一种低能耗二氧化碳捕集及封存技术和系统的制作方法

本发明属于燃煤电厂烟气二氧化碳捕集以及电厂节能降耗技术领域，涉及一种二氧化碳的捕集及封存系统，更具体地说，是涉及一种高效低能耗的烟气二氧化碳捕集及封存系统。

背景技术：

现有的碳捕集与封存方式主要分为：燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集。燃烧前捕集技术是将高碳化石燃料在其燃烧之前分离二氧化碳的碳捕集方式，其典型系统如整体煤气化联合循环，其分离二氧化碳的过程主要分为两步：1)高碳化石能源在氧气充足的环境下转化为氢气和二氧化碳；2)将氢气和二氧化碳分离，以氢气为燃料，所得产物主要为水，清洁无污染。然而这种清洁无污染的燃烧前碳捕集方式，初期投入过大，工艺过于复杂，技术可靠性不高，限制了其大规模工业应用。

富氧燃烧捕集主要方式是通过将空气中的氮气分离形成富氧的燃烧环境，高碳化石能源在这样的环境下充分燃烧，则产生的尾气主要为二氧化碳，然后进行封存。虽然富氧燃烧捕集技术工艺简单，但是由于富氧燃烧捕集技术中的纯氧环境制造非常困难，此过程投资较大，限制了其应用。

燃烧后捕集技术是直接传统大型燃煤电站烟气出口处捕集二氧化碳再进行储存和利用的碳捕集方式。由于燃烧后捕集技术对大型燃煤电站的改造较小，因此是公认的最有可能实现商业化应用的碳捕集方式。然而燃烧后捕集技术能耗较高，限制了其商业应用。因此如何降低燃烧后捕集技术的脱碳能耗成为了国内外研究的重点。

目前国内外提出了多种燃烧后捕集的方式：水合物分离技术(如中国专利申请cn201710252686.7等)、物理吸收法(如中国专利申请cn201110140000.8等)、化学吸收法(如中国专利申请cn201711360255.9等)、膜分离技术(如中国专利申请cn201810108522.1等)、低温分离技术(如中国专利申请cn201810037835.2等)、光催化还原二氧化碳(如中国专利申请cn201620778801.5等)等。低温分离技术的工作原理是将混合气体进行冷却压缩，然后经过蒸馏达到气体分离的效果。然而由于大型燃煤电站尾部烟气的二氧化碳含量降低，现有的低温分离技术效率相对较低，投资和能耗高，还无法用于大型燃煤电站的碳捕集系统。

技术实现要素：

针对现有燃烧后二氧化碳捕集技术所存在的能耗较高、效率较低、投资较大等缺点和不足，本发明旨在提供一种高效低能耗的烟气二氧化碳捕集及封存系统，该系统基于高压液化分离原理，将烟气压缩与膨胀功回收、回热器余热回收相结合，最大限度地节省功耗；同时通过与储能、蓄热系统相结合，起到电厂调峰的功能，达到一投多用，削减单位初投资成本；此外，该系统还可以提供低温脱除二氧化碳所需的冷源，进一步减少功耗，提高效率。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种低能耗二氧化碳捕集及封存系统，包括热回收换热器、脱硫脱硝塔、压缩机组、膨胀机组、气液分离装置和烟囱，

其中，

所述压缩机组包括若干级压缩机，相邻两级压缩机的排气口与进气口之间通过管路连通，且每一级压缩机的排气管路上均设置有一级间冷回热器，各级压缩机的排气通过对应级的所述间冷回热器的热侧后释放热量，

所述膨胀机组包括若干级膨胀机，相邻两级膨胀机的排气口与进气口之间通过管路连通，每一级膨胀机的排气管路均通过一对应的所述间冷回热器的冷侧后与其下游部件连通，

其特征在于，

所述热回收换热器的热侧入口通入中高温烟气，

所述热回收换热器的热侧出口通过管路与所述脱硫脱硝塔的低温烟气进口连通，

所述脱硫脱硝塔的烟气出口通过管路与第一级压缩机的进气口连通，第一级压缩机的排气口经第一级间冷回热器的热侧后与下一级压缩机的进气口连通，

最后一级压缩机的排气口经最后一级间冷回热器的热侧后与所述气液分离装置的进口连通，进入所述气液分离装置中的常温高压气液混合物被分离为液态二氧化碳和脱除二氧化碳的高压气体，所述气液分离装置的排液口与一二氧化碳封存罐连通，

