一种烟气脱碳回收系统

1.本实用新型属于烟气处理技术领域，具体涉及一种烟气脱碳回收系统。


背景技术：

2.目前，大多数发展中国家仍是以煤炭为主要能源，但是煤炭燃烧产生的烟气中含有硫、氮氧化物、二氧化碳等物质，直接排放将污染环境。因此，在烟气排放之前需要进行脱硝、除尘、脱硫、脱碳等净化处理。
3.目前，常用的烟气脱碳方式有吸附法和吸收法，但吸附法脱除二氧化碳的脱除率不高且能耗高，而吸收法常用的溶剂为碱性溶剂，比如氨水和有机胺等，其脱除率较高，但存在对设备腐蚀、溶剂易挥发和再生能耗高等缺点。
4.基于此，本技术提出一种烟气脱碳回收系统，通过超音速分离管使烟气中的二氧化碳液化并通过旋流分离技术使其与其余烟气分离，二氧化碳的脱除率高、所需设备少，同时由于不需要使用吸附剂或者吸收剂，因此不需要对吸附剂、吸收剂进行脱附再生，从而能耗较低；同时本技术通过干冰机对分离出的液态二氧化碳进行干冰制备，从而实现二氧化碳的回收利用。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种烟气脱碳回收系统。
6.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.一种烟气脱碳回收系统，包括依次相连的scr脱硝反应器、除尘器、脱硫塔、干燥塔；
8.所述scr脱硝反应器的入口与锅炉的烟气出口相连，所述干燥塔的出口与第一换热器的热流冷却入口相连；
9.所述第一换热器的热流冷却出口与压缩机的入口相连，所述压缩机的出口与第二换热器的热流冷却入口相连，所述第二换热器的热流冷却出口与第三换热器的热流冷却入口相连；
10.所述第三换热器的热流冷却出口与超音速分离管的入口相连，所述超音速分离管湿气出口的富碳烟气作为第三换热器的冷流与超音速分离管入口烟气换热之后进入干冰发生回收系统；所述超音速分离管干气出口的净烟气也作为第三换热器的冷流与超音速分离管入口烟气换热之后进入烟塔。
11.优选的，所述第一换热器、第二换热器的冷流均为冷水；所述第一换热器、第二换热器内被加热之后的冷水汇入热网系统。
12.优选的，所述干冰发生回收系统包括回收压缩机、干冰机；
13.所述回收压缩机的入口与第三换热器的富碳烟气出口相连，所述回收压缩机的出口与干冰机的入口相连，所述干冰机的尾气出口与不凝气回收设备相连。
14.优选的，所述超音速分离管包括同轴依次固定相连的入口管、渐缩管、喉部、渐扩
管、集液槽、扩压管；所述扩压管的大头端为干气出口；
15.所述渐扩管靠近集液槽的后部设置贴壁式旋流器；
16.所述贴壁式旋流器包括若干沿圆周方向均匀排布的螺旋扭转型叶片；所述螺旋扭转型叶片的径向外壁面与渐扩管的内腔壁固定连接，所有螺旋扭转型叶片的径向内壁面位于同一个圆柱面上，所述圆柱面的中心轴线与渐扩管的中心轴线共线。
17.优选的，所述贴壁式旋流器包括三个沿圆周方向均匀排布的螺旋扭转型叶片。
18.优选的，所述入口管的端部、扩压管的端部分别设置法兰。
19.优选的，所述渐缩管内腔的母线采用维托辛斯基移轴曲线法设计，所述渐缩管的收缩比为8～13，渐缩管的长径比为0.7～1.3。
20.优选的，所述渐扩管的内腔为锥形内腔，所述渐扩管内腔的张角为2
°
。
21.优选的，所述集液槽由外锥面、内锥面、集液圆柱面、环形面围成；
22.所述外锥面的小头端与渐扩管的大头端相连，所述外锥面的大头端与集液圆柱面的一端相连，所述集液圆柱面的另一端与环形面的径向外端相连，所述环形面的径向内端与内锥面的大头端相连，所述内锥面的小头端与扩压管的小头端相连；
23.所述集液圆柱面上设置有连通至集液槽的湿气出口。
24.优选的，所述扩压管的内腔为锥形内腔，所述扩压管内腔的张角为6
°
～10
°
。
25.本实用新型的有益效果是：
26.本实用新型通过超音速分离管使烟气中的二氧化碳液化并通过旋流分离技术使其与其余烟气分离，二氧化碳的脱除率高、所需设备少，同时由于不需要使用吸附剂或者吸收剂，因此不需要对吸附剂、吸收剂进行脱附再生，从而能耗较低；同时本技术通过干冰机对分离出的液态二氧化碳进行干冰制备，从而实现二氧化碳的回收利用。
附图说明
27.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
28.图1是本实用新型烟气脱碳回收系统的流程示意图；
29.图2是本实用新型中超音速分离管的结构示意图；
30.图3是本实用新型中贴壁式旋流器的结构示意立体图；
31.图4是本实用新型中贴壁式旋流器的结构示意主视图；
