專利名稱：燃燒尾氣減排固碳與循環(huán)水封閉冷卻耦合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ニ氧化碳減排和節(jié)能節(jié)水技術(shù)領(lǐng)域，特別是尾氣余熱發(fā)電、ニ氧化碳礦化和循環(huán)水封閉冷卻相結(jié)合的方法。
背景技術(shù)：
エ業(yè)流程中由燃燒裝置排放> 130°C的含碳尾氣同時(shí)由涼水塔排放1(T35°C的水蒸汽的現(xiàn)象普遍存在，此類末端排放物占溫室氣體總量的1/3以上、排放的廢熱量約占所用一次能源量的1/2。現(xiàn)有生產(chǎn)方式視末端排放物為無(wú)用、且相對(duì)于環(huán)境的能位差小(如夏季汽輪機(jī)乏汽冷卻水與環(huán)境溫差<5°C)不得不用開(kāi)放式廢熱排放(如電廠涼水塔，耗水量> O. 3kg/kW.h)?，F(xiàn)有技術(shù)可以克服上述問(wèn)題，但所増加的生產(chǎn)成本使之難于エ業(yè)化。根據(jù)熱カ學(xué)第二定律，構(gòu)建ニ元溶液耦合系統(tǒng)，為エ業(yè)流程提供比大氣環(huán)境溫度更低的冷源以實(shí)現(xiàn)循環(huán)水封閉冷卻、同時(shí)將尾氣廢熱轉(zhuǎn)化為功而使其溫度降低有利于固碳減排，整體提高工業(yè)流程的熱力學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)水減排并且降低生產(chǎn)成本。現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)尾氣減排固碳與循環(huán)水封閉冷卻耦合的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)ー種方法，利用熱力學(xué)第一、第二定律構(gòu)建封閉式ニ元溶液耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有冷熱兩端，冷端從循環(huán)水吸取熱量使循環(huán)水降溫(3 10)で，熱端回收> 130°C的尾氣余熱產(chǎn)生壓力> O. 5MPa的ニ元エ質(zhì)動(dòng)力蒸氣使尾氣余熱的15%以上轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、并實(shí)現(xiàn)常溫下尾氣固碳及礦化。本發(fā)明主要發(fā)明思想是由完全互溶的輕、重兩組分配成ニ元溶液(以下簡(jiǎn)稱溶液)，通過(guò)調(diào)整組成和濃度使在所述溫度范圍內(nèi)溶液的飽和蒸汽壓為(O. 11 2. O) MPa0溶液在以循環(huán)水為熱源的低溫端和以尾氣為熱源的高溫端之間進(jìn)行解析-吸收相變循環(huán)，在低溫端輸出循環(huán)水溫度tc < 35°C的條件下使廢熱排放溫度提高到比 。高15°C以上，同時(shí)在高溫端利用尾氣的熱量使吸收液在更高的壓カ下解析、并使蒸汽過(guò)熱、驅(qū)動(dòng)透平輸出動(dòng)力，尾氣降溫后固碳及礦化。在低溫解析器2中，需要降溫的循環(huán)水輸入溫度為ら、通過(guò)間壁放熱、輸出溫度tc比ら降低(3 10)で，其熱量供來(lái)自低溫閃蒸器I的溶液吸熱解析、解析液溫度t2比 。低(3^8) °C、解析蒸汽壓力/ 2= (O. I "O. 5)MPa (由 2和溶液組成X2決定)、被抽吸進(jìn)入ー級(jí)噴射器10，解析后的溶液被ニ級(jí)吸收加壓泵13抽吸。進(jìn)入ー級(jí)噴射器10的射流介質(zhì)是ー級(jí)解析液空冷器7來(lái)的組成為Zltl的溶液、溫度ら。