CN115624854A - 一种烟气碳捕集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及烟气处理技术领域，公开了一种烟气碳捕集系统及方法，该系统包括碳捕集机组和燃煤机组，烟气经碳捕集吸引风机输送至碳捕集吸收塔中，产生的富液依次进入贫富液换热器和再生塔，再生塔中的富液循环进入再沸器中进行加热，返回再生塔；再生塔中产生的贫液与贫富液换热器中的富液进行换热，进入碳捕集吸收塔中再利用；来自汽轮机的中压缸或高压缸的过热蒸汽，依次经脱硫引风机和碳捕集吸引风机利用后，将得到的供热蒸汽与再沸器中的富液进行换热。本发明通过将汽轮机排汽先经脱硫引风机进行一级利用，再经碳捕集引风机进行二级利用，然后三级利用于再沸器，提高了燃煤机组的能量利用率，同时有效降低了碳捕集系统能耗以及运行成本。

Description

一种烟气碳捕集系统及方法
技术领域
本发明涉及烟气处理技术领域，具体涉及一种烟气碳捕集系统及其方法。
背景技术
目前，我国的电力供应仍以火电为主，火力发电机组的装机容量占比和燃煤电厂的煤炭消费量在短期内难以实现大幅度调整，煤炭仍将在我国的能源结构中占据主导地位。因此，在高碳能源结构和能源需求迅速增加的双重作用下，碳捕集和封存技术CCS是在不影响经济发展和能源战略安全的前提下实现低碳发展的不二选择。碳捕集与封存是现在唯一能够大幅减排电力与工业CO2排放(达90％)的技术。如果不采用碳捕集与封存技术，实现我国减缓气候变化远期目标的整体成本将会上升25％。
近年来碳捕集技术发展较快，涌现了一大批新技术、新方法。其中，醇胺法碳捕集工艺是目前工业上较成熟也是使用最广泛的捕集工艺，然而，该法脱碳最大的问题是碳捕集和吸收剂再生的能耗高，从而限制了该方法的大规模应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的碳捕集系统的耗能高的问题，提供了一种烟气碳捕集系统及方法，该系统中，燃煤机组和碳捕集机组的耦合水平高，能够实现汽轮机排汽的充分利用，有效降低了碳捕集系统能耗以及运行成本。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种烟气碳捕集系统，所述系统包括碳捕集机组和燃煤机组，所述碳捕集机组包括碳捕集吸引风机、碳捕集吸收塔、贫富液换热器、再生塔和再沸器，所述燃煤机组包括汽轮机和脱硫引风机；
烟气经所述碳捕集吸引风机输送至所述碳捕集吸收塔中，所述碳捕集吸收塔中的吸收剂与所述烟气接触，产生的富液依次进入所述贫富液换热器和再生塔，所述再生塔中的富液循环进入所述再沸器中进行加热，然后返回所述再生塔；
所述再生塔中产生的贫液与所述贫富液换热器中的富液进行换热，然后进入所述碳捕集吸收塔中再利用；
来自所述汽轮机的中压缸或高压缸的过热蒸汽，依次经脱硫引风机和碳捕集吸引风机利用后，将得到的供热蒸汽与所述再沸器中的富液进行换热。
优选地，所述燃煤机组还包括供热母管，所述供热母管的蒸汽出口与所述碳捕集引风机的蒸汽入口连接。
优选地，所述燃煤机组还包括加热器，用于对输送至锅炉内的水进行加热，
所述加热器的蒸汽入口与所述再沸器的蒸汽出口连接。
优选地，所述碳捕集机组还包括发电机，所述发电机的蒸汽入口与所述碳捕集吸引风机的蒸汽出口连接。
优选地，所述碳捕集机组还包括贫液冷却器，所述贫液冷却器的液相入口与所述贫富液换热器的液相出口连接，所述贫液冷却器的液相出口与所述碳捕集吸收塔的液相入口连接。
本发明第二方面提供一种烟气碳捕集方法，该方法在包括碳捕集机组和燃煤机组的系统中实施，其中，所述碳捕集机组包括碳捕集吸引风机、碳捕集吸收塔、贫富液换热器、再生塔和再沸器，所述燃煤机组包括汽轮机和脱硫引风机；
该方法包括以下步骤：
将烟气通过碳捕集吸引风机输送至所述碳捕集吸收塔中进行碳捕集，产生的富液依次进入所述贫富液换热器和再生塔，所述再生塔中的富液循环进入所述再沸器中进行加热，然后返回所述再生塔；