32.图5是本实用新型中贴壁式旋流器的结构示意右视图；
33.其中：
34.1-锅炉，2-scr脱硝反应器，3-除尘器，4-脱硫塔，5-干燥塔，6-第一换热器，7-压缩机，8-第二换热器，9-第三换热器；
35.10-超音速分离管，101-法兰，102-入口管，103-渐缩管，104-喉部，105-渐扩管，106-贴壁式旋流器，1061-螺旋扭转型叶片，1062-圆柱面，107-集液槽，1071-外锥面，1072-内锥面，1073-集液圆柱面，1074-环形面，108-湿气出口，109-扩压管，110-叶片扭转角；
36.11-烟塔；
37.12-回收压缩机，13-干冰机。
具体实施方式
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。
41.本实用新型中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。
42.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
43.如图1所示，一种烟气脱碳回收系统，包括依次相连的scr脱硝反应器2、除尘器3、脱硫塔4、干燥塔5；其中scr脱硝反应器2、除尘器3、脱硫塔4、干燥塔5均为现有技术，在此不再赘述其具体结构及原理；
44.所述scr脱硝反应器2的入口与锅炉1的烟气出口相连，具体地，所述scr脱硝反应器2的出口与除尘器3的入口相连，所述除尘器3的出口与脱硫塔4的入口相连，脱硫塔4的出口与干燥塔5的入口相连；所述干燥塔5的出口与第一换热器6的热流冷却入口相连；
45.所述第一换热器6的热流冷却出口与压缩机7的入口相连，所述压缩机7的出口与第二换热器8的热流冷却入口相连，所述第二换热器8的热流冷却出口与第三换热器9的热流冷却入口相连；
46.所述第三换热器9的热流冷却出口与超音速分离管10的入口相连，所述超音速分离管10湿气出口108的富碳烟气作为第三换热器9的冷流与超音速分离管10入口烟气换热之后进入干冰发生回收系统；所述超音速分离管10干气出口的净烟气也作为第三换热器9的冷流与超音速分离管10入口烟气换热之后进入烟塔11。
47.本技术通过超音速分离管10使烟气中的二氧化碳液化并通过旋流分离技术使其与其余烟气分离，二氧化碳的脱除率高(脱除率能达到74％)、所需设备少，同时由于不需要使用吸附剂或者吸收剂，因此不需要对吸附剂、吸收剂进行脱附再生，从而能耗较低；同时本技术通过干冰机13对分离出的液态二氧化碳进行干冰制备，从而实现二氧化碳的回收利用。
48.优选的，所述第一换热器6、第二换热器8的冷流均为冷水；所述第一换热器6、第二换热器8内被加热之后的冷水汇入热网系统。
49.优选的，所述干冰发生回收系统包括回收压缩机12、干冰机13；
50.所述回收压缩机12的入口与第三换热器9的富碳烟气出口相连，所述回收压缩机12的出口与干冰机13的入口相连，所述干冰机13的尾气出口与不凝气回收设备相连。
51.由超音速分离管10分离出来的含有液态二氧化碳的富碳烟气经回收压缩机12压缩之后进入干冰机13中实现干冰制备，从而实现二氧化碳的回收；而干冰生产过程中产生的二氧化碳不凝气以及其他烟气经尾气出口进入到不凝气回收设备，经处理之后排放或者用于其他用途。
52.优选的，如图2所示，所述超音速分离管10包括同轴依次固定相连的入口管102、渐缩管103、喉部104、渐扩管105、集液槽107、扩压管109；所述扩压管109的大头端为干气出口；
53.所述渐扩管105靠近集液槽107的后部设置贴壁式旋流器106；本技术中，贴壁式旋流器106的设置可以获得更大的旋流强度；
54.如图3-5所示，所述贴壁式旋流器106包括若干沿圆周方向均匀排布的螺旋扭转型叶片1061；所述螺旋扭转型叶片1061的径向外壁面与渐扩管105的内腔壁固定连接，所有螺旋扭转型叶片1061的径向内壁面位于同一个圆柱面1062上，所述圆柱面1062的中心轴线与渐扩管105的中心轴线共线。即贴壁式旋流器106中心形成空腔，摒弃了叶片中间的中心体，所占流道面积比较低，能够有效控制激波产生，起到更好的旋流分离效果。
55.同时，本装置的叶片采用了螺旋扭转型叶片，与传统的直线型叶片相比，螺旋扭转型叶片可以产生更高的旋流强度，提高装置旋流性能。
56.优选的，所述贴壁式旋流器106包括三个沿圆周方向均匀排布的螺旋扭转型叶片1061。
57.具体地，所述螺旋扭转型叶片1061的叶片厚度为2.5mm、叶片扭转角110为60