比大氣環(huán)境溫度ia高(1(Γ30)で、壓力/71Q比低溫解析器2來(lái)的蒸汽壓カ內(nèi)高(O. 15 O. 5) MPa、其氣液平衡壓カ,10由tw和ろ0決定(比/ 2低O. 005 O. 035MPa)，氣液兩相通過(guò)射流卷吸混合快速噴入ー級(jí)吸收空冷器6的反應(yīng)管內(nèi)進(jìn)行氣液吸收反應(yīng)放熱，熱量通過(guò)管壁釋放到大氣環(huán)境，使一級(jí)吸收液溫升不超過(guò)15°C，進(jìn)入ー級(jí)吸收加壓泵12。加壓泵12為ー級(jí)吸收液提供的揚(yáng)程保證使該吸收液通過(guò)串聯(lián)的高溫解析器4和ー級(jí)解析液空冷器7后、到達(dá)ー級(jí)噴射器10的入口處溶液壓カAo比A高(O. 15^0. 5)MPa。
在高溫解析器4中，尾氣與一級(jí)吸收液間壁傳熱，尾氣放熱、溫度從T15下降到T14后去中溫解析器3繼續(xù)放熱，一級(jí)吸收液被加熱到溫度U比“高(2(T50) °C、解析出的蒸汽壓力A比/72高(0. 3^1. 5) MPa、解析后溶液的組成Zltl要滿足“溫度下氣液平衡壓力^10比/ 低(0. 005^0. 035) MPa的條件,解析出的蒸汽進(jìn)入蒸汽過(guò)熱器5進(jìn)一步加熱。輸入溫度T0 O 130°C )的尾氣進(jìn)入蒸汽過(guò)熱器5，首先與高溫解析器4和中溫解析器3來(lái)的蒸 汽間壁傳熱，尾氣溫度下降到h后去高溫解析器4繼續(xù)放熱，蒸汽被過(guò)熱到溫度U比7^S(2(T50) °C去驅(qū)動(dòng)二元工質(zhì)蒸汽透平14。溫度(5、壓力A的過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)二元工質(zhì)蒸汽透平14輸出動(dòng)力功率不低于尾氣(溫度rQ)有效熱焓值的15%，蒸汽做功后乏汽壓力下降到A4比/72高(0. 05、. 15)MPa、溫度下降到(14比與P14平衡的溫度C14高(2飛)°C、被抽吸進(jìn)入二級(jí)噴射器11，
進(jìn)入二級(jí)噴射器11的射流介質(zhì)是二級(jí)吸收加壓泵13送來(lái)的組成為^r2的低溫解析液、經(jīng)過(guò)低溫閃蒸器I預(yù)熱其溫度~比大氣環(huán)境溫度L高(廣10) °C、壓力Al比乏汽壓力A4高(0. 15 0. 5) MPa、其氣液平衡壓力/Z11由tn m X2決定(比A4低005 0. 035MPa)，氣液兩相通過(guò)射流卷吸混合快速噴入二級(jí)吸收空冷器8的反應(yīng)管內(nèi)進(jìn)行氣液吸收反應(yīng)放熱，熱量通過(guò)管壁釋放到大氣環(huán)境，使二級(jí)吸收液溫升不超過(guò)15°C，進(jìn)入中溫解析器3。在中溫解析器3中，由高溫解析器4來(lái)的尾氣與二級(jí)吸收液間壁傳熱，尾氣繼續(xù)放熱、溫度從T1下降到n比大氣環(huán)境溫度L高(1(T40) °C后去固碳及礦化裝置15，二級(jí)吸收液被加熱、解析出的蒸汽壓力/73與/74相等，解析后溶液的組成&要滿足在比低溫解析液溫度低(1飛)°C的溫度下其氣液平衡壓力/A等于/V 二級(jí)解析液的溫度比T13低(10 30) °C、由與 Jr3 決定。二級(jí)解析液通過(guò)空冷器9冷卻到溫度U比大氣環(huán)境溫度L高(1(T20)°C、進(jìn)入低溫閃蒸器I與加壓泵13送來(lái)的低溫解析液間壁傳熱、溫度進(jìn)一步降低(5 10) 1后通過(guò)閃蒸使其壓力降低到A等于/V氣液兩相均進(jìn)入低溫解析器2。本發(fā)明所述循環(huán)水輸入溫度在(15 55) °C范圍、所述尾氣輸入溫度T1tl在(130^350) °C范圍、所述大氣環(huán)境溫度L在(_30 +40) °C范圍。


