专利名称：一种电厂烟道气脱硫脱碳一体化净化系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电厂烟气处理领域，涉及一种电厂烟道气净化系统，尤其是一种电厂
烟道气脱硫脱碳一体化净化系统。
背景技术：
随着经济的发展和人民生活水平的提高，人类对能源的消费需求急剧增加，由此 带来的温室效应和酸雨等环境问题正在危及人类自身的正常生活。开展从集中排放源中对 烟道气的高效净化技术的基础与应用研究，对于有效减少向大气中的二氧化碳和二氧化硫 排放量，保护人类生存环境，促进可持续发展，具有重大战略意义。从电厂等集中排放点源 减排二氧化碳和二氧化硫是最为有效的减排方法。当前，从集中排放点源净化烟道气主要 分为两步第一步是脱硫，第二步是脱碳。脱硫的主要方法有化学吸收法、物理吸收法和氧 化法。捕集二氧化碳的主要方法有吸收法、吸附法、深冷捕集、膜分离和化学链燃烧法等。其 中，吸收法可分为化学吸收和物理吸收。燃煤电厂等集中点源烟道气净化脱硫和脱碳过程 常采用化学吸收法，存在成本高的问题。因此，围绕化学吸收法净化电厂烟道气的工艺，研 究高效捕集的技术与方法，对于实现二氧化碳和二氧化硫的高效减排，具有重大现实意义。
目前所开发的电厂烟道气净化系统主要有如下几类 (1)燃煤电厂烟道气脱硫系统湿式石灰石-石膏法是常用的烟道气化学吸收法 脱硫中的一种方法。石灰或石灰石的乳浊液是吸收二氧化硫的溶剂。反应生成半水亚硫酸 钙或石膏。该技术脱硫效率较稳定，可达90%以上(Izquierdo J. F. ， Fite' C. ， Cunill F. . Kinetic study of the reactionbetween sulfur dioxide and calcium hydroxide at low temperature in afixed_bed reactor[J]. Journal of Hazardous Materials. 2000 ; 76(1) :113-123.)。缺点是工程造价相对较高，且运行维护的工作量较大。
(2)燃煤电厂烟道气脱碳系统当前对燃煤电厂的烟道气脱碳的方法都在探索之 中，尽管有多种方法，但已实现工业化的例子主要是化学吸收法。此类烟道气净化系统具 有处理量大，稳定性好，反应速率快，溶剂成本低等特点(Alie C. ， Backham L. ， Croiset E. ， Douglas P. L. . Simulation of C02 capture using MEA scrubbing :a flowsheet decompositionmethod. Energy Conversion and Management 2005 ;46(3) :475-487.)。但 是再生二氧化碳过程巨大的能量消耗成为应用此类净化系统的主要缺点。
(3)电厂烟道气分步同时脱硫和脱碳系统有研究人员提出了一种采用氨水 作为吸收剂的烟道气净化系统。此类净化系统具有高效、环保等优势，能够首先在第一 个洗涤器中脱出二氧化硫，接着在第二个洗涤器中脱出二氧化碳，达到分步同时脱硫 和脱碳的目的(Resnik K. P. ， YehJ. T. ， Pennline H. W. Carbon Dioxide C即ture by a Continuous, RegenerativeAmmonia-Based Scrubbing Process[C]. 2006 American Filtration&S印arations Society Topical Conference and Exposition, October 17， 2006. Pittsburgh,PA.)。然而，此类净化系统需要解决氨吸收溶剂吸收过程中凝固，堵塞管 道的问题。同时该系统没有实现一步脱硫脱碳，成本仍然较高。
