用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集方法和装置与流程

本发明涉及二氧化碳捕集方法和装置，具体地说，是一种用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集方法和装置。

背景技术：

随着人类社会的飞速发展，能源方面的问题和能源的需求一样激增。在众多由利用能源而产生的环境问题中，与二氧化碳的大量排放有一定关系的温室效应引起了人们广泛的关注。由世界银行给出的统计结果，2013年全世界的二氧化碳排放量达到35，848，592千吨。约为1960年的3.8倍。但是由于人们对环境变化的认识及付出的努力，二氧化碳的世界排放量在2015年出现了下降趋势。根据欧洲联盟委员会和荷兰环境评估署组成的edgar公布的数据，世界二氧化碳排放量为35270000千吨。而中国为10330000千吨。中国政府在巴黎协议后，一直为努力减少二氧化碳排放做贡献，但很显然是任重而道远。

我国电力行业正在深入开展节能减排工作，针对火电二氧化碳捕集与封存技术的研究层出不穷。目前，针对化石燃料电厂，常见的减排方法包括提高能源利用效率、二氧化碳捕集与封存(ccs)、清洁能源替代等三种。针对提高能源效率，大量学者进行了相关研究并提出不同的节能措施，有些节能措施己进入商业应用阶段。

风能、太阳能、水能等清洁能源现阶段尚无法承担如此巨大的二氧化碳减排要求，不少学者提出了利用天然气联合循环(null)电厂逐步替代燃煤电厂。park等人从经济性的角度，对比分析了在不同二氧化碳排放情况下，ngcc和燃煤电厂的发电成本，并对燃料价格以及二氧化碳价格进行敏感性分析。marchioroystad等对比分析了ngcc和燃煤电厂在脱碳和不脱碳这两种情况下的热力性能，并探讨了不同抽汽点和抽汽参数对性能的影响，以及部分负荷下脱碳与不脱碳机组的性能。

化学吸收是工业应用较早也比较成熟的技术。较为常用的化学吸收剂是碳酸钾，氨水和醇胺，其中碳酸钾对二氧化碳的吸收和再生都是在液相中完成，通过有机活化剂可提高一定的吸收率；氨水吸收效率高，但生成物稳定性较差；醇胺法对二氧化碳的吸收效率相对较高，较早使用的是mea和dipa，但其物理性质不稳定，对设备造成较为严重的腐蚀，增大了成本。

物理分离法包括吸附分离、膜分离和低温分离三种技术。其中对于吸附分离法，指的是通过吸附剂在一定条件下对二氧化碳进行选择性吸附，再将二氧化碳解吸分离，常用活性炭、沸石、硅胶等为吸收材料。还可根据不同的条件，分为：变电吸附、变压吸附等。膜分离法，指利用不同的聚合材料对不同的气体具有不同的渗透率，将二氧化碳从烟气中分离出来的办法。但这一技术的广泛应用还需对高分子材料的性能进行深入研究。

富氧燃烧法，利用富氧甚至纯氧，与纯二氧化碳以一定比例混合后送入炉膛参与燃烧。由于除去了氮，可在烟气中获得高浓度的二氧化碳，处理后部分二氧化碳再次送入循环。

除了上述方法还有一些工艺被用来捕获二氧化碳，总体上都有一定的效果，但是也有局限性。在我国，由于国情的原因，现有的二氧化碳捕集方法并没有广泛运用于一些大能耗的行业。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种科学合理，适用性强，效果佳的用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集方法，并提供一种能够大规模使用，运行稳定可靠，高效节能的装置。

解决其技术问题采用的方案之一是，一种用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集装置，其特征在于，它包括：吸附塔3、旋风分离器6、解吸塔2、热泵12和颗粒冷却区8；所述吸附塔3置于解吸塔2内，旋风分离器6设置在吸附塔3的顶部；吸附塔3与解吸塔2通过旋风分离器6连接；所述吸附塔3中自底部烟气进口1至顶部烟气出口14之间置有倒u型管换热器4和壁挂式换热器5；吸附塔3的第一条冷却回路从电厂冷凝器12-3处引出依次连接第一水泵15和倒u型管换热器4下部的进口水室16、倒u型管换热器4、倒u型管换热器4下部的出口水室17和低压加热器11；吸附塔3的第二条冷却回路从凝汽器10引出连接第二水泵18、壁挂式换热器5上部入口，再从壁挂式换热器5下部出口连接热泵12的蒸发器12-1；热泵12的工作回路以空气为介质，从蒸发器12-1开始依次用管道连接压缩机12-2、热泵12的冷凝器12-3和节流装置12-4后接回蒸发器12-1；在解吸塔2顶部至漏斗7之间均匀布置第三换热器19；第三换热器19的循环回路从第三换热器19上端出口连接第三水泵21和热泵12的冷凝器12-3后接到第三换热器19下端进口；第三换热器19下方设有二氧化碳收集管9，二氧化碳收集管9的出口连接二氧化碳换热器13；颗粒冷却区8位于解吸塔2内的下方且由漏斗7相连；所述颗粒冷却区8内设置第四换热器20；第四换热器20回路从电厂凝汽器10处引出，依次连接第一水泵15、第四换热器20下部入口、第四换热器20上部出口和低压加热器11；旋风分离器6的气体出口引出一条管路与颗粒冷却区8下方的送风口22连接；颗粒冷却区8下部的颗粒入口23与吸附塔3相连。

