一种利用烟气中二氧化碳和电解制氢耦合的碳减排系统的制作方法

1.本实用新型属于煤化工节能减排技术领域，特别涉及一种利用烟气中二氧化碳和电解制氢耦合的碳减排系统。


背景技术：

2.目前，减少碳排放会对世界生态环境产生重大影响，特别是在石化和化工行业，尤其是氮肥、甲醇碳排放企业对此十分重视，非常关注世界碳减排形势。将co2转化为化学品实现碳回收利用，是末端降低碳排放的重要手段。尿素就是利用co2的传统化工产品，每吨尿素消耗二氧化碳0.75t，每年尿素生产消耗二氧化碳超过4200万t。此外，可能会被大量采用，可以彻底扭转行业对化石能源的路径依赖，大大减轻行业碳减排压力。
3.因此，以可再生能源发展氮肥工业可能将是行业的长期发展战略。总之，基于碳达峰碳中和总体目标已经确定，氮肥行业任务繁重而又艰巨，既要做好高质量发展的加法，又要做好碳减排的减法，必须以创新驱动碳减排，以节能降耗助力碳减排，以行业高质量发展带动碳减排，为实现行业绿色低碳转型发展做出更大的贡献。
4.基于此，需要研发一系列针对二氧化碳转化的减排系统。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种利用烟气中二氧化碳和电解制氢耦合的碳减排系统，有效的克服了现有技术的缺陷。
6.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
7.一种利用烟气中二氧化碳和电解制氢耦合的碳减排系统，包括压缩机系统、二氧化碳液化提纯系统、低温空气分离系统、合成氨系统、电解制氢系统和尿素合成系统；上述二氧化碳液化提纯系统分别与上述压缩机系统、低温空气分离系统、电解制氢系统连接和尿素合成系统连接；上述合成氨系统分别与上述电解制氢系统、低温空气分离系统和尿素合成系统连接；上述压缩机系统用于压缩烟气；上述二氧化碳液化提纯系统用于吸收、提纯上述压缩机系统输送至的烟气中的二氧化碳，并在提纯后将二氧化碳及产出的水质分别输送向上述尿素合成系统和电解制氢系统，且将烟气的剩余气体输送向上述低温空气分离系统；上述电解制氢系统用于吸收水质并制备纯水，并将纯水电解产出氢气和氧气，且将产出的氢气输送向上述合成氨系统，上述低温空气分离系统用于分离进入其的空气中的氧气和氮气，并将氮气输送向上述合成氨系统；上述尿素合成系统用于通过输送至的合成氨及二氧化碳制备产出尿素。
8.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
9.进一步，上述压缩机系统包括烟气管线、烟气前置过滤器、一级压缩机和二级压缩机，上述烟气管线、烟气前置过滤器、一级压缩机的进口及出口、二级压缩机的进口及出口顺次连接。
10.进一步，上述二氧化碳液化提纯系统包括二氧化碳汽化器、冷凝水换热器、5℃冷
水换热器、汽水分离器、二氧化碳吸收塔、液态二氧化碳储罐、冷凝水储罐和二氧化碳提纯塔；上述二级压缩机的出口、二氧化碳汽化器的壳程入口及出口、冷凝水换热器的壳程入口及出口、5℃冷水换热器的壳程入口及出口、汽水分离器的入口及气相出口、二氧化碳吸收塔的入口顺次连接；上述冷凝水储罐的出口和冷凝水换热器的管程入口连接，上述冷凝水换热器的管程出口与上述电解制氢系统连接；上述冷凝水储罐的进口分别连接上述汽水分离器的液相出口以及上述二氧化碳提纯塔的底部出口；上述液态二氧化碳储罐的出口和二氧化碳汽化器的管程入口连接，上述二氧化碳汽化器的管程出口与上述尿素合成系统连接；上述液态二氧化碳储罐的进口连接上述二氧化碳提纯塔的顶部出口；上述二氧化碳提纯塔的入口连接上述二氧化碳吸收塔的底部出口；上述二氧化碳吸收塔的顶部出口与上述低温空气分离系统连接。
11.进一步，上述5℃冷水换热器的管程入口及出口分别连接5℃循环冷水水路。
