專利名稱：一種基于IGCC的燃燒前CO₂高效捕集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種基于IGCC的燃燒前CO2高效捕集裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型屬于潔凈煤發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于IGCC的燃燒前CO2高效捕集>J-U ρ α裝直。
背景技術(shù)：
[0002]以氣候變化為核心的全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，削減溫室氣體排放以減緩氣候變化成為當(dāng)今國際社會關(guān)注的熱點。在眾多溫室氣體減排方案中，碳捕集與封存技術(shù)是一項新興的、具有大規(guī)模減排潛力的技術(shù)，有望實現(xiàn)化石能源使用的CO2低碳排放。[0003]目前CO2捕集技術(shù)路線主要有三種燃燒后捕集技術(shù)、富氧燃燒技術(shù)和燃燒前捕集技術(shù)。燃燒后捕集主要應(yīng)用于傳統(tǒng)燃煤電廠煙道氣中CO2的分離，采用MEA (—乙醇胺)溶液將低CO2濃度煙氣中的CO2吸收并提高到一定濃度，氣體處理量大，需要消耗大量的蒸汽和電能。[0004]富氧燃燒CO2捕集技術(shù)技術(shù)用空氣分離獲得的O2和一部分鍋爐煙氣循環(huán)氣構(gòu)成的混合氣體代替空氣作為化石燃料燃燒時的氧化劑，來保持熔爐中的溫度低于可承受點，提高燃燒煙氣中CO2濃度。富氧燃燒系統(tǒng)中，由于CO2濃度較高，因此捕獲分離的成本較低，但是供給的富氧成本很高。[0005]IGCC (整體煤氣化聯(lián)合循環(huán))是集成煤氣化與燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)的清潔高效發(fā)電技術(shù)，也是能夠經(jīng)濟方便地開展CO2捕集與封存的燃煤發(fā)電技術(shù)。一方面，IGCC電廠的發(fā)電效率較高，IGCC比同容量常規(guī)電廠生產(chǎn)每單位電力所排放的CO2量可減少10-15%，而且隨著燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)的效率的提升，單位CO2排放量還可以進一步降低；另一方面，在IGCC 系統(tǒng)中，可將合成氣的CO通過變換反應(yīng)生成H2和CO2,從而將CO2的濃度提高到35-45%，并且具有較高的壓力，便于CO2的分離回收及利用，降低能耗。因此，基于IGCC的燃燒前捕集 CO2技術(shù)路線在能耗方面相比燃燒前CO2捕集技術(shù)與富氧燃燒CO2捕集技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，加上IGCC系統(tǒng)本身具有很大的效率提升空間以及捕集產(chǎn)生出的H2也能通過采用先進的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進一步提高效率，其在減少效率損失方面的優(yōu)勢將會更加突出。發(fā)明內(nèi)容[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種基于IGCC的燃燒前CO2高效捕集裝置，該系統(tǒng)CO2捕集率高，能耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)潔凈煤發(fā)電系統(tǒng)的低碳排放。[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是[0008]一種基于IGCC的燃燒前CO2高效捕集裝置，包括[0009]耐硫變換系統(tǒng)，包括變換爐4，變換爐4接蒸汽以及出IGCC系統(tǒng)氣化爐的煤氣合成氣，將煤氣合成氣中的CO轉(zhuǎn)化為以CO2-H2為主的混合氣體；[0010]MDEA脫硫脫碳系統(tǒng)，包括吸收塔14和解吸塔18，吸收塔14接出耐硫變換系統(tǒng)的混合氣體，將其中的CO2和H2S氣體吸收，解吸塔18接出吸收塔14的含CO2和H2S富液，將 CO2和H2S解吸出來；[0011]硫碳分離系統(tǒng)，包括脫硫凈化器24，25，脫硫凈化器24，25接出解吸塔18的CO2和 H2S氣體，再經(jīng)H2S —級吸收器26和H2S 二級吸收器27將H2S氣體吸收，最終得到CO2氣體。