所述富液在所述再生塔中进行再生，产生的贫液与所述贫富液换热器中的富液进行换热，然后进入所述碳捕集吸收塔中再利用；
来自所述汽轮机中压缸或高压缸的过热蒸汽，依次经脱硫引风机和碳捕集吸引风机利用后，将得到的供热蒸汽与所述再沸器中的富液进行换热。
优选地，所述燃煤机组还包括供热母管，所述方法还包括：将所述供热母管内的蒸汽输送至所述碳捕集吸引风机中进行利用。
优选地，所述燃煤机组还包括加热器，所述方法还包括：将经所述再沸器利用后得到的低温蒸汽输送至加热器中进行利用。
优选地，所述碳捕集机组还包括发电机，所述方法还包括：将部分供热蒸汽输送至所述发电机中进行利用。
优选地，所述碳捕集机组还包括贫液冷却器，所述方法还包括：在所述贫富液换热器中与富液换热后的贫液在进入所述碳捕集吸收塔中之前，先进入所述贫液冷却器中进行冷却。
在本发明中，将燃煤机组的汽轮机中压缸或高压缸排出的过热蒸汽先经脱硫引风机进行一级利用，再经碳捕集引风机进行二级利用，然后三级利用于再沸器，减少了蒸汽能量的损失，提高了燃煤机组的能量利用率，同时有效降低了碳捕集系统能耗以及运行成本。
附图说明
图1是本发明提供的烟气碳捕集系统的一个实施例的结构示意图。
附图标记说明
1-锅炉；2-脱硫引风机；3-供热母管；4-第一调节阀；5-第二调节阀；6-碳捕集引风机；7-发电机；8-厂网；9-碳捕集吸收塔；10-贫液泵；11-富液泵；12-贫液冷却器；13-贫富液换热器；14-再生塔；15-再沸器；16-低压加热器；17-高压加热器；18-汽轮机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
醇胺法碳捕集工艺是目前工业上较成熟也是使用最广泛的捕集工艺，然而，该法脱碳最大的问题是碳捕集和吸收剂再生的能耗高，从而限制了该方法的大规模应用。
目前，主要通过燃煤机组的汽轮机抽气作为吸收剂(醇胺溶液)再生的加热源。该加热源的温度需要高于醇胺溶液的温度，以便能够对再沸器内的醇胺溶液进行加热。若从温度符合要求的汽轮机低压缸抽气，由于吸收剂再生所需的能量较高，从而需要从低压缸抽取大量的蒸汽，如此，会使得燃煤电厂净效率明显降低。为了保证燃煤机组的安全经济运行，在本实施例中，是从汽轮机高压缸或者中压缸中抽气。
具体的，加热源用于将再生塔中的富液煮沸，并将富液中的二氧化碳解吸分离出来。经研究发现，被加热侧进口温度约100-115℃，出口温度约为110-112℃。胺在较高温度条件下易分解，加热过程温度不宜过高，加热侧应控制在140-160℃以下。加热过程主要利用的是蒸汽的汽化潜热，蒸汽压力应控制在0.3～0.6MPa。而从燃煤机组汽轮机高压缸或中压缸抽取的蒸汽的压力和温度均较高，无法直接用于吸收剂再生。
鉴于此，本发明提出一种烟气碳捕集系统，请结合参阅图1，所述系统包括碳捕集机组和燃煤机组，所述碳捕集机组包括碳捕集吸引风机、碳捕集吸收塔9、贫富液换热器13、再生塔14和再沸器15，所述燃煤机组包括汽轮机18和脱硫引风机2；
烟气经所述碳捕集吸引风机输送至所述碳捕集吸收塔9中，所述碳捕集吸收塔9中的吸收剂与所述烟气接触，产生的富液依次进入所述贫富液换热器13和再生塔14，所述再生塔14中的富液循环进入所述再沸器15中进行加热，然后返回所述再生塔14；
所述再生塔14中产生的贫液与所述贫富液换热器13中的富液进行换热，然后进入所述碳捕集吸收塔9中再利用；
来自所述汽轮机18的中压缸或高压缸的过热蒸汽，依次经脱硫引风机2和碳捕集吸引风机利用后，将得到的供热蒸汽与所述再沸器15中的富液进行换热。
在本文中，富液为吸收了CO2之后的贫液，贫液为碳捕集塔中用于吸收CO2的吸收剂。进一步地，所述吸收剂优选为醇胺溶液。
