專利名稱：采用跨臨界二氧化碳熱泵為ccs提供熱量的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源利用和燃煤發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種采用跨臨界二氧化碳熱泵為i;然;):某
電廠ccs (二氧化碳捕獲與封存)提供熱量的系統(tǒng)。具體的說是將跨臨界二氧化碳高溫?zé)?br> 泵裝置應(yīng)用于燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳的系統(tǒng)中，從而提高燃煤電廠化學(xué)吸收法 捕獲二氧化碳的經(jīng)濟性，并且能夠減少燃煤電廠的水消耗量，同時也實現(xiàn)了二氧化碳的資 源化利用。
背景技術(shù)：
二氧化碳等溫室氣體的減排已越來越受到國際社會的廣泛關(guān)注，己成為國際能源領(lǐng)域 研發(fā)的熱點。全球應(yīng)對氣候變化的核心是減少溫室氣體排放，其中主要是減少能源消費的 二氧化碳排放。燃煤電廠二氧化碳排放是我國溫室氣體的最主要排放源，約占我國二氧化
碳排放總量的50%。近年來，隨著火電裝機容量的迅速增多，燃煤電廠二氧化碳排放的絕 對數(shù)量和相對比例還將進一步增加。由于我國能源結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電為主，以及今后對燃煤 發(fā)電的長期投入，從燃煤煙氣中有效的脫除二氧化碳將刻不容緩。目前燃煤電廠捕獲煙氣 中二氧化碳的方法主要有吸收法、吸附法以及膜分離法等，化學(xué)吸收法是目前技術(shù)上最成 熟的方法。該方法捕獲二氧化碳所采用的化學(xué)吸收劑是在80-120'C解吸，現(xiàn)有加熱技術(shù)是 抽取蒸汽進行加熱，使發(fā)電效率大幅下降。而目前燃煤電廠汽輪機出口乏汽的冷凝廢熱一 般是采用通過濕式冷卻塔散熱，這樣不但浪費了大量能量，而且會對環(huán)境造成影響。 一方 面是抽取蒸汽加熱化學(xué)吸收劑造成發(fā)電效率下降，另一方面又浪費了大量的冷凝廢熱。因 此化學(xué)吸收法難以在燃煤電廠推廣應(yīng)用。
圖l所示為目前使用的典型燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如下引 風(fēng)機3的出口處與吸收塔4下部相連，吸收塔4下部與富液泵9進口處相連，富液泵9出 口處與換熱器8的通路m進口相連，換熱器8的通路m出口與再生塔10上部相連，再生 塔10下部與換熱器8的通路n進口相連，換熱器8的通路n出口與貧液泵7進口相連， 貧液泵7出口與水冷器6進口相連，水冷器6出口與吸收塔4上部相連。再生塔10中部
3(上)與煮沸器12進口 h相連，煮沸器12出口 f與再生塔10中部(下)相連。再生塔 10頂部與冷卻器11進口相連，冷卻器ll出口與分離器13進口相連。地下槽17與再生塔 IO上部相連。洗滌液儲液槽2與吸收塔4上部相連，如圖1所示。
圖1所示燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)，煙氣自下向上流經(jīng)吸收塔4，與從 上部入塔的吸收液形成逆流接觸，使二氧化碳得到脫除。凈化后的脫碳煙氣從塔頂排出。 吸收了酸氣的吸收液(富液)通過富液泵9加壓送至再生塔10。為減少富液再生時蒸汽的 消耗量，利用再生后的吸收溶液(貧液)的余熱對富液進行加熱，同時也達到冷卻再生溶 液的目的，富液和貧液在貧富液換熱器8中進行熱交換。富液從再生塔10上部進入，通 過汽提解吸部分二氧化碳，然后進入煮沸器12，被蒸汽16加熱，使其中的二氧化碳進一 歩解吸。解吸二氧化碳后的貧液由再生塔10底流出，經(jīng)貧富液換熱器8換熱后，用貧液 泵7送至水冷器6，冷卻后進入吸收塔4。溶劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸二氧化碳的 工藝過程。從再生塔10頂出來的二氧化碳及蒸汽混合物通過冷卻器11冷卻冷凝，經(jīng)由分 離器13汽水分離，冷凝水通過回流補液返回系統(tǒng)，分離出二氧化碳氣體進入后續(xù)的壓縮 處理程序。該系統(tǒng)，由于抽取蒸汽加熱化學(xué)吸收劑，使發(fā)電效率大幅下降。
