烟气再循环无氮燃烧耦合二氧化碳捕集工艺系统及方法与流程

1.本发明涉及烟气二氧化碳捕集回收技术领域，具体涉及一种烟气再循环无氮燃烧耦合二氧化碳捕集工艺系统及方法。


背景技术：

2.气候变化深刻影响地球环境，这是人类共同面临的巨大挑战。为了应对全球气候变化，实现人类社会文明进步与地球生态系统的可持续发展，我国从科学上认识碳中和提出来的战略背景，立足于应对气候变化的科学基础之上提出“碳达峰和碳中和”的目标。
3.ccus技术是一项针对温室气体的减排技术，能够大幅减少使用化石燃料的温室气体排放，涵盖co2捕集、运输、利用与封存4个环节。在捕集阶段，目前主要通过制氧技术获取高浓度氧气，实现富氧燃烧烟气再循环或在燃烧后对co2进行捕集利用，捕集之后的co2将通过管道、罐车或船舶等运输方式，将其送至安全储存点封存或者进行再利用。
4.碳中和的核心是降低甚至消除co2排放量，ccus/ccs(碳捕集、利用与封存)可以发挥重要作用，以ccus/ccs为核心的碳工业将成为碳中和目标下的新兴产业。ccus技术是唯一能够大量减少工业流程温室气体排放的手段，对于炼化、气电、水泥和钢铁行业来说，要想实现在生产过程中的深度减排，ccus技术是必不可少的，而且是可再生能源电力和节能技术不可替代的，对于我国践行低碳发展战略和实现绿色发展至关重要。
5.当前尚未发现有烟气再循环无氮燃烧耦合二氧化碳捕集工艺系统的实施。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种烟气再循环无氮燃烧耦合二氧化碳捕集工艺系统及方法，其集富氧燃烧、烟气循环、二氧化碳捕集提纯功能于一体，且具有零污染排放、高效率、高经济收益等优点。
7.本发明公开了一种烟气再循环无氮燃烧耦合二氧化碳捕集工艺系统，包括：空分系统、变压吸附除氮系统、烟气预冷系统、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一空冷器、第一分离器、鼓风机、压缩机、制冷单元、重吸收塔和锅炉及燃烧器系统；其中，
8.所述锅炉及燃烧器系统的烟气出口沿烟气的流动方向依次连接有所述烟气预冷系统的降温段、所述第一换热器的降温段、所述第一空冷器、所述第一分离器和所述鼓风机，所述鼓风机的第一出气支路沿烟气的流动方向依次连接有所述压缩机、所述第二换热器的降温段、所述第三换热器的降温段、所述制冷单元和所述重吸收塔；
9.所述重吸收塔的第一出co2支路出液态低温co2，所述重吸收塔的第二出co2支路连接有所述第二换热器的升温段，所述第二换热器的升温段出口与所述鼓风机的第二出气支路并入所述第一换热器的升温段；所述重吸收塔的顶部含氮不凝气出口依次连接有所述第三换热器的升温段和所述变压吸附除氮系统；
10.所述空分系统的出口、所述变压吸附除氮系统的出口以及所述第一换热器的升温段出口并入所述烟气预冷系统的升温段进口，所述烟气预冷系统的升温段出口与燃料并入
所述锅炉及燃烧器系统中。
11.作为本发明的进一步改进，还包括：第二空冷器；
12.所述第二空冷器连接在所述压缩机与所述第二换热器的降温段之间。
13.作为本发明的进一步改进，还包括：第二分离器和分子筛吸附塔；
14.所述第二分离器和所述分子筛吸附塔依次设置在所述第三换热器的降温段与所述制冷单元之间。
15.作为本发明的进一步改进，还包括：第四换热器和j-t节流制冷阀；
16.所述重吸收塔的第一出co2支路与所述第四换热器的降温段相连，所述第四换热器的降温段出口出液态低温co2；所述重吸收塔的第二出co2支路依次连接有所述j-t节流制冷阀、所述第四换热器的升温段和所述第二换热器的升温段。
