一种近零碳排放的低分压CO2捕集系统和方法与流程

本发明涉及低分压co2气体的捕集领域，具体涉及一种近零碳排放的低分压co2捕集系统和方法。

背景技术：

1、目前各行各业排放的co2，以低分压co2气体为主，这些低分压气体是二氧化碳捕集的最大来源。低分压co2气体是指co2分压小于0.1mpa的混合气体，如：燃煤电厂烟气、石灰窑、锅炉烟道气、天然气化工行业转化炉烟气、石化行业裂解炉烟气、psa尾气等。目前低分压co2捕集技术以化学溶剂吸收法最为成熟，适用于大规模的co2捕集。但是，化学溶剂再生时需要消耗大量蒸汽，而新建捕集装置的工厂可能没有富裕的蒸汽；或者需要新建锅炉来满足蒸汽需求，这就意味着捕集co2的同时新增生产蒸汽的间接碳排放，导致co2净捕集量减少。

2、传统的醇胺吸收法碳捕集工艺由吸收和再生两个主要流程组成，再生过程需要大量的热用于打破co2与吸收剂结合的化学键能，同时包括大量的水蒸发所需的潜热(溶剂中有50％以上的水)以及溶液加热到泡点所需的显热。这些热量非常巨大，蒸汽消耗非常可观，这是影响低分压co2捕集装置能耗的关键因素；蒸汽的供给也是制约低分压co2捕集项目建设与否的重要因素。现有技术主要通过优化溶剂配方，增加段间冷却、富液分流、mvr热泵等多种技术结合来降低捕集过程中的蒸汽消耗，但仍需消耗1.1t蒸汽/t co2。

3、因此有必要开发出一种新型的低分压co2捕集工艺，来摆脱对蒸汽的依赖；采用绿电供能以后，可实现co2捕集过程的近零碳排放。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种近零碳排放的低分压co2捕集系统和方法。本发明以系统余热梯次利用、换热网络优化为主要特点，co2捕集系统无需使用蒸汽，节能环保，捕集效率高，产品纯度高。

2、采用本发明的节能工艺，低分压co2捕集工艺无需使用蒸汽，同时可减少整个捕集系统的循环水消耗，耦合绿电以后捕集过程将实现近零碳排放，对于碳捕集技术的大规模应用具有较高的市场价值和社会效益。

3、本发明的低分压co2捕集系统适用于任何常规的化学吸收法捕集co2，例如醇胺吸收法。本发明文中将再生塔底部的再生后的吸收液称为贫液，吸收塔底部的吸收了co2的吸收液称为富液。

4、为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

5、本发明一方面提供一种近零碳排放的低分压co2捕集系统，所述系统包括：吸收塔、贫富液换热器、富液加热器、再生塔、再生气冷凝器、气液分离罐、贫液冷却器、再生塔再沸器、高温余热回收单元、中温余热回收单元、低温余热回收单元、高温热媒冷却器和中温热媒冷却器；

6、所述吸收塔底部富液出口管路依次经过所述贫富液换热器和富液加热器后，与所述再生塔的中部进液口连接；

7、所述再生塔顶部再生气出口管路依次经过所述中温余热回收单元和所述再生气冷凝器，之后与所述气液分离罐的入口连接；所述气液分离罐的底部液体出口连接返回所述吸收塔或所述再生塔；

8、所述再生塔底部贫液出口管路依次经过所述高温余热回收单元所述贫富液换热器和所述低温余热回收单元，之后与所述吸收塔的贫液入口连接；

9、所述再生塔塔底设置有再生塔再沸器；

10、所述低温余热回收单元回收的热量供给所述富液加热器；所述高温余热回收单元通过高温热媒冷却器将回收的热量供给所述再生塔再沸器；所述中温余热回收单元通过中温热媒冷却器将回收的热量供给所述再生塔再沸器。

11、本发明的系统中，所述高温余热回收单元和中温余热回收单元回收系统内部自身高温余热和中温余热，可以完全代替蒸汽供再生塔的塔底再沸器使用。出贫富液换热器的贫液温度较高，需要采用大量循环水将其冷却至要求温度(例如40℃)再进入吸收塔进行co2吸收。用低温余热回收单元回收此部分低品位余热，用于富液加热器将富液加热后进入再生塔，可以进一步降低富液在再生塔再生过程中需要的热量。

12、根据本发明的系统，优选地，所述系统还包括开工电加热器，所述开工电加热器与所述高温热媒冷却器和中温热媒冷却器并列设置。

13、在系统开工时，所述开工电加热器为所述再生塔再沸器提供热量，待系统运行稳定后即可投入使用本发明的三级余热回收单元，开始回收热量，三级余热回收单元运行稳定后，即可切出所述开工电加热器。

