CN117771922A - 一种全烟气二氧化碳捕集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳捕集技术领域，特别涉及一种全烟气二氧化碳捕集系统，包括锅炉装置、汽轮发电机组、冷却水装置和二氧化碳捕集装置，锅炉装置包括脱硫吸收塔，脱硫吸收塔出口连接烟气管道，二氧化碳捕集装置包括至少两个并联的捕集单元，还设有进口管道和出口管道，进口管道与烟气管道连通，出口管道连接有烟囱，捕集单元还包括与出口管道连接的驰放气管道，吸收装置与驰放气管道连接。捕集单元包括依次连接在进口管道与出口管道之间的洗涤塔、吸收装置和解吸装置，洗涤塔通过脱碳风机与进口管道连接。洗涤塔由湿式静电除尘器与水洗塔组成，湿式静电除尘器位于水洗塔的上端，本发明的全烟气二氧化碳捕集系统大幅度降低二氧化碳排放强度。

Description

一种全烟气二氧化碳捕集系统

技术领域

本发明涉及碳捕集技术领域，特别涉及一种全烟气二氧化碳捕集系统。

背景技术

高效燃煤发电机组仍将中长期内在电力系统中占据重要地位，二氧化碳捕集和利用封存技术（CCUS）作为唯一的负碳解决方案，是未来燃煤电站二氧化碳的重要减排途径之一。开展二氧化碳捕集和利用封存技术（CCUS）的研究和工程示范，具有重要的现实意义。

根据燃煤电厂烟气特性，醇胺吸收法是燃煤电厂烟气二氧化碳捕集技术的首选技术。其技术原理为：从锅炉中出来的烟气首先经过脱硝、除尘、脱硫、水洗等净化措施，并调整烟气的温度、压力等参数，以满足二氧化碳吸收塔的要求。净化后的烟气进入二氧化碳吸收装置，烟气中的二氧化碳和贫胺溶液反应被脱除，不含（或含有少量）二氧化碳的烟气（主要成分为氮气、水蒸气）通过烟囱排放。富含CO₂的富胺溶液在解吸塔解吸，解吸过程通过解吸塔进行加热，释放出高纯度的CO₂，并实现吸收剂的再生，变为贫胺溶液循环利用。高纯度的CO₂捕集后，加压液化进行运输，以及进行封存或者利用。

目前二氧化碳捕集装置总体规模较小，通过烟气量大约占整台机组的10~20%，无法实现煤电机组大幅度二氧化碳排放强度的降低，对于全烟气捕集缺少技术和工程实施方案，无法有效实现二氧化碳捕集装置同燃煤电站的耦合。

目前有50万吨/年、100万吨/年和150万吨/年二氧化碳捕集装置投运或者运行。但是，上述捕集装置均未能实现燃煤电站的二氧化碳全捕集。二氧化碳全部捕集在工程技术方案上需要解决几个难题：

（1）化工设计中二氧化碳捕集装置利用小时数为8000小时，燃煤机组利用小时数为5000小时。且二氧化碳捕集装置负荷率一般为50~110%，燃煤机组负荷率为30~100%；存在能力的不匹配。

（2）一般而言，二氧化碳捕集装置要求入口烟气温度≤45℃，粉尘浓度≤5mg/m³，SO₂浓度≤10mg/m³，NOx浓度≤10mg/m³。上述指标同燃煤机组烟气排放仍旧存在一定的偏差。

（3）对于二氧化碳全捕集项目，需要大量的蒸汽，一方面对汽轮发电机组及热力系统和锅炉设备及燃烧制粉系统产生重大影响，另外蒸汽的引出位置需要慎重选择。

（4）对于二氧化碳全捕集项目，需要大量的冷却水，需要同燃煤机组深度耦合。

发明内容

为了解决现有技术存在的无法实现煤电机组大幅度二氧化碳排放强度的降低的问题，本发明提供一种在燃煤发电机组中大幅度降低二氧化碳排放强度的全烟气二氧化碳捕集系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种全烟气二氧化碳捕集系统，包括锅炉装置、汽轮发电机组和冷却水装置，还包括二氧化碳捕集装置，二氧化碳捕集装置包括至少两个并联设置的捕集单元；

锅炉装置包括脱硫吸收塔，脱硫吸收塔出口连接烟气管道；

二氧化碳捕集装置设有进口管道和出口管道，所述的进口管道与烟气管道连通，出口管道连接有烟囱，所述的捕集单元包括依次连接在进口管道与出口管道之间的洗涤塔、吸收装置和解吸装置，所述的洗涤塔由湿式静电除尘器与水洗塔组成，湿式静电除尘器位于水洗塔的上端，捕集单元还包括与出口管道连接的驰放气管道，所述的吸收装置与驰放气管道连接，洗涤塔通过脱碳风机与进口管道连接；