另外，我國燃煤電廠用水中的效率低下和浪費觸目驚心， 一個30萬千瓦電站每小時 需要補充冷卻水500-2000噸，其中65%以上是通過冷卻塔排到大氣中。華北地區(qū)是我國重 要的工業(yè)生產(chǎn)基地，水資源只占全國的4.6%，人均占有量不足全國人均的l/5;而我國火 屯、冶金和石油化工等耗水行業(yè)多根據(jù)礦產(chǎn)資源條件分布在水資源相對缺乏的北方地區(qū)， 加劇了當?shù)厮Y源短缺的局面。缺水極大地限制了工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，也給人民生活造成了 很大影響，燃煤電廠節(jié)水工作刻不容緩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述系統(tǒng)的缺陷，提供一種采用跨臨界二氧化碳熱泵為ccs (二
氧化碳捕獲與封存)提供熱量的系統(tǒng)，采用跨臨界二氧化碳高溫?zé)岜醚b置，從燃煤電廠冷 凝廢熱中吸取熱量，通過熱泵循環(huán)提高二氧化碳溫度，使其能夠直接加熱燃煤電廠捕獲煙 氣中二氧化碳用的化學(xué)吸收劑，完成解吸過程。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案
采用跨臨界二氧化碳熱泵為ccs提供熱量的系統(tǒng)，包括跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)和燃
煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)兩個部分；
所述兩部分通過煮沸器12相連接；
4所述跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的壓縮機22出口與煮沸器12進口 g相連，煮沸器12 出口 e與內(nèi)部換熱器21通路d進口相連，內(nèi)部換熱器21通路d出口與節(jié)流閥19進口相 連，節(jié)流閥19出口與蒸發(fā)器20通路a進口相連，蒸發(fā)器20通路a出口與內(nèi)部換熱器21 通路c進口相連，內(nèi)部換熱器21通路c出口與壓縮機22進口相連，蒸發(fā)器20通路b出 口與凝汽器18進口 j相連，凝汽器18出口 i與蒸發(fā)器20通路b進口相連，凝汽器18進 口 k與汽輪機乏汽出口相連，凝汽器18出口 1與鍋爐冷凝水入口相連。
所述跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)釆用二氧化碳作為工質(zhì)，其工質(zhì)來源于煮沸器12中發(fā)生 的解吸反應(yīng)。
所述二氧化碳工質(zhì)在煮沸器12內(nèi)放熱降溫，加熱燃煤電廠捕獲煙氣中二氧化碳用的化 學(xué)吸收劑，使其完成解吸過程。
所述跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的熱量來源于汽輪機乏汽中的冷凝廢熱。
所述凝汽器18，用于汽輪機乏汽與冷卻水的換熱。
所述蒸發(fā)器20，用于來自于凝汽器18的出水與二氧化碳工質(zhì)的換熱。
所述內(nèi)部換熱器21，用于二氧化碳工質(zhì)與煮沸器中出來的高溫二氧化碳工質(zhì)換熱，增 加其過熱度，減少壓縮機功量。
所述壓縮機22出口的二氧化碳工質(zhì)溫度為80 140度。
所述煮沸器12即為跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的氣冷器。
本發(fā)明采用跨臨界二氧化碳高溫?zé)岜醚b置從冷凝廢熱中吸取熱量，用于加熱化學(xué)吸收 劑， 一方面避免了抽取蒸汽造成的發(fā)電效率下降，另一方面減少了冷凝廢熱排放對環(huán)境造 成的環(huán)境。另外，流經(jīng)濕式冷卻塔的冷卻水流量大大減小，降低了濕式冷卻塔的水消耗量， 起到了節(jié)水的效果，同時也實現(xiàn)了二氧化碳的資源化利用。


圖1為典型的燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)示意圖2為采用跨臨界二氧化碳熱泵的燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)示意圖。 l-除鹽水或再生氣冷凝水；2-洗滌液儲液槽；3-引風(fēng)機；4-吸收塔；5_脫碳煙氣；6水 冷器；7-貧液泵；8-換熱器；9-富液泵；10_再生塔；11_冷卻器；12-煮沸器/氣冷器；13-分離器；16-蒸氣進口； 17-地下槽；18-凝汽器；19-節(jié)流閥；20_蒸發(fā)器；21-內(nèi)部換熱
器；22-壓縮機
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖2進行說明。
