碳捕集系统和与碳捕集系统耦合的电厂锅炉汽机系统的制作方法

1.本发明涉及碳捕集技术领域，尤其是涉及一种碳捕集系统和与碳捕集系统耦合的电厂锅炉汽机系统。


背景技术：

2.中国目前是全球最大的碳排放主体，在我国“碳达峰、碳中和”背景下，火电行业减排压力较大。而我国以煤为主的能源结构将长期保持，在此背景下碳捕集、利用与封存技术将是未来煤基能源可持续利用的重要保障，因此研究先进低能耗的燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂等烟道气的碳捕集技术对未来实现“碳中和”目标十分重要。
3.目前，适用于燃煤电厂烟气等烟道气的碳捕集技术主要有化学吸收法、化学吸附法、物理吸附法、膜分离法等，而化学吸收法是目前燃煤电厂碳捕集的主流技术。但由于运行能耗太高，其中吸收剂的再生热耗占到整个系统能耗的70％左右，因此该工艺的商业大规模推广应用仍存在明显的限制。


技术实现要素：

4.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
5.相关技术中的富液的解吸再生需要将富液在再生塔内提升到一定的温度，在工艺上一般采用再沸器，利用蒸汽对富液进行间接加热，此工序需要消耗大量的热能。而由于吸收、解吸系统是一个循环过程，被加热后的富液解吸后又变成了热贫液，为保证吸收效果，热贫液需要冷却至一定温度后才能进入吸收塔对烟气进行循环吸收，该冷却工序一般采用循环冷却水冷却，但这样不仅会消耗大量的水资源，在缺水地区经济性较差，还会造成大量的热量损失。
6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种能够进行余热回收综合利用的碳捕集系统，降低热耗并减小冷却水消耗。本发明的实施例还提出一种与碳捕集系统耦合的电厂锅炉汽机系统。
7.本发明实施例的碳捕集系统包括吸收塔、再生塔和再沸器，贫液进入所述吸收塔后完成碳捕集转化为富液，富液在所述再生塔中经所述再沸器加热后解吸，转化为热贫液和再生气；第一换热器和第二换热器，所述再生塔中流出的热贫液进入所述第一换热器的热侧，换热后的所述热贫液的至少部分进入所述第二换热器的热侧，所述吸收塔中流出的富液中的至少部分进入所述第二换热器的冷侧与所述热贫液换热升温后，进入所述第一换热器的冷侧与所述热贫液换热再升温，而后进入所述再生塔内进行解吸；余热利用换热器，在所述第一换热器内换热后的所述热贫液中的一部分能够进入所述余热利用换热器的热侧，所述余热利用换热器用于所述热贫液的所述一部分的余热利用。
8.本发明实施例中的碳捕集系统解决了相关技术中的碳捕集系统存在的再生热耗高、循环冷却水水耗高的问题，利用多级换热器将热量进行充分的回收利用，再结合循环冷却水冷却工艺，实现碳捕集系统热耗的降低，冷却水消耗降低，对我国碳捕集、利用与封存
技术产业的发展和“碳中和”目标的实现均具有重要意义。
9.可选地，无需余热利用时，所述余热利用换热器关闭，在所述第一换热器内换热后的所述热贫液全部进入所述第二换热器；需要余热利用时，所述余热利用换热器打开，在所述第一换热器内换热后的所述热贫液的一部分进入所述第二换热器，另一部分进入所述余热利用换热器。
10.可选地，碳捕集系统还包括再生气-富液换热器，所述吸收塔中流出的富液中的一部分进入所述再生气-富液换热器的冷侧，所述再生塔排出的再生气进入所述再生气-富液换热器的热侧与所述富液进行热交换，加热后的所述富液进入所述再生塔中。
11.可选地，碳捕集系统还包括再生气冷却器和气液分离器，所述再生气-富液换热器的热侧排出的再生气被所述再生气冷却器冷却进入气液分离器进行气液分离，分离为二氧化碳气体和冷凝水，所述冷凝水回到所述再生塔。
12.可选地，碳捕集系统还包括贫液冷却器，贫液进入所述吸收塔之前进入所述贫液冷却器进行冷却。
