氨‑水第二類吸收式熱泵驅動的緊湊型氨法碳捕集系統的製作方法

2023-04-26 04:55:11 1

本發明涉及氨法碳捕集技術領域，尤其涉及一種氨水第二類吸收式熱泵驅動的緊湊型氨法碳捕集系統。

背景技術：

近百年來，由於化石燃料的大量燃燒，大氣中的二氧化碳濃度值迅速上升，由此導致的全球變暖效應也越來越明顯，控制二氧化碳排放成為控制全球變暖的必要措施。在眾多的二氧化碳減排技術中，二氧化碳捕集技術是能有效降低電廠、金屬冶煉廠等大型二氧化碳排放源排放量的手段。其中，基於化學吸收劑的化學吸收方法是目前應用最為廣泛和成熟的技術，氨法二氧化碳捕集技術是化學吸收法中的代表性技術之一。

但是，二氧化碳被氨水吸收後的解吸過程需要消耗大量的能量，在電廠，這一能量主要來自於汽輪機中低壓缸抽汽，會大大降低電廠的效率。

第二類吸收式熱泵技術可以將低溫熱源溫度提升至高溫，實現其他方式難以利用的低溫熱源的利用。另外，目前的能源生產與利用系統中存在著大量的低溫廢熱與工業餘熱，一些低溫地熱能也難以被有效利用，這些能源皆可以被第二類吸收式熱泵轉換為溫度更高、更方便利用的熱源，以大量的低溫熱源實現熱量品位的提升，實現能源的有效利用。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術中的不足，本發明提供了一種氨-水第二類吸收式熱泵驅動的緊湊型氨法碳捕集系統，將氨法二氧化碳捕集技術和氨-水第二類吸收式熱泵技術結合，利用第二類吸收式熱泵為二氧化碳解吸提供能量，構成了碳捕集系統和吸收式熱泵高度結合的緊湊型結構，既實現二氧化碳捕集，又實現低品位熱源的提升利用，達到節能減排、降低設備成本的效果。

為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是氨-水第二類吸收式熱泵驅動的緊湊型氨法碳捕集系統，包括氨法二氧化碳捕集系統，所述氨法二氧化碳捕集系統包括吸收塔、解吸塔、水洗塔以及氨氣發生塔；

所述吸收塔底部氣體來自於電廠或金屬冶煉廠排放的低濃度二氧化碳煙氣入口，所述吸收塔下部富液輸送線經富液泵和貧/富液熱交換器連接至所述解吸塔上部，所述解吸塔的下部貧液輸送線經貧液泵和貧/富液熱交換器連接至所述吸收塔上部，所述解吸塔底部設置再沸器自循環，所述解吸塔頂部氣體出口管經回流罐冷凝後回流至塔內，所述回流罐的頂部設置有捕集獲得的高濃度二氧化碳排出口；

所述吸收塔頂部氣體管線連通至所述水洗塔下部，所述水洗塔頂部設置有脫碳脫氨氣體排出口；

還包括氨-水第二類吸收式熱泵系統，所述氨-水第二類吸收式熱泵系統包括冷凝器、工質泵、蒸發器、吸收器、熱交換器、節流閥以及氨氣發生塔；

所述水洗塔下部溶液出口經第一溶液泵和換熱器連接至所述氨氣發生塔的上部，所述氨氣發生塔的下部液體管分為兩條支路：其中第一支路經第二溶液泵和換熱器連接至所述水洗塔上部；其中，第二支路依次經第三溶液泵、熱交換器、吸收器殼程和節流閥回流至所述氨氣發生塔的上部；

所述氨氣發生塔底部設置氨氣再生加熱器提供熱量自循環，所述氨氣發生塔的頂部氣體出口設置有兩路分支：其中第一支路經第一控制閥連接至所述吸收塔上部；其中第二支路依次經第二控制閥、冷凝器殼程、工質泵、蒸發器殼程、吸收器殼程、熱交換器和節流閥連接至氨氣發生塔上部；

所述再沸器管程出口依次經第四溶液泵和吸收器管程連接至所述再沸器管程入口。

所述氨法二氧化碳捕集系統與所述氨-水第二類吸收式熱泵系統共用部件氨氣發生塔，所述氨氣發生塔中完成氨氣解吸；所述吸收器為所述再沸器提供熱源。

所述氨氣再生加熱器和蒸發器熱源相同，熱源為低溫太陽能集熱、工業餘熱或低溫地熱水。

所述冷凝器低溫側冷卻介質為乙二醇溶液。

與現有技術相比，本發明的優點有：

1.將氨法二氧化碳捕集系統和氨-水第二類吸收式熱泵緊湊結合，降低了設備成本和複雜程度。

2.利用第二類吸收式熱泵將低溫熱源熱量提升，在捕集二氧化碳的同時實現了低溫熱源的有效利用。

3.可用熱源分布廣泛，主要包括低溫太陽能集熱、工業餘熱以及低溫地熱能，此特點擴大了本系統的溫度適用範圍。

4.降低了二氧化碳捕集系統對高品位熱源的消耗，減少了碳捕集對能源生產與消耗系統的不利影響。

附圖說明

圖1為本系統原理圖及結構示意圖；

圖中：1-吸收塔，2-解吸塔，3-富液泵，4-貧液泵，5-貧/富液熱交換器，6-回流罐，7-再沸器，8-水洗塔，9-第一溶液泵，10-第二溶液泵，11-換熱器，12-氨氣發生塔，13-氨氣再生加熱器，14-第一控制閥，15-第二控制閥，16-冷凝器，17-工質泵，18-蒸發器，19-吸收器，20-熱交換器，21-節流閥，22-第三溶液泵，23-第四溶液泵；

