一種電廠煙道氣脫硫脫碳一體化淨化系統的製作方法
2023-10-10 11:19:14
專利名稱：一種電廠煙道氣脫硫脫碳一體化淨化系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於電廠煙氣處理領域，涉及一種電廠煙道氣淨化系統，尤其是一種電廠
煙道氣脫硫脫碳一體化淨化系統。
背景技術：
隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，人類對能源的消費需求急劇增加，由此 帶來的溫室效應和酸雨等環境問題正在危及人類自身的正常生活。開展從集中排放源中對 煙道氣的高效淨化技術的基礎與應用研究，對於有效減少向大氣中的二氧化碳和二氧化硫 排放量，保護人類生存環境，促進可持續發展，具有重大戰略意義。從電廠等集中排放點源 減排二氧化碳和二氧化硫是最為有效的減排方法。當前，從集中排放點源淨化煙道氣主要 分為兩步第一步是脫硫，第二步是脫碳。脫硫的主要方法有化學吸收法、物理吸收法和氧 化法。捕集二氧化碳的主要方法有吸收法、吸附法、深冷捕集、膜分離和化學鏈燃燒法等。其 中，吸收法可分為化學吸收和物理吸收。燃煤電廠等集中點源煙道氣淨化脫硫和脫碳過程 常採用化學吸收法，存在成本高的問題。因此，圍繞化學吸收法淨化電廠煙道氣的工藝，研 究高效捕集的技術與方法，對於實現二氧化碳和二氧化硫的高效減排，具有重大現實意義。
目前所開發的電廠煙道氣淨化系統主要有如下幾類 (1)燃煤電廠煙道氣脫硫系統溼式石灰石-石膏法是常用的煙道氣化學吸收法 脫硫中的一種方法。石灰或石灰石的乳濁液是吸收二氧化硫的溶劑。反應生成半水亞硫酸 鈣或石膏。該技術脫硫效率較穩定，可達90%以上(Izquierdo J. F. ， Fite' C. ， Cunill F. . Kinetic study of the reactionbetween sulfur dioxide and calcium hydroxide at low temperature in afixed_bed reactor[J]. Journal of Hazardous Materials. 2000 ; 76(1) :113-123.)。缺點是工程造價相對較高，且運行維護的工作量較大。
(2)燃煤電廠煙道氣脫碳系統當前對燃煤電廠的煙道氣脫碳的方法都在探索之 中，儘管有多種方法，但已實現工業化的例子主要是化學吸收法。此類煙道氣淨化系統具 有處理量大，穩定性好，反應速率快，溶劑成本低等特點(Alie C. ， Backham L. ， Croiset E. ， Douglas P. L. . Simulation of C02 capture using MEA scrubbing :a flowsheet decompositionmethod. Energy Conversion and Management 2005 ;46(3) :475-487.)。但 是再生二氧化碳過程巨大的能量消耗成為應用此類淨化系統的主要缺點。
