基于螺杆热泵技术优化的烟气二氧化碳捕集与压缩工艺及其系统的制作方法

1.本发明涉及电厂烟气二氧化碳捕集与压缩工艺，尤其涉及采用高温螺杆热泵技术优化的电厂烟气二氧化碳捕集与压缩工艺。


背景技术：

2.在双碳背景下，国内煤、生物质电厂的烟气脱碳研究、试点等工作正在广泛开展。针对电厂燃烧后的烟气，采用有机胺溶剂进行化学捕集是当前商业化应用最多的技术，但较高的运行能耗和投资成本制约了co2捕集与利用(ccus)的发展，因此发展低能耗捕集技术成为了co2减排的关键。
3.目前公认通过开发新型吸收剂和优化系统工艺来降低系统能耗是最主要的手段。新型吸收剂主要有混合胺类吸收剂、相变吸收剂和由胺类和有机溶剂或离子液体等组成的低水/无水吸收剂，其中胺类吸收剂主要是从提高co2吸收容量、降低解析反应热和溶剂的潜热与显热来实现解析塔再沸器热负荷的降低。工艺优化主要围绕着增强吸收与解析过程进行，包括吸收塔内冷却、富液循环、富液分馏、半贫液工艺、闪蒸再生、多效解析、直接蒸汽解析等工艺。虽然以上工艺优化方法在理论上降低了co2捕集过程中的能耗(主要体现为再生能耗降低)，但未与后端co2压缩回收做整体工艺优化(解析后的co2需要进一步增压、净化、冷凝液化)。解析过程中水蒸发潜热与升温显热占再生能耗的40％以上，但解析塔塔顶冷凝器又采用大量冷却水移走热量，不仅未能利用此部分能量，还增大了冷却水的消耗。综合看，co2的捕集与压缩整体能耗高，这将大大降低电厂热效率，增加发电成本。
4.为有效减少装置的能耗，越来越多的塔设备采用热泵技术，利用补偿或消耗机械功，提高塔顶低温热媒的品位，并将其作为塔釜再沸器的热源，实现塔顶、塔釜热量的优化利用。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供基于螺杆热泵技术优化的烟气二氧化碳捕集与压缩工艺及其系统，其能较大幅度降低二氧化碳捕集与压缩的综合能耗。
6.本发明实施例的一种基于螺杆热泵技术优化的烟气二氧化碳捕集与压缩工艺，包括以下步骤：
7.吸收
8.将烟气通入co2吸收塔，与吸收剂贫液进行吸收处理；
9.解析
10.将从co2吸收塔流出的低温吸收剂富液与来自co2解析塔的再沸器的高温吸收剂贫液换热后，通入co2解析塔上部进行解析处理，解析的塔顶气直接输出给喷液螺杆压缩机热泵，从co2解析塔塔釜流出的吸收剂贫液进入再沸器；
11.压缩
12.喷液螺杆压缩机热泵对来自co2解析塔的塔顶气进行压缩，压缩后的气体与流入再沸器中的吸收剂贫液换热后进行气液分离，将分离后的液相产物和气相产物分别输送到液体容器和气体液化单元；
13.液化
14.气体液化单元对所述气相产物进行液化处理，制得co2液态产品。
15.本发明实施例的一种基于螺杆热泵技术的烟气二氧化碳捕集与压缩系统，包括:吸收单元，吸收单元包括co2吸收塔，co2吸收塔用于将输入的烟气与流入的吸收剂贫液进行吸收处理；解析单元，解析单元包括co2解析塔、蒸汽再沸器和热泵源再沸器；co2解析塔的塔顶和塔底分别设有解析气体出口和塔釜贫液出口，co2解析塔的上部和下部分别设有吸收剂富液入口和再沸气相入口；co2解析塔的吸收剂富液入口与co2吸收塔的吸收剂出口连通，蒸汽再沸器的冷侧入口和热泵源再沸器的冷侧入口分别连通co2解析塔的塔釜贫液出口，蒸汽再沸器的冷侧出口和热泵源再沸器的冷侧出口分别连通co2解析塔的再沸气相入口；蒸汽再沸器的热侧入口用于输入外界蒸汽；压缩单元，压缩单元包括喷液螺杆压缩机热泵、一级气液分离器、二级气液分离器和液体容器；喷液螺杆压缩机热泵包括一级喷液螺杆压缩机和二级喷液螺杆压缩机，一级喷液螺杆压缩机的进口连通co2解析塔的解析气体出口，一级喷液螺杆压缩机的出口连通热泵源再沸器的第一热侧进口，热泵源再沸器的第一热侧出口连通一级气液分离器的进口；二级喷液螺杆压缩机的进口连通一级气液分离器的气体出口，二级喷液螺杆压缩机的出口连通热泵源再沸器的第二热侧进口，热泵源再沸器的第二热侧出口连通二级气液分离器的进口，输入第一热侧进口及第二热侧进口的压缩后的气体与从co2解析塔的塔釜贫液出口流入的吸收剂贫液在热泵源再沸器中换热；一级气液分离器的液体出口和二级气液分离器的液体出口分别连通液体容器；气体液化单元，气体液化单元连通二级气液分离器的气体出口，用于对二级气液分离器输出的气相产物进行液化处理，制得co2液态产品。