17.本发明还公开了一种烟气再循环无氮燃烧耦合二氧化碳捕集工艺方法，包括：
18.空分系统出口的富氧空气、变压吸附除氮系统出口的高浓度co2和第一换热器出口的再循环烟气形成的混合助燃气在烟气预冷系统内与烟气换热升温后，与燃料一起进入锅炉及燃烧器系统；
19.燃料与升温后的混合助燃气在锅炉及燃烧器系统内对被加热介质进行加热，燃料燃烧后产生的烟气在烟气预冷系统内与混合助燃气换热预冷；
20.预冷后的烟气依次进入第一换热器内换热降温、第一空冷器内空冷降温和第一分离器内气液分离，气液分离后的气相由鼓风机抽出并一次增压；
21.一次增压后的一部分气体进入压缩机内二次增压，二次增压后的高温烟气依次进入第二空冷器内空冷降温、第二换热器内换热降温、第三换热器内换热降温、第二分离器内气液分离、分子筛吸附塔内脱除烟气中饱和水；
22.脱水后的烟气进入制冷单元降温，而后低温烟气进入重吸收塔内气液传质分离；分离后的顶部含氮不凝气依次进入第三换热器内换热升温、变压吸附除氮系统内除氮，得到用于作为混合助燃气的高浓度co2；分离后的底部液态co2经塔底再沸器后分成两股，其中一股进入j-t节流制冷阀内节流降温，节流降温后的co2依次进入第四换热器内换热升温、第二换热器内换热升温后，与一次增压后的另一部分气体混合后进入第一换热器内换热升温，得到用于作为混合助燃气的再循环烟气；另一股液态co2进入第四换热器内换热降温，而后将液态低温co2作为副产品外输。
23.作为本发明的进一步改进，还包括：
24.第一分离器分离后的液相、第二分离器分离后的液相和分子筛吸附塔吸附的液相进入水处理系统。
25.作为本发明的进一步改进，
26.在烟气预冷系统内，烟气由150℃～180℃降温至110℃～130℃；
27.在第一换热器内，烟气降温至85℃～105℃；
28.在第一空冷器内，烟气降温至30℃～40℃；
29.在第二空冷器内，烟气降温至30℃～40℃；
30.在第三换热器内，烟气降温至20℃～25℃；
31.在制冷单元内，烟气降温至-30℃～-25℃。
32.作为本发明的进一步改进，
33.在鼓风机内，一次增压至8kpag；
34.在压缩机内，二次增压至3mpag。
35.作为本发明的进一步改进，在分子筛吸附塔内，脱水后的烟气中的含水量低于0.1％。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
37.本发明采用富氧燃烧的方式，可以提高锅炉的燃烧效率，并通过烟气循环冷却设备增加烟气中的co2浓度，提高co2的捕集和回收效率，达到零碳排放的同时产出co2副产品，利于碳中和目标的实现并能提高企业经济效益。
附图说明
38.图1为本发明一种实施例公开的烟气再循环无氮燃烧耦合二氧化碳捕集工艺系统的结构示意图。
39.图中：
40.1-1、空分系统；1-2、变压吸附除氮系统；2、烟气预冷系统；3-1、第一换热器；3-2、第二换热器；3-3、第三换热器；3-4、第四换热器；4-1、第一空冷器；4-2、第二空冷器；5-1、第一分离器；5-2、第二分离器；6、鼓风机；7、压缩机；8、分子筛吸附塔；9、制冷单元；10、重吸收塔；11、j-t节流制冷阀；12、锅炉及燃烧器系统；a、被加热介质；b、水；c、氮气。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
43.如图1所示，本发明提供一种烟气再循环无氮燃烧耦合二氧化碳捕集工艺系统，其特征在于，包括：空分系统1-1、变压吸附除氮系统1-2、烟气预冷系统2、第一换热器3-1、第二换热器3-2、第三换热器3-3、第四换热器3-4、第一空冷器4-1、第二空冷器4-2、第一分离器5-1、第二分离器5-2、鼓风机6、压缩机7、分子筛吸附塔8、制冷单元9、重吸收塔10、j-t节流制冷阀11和锅炉及燃烧器系统12；其中，