(3)電廠煙道氣分步同時脫硫和脫碳系統有研究人員提出了一種採用氨水 作為吸收劑的煙道氣淨化系統。此類淨化系統具有高效、環保等優勢，能夠首先在第一 個洗滌器中脫出二氧化硫，接著在第二個洗滌器中脫出二氧化碳，達到分步同時脫硫 和脫碳的目的(Resnik K. P. ， YehJ. T. ， Pennline H. W. Carbon Dioxide C即ture by a Continuous, RegenerativeAmmonia-Based Scrubbing Process[C]. 2006 American Filtration&S印arations Society Topical Conference and Exposition, October 17， 2006. Pittsburgh,PA.)。然而，此類淨化系統需要解決氨吸收溶劑吸收過程中凝固，堵塞管 道的問題。同時該系統沒有實現一步脫硫脫碳，成本仍然較高。
(4)煙道氣餘熱利用系統此類餘熱利用系統耦合煙道氣熱量回收系統和海 水淡化多效蒸餾系統，能夠降低海水淡化過程中的能量消耗(Cohen J. ， Janovich I.， Muginstein A..Utilization of waste heat from a fluegases up—stream gas scrubbing system[J] Desalination. 2001 ; 139 (1) :1_6.)。它具有高效、節能、節水等優 點。缺點是需要增加透平等設備，增加了淨化系統成本。 (5)煙道氣回收二氧化碳分流系統此類淨化系統在再生塔中部引出半貧 液，回收95 %的二氧化碳時，其能量消耗降低，可達2. 9GJ/t (Aroonwilas A. ， Veawab A. . Integration of C02 capture unit using single—and blended—amines into supercritical coal—fired power plants :Implicationsfor emission and energy management[J]. International Journal of GreenhouseGas Control.2007. 1 (2): 143-150.)。缺點是所需的溶液的量要增加；同時，再生塔的塔高要增加，成本增加，存在成 本與能量之間的優化問題。 綜上所述，由於各種缺陷，現有的電廠煙道氣淨化系統在系統設計、節能、環保等 方面還有很大的開發空間，還不能有效實現節能、低成本等目標。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種電廠煙道氣脫硫脫碳一體 化淨化系統，該系統能基於煙道氣餘熱可利用和壓縮機級間冷卻熱可回收的優點，結合胺 基化學吸收法捕集二氧化碳適合大流量，低二氧化碳分壓的優勢，利用填料塔實現氣液反 應；這種系統具有結構簡單、節能、一體化脫硫脫碳的優勢，可有效提高目前煙道氣淨化系 統的能源利用效率。 本發明的目的是通過以下技術方案來解決的 這種電廠煙道氣脫硫脫碳的一體化淨化系統，包括煙道氣餘熱利用系統、捕集二 氧化碳和二氧化硫系統和壓縮機級間冷卻熱量利用系統，所述煙道氣餘熱利用系統、捕集 二氧化碳和二氧化硫系統和壓縮機級間冷卻熱量利用系統通過管道連接為一體化淨化系 統；所述電廠煙道氣經管道進入煙道氣餘熱利用系統交換熱量後經管道進入所述捕集二氧 化碳和二氧化硫系統，所述捕集二氧化碳和二氧化硫系統利用醇胺溶液反應吸收電廠煙道 氣中的二氧化硫和二氧化碳，並將產生的二氧化碳氣體和富液分別通過管道輸送給壓縮機 級間冷卻熱量利用系統，所述壓縮機級間冷卻熱量利用系統壓縮二氧化碳並使壓縮後的二 氧化碳與從捕集二氧化碳和二氧化硫系統來的富液進行熱交換，熱交換後的富液經過管道 回到捕集二氧化碳和二氧化硫系統中；所述煙道氣餘熱利用系統中的電廠煙道氣與捕集二 氧化碳和二氧化硫系統中的貧液進行熱交換。 