16.本发明至少具有以下优点和特点：
17.1、本发明实施例的co2解析塔的再沸器蒸汽耗量大幅降低。本发明的喷液螺杆压缩机热泵不仅充分利用了co2解析塔塔顶高温co2饱和水汽的热量，压缩过程中喷入的水使排气温度饱和，这样可以有效利用水的潜热。此外，分离回co2解析塔的水高温进料，降低了加热能耗；
18.2、降低了co2捕集与压缩操作的总费用。虽然解析后饱和co2直接压缩增大了压缩机负荷，但由于系统优化后再生蒸汽量大大降低，同时循环冷却水量使用量大幅下降，因此整体运行费用大幅降低；
19.3、两级喷液螺杆压缩机热泵降低了设备占地。螺杆压缩机不仅具有运行稳定和操作方便的优点，而且压缩过程中可以喷液运行，因此单级压缩便可实现较高压比，两级压缩便可将解析后的co2饱和气压缩至22barg，相比于离心和往复，压缩级数减少。
附图说明
20.图1示出了根据本发明实施例的基于螺杆压缩机热泵技术的烟气二氧化碳捕集与压缩系统的示意图。
具体实施方式
21.图1示出了根据本发明实施例的基于螺杆压缩机热泵技术的烟气二氧化碳捕集与压缩系统的示意图。请参考图1。根据本发明一实施例的基于螺杆压缩机热泵技术的烟气二氧化碳捕集与压缩系统包括吸收单元、解析单元、压缩单元和气体液化单元。
22.吸收单元包括co2吸收塔t01、鼓风机b01、烟气冷却器e01、循环水泵p01以及循环水冷却器e02。
23.co2吸收塔t01的下部和顶部分别设有烟气入口和烟气出口，co2吸收塔t01的底部和上部分别设有吸收剂出口和吸收剂入口。co2吸收塔t01的上部还设有补充水入口和循环水出口。鼓风机b01的入口用于接受脱硫脱硝后的烟气，鼓风机b01的出口通过烟气冷却器e01与co2吸收塔t01的烟气入口连通。co2吸收塔t01用于将从烟气入口输入的烟气与从吸收剂入口流入的吸收剂贫液进行吸收处理。循环水泵p01的入口和出口分别与co2吸收塔t01的循环水出口和补充水入口连通。
24.工作时，脱硫脱硝后的烟气经鼓风机b01增压、烟气冷却器e01冷却后通入co2吸收塔t01的塔釜，烟气与co2吸收塔t01上部通入的吸收剂贫液逆向接触进行化学吸收。
25.解析单元包括co2解析塔t02、蒸汽再沸器e05、热泵源再沸器e06、贫富液换热器e03、贫液冷却器e04、贫液泵p03和富液泵p02。
26.co2解析塔t02的塔顶和塔底分别设有解析气体出口和塔釜贫液出口，co2解析塔t02的上部和下部分别设有吸收剂富液入口和再沸气相入口。co2解析塔t02的吸收剂富液入口通过贫富液换热器e03、以及富液泵p02与co2吸收塔t01的吸收剂出口连通。蒸汽再沸器e05的冷侧入口和热泵源再沸器e06的冷侧入口分别连通co2解析塔t02的塔釜贫液出口，蒸汽再沸器e05的冷侧出口和热泵源再沸器e06的冷侧出口分别连通co2解析塔的再沸气相入口。蒸汽再沸器e05的热侧入口用于输入外界蒸汽。
27.富液泵p02的入口与co2吸收塔的吸收剂出口连通，富液泵p02的出口与贫富液换热器的冷侧入口连通，贫富液换热器e03的冷侧出口与co2解析塔的吸收剂富液入口连通。贫液泵p03的入口与热泵源再沸器e06的吸收剂贫液采出口连通，贫液泵p03的出口与贫富液换热器e03的热侧入口连通，贫富液换热器e03的热侧出口通过贫液冷却器e04与co2吸收塔t01的吸收剂入口连通。
