采集地热能供热的二氧化碳捕获与封存系统的制作方法

本实用新型涉及二氧化碳捕获与封存技术，特别是指一种采集地热能供热的二氧化碳捕获与封存系统。

背景技术：

进入二十一世纪，人类所面临的最大挑战之一为大量排放的温室气体所造成的“温室效应”，由此引起全球变暖、气候变化以及对生态、经济、社会等方面产生综合影响的全球性的环境问题。二氧化碳是有机物质及石化燃料燃烧的主要产物，同时也被认为是造成温室效应及全球变暖的的主要成分之一，约占温室气体的2/3。目前，全球每年的二氧化碳排放量，2011年升至335亿吨，我国已成为二氧化碳排放第一大国，而且排放量还在不断增加。

全球应对气候变化的核心是减少温室气体排放，其中主要是减少能源消费的二氧化碳排放。2009年11月，我国对世界庄严承诺：到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40～45％。燃煤电厂二氧化碳排放是我国温室气体的最主要排放源，约占我国二氧化碳排放总量的50％。近年来，随着火电装机容量的迅速增多，燃煤电厂二氧化碳排放的绝对数量和相对比例还将进一步增加。由于我国能源结构以燃煤发电为主，以及今后对燃煤发电的长期投入，从燃煤烟气中有效的脱除二氧化碳将刻不容缓。

目前，燃煤电厂捕获烟气中二氧化碳的方法主要有吸收法、吸附法以及膜分离法等，化学吸收法是目前技术上最成熟的方法，其原理是烟气中的CO₂与化学溶剂发生反应而被吸收，吸收CO₂达到平衡的化学溶剂变成富液，富液进入再生塔加热解析放出CO₂气体而变为贫液，液再去循环吸收烟气中的CO₂，如此通过吸收溶液在吸收塔和再生塔中的循环运行，烟气中的CO₂得到捕集、分离和提纯。

中国专利ZL201010510906.X公开了一种活性碳酸钠捕集电站烟气中二氧化碳的设备，包括通过管道相连的吸收塔、再生塔(即解析塔)、冷却器、气液分离器、干燥器、压缩机和冷凝器。吸收塔的下部烟气进口和顶部烟气出口之间自下而上依次设置有多组吸收剂喷淋层和至少一组除雾装置，吸收塔的底部碳酸氢钠浆液出口与斜板沉淀池的上部浆液进口相连，斜板沉淀池的上部吸收剂进口与吸收剂容器相连，斜板沉淀池的上清液出口通过吸收剂循环泵与吸收塔内的吸收剂喷淋层相连，斜板沉淀池的底流出口通过碳酸氢钠泵与再生塔的上部进料口相连，再生塔的下部出料口通过碳酸钠泵与斜板沉淀池的上部吸收剂进口相连，再生塔的上部解析气出口通过冷却器与气液分离器的进口相连，气液分离器的气体出口依次与干燥器、压缩机、冷凝器串联连接。由此，在脱除烟气中二氧化碳的同时，通过上述组合为一体的设备对其进行再生、脱水、干燥、压缩和冷凝等连续处理，直至获得高纯度液态二氧化碳。

化学吸收法捕获二氧化碳的不足之处在于，所采用的化学吸收剂(如碳酸钠)需要在80～130℃的温度下进行解析再生。该过程首先在与再生塔配套的煮沸器中利用蒸汽对化学吸收剂进行加热，产生的蒸汽进一步在再生塔内对化学吸收剂进行加热解析。由于需要抽取电站蒸汽进行加热，故增加了蒸汽消耗，造成发电效率的下降，经济效益较差，难以在燃煤电厂大范围推广应用。

另一方面，采用超临界CO₂作为采热介质，循环携带高温储层地热能，是一种新型地热开采方式。超临界CO₂是指二氧化碳在温度高于临界温度Tc＝31.26℃，压力高于临界压力Pc＝7.4MPa的状态下，性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍。

BROWN D W于2000年在其《Ahot dry rock geothermal energy concept utilizing supercritical CO₂ instead of water》一文中首次提出注超临界CO₂开采干热岩地热(CO₂-EGS)概念：利用超临界CO₂具有的携热优势，压裂干热岩储层并作为携热介质在储层内循环流动。由于EGS系统需要超深钻井技术和压裂技术，经济效益并不明显。且有研究指出，深部压裂技术有可能造成储层伤害、CO₂泄露并引发地震活动。针对此问题，Ran-dolph等于2011年在其《Coupling carbon dioxide sequestration with geothermal energy capture in naturally permeable,porous geologic formations:implications for CO₂ sequestration》一文中提出注超临界CO₂开采深部盐水层地热能方法，为区别于CO₂-EGS，他命名此种开采地热方式为CO₂羽流式地热系统(CO₂-plume geothermal，CPG)。