13.可选地，所述余热利用换热器用于加热生活用水，或者，所述余热利用换热器用于加热电厂锅炉汽机系统的锅炉低加凝结水。
14.可选地，分配进入所述第一换热器、所述第二换热器和所述余热利用换热器的贫液或富液的分流比可调。
15.本发明的另一方面实施例提供了一种与碳捕集系统耦合的电厂锅炉汽机系统，包括：碳捕集系统，所述碳捕集系统为根据上述任一项所述的碳捕集系统；和锅炉汽机系统，包括汽轮机、凝汽器和低加换热器，所述汽轮机中的蒸汽输入所述凝汽器凝结，凝结水进入所述低加换热器中加热，所述再沸器所需蒸汽抽取自所述汽轮机，所述再沸器流出的冷凝水进入低加换热器中。
16.在一些实施例中，所述余热利用换热器用于加热进入低加换热器的凝结水。
17.在一些实施例中，从所述凝汽器中流出的凝结水流入所述余热利用换热器的冷侧，被热侧的贫液加热后进入回到所述低加换热器中。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的碳捕集系统的示意图。
19.图2是本发明实施例提供的与碳捕集系统耦合的电厂锅炉汽机系统的示意图。
20.附图标记：
21.吸收塔1、再生塔2、再沸器3、第一换热器4、第二换热器5、余热利用换热器6、再生气-富液换热器7、再生气冷却器8、气液分离器9、贫液冷却器10、引风机11、锅炉12、高压汽轮机13、中压汽轮机14、低压汽轮机15、发电机16、凝汽器17、低加换热器18、除氧器19、高加换热器20。
具体实施方式
22.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.下面根据图1描述本发明实施例提供的碳捕集系统的基本结构。碳捕集系统包括
吸收塔1、再生塔2、再沸器3、第一换热器4、第二换热器5和余热利用换热器6。
24.贫液进入吸收塔1后完成碳捕集转化为富液，富液在再生塔2中经再沸器3加热后解吸，转化为热贫液和再生气。热贫液从再生塔2中流出，进入第一换热器4的热侧。换热后的热贫液的至少部分进入第二换热器5的热侧。吸收塔1中流出的富液中的至少部分进入第二换热器5的冷侧与热贫液换热升温后，进入第一换热器4的冷侧与热贫液换热再升温，而后进入再生塔2内进行解吸，在第一换热器4内换热后的热贫液中的一部分能够进入余热利用换热器6的热侧，余热利用换热器6用于热贫液的该部分的余热利用。
25.再生塔2中流出的热贫液在第一换热器4中与冷侧的富液发生热交换，热贫液将热量传递给冷侧的富液，从而加热冷侧的富液，热贫液的温度在一定程度上降低。从第一换热器4的热侧流出的热贫液可以全部进入第二换热器4，也可以部分进入第二换热器4，另一部分进入余热利用换热器6。进入第二换热器4热侧的热贫液与冷侧的富液发生热交换，热贫液将热量传递给冷侧的富液，从而加热冷侧的富液，热贫液的温度进一步降低。进入余热利用换热器6热侧的热贫液与冷侧的换热剂发生热交换，热贫液将热量传递给冷侧的换热剂，换热剂的温度升高，热贫液的温度降低，加热后的换热剂可以应用于其他用热末端，实现热贫液的余热利用。热量回收后的贫液可以采用循环冷却水工艺降低至所需温度，进入吸收塔1进行碳捕集。
26.吸收塔1中流出的富液温度较低，部分或全部富液进入第二换热器5的冷侧与热贫液换热升温后，进入第一换热器4的冷侧与热贫液换热再升温，而后进入再生塔2内进行解吸。在该过程中，热贫液的热量得到充分的回收利用，再沸器3对富液进行加热所需的热耗降低。
27.本发明实施例中的碳捕集系统解决了相关技术中的碳捕集系统存在的再生热耗高、循环冷却水水耗高的问题，利用多级换热器将热量进行充分的回收利用，再结合循环冷却水冷却工艺，实现碳捕集系统热耗的降低，冷却水消耗降低，对我国碳捕集、利用与封存技术产业的发展和“碳中和”目标的实现均具有重要意义。
28.下面根据图1描述本发明的一个具体实施例中的碳捕集系统。