(4)烟道气余热利用系统此类余热利用系统耦合烟道气热量回收系统和海 水淡化多效蒸馏系统，能够降低海水淡化过程中的能量消耗(Cohen J. ， Janovich I.， Muginstein A..Utilization of waste heat from a fluegases up—stream gas scrubbing system[J] Desalination. 2001 ; 139 (1) :1_6.)。它具有高效、节能、节水等优 点。缺点是需要增加透平等设备，增加了净化系统成本。 (5)烟道气回收二氧化碳分流系统此类净化系统在再生塔中部引出半贫 液，回收95 %的二氧化碳时，其能量消耗降低，可达2. 9GJ/t (Aroonwilas A. ， Veawab A. . Integration of C02 capture unit using single—and blended—amines into supercritical coal—fired power plants :Implicationsfor emission and energy management[J]. International Journal of GreenhouseGas Control.2007. 1 (2): 143-150.)。缺点是所需的溶液的量要增加；同时，再生塔的塔高要增加，成本增加，存在成 本与能量之间的优化问题。 综上所述，由于各种缺陷，现有的电厂烟道气净化系统在系统设计、节能、环保等 方面还有很大的开发空间，还不能有效实现节能、低成本等目标。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电厂烟道气脱硫脱碳一体 化净化系统，该系统能基于烟道气余热可利用和压縮机级间冷却热可回收的优点，结合胺 基化学吸收法捕集二氧化碳适合大流量，低二氧化碳分压的优势，利用填料塔实现气液反 应；这种系统具有结构简单、节能、一体化脱硫脱碳的优势，可有效提高目前烟道气净化系 统的能源利用效率。 本发明的目的是通过以下技术方案来解决的 这种电厂烟道气脱硫脱碳的一体化净化系统，包括烟道气余热利用系统、捕集二 氧化碳和二氧化硫系统和压縮机级间冷却热量利用系统，所述烟道气余热利用系统、捕集 二氧化碳和二氧化硫系统和压縮机级间冷却热量利用系统通过管道连接为一体化净化系 统；所述电厂烟道气经管道进入烟道气余热利用系统交换热量后经管道进入所述捕集二氧 化碳和二氧化硫系统，所述捕集二氧化碳和二氧化硫系统利用醇胺溶液反应吸收电厂烟道 气中的二氧化硫和二氧化碳，并将产生的二氧化碳气体和富液分别通过管道输送给压縮机 级间冷却热量利用系统，所述压縮机级间冷却热量利用系统压縮二氧化碳并使压縮后的二 氧化碳与从捕集二氧化碳和二氧化硫系统来的富液进行热交换，热交换后的富液经过管道 回到捕集二氧化碳和二氧化硫系统中；所述烟道气余热利用系统中的电厂烟道气与捕集二 氧化碳和二氧化硫系统中的贫液进行热交换。 上述烟道气余热利用系统包括富液预热器和再沸器前置换热器；所述捕集二氧化 碳和二氧化硫系统包括吸收塔、再生塔、贫富液换热器、第一冷凝器、第二冷凝器、富液循环 泵、贫液循环泵、气液分离罐和再沸器；所述压縮机级间冷却热量利用系统由压縮机、级间 换热器和级间冷凝器通过管道连接而成的四级压縮换热装置以及分流器和混合器组成；
上述再沸器前置换热器的管程出口与富液预热器的管程进口连接，富液预热器的 管程出口与吸收塔的气体入口连接，吸收塔下端的富液出口与富液预热器的壳程入口连 接，富液预热器的壳程出口通过富液循环泵与贫富液换热器的管程入口连接，贫富液换热器的壳程出口通过第一冷凝器与吸收塔的贫液入口连接，贫富液换热器的管程出口与分流
器的入口连接，贫富液换热器的壳程入口与贫液循环泵的出口连接，贫液循环泵的入口与
再生塔底部的贫液出口连接；再生塔的蒸汽入口与再沸器的出口连接，再沸器的入口与再
沸器前置换热器的壳程出口连接，再沸器前置换热器的壳程入口与再生塔的贫液出口连
接；再生塔的上方与第二冷凝器和气液分离罐通过管道连接为气液分离回路，气液分离罐
