一种富氧燃烧烟气中的CO₂提纯及液化装置的制作方法

专利名称：一种富氧燃烧烟气中的CO₂提纯及液化装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业废气回收处理装置，尤其涉及一种富氧燃烧烟气中的CO2提纯及液化装置。
背景技术：
目前我国燃煤发电主要是利用空气助燃，燃烧后的CO含量较低，不具有回收捕捉和利用价值。随着国内CO2的减排压力及燃煤发电技术的提高，一种新型的燃烧技术一富氧燃烧也正在迅速发展。其燃烧后的烟气CO2含量达到80%左右甚至更高，CO2的回收捕捉及利用具有广阔前景。传统的CO2提纯及液化装置一般主要有预冷系统、液化系统、提纯精馏系统、制冷 循环系统等组成。经过预处理后的原料气中CO2含量一般在98%以上，通过制冷循环系统分别预冷和液化，然后节流到一定压力进入精馏塔精馏，塔顶带有冷凝器，塔底带有再沸器。通过精馏在再沸器底部获得液体产品CO2，塔顶的轻组分气通过冷量回收后放空。整套系统较为复杂，且对低纯度的CO2原料气(CO2浓度低于95%)，将其提纯液化需要更高的压力和更高的温度，系统能耗高，回收率低。同时该种提纯液化不具有大规模应用前景，因为当工业应用达到每小时几万标方规模时，需要的制冷量将大幅升高，使得制冷循环系统过于庞大和复杂。而针对富氧燃烧后的CO2含量在80%的烟气，这种提纯液化技术在系统组织、能耗、规模上都不具有优势。因此研究一种系统相对简单、对低浓度的CO2 (CO2浓度低于95%)原料气具有较高回收率、能够适应大规模工业应用的CO2提纯及液化系统是很有实际意义的。

实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种系统相对简单、对低浓度的CO2 (CO2浓度在80%左右)原料气具有较高回收率、能够适应大规模工业应用的富氧燃烧烟气CO2提纯及液化系统。本实用新型的目的通过下述技术方案来实现—种富氧燃烧烟气中的CO2提纯及液化装置，包括原料气换热系统、产品气压缩冷却系统和废气放空系统，所述原料气换热系统包括CO2烟气换热器，CO2烟气一级分离器，CO2烟气二级分离器，所述CO2烟气换热器内布置有原料CO2气通道、通过节流阀连通CO2烟气一级分离器液相出口的一级分离液相返流通道、连通于CO2烟气一级分离器气相出口与CO2烟气二级分离器入口之间的一级分离气相通道，以及连通CO2烟气二级分离器气相出口的二级分离气相返流通道和通过节流阀连通CO2烟气二级分离器液相出口的二级分流液相返流通道；所述CO2烟气换热器的原料CO2气通道连通所述CO2烟气一级分离器入口 ；所述CO2烟气换热器的一级分离液相返流通道出口和二级分流液相返流通道出口分别连通所述产品气压缩冷却系统；所述CO2烟气换热器的二级分离气相返流通道出口连通所述废气放空系统。[0008]作为优选方式，所述CO2烟气换热器为两级冷却换热器，其中一级冷却换热器内设有所述原料CO2气通道、一级分离液相返流通道、二级分离气相返流通道和二级分流液相返流通道，二级冷却换热器内设有所述一级分离气相通道、二级分离气相返流通道和二级分流液相返流通道，所述二级分离气相返流通道和二级分流液相返流通道在所述一、二级冷却换热器间各自相通。作为优选方式，所述压缩冷却系统包括串联的产品CO2压缩机，冷却器，液体CO2泵，所述CO2烟气换热器的一级分离液相返流通道出口和二级分流液相返流通道出口分别连通所述产品CO2压缩机。