44.空分系统1-1、变压吸附除氮系统1-2、第一换热器3-1、烟气预冷系统2和锅炉及燃烧器系统12构成富氧燃烧单元，富氧燃烧单元用于提高助燃气体中氧气的含量，富氧燃烧能充分发挥燃料的性能，降低不完全燃烧造成的热量损失，提高锅炉热效率，同时为co2的再循环提供充足的燃料热值裕量。
45.变压吸附除氮系统1-2、烟气预冷系统2、第一换热器3-1、第二换热器3-2、第三换热器3-3、第四换热器3-4、第一空冷器4-1、第二空冷器4-2、第一分离器5-1、第二分离器5-2、鼓风机6和压缩机7构成烟气再循环单元，烟气再循环单元是指烟气经过二氧化碳捕集系统捕集的co2在锅炉燃烧器助燃气体风道上游与空分系统来富氧空气混合，再经燃烧器进入炉膛与燃料进行燃烧；其主要功能是可以减少的no
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生成，co2作为稀释剂可以更有效地降低no
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浓度，同时降低过量空气系数，提高燃烧效率。同时，为避免由于烟气再循环在燃烧器
内引入一部分低温循环气降低烟气炉膛内温度，改变炉膛与各受热面之间的热量分配，对锅炉效率产生影响，在整个循环烟气过程中设置多个换热器进行多级换热器，在提高循环温度的同时降低排烟的温度，减少烟气脱水设备的负荷。
46.第二分离器5-2、分子筛吸附塔8、制冷单元9、重吸收塔10、j-t节流制冷阀11和第四换热器3-4构成co2提纯单元，co2提纯单元用于对烟气进行深度脱水，将深度脱水后的co2进一步的降温液化，并通过吸收塔内的吸附传质分离，提高液相co2浓度，得到符合商品标准的co2产品。
47.具体的：
48.本发明的空分系统1-1的进口置于空气中或连接空气源，空分系统1-1的出口、变压吸附除氮系统1-2的出口以及第一换热器3-1的升温段出口并入烟气预冷系统2的升温段进口，烟气预冷系统2的升温段出口与燃料并入锅炉及燃烧器系统12中。
49.本发明的锅炉及燃烧器系统12的烟气出口沿烟气的流动方向依次连接有烟气预冷系统2的降温段、第一换热器3-1的降温段、第一空冷器4-1、第一分离器5-1和鼓风机6，鼓风机6的第一出气支路沿烟气的流动方向依次连接有压缩机7、第二空冷器4-2、第二换热器3-2的降温段、第三换热器3-3的降温段、第二分离器5-2、分子筛吸附塔8、制冷单元9和重吸收塔10。
50.本发明的重吸收塔10的第一出co2支路与第四换热器3-4的降温段相连，第四换热器3-4的降温段出口出液态低温co2；重吸收塔10的第二出co2支路依次连接有j-t节流制冷阀11、第四换热器3-4的升温段和第二换热器3-2的升温段，第二换热器3-2的升温段出口与鼓风机6的第二出气支路并入第一换热器3-1的升温段；重吸收塔10的顶部含氮不凝气出口依次连接有第三换热器3-3的升温段和变压吸附除氮系统1-2。
51.如图1所示，本发明提供一种烟气再循环无氮燃烧耦合二氧化碳捕集工艺方法，包括：
52.步骤1、空分系统1-1出口的富氧空气、变压吸附除氮系统1-2出口的高浓度co2和第一换热器3-1出口的再循环烟气形成的混合助燃气在烟气预冷系统2内与锅炉烟气换热升温后，与燃料一起进入锅炉及燃烧器系统12内燃烧；其中，空分系统1-1利用其高效能的固体吸附剂对氮和氧的选择性吸附性能把空气中的氮和氧分离，分离出来的氧浓度在90％以上。