12.进一步，上述低温空气分离系统包括分子筛吸附器、低温空分装置、氮气储罐和富氧空气储罐，上述二氧化碳吸收塔的顶部出口、分子筛吸附器的进口及出口、低温空分装置的入口及氮气出口、氮气储罐的进口顺次连接，上述氮气储罐的出口与上述合成氨系统连接，上述低温空分装置的氧气出口连接上述富氧空气储罐。
13.进一步，上述合成氨系统包括合成氨装置，上述合成氨装置的氢气进口及氮气进口分别与上述电解制氢系统和上述氮气储罐的出口连接，上述合成氨装置的合成氨出口与上述尿素合成系统连接。
14.进一步，上述电解制氢系统包括电解制氢装置、氢气储罐、氧气储罐和制纯水装置，上述冷凝水换热器的管程出口、制纯水装置的进口及出口、电解制氢装置的水质入口顺次连接，上述电解制氢装置的氢气出口、氢气储罐的进口及出口、合成氨装置的氢气进口顺次连接，上述电解制氢装置的氧气出口连接上述氧气储罐。
15.进一步，上述二氧化碳吸收塔的顶部出口连接上述富氧空气储罐。
16.进一步，上述氧气储罐连接锅炉的二次风入口。
17.进一步，还包括汽轮机，上述汽轮机与所述一级压缩机传动连接，上述富氧空气储罐连接上述汽轮机的进口，上述汽轮机的出口连接二次风入口。
18.本实用新型的有益效果是：系统结构简单，不但降低碳排放，还充分利用新能源，带来相关经济、环余境效益。且该系统制造容易，使用安全可靠，便于实施推广应用，具有一定的实际应用前景。
附图说明
19.图1为本实用新型的利用烟气中二氧化碳和电解制氢耦合的碳减排系统的结构示意图。
20.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
21.1、烟气前置过滤器；2、一级压缩机；3、二级压缩机；4、二氧化碳汽化器；5、冷凝水换热器；6、5℃冷水换热器；7、二氧化碳提纯塔；8、冷凝水储罐；9、液态二氧化碳储罐；10、二氧化碳吸收塔；11、分子筛吸附器；12、低温空分装置；13、氮气储罐；14、合成氨装置；15、氧气储罐； 16、制纯水装置；17、电解制氢装置；18、氢气储罐；20、富氧空气储罐； 30、汽水分离器。
具体实施方式
22.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
23.实施例：如图1所示，本实施例的利用烟气中二氧化碳和电解制氢耦合的碳减排系统包括压缩机系统、二氧化碳液化提纯系统、低温空气分离系统、合成氨系统、电解制氢系统和尿素合成系统；上述二氧化碳液化提纯系统分别与上述压缩机系统、低温空气分离系统、电解制氢系统连接和尿素合成系统连接；上述合成氨系统分别与上述电解制氢系统、低温空气分离系统和尿素合成系统连接；
24.具体地，本实施例中，上述压缩机系统用于压缩烟气；上述二氧化碳液化提纯系统用于吸收、提纯上述压缩机系统输送至的烟气中的二氧化碳，并在提纯后将二氧化碳及产出的水质分别输送向上述尿素合成系统和电解制氢系统，且将烟气的剩余气体输送向上述低温空气分离系统；上述电解制氢系统用于吸收水质并制备纯水，并将纯水电解产出氢气和氧气，且将产出的氢气输送向上述合成氨系统，上述低温空气分离系统用于分离进入其的空气中的氧气和氮气，并将氮气输送向上述合成氨系统；上述尿素合成系统用于通过输送至的合成氨及二氧化碳制备产出尿素。
25.整个过程中，通过二氧化碳液化提纯系统来吸收烟气中的二氧化碳，并对二氧化碳提纯，将提纯后得到的液态二氧化碳以及水作为制备尿素的原料以及电解制氢的原料，同时，对烟气吸收二氧化碳后余下的气体分离出氧气和氮气，将电解制氢系统电解后得到的氢气与烟气分离后得到的氮气在合成氨系统中制备成合成氨，然后，将二氧化碳和合成氨作为原料在尿素合成系统中制备成尿素，整个系统能够充分的利用烟气中的二氧化碳来实现尿素的制备，系统结构简单，不但降低碳排放，还充分利用新能源，带来相关经济、环余境效益。且该系统制造容易，使用安全可靠，便于实施推广应用，具有一定的实际应用前景。