的气体出口与压縮机的进气口连接；再生塔的富液入口与混合器的出口连接。 上述贫液循环泵的进口侧设有阀，阀的一端与双极膜电解装置连接。 上述吸收塔和再生塔均为填料塔，填料塔中的吸收溶剂为乙醇胺溶液。 上述贫富液换热器和第一冷凝器均为不锈钢管壳式。 上述富液循环泵和贫液循环泵均采用防腐蚀的氟塑料泵。 本发明具有以下有益效果 该系统采用吸收塔内的二氧化碳和二氧化硫与乙醇胺溶液吸收反应系统为整个 系统的核心基础部分。利用高温烟道气在再沸器前置换热器中加热再生液，减少了再生过 程蒸汽的消耗量。并且低温烟道气在富液预热器中加热流出吸收塔底部的富液，提升了进 入再生塔的富液温度，降低了再生过程显热的需求量。本发明同时利用了烟道气余热和压 縮机级间热，将脱硫和脱碳一体化进行，具有清洁、高效、节能、脱硫脱碳率高等特点。并且 对废热利用技术与二氧化碳捕集技术和二氧化硫回收技术耦合运用的研究有促进作用。
图1为本发明的设备连接示意图； 图2为本发明的乙醇胺脱硫脱碳一体化原理示意图。 其中I-烟道气余热利用系统；II-捕集二氧化碳二氧化硫系统；III-压縮机级 间冷却热量利用系统；1-吸收塔；2_富液循环泵；3-贫富液换热器；4_贫液循环泵；5_再 沸器；6-再生塔；Cl-第一冷凝器；C2-第二冷凝器；C3 C6-级间冷凝器；SC3 SC6-级 间换热器；SCl-富液预热器；SC2_再沸器前置换热器；CP1 CP4-压縮机；Di-分流器； Mix-混合器；BMED-双极膜电解；Sp-气液分离罐；V-阀。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述 参见图l，本系统包括3部分组成，分别是烟道气余热利用系统1、捕集二氧化碳
和二氧化硫系统II和压縮机级间冷却热量利用系统III。其中烟道气余热利用系统1、捕 集二氧化碳和二氧化硫系统II和压縮机级间冷却热量利用系统III通过管道连接为一体
化净化系统；电厂烟道气经管道进入烟道气余热利用系统I交换热量后经管道进入捕集二
氧化碳和二氧化硫系统II，捕集二氧化碳和二氧化硫系统II利用醇胺溶液反应吸收电厂 烟道气中的二氧化硫和二氧化碳，并将产生的二氧化碳气体和富液分别通过管道输送给压 縮机级间冷却热量利用系统III，压縮机级间冷却热量利用系统III压縮二氧化碳并使压 縮后的二氧化碳与从捕集二氧化碳和二氧化硫系统II来的富液进行热交换，热交换后的
富液经过管道回到捕集二氧化碳和二氧化硫系统II中；所述烟道气余热利用系统I中的电
厂烟道气与捕集二氧化碳和二氧化硫系统II中的贫液进行热交换。以下具体描述各系统的设备组成以及连接关系 烟道气余热利用系统I :包括富液预热器SCI和再沸器前置换热器SC2。
捕集二氧化碳和二氧化硫系统II :包括吸收塔1、再生塔6、贫富液换热器3、第一
冷凝器Cl、第二冷凝器C2、富液循环泵2、贫液循环泵4、气液分离罐Sp和再沸器5。其中
吸收塔1和再生塔6均为填料塔，填料塔中的吸收溶剂为乙醇胺溶液MEA。贫富液换热器3
和第一冷凝器Cl均采用不锈钢管壳式。富液循环泵2和贫液循环泵4均采用防腐蚀的氟
塑料泵。 压縮机级间冷却热量利用系统III :由压縮机CP1-CP4、级间换热器SC3-SC6和级 间冷凝器C3-C6通过管道连接而成的四级压縮换热装置以及分流器Di和混合器Mix组成。
以上各设备分别通过管道相互连接，具体连接为再沸器前置换热器SC2的管程 出口与富液预热器SC1的管程进口连接，富液预热器SC1的管程出口与吸收塔l的气体入 口 B连接，吸收塔1下端的富液出口 C与富液预热器SC1的壳程入口连接，富液预热器SC1 的壳程出口通过富液循环泵2与贫富液换热器3的管程入口连接，贫富液换热器3的壳程 出口通过第一冷凝器Cl与吸收塔1的贫液入口 A连接，贫富液换热器3的管程出口与分流 器Di的入口连接，贫富液换热器3的壳程入口与贫液循环泵4的出口连接，贫液循环泵4 的入口与再生塔6底部的贫液出口连接；再生塔6的蒸汽入口 E与再沸器5的出口连接，再 沸器5的入口与再沸器前置换热器SC2的壳程出口连接，再沸器前置换热器SC2的壳程入 口与再生塔6的贫液出口连接；再生塔6的上方与第二冷凝器C2和气液分离罐Sp通过管 道连接为气液分离回路(即第二冷凝器C2的进口通过管道接于再生塔6顶端，第二冷凝器 C2的出口通过管道与气液分离罐Sp的气液混合进口连接，气液分离罐Sp的液体出口与再 生塔6上端的液体进口连接)，气液分离罐Sp的气体出口与压縮机CP1的进气口连接；再 生塔6的富液入口 D与混合器Mix的出口连接。