在本发明中，将从汽轮机18抽取的过热蒸汽依次经脱硫引风机2和碳捕集引风机6利用后，得到了符合再沸器15利用要求的供热蒸汽，如此，可以将汽轮机18排出的蒸汽充分利用于碳捕集机组，使燃煤机组与碳捕集机组的耦合水平高，从而提高了燃煤机组的能量利用率，并有效降低了碳捕集系统能耗以及运行成本；同时，无需对汽轮机18排汽进行减温减压步骤，操作简单，还避免了减温减压装置所需的能耗。
具体实施时，可以通过调节碳捕集引风机6转速，从而实现对碳捕集引风机6排汽品质的调控，使其满足二氧化碳再生时需长期、稳定蒸汽汽源的要求，从而实现能量梯级利用。
在一种优选实施方式中，所述燃煤机组还包括供热母管3，所述供热母管3的蒸汽出口与所述碳捕集引风机6的蒸汽入口连接，如此，当燃煤机组低负荷运行，导致汽轮机18排出的蒸汽无法满足碳捕集引风机6和再沸器15的需求时，可通过电厂的供热母管3提供蒸汽。具体的，供热母管3中的蒸汽来自于燃煤电厂向厂外提供的供热汽源，其蒸汽的温度一般为260～300℃，压力一般为1.2～1.6MPa，汽源参数稳定。本发明通过将供热母管3排出的蒸汽作为碳捕集机组的备用气源，能够保证碳捕集机组的用气量稳定充足，从而使其运行稳定。
进一步地，所述脱硫引风机2与碳捕集引风机6之间设有第一调节阀4，所述供热母管3与碳捕集引风机6之间设有第二调节阀5。
为了更充分的利用来自于汽轮机18的蒸汽，在本发明中，将再沸器15利用后的蒸汽余热用于对输送至锅炉1的水进行预热。具体实施时，所述燃煤机组还包括加热器，用于对输送至锅炉1内的水进行加热，所述加热器的蒸汽入口与所述再沸器15的蒸汽出口连接。进一步地，所述加热器包括低压加热器16和高压加热器17，所述低压加热器16分别与所述再沸器15和高压加热器17连接。
在本发明中，所述碳捕集机组还包括发电机7，所述发电机7的蒸汽入口与所述碳捕集吸引风机的蒸汽出口连接，如此，当碳捕集引风机6利用后得到的供热蒸汽的温度和压力仍较高(即高于吸收剂再生所需蒸汽的温度和压力)时，可将供热蒸汽的一部分用于发电机7发电，一部分利用于再沸器15。
在一种优选实施方式中，所述碳捕集机组还包括贫液冷却器12，所述贫液冷却器12的液相入口与所述贫富液换热器13的液相出口连接，所述贫液冷却器12的液相出口与所述碳捕集吸收塔9的液相入口连接。通过贫液冷却器12的设置，能对经富液换热器处理后的贫液进行进一步冷却，再输送至碳捕集吸收塔9中继续吸收CO2。
具体实施时，所述贫液冷却器12中的贫液经贫液泵10输送至碳捕集吸收塔9中再利用；碳捕集吸收塔9中产生的富液经富液泵11输送至贫富液换热器13中。
在一种优选实施方式中，待处理烟气先经脱硫引风机2输送至脱硫塔进行脱硫，然后经碳捕集引风机6输送至碳捕集吸收塔9中。
本发明还提出了一种烟气碳捕集方法，该方法在包括碳捕集机组和燃煤机组的系统中实施，其中，所述碳捕集机组包括碳捕集吸引风机、碳捕集吸收塔9、贫富液换热器13、再生塔14和再沸器15，所述燃煤机组包括汽轮机18和脱硫引风机2；
该方法包括以下步骤：
将烟气通过碳捕集吸引风机输送至所述碳捕集吸收塔9中进行碳捕集，产生的富液依次进入所述贫富液换热器13和再生塔14，所述再生塔14中的富液循环进入所述再沸器15中进行加热，然后返回所述再生塔14；
所述富液在所述再生塔14中进行再生，产生的贫液与所述贫富液换热器13中的富液进行换热，然后进入所述碳捕集吸收塔9中再利用；
来自所述汽轮机18中压缸或高压缸的过热蒸汽，依次经脱硫引风机2和碳捕集吸引风机利用后，将得到的供热蒸汽与所述再沸器15中的富液进行换热。
在一种优选实施方式中，所述燃煤机组还包括供热母管3，所述方法还包括：将所述供热母管3内的蒸汽输送至所述碳捕集吸引风机中进行利用。
在一种优选实施方式中，所述燃煤机组还包括加热器，所述方法还包括：将经所述再沸器15利用后得到的低温蒸汽输送至加热器中进行利用。
在一种优选实施方式中，所述碳捕集机组还包括发电机7，所述方法还包括：将部分供热蒸汽输送至所述发电机7中进行利用。