解决其技术问题采用的方案之二是，一种用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集方法，其特征在于,它包括如下步骤：

1）吸收co2气体：温度为140~150℃的烟气首先由吸附塔3底部的烟气进口1进入吸附塔3内，烟气与吸附塔3内的直径为200~250μm的多孔硅颗粒接触且带动其向上流动,通过从下到上布置的下密上疏的倒u型管换热器4和壁挂式换热器5，将烟气的温度从140~150℃降至60~70℃，多孔硅颗粒在60~70℃的温度条件下完成对二氧化碳的吸收；

2）解吸得到co2气体：步骤1）中的多孔硅颗粒随烟气进入吸附塔3的顶部旋风分离器6，经旋风分离器6气固分离后的多孔硅颗粒进入解吸塔2顶部，烟气经旋风分离器6的气体出口管道排出，进入解吸塔2的多孔硅颗粒被布置在解吸塔2内的第三换热器19在130~140℃温度下加热解吸，经二氧化碳收集管9得到co2气体；

3）颗粒降温：经步骤2）加热解吸的多孔硅颗粒通过解吸塔2内均匀布置的漏斗7，进入颗粒冷却区8，将多孔硅颗粒冷却至70~80℃；

4）颗粒重新返回吸附塔3：将步骤1）中处理后的烟气从旋风分离器6的气体出口引出，流量控制在15.2~24.3t/h，进入颗粒冷却区8的底部，经步骤3）中的颗粒冷却区8冷却降温至70~80℃的多孔硅颗粒从颗粒入口23吹入吸附塔3。

经步骤2）二氧化碳收集管9得到的浓度为90~95%、温度为130~140℃的co2气体通过二氧化碳换热器13对凝汽器10出口的部分凝结水加热，凝结水流量为20~40t/h，凝结水被加热至60~70℃后送入低压加热器11。

所述多孔硅颗粒的直径为200~250μm，可处理的烟气流量为380~405.6t/h，吸附塔3底部烟气进口1的烟气温度为140~150℃,压力为0.0994~0.0995mpa，解吸塔2内压力为0.018~0.02mpa。

所述步骤1）中吸附塔3的壁挂式换热器5吸收烟气的热量传递给热泵12的蒸发器12-1，通过热泵12的压缩机12-2将热量在冷凝器12-3内传递给步骤2）中解吸塔2的第三换热器19来加热多孔硅颗粒进行解吸。

所述步骤1）中由于倒u型换热器4布置为上疏下密，同时与热泵12相关的壁挂式换热器5也集中在下部，利用不同高度的换热器分区布置形成明显的有界高温区和低温区，步骤1）中烟气和颗粒所形成的气固两相流在吸附塔3上部达到60~70℃，步骤2）中多孔硅颗粒在温度为130~140℃的条件下吸收热量解吸，得到二氧化碳；将解吸塔2的高温区和吸附塔3的低温区在高度方向上分开布置，高温区的温度为120~150℃,低温区的温度为60~80℃。

步骤4）中将烟气的流量控制在15.2~24.3t/h，将颗粒吹入吸附塔3，同时使热泵12的压缩机12-2对循环介质做功w大于倒u型管换热器4带走热量q2和颗粒冷却区8的第四换热器20带走热量q5之和。

