CN105258141B - 独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除co2的*** - Google Patents

Abstract

本发明一种独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO₂的***，包括与烟气预处理单元依次相连有吸收器、溶液泵、溶液热交换器、解吸发生器、冷凝集液器和CO₂压缩机；中温集热组件吸收太阳能作为解吸热源，相变梯级蓄热器由多段不同相变温度的相变蓄热材料按照相变温度由高至低依次串联组成。本发明中将太阳能集热器与二氧化碳脱除***有机的结合在一起，目的在于解决现有脱碳设备再生热力驱动能耗大的技术瓶颈，同时克服太阳能直接提供热力驱动可靠性不足的缺点，同时增加梯级相变蓄热材料对太阳能集热进行能量的蓄存，保持换热介质与相变蓄热材料之间的换热温差，增强换热效果的同时，提高了太阳能作为热力驱动热源的可靠性。

Description

独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***

技术领域

本发明涉及一种利用热力驱动脱除CO2的技术，具体涉及一种独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***。

背景技术

化石燃料的燃烧排放导致大气中二氧化碳的浓度逐渐增大，全球气候日益变暖，烟气经C02脱除后再排入空气成为应对气候变化的重要战略选项。因此，应对全球气候变化和酸雨污染的关键是控制二氧化碳的排放。回收分离的二氧化碳有着广泛的工业应用价值，不仅可以作为碳元素的来源，还可以通过不同的反应途径，生成多种关乎国计民生的碳产品，具有巨大的经济效益和环境效益。

经过对现有技术文献的检索发现，目前，工业上进行二氧化碳捕集的技术中以太阳能作为解吸热源的***较少，且多以工业热源为主，太阳能热源为辅进行多热源联合供热进行再生过程，且***无换热效率高、温度恒定的相变梯级蓄热材料，这就降低了太阳能集热供热***的稳定性。如欧专局公布号为WO2008009049A1的专利文献中公开了一种CO2CAPTURE USING SOLAR THERMAL ENERGY(利用太阳能集热捕集二氧化碳)。该***利用太阳能作为解吸热源对电厂的二氧化碳进行直接集热捕集，但是***中无太阳能蓄热和热流缓冲设备，使得***稳定性不强，增加了控制的难度。

中国专利公布号为CN101234281A的专利文献中公开了一种利用太阳能脱除烟气中二氧化碳的***。该发明通过在二氧化碳分离过程中使用太阳能为吸收剂再生提供所需要的热能。其过程是烟气进入吸收装置，其中的二氧化碳被吸收剂吸收，去除了二氧化碳的烟气进入烟囱排走，富二氧化碳吸收剂经过内部换热器换热之后，进入再生装置利用太阳能集热提供的热量进行吸收剂再生和二氧化碳的解吸。该发明能够有效降低电厂烟气分离二氧化碳***的能耗，减少从电厂抽取的蒸汽量，但是其最大不足是太阳能作为解吸热源具有一定的波动性和不稳定性，而再生***需要稳定热源提供，因此***的可靠性就受到很大的影响。

中国专利公布号为CN102258927A的专利文献中公开了一种燃煤电厂烟气二氧化碳捕获装置。该发明该装置主要是由静电除尘***，烟气余热利用***，太阳能辅助光热***、脱硫***、CO2制冷回收***以及CO2高温吸收***等组成。该装置设置的烟气余热利用***和太阳能辅助光热***大大提高了热利用率，降低了运行成本。但是，***仅是增加了太阳能辅助***，无太阳能集热缓冲或者蓄热设备，增加的***运行控制的难度，在实际的工程操作中具有一定的难度。

综上所述，现有二氧化碳脱除技术中利用太阳能等可再生能源作为解吸热源的***多以同多种形式的热源进行联合供热，独立的太阳能供能由于其不稳定性还没能应用到工业中，针对本专利的目的目前还无有效***，为了克服独立太阳能集热作为再生热源的不足，亟需将换热效果好，蓄能量和温度稳定的相变蓄热***增加进***来提高利用太阳能灯清洁能源的利用率和扩大其利用范围。如果能实现二氧化碳脱除***与可再生能源提供再生热力驱动的稳定可靠集成，既能实现对二氧化碳的减排要求，又能最大限度地利用清洁性可再生能源的优点，提高二氧化碳捕集的经济性。同时增加梯级相变蓄热技术，保持换热介质与相变蓄热材料恒定的换热温差，增强换热效果，增强太阳能集热的可靠性，实现节能减排的双丰收，进而提高二氧化碳捕集的综合效益。