附圖中圖I是本發(fā)明提供的尾氣減排固碳與循環(huán)水封閉冷卻耦合方法示意圖。圖中1_低溫閃蒸器；2-低溫解析器；3-中溫解析器；4-高溫解析器；5-蒸汽過(guò)熱器；6_ —級(jí)吸收空冷器；7_ —級(jí)解析液空冷器；8_ 二級(jí)吸收空冷器；9_ 二級(jí)解析液空冷器；10-—級(jí)噴射器；11-二級(jí)噴射器；12-—級(jí)吸收加壓泵；13-二級(jí)吸收加壓泵；14_ 二元工質(zhì)蒸汽透平；15_尾氣固碳及礦化裝置。以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)附圖作進(jìn)一步闡述。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合但不限于實(shí)施例闡述本發(fā)明
具體實(shí)施例方式 物流=CO2濃度(V%) 13. 2%的燃燒尾氣127t/h (CO2含量25. 6t/h)，溫度ro=310°C ;循環(huán)水1000t/h，輸入溫度(h=40°C。任務(wù)循環(huán)水封閉冷卻降溫5°C ；C02減排75%以上；尾氣余熱有效焓值的15%以上轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。大氣環(huán)境溫度35°C。使用氨-水二元溶液，組成用氨濃度^ (m%)表示。40°C的循環(huán)水1000t/h通過(guò)低溫解析器2間壁放熱溫度下降到35°C，其熱量供來(lái)自低溫閃蒸器I的溶液解析，解析液溫度&=30°C、溶液組成jt2=50%、解析壓力/ 2=0. 4MPa的蒸汽混合物10t/h被抽吸進(jìn)入一級(jí)噴射器10，解析液被抽吸進(jìn)入二級(jí)吸收加壓泵13。
噴射器10的射流介質(zhì)來(lái)自ー級(jí)解析液空冷器7、其組成ろ。=38%、溫度i1Q=50°C、壓力Aq=0· 65MPa、其氣液平衡壓カダ1(|=0· 37MPa，氣液兩相噴入垂直安裝的一級(jí)吸收空冷器6的反應(yīng)管內(nèi)吸收反應(yīng)放熱，熱量通過(guò)管壁釋放到大氣環(huán)境，進(jìn)入ー級(jí)吸收加壓泵12的吸收液溫度不超過(guò)62°C、加壓泵提供的揚(yáng)程足夠使該吸收液通過(guò)串聯(lián)的高溫解析器4和ー級(jí)解析液空冷器7后到達(dá)噴射器10的入口處溶液壓カAo彡O. 65MPa。在高溫解析器4中，溫度/;彡290°C的尾氣間壁加熱ー級(jí)吸收液后尾氣溫度下降到T14彡160°C，一級(jí)吸收液被加熱到溫度i4=85°C解析、解析后溶液組成ろ。=38%通過(guò)空冷器7送往噴射器10、解析出的蒸汽壓力/74彡I. OMPa進(jìn)入蒸汽過(guò)熱器5進(jìn)ー步加熱。
溫度7；=310で的尾氣在蒸汽過(guò)熱器5中間壁加熱高溫解析器4和中溫解析器3來(lái)的蒸汽，尾氣溫度下降到h彡290°C后去高溫解析器4，蒸汽被過(guò)熱到溫度 5彡240°C去驅(qū)動(dòng)ニ元エ質(zhì)蒸汽透平14、輸出軸功率彡2MW。乏汽壓力下降到/^=0. 53MPa、溫度下降到i14=28°C、被抽吸進(jìn)入ニ級(jí)噴射器11。噴射器11的射流介質(zhì)組成為ろ=50%、溫度in=36°C、壓カ/7n=0· 8MPa、其氣液平衡壓力/A1 ( O. 52MPa，抽吸蒸汽透平14的乏汽后氣液兩相通過(guò)射流卷吸混合快速噴入ニ級(jí)吸收空冷器8的反應(yīng)管內(nèi)吸收反應(yīng)放熱，熱量通過(guò)管壁釋放到大氣環(huán)境，使ニ級(jí)吸收液溫度不超過(guò)50°C，進(jìn)入中溫解析器3被溫度為T(mén)i的尾氣間壁加熱到ら=55°C解析、ニ級(jí)解析壓力/^與A相等、解析后溶液的組成ろ=54%,解析出蒸汽5t/h進(jìn)入蒸汽過(guò)熱器5與高溫解析器4來(lái)的蒸汽匯合過(guò)熱后驅(qū)動(dòng)透平。ニ級(jí)解析液通過(guò)空冷器9冷卻到溫度i9=45°C、進(jìn)入低溫閃蒸器I與加壓泵13送來(lái)的低溫解析液間壁傳熱、溫度進(jìn)ー步降低6°C后通過(guò)閃蒸使其壓カ降低到A=A=O. 4MPa，氣液兩相均進(jìn)入低溫解析器2。在中溫解析器3被降溫到T13 ( 70°C的尾氣直接引入固碳及礦化裝置15、或通過(guò)分離后只把尾氣中的ニ氧化碳引入固碳及礦化裝置15,與15. 5t/h合成氨(氣態(tài))、78. 5t/hニ水磷石骨(固態(tài))在水溶液中按下式進(jìn)行氣-液-固三相反應(yīng)