所述气液分离装置的高压气体出口与第一级膨胀机的进气口连通，第一级膨胀机的排气口经最后一级间冷回热器的冷侧后与下一级膨胀机的进气口连通，

最后一级膨胀机的排气口经第一级间冷回热器的冷侧后或经第一级间冷回热器的冷侧和所述热回收换热器的冷侧后，与所述烟囱连通。

本发明的低能耗二氧化碳捕集及封存系统，其工作原理为：燃煤电厂产生的中高温烟气首先通入所述热回收换热器的热侧，释放高温余热给所述热回收换热器后变为低温烟气，之后通入所述脱硫脱硝塔进行脱硫脱硝处理后，温度降为60℃左右，进入压缩机，压缩后通过间冷回热器降温，可以通过多级压缩和间冷，直至让二氧化碳在常温下成为液体，然后进入气液分离装置，分离出的液态二氧化碳得到回收封存，脱除二氧化碳后的高压气体依次进入各级间冷回热器的冷侧和膨胀机做功，膨胀作功后的气体最后经过所述脱硫脱硝塔前的热回收换热器回收烟气热量，达到排放温度后输送到烟囱，排放到大气。

优选地，所述脱硫脱硝塔的烟气出口管路上设有干燥器，所述干燥器用于对所述脱硫脱硝塔排出的烟气进行干燥处理。

优选地，每一级压缩机均与一级膨胀机传动连接，且每一级压缩机均包含一驱动电机。膨胀机与压缩机相连，膨胀机所作的功用于辅助驱动压缩机，可以减少驱动电机功耗。

优选地，所述气液分离装置为气液分离器或分馏塔。

优选地，所述烟囱的进气管路上设置有风机。

优选地，所述气液分离装置的高压气体出口与第一级膨胀机的进气口之间的连通管路上设置一压缩气储罐，各所述间冷回热器为蓄热式间冷器。脱除二氧化碳的高压气体可以暂时存放在所述压缩气储罐中形成储能系统，夜间电力过剩时，用驱动电机压缩烟气，并储存高压气体，白天释放高压气体驱动膨胀机，用于取代驱动电机压缩烟气，或用于驱动其他动力、发电设备，起到调峰作用。对于具有压缩气储罐的系统，膨胀后冷气不能随时供应，各级间冷回热器可以用蓄热式间冷器，压缩时放热，膨胀时取热，不受时间差的限制。

优选地，所述气液分离装置的进口管路上设有一水冷换热器，最后一级膨胀机的排气口经第一级间冷回热器的冷侧后与所述烟气排放塔连通，所述热回收换热器的冷侧与一吸收式冷水机组连通，所述吸收式冷水机组产生的冷水通入所述水冷换热器的冷侧。对于天然气锅炉、夏季运行的锅炉等，烟气可以低温排放，因此排放前可以不进行回热加热，这时脱硫脱硝塔前的中高温烟气余热可用于驱动吸收式冷水机组，制作的冷水通入所述水冷换热器后用于对通入所述气液分离装置中的高压烟气进一步冷却，以提高二氧化碳捕集效果。所述气液分离装置分离的高压气体，可用所述吸收式冷水机组的排热进行加热，以进一步提高膨胀做功能力。

同现有技术相比，本发明的低能耗二氧化碳捕集及封存系统具有显著的技术效果：(1)本系统可将烟气压缩与膨胀功回收、回热器余热回收相结合，最大限度地节省功耗；(2)本系统还可以与储能、蓄热系统相结合，起到电厂调峰的功能，达到一投多用，削减单位初投资成本；(3)本系统还可以提供低温脱除二氧化碳所需的冷源，进一步减少功耗，提高效率。