作为优选方式，所述产品CO2压缩机为一个两级进气的压缩机 ，所述冷却器由CO2压缩机级间冷却器和CO2压缩机后冷却器组成，所述压缩机的第一级和第二级之间设有CO2压缩机级间冷却器，第二级和液体CO2泵之间设有CO2压缩机后冷却器，所述CO2烟气换热器的一级分离液相返流通道出口连通所述压缩机的第二级吸入口，所述CO2烟气换热器的二级分流液相返流通道出口连通所述压缩机的第一级吸入口。作为优选方式，所述产品CO2压缩机由低压级压缩机和高压级压缩机组成，所述冷却器由CO2压缩机级间冷却器和CO2压缩机后冷却器组成，所述低压级压缩机和高压级压缩机之间设有CO2压缩机级间冷却器，高压级压缩机和液体CO2泵之间设有CO2压缩机后冷却器，所述CO2烟气换热器的一级分离液相返流通道出口连通所述压缩机的高压级压缩机吸入口，所述CO2烟气换热器的二级分流液相返流通道出口连通所述压缩机的低压级压缩机吸入口。作为优选方式，所述废气膨胀放空系统包括相串联的CO2废气膨胀机和CO2废气加热器，所述CO2废气膨胀机带有能量回收装置，所述CO2烟气换热器的二级分离气相返流通道出口连通所述CO2废气膨胀机。本实用新型的工作流程本实用新型中，CO2烟气本身返流作为制冷介质将原料烟气冷却后进行分离提纯，提纯后的CO2复热到常温，产生具有两股不同压力等级的CO2产品气，并通过两级进气压缩机压缩后冷却获得液体产品co2。同时轻组分放空废气进行膨胀并对膨胀功的回收，膨胀后的低温气体在放空前对其冷量也进行回收。具体地，干燥烟气在一个典型压力30bar左右的压力下进入CO2烟气换热器，冷却到-20°C左右在CO2烟气一级分离器进行第一级分离，分离后的气相CO2浓度降低，则回到CO2烟气换热器继续进行冷却，液相流股通过节流阀节流到一个典型压力IObar左右再返流复热出CO2烟气换热器作为产品气的一部分；较低CO2浓度的气相流股在继续冷却到_50°C左右时在CO2烟气二级分离器进行第二次分离，分离后的气相直接通过CO2烟气换热器返流回收冷量，此时气相CO2浓度已经很低，返流复热后作为废气准备放空，液相则进一步节流到一个典型压力20bar左右再返流复热出CO2烟气换热器作为产品气的另外一部分。该装置的提纯是通过原料压缩气冷却后经过CO2烟气一级分离器、CO2烟气二级分离器两级分离实现的，当原料气CO2含量在78、0%之间时，通过此种方式可以获得CO2纯度达到96%以上、提取率高于90%的CO2气体。其制冷过程由两级分离后液相的节流来实现的，其中CO2烟气二级分离器第二级分离后的气相作为废气返流并回收其冷量。CO2烟气换热器返流出口的气体有三种规格。其中CO2烟气一级分离器第一级分离后液相流股节流后返流出CO2烟气换热器，作为产品气的一部分进入产品CO2压缩机的第二级吸入口 ；co2烟气二级分离器第二级分离后液相流股节流后返流出CO2烟气换热器，作为产品气的另一部分进入产品CO2压缩机的第一级吸入口 ；co2烟气二级分离器第二级分离后液相流股节流后返流出CO2烟气换热器，作为废气准备放空。放空废气流股，具有29bar左右的较高压力。通过CO2废气膨胀机膨胀到常压放空，同时对膨胀功进行能量的回收。膨胀后的低温气体在放空前对其冷量进行回收，回收可以考虑最终产品CO2压缩后的冷却或者系统中其他需要冷量的地方。两股不同压力(12bar左右和20bar左右)的CO2产品气通过一个两级进气的压缩机压缩，或者一个低压级压缩机先将低压流股的CO2压缩到20bar后CO2压缩机级间冷却器冷却再同高压流股的CO2汇合进入另外一个高压级压缩机进行压缩。最终压缩到CO2的临界压力左右，临界压力根据CO2气体的纯度确定，然后CO2压缩机后冷却器冷却到常温状态下变为液体CO2,再通过液体CO2泵加压到管道输送要求的压力IlObar左右。本实用新型的有益效果对CO2含量在78、0%之间的原料气，通过此种方式可以 获得CO2纯度达到96%以上、提取率高于90%的CO2气体。本实用新型简化了系统流程，易于操作，且在大型工业化方面具有很高的可行性，同时可以对部分能量和冷量进行有效回收和利用。