所述的汽轮发电机组包括依次连接的高压缸、中压缸和低压缸，所述的中压缸与低压缸之间设有中压缸排汽管道，汽轮发电机组的中压缸排汽管道上连接有中排抽汽管道，所述的中排抽汽管道的蒸汽供应给解吸装置，中压缸排汽管道上设置调节阀，调节阀位于中排抽汽管道与中压缸排汽管道的连接处的后方；

所述的冷却水装置连接有冷却循环水管，冷却循环水管与捕集单元的贫液冷却器连接，冷却循环水管上设有循环升压泵；

捕集单元的煮沸器与汽轮发电机组的低压加热器之间连接有疏水管道，所述的煮沸器的蒸汽冷凝后产生的冷凝水进入到疏水管道，通过疏水升压泵送至低压加热器。

进一步的，所述的洗涤塔连接有冷凝水管道，所述的冷凝水管道与脱硫吸收塔连接，所述的冷凝水管道上设有冷凝水返回泵，在冷凝水返回泵的进口安装冷凝水过滤器。

进一步的，所述的脱硫吸收塔和驰放气管道之间设有旁路管道，所述的旁路管道上设有烟气旁路挡板。

进一步的，所述的二氧化碳捕集装置的进口管道还连接有临机烟气管道。

有益效果：

（1）本发明提供了一种燃煤机组全烟气二氧化碳捕集装置，针对单台燃煤发电机组，实现二氧化碳减排85%以上，针对两台机组可以实现平均的二氧化碳减排大约50%以上，碳排放强度低于燃机发电机组；总体投资造价和运行经济性高于燃机机组，为新型燃煤发电提供了新的选择路径；

（2）实现单台燃煤发电机组全烟气二氧化碳捕集，二氧化碳捕集装置采用化学吸收法，可在燃煤机组满负荷工况烟气全部通过二氧化碳捕集装置，捕集率高于90%；

（3）汽轮发电机组的中压缸排汽作为全烟气捕集汽源，在中排连通管装设调节阀调压，控制低负荷工况下蒸汽的压力，使得低负荷工况下仍能保障二氧化碳解吸塔的运行；

（4）锅炉蒸发量大幅增加，采用大锅炉、小汽轮机模式，实现满负荷工况下机组出力达额定值，热力系统和燃烧制粉系统同新型主机设置方案相匹配；

（5）二氧化碳捕集装置蒸汽经疏水管道全部回至热力系统的低压加热器；二氧化碳捕集装置出口的驰放气采用高空排放，烟囱设置在二氧化碳捕集装置的出口；脱硫吸收塔后设置洗涤塔，由湿式静电除尘器和水洗塔二合一设置组成；洗涤塔中多余水经净化处理后，湿式静电除尘器可以布置在水洗塔下游（上部）一体化设置，送至脱硫吸收塔；循环冷却水系统和燃煤机组的冷却水系统合并设置，在二氧化碳捕集装置冷却水系统设置循环升压泵；设置二氧化碳捕集装置烟气旁路系统以及邻机烟气和蒸汽接口，实现了全烟气二氧化碳捕集系统的各组成部分之间的耦合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的全烟气二氧化碳捕集系统的组成结构示意图。

1、锅炉装置，101、锅炉，102、锅炉脱硝设备，103、空气预热器，104、余热利用换热器，105、静电除尘器，106、引风机，107、脱硫吸收塔，2、汽轮发电机组，21、高压缸，22、中压缸，23、低压缸，24、发电机，25、凝汽器，26、低压加热器，27、除氧器，28、给水泵，29、中压缸排汽管道，3、冷却水装置，4、二氧化碳捕集装置，41、洗涤塔，411、水洗塔，412、湿式静电除尘器，42、吸收塔，43、贫液冷却器，44、贫富液换热器，45、解吸塔，46、煮沸器，47、进口管道，48、出口管道，49、驰放气管道，5、中排抽汽管道，6、调节阀，7、冷凝水管道，8、冷凝水返回泵，9、冷却循环水管，10、循环升压泵，11、旁路管道，12、烟气旁路挡板，13、疏水管道，14、临机烟气管道，15、脱碳风机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

术语解释：

二氧化碳捕集和利用封存技术（CCUS）：二氧化碳捕集技术用于去除气流中的二氧化碳或者分离出二氧化碳作为气体产物(carbon capture and storage，简称CCS技术)。电力行业是CCS技术应用的主要领域，化石燃料燃烧释放的二氧化碳是最主要的温室气体来源，其中发电行业的排放量占比最大。本文所述的捕集技术为燃煤电厂烟气中二氧化碳采用吸收法捕集技术。