[0012]所述變換爐4分為四段，一段二段為一體，三段四段為一體，其中二段出口依次通過第一換熱器3和第二噴霧增濕器6接三段入口，出IGCC系統(tǒng)氣化爐的煤氣合成氣在第一換熱器3中換熱升溫后與蒸汽混合接入到一段入口，一段出口與二段入口之間接第一噴霧增濕器5，三段出口與四段入口之間接第三噴霧增濕器7。[0013]所述吸收塔14為MDEA貧液半貧液吸收塔，所述以CO2-H2為主的混合氣體出變換爐4后接入第二分水器10，第二分水器10的出口接氣提塔11，氣提塔11的出氣口接吸收塔 14的底部，自下而上先與半貧液逆流接觸，在填料表面上發(fā)生傳質(zhì)傳熱反應(yīng)，大部分的CO2 和H2S在此被吸收，氣體繼續(xù)向上進入貧液吸收段，在貧液作用下，剩余CO2和H2S被吸收。[0014]出吸收塔14的氣體經(jīng)第四換熱器15和第一分液器16后送入燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)或金屬鈀膜氫氣提純系統(tǒng)。[0015]所述MDEA脫硫脫碳系統(tǒng)還包括再生塔21，吸收塔14的出液口與再生塔21的出液口之間設(shè)置貧富液換熱器17將出吸收塔14的含CO2和H2S富液與來自再生塔21底的貧液進行熱量交換，之后的富液才進入到解吸塔18。[0016]所述解吸塔18的一個出液口接吸收塔14中部入口，另一個出液口接至再生塔21 的頂部入口，再生塔21下部接重沸器22，再生塔21的出液口經(jīng)貧富液換熱器17后接至吸收塔14的頂部入口。[0017]所述H2S 二級吸收器27的出液口接再生槽28的底部入口，再生槽28底部接有送氣裝置，再生槽28的上部出液口接硫泡沫槽29，硫泡沫槽29接有硫磺過濾器30。[0018]本實用新型所述系統(tǒng)中變換過程未反應(yīng)的工藝?yán)淠好撍釟夂笕炕赜?，?jié)約鍋爐水用量，變換系統(tǒng)二段出口氣體預(yù)熱合成氣，變換四段出口氣體加熱MDEA富液再生，節(jié)約蒸汽用量，降低系統(tǒng)能耗。本實用新型變換系統(tǒng)采用爐外噴霧增濕降溫方法，減少蒸汽用量，降低能耗。本實用新型采用貧液/半貧液MDEA同時脫除CO2和H2S的方法、提高CO2捕集率，降低再生能耗，系統(tǒng)能耗低于2. OGJ/t C02。[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型通過將耐硫變換、MDEA脫硫脫碳、濕法氧化脫硫方法相結(jié)合的工藝，先將煤氣合成氣中的CO轉(zhuǎn)化為CO2和H2，先將CO2和H2S同時脫除，最后脫除H2S的方法，提高系統(tǒng)的CO2捕集率，減少了溫室氣體的排放，保護人類環(huán)境；同時通過系統(tǒng)集成，充分利用系統(tǒng)內(nèi)部的能量，減少外界蒸汽與給水的消耗，降低系統(tǒng)能耗。


[0020]附圖是本實用新型捕集裝置流程示意圖。
具體實施方式
[0021]
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步詳細(xì)說明。[0022]如附圖所示，本實用新型的系統(tǒng)包括過濾器1，第一分水器2，第一換熱器3，變換爐4，第一增濕器5，第二增濕器6、第三增濕器7，給水預(yù)熱器9，第二分水器10，氣提塔11，給水罐12，第三換熱器13，吸收塔14，第二換熱器15，第一分液器16，貧富液換熱器17，解吸塔18，第一溶液儲槽19，第二溶液儲槽20，再生塔21，重沸器22，第二分液器23，脫硫凈化器24、25,H2S —級吸收器26,H2S 二級吸收器27，再生槽28，硫泡沫槽29，硫磺過濾器30， 容液槽31。[0023]過濾器I接IGCC系統(tǒng)氣化爐產(chǎn)生的煤氣合成氣,第一分水器2接蒸汽,過濾器I、 第一分水器2以及各個增濕器之間設(shè)置第一換熱器3，過濾器I和第一分水器2均接入變換爐4，變換爐4分為四段，一段二段為一體，三段四段為一體，其中二段出口依次通過第一換熱器3和第二噴霧增濕器6接三段入口，出IGCC系統(tǒng)氣化爐的煤氣合成氣在第一換熱器3 中換熱升溫后與蒸汽混合接入到一段入口，一段出口與二段入口之間接第一噴霧增濕器5， 三段出口與四段入口之間接第三噴霧增濕器7。