在一种优选实施方式中，所述碳捕集机组还包括贫液冷却器12，所述方法还包括：在所述贫富液换热器13中与富液换热后的贫液在进入所述碳捕集吸收塔9中之前，先进入所述贫液冷却器12中进行冷却。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
采用如图1所示的烟气碳捕集系统进行以下实施例的操作。所述系统包括碳捕集机组和燃煤机组，所述碳捕集机组包括碳捕集吸引风机、碳捕集吸收塔9、贫富液换热器13、再生塔14和再沸器15，所述燃煤机组包括汽轮机18和脱硫引风机2。
实施例1
待处理烟气经脱硫引风机2输送至脱硫塔中进行脱硫处理，然后经碳捕集引风机6输送至碳捕集吸收塔9中，与碳捕集吸收塔9中的吸收剂逆流接触反应形成富液，富液经富液泵11输送至贫富液换热器13中，与来自再生塔14的贫液进行换热，然后注入再生塔14中，再生塔14中的富液循环进入再沸器15中进行加热(与供热蒸汽换热)，以使富液发生解吸反应释放出CO2，然后返回再生塔14；
再生塔14产生的贫液经贫液泵10输送至贫富液换热器13中，与来自碳捕集吸收塔9的富液进行换热，然后进入碳捕集吸收塔9中再利用；
当燃煤机组100％负荷运行时，汽轮机18中压缸排出的过热蒸汽经脱硫引风机2利用后，排出的蒸汽温度为290℃，压力为0.9MPa，然后输送至碳捕集引风机6利用后排出的蒸汽(即供热蒸汽)的温度为142℃，压力为0.41MPa，此时，供热蒸汽在满足再沸器15(吸收剂再生)的热量需求时，仍有部分结余蒸汽，因此，将部分供热蒸汽输送至再沸器中进行利用；将其余供热蒸汽先通过工业透平，然后带动小发电机7可多发电约2000kW/h，并通过厂网8完成上网。
经测算，若将发电量折算成再生能耗，本实施例的再生能耗(即再沸器能耗)为2.66GJ/tCO2，碳捕集系统的能耗(碳捕集引风机能耗+再生能耗)为2.66GJ/tCO2。
实施例2
按照实施例1所述的方法进行实施，与之不同的是，燃煤机组为50％负荷运行，此时，再沸器15的热源由两股蒸汽提供，来自汽轮机18中压缸排出的过热蒸汽经脱硫引风机2利用后，排出的蒸汽温度为291℃，压力为0.89MPa，然后输送至碳捕集引风机6利用后，排出的蒸汽(即供热蒸汽)的温度为148℃，压力为0.35MPa，得到第一股蒸汽，此股蒸汽量约占碳捕集再生需求量的70％；第二股蒸汽由电厂向厂外供热母管3提供，该气源压力为1.4MPa，温度为280℃，经碳捕集引风机6利用后，排出的蒸汽为145℃，压力为0.38MPa，此股蒸汽量约占碳捕集再生需求量的30％。
经测算，本实施例的再生能耗为2.71GJ/tCO2，碳捕集系统的能耗(碳捕集引风机能耗+再生能耗)为2.71GJ/tCO2。
对比例1
按照实施例1所述的方式进行实施，与之不同的是，汽轮机18中压缸排出的过热蒸汽经脱硫引风机2利用后，排出的蒸汽温度为291℃，压力为0.89MPa，经过减温减压器进行减温减压后，蒸汽温度和压力降低至141℃，0.41MPa(该部分能量损失未利用，且需要额外为减温减压器提供能量)，用于为再沸器15提供热源。其中，碳捕集引风机6也需额外提供能量。
经测算，本对比例的再生能耗为2.8GJ/tCO2，碳捕集系统的能耗(碳捕集引风机能耗+减温减压器能耗+再生能耗)为2.95GJ/tCO2。
将实施例1-2和对比例1进行比较可以看出，通过将脱硫引风机2排汽利用于碳捕集引风机6，能减少蒸汽能量损失，且避免了减温减压器所需要的能耗，从而有效降低了碳捕集机组的能耗，其降低能耗约为8.1～9.8％。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种烟气碳捕集系统，其特征在于，所述系统包括碳捕集机组和燃煤机组，所述碳捕集机组包括碳捕集吸引风机(6)、碳捕集吸收塔(9)、贫富液换热器(13)、再生塔(14)和再沸器(15)，所述燃煤机组包括汽轮机(18)和脱硫引风机(2)；