101-低濃度二氧化碳煙氣入口，102-脫碳脫氨氣體排出口，103-捕集獲得的高濃度二氧化碳排出口。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明；

如圖1所示，氨-水第二類吸收式熱泵驅動的緊湊型氨法碳捕集系統，將氨法二氧化碳捕集技術和氨-水第二類吸收式熱泵技術結合，利用第二類吸收式熱泵為二氧化碳解吸提供能量，構成了碳捕集系統和吸收式熱泵高度結合的緊湊型結構，既實現二氧化碳捕集，又實現低品位熱源的提升利用，達到節能減排、降低設備成本的效果。

為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是氨-水第二類吸收式熱泵驅動的緊湊型氨法碳捕集系統，包括氨法二氧化碳捕集系統和氨-水第二類吸收式熱泵系統；

所述氨法二氧化碳捕集系統包括吸收塔1、解吸塔2、水洗塔8以及氨氣發生塔12；

所述氨-水第二類吸收式熱泵系統包括冷凝器16、工質泵17、蒸發器18、吸收器19、熱交換器20、節流閥21以及氨氣發生塔12；

所述吸收塔1底部氣體來自於電廠或金屬冶煉廠排放的低濃度二氧化碳煙氣入口101，所述吸收塔1下部富液輸送線經富液泵3和貧/富液熱交換器5連接至所述解吸塔2上部，所述解吸塔2的下部貧液輸送線經貧液泵4和貧/富液熱交換器5連接至所述吸收塔1上部，所述解吸塔2底部設置有再沸器7自循環，所述解吸塔2頂部氣體出口管經回流罐6冷凝後回流至塔內，所述回流罐6的頂部設置有捕集獲得的高濃度二氧化碳排出口103；

所述吸收塔1頂部氣體管線連通至所述水洗塔8下部，所述水洗塔8頂部設置有脫碳脫氨氣體排出口102；所述水洗塔8下部溶液出口經第一溶液泵9和換熱器11連接至所述氨氣發生塔12的上部，所述氨氣發生塔12的下部液體管分為兩條支路：其中第一支路經第二溶液泵10和換熱器11連接至所述水洗塔8上部；其中，第二支路依次經第三溶液泵22、熱交換器20、吸收器19殼程和節流閥21回流至所述氨氣發生塔12的上部；

所述氨氣發生塔12底部設置氨氣再生加熱器13提供熱量自循環，所述氨氣發生塔12的頂部氣體出口設置有兩路分支：其中第一支路經第一控制閥14連接至所述吸收塔1上部；其中第二支路依次經第二控制閥15、冷凝器16殼程、工質泵17、蒸發器18殼程、吸收器19殼程、熱交換器20和節流閥21連接至氨氣發生塔12上部；

所述再沸器7管程出口依次經第四溶液泵23和吸收器19管程連接至所述再沸器7管程入口；

所述蒸發器18和所述氨氣再生加熱器13熱源來自於低溫太陽能集熱、工業餘熱以及低溫低熱。

氨法二氧化碳捕集系統與氨-水第二類吸收式熱泵系統共用部件氨氣發生塔12，所述氨氣發生塔12中完成氨氣解吸；所述吸收器19為所述再沸器7提供熱源。

所述冷凝器16低溫側冷卻介質為乙二醇溶液。

本發明各系統之間主要流程和工作原理如下：

電廠或金屬冶煉廠排放的低濃度二氧化碳煙氣經過預處理後從吸收塔1下方氣體入口進入吸收塔1，與吸收塔1上方噴淋而下的氨水吸收劑充分接觸進行煙氣脫碳；吸收塔1中吸收二氧化碳後形成的富液經過富液泵3進入貧/富液熱交換器5，在貧/富液熱交換器5中與貧液換熱，然後連接至解吸塔2上方液體入口；解吸塔2內的富液被再沸器7加熱，二氧化碳從富溶液中解吸出，並同部分氨氣和水蒸氣從解吸塔2上方進入回流罐6，在回流罐6內氨氣和水蒸氣被冷凝後返回解吸塔2，高濃度二氧化碳從回流罐6上方排出，被進一步壓縮和儲存；解吸塔2內解吸再生出的貧液依次經由貧液泵4和貧/富液換熱器5回到吸收塔1上方液體入口，進行下一次循環；由吸收塔1上方煙氣出口排出的脫碳煙氣連接至水洗塔8下方氣體入口，並與水洗塔8中自上而下的溶液充分接觸完成脫氨過程；水洗塔中吸收氨氣後的溶液依次經由第一溶液泵9和換熱器11進入氨氣發生塔12中，並被加熱解吸出氨氣；氨氣發生塔12中解吸出氨氣的溶液分為兩支路，其中第一支路經由第二溶液泵10和換熱器11重新回到水洗塔8中，第二支路經由第三溶液泵22和熱交換器20返回吸收器19中；氨氣發生塔上方氣體出口排出的氨氣分為兩支路，其中第一支路匯入吸收塔1溶液入口，與解吸塔2出口貧液充分混合後進入吸收塔1繼續進行煙氣脫碳；第二支路進入冷凝器16中被冷凝後經由工質泵17進入蒸發器18中被加熱蒸發；蒸發器18中產生的氨氣通過管路進入吸收器19中被吸收並放熱用於加熱吸收器19低溫側循環水，為再沸器7提供能量；吸收器19中氨氣被吸收後的濃溶液經由換熱器20和節流閥21進入氨氣發生塔12中解析出氨氣，完成循環；

該系統的氨氣再生加熱器13和蒸發器18的加熱熱源為低溫熱源，可以是低溫太陽能集熱、工業餘熱或者低溫地熱。

本發明不局限於上述的具體實施方式，本領域的相關人員在不脫離本發明系統形式的情況下，做出的運行及控制模式變更均屬於本發明的保護之內。