上述煙道氣餘熱利用系統包括富液預熱器和再沸器前置換熱器；所述捕集二氧化 碳和二氧化硫系統包括吸收塔、再生塔、貧富液換熱器、第一冷凝器、第二冷凝器、富液循環 泵、貧液循環泵、氣液分離罐和再沸器；所述壓縮機級間冷卻熱量利用系統由壓縮機、級間 換熱器和級間冷凝器通過管道連接而成的四級壓縮換熱裝置以及分流器和混合器組成；
上述再沸器前置換熱器的管程出口與富液預熱器的管程進口連接，富液預熱器的 管程出口與吸收塔的氣體入口連接，吸收塔下端的富液出口與富液預熱器的殼程入口連 接，富液預熱器的殼程出口通過富液循環泵與貧富液換熱器的管程入口連接，貧富液換熱器的殼程出口通過第一冷凝器與吸收塔的貧液入口連接，貧富液換熱器的管程出口與分流
器的入口連接，貧富液換熱器的殼程入口與貧液循環泵的出口連接，貧液循環泵的入口與
再生塔底部的貧液出口連接；再生塔的蒸汽入口與再沸器的出口連接，再沸器的入口與再
沸器前置換熱器的殼程出口連接，再沸器前置換熱器的殼程入口與再生塔的貧液出口連
接；再生塔的上方與第二冷凝器和氣液分離罐通過管道連接為氣液分離迴路，氣液分離罐
的氣體出口與壓縮機的進氣口連接；再生塔的富液入口與混合器的出口連接。 上述貧液循環泵的進口側設有閥，閥的一端與雙極膜電解裝置連接。 上述吸收塔和再生塔均為填料塔，填料塔中的吸收溶劑為乙醇胺溶液。 上述貧富液換熱器和第一冷凝器均為不鏽鋼管殼式。 上述富液循環泵和貧液循環泵均採用防腐蝕的氟塑料泵。 本發明具有以下有益效果 該系統採用吸收塔內的二氧化碳和二氧化硫與乙醇胺溶液吸收反應系統為整個 系統的核心基礎部分。利用高溫煙道氣在再沸器前置換熱器中加熱再生液，減少了再生過 程蒸汽的消耗量。並且低溫煙道氣在富液預熱器中加熱流出吸收塔底部的富液，提升了進 入再生塔的富液溫度，降低了再生過程顯熱的需求量。本發明同時利用了煙道氣餘熱和壓 縮機級間熱，將脫硫和脫碳一體化進行，具有清潔、高效、節能、脫硫脫碳率高等特點。並且 對廢熱利用技術與二氧化碳捕集技術和二氧化硫回收技術耦合運用的研究有促進作用。
圖1為本發明的設備連接示意圖； 圖2為本發明的乙醇胺脫硫脫碳一體化原理示意圖。 其中I-煙道氣餘熱利用系統；II-捕集二氧化碳二氧化硫系統；III-壓縮機級 間冷卻熱量利用系統；1-吸收塔；2_富液循環泵；3-貧富液換熱器；4_貧液循環泵；5_再 沸器；6-再生塔；Cl-第一冷凝器；C2-第二冷凝器；C3 C6-級間冷凝器；SC3 SC6-級 間換熱器；SCl-富液預熱器；SC2_再沸器前置換熱器；CP1 CP4-壓縮機；Di-分流器； Mix-混合器；BMED-雙極膜電解；Sp-氣液分離罐；V-閥。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述 參見圖l，本系統包括3部分組成，分別是煙道氣餘熱利用系統1、捕集二氧化碳
和二氧化硫系統II和壓縮機級間冷卻熱量利用系統III。其中煙道氣餘熱利用系統1、捕 集二氧化碳和二氧化硫系統II和壓縮機級間冷卻熱量利用系統III通過管道連接為一體