化学吸收法：化学吸收剂在吸收塔内与烟气中的二氧化碳进行化学反应，生成化合物，并在解吸塔内经升温后释放出吸收的二氧化碳，完成二氧化碳与其他气体分离的方法。

水洗塔：利用水或者碱液脱除烟气中含有的硫化物以及烟尘等杂质的塔器设备。

如图1，本发明提供一种全烟气二氧化碳捕集系统，包括锅炉装置1、汽轮发电机组2和冷却水装置3，还包括二氧化碳捕集装置4，二氧化碳捕集装置4包括至少两个并联设置的捕集单元；锅炉装置1包括依次连接的锅炉101、锅炉脱硝设备102、空气预热器103、余热利用换热器104、静电除尘器105、引风机106和脱硫吸收塔107，脱硫吸收塔107出口连接烟气管道，二氧化碳捕集装置4设有进口管道47和出口管道48，进口管道47与烟气管道连通，出口管道48连接有烟囱，捕集单元还包括与出口管道48连接的驰放气管道49，吸收装置与驰放气管道49连接。捕集单元包括依次连接在进口管道47与出口管道48之间的洗涤塔41、吸收装置和解吸装置，洗涤塔41通过脱碳风机15与进口管道47连接。洗涤塔41由湿式静电除尘器412与水洗塔411组成，湿式静电除尘器412位于水洗塔411的上端。

针对燃煤机组同二氧化碳捕集系统利用小时数的差异，燃煤电厂全烟气捕集系统可以采用两个或者三个捕集单元，采用多列并联。一方面降低单套二氧化碳捕集系统的规模，降低大规模二氧化碳捕集系统设计和研发过程中带来的风险；另外采用多系列设置，当燃煤机组深度调峰或者在低负荷工况下运行时，可以减少投运二氧化碳捕集单元的数量，提升单个二氧化碳捕集单元的负荷率，降低捕集能耗。图1中将第二组捕集单元的吸收塔42后面的装置进行了省略，可选的，冷却水装置3可与捕集单元一一对应设置。

一般而言，燃煤机组吸收塔出口粉尘、SO₂和NOx排放浓度低于5、35和50mg/m³的排放限值，甚至降低至5、25和30mg/m³的排放水平。在脱硫塔后设置湿式静电除尘和水洗塔二合一布置的洗涤塔，通过碱液进一步降低SO₂浓度并降低烟气温度，将洗涤塔出口的烟温控制在45℃以下，同时将SO₂浓度降低至10mg/m³以下。

吸收装置包括吸收塔42，解吸装置包括解吸塔45，解吸塔45连接有煮沸器46，吸收塔42与解吸塔45之间连接有贫液冷却器43和贫富液换热器44。

汽轮发电机组2包括依次连接的高压缸21、中压缸22、低压缸23、发电机24、凝汽器25、低压加热器26、除氧器27和给水泵28，高压缸21与锅炉101出汽端连接，给水泵28与锅炉101进水端连接。凝汽器25内设置冷却水管与冷却水装置3连接并实现循环，冷却水管用于将低压缸23的排汽冷凝成水。中压缸22与低压缸23之间设有中压缸排汽管道29，汽轮发电机组2的中压缸排汽管道29上连接有中排抽汽管道5，中排抽汽管道5的蒸汽供应给解吸装置，中压缸排汽管道29上设置调节阀6，调节阀6位于中排抽汽管道5与中压缸排汽管道29的连接处的后方。二氧化碳捕集单元中解吸装置所用的蒸汽取自汽轮发电机组中压缸排汽。并在中压缸排汽管道29上设置调节阀6，控制低负荷工况下蒸汽的压力，使得低负荷工况下仍能保障二氧化碳解吸塔的运行。汽轮发电机组的铭牌出力保持不变，由于抽汽影响的出力增加通过增大锅炉蒸发量实现，锅炉蒸发量大约增加11%左右。相应配套锅炉设备的烟风、制粉系统、环保设备处理均大约增加11%左右。从汽轮机组给水泵28下游开始，除氧器27和低压加热器26出力增加大约11%左右。根据测算，针对1000MW机组满负荷工况下中排抽汽量大约为700t/h，蒸汽冷凝水全部回至低压加热器27，降低机组水汽损失。

洗涤塔41连接有冷凝水管道7，冷凝水管道7与脱硫吸收塔107连接，冷凝水管道7上设有冷凝水返回泵8。对于冷凝水进行净化处理，具体的，在冷凝水返回泵8的进口安装冷凝水过滤器，主要去除其中的固体颗粒物，澄清水送至脱硫吸收塔107作为补充水。