°
；所述螺旋扭转型叶片1061沿渐扩管105中心轴线方向的长度为20mm。
58.其中，如图4所示，叶片扭转角110为螺旋扭转型叶片1061面向集液槽107的出口端处的切面与渐扩管105中心轴线之间的夹角。
59.优选的，所述入口管102的端部、扩压管109的端部分别设置法兰101。
60.优选的，所述渐缩管103内腔的母线采用维托辛斯基移轴曲线法设计，所述渐缩管103的收缩比为8～13，渐缩管103的长径比为0.7～1.3。
61.其中，渐缩管103的收缩比为渐缩管大头入口端直径与渐缩管小头出口端直径的比值；渐缩管103的长径比为渐缩管103沿中心轴线方向的长度与渐缩管大头入口端直径的比值。
62.本装置渐缩管103的内腔母线采用维托辛斯基移轴曲线设计，与其他方法相比，采用维托辛斯基移轴曲线设计渐缩管103可以获得更加均匀的流场并提高分离性能。
63.优选的，所述渐扩管105的内腔为锥形内腔，所述渐扩管105内腔的张角为2
°
。
64.其中，渐扩管105内腔的张角为内腔母线与渐扩管105中心轴之间的夹角。
65.本装置渐扩管105采用锥形管法设计并取其张角为2
°
，与其他方法相比，采用锥形管法设计渐扩管可以降低装置加工成本；将张角取为2
°
可以增加冷凝段长度。
66.优选的，所述集液槽107由外锥面1071、内锥面1072、集液圆柱面1073、环形面1074围成；
67.所述外锥面1071的小头端与渐扩管105的大头端相连，所述外锥面1071的大头端与集液圆柱面1073的一端相连，所述集液圆柱面1073的另一端与环形面1074的径向外端相连，所述环形面1074的径向内端与内锥面1072的大头端相连，所述内锥面1072的小头端与
扩压管109的小头端相连；
68.所述集液圆柱面1073上设置有连通至集液槽107的湿气出口108。
69.具体地，所述外锥面1071的张角为30
°
～40
°
，所述内锥面1072的张角为15
°
～25
°
。
70.其中，外锥面1071的张角为外锥面母线与中心轴线之间的夹角；内锥面1072的张角为内锥面母线与中心轴线之间的夹角。
71.具体地，所述外锥面1071小头端与内锥面1072小头端之间的间隙沿中心轴线方向的宽度为2.5mm。
72.优选的，所述扩压管109的内腔为锥形内腔，所述扩压管109内腔的张角为6
°
～10
°
。
73.其中，扩压管109内腔的张角为内腔母线与扩压管109中心轴之间的夹角。
74.超音速分离管10对烟气进行脱碳分离的原理如下：
75.经脱硝、除尘、脱硫、干燥、换热冷却之后的烟气由入口管102进入超音速分离管10，在入口管102内气流获得均匀分布的气体动力学参数；在渐缩管103内被逐渐加速，待气流到达喉部104时气速达到音速，后在渐扩管105膨胀加速至超音速，形成低温低压环境。二氧化碳在该环境下液化凝结成液滴；气体与液滴继续前进，直至遇到贴壁式旋流器106，在旋流器的作用下，气体与液滴产生强旋流，由于气液密度差使得液滴被甩至渐扩管105壁面形成液膜，最后液化的二氧化碳以及部分烟气进入集液槽107经湿气出口108排出；剩余净烟气经过扩压管109，速度降至亚音速，并从扩压管109大头端的干气出口排出。由于超音速分离管10的低温低压环境，使超音速分离管10湿气出口排出的富碳烟气、干气出口排出的净烟气均具有冷能，因此能够作为第三换热器9的冷流。
76.一种烟气脱碳回收系统，其具体实施方式如下：
77.空气和燃料在锅炉1中经燃烧反应后生成烟气，烟气依次经过scr脱硝反应器2、除尘器3、脱硫塔4、干燥塔5的四步净化之后，进入脱碳阶段；
78.干燥后的烟气经过第一换热器6预冷、压缩机7升压、第二换热器8和第三换热器9预冷，高压低温的烟气进入超音速分离管10进行分离，富碳烟气从超音速分离管10的湿气出口108流出，净烟气从扩压管109大头端的干气出口流出，超音速分离管10湿气出口108流出的富碳烟气、干气出口流出的净烟气作为冷流经第三换热器9与超音速分离管10入口的烟气换热后，净烟气进入烟塔11进行排放，富碳烟气进入干冰发生回收系统。
79.含有液态二氧化碳的富碳烟气经回收压缩机12压缩之后进入干冰机13中实现干冰制备，从而实现二氧化碳的回收；而干冰生产过程中产生的二氧化碳不凝气以及其他烟气经尾气出口进入到不凝气回收设备，经处理之后排放或者用于其他用途。
80.上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。