[0024]變換爐4的四段出口接第二分水器10，二者之間設(shè)置給水預(yù)熱器9和第三換熱器 13，第二分水器10的出口接氣提塔11，氣提塔11下端接給水罐12，氣提塔11的出氣口接吸收塔14的底部。[0025]出吸收塔14的氣體經(jīng)第四換熱器15和第一分液器16后送入燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)或金屬鈀膜氫氣提純系統(tǒng)。吸收塔14的出液口與再生塔21的出液口之間設(shè)置貧富液換熱器17，吸收塔14的富液進入到解吸塔18，解吸塔18的頂部入口連接有第一溶液儲槽19和第二溶液儲槽20。解吸塔18的一個出液口接吸收塔14中部入口，另一個出液口接至再生塔21的頂部入口，再生塔21下部接重沸器22，再生塔21的出液口經(jīng)貧富液換熱器17后接至吸收塔14的頂部入口。解吸塔18的頂部出口通過第二分液器23接脫硫凈化器24、25， 脫硫凈化器24、25的出口接H2S —級吸收器26和H2S 二級吸收器27，H2S —級吸收器26和 H2S 二級吸收器27的出口接再生槽28，再生槽28接硫泡沫槽29，硫泡沫槽29底部出口接硫磺過濾器30，硫磺過濾器30接容液槽31。[0026]本實用新型工作過程如下[0027]IGCC系統(tǒng)氣化爐產(chǎn)生的煤氣合成氣經(jīng)過除塵和水洗后首先進入過濾器1，除去合成氣中的少量煙塵，之后進入第一換熱器3與變換爐4的二段出口氣體換熱升溫，被二段出口來的高溫反應(yīng)氣加熱至200°C，然后與經(jīng)第一分水器2的中壓飽和蒸汽混合進入變換爐4 的一段，一段出口氣體進入第一噴霧增濕器5，增濕后進入變換爐4的二段。二段出口反應(yīng)氣在第一換熱器3經(jīng)熱回收后進入第二噴霧增濕器6，換熱降溫后經(jīng)噴霧增濕進入變換爐4 的三段，出三段反應(yīng)氣再進入第三增濕器7增濕后進入變換爐4的四段，出四段反應(yīng)氣溫度 265°C、C0濃度小于1%。[0028]出變換爐4的四段反應(yīng)氣經(jīng)給水預(yù)熱器9和第三換熱器13降溫后進入第二分水器10，分離出來的酸性水經(jīng)氣提塔11后產(chǎn)生的水進入給水罐12，與外補鍋爐水合并經(jīng)給水預(yù)熱器9升溫后送至第一增濕器5，第二增濕器6、第三增濕器7。出第二分水器10的氣體溫度降至40°C左右，進入吸收塔14的底部，自下而上先與半貧液逆流接觸，在填料的表面上發(fā)生傳質(zhì)傳熱反應(yīng)，大部分的CO2和H2S在此被吸收，出吸收塔的氣體大約55°C，氣體繼續(xù)向上進入貧液吸收段，在貧液作用下，剩余CO2和H2S絕大部分被吸收，出吸收塔的氣體經(jīng)第二換熱器15,第一分液器16后送到燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)或金屬鈕膜氫氣提純系統(tǒng),經(jīng)金屬鈀膜氫氣提純系統(tǒng)可得到純度高于99. 9%的氫氣。[0029]從吸收塔14底部出來的富液與來自再生塔21底的貧液在貧富液換熱器17內(nèi)進5行熱量交換后，進入常壓解吸塔18將大部分的CO2和H2S解吸出來，并變?yōu)榘胴氁?，從塔底出來分為兩部分大部分的半貧液直接送到吸收?4中部，剩余部分升壓并與變換爐4的四段出口變換氣在第三換熱器13內(nèi)換熱后送至再生塔21頂部，溶液自上而下流動，與來自重沸器22的水蒸汽接觸，使溶液中剩余的CO2和H2S全部解吸出來，達到徹底再生的目的。 出再生塔21底部的貧液經(jīng)過貧富液換熱器17送至吸收塔14的頂部，出常壓解吸塔18頂部的氣體經(jīng)過第二分液器23后送入脫硫凈化器24、25進行H2S的吸附與再生。在其中混合氣體中的H2S被吸附，第一個脫硫凈化器頂部出來的CO2氣中H2S濃度低于200ppm，送CO2 壓縮液化工段，CO2的捕集率高于90%。被吸附的H2S在另一個脫硫凈化器內(nèi)解吸后，送入濕法脫硫設(shè)備的吸收混合器與一級脫硫貧液接觸。而脫硫凈化器24、25內(nèi)未吸附的氣體進入后續(xù)的CO2壓縮液化系統(tǒng)。