29.碳捕集系统包括吸收塔1、再生塔2、再沸器3、第一换热器4、第二换热器5、余热利用换热器6、贫液冷却器10和再生气处理系统。吸收塔1、再生塔2、再沸器3、第一换热器4、第二换热器5、余热利用换热器6之间的关系如上所述，此处不做赘述。
30.如图1所示，贫液进入吸收塔1之前进入贫液冷却器10进行冷却。具体地，第二换热器5的流出的贫液和余热利用换热器6流出的贫液汇集后流入贫液冷却器10进行冷却，冷却至适宜温度后进入吸收塔1并向下喷淋与烟气逆向接触。可选地，贫液冷却器10通过循环冷却水对贫液进行冷却。由于进入贫液冷却器10的贫液已在第一换热器4、第二换热器5和余热利用换热器6中经过热交换，大部分热量已被回收利用，因此在贫液冷却器10中所需的冷却水量大大降低。
31.需要说明的是，第一换热器4、第二换热器5、余热利用换热器6的设置可以使贫液分流调节更为便利。例如可以根据余热利用所需对余热利用换热器6进行开启和关闭。无需余热利用时，余热利用换热器6关闭，在第一换热器4内换热后的热贫液全部进入第二换热器5，第一换热器4和第二换热器5可以作为两级贫富液换热器使用；需要余热利用时，余热利用换热器6打开，在第一换热器4内换热后的热贫液的一部分进入第二换热器4，另一部分
进入余热利用换热器6，可以在不影响富液的温度提升的同时，分离出一部分热贫液进行余热利用，避免了热能的浪费。
32.可选地，余热利用换热器6用于加热生活用水，或者，余热利用换热器6用于加热电厂锅炉汽机系统的锅炉低加凝结水，从而降低通过汽机抽气对冷凝水加热的耗能。
33.如图1所示，解吸完成后的再生气从再生塔2顶逸出进入再生气处理系统，再生气处理系统用于对再生气进行处理，将再生气中的二氧化碳气体和冷凝水进行气液分离。再生气温度较高，再生气处理系统需要将其冷却至一定的温度才能实现气液分离，本实施例的再生气处理系统可以对再生气的大量潜热进行回收利用，有助于碳捕集系统再生能耗的降低，同时减小了冷却水消耗。
34.具体地，再生气处理系统包括再生气-富液换热器7、再生气冷却器8和气液分离器9。吸收塔1中流出的富液中的一部分进入再生气-富液换热器7的冷侧，再生塔2排出的再生气进入再生气-富液换热器7的热侧与富液进行热交换，加热后的富液进入再生塔2中。再生气-富液换热器7的热侧排出的再生气被再生气冷却器8冷却进入气液分离器9进行气液分离，分离为气态的二氧化碳气体和冷凝水，冷凝水自再生塔2上部回到再生塔2，气态的二氧化碳进入后续压缩干燥工序。
35.在该过程中，再生塔2排出的再生气与进入再生塔2中的部分富液进行换热后，提升了富液的温度，充分利用了再生气自身的余热，减少了富液解吸所需的热耗。并且，由于再生气与富液进行了换热，自身温度得以降低，因此再生气冷却器8的循环冷却水用量也会降低，减少了系统的循环水耗。
36.进一步地，分配进入第一换热器4、第二换热器和5、余热利用换热器6和再生气-富液换热器7的贫液或富液的分流比可调，即富液分流、贫液分流和各个换热器的设置还能够对各分流比例、各级换热器的温度进行灵活的调节，视电厂不同余热利用需求进行最优化配置。
37.下面根据图1描述本实施例提供的碳捕集系统的具体运作原理。
38.经除尘、脱硫和初步冷却等预处理后的烟气通过引风机11进入吸收塔1，与自上而下喷淋的贫液接触反应，烟气中二氧化碳被贫液吸收，脱除了二氧化碳后的烟气从吸收塔1塔顶排出。
39.贫液自吸收塔1上部喷淋而下，吸收了二氧化碳后变为富液，富液自吸收塔1下部由泵排出。从吸收塔1排出的富液分流为两部分，一部分富液进入再生气-富液换热器7与再生气进行换热，回收再生气中的部分热，回收了热量后的富液温度提升再进入再生塔2中，降低了将其进一步提升至解吸温度的所需显热，从而使得系统再生热耗降低。另一部分富液进入第二换热器5与贫液进行换热，继而进入第一换热器4与全部的贫液进行再次换热，在第一换热器4和第二换热器5中利用富液的低温对从再生塔2流出的热贫液的热量进行回收。再生气-富液换热器7流出的富液和第一换热器4流出的富液混合后由再生塔2上部进入，也可根据塔高间隔一定距离进入，与再生气进行换热后的富液在上方，与贫液进行换热后的富液在下方。