图I是本实用新型实施例的设备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。如图I所示，一种富氧燃烧气CO2提纯及液化装置，包括原料气换热系统、产品气压缩冷却系统和废气放空系统。在原料气换热系统中，CO2原料烟气I在CO2烟气换热器El —级冷却换热器中冷却到第一级温度_20°C左右,冷却后的CO2原料气2在CO2烟气一级分离器Vl中进行第一次汽液相分离，分离后的液相4经过节流阀Fl节流到一个典型压力20bar左右，节流后的流股5返流复热到常温出CO2烟气换热器El —级冷却换热器，流股6作为产品CO2的一部分，返流过程中为正流的原料CO2气I的第一级冷却提供冷量；分离后的气相3继续进入CO2烟气换热器El 二级冷却换热器进行第二级冷却，冷却到第二级温度后流股7在CO2烟气二级分离器V2中进行第二次汽液相分离，分离后的液相9经过节流阀F2节流到一个典型压力IObar左右，节流后的流股5返流复热到常温出CO2烟气换热器E1，流股11作为产品CO2的另一部分，返流过程中为第一级节流后的气相原料CO2气3的第二级冷却及原料CO2气I的第一级冷却提供冷量，分离后的气相8作为放空废气返流复热出CO2烟气换热器E1，同时为第一级节流后的气相原料CO2气3的第二级冷却及原料CO2气I的第一级冷却提供冷量。产品气压缩冷却系统包括产品CO2压缩机Cl，CO2压缩机级间冷却器E2，CO2压缩机后冷却器E3，液体CO2泵P1，产品CO2压缩机Cl为一个两级进气的压缩机，CO2烟气二级分离器V2第二级分离后的液相返流出CO2烟气换热器El的CO2气11作为产品气的第一级进入产品CO2压缩机Cl第一级吸入口，压缩到一级分离后的节流的压力左右，流股12在CO2压缩机级间冷却器E2中冷却至常温，流股13同流股6 —起进入产品CO2压缩机Cl第二级吸入口进行后续压缩。压缩到接近产品CO2气的临界压力，流股14在CO2压缩机后冷却器E3中冷却到常温，得到液体CO2 15，再经过液体CO2泵Pl加压到超临界压力，最终高压液体CO2 16具备CO2管道输送条件。废气放空系统包括CO2废气膨胀机ETl，CO2废气加热器E4。复热至常温的轻组分CO2气17通过膨胀机膨胀至常压，膨胀时对膨胀功进行回收，膨胀功的回收根据系统的规模可以考虑增压或者发电。膨胀后的低温废气在放空前对其冷量也进行回收，可以对压缩后的产品CO2气进行冷却以获得更大的过冷度，或者考虑系统其他需要冷箱的地方。 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种富氧燃烧烟气中的CO2提纯及液化装置，其特征在于包括原料气换热系统、产品气压缩冷却系统和废气放空系统，所述原料气换热系统包括CO2烟气换热器，CO2烟气一级分离器，CO2烟气二级分离器，所述CO2烟气换热器内布置有原料CO2气通道、通过节流阀连通CO2烟气一级分离器液相出口的一级分离液相返流通道、连通于CO2烟气一级分离器气相出口与CO2烟气二级分离器入口之间的一级分离气相通道，以及连通CO2烟气二级分离器气相出口的二级分离气相返流通道和通过节流阀连通CO2烟气二级分离器液相出口的二级分流液相返流通道；所述CO2烟气换热器的原料CO2气通道连通所述CO2烟气一级分离器入口 ；所述CO2烟气换热器的一级分离液相返流通道出口和二级分流液相返流通道出口分别连通所述产品气压缩冷却系统；所述CO2烟气换热器的二级分离气相返流通道出口连通所述废气放空系统。