53.步骤2、燃料与升温后的混合助燃气在锅炉及燃烧器系统12内对被加热介质a进行加热，燃料燃烧后产生的锅炉烟气在烟气预冷系统2内与混合助燃气换热预冷；其中，锅炉烟气在烟气预冷系统2内由150℃～180℃降温至110℃～130℃，烟气预冷系统2能加热混合助燃气体,促进助燃剂与燃料预混,提高燃烧效率，同时可以预冷烟气，充分利用能量，降低后续设备负荷，提高经济效益。
54.步骤3、预冷后的烟气依次进入第一换热器3-1内换热降温、第一空冷器4-1内空冷降温和第一分离器5-1内气液分离，气液分离后的气相由鼓风机6抽出并一次增压；其中，烟气在第一空冷器4-1内降温至30℃～40℃，此时烟气中的部分饱和水冷凝析出，在第一分离器5-1中进行气液分离，分离出的液相(水b)统一去水处理系统，鼓风机6将气相抽出并增压至8kpag。
55.步骤4、一次增压后的一部分气体进入压缩机7内二次增压，二次增压后的高温烟
气依次进入第二空冷器4-2内空冷降温、第二换热器3-2内换热降温、第三换热器3-3内换热降温、第二分离器5-2内气液分离、分子筛吸附塔8内脱除烟气中饱和水；其中，在第二空冷器4-2内，烟气降温至30℃～40℃；在第三换热器3-3内，烟气降温至20℃～25℃；在压缩机7内，二次增压至3mpag；在分子筛吸附塔8内，脱水后的烟气中的含水量低于0.1％，为下一步的烟气冷却提纯阶段提供保障；第二分离器5-2分离的大量冷凝水b和分子筛吸附塔8吸附的饱和水b进入水处理系统。
56.步骤5、脱水后的烟气进入制冷单元9降温，而后低温烟气进入重吸收塔10内气液传质分离；其中，在制冷单元9内，烟气降温至-30℃～-25℃。
57.步骤6、气液传质分离后的顶部含氮不凝气依次进入第三换热器3-3内换热升温、变压吸附除氮系统1-2内除氮气c，得到用于作为混合助燃气的高浓度co2，回到燃烧器入口继续循环。
58.步骤7、气液传质分离后的底部液态co2经塔底再沸器后分成两股，其中一股进入j-t节流制冷阀11内节流降温，节流降温后的co2依次进入第四换热器3-4内换热升温、第二换热器3-2内换热升温后，与一次增压后的另一部分气体混合后进入第一换热器3-1内换热升温，得到用于作为混合助燃气的再循环烟气，回到燃烧器入口继续循环；另一股液态co2进入第四换热器3-4内换热降温，而后将液态低温co2作为副产品外输；其中，一次增压后的另一部分气体回到第一换热器3-1中对锅炉烟气进行换热，同时作为循环气参与燃烧，增加烟气中的co2浓度,提高co2的捕集和回收效率。
59.本发明的优点为：
60.1、本发明在碳捕集过程对烟气进行深度脱水，使得烟气中的含水量大幅降低，保障了后续二氧化碳循环燃烧效率，提高二氧化碳副产品的质量，同时有效降低了变压吸附系统的再生成本；
61.2、本发明采用烟气预冷系统加热助燃气体，促进助燃剂与燃料预混，提高燃烧效率；
62.3、本发明采用烟气循环工艺，增加锅炉内co2浓度，有效解决no
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产生，提高co2捕集效率；
63.4、本发明的锅炉燃烧工艺系统实现了全密闭无no
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及co2排放，利于环境保护及降低温室效应；
64.5、本发明采用烟气深脱水冷却工艺，得到液化co2副产品，提高经济效益。
65.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。