别与所述汽轮机低压缸207出口、再 沸器3017和第一冷却器3020连接的换热器401以及用于向所述换热器401 提供热源的太阳能热源单元402、天然气热源单元403和外部蒸汽热源单元 404；所述太阳能热源单元402、天然气热源单元403、外部蒸汽热源单元 404和从所述汽轮机低压缸207出口抽取部分蒸汽均向所述换热器401提供 热源实现多热源协同为碳捕集单元3供热；具体的，换热器401的热源可 来自不同方式，本发明可以采用太阳能热源单元供热，所述太阳能热源单 元402包括水箱4021、与所述水箱4021连接的太阳能集热器4022、与所 述太阳能集热器4022出口连接的太阳能换热器4023，太阳能换热器4023 出口与所述换热器401的入口连接；太阳能集热器通过收集太阳能加热导 热工质，使水箱的给水进入太阳能换热器中被导热工质加热成蒸汽，并进入换热器提供热量。还可以采用天然气热源单元供热，所述天然气热源单 元403包括与所述水箱4021连接的天然气锅炉4031、与所述天然气锅炉 4031连接的天然气4032，所述天然气锅炉4031的出口与所述换热器401 的入口连接。天然气进入天然气锅炉中燃烧，并加热从水箱来的水，使其 成为蒸汽后进入换热器1提供热量。还可以从所述汽轮机低压缸出口抽取 部分蒸汽向所述换热器提供热源，由于水泥窑烟气余热发电单元作为自备 电厂，存在参与调峰时，有减少发电的可能，因此可从汽轮机低压缸中抽 取部分蒸汽进入换热器1提供热量。在不满足其他获取蒸汽条件，并且周 围存在低价蒸汽情况下，可从外部购买蒸汽，采用外部蒸汽热源单元进入 换热器提供热量。
在本发明中，解析塔内部的反应由再沸器(117.7℃反应温度、93.49MW 热负荷)提供，再沸器出口流出的凝结水首先在第一冷却器中被回收余热， 之后进入换热器被加热成为蒸汽，之后返回再沸器供能。
所述有机朗肯循环发电单元5，其包括有机工质换热器501，与所述有 机工质换热器501连接的有机工质汽轮机高压缸502，与所述有机工质汽轮 机高压缸502连接的有机工质再热器503、与所述有机工质再热器503连接 的有机工质汽轮机低压缸504、与所述有机工质汽轮机低压缸504连接的有 机工质发电电机505、与所述有机工质汽轮机低压缸504连接的有机工质凝 汽器506，与所述有机工质凝汽器506连接的有机工质泵507、与所述有机工质泵507连接的有机工质回热器508和加压泵509，所述有机工质回热器 508与所述有机工质换热器501连接。所述的有机工质汽轮机高压缸出口的 工质进入有机工质再热器被再次加热到较高温度，随后进入有机工质汽轮 机低压缸做功，并通过有机工质发电电机发电(1.91MW)。所述的有机工质 汽轮机低压缸排出的有机工质在有机工质凝汽器中冷凝后进入有机工质 泵，并通过有机工质回热器进一步回收有机工质汽轮机低压缸排汽的余热，有机工质被加热后被送入有机工质换热器。
供热单元6，其包括用户61，所述用户61出来的循环水通过co2和水 的混合流体余热、高co2流股压缩过程余热和再沸器出口蒸汽的余热被加热 先进入到有机工质换热器501中加热再从有机工质泵507流出获得有机工 质(R218)，高温有机工质进入有机工质汽轮机高压缸502做功，有机工质 汽轮机高压缸502出口的有机工质进入有机工质再热器503被再次加热到 较高温度，进入有机工质汽轮机低压缸504做功，并通过有机工质发电电 机505发电。在本发明中，有机工质再热器503流出的热水可以进一步被 利用回收，提高能源利用率，其仍具备65℃的热水进入用户中供暖或提供 生活热水。