吸收混合器由H2S —級吸收器26和H2S 二級吸收器27組成，氣體先進入H2S —級吸收器26，將2. 5%的硫化氫脫除至3000ppm左右，再進入H2S 二級吸收器27底部，與塔頂噴淋的脫硫液逆流接觸，氣體中的H2S被脫硫液吸收脫除至13ppm合格放空。脫硫富液進入自吸空再生槽28，空氣隨脫硫液自下而上與脫硫液再次逆流接觸，使溶液中的硫化物、硫氫化物氧化為單質(zhì)硫，并被上行的空氣帶到再生槽28上部液面形成硫泡沫，被氧化再生后的溶液從再生槽進入硫泡沫槽29，當(dāng)達到一定液位后送到過濾器30中過濾，得到含有一定水分的硫磺餅，濾液回流到容液槽31。[0030]變換部分的原理是是在催化劑的作用下，在一定的溫度(高于催化劑的起始活性溫度)條件下，CO和水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，將CO轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳。[0031]MDEA脫硫脫碳部分的原理是在在低溫(20°C 40°C )時弱堿性的甲基二乙醇胺可同時與變換氣中弱酸性氣體H2S和CO2反應(yīng)生成水溶性胺鹽(即吸收過程)，在高溫(> 105°C )下胺鹽又分解成H2S和CO2及甲基二乙醇胺(即解吸再生過程)，使MDEA得以再生，循環(huán)使用。[0032]MDEA溶液吸收H2S和CO2發(fā)生的主要反應(yīng)[0033]H2S R2NCH3 — R2NH+CH3+HS-(I)[0034]C02+H20+R2NCH3 — R2NH+CH3+HC(V(2)[0035]MDEA和H2S的反應(yīng)是受氣膜控制的瞬時化學(xué)反應(yīng)，而MDEA和CO2無直接的反應(yīng)， 只能與其水溶液溶液進行反應(yīng)，這個反應(yīng)與CO2在水中的溶解度有很大關(guān)系，這種反應(yīng)機理上的巨大差別造成了反應(yīng)的速率的不同，構(gòu)成了 MDEA優(yōu)先選擇性吸收H2S的基礎(chǔ)。[0036]反應(yīng)(2)由于MDEA缺少自由氫離子，不能和CO2直接反應(yīng)。必須先經(jīng)過C02水解產(chǎn)生H+。然后MDEA再與溶液中的H+結(jié)合成R2NH+CH3，由于水解速度慢，需要足夠的停留時間和接觸面積才能充分反應(yīng)，整個吸收過程受到了反應(yīng)速率的限制?？稍贛DEA溶液中加入活化劑(如R2NH)后，反應(yīng)就按下式進行[0037]R2NH+C02==R2NC00H(3)[0038]r2ncooh+r2nch3+h2o==r2nh+r2ch3nh++hccv (4)[0039](3) + (4)總反應(yīng):[0040]R2NCH3+C02+H20==R2CH3NH++HC(V(5)[0041]由式(3) (5)可知，活化劑吸收了 C02，向液相傳遞CO2，大大加快了反應(yīng)速度，而 MDEA又被再生。[0042]濕法直接氧化脫硫原理是氣體中的H2S溶于脫硫液后，首先與脫硫液中的堿反應(yīng)[0043]H2S (氣相)=H2S (液相)(6)[0044]H2S+Na2C03=NaHS+NaHC03(7)[0045]RSH+Na2C03=RSNa+NaHC03(8)[0046]在催化劑作用下，生成的硫氫化鈉又與溶液中的氧發(fā)生氧化析硫反應(yīng)，生成單質(zhì)硫和碳酸鈉。在脫硫塔內(nèi)由于帶入氧含量不足，溶液中生成的單質(zhì)硫是不多的，所以當(dāng)溶液吸收了足量的硫化氫后，溶液就失去了繼續(xù)吸收硫化氫的能力。為恢復(fù)溶液吸收硫化氫的能力，就必須對溶液進行再生，再生過程主要發(fā)生氧化析硫反應(yīng)[0047]NaHS+NaHC03+l/203 = Na2C03+H20+S(9)[0048]2RSNa+2NaHC03+l/203 = 2Na2C03+H20+S(10)[0049]副反應(yīng)NaHS+203= Na2S203+H20(11)[0050]在空氣與液相的相對劇烈運動下，析出的單質(zhì)硫相互凝聚，并隨上升氣流浮出液面，離開循環(huán)脫硫液，從而使脫硫液又重新具有吸收硫化氫的能力。