28.压缩单元包括喷液螺杆压缩机热泵、一级气液分离器v01、二级气液分离器v02和液体容器v04。
29.本实施例的喷液螺杆压缩机热泵为两级喷液螺杆压缩机热泵，包括一级喷液螺杆压缩机c01和二级喷液螺杆压缩机c02，一级喷液螺杆压缩机c01的进口连通co2解析塔t02的解析气体出口，一级喷液螺杆压缩机c01的出口连通热泵源再沸器e06的第一热侧进口，热泵源再沸器e06的第一热侧出口连通一级气液分离器v01的进口；二级喷液螺杆压缩机c02的进口连通一级气液分离器v01的气体出口，二级喷液螺杆压缩机c02的出口连通热泵源再沸器e06的第二热侧进口，热泵源再沸器e06的第二热侧出口连通二级气液分离器v02的进口，输入第一热侧进口及第二热侧进口的压缩后的气体与从co2解析塔t02的塔釜贫液出口流入的吸收剂贫液在热泵源再沸器e06中换热。一级气液分离器v01的液体出口分别连通液体容器v04和一级喷液螺杆压缩机c01的进口，将部分分离出的液体作为一级喷液螺杆压缩机c01的喷液使用，二级气液分离器v02的液体出口分别连通液体容器v04和二级喷液
螺杆压缩机c02的进口，将部分分离出的液体作为二级喷液螺杆压缩机c02的喷液使用。液体容器v04的液体出口连通co2解析塔t02的上部。
30.co2解析塔t02的塔顶气富含co2和水蒸气，经一、二级喷液螺杆压缩后迅速增压升温，均直接用于蒸汽再沸器e05换热，来减少再沸蒸汽的用量，然后分别在一、二级气液分离器中进行气液分离，一级压缩气分离后进入二级喷液螺杆压缩机，二级压缩气进入后续制冷液化，两级气液分离器的液相产物(主要为水)汇总在液体容器v04中。
31.气体液化单元连通二级气液分离器v02的气体出口，用于对二级气液分离器c02输出的气相产物进行液化处理，制得co2液态产品。气体液化单元包括预冷器e07、三级气液分离器v03、co2干燥塔t03、液化器e08、制冷机以及co2产品容器v05。
32.预冷器e07的入口连通二级气液分离器v02的气体出口，用于对二级气液分离器v02输出的气相产物进行预冷处理。三级气液分离器v03的进口连通预冷器e07的出口，三级气液分离器v03的液体出口连通液体容器v04的入口。co2干燥塔t03的入口与三级气液分离器v03的气体出口连通。液化器e08的入口与co2干燥塔t03的出口连通，液化器e08的出口与co2产品容器v05的入口连通。制冷机用于对液化器e08中的co2进行制冷。
33.二级压缩气(主要为co2)先经预冷处理后，在co2干燥塔t03中去除少量水分后得到的高纯co2，在液化器e08中进行制冷制得co2液态产品。
34.在本实施例中，蒸汽再沸器e05和热泵源再沸器e06均为釜式再沸器。液体容器v04为缓冲罐。co2产品容器v05为产品罐。
35.基于螺杆压缩机热泵技术的烟气二氧化碳捕集与压缩工艺，包括以下步骤：
36.吸收
37.将烟气通入co2吸收塔t01，与吸收剂贫液进行吸收处理；
38.解析
39.将从co2吸收塔t01流出的低温吸收剂富液与来自co2解析塔t02的再沸器的高温吸收剂贫液换热后，通入co2解析塔t02的上部进行解析处理，解析的塔顶气直接输出给喷液螺杆压缩机热泵加热，co2解析塔塔顶无冷凝，从co2解析塔t02塔釜流出的吸收剂贫液进入所述再沸器；
40.压缩
41.喷液螺杆压缩机热泵对来自co2解析塔t02的塔顶气进行压缩，压缩后的气体与流入再沸器中的吸收剂贫液换热后进行气液分离，将分离后的液相产物和气相产物分别输送到液体容器v04和气体液化单元；
42.液化
43.气体液化单元对所述气相产物进行液化处理，制得co2液态产品。
44.以下结合图1以及一具体的应用实例对本发明作进一步的说明。
45.该应用实例的条件如表1所示：
46.项目单位数值碳捕集能力t/a300000年运行时间h8000电厂烟气co2浓度(干基)mol％14.5co2收率％90