14、根据本发明的系统，优选地，所述再生塔底部贫液出口管路在经过所述低温余热回收单元之后、与所述吸收塔的贫液入口连接之前，还经过贫液冷却器。当贫液经过所述低温余热回收单元冷却后的温度仍不满足进入所述吸收塔的要求时，进一步经过所述贫液冷却器将其进一步冷却至所要求的温度，例如40℃。

15、根据本发明的系统，优选地，所述系统还包括富液冷却器(5)；所述吸收塔(1)底部富液出口管路分为两路，一路经过所述富液冷却器(5)后返回所述吸收塔(1)；另一路依次经过所述贫富液换热器(2)和富液加热器(3)后，与所述再生塔(4)的中部进液口连接。

16、根据本发明的系统，优选地，所述高温余热回收单元、中温余热回收单元和低温余热回收单元均通过热媒对热量进行回收。所述热媒可以相同也可以不同，当余热回收单元独立设置时，热媒可以相同也可以不同，满足热量回收要求即可；当余热回收单元结合设置时，共用同一热媒。具体的热媒可以为常见高温冷剂，要求临界温度不低于150℃，常压下沸点不超过40℃。例如r1233zd(e)制冷剂(反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯)或其他类似工质。

17、根据本发明的系统，优选地，所述高温余热回收单元包括循环管路上依次设置的高温热媒蒸发器、高温热媒压缩机和高温热媒调节阀；

18、所述再生塔底部贫液出口管路经过所述高温余热回收单元中的所述高温热媒蒸发器，之后经过所述贫富液换热器；

19、所述高温余热回收单元的循环管路在所述高温热媒压缩机之后、所述高温热媒调节阀之前，经过所述高温热媒冷却器，为所述再生塔再沸器提供热量。

20、在该优选方案中，贫液在高温热媒蒸发器中被冷却，同时回收高品位的热量。出高温热媒蒸发器的贫液去往贫富液换热器，用于加热吸收塔底部来的富液。

21、出高温热媒蒸发器的热媒气体，进入高温热媒压缩机升压(压缩机选型根据系统规模确定，不限于离心式压缩机或螺杆式压缩机，压缩机采用电驱)。可选地，在高温热媒压缩机前增加高温热媒过热器，确保热媒压缩至所需压力后不被液化。升压后的热媒，其液化温度高于再生塔底部贫液的泡点，并留有一定裕量。

22、升压后的热媒作为再生塔再沸器的热源，在高温热媒冷却器中热媒冷却液化放出大量的热，供再生塔引出的吸收液(例如胺液)汽化；吸收液汽化后返回再生塔，液化后的热媒出高温热媒冷却器，然后返回高温热媒蒸发器入口，经高温热媒调节阀减温减压后，进入高温热媒蒸发器继续气化，循环利用取热。如果高温热媒压缩机前设有高温热媒过热器，液体热媒先进入高温热媒过热器为气体热媒加热后，再返回高温热媒蒸发器入口，继续循环利用。

23、根据本发明的系统，优选地，所述高温余热回收单元中，在高温热媒蒸发器和高温热媒压缩机之间还设置有高温热媒过热器；

24、循环管路在经过所述高温热媒压缩机之后，先经过所述有高温热媒过热器，再经过所述高温热媒调节阀之后返回所述高温热媒蒸发器。

25、根据本发明的系统，优选地，所述中温余热回收单元包括循环管路上依次设置的中温热媒蒸发器、中温热媒压缩机和中温热媒调节阀；

26、所述再生塔顶部再生气出口管路经过所述中温余热回收单元中的所述中温热媒蒸发器，之后经过所述再生气冷凝器；

27、所述中温余热回收单元的循环管路在所述中温热媒蒸发器之后、所述中温热媒调节阀之前，经过所述中温热媒冷却器，为所述再生塔再沸器提供热量。

28、在该优选方案中，再生塔顶部解吸输出的再生气(co2和水)，进入中温余热回收单元的中温热媒蒸发器，中温热媒蒸发器另一侧为热媒(热媒可与高温余热回收单元采用相同的介质)，热媒吸收解吸再生气的热量，发生相变，蒸发为气体，co2气体在中温热媒蒸发器中被冷却析出饱和水，同时回收中品位的热量。出中温热媒蒸发器的co2气体去往再生气冷凝器，冷却后为co2产品气送出界区。由于气体中大部分热量已被热媒所吸收，因此再生气冷凝器的循环水用量大幅减少。

