CN213668629U - 一种锅炉低温冷却碳捕集系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种锅炉低温冷却碳捕集系统，包括：脱硫脱硝装置，用于脱去烟气中的含硫含硝物质；除尘器，用于除去烟气中的固体杂质；低温冷却器，用于将烟气中的二氧化碳凝华成干冰；固相混合物收集器，用于分离收集干冰；脱硫脱硝装置、除尘器及低温冷却器通过管路依次连通，固相混合物收集器设置在低温冷却器的底部，且脱硫脱硝装置还与锅炉排烟口连通，使锅炉产生的烟气经过脱硫脱硝装置、除尘器、低温冷却器及固相混合物收集器的处理后达到锅炉碳减排的要求。该系统能够低成本地实现化石燃料锅炉的近零碳排放；并且物理的低温液化二氧化碳工艺简单，没有任何化学或污染物的产生。

Description

一种锅炉低温冷却碳捕集系统
技术领域
本实用新型涉及环境保护技术领域，尤其涉及一种锅炉低温冷却碳捕集系统。
背景技术
快速的工业发展进程给人们带来便捷生活的同时，也给人们带来巨大的环境问题。全球超过85％的能量需求来自于化石燃料的燃烧。在世界各国，燃烧化石燃料的锅炉是二氧化碳排放的主要来源。
全球的科学家从20世纪七八十年代开始致力于研究二氧化碳的捕集与封存(CCS)，各种各样二氧化碳捕集方法应运而生。从化石燃料的燃烧中捕集二氧化碳主要有3条技术路线：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧法。二氧化碳的捕集方法有溶液吸收法、膜分离法、电化学法、酶法、光生物合成法、催化剂法、化学链法以及这些方法的混合使用等，烟气与天然气中二氧化碳的捕集目前主要采用溶液吸收法。
但上述这些方法都存在系统能耗高、设备及运行成本高的问题，难以经济可行地大面积推广。
实用新型内容
(一)实用新型目的
本实用新型的目的是提供一种锅炉低温冷却碳捕集系统以解决化石燃料锅炉的碳排放问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本实用新型的第一方面提供了一种锅炉低温冷却碳捕集系统，包括：脱硫脱硝装置，用于脱去烟气中的含硫含硝物质；除尘器，用于除去所述烟气中的固体杂质；低温冷却器，用于将所述烟气中的二氧化碳凝华成干冰；固相混合物收集器，用于分离收集所述干冰；所述脱硫脱硝装置、所述除尘器及所述低温冷却器通过管路依次连通，所述固相混合物收集器设置在所述低温冷却器的底部，且所述脱硫脱硝装置还与锅炉排烟口连通，使所述锅炉产生的烟气经过所述脱硫脱硝装置、所述除尘器、所述低温冷却器及所述固相混合物收集器的处理后达到锅炉碳减排的要求。
进一步地，所述低温冷却器内部排布有供冷却介质进行换冷的冷却介质循环管路。
进一步地，所述冷却介质为单一元素的液相介质或单一化合物的液相介质的单一工质介质；所述单一工质介质为液氮、液氢、液氧、液氩、液氦等单一元素的液相介质，或液态甲烷、乙烷、丙烷等单一化合物的液相介质中的任意一种；或含有或不含有氟利昂的混合制冷剂、液化天然气混合物、碳氢化合物混合物、溴化物混合物、其他二元溶液混合物中的任意一种。
进一步地，所述冷却介质的冷源为电站锅炉或汽机的蒸汽驱动的制冷压缩机。
进一步地，所述冷却介质的冷源为电站锅炉驱动的火电机组产生的调峰电力、电网调峰调频电力或电网低谷电力驱动的电制冷压缩机。
进一步地，所述低温冷却器为单级低温冷却器或多级低温冷却器。