本发明为用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集方法，采用的新型的多孔硅颗粒在效率上优于化学吸收剂；同时利用倒u型换热器和壁挂式换热器的分区布置减少了解吸塔向吸附塔热量的传递，并使用热泵在利用高温烟气热量的同时产生一个从吸附塔向解吸塔传递的热流密度，基于一体式颗粒流化二氧化碳捕集装置结构上的布置可以将解吸塔与吸附塔的内部形成明显的低温区域以及高温区域，有利于二氧化碳的吸收与解吸；换热器内冷却水由于吸收烟气、多孔硅颗粒以及二氧化碳的热量，具有较高的温度，将这部分冷却水送入低压加热器参与电厂的水循环，起到了明显的节能减排作用。多孔硅颗粒在系统中的循环造成的磨损比胺等化学方法造成的腐蚀要小，造成的损失也小，结构相对简单，水泵的数量少，在同样使用热泵的前提下，投资较小，并且由于其结构设计，相比于其他的二氧化碳捕集方法，占地面积更小，方便现有电厂的改造和安装。

本发明的用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集方法和装置与现有技术相比的效果体现在：

1．在颗粒冷却区和吸附塔内布置的换热器的冷却水由火电厂凝汽器的凝结水提供，利用凝结水对高温烟气和高温多孔硅颗粒进行降温，凝结水升温后送入低压加热器起到节能作用；

2．利用四级联合工作旋风分离器使多孔硅颗粒均匀散布在解吸塔的空间内，与第三换热器进行充分的接触换热，在到达解吸塔内均匀布置的漏斗之前就可以吸收到足够的热量来进行解吸，高效利用空间；

3．在颗粒冷却区上部设置漏斗可以延长多孔硅颗粒与第三换热器表面的接触时间，增加加热解吸时间，使颗粒充分解吸，这样可以减少解吸塔的高度，也可以减少管线布置，一定程度上优化了该系统的空间结构；

4．解吸塔与吸附塔的紧凑式一体化的设计可以减少占地面积，减少管线布置空间，充分利用热量；

5．热泵中压缩机所利用能量直接来自于蒸汽，由蒸汽直接带动压缩机工作，使用后的乏汽回到凝汽器被冷凝，比起直接用电来驱动压缩机工作效率更高；

6．利用倒u型换热器和壁挂式换热器的分区布置形成明显的有界高温区和低温区，并将解吸塔的高温区和吸附塔的低温区在高度方向上分开布置，减少了解吸塔向吸附塔热量的传递，并使用热泵在利用高温烟气热量的同时产生一个从吸附塔向解吸塔传递的热流密度，起到了明显的节能减排作用；

7.其方法科学合理，适用性强，能够大规模使用，运行稳定可靠，高效节能。

附图说明

图1为一种用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集装置结构示意图；

图2为图1中四级联合工作旋风分离器6结构示意图；

图3为图1的吸附塔3和解吸塔2的温度区域界限示意图；

图4为图1中漏斗7布置示意图；

图5为图1中二氧化碳收集管9结构示意图。

图中:1：烟气进口，2：解吸塔，3：吸附塔，4：倒u型管换热器，5：壁挂式换热器，6：旋风分离器，7：漏斗，8：颗粒冷却区，9：二氧化碳收集管，10：凝汽器，11：低压加热器12：热泵，12-1：蒸发器，12-2：压缩机，12-3：冷凝器，12-4：节流装置，13：二氧化碳换热器，14：烟气出口，15：第一水泵，16：进口水室，17：出口水室，18：第二水泵，19：第三换热器，20：第四换热器，21第三水泵，22：送风口，23：颗粒入口，24：锅炉，25：汽轮机，26：发电机。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明作详细说明。

如图1-图5，本发明的一种用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集装置，以捕捉二氧化碳为主要任务，同时兼顾其过程的节能减排，最大化的利用可用热能。它的结构包括：吸附塔3、旋风分离器6、解吸塔2、热泵12和颗粒冷却区8；所述吸附塔3置于解吸塔2内，旋风分离器6设置在吸附塔3的顶部；吸附塔3与解吸塔2通过旋风分离器6连接；所述吸附塔3中自底部烟气进口1至顶部烟气出口14之间置有倒u型管换热器4和壁挂式换热器5；吸附塔3的第一条冷却回路从电厂冷凝器12-3处引出依次连接第一水泵15、倒u型管换热器4下部的进口水室16、倒u型管换热器4、倒u型管换热器4下部的出口水室17和低压加热器11；吸附塔3的第二条冷却回路从凝汽器10引出连接第二水泵18、壁挂式换热器5上部入口，再从壁挂式换热器5下部出口连接热泵12的蒸发器12-1；热泵12的工作回路以空气为循环介质，从蒸发器12-1开始依次用管道连接压缩机12-2、热泵12的冷凝器12-3和节流装置12-4后接回蒸发器12-1；在解吸塔2顶部至漏斗7之间均匀布置第三换热器19；第三换热器19的循环回路从第三换热器19上端出口连接第三水泵21和热泵12的冷凝器12-3后接到第三换热器19下端进口；第三换热器19下方设有二氧化碳收集管9，二氧化碳收集管9的出口连接二氧化碳换热器13；颗粒冷却区8位于解吸塔2内的下方且由漏斗7相连；所述颗粒冷却区8内设置第四换热器20；第四换热器20回路从电厂凝汽器10处引出依次连接第一水泵15、第四换热器20下部入口、第四换热器20上部出口至低压加热器11；旋风分离器6的气体出口引出一条管路与颗粒冷却区8下方的送风口22连接；颗粒冷却区8下部的颗粒入口23与吸附塔3相连。