如图1中所示，在压縮机级间冷却热量利 用系统III中，四个压縮机CP1-CP4、四个级间换热器SC3-SC6和四个级间冷凝器C3-C6通 过管道采用常用的四级连接方式，分流器Di的出口通过管道分别与四个级间冷凝器C3-C6 的管程入口连接，四个级间冷凝器C3-C6的管程出口汇集后与混合器Mix的入口连接。所 述贫液循环泵4的进口侧还设有阀V，阀V的一端与双极膜电解装置BMED连接。
综上所述，烟道气余热利用系统I回收电厂烟道气的能量，提升进入再沸器5的 再生液温度，减少蒸汽消耗量。压縮机级间冷却热量利用系统III则是利用四个压縮机 CP1-CP4压縮二氧化碳至所需高压时的热量从而通过四个级间换热器SC3-SC6加热富液， 减少富液在再生塔6中再生时的显热需求量。这两部分系统使整个烟道气净化系统达到节 能的要求。在捕集二氧化碳和二氧化硫系统II的吸收塔1中同时利用醇胺溶液反应吸收 二氧化硫和二氧化碳(如图2所示)，达到一体化脱硫脱碳的目的。下面详细阐述这三系统 耦合的电厂脱出二氧化碳和二氧化硫的工作原理与工作流程。
本发明的工作过程如下 电厂的烟道气经过烟道气余热利用系统I中再沸器前置换热器SC2的管程加热再 沸器前置换热器SC2壳程中的再生液，回收烟道气高温部分热量，温度降低的烟道气流入 富液预热器SC1的管程加热从吸收塔1富液出口管C流出的富液之后通过吸收塔1气体入 口 B进入吸收塔1被分离脱除其中的二氧化碳和二氧化硫(原理如图2所示)，反应后的富 液从吸收塔1底部富液出口 C流出经过富液预热器SC1的壳程吸收热量后由富液循环泵2输送经过贫富液换热器3的管程吸收贫液热量，然后经过分流器Di分成多股支流富液分别 经过压縮机级间冷却热量利用系统III中的级间换热器SC3-SC6的壳程，富液吸收压縮机 级间热量之后，再由混合器Mix混合后通过再生塔6的富液入口 D流入再生塔6，其中乙醇 胺碳酸盐溶液由再沸器5产生的蒸汽通过蒸汽入口 E进入再生塔6提供热量再生，而乙醇 胺硫酸盐则是在打开阀V之后通过双极膜电解BMED再生，再生后的乙醇胺溶液通过贫液循 环泵4流入贫富液换热器3的壳程，贫液在第一冷凝器C1的壳程中经过其管程中的水冷却 之后通过吸收塔l的贫液入口 A流入吸收塔l，完成一个循环。本发明的系统为燃烧后脱出 系统(Post-combustion)，该系统可以连续循环运行。 综上所述，本发明采用吸收塔1内的二氧化碳和二氧化硫与乙醇胺溶液吸收反应 系统为整个系统的核心基础部分。乙醇胺溶液与二氧化碳反应生成乙醇胺碳酸盐溶液，该 过程受烟道气中二氧化硫影响较小，因为二氧化硫含量相对二氧化碳含量非常小。乙醇胺 溶液与二氧化硫的反应主要基于乙醇胺、二氧化硫、氧气和水之间发生的乙醇胺溶液的氧 化降解原理，最终反应产物为乙醇胺硫酸盐溶液(如图2所示)。
权利要求
一种电厂烟道气脱硫脱碳的一体化净化系统，包括烟道气余热利用系统(I)、捕集二氧化碳和二氧化硫系统(II)和压缩机级间冷却热量利用系统(III)，其特征在于所述烟道气余热利用系统(I)、捕集二氧化碳和二氧化硫系统(II)和压缩机级间冷却热量利用系统(III)通过管道连接为一体化净化系统；所述电厂烟道气经管道进入烟道气余热利用系统(I)交换热量后经管道进入所述捕集二氧化碳和二氧化硫系统(II)，所述捕集二氧化碳和二氧化硫系统(II)利用醇胺溶液反应吸收电厂烟道气中的二氧化硫和二氧化碳，并将产生的二氧化碳气体和富液分别通过管道输送给压缩机级间冷却热量利用系统(III)，所述压缩机级间冷却热量利用系统(III)压缩二氧化碳并使压缩后的二氧化碳与从捕集二氧化碳和二氧化硫系统(II)来的富液进行热交换，热交换后的富液经过管道回到捕集二氧化碳和二氧化硫系统(II)中；所述烟道气余热利用系统(I)中的电厂烟道气与捕集二氧化碳和二氧化硫系统(II)中的贫液进行热交换。