进一步地，所述低温冷却器为两级低温冷却器，包括：第一级低温冷却器和第二级低温冷却器；所述固相混合物收集器为两个，包括：第一固相混合物收集器和第二固相混合物收集器；所述第一级低温冷却器用于分离烟气中的水分，使所述水分形成的冰及粉尘固相混合物，并由与所述第一级低温冷却器连通的所述第一固相混合物收集器分离收集；所述第二级低温冷却器用于分离烟气中的二氧化碳，使所述二氧化碳形成的干冰及粉尘固相混合物，并由所述第二级低温冷却器连通的第二固相混合物收集器分离收集。
根据本实用新型的另一个方面，提供一种锅炉低温冷却碳捕集方法，利用上述技术方案任一项所述的锅炉低温冷却碳捕集系统捕集锅炉烟气中的二氧化碳。
根据本实用新型的又一方面，提供一种锅炉低温冷却碳捕集系统设置方法，包括：检测烟气中成分含量；根据所述成分含量选择低温冷却器，并将所述低温冷却器设置在锅炉的排烟管路中；在所述低温冷却器底部设置固相混合物收集器；所述低温冷却器与所述固相混合物收集器配合分离收集所述烟气中的水分和二氧化碳，使所述烟气达到碳减排的要求。
进一步地，所述低温冷却器为两级低温冷却器，包括：第一级低温冷却器和第二级低温冷却器；所述固相混合物收集器为两个，包括：第一固相混合物收集器和第二固相混合物收集器；
所述第一级低温冷却器用于分离烟气中的水分，使所述水分形成的冰及粉尘固相混合物，并由与所述第一级低温冷却器连通的所述第一固相混合物收集器分离收集；
所述第二级低温冷却器用于分离烟气中的二氧化碳，使所述二氧化碳形成的干冰及粉尘固相混合物，并由所述第二级低温冷却器连通的第二固相混合物收集器分离收集。
进一步地，所述低温冷却器换热平衡计算方法为：
Q冷总＝Q一级+Q二级+……+QN级＝F水*(Q水固潜+(T烟-T水固)*Cp汽)+FCO2*[QCO2固潜+ (T烟-TCO2固)*CpCO2]；
其中：
Q冷总为低温冷却器总的冷却换热量，单位为kJ/h；
Q一级、Q二级、……、QN级为一级、二级、……、N级低温冷却器的冷却换热量，单位为kJ/kg；
F水为烟气中含有的水蒸汽的流量，单位为kg/h；
FCO2为烟气中含有的二氧化碳的流量，单位为kg/h；
T烟为烟气进入低温冷却器入口温度，单位为℃；
Q水固潜为水凝结为固态的相变潜热，单位为kJ/h；
QCO2固潜为二氧化碳凝结的干冰的相变潜热，单位为kJ/h；
T水固为水蒸汽或水固化温度，单位为℃；
TCO2固为气态或液态二氧化碳的固化温度，单位为℃；
Cp汽为水蒸汽的比热容，单位为kJ/kg℃；
CpCO2为气态二氧化碳的比热容，单位为kJ/kg℃。
本实用新型旨在提供一种锅炉低温冷却碳捕集系统，包括：脱硫脱硝装置，用于脱去烟气中的含硫含硝物质；除尘器，用于除去烟气中的固体杂质；低温冷却器，用于将烟气中的二氧化碳凝华成干冰；固相混合物收集器，用于分离收集干冰；脱硫脱硝装置、除尘器及低温冷却器通过管路依次连通，固相混合物收集器设置在低温冷却器的底部，且脱硫脱硝装置还与锅炉排烟口连通，使锅炉产生的烟气经过脱硫脱硝装置、除尘器、低温冷却器及固相混合物收集器的处理后达到锅炉碳减排的要求。
(三)有益效果
本实用新型的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本实用新型的锅炉低温冷却碳捕集系统能够低成本地实现化石燃料锅炉的近零碳排放，可有效的防止温室效应的发生；并且使用物理的方法低温固化二氧化碳的工艺简单，没有任何化学或污染物的产生。
