一种面向燃气机组热电冷三联产系统的CO2捕捉方法与流程

本发明将钙循环工艺和热电冷联产系统进行耦合，利用钙循环工艺实现热电冷联产系统的零碳排放，同时又获得了高浓度的可供压缩储存的CO₂、N₂，属于能源技术与环境保护技术交叉领域。

背景技术：

热电冷联产系统是一种建立在能源梯级利用概念基础上，首先利用燃气高品位热能在原动机中做功发电，再利用原动机发电所产生的废热进行供热、除湿或驱动吸收机制冷。利用废热制冷，减少了夏季电力空调的需求，对消减夏季电力峰值可进一步起到积极作用。但是在热电冷联产系统中，天然气等气态燃料的燃烧会排放大量CO₂，对生态环境造成了严重的破坏。

碳捕捉与封存技术(CCS)是目前公认的降低全球CO₂浓度最为有效的方法。其中，钙循环工艺因为钙基吸收剂价格便宜、资源丰富等优点受到了全球的广泛关注。其工艺流程主要包括：钙基吸收剂进入煅烧反应器煅烧，分解生成CaO与CO₂，生成的CO₂浓度可以达到95％以上，压缩后可以直接回收用于封存；生成的CaO进入碳酸化反应器内捕集烟气中的CO₂，烟气中CO₂浓度可以降低至5％以下，生成的CaCO₃返回煅烧反应器进行煅烧再生，如此反复循环，实现CO₂减排目的。在运行过程中，适时补充新鲜的钙基吸收剂和排出部分失活的吸收剂可以实现整个系统的连续稳定运行。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种面向燃气机组热电冷三联产系统的CO₂捕捉方法，以热电冷联产系统作为基础，在此基础上耦合了钙循环工艺，实现了热电冷联产系统的零碳排放，同时还获得了高浓度的可供压缩储存的CO₂和N₂。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种面向燃气机组热电冷三联产系统的CO₂捕捉方法，该方法包括压气机、燃气轮机或内燃机、发电机、碳酸化反应器、膨胀机、余热锅炉、热交换器A、热交换器B、吸收式制冷机组、煅烧反应器、空气分离器、热交换器C、压缩机A、热交换器D、压缩机B、热交换器E、压缩机C、单向控制阀A、单向控制阀B、单向控制阀C、单向控制阀D；其中，燃气轮机或内燃机的出口与碳酸化反应器的底部连接，用于将燃气轮机或内燃机产生的富含大量CO₂的燃气通入碳酸化反应器中，进而脱除燃气中CO₂。具体步骤如下：

步骤一.将空气送入压气机内，压缩至指定压力后送入燃气轮机或内燃机中，压缩后的空气在燃气轮机或内燃机中与喷入的天然气混合燃烧，形成高温高压的燃气，燃气膨胀做功，推动叶轮旋转，进而带动发电机发电；

步骤二.当高温高压的燃气在燃气轮机或内燃机中经膨胀做功温度降低至650～700℃时，将这部分仍然带有一定压力的燃气送入碳酸化反应器中，反应器中装有煅烧后的钙基吸收剂，此时在碳酸化反应器中，煅烧后的钙基吸收剂中的主要成分CaO与燃气中的CO₂反应，生成CaCO₃，从而脱除了燃气中的CO₂；

步骤三.碳酸化后的钙基吸收剂经单向控制阀C送入煅烧反应器中煅烧再生，空气分离器产生的纯氧与天然气在煅烧反应器内混合燃烧，提供煅烧钙基吸收剂所需的热量；

步骤四.煅烧后的钙基吸收剂经单向控制阀D又重新回到碳酸化反应器中，实现一个完整的循环；多次循环后失活的钙基吸收剂从煅烧反应器的排渣口排出，同时加入适量新鲜的钙基吸收剂；

步骤五.煅烧钙基吸收剂释放的CO₂和天然气燃烧生成的CO₂经过热交换器C释放出热量后，依次进入压缩机A、压缩机B、压缩机C进行多级压缩后储存；其中，热交换器D、热交换器E分别对前级压缩后的CO_２气流进行冷凝除水和降低温度；

步骤六.在碳酸化反应器中脱除CO₂后的燃气继续送入膨胀机内膨胀做功，带动步骤五中所提及的多级压缩机组压缩CO_２气流；在膨胀机内做完功后的燃气送入余热锅炉进行余热回收，加热水蒸气，经余热锅炉后的燃气送入热交换器A中，经冷凝除水后，热交换器A出口可以得到高浓度的N₂；

步骤七.余热锅炉产生的水蒸气一部分通过单向控制阀A进入热交换器B，经热交换器B调节温度后作为热源进行供暖，剩余的水蒸气通过单向控制阀B送入吸收式制冷机组，为工质再生提供热量。