CaSO4 · 2H20 (固)+ 2NH3 (氣)+ CO2 (氣)—(NH4)2SO4 (液)+ CaCO3 I (固)+ H2O
生成60 t/h硫酸銨(溶液)和45. 5t/h碳酸鈣(沉淀)，從而將20 t/h ニ氧化碳礦化。實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的有益效果是使(310°C)燃燒尾氣(127 t/h)中CO2 (25. 6t/h)的75%以上被礦化為碳酸鈣產(chǎn)品(45. 5t/h)的同時(shí)，獲得超過(guò)燃燒尾氣余熱有效焓值15%以上的動(dòng)カ產(chǎn)品(2MW)和化肥硫酸銨產(chǎn)品(60 t/h),并且在大氣溫度35°C條件下使循環(huán)水(1000t/h )從40 0C封閉冷卻降溫到35 °C、節(jié)水15t/h，從而達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、減排同時(shí)降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，其技術(shù)方案已在發(fā)明內(nèi)容部分予以說(shuō)明。
權(quán)利要求
1.一種燃燒尾氣減排與循環(huán)水封閉冷卻耦合方法，其特征在于由所述溫度范圍內(nèi)飽和蒸汽壓為O. 11 2. OMPa的完全互溶二元溶液在以循環(huán)水為熱源的低溫端和以尾氣為熱源的高溫端之間進(jìn)行解析-吸收相變循環(huán)，吸取循環(huán)水的熱量使之降溫3 1(TC，回收尾氣的余熱并使其15%以上轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)透平輸出動(dòng)力，尾氣冷卻降溫后固碳并礦化為碳酸鈣； 循環(huán)水在低溫解析器中通過(guò)間壁放熱降溫T10°C、其熱量供來(lái)自低溫閃蒸器的溶液解析，解析液溫度比循環(huán)水輸出溫度低3 8°C、被二級(jí)吸收加壓泵13抽吸，解析蒸汽壓力由解析液的溫度和組成決定、被一級(jí)噴射器抽吸； 一級(jí)噴射器的射流介質(zhì)是經(jīng)過(guò)空冷的一級(jí)解析液、溫度比大氣環(huán)境溫度高1(T30°C、壓力比所抽吸的低溫解析器的蒸汽壓力高O. 15^0. 5MPa、而其氣液平衡壓力則比之低O.005 0. 035MPa ;氣液兩相射流噴入一級(jí)吸收空冷器的管內(nèi)進(jìn)行吸收反應(yīng)放熱，熱量釋放到大氣環(huán)境，使一級(jí)吸收液溫升不超過(guò)15°C ； 用加壓泵為一級(jí)吸收液提供足夠的揚(yáng)程使其通過(guò)串聯(lián)的高溫解析器和一級(jí)解析液空冷器、到達(dá)一級(jí)噴射器入口的壓力比低溫解析器蒸汽壓力高O. 15^0. 5MPa ； 尾氣在高溫解析器中間壁放熱，加熱一級(jí)吸收液使其溫度升高到比一級(jí)噴射器射流介質(zhì)的溫度2(T50°C，解析出的蒸汽壓力比低溫解析器的蒸汽壓力高O. 3^1. 