附图说明
图1是根据本实用新型第一实施方式的锅炉低温冷却碳捕集系统结构示意图；
图2是根据本实用新型一可选实施方式的锅炉低温冷却碳捕集系统的结构示意图；
图3是根据本实用新型另一可选实施方式的锅炉低温冷却碳捕集系统的结构示意图；
图4是根据本实用新型一可选实施方式的锅炉低温冷却碳捕集系统设置方法的流程图；
图5是根据本实用新型又一可选实施方式的锅炉低温冷却碳捕集系统结构示意图。
附图标记：
1：脱硫脱硝装置；2：除尘器；3：低温冷却器；4：固相混合物收集器； 5：锅炉；6：烟囱；7：冷却介质循环管路；31：第一级低温冷却器；32：第二级低温冷却器；41：第一固相混合物收集器；42：第二固相混合物收集器； 8：分烟管路；9：挡板。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，在本实用新型实施例的第一方面，提供了一种锅炉低温冷却碳捕集系统，包括：脱硫脱硝装置1，用于脱去烟气中的含硫含硝物质；除尘器2，用于除去烟气中的固体杂质；低温冷却器3，用于将烟气中的二氧化碳凝华成干冰；固相混合物收集器4，用于分离收集干冰；脱硫脱硝装置1、低温冷却器3及除尘器2通过管路连通，固相混合物收集器4设置在低温冷却器3的底部，且脱硫脱硝装置1还与锅炉5排烟口连通，使锅炉5产生的烟气经过脱硫脱硝装置1、除尘器2、低温冷却器3及固相混合物收集器4 的处理后达到锅炉碳减排的要求。可选的，在脱硫脱硝装置1、低温冷却器3 及除尘器2之间设置分烟管路8，利用挡板9控制烟气的流向。
锅炉5内燃烧后的烟气经过脱硫脱硝装置1和除尘器2处理后进入低温冷却器3冷却至干冰产生的温度以下，剩余主要成分为氮气的剩余烟气进入烟囱6排放；低温冷却器3底部布置固相混合物收集器4，内部布置冷却介质换热盘管，低温条件下产生的固相混合物由固相混合物收集器4收集分离。
上述实施例的系统能够低成本地实现化石燃料锅炉5的近零碳排放，可有效的防止温室效应的发生；并且使用物理的方法低温固化二氧化碳的工艺简单，没有任何化学或污染物的产生。
可选的，低温冷却器3内部排布有供冷却介质进行换冷的冷却介质循环管路7；冷却介质循环管路7及阀门用于控制进入低温冷却器3换冷的冷却介质流量，进而控制低温冷却器3内的温度。
可选的，冷却介质为单一元素的液相介质或单一化合物的液相介质的单一工质介质；或不含有氟利昂的混合制冷剂或二元溶液混合物的混合工质介质，其中，单一元素的液相介质可选的有液氮、液氢、液氧、液氩货液氦；单一化合物的液相介质可选的有液态甲烷、乙烷或丙烷；不含有氟利昂的混合制冷剂可选的有液化天然气混合物、碳氢化合物混合物或溴化物混合物。
可选的，冷却介质的冷源为电站锅炉5或汽机的蒸汽驱动的制冷压缩机。可选的，冷却介质的冷源为电站锅炉5驱动的火电机组产生的调峰电力、电网调峰调频电力或电网低谷电力驱动的电制冷压缩机。低温冷却器3冷源利用电站锅炉5或火电机组的调峰调频蒸汽或调峰调频电力，可以实现低成本的低温环境的获得。
可选的，低温冷却器3为单级低温冷却器3或多级低温冷却器3。
实施例2