化淨化系統；電廠煙道氣經管道進入煙道氣餘熱利用系統I交換熱量後經管道進入捕集二
氧化碳和二氧化硫系統II，捕集二氧化碳和二氧化硫系統II利用醇胺溶液反應吸收電廠 煙道氣中的二氧化硫和二氧化碳，並將產生的二氧化碳氣體和富液分別通過管道輸送給壓 縮機級間冷卻熱量利用系統III，壓縮機級間冷卻熱量利用系統III壓縮二氧化碳並使壓 縮後的二氧化碳與從捕集二氧化碳和二氧化硫系統II來的富液進行熱交換，熱交換後的
富液經過管道回到捕集二氧化碳和二氧化硫系統II中；所述煙道氣餘熱利用系統I中的電
廠煙道氣與捕集二氧化碳和二氧化硫系統II中的貧液進行熱交換。以下具體描述各系統的設備組成以及連接關係 煙道氣餘熱利用系統I :包括富液預熱器SCI和再沸器前置換熱器SC2。
捕集二氧化碳和二氧化硫系統II :包括吸收塔1、再生塔6、貧富液換熱器3、第一
冷凝器Cl、第二冷凝器C2、富液循環泵2、貧液循環泵4、氣液分離罐Sp和再沸器5。其中
吸收塔1和再生塔6均為填料塔，填料塔中的吸收溶劑為乙醇胺溶液MEA。貧富液換熱器3
和第一冷凝器Cl均採用不鏽鋼管殼式。富液循環泵2和貧液循環泵4均採用防腐蝕的氟
塑料泵。 壓縮機級間冷卻熱量利用系統III :由壓縮機CP1-CP4、級間換熱器SC3-SC6和級 間冷凝器C3-C6通過管道連接而成的四級壓縮換熱裝置以及分流器Di和混合器Mix組成。
以上各設備分別通過管道相互連接，具體連接為再沸器前置換熱器SC2的管程 出口與富液預熱器SC1的管程進口連接，富液預熱器SC1的管程出口與吸收塔l的氣體入 口 B連接，吸收塔1下端的富液出口 C與富液預熱器SC1的殼程入口連接，富液預熱器SC1 的殼程出口通過富液循環泵2與貧富液換熱器3的管程入口連接，貧富液換熱器3的殼程 出口通過第一冷凝器Cl與吸收塔1的貧液入口 A連接，貧富液換熱器3的管程出口與分流 器Di的入口連接，貧富液換熱器3的殼程入口與貧液循環泵4的出口連接，貧液循環泵4 的入口與再生塔6底部的貧液出口連接；再生塔6的蒸汽入口 E與再沸器5的出口連接，再 沸器5的入口與再沸器前置換熱器SC2的殼程出口連接，再沸器前置換熱器SC2的殼程入 口與再生塔6的貧液出口連接；再生塔6的上方與第二冷凝器C2和氣液分離罐Sp通過管 道連接為氣液分離迴路(即第二冷凝器C2的進口通過管道接於再生塔6頂端，第二冷凝器 C2的出口通過管道與氣液分離罐Sp的氣液混合進口連接，氣液分離罐Sp的液體出口與再 生塔6上端的液體進口連接)，氣液分離罐Sp的氣體出口與壓縮機CP1的進氣口連接；再 生塔6的富液入口 D與混合器Mix的出口連接。如圖1中所示，在壓縮機級間冷卻熱量利 用系統III中，四個壓縮機CP1-CP4、四個級間換熱器SC3-SC6和四個級間冷凝器C3-C6通 過管道採用常用的四級連接方式，分流器Di的出口通過管道分別與四個級間冷凝器C3-C6 的管程入口連接，四個級間冷凝器C3-C6的管程出口匯集後與混合器Mix的入口連接。所 述貧液循環泵4的進口側還設有閥V，閥V的一端與雙極膜電解裝置BMED連接。