实施例：选取了中国北方某稳定运行的500t/d水泥厂作为案例研究。 窑头锅炉熟料冷却气为370℃左右，65kg/s质量流量，窑尾锅炉高温烟气 为370℃左右，119kg/s质量流量。在除氧器后，凝结水分为两股，一股被 高压泵增压，分别送入窑头锅炉和窑尾锅炉，被加热并过热成为高压蒸汽。 因此，窑尾锅炉和窑头锅炉分别产生7.8kg/s和4.5kg/s的高压蒸汽 (331.0℃和2.2MPa)。同时，高温废气和熟料冷却气由370℃冷却至 190℃或204.6℃。剩余的凝结水通过低压泵后进入窑头锅炉底部，然后 被熟料冷却器排气加热成低压蒸汽(150℃左右，0.5MPa)。两台锅炉的高 压蒸汽送入外置式高压蒸汽尖峰加热器，被加热到450℃左右，后输送到 汽轮机的高压缸做功，然后窑头锅炉的低压蒸汽送入外置式低压蒸汽尖峰 加热器，随后进入汽轮机低压缸做功，最终净发电功率达到11.8MW，净发 电效率达到27％左右(对比现有的水泥窑烟气余热发电系统，采用单压锅炉 净发电效率通常再15～18％，而目前较为先进的双压锅炉净发电效率通常在 21％左右)。水泥窑的CO2主要存在于窑尾锅炉的高温烟气中，占比较高为 20.00vol.％，经过烟气净化处理，其温度降低到40℃，由于CO2含量较高， 因此省去了通常使用的压缩机，而是只需要一个鼓风机即可(对比来说可 以节省约0.85MW的电力消耗)，将其送入吸收塔中。吸收塔中吸收剂将CO2吸收，并经过富液泵加压到2.2MPa，经过贫富液交换器，回收贫液的废热， 被加热到99℃，并送入解析塔。解析塔中由再沸器中外部热源产生的蒸汽 有(130℃进，120℃出再沸器)驱动解析反应，温度为117.7℃，热负 荷为93.49MW，分理出富液中的CO2，从解析塔顶部流出。因此再生热耗约 为3.1GJ/t CO2(对比现有研究，水泥窑碳捕集热耗大概在3.4-5.1GJ/t CO2)。随后被分离的CO2在分离器重分离最后的水分，并送入压缩机中，压 缩到8MPa，可以深度埋藏或者作为CO2产品用于其他行业。压缩中产生的高 温流股被换热器带走，加热用户循环水，从25℃加热到106℃，回收35MW 的能量。另外，由于水泥窑不能满足自身碳捕集所需要的热量，必须从外 部购买热源，因此合理的配置低价热源是水泥窑碳捕集面临的必须问题。 根据当地实际能源获取情况和从水泥窑自身在因为调峰任务时减少或停止 发电而获取蒸汽热量，合理的配置水泥窑碳捕集热源，碳捕集的成本范围 在260-400元/t CO2(对比一般水泥窑碳捕集，需要从外部购买热源碳捕 集成本为450-650元/t CO2，而对比技术相对成熟、优化设计后的从自身 获取碳捕集热源的燃煤电厂的碳捕集成本为240-370元/t CO2)。优化的碳 捕集汽-水设计和优化的热源方案选取，让水泥厂最经济的进行碳捕集。回 收的106℃厂区/用户循环水首先加热有机工质，产生约95℃左右、 4.3MPa的有机工质蒸汽，进入有机工质高压缸做功，排气被厂区/用户循环 水加热到56℃左右、1.4MPa，进入有机工质低压缸做功。有机工质低压 缸排汽温度为44℃，通过有机工质回热器加热凝气器出口22℃的凝结水 到35℃左右。最终发电功率为1.91MW，净发电效率为10.88％(对比现有 的单级、双级、回热有机朗肯循环，100℃左右的热源其发电效率处于5-9％ 左右)。最终有29MW的热能通过65℃的循环水供给给厂区/用户，可有效 供热25万平方米的区域，也可作为生活热水。经过优化设计，案例具备较 高的发电效率和较高的余热利用效率，充分深度层级利用了碳捕集过程的 中低温废热。
本发明实施例的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热 利用系统填补当前水泥窑碳捕集领域的部分空白，本发明利用旋风预热器 高温废气和熟料冷却器排出的熟料冷却气进行余热发电，充分回收了水泥 窑烟气的废热，净发电量可达8.99MW。并且由于水泥窑无法满足自身碳捕 集所需的热量，必须从外部获取，但是购买传统能源产生的蒸汽价格昂贵， 因此提出的多热源协同为碳捕集供热，可以灵活选取热源，以实现最经济 的碳捕集成本。由于碳捕集需要大量的热源，同时也会产生大量的能源损 失(>40％)，因此回收高CO2流股压缩过程的余热、解析塔顶部的CO2和水流 体余热和再沸器出口蒸汽的余热，总共31MW。本发明将梯级利用回收的碳 捕集余热，首先用于有机朗肯循环的发电，可以产生2.6MW的电力，其次 以为用户提供65℃热水供暖的方式进一步深度利用碳捕集的余热，实现中 低温工业废热的最大化利用和节能减排。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式 上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等 同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于：其包括:
水泥厂单元，其用于对水泥原料进行高温废气加热干燥并收集高温废气以及用于对高温废气加热后的水泥原料进行2000℃左右高温加热定形获得水泥熟料并对水泥熟料进行冷却处理获得熟料冷却气；所述水泥厂单元包括用于干燥研磨水泥原料的原料磨；
水泥窑烟气余热发电单元，其包括与所述原料磨连接的烟气净化装置、与所述原料磨连接的窑尾锅炉、窑头锅炉、高压蒸汽尖峰加热器、低压蒸汽尖峰加热器、汽轮机高压缸、汽轮机低压缸、除氧器和蒸汽发电电机；将所述高温废气送入窑尾锅炉中加热从除氧器出口的第一部分给水，第一部分给水被加热成第一高压蒸汽，将熟料冷却气送入窑头锅炉加热从除氧器出口的第二部分给水，第二部分给水被加热成为第二高压蒸汽，两股高压蒸汽混合后，被高压蒸汽尖峰加热器加热到更高温度后进入汽轮机高压缸做功；除氧器出口的第三部分给水进入窑头锅炉中被熟料冷却气加热为低压蒸汽后经过低压蒸汽尖峰加热器与汽轮机高压缸的排气一起进入汽轮机低压缸中做功，并通过蒸汽发电电机进行发电实现水泥窑烟气余热发电；
碳捕集单元，其包括co2吸收解析单元和co2冷却捕集及回收余热单元，所述co2吸收解析单元用于将通过烟气净化装置净化后的高温烟气中的co2进行吸收解析获得co2和水的混合流体；所述co2冷却捕集及回收余热单元用于将所述co2和水的混合流体冷却分离为高co2流股，再将高co2流股压缩冷却到常温获得高压产品co2储存并在冷却过程中回收co2和水的混合流体余热和高co2流股压缩过程余热；所述co2吸收解析单元包括再沸器和与所述再沸器连接的第一冷却器，所述吸收解析单元在吸收解析过程中通过第一冷却器回收所述再沸器出口蒸汽的余热；
碳捕集热源单元，其包括分别与所述汽轮机低压缸出口、所述再沸器和所述第一冷却器连接的换热器以及用于向所述换热器提供热源的太阳能热源单元、天然气热源单元和外部蒸汽热源单元；所述太阳能热源单元、天然气热源单元、外部蒸汽热源单元和所述汽轮机低压缸出口抽取部分蒸汽均向所述换热器提供热源实现多热源协同为碳捕集单元供热；
有机朗肯循环发电单元，其包括有机工质换热器，与所述有机工质换热器连接的有机工质汽轮机高压缸，与所述有机工质汽轮机高压缸连接的有机工质再热器、与所述有机工质再热器连接的有机工质汽轮机低压缸、分别与所述有机工质换热器和所述有机工质汽轮机低压缸连接的有机工质泵、与所述有机工质汽轮机低压缸连接的有机工质发电电机；
供热单元，其包括用户，所述用户出来的循环水通过co2和水的混合流体余热、高co2流股压缩过程余热和再沸器出口蒸汽的余热被加热先进入到有机工质换热器中加热再从有机工质泵流出获得有机工质，高温有机工质进入有机工质汽轮机高压缸做功，有机工质汽轮机高压缸出口的有机工质进入有机工质再热器被再次加热到较高温度，进入有机工质汽轮机低压缸做功，并通过有机工质发电电机发电。
2.根据权利要求1所述多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于，
所述水泥厂单元还包括与所述原料磨出口相连的旋风预热器、与所述旋风预热器相连的回转窑和与所述回转窑连接的熟料冷却器，所述旋风预热器出口排放高温废气，所述熟料冷却器出口排放熟料冷却气。
3.根据权利要求1所述多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于，
所述水泥窑烟气余热发电单元还包括凝汽器、给水泵和给水加热器，所述除氧器出口分别与所述窑尾锅炉和所述窑头锅炉连接，所述窑尾锅炉和所述窑头锅炉均与高压蒸汽尖峰加热器连接，所述高压蒸汽尖峰加热器与所述汽轮机高压缸连接，所述汽轮机高压缸出口分别与给水加热器和汽轮机低压缸连接，汽轮机低压缸出口分别与除氧器和凝汽器连接，凝汽器出口与给水泵连接，给水泵与所述给水加热器连接，给水加热器与窑头锅炉连接；窑头锅炉与低压蒸汽尖峰加热器连接，低压蒸汽尖峰加热器与汽轮机低压缸连接，蒸汽发电机与所述汽轮机低压缸连接。