40.富液进入再生塔2经再沸器3加热后解吸为贫液，贫液需进行冷却后再进入吸收塔1进行循环吸收。如图1所示，贫液由再生塔2底泵出，经第一换热器4与富液换热后，温度仍然较高，可进行余热利用。贫液分流为两部分，其中一部分进入第二换热器5与富液进行换
热，另一部分贫液进入余热利用换热器6进行余热利用。经余热利用后的贫液和与富液换热后的贫液混合，经贫液冷却器10冷却至一定温度后自吸收塔1上部进入，对二氧化碳进行循环吸收。
41.通过设置余热利用换热器6使贫液可进行分流，贫液分流可以充分回收利用贫液的热量，减少贫液冷却器10的循环冷却水消耗，还可以利用贫液中的部分热量对其他用热末端进行加热，避免热能的浪费。
42.解吸完成后的再生气从再生塔2顶逸出，在再生气-富液换热器7中与富液进行换热，提升富液的温度，充分利用了自身余热，减少了富液解吸所需的热耗。与富液换热后的再生气进入再生气冷却器8，冷却至一定温度后进入气液分离器9，气液分离后，气态的二氧化碳进入后续压缩干燥工序，液态的冷凝水自再生塔2上部重新进入再生塔2。由于再生气与富液进行了换热，将部分热量传递给了富液，因此再生气冷却器8的循环冷却水用量也会降低，减少了系统的循环水耗。
43.下面根据图2描述本发明实施例提供的与碳捕集系统耦合的电厂锅炉汽机系统的示意图。
44.如图2所示，碳捕集系统为上述实施例中的碳捕集系统。与碳捕集系统耦合的电厂锅炉汽机系统包括锅炉12、高压汽轮机13、中压汽轮机14、低压汽轮机15、发电机16、凝汽器17、低加换热器18、除氧器19和高加换热器20。如图2所示，锅炉12、高压汽轮机13、中压汽轮机14、低压汽轮机15、凝汽器17、低加换热器18、除氧器19和高加换热器20组成回路，低压汽轮机15蒸汽用于驱动发电机16。低压汽轮机15的蒸汽进入凝汽器17内凝结，凝结水进入低加换热器18进行加热，经过除氧器19除氧后进入高加换热器20进行再加热，高加换热器20为锅炉12给水。
45.碳捕集系统中的再沸器3的蒸汽来自中压汽轮机14的抽汽，蒸汽在再沸器3中对富液进行加热解吸后冷凝，冷凝液回流至低加换热器18的入口。
46.凝汽器17凝结水温度大多在30-40℃，在余热利用过程中，进入余热利用换热器6的贫液的温度约为80-90℃，因此可以利用余热利用换热器6对进入低加换热器18的凝结水进行有效加热，从而降低低加换热器18的加热所需热耗。具体地，如图2所示，从凝汽器17中流出的凝结水流入余热利用换热器6的冷侧，被热侧的贫液加热后进入回到低加换热器18中。
47.由于再沸器3的加热蒸汽来自中压汽轮机14的抽汽，而低加换热器18的加热蒸汽也来自汽轮机的抽汽，通过利用贫液余热加热低加凝结水，可降低低加换热器18加热蒸汽耗量，也可视为贫液将一部分热量还给了汽轮机，在整体上降低了碳捕集系统的再生热耗。
48.经模拟试验研究，采用本技术的贫液分流回收贫液余热、富液分流回收再生气余热等耦合工艺，能够实现碳捕集系统再生热耗降低20-30％、循环水耗降低5-10％。
49.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
50.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
53.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
54.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。