綜上所述，煙道氣餘熱利用系統I回收電廠煙道氣的能量，提升進入再沸器5的 再生液溫度，減少蒸汽消耗量。壓縮機級間冷卻熱量利用系統III則是利用四個壓縮機 CP1-CP4壓縮二氧化碳至所需高壓時的熱量從而通過四個級間換熱器SC3-SC6加熱富液， 減少富液在再生塔6中再生時的顯熱需求量。這兩部分系統使整個煙道氣淨化系統達到節 能的要求。在捕集二氧化碳和二氧化硫系統II的吸收塔1中同時利用醇胺溶液反應吸收 二氧化硫和二氧化碳(如圖2所示)，達到一體化脫硫脫碳的目的。下面詳細闡述這三系統 耦合的電廠脫出二氧化碳和二氧化硫的工作原理與工作流程。
本發明的工作過程如下 電廠的煙道氣經過煙道氣餘熱利用系統I中再沸器前置換熱器SC2的管程加熱再 沸器前置換熱器SC2殼程中的再生液，回收煙道氣高溫部分熱量，溫度降低的煙道氣流入 富液預熱器SC1的管程加熱從吸收塔1富液出口管C流出的富液之後通過吸收塔1氣體入 口 B進入吸收塔1被分離脫除其中的二氧化碳和二氧化硫(原理如圖2所示)，反應後的富 液從吸收塔1底部富液出口 C流出經過富液預熱器SC1的殼程吸收熱量後由富液循環泵2輸送經過貧富液換熱器3的管程吸收貧液熱量，然後經過分流器Di分成多股支流富液分別 經過壓縮機級間冷卻熱量利用系統III中的級間換熱器SC3-SC6的殼程，富液吸收壓縮機 級間熱量之後，再由混合器Mix混合後通過再生塔6的富液入口 D流入再生塔6，其中乙醇 胺碳酸鹽溶液由再沸器5產生的蒸汽通過蒸汽入口 E進入再生塔6提供熱量再生，而乙醇 胺硫酸鹽則是在打開閥V之後通過雙極膜電解BMED再生，再生後的乙醇胺溶液通過貧液循 環泵4流入貧富液換熱器3的殼程，貧液在第一冷凝器C1的殼程中經過其管程中的水冷卻 之後通過吸收塔l的貧液入口 A流入吸收塔l，完成一個循環。本發明的系統為燃燒後脫出 系統(Post-combustion)，該系統可以連續循環運行。 綜上所述，本發明採用吸收塔1內的二氧化碳和二氧化硫與乙醇胺溶液吸收反應 系統為整個系統的核心基礎部分。乙醇胺溶液與二氧化碳反應生成乙醇胺碳酸鹽溶液，該 過程受煙道氣中二氧化硫影響較小，因為二氧化硫含量相對二氧化碳含量非常小。乙醇胺 溶液與二氧化硫的反應主要基於乙醇胺、二氧化硫、氧氣和水之間發生的乙醇胺溶液的氧 化降解原理，最終反應產物為乙醇胺硫酸鹽溶液(如圖2所示)。
權利要求
一種電廠煙道氣脫硫脫碳的一體化淨化系統，包括煙道氣餘熱利用系統(I)、捕集二氧化碳和二氧化硫系統(II)和壓縮機級間冷卻熱量利用系統(III)，其特徵在於所述煙道氣餘熱利用系統(I)、捕集二氧化碳和二氧化硫系統(II)和壓縮機級間冷卻熱量利用系統(III)通過管道連接為一體化淨化系統；所述電廠煙道氣經管道進入煙道氣餘熱利用系統(I)交換熱量後經管道進入所述捕集二氧化碳和二氧化硫系統(II)，所述捕集二氧化碳和二氧化硫系統(II)利用醇胺溶液反應吸收電廠煙道氣中的二氧化硫和二氧化碳，並將產生的二氧化碳氣體和富液分別通過管道輸送給壓縮機級間冷卻熱量利用系統(III)，所述壓縮機級間冷卻熱量利用系統(III)壓縮二氧化碳並使壓縮後的二氧化碳與從捕集二氧化碳和二氧化硫系統(II)來的富液進行熱交換，熱交換後的富液經過管道回到捕集二氧化碳和二氧化硫系統(II)中；所述煙道氣餘熱利用系統(I)中的電廠煙道氣與捕集二氧化碳和二氧化硫系統(II)中的貧液進行熱交換。