烟气经所述碳捕集吸引风机(6)输送至所述碳捕集吸收塔(9)中，所述碳捕集吸收塔(9)中的吸收剂与所述烟气接触，产生的富液依次进入所述贫富液换热器(13)和再生塔(14)，所述再生塔(14)中的富液循环进入所述再沸器(15)中进行加热，然后返回所述再生塔(14)；
所述再生塔(14)中产生的贫液与所述贫富液换热器(13)中的富液进行换热，然后进入所述碳捕集吸收塔(9)中再利用；
来自所述汽轮机(18)的中压缸或高压缸的过热蒸汽，依次经脱硫引风机(2)和碳捕集吸引风机(6)利用后，将得到的供热蒸汽与所述再沸器(15)中的富液进行换热。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃煤机组还包括供热母管(3)，所述供热母管(3)的蒸汽出口与所述碳捕集引风机(6)的蒸汽入口连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃煤机组还包括加热器，用于对输送至锅炉(1)内的水进行加热，
所述加热器的蒸汽入口与所述再沸器(15)的蒸汽出口连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述碳捕集机组还包括发电机(7)，所述发电机(7)的蒸汽入口与所述碳捕集吸引风机(6)的蒸汽出口连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述碳捕集机组还包括贫液冷却器(12)，所述贫液冷却器(12)的液相入口与所述贫富液换热器(13)的液相出口连接，所述贫液冷却器(12)的液相出口与所述碳捕集吸收塔(9)的液相入口连接。
6.一种烟气碳捕集方法，其特征在于，该方法在包括碳捕集机组和燃煤机组的系统中实施，其中，所述碳捕集机组包括碳捕集吸引风机(6)、碳捕集吸收塔(9)、贫富液换热器(13)、再生塔(14)和再沸器(15)，所述燃煤机组包括汽轮机(18)和脱硫引风机(2)；
该方法包括以下步骤：
将烟气通过碳捕集吸引风机(6)输送至所述碳捕集吸收塔(9)中进行碳捕集，产生的富液依次进入所述贫富液换热器(13)和再生塔(14)，所述再生塔(14)中的富液循环进入所述再沸器(15)中进行加热，然后返回所述再生塔(14)；
所述富液在所述再生塔(14)中进行再生，产生的贫液与所述贫富液换热器(13)中的富液进行换热，然后进入所述碳捕集吸收塔(9)中再利用；
来自所述汽轮机(18)中压缸或高压缸的过热蒸汽，依次经脱硫引风机(2)和碳捕集吸引风机(6)利用后，将得到的供热蒸汽与所述再沸器(15)中的富液进行换热。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃煤机组还包括供热母管(3)，所述方法还包括：将所述供热母管(3)内的蒸汽输送至所述碳捕集吸引风机(6)中进行利用。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃煤机组还包括加热器，所述方法还包括：将经所述再沸器(15)利用后得到的低温蒸汽输送至加热器中进行利用。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碳捕集机组还包括发电机(7)，所述方法还包括：将部分供热蒸汽输送至所述发电机(7)中进行利用。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碳捕集机组还包括贫液冷却器(12)，所述方法还包括：在所述贫富液换热器(13)中与富液换热后的贫液在进入所述碳捕集吸收塔(9)中之前，先进入所述贫液冷却器(12)中进行冷却。
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