烟气量(干基)nm3/h146349
47.表1
48.该应用实例的烟气二氧化碳捕集与压缩工艺的流程如下：
49.吸收：
50.脱硫脱硝后的饱和烟气先由鼓风机b01增压至130kpaa，并由烟气冷却器e01冷却至40℃，然后通入co2吸收塔t01塔釜(塔釜压力120kpaa)，与上部经过贫液冷却器e04冷却后通入的mea贫液(即乙醇胺贫液，40℃、30wt％)逆向接触进行化学吸收，脱碳后的烟气在吸收塔顶部进行水洗至40℃，以降低烟气中水蒸气的含量，减少胺逃逸，水洗后的烟气通过烟囱排出。水洗配置了循环水泵p01与循环水冷却器e02。
51.解析：
52.从co2吸收塔t01塔釜出来的mea富液经过富液泵p02增压，与来自co2解析塔t02塔釜的高温贫液经贫富液换热器e03换热，然后通入co2解析塔t02的塔顶，进行高温解析(塔釜温度120℃，压力200kpaa)。co2解析塔t02的塔釜设两个再沸器：蒸汽再沸器e05与热泵源再沸器e06，两级喷液螺杆压缩机热泵通过热泵源再沸器e06对塔釜吸收液进行加热，解析所需剩余热量由蒸汽再沸器e05提供。从co2解析塔t02底部流入蒸汽再沸器e05的吸收剂贫液与外部蒸汽换热，换热后的吸收剂贫液流入co2解析塔t02下部，其中，经两级喷液螺杆压缩机热泵压缩后的气体温度大于上述外部蒸汽的温度。
53.压缩：
54.co2解析塔t02的塔顶气富含co2和水蒸气，co2解析塔t02的塔顶气的压力为180kpaa，温度99℃。一级喷液螺杆压缩机c01对来自co2解析塔t02的塔顶气进行压缩，增压升温后的气体(出口介质气温度均超过150℃)与流入热泵源再沸器e06中的mea贫液换热后进入一级气液分离器v01进行气液分离，换热后的气体冷却至120℃。一级气液分离器分离后的气相产物(温度120℃，压力800kpaa)输入二级喷液螺杆压缩机c02的进口，一级气液分离器分离后的液相产物分别输入一级喷液螺杆压缩机的进口和液体容器v04。二级喷液螺杆压缩机c02对来自一级气液分离器的气相产物进行压缩，增压升温后的气体(出口介质气温度均超过150℃)的气体与流入热泵源再沸器e06中的吸收剂贫液换热后进入二级气液分离器v02进行气液分离，换热后的气体冷却至120℃。二级气液分离器分离后的气相产物(温度120℃，压力2300kpaa)进入预冷器e07，二级气液分离器分离后的液相产物分别输送二级喷液螺杆压缩机c02的进口和液体容器v04。
55.经过一、二级喷液螺杆压缩机压缩后增压升温的压缩气体直接进入热泵源再沸器e06换热，可以减少再沸蒸汽的用量。
56.液化：
57.二级压缩气(主要为co2)经预冷器e07冷却至40℃后进入第三气液分离器v03进行气液分离，分离后的气体在co2干燥塔t03中去除少量水分后得到高纯co2，并进一步在液化器e08中由制冷机进行冷却制得co2液态产品，温度为-20℃，收集在co2产品罐v05。
58.通过软件建模模拟，对流程优化部分(解析与压缩)的能耗进行分析，并与不采用热泵的传统工艺进行对比，结果如表2所示：
[0059][0060]
表2
[0061]
相比于传统工艺，热泵优化工艺的co2解析塔的再沸器负荷降低了44％，再生能耗可由3.66gj/tco2降低至2.05gj/tco2；虽然压缩能耗上升，但对比解析与压缩总能耗，热泵优化工艺每吨co2的运行费用为232.8元/吨，传统工艺每吨co2的运行费用为294.8元/吨，按本案例规模(300000t/a)核算，热泵优化工艺每年可节省运行费用1860万，可大幅降低co2捕集费用。
[0062]
本发明实施例利用螺杆热泵技术实现了增压与能量回收的双重目的，降低了co2解析塔的再沸器的能耗以及整个装置的运行费用。
[0063]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。