如图2所示，本实施例是在上述实施例基础上，对低温冷却器3和固相混合物收集器4进一步展开说明，低温冷却器3为两级低温冷却器3，包括：第一级低温冷却器31和第二级低温冷却器32；固相混合物收集器4为两个，包括：第一固相混合物收集器41和第二固相混合物收集器42；第一级低温冷却器31用于分离烟气中的水分，使水分形成的冰及粉尘固相混合物，并由与第一级低温冷却器31连通的第一固相混合物收集器41分离收集；第二级低温冷却器32用于分离烟气中的二氧化碳，使二氧化碳形成的干冰及粉尘固相混合物，并由与第二级低温冷却器32连通的第二固相混合物收集器42分离收集。
在本实用新型实施例的另一个方面，提供一种锅炉低温冷却碳捕集方法，利用上述实施例任一项的锅炉低温冷却碳捕集系统捕集锅炉(5)烟气中的二氧化碳。
实施例3
如图3所示，在本实施例中，提供一种锅炉低温冷却碳捕集系统，包括锅炉本体、脱硫脱硝装置、除尘器及烟囱、烟气挡板、烟气分流管道、低温冷却器、固相混合物收集器、冷却介质供回管路及阀门；锅炉本体内燃烧后的烟气经过脱硫脱硝装置和除尘器处理后经过烟气分流管道进入低温冷却器冷却至干冰产生的温度以下，剩余主要成分为氮气的剩余烟气进入烟囱排放；低温冷却器底部布置固相混合物收集器，内部布置冷却介质换热盘管，低温条件下产生的固相混合物由固相混合物收集器收集分离；冷却介质供回管路及阀门用于控制进入低温冷却器换冷的冷却介质流量，进而控制低温冷却器内的温度。
低温冷却器布置单级或两级或多级中的任意一种；低温冷却器优选设置两级，一级低温冷却器用于分离烟气中的水份，形成的冰及粉尘固相混合物由一级低温冷却器的固相混合物收集器收集。
低温冷却器优选设置两级，二级低温冷却器用于分离烟气中的二氧化碳，形成的干冰及粉尘固相混合物由二级低温冷却器的固相混合物收集器收集。
冷却介质为单一工质介质或混合工质介质；其中，单一工质介质为液氮、液氢、液氧、液氩、液氦等单一元素的液相介质，或液态甲烷、乙烷、丙烷等单一化合物的液相介质中的任意一种；混合工质介质为含有或不含有氟利昂的混合制冷剂、液化天然气混合物、碳氢化合物混合物、溴化物混合物、其他二元溶液混合物中的任意一种。
低温冷却器的冷却介质的冷源来自电站锅炉或汽机的蒸汽驱动的压缩机制冷获得或者低温冷却器的冷却介质的冷源来电站锅炉驱动的火电机组发电的调峰电力或电网调峰调频电力或电网低谷电力驱动的电力压缩机制冷获得。
上述实施例所提供的系统能够低成本地实现化石燃料锅炉的近零碳排放；低温冷却器冷源利用电站锅炉或火电机组的调峰调频蒸汽或调峰调频电力，可以实现低成本的低温环境的获得；物理的低温液化CO2工艺简单，没有任何化学或污染物的产生。
实施例4
如图4所示，在本实用新型实施例的又一方面，提供一种锅炉低温冷却碳捕集系统设置方法，包括：
S1：检测烟气中成分含量；
根据化石燃料锅炉5的烟气排放流量和烟气脱硫脱硝除尘工艺设置流程，合理布置低温冷却器3的安装位置及冷却碳捕集系统流经的烟气流量。
S2：根据成分含量选择低温冷却器，并将低温冷却器设置在锅炉的排烟管路中；
S3：在低温冷却器底部设置固相混合物收集器；
低温冷却器3与固相混合物收集器4配合分离收集烟气中的水分和二氧化碳，使所述烟气达到碳减排的要求。
分离水或CO2后的剩余经过除尘净化后的烟气可以送入烟囱6中对空排放。
可选的，低温冷却器3为两级低温冷却器3，包括：第一级低温冷却器 31和第二级低温冷却器32；固相混合物收集器4为两个，包括：第一固相混合物收集器41和第二固相混合物收集器42；第一级低温冷却器31用于分离烟气中的水分，使水分形成的冰及粉尘固相混合物，并由与第一级低温冷却器31连通的第一固相混合物收集器41分离收集；第二级低温冷却器32用于分离烟气中的二氧化碳，使二氧化碳形成的干冰及粉尘固相混合物，并由与第二级低温冷却器32连通的第二固相混合物收集器42分离收集。