26.本实施例中，各个核心系统的结构如下：
27.压缩机系统：包括烟气管线、烟气前置过滤器1、一级压缩机2和二级压缩机3，上述烟气管线、烟气前置过滤器1、一级压缩机2的进口及出口、二级压缩机3的进口及出口顺次连接。
28.二氧化碳液化提纯系统：包括二氧化碳汽化器4、冷凝水换热器5、5℃冷水换热器6、汽水分离器30、二氧化碳吸收塔10、液态二氧化碳储罐9、冷凝水储罐8和二氧化碳提纯塔7；上述二级压缩机3的出口、二氧化碳汽化器4的壳程入口及出口、冷凝水换热器5的壳程入口及出口、5℃冷水换热器6的壳程入口及出口、汽水分离器30的入口及气相出口、二氧化碳吸收塔10的入口顺次连接；上述冷凝水储罐8的出口和冷凝水换热器5的管程入口连接，上述冷凝水换热器5的管程出口与上述电解制氢系统连接；上述冷凝水储罐8的进口分别连接上述汽水分离器30的液相出口以及上述二氧化碳提纯塔7的底部出口；上述液态二氧化碳储罐9的出口和二氧化碳汽化器4的管程入口连接，上述二氧化碳汽化器4的管程出口与上述尿素合成系统连接；上述液态二氧化碳储罐9的进口连接上述二氧化碳提纯塔7的顶部出口；上述二氧化碳提纯塔7的入口连接上述二氧化碳吸收塔10的底部出口；上述二氧化碳吸收塔10的顶部出口与上述低温空气分离系统连接。
29.低温空气分离系统：包括分子筛吸附器11、低温空分装置12、氮气储罐13和富氧空气储罐20，上述二氧化碳吸收塔10的顶部出口、分子筛吸附器11的进口及出口、低温空分装
置12的入口及氮气出口、氮气储罐13的进口顺次连接，上述氮气储罐13的出口与上述合成氨系统连接，上述低温空分装置12的氧气出口连接上述富氧空气储罐20。
30.合成氨系统：包括合成氨装置14，上述合成氨装置14的氢气进口及氮气进口分别与上述电解制氢系统和上述氮气储罐13的出口连接，上述合成氨装置14的合成氨出口与上述尿素合成系统连接。
31.电解制氢系统：包括电解制氢装置17、氢气储罐18、氧气储罐15和制纯水装置16，上述冷凝水换热器5的管程出口、制纯水装置16的进口及出口、电解制氢装置17的水质入口顺次连接，上述电解制氢装置17的氢气出口、氢气储罐18的进口及出口、合成氨装置14的氢气进口顺次连接，上述电解制氢装置17的氧气出口连接上述氧气储罐15。
32.整个系统已电厂使用为例，电厂厂区锅炉内的烟气作为二氧化碳的来源，作业具体过程如下：
33.1)锅炉烟气经过滤后引入烟气管线，然后启动二级压缩机3，逐步提高压力；
34.2)启动5℃冷水换热器6，控制二级压缩机3的风量，确保将烟气降到5-10℃，并通入汽水分离器30，气相进入二氧化碳吸收塔10，液相进入冷凝水储罐8；
35.3)二氧化碳吸收塔10顶部出来的空气直接进入富氧空气储罐20(本实施例中，上述二氧化碳吸收塔10的顶部出口连接上述富氧空气储罐20)，调节压力，启动一级压缩机2，进一步提高烟气压力至4-5mpa；
36.4)当二氧化碳吸收塔10底有足够液位液体时，启动二氧化碳吸收塔10 塔底与二氧化碳提纯塔7连接的管线上的吸收塔循环泵，当液位不断升高时，开启二氧化碳吸收塔10的塔底的出口阀，控制该出口阀的阀门开度将液态送至二氧化碳提纯塔7内，当二氧化碳提纯塔7满液位时，调节二氧化碳提纯塔7顶部的阀门将液态二氧化碳送入液态二氧化碳储罐9，调节二氧化碳提纯塔7的底部阀门将水送入冷凝水储罐8；
37.5)当冷凝水储罐8处在高液位时，启动冷凝水储罐8出口与冷凝水换热器5的壳程进口的管线上的输送泵，将冷凝水送入冷凝水换热器5与其壳程内走过的烟气换热，降低烟气温度，同时将液态二氧化碳储罐9中的液态二氧化碳送入二氧化碳汽化器4内，与二氧化碳汽化器4壳程中通过的烟气换热，降低烟气温度；