使用图1所示的用于电厂的一体式颗粒流化二氧化碳捕集装置进行二氧化碳捕集的方法，包括如下步骤：

1）吸收co2气体：温度为140~150℃的烟气首先由吸附塔3底部的烟气进口1进入吸附塔3内，烟气与吸附塔3内直径为200~250μm的多孔硅颗粒接触且带动其向上流动,通过从下到上布置的下密上疏的倒u型管换热器4和壁挂式换热器5，将烟气的温度从烟气进口1的140~150℃降至60~70℃，在60~70℃的温度条件下多孔硅颗粒完成对二氧化碳的吸收；

2）解吸得到co2气体：步骤1）中的多孔硅颗粒随烟气进入吸附塔3的顶部旋风分离器6，经旋风分离器6气固分离后的多孔硅颗粒进入解吸塔2顶部，烟气经旋风分离器6的气体出口管道排出，进入解吸塔2的多孔硅颗粒被布置在解吸塔2内的第三换热器19在130~140℃温度下加热解吸，经二氧化碳收集管9得到co2气体；

3）颗粒降温：经步骤2）加热解吸的多孔硅颗粒通过解吸塔2内均匀布置的漏斗7，进入颗粒冷却区8，将多孔硅颗粒冷却至70~80℃；

4）颗粒重新返回吸附塔3：将步骤1）中处理后的烟气从旋风分离器6的气体出口引出，流量控制在15.2~24.3t/h，进入颗粒冷却区8的底部，经步骤3）中的颗粒冷却区8冷却降温至70~80℃的多孔硅颗粒从颗粒入口23吹入吸附塔3。

5）经步骤2）二氧化碳收集管9得到的浓度为90~95%、温度为130~140℃的co2气体通过二氧化碳换热器13对凝汽器10出口的部分凝结水加热，凝结水流量为20~40t/h，凝结水被加热至60~70℃后送入低压加热器11。

所述多孔硅颗粒的直径为200~250μm，可处理的烟气流量为380~405.6t/h，吸附塔3底部烟气进口1的烟气温度为140~150℃,压力为0.0994~0.0995mpa，解吸塔2内压力为0.018~0.02mpa。

所述步骤1）中吸附塔3的壁挂式换热器5吸收烟气的热量传递给热泵12的蒸发器12-1，通过热泵12的压缩机12-2将热量在冷凝器12-3内传递给步骤2）中解吸塔2的第三换热器19来加热多孔硅颗粒进行解吸。

所述步骤1）中由于倒u型换热器4布置为上疏下密，同时与热泵12相关的壁挂式换热器5也集中在下部，利用不同高度的换热器分区布置形成明显的有界高温区和低温区，步骤1）中烟气和颗粒所形成的气固两相流在吸附塔3上部达到60~70℃，步骤2）中多孔硅颗粒在温度为130~140℃的条件下吸收热量解吸，得到二氧化碳；将解吸塔2的高温区和吸附塔3的低温区在高度方向上分开布置，高温区的温度为120~150℃,低温区的温度为60~80℃。

步骤4）中将烟气的流量控制在15.2~24.3t/h，将颗粒吹入吸附塔3，同时使热泵12的压缩机12-2对循环介质做功w大于倒u型管换热器4带走热量q2和颗粒冷却区8的第四换热器20带走热量q5之和。