其中，第一级低温冷却器31内烟气侧温度低于0度，高于-10度，造成烟气经过第一级低温冷却器31后的烟气中的水蒸汽以粉尘颗粒为凝结核心，凝结成冰或雪，固态的冰或雪在第一级低温冷却器31底部的固相混合物收集器4沉淀收集；第二级低温冷却器32内的烟气侧温度低于烟气中二氧化碳分压力对应的凝固温度，在此温度下，烟气中的二氧化碳全部或大部分凝固成干冰，在第二级低温冷却器32底部固相混合物收集器4沉淀收集。
实施例5
本实施例中，在上述实施例的基础上给出了低温冷却器3换热平衡计算方法为：
Q冷总＝Q一级+Q二级+……+QN级＝F水*(Q水固潜+(T烟-T水固)*Cp汽)+FCO2*[QCO2固潜+ (T烟-TCO2固)*CpCO2]；
其中：
Q冷总为低温冷却器总的冷却换热量，单位为kJ/h；
Q一级、Q二级、……、QN级为一级、二级、……、N级低温冷却器的冷却换热量，单位为kJ/kg；
F水为烟气中含有的水蒸汽的流量，单位为kg/h；
FCO2为烟气中含有的二氧化碳的流量，单位为kg/h；
T烟为烟气进入低温冷却器入口温度，单位为℃；
Q水固潜为水凝结为固态的相变潜热，单位为kJ/h；
QCO2固潜为二氧化碳凝结的干冰的相变潜热，单位为kJ/h；
T水固为水蒸汽或水固化温度，单位为℃；
TCO2固为气态或液态二氧化碳的固化温度，单位为℃；
Cp汽为水蒸汽的比热容，单位为kJ/kg℃；
CpCO2为气态二氧化碳的比热容，单位为kJ/kg℃。
实施例6
如图5所示，在本实施例中，提供了一种锅炉低温冷却碳捕集系统，包括：脱硫脱硝装置1，用于脱去烟气中的含硫含硝物质；除尘器2，用于除去烟气中的固体杂质；低温冷却器3，用于将烟气中的二氧化碳凝华成干冰；固相混合物收集器4，用于分离收集干冰；脱硫脱硝装置1、除尘器2及低温冷却器3通过管路依次连通，固相混合物收集器4设置在低温冷却器3的底部，且脱硫脱硝装置1还与锅炉5排烟口连通，使锅炉5产生的烟气经过脱硫脱硝装置1、除尘器2、低温冷却器3及固相混合物收集器4的处理后达到锅炉碳减排的要求。其中，低温冷却器3为两级低温冷却器3，包括：第一级低温冷却器31和第二级低温冷却器32；固相混合物收集器4为两个，包括：第一固相混合物收集器41和第二固相混合物收集器42；第一级低温冷却器31用于分离烟气中的水分，使水分形成的冰及粉尘固相混合物，并由与第一级低温冷却器31连通的第一固相混合物收集器41分离收集；第二级低温冷却器32用于分离烟气中的二氧化碳，使二氧化碳形成的干冰及粉尘固相混合物，并由与第二级低温冷却器32连通的第二固相混合物收集器42分离收集。
锅炉5内燃烧后的烟气经过脱硫脱硝装置1和除尘器2处理后进入低温冷却器3冷却至干冰产生的温度以下，剩余主要成分为氮气的剩余烟气经过除尘器2后进入烟囱6排放；低温冷却器3底部布置固相混合物收集器4，内部布置冷却介质换热盘管，低温条件下产生的固相混合物由固相混合物收集器4收集分离。
上述实施例的系统能够低成本地实现化石燃料锅炉5的近零碳排放，可有效的防止温室效应的发生；并且使用物理的方法低温固化二氧化碳的工艺简单，没有任何化学或污染物的产生。