38.6)当二氧化碳吸收塔10出口二氧化碳浓度降到400ppm以下时，将二氧化碳通入分子筛吸附器11和低温空分装置12，当低温空分装置12运行正常时，将合格的氮气送至合成氨装置14，同时将分离出的氧气送入富氧空气储罐20；
39.7)启动制纯水装置16，将与烟气换热后的冷凝水制备成纯水，并送入电解制氢装置17内，氢气合格后经氢气储罐18送入合成氨装置14。
40.8)合成氨装置14将合成氨送入尿素合成系统，与经二氧化碳汽化器4 过来的二氧化碳一起作为原料，最终制备产出尿素。
41.作为一种优选的实施方式，上述氧气储罐15连接锅炉的二次风入口。
42.上述实施方案中，电解制氢装置17产出的氧气通入锅炉的二次风口，作为二次风参与锅炉内部的燃烧运行过程，一定程度上降低能耗，起到节能减排作用。
43.本实施例中，还包括汽轮机21，上述汽轮机21与上述一级压缩机2传动连接，该汽轮机21驱动一级压缩机2运行，上述富氧空气储罐20连接所述汽轮机21的进口，上述汽轮机21的出口连接二次风入口，高压富氧空气作为汽轮机21的动能来源，该富氧空气储罐20可
以作为吸附塔再生气源，吸热后再至汽轮机21处做功，充分达到节能减排的效果，同时，做工后空气再进入锅炉中作为二次风参与锅炉内部的燃烧运行过程，节能减排。
44.本实施例中，在过程1)中，启动二级压缩机3后，打开富氧空气储罐 20与汽轮机21之间的管线，使得一级压缩机2逐步开始运转。
45.本实施例中，各个结构或装置之间的连通均采用管线连通方式，在各个管线上根据实际使用需求灵活、合理的增设阀门，来达到调节管线内流体流量的目的。
46.本实施例中，烟气前置过滤器1、二氧化碳汽化器4、冷凝水换热器5、 5℃冷水换热器6、汽水分离器30、二氧化碳吸收塔10、液态二氧化碳储罐 9、二氧化碳提纯塔7、分子筛吸附器11、低温空分装置12、合成氨装置14、电解制氢装置17、制纯水装置16均是本领域的常规设备，具体型号根据实际使用需求灵活、合理的选择即可，或是在常规设备的基础上做简单的参数调整，特别是5℃冷水换热器6就是常规的冷水换热器，但其是利用5℃的冷水进行换热，其中，电解制氢装置17可以采用市面上已有的光伏电解制氢设备，充分利用太阳能，节能减排效果更佳。其他在此不做赘述。
47.本实施例中，尿素合成系统采用现有技术的尿素合成塔(图中a指代)。
48.在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
49.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。在本实用新型的描述中，“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。
50.在本实用新型中，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；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实用新型中的具体含义。
51.在本实用新型中，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。
52.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述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实用新型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。
53.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。