2. 根据权利要求1所述的电厂烟道气脱硫脱碳的一体化净化系统，其特征在于所述烟道气余热利用系统(I)包括富液预热器(SCI)和再沸器前置换热器(SC2);所述捕集二氧化碳和二氧化硫系统ai)包括吸收塔a)、再生塔(e)、贫富液换热器(3)、第一冷凝器(Cl)、第二冷凝器(C2)、富液循环泵(2)、贫液循环泵(4)、气液分离罐(Sp)和再沸器(5); 所述压縮机级间冷却热量利用系统(III)由压縮机(CP1-CP4)、级间换热器(SC3-SC6)和级 间冷凝器(C3-C6)通过管道连接而成的四级压縮换热装置以及分流器(Di)和混合器(Mix) 组成。
3. 根据权利要求1所述的电厂烟道气脱硫脱碳的一体化净化系统，其特征在于所述 再沸器前置换热器(SC2)的管程出口与富液预热器(SC1)的管程进口连接，富液预热器 (SC1)的管程出口与吸收塔(1)的气体入口 (B)连接，吸收塔(1)下端的富液出口 (C)与富 液预热器(SC1)的壳程入口连接，富液预热器(SC1)的壳程出口通过富液循环泵(2)与贫 富液换热器(3)的管程入口连接，贫富液换热器(3)的壳程出口通过第一冷凝器(Cl)与吸 收塔(1)的贫液入口 (A)连接，贫富液换热器(3)的管程出口与分流器(Di)的入口连接， 贫富液换热器(3)的壳程入口与贫液循环泵(4)的出口连接，贫液循环泵(4)的入口与再 生塔(6)底部的贫液出口连接；再生塔(6)的蒸汽入口 (E)与再沸器(5)的出口连接，再沸 器(5)的入口与再沸器前置换热器(SC2)的壳程出口连接，再沸器前置换热器(SC2)的壳 程入口与再生塔(6)的贫液出口连接；再生塔(6)的上方与第二冷凝器(C2)和气液分离罐 (Sp)通过管道连接为气液分离回路，气液分离罐(Sp)的气体出口与压縮机(CP1)的进气口 连接；再生塔(6)的富液入口 (D)与混合器(Mix)的出口连接。
4. 根据权利要求3所述的电厂烟道气脱硫脱碳的一体化净化系统，其特征在于所述 贫液循环泵(4)的进口侧设有阀(V)，阀(V)的一端与双极膜电解装置(BMED)连接。
5. 根据权利要求3所述的电厂烟道气脱硫脱碳的一体化净化系统，其特征在于所述 吸收塔(1)和再生塔(6)均为填料塔，填料塔中的吸收溶剂为乙醇胺溶液(MEA)。
6. 根据权利要求3所述的电厂烟道气脱硫脱碳的一体化净化系统，其特征在于所述 贫富液换热器(3)和第一冷凝器(Cl)均为不锈钢管壳式。
7. 根据权利要求3所述的电厂烟道气脱硫脱碳的一体化净化系统，其特征在于所述 富液循环泵(2)和贫液循环泵(4)均采用防腐蚀的氟塑料泵。
全文摘要
本发明公开了一种电厂脱硫脱碳一体化净化系统，包括烟道气余热利用系统、捕集二氧化碳和二氧化硫系统、压缩机级间冷却热量利用系统三部分。烟道气余热利用系统将电厂烟道气的一部分热量用于加热再生液，减少热再生过程蒸汽消耗量；另一部分热量加热吸收塔出口富液。捕集二氧化碳和二氧化硫系统由吸收塔和再生塔，辅以泵和换热器，完成二氧化碳和二氧化硫的吸收和再生过程。过程中采用常规的乙醇胺作为吸收剂。二氧化碳和二氧化硫同时在吸收塔中脱除。压缩机级间冷却热量通过加热富液进行回收利用，降低热再生过程显热需求量。本发明同时利用了烟道气余热和压缩机级间热，将脱硫和脱碳一体化进行，具有清洁、高效、节能、脱硫脱碳率高等特点。
文档编号B01D53/50GK101703880SQ20091021872
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月2日 优先权日2009年11月2日
发明者余云松, 卢红芳, 姜钧, 张早校, 李云, 李青 申请人:西安交通大学