[0051]本實用新型捕集基于IGCC系統(tǒng)的煤氣合成氣中CO2的原理是先將合成氣中的CO 通過耐硫變換過程轉(zhuǎn)化為CO2和H2，變換氣體中含有的H2S必須除去以降低對后續(xù)工藝設(shè)備的腐蝕，為了提高CO2捕集率，采用向MDEA溶液中添加活化劑的方法將H2S和CO2同時脫除， 再利用濕法直接氧化法脫除H2S,達到捕集CO2的目的，CO2捕集率高于90%。在本實施例中， 充分利用變換過程放出的熱量，用來加熱初始合成氣、預(yù)熱給水，加熱MDEA富液等，而且變換過程產(chǎn)生的酸性水經(jīng)回收后繼續(xù)用于變換反應(yīng)，這些措施降低了系統(tǒng)對蒸汽、給水的的消耗，系統(tǒng)能耗低于2. 0GJ/tC02.[0052]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種基于IGCC的燃燒前CO2高效捕集裝置，包括 耐硫變換系統(tǒng)，包括變換爐(4)，變換爐(4)接蒸汽以及出IGCC系統(tǒng)氣化爐的煤氣合成氣，將煤氣合成氣中的CO轉(zhuǎn)化為以CO2-H2為主的混合氣體； 其特征在于，還包括 MDEA脫硫脫碳系統(tǒng)，包括吸收塔(14)和解吸塔(18)，吸收塔(14)接出耐硫變換系統(tǒng)的混合氣體，將其中的CO2和H2S氣體吸收，解吸塔(18)接出吸收塔(14)的含CO2和H2S富液，將CO2和H2S解吸出來； 硫碳分離系統(tǒng)，包括脫硫凈化器(24，25)，脫硫凈化器(24，25)接出解吸塔(18)的CO2和H2S氣體，再經(jīng)H2S —級吸收器(26)和H2S 二級吸收器(27)將H2S氣體吸收，最終得到CO2氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的捕集裝置，其特征在于，所述變換爐(4)分為四段，一段二段為一體，三段四段為一體，其中二段出口依次通過第一換熱器(3)和第二噴霧增濕器(6)接三段入口，出IGCC系統(tǒng)氣化爐的煤氣合成氣在第一換熱器(3)中換熱升溫后與蒸汽混合接入到一段入口，一段出口與二段入口之間接第一噴霧增濕器(5)，三段出口與四段入口之間接第三噴霧增濕器(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的捕集裝置，其特征在于，所述吸收塔(14)為MDEA貧液半貧液吸收塔，所述以CO2-H2為主的混合氣體出變換爐(4)后接入第二分水器(10)，第二分水器(10 )的出液口接氣提塔(11)，氣提塔(11)的出氣口接吸收塔(14 )的底部，自下而上先與半貧液逆流接觸，在填料表面上發(fā)生傳質(zhì)傳熱反應(yīng)，大部分的CO2和H2S在此被吸收，氣體繼續(xù)向上進入貧液吸收段，在貧液作用下，剩余CO2和H2S被吸收。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的捕集裝置，其特征在于，出吸收塔(14)的氣體經(jīng)第四換熱器(15)和第一分液器(16)后送入燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)或金屬鈕膜氫氣提純系統(tǒng)。
專利摘要一種基于IGCC的燃燒前CO2高效捕集裝置，包括耐硫變換系統(tǒng)，在變換爐中將煤氣合成氣中的CO轉(zhuǎn)化為以CO2-H2為主的混合氣體；MDEA脫硫脫碳系統(tǒng)，包括吸收塔和解吸塔，吸收塔接出耐硫變換系統(tǒng)的混合氣體，將其中的CO2和H2S氣體吸收，解吸塔接出吸收塔的含CO2和H2S富液，將CO2和H2S解吸出來；硫碳分離系統(tǒng)，包括脫硫凈化器，脫硫凈化器接出解吸塔的CO2和H2S氣體，再經(jīng)H2S吸收器將H2S氣體吸收，最終得到CO2氣體，本實用新型應(yīng)用貧液-半貧液MDEA法同時脫除CO2與H2S，提高CO2的吸收率，降低向大氣的排放；充分利用煤氣變換過程產(chǎn)生的熱量加熱MDEA富液的再生，降低中壓蒸汽的消耗。
文檔編號C10K3/04GK202808740SQ201220383998
公開日2013年3月20日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者許世森, 程健, 徐越, 王保民, 任永強, 夏軍倉, 李晨, 張瑞云 申請人:中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司