中国石油大学任韶然等在《注超临界CO₂开采高温废弃气藏地热机制与采热能力分析》一文中以150℃高温气藏为研究对象，在分析超临界CO₂和水热物性基础上，提出注超临界CO₂开采高温废弃气藏地热能的方法。中国石油大学裴晶晶在其硕士学位论文《利用CO₂开发干热岩地热资源的可行性研究》中指出，将CO₂资源化利用的思想应用于地热开发，不论对于地热开发还是对于地质埋存，都具有重要的意义。超临界CO₂具有明显的采热优势，可以用作携热介质或代替地下热水。对于地热开采，可以获得CO₂埋存的环保效益；对于地质埋存，可以获得地热开采带来的经济效益，用于补偿CO₂捕集、输送、注入和监测等一系列的费用，有利于提升地质埋存技术的经济吸引力。

综上所述，在超临界CO₂地热能开采技术日益成熟的背景下，若采集地热能为化学吸收法解析过程供热，可节省大量加热蒸汽，提高化学吸收法的经济性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种经济性好、节能环保的采集地热能供热的二氧化碳捕获与封存系统。

为实现上述目的，本实用新型所设计的采集地热能供热的二氧化碳捕获与封存系统，包括二氧化碳吸收捕获系统、二氧化碳分离净化系统和二氧化碳地热采集循环系统；所述二氧化碳吸收捕获系统包括吸收塔，所述二氧化碳分离净化系统包括解析塔、冷凝器和冷凝液储箱，所述解析塔的外部配套设置有用于对塔内溶液进行加热的溶液煮沸器，所述二氧化碳地热采集循环系统包括解析气压缩机、循环气压缩机、抽气机、用于将二氧化碳导入地热层的地热层输入管和用于将二氧化碳导出地热层的地热层回收管；所述吸收塔的烟气输入口与外部烟气系统通过烟气输入管相连通，用于将外部烟气系统中含有二氧化碳的烟气输入到吸收塔中；所述吸收塔的贫液输入口与解析塔的贫液输出口通过贫液返回管相连通，用于将解析塔解析出二氧化碳后的贫液输入到吸收塔中；所述吸收塔的富液输出口与解析塔的富液输入口通过富液输送管相连通，用于将吸收塔吸收二氧化碳后的富液输入到解析塔进行解析；所述解析塔的解析气输出口通过解析气输入管连接至地热层输入管，所述冷凝器、解析气压缩机设置在解析气输入管上；所述冷凝液储箱的冷凝液输入口与所述冷凝器的冷凝液输出口相连通，所述述冷凝液储箱的冷凝液输出口与吸收塔的贫液输入口通过冷凝液回收管相连通；所述冷凝液储箱用于储存冷凝器冷凝回收下来的水与化学吸收剂，同时作为少量新鲜化学吸收剂的补充储箱；所述抽气机设置在地热层回收管上，用于将地下经地热换热升温的二氧化碳抽回到地面上来；所述溶液煮沸器的加热气输入口与地热层回收管的地面端相连通，所述溶液煮沸器的乏气排出口(乏气指加热后热量降低的二氧化碳)通过循环气输入管(与解析气输入管并联)连接至地热层输入管，所述循环气输入管上设置有循环气压缩机，通过循环气压缩机将放热后的二氧化碳循环压缩打入到地热层中；所述富液输送管上设置有富液泵；所述贫液返回管上设置有贫液泵；所述冷凝液回收管上设置有冷凝液泵。

工作原理：本系统采用化学吸收法对获燃煤电厂等产生的CO₂进行处理，首先在二氧化碳吸收捕获系统中，通过化学吸收剂捕获CO₂；再将捕获CO₂的化学吸收剂(富液)打入二氧化碳分离净化系统对进行解析；解析出CO₂后的化学吸收剂(贫液)返回二氧化碳吸收捕获系统循环吸收CO₂，解析得到CO₂气体经冷凝净化后打入地下地热层(泛指地热较为富集的地层如干热岩层等)，在地热层高温高压条件下，CO₂转变为超临界状态，同时具有液态和气态属性；再将换热升温后的超临界CO₂(约150℃)抽回地面，经净化后引入到二氧化碳分离净化系统中，作为解析的热源。

优选地，所述二氧化碳地热采集循环系统还包括净化分离器。所述净化分离器设置在抽气机与煮沸器之间的地热层回收管上，用于对回收自地热层的CO₂进行净化，净化分离器可以是除尘器、旋风分离器等，主要是去除其中的固体微小尘粒杂质，避免堵塞或磨损溶液煮沸器内的加热气通道。