4.根据权利要求3所述的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于，
所述高压蒸汽尖峰加热器为外置式高压蒸汽尖峰加热器；
所述低压蒸汽尖峰加热器为外置式低压蒸汽尖峰加热器。
5.根据权利要求3所述的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于，
所述给水加热器出口的给水送入窑头锅炉中被内部的尾部烟气加热后送入除氧器。
6.根据权利要求1所述的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于，
所述co2吸收解析单元还包括与所述烟气净化装置出口连接的鼓风机，与所述鼓风机连接的吸收塔、与所述吸收塔第一出口连接的烟囱、与所述吸收塔第二出口连接的富液泵、与所述富液泵连接的贫富液换热器、分别与所述再沸器和所述贫富液换热器连接的解析塔、分别与所述再沸器和所述贫富液换热器连接的贫液泵、分别与贫富液换热器和吸收塔连接的贫液冷却器。
7.根据权利要求6所述的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于，
所述co2冷却捕集及回收余热单元包括与所述解析塔的第一出口连接的第二冷却器、与所述第二冷却器连接的分离器、分别与所述分离器和所述解析塔的第二出口连接的压缩机、与所述压缩机连接的第三冷却器、与所述第三冷却器连接的第四冷却器；所述解析塔第一出口排出co2和水的混合流体，所述解析塔第一出口的co2和水的混合流体在第二冷却器中被回收余热，冷却后在分离器中水分凝结成为高co2流股，高co2流股被送入压缩机中加压，其温度变高并随后通过第三冷却器和第四冷却器冷却到常温，最后以高压产品co2储存，所述高co2流股在第三冷却器中被回收高co2流股压缩过程余热。
8.根据权利要求1所述的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于，
所述太阳热源单元包括水箱、与所述水箱连接的太阳能集热器、与所述太阳能集热器出口连接的太阳能换热器，太阳能换热器出口与所述换热器的入口连接；
所述天然气热源单元包括与所述水箱连接的天然气锅炉、与所述天然气的锅炉连接的天然气，所述天然气锅炉的出口与所述换热器的入口连接。
9.根据权利要求1所述的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于，
所述有机朗肯循环发电单元还包括加压泵、有机工质凝汽器和有机工质回热器；
所述用户出来的循环水通过co2和水的混合流体余热、高co2流股压缩过程余热和再沸器出口蒸汽的余热被加热后通过加压泵加压进入到有机工质换热器中加热；
所述有机工质凝汽器分别与所述有机工质汽轮机低压缸出口和所述有机工质泵连接，所述有机工质回热器分别与所述有机工质泵和所述有机工质换热器连接，所述有机工质汽轮机低压缸排出的有机工质在有机工质凝汽器中冷凝后进入有机工质泵，并通过有机工质回热器进一步回收有机工质汽轮机低压缸排汽的余热，有机工质被加热后被送入有机工质换热器。
10.根据权利要求1所述的多热源驱动的水泥窑碳捕集及有机朗肯循环深度余热利用系统，其特征在于，
所述有机工质再热器与所述用户连接使所述有机工质再热器流出的热水被利用回收为所述用户供暖或提供生活热水。
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2022
- 2022-08-24 CN CN202211018645.9A patent/CN115371450A/zh active Pending
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