附图说明

图1为本发明的二氧化碳捕集及封存系统的实施例1的示意图；

图2为本发明的二氧化碳捕集及封存系统的实施例2的示意图；

图3为本发明的二氧化碳捕集及封存系统的实施例3的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1

图1为实施例1的示意图。如图1所示，本发明的低能耗二氧化碳捕集及封存系统，包括热回收换热器1、脱硫脱硝塔2、干燥器3、压缩机组、膨胀机组、级间冷回热器61、62、气液分离装置7、烟囱8、驱动电机91、92、风机10。其中，压缩机组包括两级压缩机41、42，相邻两级压缩机41、42的排气口与进气口之间通过管路连通，且每一级压缩机41、42的排气管路上均设置有一级间冷回热器61、62，各级压缩机41、42的排气通过对应级的间冷回热器61、62的热侧后释放热量，膨胀机组包括两级膨胀机51、52，相邻两级膨胀机51、52的排气口与进气口之间通过管路连通，每一级膨胀机51、52的排气管路均通过一对应的间冷回热器62、61的冷侧后与其下游部件连通。每一级压缩机41、42均与一级膨胀机52、51传动连接，且每一级压缩机41、42均包含一驱动电机91、92。膨胀机与压缩机相连，膨胀机所作的功用于辅助驱动压缩机，可以减少驱动电机功耗。

热回收换热器1的热侧入口通入中高温烟气，热回收换热器1的热侧出口通过管路与脱硫脱硝塔2的低温烟气进口连通，脱硫脱硝塔2的烟气出口经干燥器3后与第一级压缩机41的进气口连通，干燥器3用于对脱硫脱硝塔2排出的烟气进行干燥处理。第一级压缩机41的排气口经第一级间冷回热器61的热侧后与下一级压缩机42的进气口连通，最后一级压缩机42的排气口经最后一级间冷回热器62的热侧后与气液分离装置7的进口连通，气液分离装置7为气液分离器或分馏塔，进入气液分离装置7中的常温高压气液混合物被分离为液态二氧化碳和脱除二氧化碳的高压气体，气液分离装置7的排液口与一二氧化碳封存罐连通，气液分离装置7的高压气体出口与第一级膨胀机51的进气口连通，第一级膨胀机51的排气口经最后一级间冷回热器62的冷侧后与下一级膨胀机52的进气口连通，最后一级膨胀机52的排气口经第一级间冷回热器61的冷侧后或经第一级间冷回热器61的冷侧和热回收换热器1的冷侧后，与烟囱8连通，烟囱8的进气管路上设置有风机10。

本发明的高效低能耗的烟气二氧化碳捕集及封存系统，在工作时，燃煤电厂产生的中高温烟气首先通入热回收换热器1的热侧，释放高温余热给热回收换热器1后变为低温烟气，之后通入脱硫脱硝塔2进行脱硫脱硝处理后，温度降为60℃左右，进入压缩机，压缩后通过间冷回热器降温，可以通过多级压缩和间冷，直至让二氧化碳在常温下成为液体，然后进入气液分离装置7，分离出的液态二氧化碳得到回收封存，脱除二氧化碳后的高压气体依次进入各级间冷回热器的冷侧和膨胀机做功，膨胀作功后的气体最后经过脱硫脱硝塔2前的热回收换热器1回收烟气热量，达到排放温度后输送到烟囱8，排放到大气。

实施例2

图2为实施例2的示意图。与实施例1不同的是，气液分离装置7的高压气体出口与第一级膨胀机51的进气口之间的连通管路上设置一压缩气储罐11，各间冷回热器61、62为蓄热式间冷器。脱除二氧化碳的高压气体可以暂时存放在压缩气储罐11中形成储能系统，夜间电力过剩时，用驱动电机压缩烟气，并储存高压气体，白天释放高压气体驱动膨胀机，用于取代驱动电机压缩烟气，或用于驱动其他动力、发电设备，起到调峰作用。对于具有压缩气储罐的系统，膨胀后冷气不能随时供应，各级间冷回热器61、62可以用蓄热式间冷器，压缩时放热，膨胀时取热，不受时间差的限制。

实施例3

图3为实施例3的示意图。与实施例1不同的是，气液分离装置7的进口管路上设有一水冷换热器12，最后一级膨胀机52的排气口经第一级间冷回热器61的冷侧后与烟气排放塔8连通，热回收换热器1的冷侧与一吸收式冷水机组13连通，吸收式冷水机组13产生的冷水通入水冷换热器12的冷侧。对于天然气锅炉、夏季运行的锅炉等，烟气可以低温排放，因此排放前可以不进行回热加热，这时脱硫脱硝塔前的中高温烟气余热可用于驱动吸收式冷水机组，制作的冷水通入水冷换热器12后用于对通入气液分离装置7中的高压烟气进一步冷却，以提高二氧化碳捕集效果。气液分离装置7分离的高压气体，可用吸收式冷水机组的排热进行加热，以进一步提高膨胀做功能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。