优选地，所述富液输送管与贫液返回管之间设置有用于对两管道内的溶液进行间接换热的贫富液换热器，通过对贫液(低CO₂的化学吸收剂)、富液(高CO₂的化学吸收剂)进行换热，一方面降低了贫液温度，将化学吸收剂冷却到更适合吸收CO₂的温度；另一方面提高了富液的温度，减少富液解析加热对热量的需求，提高了能量利用率。

优选地，所述冷凝液回收管上还设置有用于对吸收塔未吸收完全的尾气进行洗涤的尾气洗涤塔，所述尾气洗涤塔上部的冷凝液输入口与冷凝液回收管连接冷凝液储箱的一段相连通，所述尾气洗涤塔下部的冷凝液排出口与冷凝液回收管连接吸收塔的一段相连通，所述吸收塔的尾气排出口通过尾气排出管与尾气洗涤塔的尾气输入口相连通。进一步地，所述冷凝液回收管的输出端连接到贫液返回管中部的支管管口上，间接与吸收塔相连通，所述贫液泵设置在所述支管管口与吸收塔之间的所述贫液返回管上。尾气洗涤塔利用冷凝液对吸收塔排放尾气进行洗涤，回收了尾气中残余的CO₂和携带的液滴，进一步降低了CO₂的排放。同时尾气洗涤塔的吸收液与贫液返回管中的贫液进行混合使贫液温度降低，有利于对CO₂的吸收。

优选地，所述烟气输入管上还设置有风机，用于提高输入烟气的压力。

本实用新型的有益效果是：1)本系统以CO₂作为采集地热能的循环介质，引入到化学吸收法捕获二氧化碳系统中，减少了系统中抽取电厂发电蒸汽的能量和水的损耗，从而提高了化学吸收法捕获CO₂的经济性。2)在采集地热的循环中，部分CO₂在地热层中逐渐与岩浆中的可化合物质进行反应，逐渐固化，实现了CO₂的逐渐封存，降低了CO₂的排放。由此可见，采用本实用新型对CO₂进行捕获封存具有节能节水、低碳环保的优点。

附图说明

图1为实施例1所设计的采集地热能供热的二氧化碳捕获与封存系统的工艺流程示意图。

图2为实施例2所设计的采集地热能供热的二氧化碳捕获与封存系统的工艺流程示意图。

其中：吸收塔1、尾气洗涤塔2、解析塔3、溶液煮沸器4、冷凝器5、冷凝液储箱6、富液泵7、贫液泵8、冷凝液泵9、贫富液换热器10、抽气机11、解析气压缩机12、循环气压缩机13、风机14、净化分离器15、富液输送管16、贫液返回管17、烟气输入管18、尾气排出管19、地热层回收管20、地热层输入管21、解析气输入管22、循环气输入管23、冷凝液回收管24、支管管口25、地热层26。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例所设计的采集地热能供热的二氧化碳捕获与封存系统，包括二氧化碳吸收捕获系统、二氧化碳分离净化系统和二氧化碳地热采集循环系统。其中：

二氧化碳吸收捕获系统包括吸收塔1，二氧化碳分离净化系统包括解析塔3、冷凝器5和冷凝液储箱6，解析塔3的外部配套设置有用于对塔内溶液进行加热的溶液煮沸器4，二氧化碳地热采集循环系统包括解析气压缩机12、循环气压缩机13、抽气机11、回收气净化装置15、用于将二氧化碳导入地热层26的地热层输入管21和用于将二氧化碳导出地热层26的地热层回收管20。

吸收塔1的烟气输入口与外部烟气系统通过烟气输入管18相连通，烟气输入管18上设置有用于提高烟气压力的风机14。位于吸收塔1上部的贫液输入口与位于解析塔3底部的贫液输出口通过贫液返回管17相连通。位于吸收塔1底部的富液输出口与位于解析塔3上部的富液输入口通过富液输送管16相连通。

解析塔3的解析气输出口通过解析气输入管22连接至地热层输入管21，冷凝器5、解析气压缩机12依次设置在解析气输入管22上。冷凝液储箱6的上部设置有冷凝液输入口和用于加入新鲜吸收液的吸收液输入口，所述冷凝液输入口与冷凝器5的冷凝液输出口相连通，冷凝液储箱6的冷凝液输出口与吸收塔1的贫液输入口通过冷凝液回收管24相连通。

地热层回收管20、地热层输入管21的地下端分别深入到地热层26内，抽气机11、回收气净化装置15依次设置在地热层回收管20位于地面上的管段上。溶液煮沸器4的加热气输入口与地热层回收管20的地面端相连通，溶液煮沸器4的乏气排出口通过循环气输入管23连接至地热层输入管21，循环气输入管23上设置有循环气压缩机13。