5MPa，解析后溶液的組成滿足其在一級(jí)噴射器射流介質(zhì)入口條件下的氣液平衡壓力比低溫解析器蒸汽壓力低 O. 005 O. 035MPa ； 高溫(> 130°C)尾氣首先在蒸汽過(guò)熱器間壁放熱、加熱高溫解析器和中溫解析器來(lái)的蒸汽，把過(guò)熱蒸汽出口溫度提高到比尾氣出口溫度低2(T50°C ； 過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)二元工質(zhì)蒸汽透平，輸出動(dòng)力功率不低于尾氣在蒸汽過(guò)熱器入口處的有效熱焓值的15%，蒸汽做功后乏汽壓力下降到比低溫解析器蒸汽壓力高(O. 05、. 15) MPa,乏汽溫度下降到比二級(jí)噴射器入口射流介質(zhì)的平衡溫度高疒5°C、被抽吸進(jìn)入二級(jí)噴射器； 二級(jí)噴射器的射流介質(zhì)是二級(jí)吸收加壓泵送來(lái)的低溫解析器的解析液，經(jīng)過(guò)低溫閃蒸器預(yù)熱其溫度比大氣環(huán)境溫度高flO°C，壓力比乏汽壓力高O. 15^0. 5MPa、而其氣液平衡壓力則比之低O. 005 0. 035MPa ;氣液兩相射流噴入二級(jí)吸收空冷器的管內(nèi)進(jìn)行吸收反應(yīng)放熱，熱量釋放到大氣環(huán)境，使二級(jí)吸收液溫升不超過(guò)15°C ； 經(jīng)過(guò)高溫解析器降溫的尾氣繼續(xù)在中溫解析器間壁放熱，加熱二級(jí)吸收液使其解析出的蒸汽壓力與高溫解析器相等、解析后溶液的組成要滿足在比低溫解析液溫度低f5°C條件下其氣液平衡壓力等于低溫解析器的蒸汽壓力，二級(jí)解析液出口溫度比尾氣出口溫度低10^30 0C ； 所述循環(huán)水輸入溫度在(I5 55) °C范圍、所述尾氣輸入溫度在13(T350°C范圍、所述大氣環(huán)境溫度在-3(T40°C范圍、所述低溫解析器中解析蒸汽壓力在O. Γ0. 5MPa。
2.一種燃燒尾氣固碳的方法，其特征在于將尾氣廢熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而使其降溫后固碳及礦化； 尾氣溫度被降低到< 70°C，直接引入固碳及礦化裝置、或通過(guò)分離后只把尾氣中的二氧化碳引入固碳及礦化裝置中與合成氨(氣態(tài))、二水磷石膏(固態(tài))在水溶液中按下式進(jìn)行氣-液-固三相反應(yīng)CaSO4 · 2H20 (固)+ 2NH3 (氣)+ CO2 (氣)—(NH4)2SO4 (液)+ CaCO3 I (固)+ H2O 生成硫酸銨和碳酸鈣產(chǎn)品，從而使尾氣中的二氧化碳75%以上被礦化為碳酸鈣產(chǎn)品
全文摘要
一種回收燃燒尾氣余熱、減排二氧化碳并使循環(huán)水封閉冷卻相耦合的方法，由完全互溶的二元溶液在(130~350)℃的燃燒尾氣高溫?zé)嵩磁c(15~55)℃的循環(huán)水低溫?zé)嵩粗g進(jìn)行解析-吸收相變循環(huán)，冷卻燃燒尾氣并通過(guò)固碳和礦化使二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)產(chǎn)品、同時(shí)回收燃燒尾氣余熱驅(qū)動(dòng)二元混合工質(zhì)蒸汽透平發(fā)電、并在封閉條件下完成循環(huán)水降溫(3~10)℃。通過(guò)實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明使127t/h溫度為310℃的燃燒尾氣所含25.6t/h二氧化碳的75%以上被磷石膏固體廢棄物所礦化，獲得碳酸鈣產(chǎn)品45.5t/h和硫酸銨產(chǎn)品60t/h，同時(shí)獲得發(fā)電動(dòng)力大于2MW，并且在35℃夏季氣溫條件下使1000t/h循環(huán)水從40℃封閉冷卻降溫到35℃，從而同步獲得節(jié)能、節(jié)水、二氧化碳減排和提高經(jīng)濟(jì)效益的效果。
文檔編號(hào)F01K27/00GK102635843SQ20121011476
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者朱家驊, 謝和平 申請(qǐng)人:四川大學(xué)