冷却水装置3连接有冷却循环水管9，冷却循环水管9与捕集单元的贫液冷却器43连接，冷却循环水管9上设有循环升压泵10。根据初步测算，采用全烟气捕集系统的冷却水量大约占原有机组冷却水总量的70%左右，因此，对于一种燃煤发电机组全烟气二氧化碳捕集系统，冷却水系统需要进行耦合。火电厂冷却水系统多采用扩大单元制运行，设置全烟气二氧化碳捕集系统的燃煤发电机组冷却水系统出力按单台机组的170%或者两台机组的135%设置，同时由于二氧化碳捕集系统冷却水接口位置较高，冷却水所需压力同汽轮发电机组的凝汽器25的冷却水压力不同，因此考虑对二氧化碳捕集系统的冷却水系统设置循环升压泵10。

捕集单元的煮沸器46与汽轮发电机组2的低压加热器26之间连接有疏水管道13。煮沸器46的蒸汽冷凝后产生的冷凝水进入到疏水管道13，通过疏水升压泵送至低压加热器26。

脱硫吸收塔107和驰放气管道49之间设有旁路管道11，旁路管道11上设有烟气旁路挡板12。二氧化碳捕集装置4的进口管道47还连接有临机烟气管道14。

本发明考虑到提高二氧化碳捕集系统的利用率，可以将临机的烟气和蒸汽作为备用气（汽）源接入二氧化碳捕集装置4，当机组在低负荷运行时可以提升二氧化碳捕集装置4的负荷率。

采用全烟气捕集系统后，捕集后的驰放气也应接入烟囱高空排放。常规设置在脱硫吸收塔或者湿式静电除尘器出口的烟囱取消，改为在二氧化碳捕集装置4出口设置烟囱，因烟气中酸性物质包括二氧化碳浓度大幅降低，接近洁净少氧气的空气，新烟囱可以降低防腐标准。

针对某1000MW二次再热机组的装置方案案例。1000MW二次再热满负荷低压缸功率可达285MW，低压进汽流量可达1575t/h。中排抽汽大约700t/h，影响发电126MW；700t/h的疏水回收大约可以增加发电量11MW。全捕集影响发电大约11.5%，即锅炉蒸发量相比常规1000MW等级纯凝发电机组需要增大11.5%。影响厂用电率大约3.1%。

针对1000MW机组，全烟气捕集装置总投资大约70亿，年捕集二氧化碳大约400万吨。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种全烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：包括锅炉装置（1）、汽轮发电机组（2）和冷却水装置（3），还包括二氧化碳捕集装置（4），二氧化碳捕集装置（4）包括至少两个并联设置的捕集单元；

锅炉装置（1）包括脱硫吸收塔（107），脱硫吸收塔（107）出口连接烟气管道；

二氧化碳捕集装置（4）设有进口管道（47）和出口管道（48），所述的进口管道（47）与烟气管道连通，出口管道（48）连接有烟囱，所述的捕集单元包括依次连接在进口管道（47）与出口管道（48）之间的洗涤塔（41）、吸收装置和解吸装置，所述的洗涤塔（41）由湿式静电除尘器（412）与水洗塔（411）组成，湿式静电除尘器（412）位于水洗塔（411）的上端，捕集单元还包括与出口管道（48）连接的驰放气管道（49），所述的吸收装置与驰放气管道（49）连接，洗涤塔（41）通过脱碳风机（15）与进口管道（47）连接；

所述的汽轮发电机组（2）包括依次连接的高压缸（21）、中压缸（22）和低压缸（23），所述的中压缸（22）与低压缸（23）之间设有中压缸排汽管道（29），汽轮发电机组（2）的中压缸排汽管道（29）上连接有中排抽汽管道（5），所述的中排抽汽管道（5）的蒸汽供应给解吸装置，中压缸排汽管道（29）上设置调节阀（6），调节阀（6）位于中排抽汽管道（5）与中压缸排汽管道（29）的连接处的后方；

所述的冷却水装置（3）连接有冷却循环水管（9），冷却循环水管（9）与捕集单元的贫液冷却器（43）连接，冷却循环水管（9）上设有循环升压泵（10）；

捕集单元的煮沸器（46）与汽轮发电机组（2）的低压加热器（26）之间连接有疏水管道（13），所述的煮沸器（46）的蒸汽冷凝后产生的冷凝水进入到疏水管道（13），通过疏水升压泵送至低压加热器（26）。

2.根据权利要求1所述的一种全烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述的洗涤塔（41）连接有冷凝水管道（7），所述的冷凝水管道（7）与脱硫吸收塔（107）连接，所述的冷凝水管道（7）上设有冷凝水返回泵（8），在冷凝水返回泵（8）的进口安装冷凝水过滤器。

3.根据权利要求1所述的一种全烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述的脱硫吸收塔（107）和驰放气管道（49）之间设有旁路管道（11），所述的旁路管道（11）上设有烟气旁路挡板（12）。

4.根据权利要求1所述的一种全烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述的二氧化碳捕集装置（4）的进口管道（47）还连接有临机烟气管道（14）。