富液输送管16上设置有富液泵7。贫液返回管17上设置有贫液泵8。冷凝液回收管24上设置有冷凝液泵9。富液输送管16与贫液返回管17之间设置有用于对两管道内的溶液进行间接换热的贫富液换热器10。

实施例2

如图2所示，本实施例所提供的采集地热能供热的二氧化碳捕获与封存系统与实施例1基本相同，不同之处在于：增设了尾气洗涤塔2，尾气洗涤塔2上部的冷凝液输入口与冷凝液回收管24连接冷凝液储箱6的一段相连通，尾气洗涤塔2下部的冷凝液排出口与冷凝液回收管24连接吸收塔1的一段相连通，吸收塔1的尾气排出口通过尾气排出管19与尾气洗涤塔2的尾气输入口相连通。冷凝液回收管24的输出端连接到贫液返回管17中部的支管管口25上，贫液泵8设置在支管管口25与吸收塔1的贫液输入口之间。

上述系统的工艺流程如下：含有CO₂的烟气在风机14的作用下，自下向上流经吸收塔1，与从上部喷淋进入吸收塔1的吸收液(即化学吸收剂)形成逆流接触，烟气中的CO₂被喷淋的吸收液吸收。净化后的烟气从吸收塔1顶部进入尾气洗涤塔2中，自下而上与从上部喷淋的冷凝液形成逆流接触，烟气中的残存的CO₂被吸收，然后经尾气洗涤塔2上部的除雾装置回收烟气中的液滴。吸收了CO₂的吸收液(富液)下降到吸收塔1的底部，通过富液泵7加压送至解析塔3顶部。为了减少低温富液解析时的耗能，富液和贫液在贫富液换热器10中进行热交换，利用解析后的高温吸收液(贫液)的余热对富液进行加热，同时也达到冷却贫液的目的。富液从解析塔3上部进入，通过汽提解析部分CO₂，然后下降到解析塔3底部的富液进入溶液煮沸器4中，被来自地热岩浆层的高温CO₂工质加热，使富液中的CO₂进一步解析。解析后的CO₂贫液由解析塔3底部流出，在贫液泵8作用下经贫富液换热器10换热冷却后，与尾气洗涤塔2下部来的吸收液混合，进一步冷却到适宜吸收CO₂的温度，然后进入吸收塔1。吸收液往返循环构成连续吸收和解析CO₂的工艺过程。

从解析塔3顶部出来的含有CO₂及水蒸汽的混合气体进入冷凝器5进行气水分离，分离出的CO₂气体从冷凝器5上部排出，经解析气压缩机12压缩成液体打入地下岩浆层，进行封存。分离出的水从冷凝器5下部排出，进入冷凝液储箱6，系统损耗的吸收液在冷凝液储箱6上部的吸收液输入口补充，冷凝液经冷凝液泵9输送到尾气洗涤塔2上部，对在吸收塔中被吸收CO₂后的尾气进行喷淋洗涤，残存CO₂被再次吸收后的烟气经尾气经洗涤塔顶部的除雾装置回收烟气携带的液滴，然后排放。

地热能将封存一定时间的超临界CO₂进行换热升温达到130～150℃，在抽气机11的作用下经地热层回收管20抽出，输送到净化分离器15进行净化分离，去除携带的杂质后，进入到溶液煮沸器4中加热解析塔3底部的富液，换热后的CO₂(乏气)从溶液煮沸器4上部排出，通过循环气压缩机13压缩后经地热层输入管21打入地下地热层26。

CO₂往复循环构成连续打入地下、连续抽出的工艺过程，从而实现将地热能以CO₂为采集介质的形式利用到燃煤电厂的CO₂捕获系统中。同时，在将CO₂打入地下的过程中，部分CO₂与地下的可反应物进行化合得到固化，储存到地下，实现了CO₂的逐渐封存。

效果验证

以1台660MW超临界机组的发电机组为例，按发电效率40％计算，燃煤发热量为660/40％＝1650MW，排放的热量为990MW。

如果该发电机组安装了传统化学吸收法CO₂捕获与解析系统，其所需蒸汽热量约为310MW。发电的蒸汽热量(1650-310)*40％＝536MW，则其实际发电效率降为32.48％。

如果该发电机组采用本实用新型所提供的采集地热能供热的二氧化碳捕获与封存系统，需要利用地热能转化到CO₂捕获和解析系统的热量为310MW，抽气机11、解析气压缩机12和循环气压缩机13运转需耗电86MW，发电厂输出电量为660MW-86MW＝574MW，其实际发电效率为574MW/1650MW＝34.79％。

与传统CO₂捕获和解析系统的发电机组相比，本实用新型使发电效率提高了2.31％。同时减少了蒸汽消耗的水量，提高了整个系统水的利用率。