所述步骤1）中烟气的来源为电厂锅炉的尾部烟气，利用来自电厂凝汽器10的凝结水和由热泵12的蒸发器12-1出口的低温水一同冷却高温烟气，用来冷却烟气后的凝结水被送往低压加热器11；由热泵12回路中的压缩机12-2将吸热升温后的循环介质升压后送至热泵12的冷凝器12-3；当解吸时，第三换热器19利用从热泵12的冷凝器12-3中吸热后流出的高温水对已吸附二氧化碳的多孔硅颗粒进行加热解吸，解吸得到的二氧化碳由二氧化碳收集管9收集；而用来加热多孔硅颗粒的高温水在放热后送回到热泵12的冷凝器12-3，解吸后的多孔硅颗粒由第四换热器20内来自电厂凝汽器10的凝结水冷却，升温后的冷凝水也被送回低压加热器11，上述凝结水在吸热后被送到低压加热器11进入电厂的汽水回路，通过锅炉24产生蒸汽，驱动汽轮机25来带动发电机26发电；同时除去二氧化碳的烟气在吸附塔3上部经旋风分离器6的气体出口管道排出，其中流量为15.2~24.3t/h的烟气被送往颗粒冷却区8底部将冷却后的多孔硅颗粒吹送至吸附塔3，完成了该系统的循环；最后在获得温度为130~140℃的二氧化碳的同时，利用其高温的特点，通过二氧化碳换热器13对凝汽器10出口的部分凝结水加热，凝结水流量为20~40t/h，凝结水被加热至60~70℃后送入低压加热器11，进一步达到节能减排的效果。

如图1所示，本发明的一体式颗粒流化二氧化碳捕集装置进行二氧化碳捕集的具体方法为：经过脱硫，脱硝和除尘等工艺后，温度为140~150℃，其热量为q的高温烟气首先由吸附塔3下部的烟气进口1进入吸附塔3，与吸附塔3内的多孔硅颗粒接触且带动其上升流动，经布置在吸附塔3内下密上疏的倒u型管换热器4和壁挂式换热器5的冷却，其中壁挂式换热器5带走的热量为q1，倒u型管换热器4带走的热量为q2，在吸附塔3上部烟气和多孔硅颗粒的温度达到60~70℃，该温度区域是多孔硅颗粒吸收二氧化碳的高效区。随着烟气的流动，多孔硅颗粒随烟气一起来到吸附塔3的顶部，其中多孔硅颗粒具有的热量为q4，烟气具有的热量为q3。经过四级联合工作旋风分离器6的分离，多孔硅颗粒进入解吸塔2，经过第三换热器19的加热，获得的热量为q1+w，这部分热量由热泵12的冷凝器12-3提供,w为热泵12的压缩机12-2对循环介质做功。第三换热器19的换热管由上到下均匀布置，这样布置的目的是使吸附塔3和解吸塔2的高温区在轴向上的位置接近，减小由于一体化结构带来的解吸塔2向吸附塔3的温差传热，并使用热泵12在利用高温烟气热量的同时产生一个从吸附塔3向解吸塔2传递的热流密度，起到了节能的作用。当多孔硅颗粒在解吸塔2内完成二氧化碳的解吸后，收集到的二氧化碳的热量为qco2，通过漏斗7进入颗粒冷却区8，由第四换热器20将多孔硅颗粒冷却至70~80℃，被冷却的多孔硅颗粒，其热量为qpcold，冷却水由发电厂的凝汽器10产生的冷凝水提供，与吸附塔3内倒u型管换热器4相同的是，第四换热器20的冷却水在换热结束后被送至低压加热器11。由旋风分离器6的气体出口管道中抽出占总烟气比例为α的烟气，将多孔硅颗粒吹入吸附塔3，无需提供额外的空气吹送多孔硅颗粒，起到了节能的作用。由旋风分离器6的气体出口管道中抽出占总烟气比例为α的烟气需考虑烟气的扬程能否将多孔硅颗粒带至吸附塔3顶部的旋风分离器6，故将该比例控制为α=0.2~0.3。在不考虑其他损失的情况下，使热泵12的压缩机12-2对循环介质做功w大于倒u型管换热器4带走热量q2和颗粒冷却区8的第四换热器20带走热量q5之和就可以仅依靠热泵12提供的能量完成对多孔硅颗粒的二氧化碳解吸过程，从而就形成了一个完整的高效节能的一体式颗粒流化二氧化碳捕集装置，与其他方法相比大大减少了占地面积，优化了节能效果。最后获得温度为130~140℃二氧化碳的同时，利用其高温的特点，通过二氧化碳换热器13对凝汽器10出口的部分凝结水加热，凝结水流量为20~40t/h，凝结水被加热至60~70℃后送入低压加热器11，进一步达到节能减排的效果。

本发明的特定实施例已对本发明的内容作出了详尽的说明，但不局限本实施例，本领域技术人员根据本发明的启示所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利保护的范围。