其中：

步骤一中所提及的燃气轮机或内燃机可以用其他具有相同功效的设备代替，并不仅局限于燃气轮机和内燃机这两种形式。

步骤二中钙基吸收剂为CaCO₃或以CaO/Ca(OH)₂/CaCO₃为主要成分的天然矿物或废弃物。碳酸化反应器中，反应温度为650～700℃，反应压力由进入碳酸化反应器内的燃气的压力决定，燃气压力会随燃气轮机或内燃机型号不同而有所区别，但通常高于常压。

步骤三中煅烧钙基吸收剂所需要的温度为900～950℃，反应压力为常压。空气分离器提供煅烧反应器中天然气燃烧所需要的纯氧，同时可以得到高浓度的N₂。步骤三、步骤四中钙基吸收剂在碳酸化反应器和煅烧反应器中的循环分别可以通过两级锁气系统实现。

步骤五中对于热交换器C出口的CO₂并不限制为三级压缩，可以根据所需CO₂的压力采取合适的压缩级数。

步骤七中可以通过控制单向控制阀A和单向控制阀B的开度，从而控制制冷负荷和供暖负荷。

有益效果：

1.可以同时获得供热、制冷、发电、CO₂和N₂五种收益，充分实现了能源的梯级利用；

2.整个系统实现了CO₂的零排放，有利于缓解温室效应；

3.多次循环后失活的钙基吸收剂可以作为水泥生产厂的原料，进而提高整个系统的经济性。

附图说明

图1为实施例示意图。

图2为一种面向燃气机组热电冷三联产系统的CO₂捕捉方法的示意图。

图中有：压气机1、燃气轮机或内燃机2、发电机3、碳酸化反应器4、膨胀机5、余热锅炉6、热交换器A7、单向控制阀A8、热交换器B9、单向控制阀B10、吸收式制冷机组11、单向控制阀C12、煅烧反应器13、单向控制阀D14、空气分离器15、热交换器C16、压缩机A17、热交换器D18、压缩机B19、热交换器E20、压缩机C21。

具体实施方式

实施例

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均处于本发明的保护范围之中。

一种面向燃气机组热电冷三联产系统的CO₂捕捉方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一.将空气引入压气机中，压缩至指定压力后通入燃气轮机中和喷入的天然气混合燃烧，产生高温高压的燃气。本实施例中燃烧装置选用燃气轮机，产生的燃气温度和压力分别为852℃和0.98MPa。燃气在燃气轮机中膨胀做功，带动发电机发电。为保证碳酸化炉中钙基吸收剂处于脱除CO₂的最佳温度，本发明中燃气轮机排气温度选定为650℃。经计算，此时燃气轮机排气压力对应为0.44MPa。

步骤二.将燃气轮机排出的650℃、0.44MPa的燃气通入碳酸化炉中，炉中装有煅烧后的钙基吸收剂。燃气中的CO_２和煅烧后的钙基吸收剂发生碳酸化反应，反应方程为CaO+CO₂→CaCO₃，从而脱除了燃气中的CO₂。与此同时，燃气自身带有的压力有利于碳酸化反应的加速进行。

步骤三.碳酸化后的钙基吸收剂送入煅烧炉中进行煅烧反应，反应方程为CaCO₃→CaO+CO₂，。煅烧过后的钙基吸收剂又重新送回碳酸化炉中继续吸收燃气中的CO₂，进而实现钙基吸收剂的循环利用。煅烧炉中反应温度通常为850～950℃，本实施例中设置为950℃。煅烧炉中煅烧CaCO₃的热量来源于天然气和纯氧的混合燃烧，其中纯氧由空气分离器制取。空气分离器制取纯氧的同时可以获得N₂，对N₂经过简单处理后即可压缩储存。多次循环后失活的钙基吸收剂从煅烧炉的排渣口排出，同时添加适量新鲜的钙基吸收剂，从而保证碳酸化炉中较高的CO₂脱除效率。

步骤四.在煅烧炉中，煅烧钙基吸收剂释放的CO₂和天然气燃烧生成的CO₂送入热交换器释放出热量后，送入多级压缩机组压缩后储存。本实施例中选用三级压缩机组压缩CO₂，并对单级压缩过后的CO₂气流用热交换器冷凝脱水和降低温度。

步骤五.在碳酸化反应器中脱除CO₂后的燃气继续送入膨胀机内膨胀做功，带动步骤四中所提及的多级压缩机组压缩CO₂气流。在膨胀机内做完功后的燃气送入余热锅炉进行余热回收，加热水蒸气。经余热锅炉后的燃气送入热交换器中，经冷凝除水后，热交换器出口可以得到高浓度的N₂。

步骤六.余热锅炉产生的水蒸气一部分通过单向控制阀经热交换器调节温度后作为热源进行供暖。剩余的水蒸气通过单向控制阀送入吸收式制冷机组，为工质再生提供热量。