本实用新型旨在保护一种锅炉5低温冷却碳捕集系统，包括：脱硫脱硝装置1，用于脱去烟气中的含硫含硝物质；除尘器2，用于除去烟气中的固体杂质；低温冷却器3，用于将烟气中的二氧化碳凝华成干冰；固相混合物收集器4，用于分离收集干冰；脱硫脱硝装置1、除尘器2及低温冷却器3通过管路依次连通，固相混合物收集器4设置在低温冷却器3的底部，且脱硫脱硝装置1还与锅炉5排烟口连通，使锅炉5产生的烟气经过脱硫脱硝装置1、除尘器2、低温冷却器3及固相混合物收集器4的处理后达到锅炉碳减排的要求。该系统能够低成本地实现化石燃料锅炉5的近零碳排放，可有效的防止温室效应的发生；并且使用物理的方法低温固化二氧化碳的工艺简单，没有任何化学或污染物的产生。
应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种锅炉低温冷却碳捕集系统，其特征在于，包括：
脱硫脱硝装置（1），用于脱去烟气中的含硫含硝物质；
除尘器（2），用于除去所述烟气中的固体杂质；
低温冷却器（3），用于将所述烟气中的二氧化碳凝华成干冰；
固相混合物收集器（4），用于分离收集所述干冰；
所述脱硫脱硝装置（1）、所述除尘器（2）及所述低温冷却器（3）通过管路依次连通，所述固相混合物收集器（4）设置在所述低温冷却器（3）的底部，且所述脱硫脱硝装置（1）还与锅炉（5）排烟口连通，使所述锅炉（5）产生的烟气经过所述脱硫脱硝装置（1）、所述除尘器（2）、所述低温冷却器（3）及所述固相混合物收集器（4）的处理后达到锅炉碳减排的要求。
2.根据权利要求1所述的锅炉低温冷却碳捕集系统，其特征在于，所述低温冷却器（3）内部排布有供冷却介质进行换冷的冷却介质循环管路（7）。
3.根据权利要求2所述的锅炉低温冷却碳捕集系统，其特征在于，所述冷却介质为单一元素的液相介质或单一化合物的液相介质的单一工质介质；所述单一工质介质为液氮、液氢、液氧、液氩、液氦单一元素的液相介质，或液态甲烷、乙烷、丙烷单一化合物的液相介质中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的锅炉低温冷却碳捕集系统，其特征在于，所述冷却介质的冷源为电站锅炉（5）或汽机的蒸汽驱动的制冷压缩机。
5.根据权利要求2所述的锅炉低温冷却碳捕集系统，其特征在于，所述冷却介质的冷源为电站锅炉（5）驱动的火电机组产生的调峰电力、电网调峰调频电力或电网低谷电力驱动的电制冷压缩机。
6.根据权利要求1-5任一项所述的锅炉低温冷却碳捕集系统，其特征在于，所述低温冷却器（3）为单级低温冷却器或多级低温冷却器。
7.根据权利要求1-5任一项所述的锅炉低温冷却碳捕集系统，其特征在于，所述低温冷却器（3）为两级低温冷却器，包括：第一级低温冷却器（31）和第二级低温冷却器（32）；所述固相混合物收集器（4）为两个，包括：第一固相混合物收集器（41）和第二固相混合物收集器（42）；
所述第一级低温冷却器（31）用于分离烟气中的水分，使所述水分形成的冰及粉尘固相混合物，并由与所述第一级低温冷却器（31）连通的所述第一固相混合物收集器（41）分离收集；
所述第二级低温冷却器（32）用于分离烟气中的二氧化碳，使所述二氧化碳形成的干冰及粉尘固相混合物，并由所述第二级低温冷却器（32）连通的第二固相混合物收集器（42）分离收集。
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