29、出中温热媒蒸发器的热媒气体，进入中温热媒压缩机升压(压缩机选型根据系统规模确定，不限于离心式压缩机或螺杆式压缩机，压缩机采用电驱)。可选地，在压缩机前增加中温热媒过热器，确保热媒压缩至所需压力后不被液化。中温余热回收单元的热媒与高温余热回收单元的热媒加压至相同压力。然后热媒进入中温热媒冷却器冷却放出大量的热，供再生塔引出的吸收液(例如胺液)汽化。吸收液汽化后返回再生塔；液化后的热媒出中温热媒冷却器，然后返回中温热媒蒸发器入口，经中温热媒调节阀减温减压后，进入中温热媒蒸发器继续气化，循环取热。如果中温热媒压缩机前设有中温热媒过热器，液体热媒先进入中温热媒过热器为气体热媒加热后，再返回中温热媒蒸发器入口，继续循环利用。同时回收系统自身高温余热和中温余热，可以完全代替蒸汽供再沸器使用。

30、根据本发明的系统，优选地，所述中温余热回收单元中，在中温热媒蒸发器和中温热媒压缩机之间还设置有中温热媒过热器；

31、循环管路在经过所述中温热媒压缩机之后，先经过所述中温热媒过热器，再经过所述中温热媒调节阀之后返回所述中温热媒蒸发器。

32、根据本发明的系统，优选地，所述低温余热回收单元包括循环管路上依次设置的低温热媒蒸发器、低温热媒压缩机和低温热媒调节阀；

33、所述再生塔底部贫液出口管路经过所述贫富液换热器之后，经过所述低温热媒蒸发器；

34、所述低温余热回收单元的循环管路在所述低温热媒压缩机之后、所述低温热媒调节阀之前，经过所述富液加热器，为其提供热量。

35、在该优选方案中，出贫富液换热器的贫液进入低温热媒蒸发器，热媒吸收贫液的热量，发生相变，蒸发为气体，贫液在低温热媒蒸发器中被冷却，同时回收低品位的热量。出低温热媒蒸发器的贫液去往贫液冷却器，冷却后进入吸收塔；由于贫液的热量被热媒吸收，贫液冷却器的循环水消耗有效降低。

36、出低温热媒蒸发器的热媒气体，进入低温热媒压缩机升压(压缩机选型根据系统规模确定，不限于离心式压缩机或螺杆式压缩机，压缩机采用电驱)。可选地，在低温热媒压缩机前增加低温热媒过热器，确保热媒压缩至所需压力后不被液化。升压后的热媒，其液化温度高于进塔富液的泡点，并留有一定裕量。

37、升压后的热媒进入富液加热器，与即将进入再生塔的富液发生热交换，热媒冷却液化放出大量的热来加热富液。液化后的热媒出富液加热器，然后返回低温热媒蒸发器入口，经低温热媒调节阀减温减压后，进入低温热媒蒸发器继续气化，循环取热。如果低温热媒压缩机前设有低温热媒过热器，液体热媒先进入低温热媒过热器为气体热媒加热后，再返回低温热媒蒸发器入口，继续循环利用。

38、根据本发明的系统，优选地，所述低温余热回收单元中，在低温热媒蒸发器和低温热媒压缩机之间还设置有低温热媒过热器；

39、循环管路在经过所述低温热媒压缩机之后，先经过所述低温热媒过热器，再经过所述低温热媒调节阀之后返回所述低温热媒蒸发器。

40、根据本发明的系统，优选地，本系统还包括退料冷却器、热媒退料罐、热媒进料泵；

41、所述高温余热回收单元、中温余热回收单元和低温余热回收单元的循环管路上均在压缩机出口端设置有分路，以合并后经过所述退料冷却器，之后连接至所述热媒退料罐的入口；

42、所述热媒退料罐的出口管路经过所述热媒进料泵之后分别连接至所述高温余热回收单元、中温余热回收单元和低温余热回收单元的循环管路上；具体返回位置优选在各热媒调节阀的入口端，当设置有热媒过热器时，返回位置优选在热媒过热器之前(如图1，中温余热回收单元中的热媒返回位置在中温热媒过热器18之前)。

43、当本发明的系统长期停止运行时，热媒冷却后退料至热媒退料罐(12)存储。

44、根据本发明的系统，优选地，所述中温余热回收单元和高温余热回收单元结合设置为高温/中温余热回收单元；

45、所述高温/中温余热回收单元中包括：高温热媒蒸发器、中温热媒蒸发器、一级热媒压缩机、二级热媒压缩机、热媒冷却器、高温热媒调节阀、中温热媒调节阀和热媒冷却器；

46、所述高温热媒蒸发器、二级热媒压缩机、热媒冷却器、高温热媒调节阀依次连接形成回路；

47、所述中温热媒蒸发器、一级热媒压缩机、二级热媒压缩机、热媒冷却器和中温热媒调节阀依次连接形成回路。

48、在该优选方案中，高温余热回收单元和中温余热回收单元合并设置，可以两股热媒共用一台压缩机升压，此时由于两股热媒的蒸发压力不同，热媒气体需要进入压缩机的不同入口(例如中温余热回收单元的热媒进入离心压缩机的一段入口，高温余热回收单元的热媒进入离心压缩机二段入口)。两股热媒也可以分别升压至相同压力，然后的两股气体热媒混合送热媒冷却器为再生塔再沸器供热，用于加热再生塔塔底需要加热的吸收液。