圖2所示的采用跨臨界二氧化碳熱泵的燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)，引風(fēng) 機3的出口處與吸收塔4下部相連，吸收塔4下部與富液泵9進口處相連，富液泵9出口 處與換熱器8的通路m進口相連，換熱器8的通路m出口與再生塔10上部相連，再生塔 10下部與換熱器8的通路n進口相連，換熱器8的通路n出口與貧液泵7進口相連，貧液 泵7出口與水冷器6進口相連，水冷器6出口與吸收塔4上部相連。再生塔10中部(上) 與煮沸器12進口h相連，煮沸器12出口 f與再生塔10中部(下)相連。再生塔10頂部 與冷卻器11進口相連，冷卻器11出口與分離器13進口相連。地下槽17與再生塔10頂 部相連。洗滌液儲液槽2與吸收塔4上部相連。壓縮機22出口與煮沸器12進口 g相連， 煮沸器12出口 e與內(nèi)部換熱器21通路d進口相連，內(nèi)部換熱器21通路d出口與節(jié)流閥 19進口相連，節(jié)流閥19出口與蒸發(fā)器20通路a進口相連，蒸發(fā)器20通路a出口與內(nèi)部 換熱器21通路c進口相連，內(nèi)部換熱器21通路c出口與壓縮機22進口相連。蒸發(fā)器20 通路b出口與凝汽器18進口 j相連，凝汽器18出口 i與蒸發(fā)器20通路b進口相連。凝 汽器(18)進口 (k)與汽輪機乏汽出口相連，凝汽器(18)出口 (1)與鍋爐冷凝水入口 相連。
采用了跨臨界二氧化碳熱泵的燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)，煙氣自下向上 流經(jīng)吸收塔4，與從上部入塔的吸收液形成逆流接觸，使二氧化碳得到脫除。凈化后的脫 碳煙氣從塔頂排出。吸收了酸氣的吸收液(富液)通過富液泵9加壓送至再生塔10。為減 少富液再生時蒸汽的消耗量，利用再生后的吸收溶液(貧液)的余熱對富液進行加熱，同 時也達到冷卻再生溶液的目的，富液和貧液在貧富液換熱器8中進行熱交換。富液從再生 塔10上部進入，通過汽提解吸部分二氧化碳，然后進入煮沸器12，被來自壓縮機22的二 氧化碳工質(zhì)加熱，使富液中的二氧化碳進一步解吸。解吸二氧化碳后的貧液由再生塔10 底流出，經(jīng)貧富液換熱器8換熱后，用貧液泵7送至水冷器6，冷卻后進入吸收塔4。溶 劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸二氧化碳的工藝過程。從再生塔10頂出來的二氧化碳及 蒸汽混合物通過冷卻器ll冷卻冷凝，經(jīng)由分離器13汽水分離，冷凝水通過回流補液返回 系統(tǒng)，分離出二氧化碳氣體進入后續(xù)的壓縮處理程序。汽輪機乏汽流經(jīng)凝汽器18，與冷卻 水換熱。冷卻水被乏汽加熱后，流經(jīng)跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器20，與二氧化碳換 熱，將熱量傳給二氧化碳，使節(jié)流后的二氧化碳吸熱蒸發(fā)。二氧化碳吸熱后，流經(jīng)內(nèi)部換熱器21增加其過熱度，然后進入壓縮機22，出口的二氧化碳溫度達到120度。然后，高 溫的二氧化碳被送入煮沸器12，加熱化學(xué)吸收劑使其解吸，二氧化碳釋放熱量溫度降低。 二氧化碳流出煮沸器12后，進入內(nèi)部換熱器21進行回?zé)?，然后在?jié)流閥19絕熱節(jié)流， 接下來進入蒸發(fā)器20，完成熱泵循環(huán)。
發(fā)電機組按發(fā)電效率40%計算，燃煤發(fā)熱量為330/40%=825麗，排放的熱量為495麗。 機組CCS所需熱量約為165MW，如果用C0P=3. 5的熱泵，從冷凝廢熱中提取CCS所需的165MW 熱量，熱泵運轉(zhuǎn)需耗電47麗，發(fā)電廠輸出電量為330麗-47MW二283麗，發(fā)電效率由原來的 40%降為283麗/825MW^34. 3%，下降了 5.7%。采用濕式冷卻塔，冷凝廢熱495MW中，按冷
卻水進、出塔溫差8. 5'C計算，冷卻水流量為40032m:i/h，冷卻水散熱量為395MW;煙氣散
失量為IOOMW。冷卻水損失量約為400 600 mVh。
采用熱泵提取165MW用于CCS，冷卻水量由40032m7h減少為23310 mVh，循環(huán)流量 減少了 16722m7h,冷卻水損失量減少167 251 m7h，減少比例為41.8%。
權(quán)利要求