2.如权利要求I所述的富氧燃烧烟气中的CO2提纯及液化装置，其特征在于所述CO2烟气换热器为两级冷却换热器，其中一级冷却换热器内设有所述原料CO2气通道、一级分离液相返流通道、二级分离气相返流通道和二级分流液相返流通道，二级冷却换热器内设有所述一级分离气相通道、二级分离气相返流通道和二级分流液相返流通道，所述二级分离气相返流通道和二级分流液相返流通道在所述一、二级冷却换热器间各自相通。
3.如权利要求I或2所述的富氧燃烧烟气中的0)2提纯及液化装置，其特征在于所述压缩冷却系统包括串联的产品CO2压缩机，冷却器，液体CO2泵，所述CO2烟气换热器的一级分离液相返流通道出口和二级分流液相返流通道出口分别连通所述产品CO2压缩机。
4.如权利要求3所述的富氧燃烧烟气中的0)2提纯及液化装置，其特征在于所述产品CO2压缩机为一个两级进气的压缩机，所述冷却器由CO2压缩机级间冷却器和CO2压缩机后冷却器组成，所述压缩机的第一级和第二级之间设有CO2压缩机级间冷却器，第二级和液体CO2泵之间设有CO2压缩机后冷却器，所述CO2烟气换热器的一级分离液相返流通道出口连通所述压缩机的第二级吸入口，所述CO2烟气换热器的二级分流液相返流通道出口连通所述压缩机的第一级吸入口。
5.如权利要求3所述的富氧燃烧烟气中的CO2提纯及液化装置，其特征在于所述产品CO2压缩机由低压级压缩机和高压级压缩机组成，所述冷却器由CO2压缩机级间冷却器和CO2压缩机后冷却器组成，所述低压级压缩机和高压级压缩机之间设有CO2压缩机级间冷却器，高压级压缩机和液体CO2泵之间设有CO2压缩机后冷却器，所述CO2烟气换热器的一级分离液相返流通道出口连通所述压缩机的高压级压缩机吸入口，所述CO2烟气换热器的二级分流液相返流通道出口连通所述压缩机的低压级压缩机吸入口。
6.如权利要求I或2所述的富氧燃烧烟气中的0)2提纯及液化装置，其特征在于所述废气膨胀放空系统包括相串联的CO2废气膨胀机和CO2废气加热器，所述CO2废气膨胀机带有能量回收装置，所述CO2烟气换热器的二级分离气相返流通道出口连通所述CO2废气膨胀机。
专利摘要本实用新型公开了一种富氧燃烧烟气中的CO2提纯及液化装置，涉及一种工业废气回收处理装置，包括原料气换热系统、产品气压缩冷却系统和废气放空系统，所述原料气换热系统包括CO2烟气换热器，CO2烟气一级分离器，CO2烟气二级分离器，所述CO2烟气换热器的原料CO2气通道连通所述CO2烟气一级分离器入口；所述CO2烟气换热器的两股产品气出口分别连通所述产品气压缩冷却系统；所述CO2烟气换热器的二级分离气相返流通道出口连通所述废气放空系统。本实用新型是一种系统相对简单、对低浓度的CO2(CO2浓度在80%左右)原料气具有较高回收率、能够适应大规模工业应用的富氧燃烧烟气CO2提纯及液化系统。
文档编号F25J3/08GK202547276SQ20122016744
公开日2012年11月21日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者谢波, 魏义江, 黄科 申请人:四川空分设备(集团)有限责任公司