2. 根據權利要求1所述的電廠煙道氣脫硫脫碳的一體化淨化系統，其特徵在於所述煙道氣餘熱利用系統(I)包括富液預熱器(SCI)和再沸器前置換熱器(SC2);所述捕集二氧化碳和二氧化硫系統ai)包括吸收塔a)、再生塔(e)、貧富液換熱器(3)、第一冷凝器(Cl)、第二冷凝器(C2)、富液循環泵(2)、貧液循環泵(4)、氣液分離罐(Sp)和再沸器(5); 所述壓縮機級間冷卻熱量利用系統(III)由壓縮機(CP1-CP4)、級間換熱器(SC3-SC6)和級 間冷凝器(C3-C6)通過管道連接而成的四級壓縮換熱裝置以及分流器(Di)和混合器(Mix) 組成。
3. 根據權利要求1所述的電廠煙道氣脫硫脫碳的一體化淨化系統，其特徵在於所述 再沸器前置換熱器(SC2)的管程出口與富液預熱器(SC1)的管程進口連接，富液預熱器 (SC1)的管程出口與吸收塔(1)的氣體入口 (B)連接，吸收塔(1)下端的富液出口 (C)與富 液預熱器(SC1)的殼程入口連接，富液預熱器(SC1)的殼程出口通過富液循環泵(2)與貧 富液換熱器(3)的管程入口連接，貧富液換熱器(3)的殼程出口通過第一冷凝器(Cl)與吸 收塔(1)的貧液入口 (A)連接，貧富液換熱器(3)的管程出口與分流器(Di)的入口連接， 貧富液換熱器(3)的殼程入口與貧液循環泵(4)的出口連接，貧液循環泵(4)的入口與再 生塔(6)底部的貧液出口連接；再生塔(6)的蒸汽入口 (E)與再沸器(5)的出口連接，再沸 器(5)的入口與再沸器前置換熱器(SC2)的殼程出口連接，再沸器前置換熱器(SC2)的殼 程入口與再生塔(6)的貧液出口連接；再生塔(6)的上方與第二冷凝器(C2)和氣液分離罐 (Sp)通過管道連接為氣液分離迴路，氣液分離罐(Sp)的氣體出口與壓縮機(CP1)的進氣口 連接；再生塔(6)的富液入口 (D)與混合器(Mix)的出口連接。
4. 根據權利要求3所述的電廠煙道氣脫硫脫碳的一體化淨化系統，其特徵在於所述 貧液循環泵(4)的進口側設有閥(V)，閥(V)的一端與雙極膜電解裝置(BMED)連接。
5. 根據權利要求3所述的電廠煙道氣脫硫脫碳的一體化淨化系統，其特徵在於所述 吸收塔(1)和再生塔(6)均為填料塔，填料塔中的吸收溶劑為乙醇胺溶液(MEA)。
6. 根據權利要求3所述的電廠煙道氣脫硫脫碳的一體化淨化系統，其特徵在於所述 貧富液換熱器(3)和第一冷凝器(Cl)均為不鏽鋼管殼式。
7. 根據權利要求3所述的電廠煙道氣脫硫脫碳的一體化淨化系統，其特徵在於所述 富液循環泵(2)和貧液循環泵(4)均採用防腐蝕的氟塑料泵。
全文摘要
本發明公開了一種電廠脫硫脫碳一體化淨化系統，包括煙道氣餘熱利用系統、捕集二氧化碳和二氧化硫系統、壓縮機級間冷卻熱量利用系統三部分。煙道氣餘熱利用系統將電廠煙道氣的一部分熱量用於加熱再生液，減少熱再生過程蒸汽消耗量；另一部分熱量加熱吸收塔出口富液。捕集二氧化碳和二氧化硫系統由吸收塔和再生塔，輔以泵和換熱器，完成二氧化碳和二氧化硫的吸收和再生過程。過程中採用常規的乙醇胺作為吸收劑。二氧化碳和二氧化硫同時在吸收塔中脫除。壓縮機級間冷卻熱量通過加熱富液進行回收利用，降低熱再生過程顯熱需求量。本發明同時利用了煙道氣餘熱和壓縮機級間熱，將脫硫和脫碳一體化進行，具有清潔、高效、節能、脫硫脫碳率高等特點。
文檔編號B01D53/50GK101703880SQ20091021872
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月2日 優先權日2009年11月2日
發明者餘雲松, 盧紅芳, 姜鈞, 張早校, 李雲, 李青 申請人:西安交通大學