1、采用跨臨界二氧化碳熱泵為CCS提供熱量的系統(tǒng)，包括跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)和燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)兩個部分，其特征在于，所述兩部分通過煮沸器(12)相連接；所述跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的壓縮機(22)出口與煮沸器(12)進口(g)相連，煮沸器(12)出口(e)與內(nèi)部換熱器(21)通路(d)進口相連，內(nèi)部換熱器(21)通路(d)出口與節(jié)流閥(19)進口相連，節(jié)流閥(19)出口與蒸發(fā)器(20)通路(a)進口相連，蒸發(fā)器(20)通路(a)出口與內(nèi)部換熱器(21)通路(c)進口相連，內(nèi)部換熱器(21)通路(c)出口與壓縮機(22)進口相連，蒸發(fā)器(20)通路(b)出口與凝汽器(18)進口(j)相連，凝汽器(18)出口(i)與蒸發(fā)器(20)通路(b)進口相連，凝汽器(18)進口(k)與汽輪機乏汽出口相連，凝汽器(18)出口(1)與鍋爐冷凝水入口相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述采用跨臨界二氧化碳熱泵為CCS提供熱量的系統(tǒng)，其特征在于， 所述跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)采用二氧化碳作為工質(zhì)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述采用跨臨界二氧化碳熱泵為CCS提供熱量的系統(tǒng)，其特征在 于，所述二氧化碳工質(zhì)在煮沸器(12)內(nèi)放熱降溫，加熱燃煤電廠捕獲煙氣中二氧化 碳用的化學(xué)吸收劑，使其完成解吸過程。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述采用跨臨界二氧化碳熱泵為CCS提供熱量的系統(tǒng)，其特征在于，所述跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的熱量來源于汽輪機乏汽中的冷凝廢熱。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述采用跨臨界二氧化碳熱泵為CCS提供熱量的系統(tǒng)，其特征在于，所述凝汽器(18)，用于汽輪機乏汽與冷卻水的換熱。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述采用跨臨界二氧化碳熱泵為CCS提供熱量的系統(tǒng)，其特征在 于，所述蒸發(fā)器(20)，用于來自于凝汽器(18)的出水與二氧化碳工質(zhì)的換熱。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述采用跨臨界二氧化碳熱泵為CCS提供熱量的系統(tǒng)，其特征在 于，所述內(nèi)部換熱器(21)，用于二氧化碳工質(zhì)與煮沸器中出來的高溫二氧化碳工質(zhì)換 熱，增加其過熱度，減少壓縮機功量。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述采用跨臨界二氧化碳熱泵為CCS提供熱量的系統(tǒng)，其特征在 于，所述壓縮機(22)出口的二氧化碳工質(zhì)溫度為80 140度。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于能源利用和燃煤發(fā)電領(lǐng)域的采用跨臨界二氧化碳熱泵為CCS(二氧化碳捕獲與封存)提供熱量的系統(tǒng)。包括跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)和燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)兩個部分，通過煮沸器12將兩個部分連接成一個可節(jié)約能源的系統(tǒng)，燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳系統(tǒng)的煮沸器12即為跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的氣冷器，采用該熱泵裝置可提高燃煤電廠化學(xué)吸收法捕獲二氧化碳的經(jīng)濟性，并且能夠減少燃煤電廠的水消耗量。
文檔編號B01D53/18GK101485952SQ200910076649
公開日2009年7月22日 申請日期2009年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月12日
發(fā)明者姜培學(xué), 張富珍, 張有為, 王淑娟 申請人:清華大學(xué)