49、出热媒冷却器的液体热媒分为两股，一股去往高温热媒蒸发器，一股去往中温热媒蒸发器，经高温热媒调节阀和中温热媒调节阀减温减压后，继续循环利用。

50、根据本发明的系统，优选地，所述高温/中温余热回收单元中，在中温热媒蒸发器和一级热媒压缩机之间还设置有中温热媒过热器；

51、回路在经过所述一级热媒压缩机之后，先经过所述中温热媒过热器，再经过所述中温热媒调节阀之后返回所述中温热媒蒸发器。

52、根据本发明的系统，优选地，在所述二级热媒压缩机和热媒冷却器之间的管路上设置有分路，经过所述退料冷却器之后连接至所述热媒退料罐的入口。

53、本发明另一方面提供一种近零碳排放的低分压co2捕集方法，其中，该方法通过以上系统完成。具体的，所述方法包括以下过程：

54、自所述吸收塔底部采出的富液经过所述贫富液换热器与贫液换热被加热后，再经过所述富液加热器进一步加热后进入所述再生塔中部；

55、此部分富液在所述再生塔的经再生后释放出再生气(co2和水)，该再生气自所述再生塔顶部输出后，经过所述中温余热回收单元回收热量被冷却，之后进入所述再生气冷凝器进一步被冷却，然后进入气液分离罐，冷凝水返回吸收塔或再生塔保持系统水平衡，co2气体作为产品气出界区，co2干基体积浓度大于99％；

56、从所述再生塔底部输出的贫液经过所述高温余热回收单元回收热量，之后进入所述贫富液换热器被富液继续冷却，之后进入所述低温余热回收单元进一步被冷却后进入所述吸收塔中上部吸收co2；

57、所述高温余热回收单元和中温余热回收单元回收的热量供给所述再生塔再沸器；所述低温余热回收单元回收的热量供给所述富液加热器。

58、根据本发明的方法，优选地，再生气自所述再生塔顶部输出后，经过所述中温余热回收单元回收热量被冷却至80～50℃，之后进入所述再生气冷凝器进一步被冷却至40℃，然后进入气液分离罐。

59、根据本发明的方法，优选地，从所述再生塔底部输出的贫液经过所述高温余热回收单元回收热量被冷却至90～115℃，之后进入所述贫富液换热器被富液继续冷却至50～65℃，之后进入所述低温余热回收单元进一步被冷却至40～60℃后进入所述吸收塔中上部吸收co2。

60、更优选地，自所述低温余热回收单元而出的贫液再进入贫液冷却器，更进一步降温至40℃进入吸收塔中上部吸收co2。

61、根据本发明的方法，优选地，在系统开工时，使用开工电加热器为所述再生塔再沸器提供热量，待系统运行稳定后即可投入使用所述高温余热回收单元、中温余热回收单元和低温余热回收单元开始回收系统内热量，运行稳定后，即可切出所述开工电加热器。

62、根据本发明的方法，优选地，自所述吸收塔(1)底部采出的富液分流为两部分，一部分冷却后返回所述吸收塔(1)，另一部分经过所述贫富液换热器(2)与贫液换热被加热后，再经过所述富液加热器(3)进一步加热后进入所述再生塔(4)中部。

63、更优选地，自所述吸收塔底部采出的富液分流为两部分，一部分经冷却至40℃后返回所述吸收塔，该部分富液占总富液的20～45％；另一部分经过所述贫富液换热器与贫液换热被加热至85～100℃后，再经过所述富液加热器进一步加热至100～115℃后进入所述再生塔中部。

64、根据本发明的方法，优选地，系统长期停止运行时，所述高温余热回收单元、中温余热回收单元和低温余热回收单元的热媒冷却后退料至热媒退料罐存储。

65、本发明的系统和方法进行多处余热回收，通过较少的电耗，将不同品位的热量转化为了高品位的热量，实现了能量的梯级回收利用，捕集过程不再消耗蒸汽，有效降低循环水的消耗，降低了co2捕集过程的总能耗以及co2捕集过程的净碳排放，实现真正的节能降碳；并且提高了工厂的电气化率；使用绿电后co2捕集过程可以实现近零碳排放。

66、本发明主要对系统热量平衡进行重新优化，适用于常规的化学吸收法捕集co2工艺，并且不影响该溶剂的性能和co2回收率。