发明内容

本发明的目的在于解决现有脱碳设备再生热力驱动能耗大的技术瓶颈，同时克服太阳能直接提供热力驱动可靠性不足的缺点。利用太阳能作为解吸热力驱动热源，充分利用可再生清洁能源实现减排的目的，同时增加梯级相变蓄热材料对太阳能集热进行能量的蓄存，保持换热介质与相变蓄热材料之间的换热温差，增强换热效果的同时，提高了太阳能作为热力驱动热源的可靠性；同时省去了常规***中的高温溶液泵和吸收器2前的冷凝器，利用可再生能源进行节能减排的同时，降低初投资和运行成本。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***，包括与烟气预处理单元依次相连有吸收器、溶液泵、溶液热交换器、解吸发生器、冷凝集液器和CO2压缩机；所述烟气预处理单元连接至吸收器气体进口，所述吸收器的液体出口连接至所述溶液泵，所述溶液热交换器的低温侧出口与所述解吸发生器的进口相连，所述解吸发生器的蒸汽出口连接至所述冷凝集液器；所述解吸发生器包括太阳能热源，所述太阳能热源包括中温集热组件和相变梯级蓄热器；所述太阳能中温集热组件提供所述解吸发生器所需的热量；所述相变梯级蓄热器对所述太阳能中温集热组件所集热量进行存储；所述解吸发生器的液体出口连接至所述溶液热交换器的高温侧进口，所述溶液热交换器的高温侧出口连接至所述吸收器的液体进口；在所述溶液热交换器与所述吸收器的连接管路上设有再生液节流阀，所述吸收器与所述冷凝集液器的连接管路上设有冷凝液节流阀；所述太阳能中温集热组件由多组中温太阳能集热器经串并联组合而成；所述相变梯级蓄热器由多段不同相变温度的相变蓄热材料按照相变温度由高至低依次串联组成，包括：a1段为相变温度最高段、a2段为相变温度次之段、……、an段为温度最低段，各段相变蓄热材料间绝热；所述太阳能中温集热组件的出口与所述相变梯级蓄热器的高温段入口之间的连接管路上设有循环泵；所述相变梯级蓄热器的高温段出口处设有一截止阀；所述吸收器完成二氧化碳的吸收工作，含有二氧化碳的混合气体在压力驱动下进入吸收器与其内部喷淋的混合工质进行热质交换后被混合工质吸收形成含有二氧化碳的混合溶液，净化后的气体从所述吸收器排空，混合溶液经所述溶液泵和溶液热交换器进入解吸发生器进行分离；所述溶液泵的工作压力为2Mpa，所述溶液泵进行吸收二氧化碳后的混合溶液的输送工作，将混合溶液由吸收器运送至解吸发生器；所述解吸发生器的工作温度为110～125℃，所述解吸发生器将吸收器输送过来的含有二氧化碳的混合溶液进行分离；分离后的二氧化碳和部分混合工质蒸汽的混合气体被送往冷凝集液器进行进一步分离，不含二氧化碳的混合工质送往吸收器继续吸收二氧化碳；所述冷凝液节流阀对不含二氧化碳的混合工质进行节流降压，降低后的压力等于吸收器所需的压力；所述太阳能中温集热组件集热温度与所述解吸发生器的解吸温度一致；所述相变梯级蓄热器中a1段的温度高于从解吸发生器放热后回流的换热工质的温度。

进一步讲：

所述溶液热交换器对吸收器排出的含有二氧化碳的混合溶液与解吸发生器解吸出的不含二氧化碳的混合工质进行热量交换，使***保持低温吸收二氧化碳、高温解吸二氧化碳的工况。

所述冷凝集液器对解吸发生器解吸出的二氧化碳和混合工质的混合溶液进行进一步冷却分离，冷凝后的混合工质留待继续吸收二氧化碳。

所述冷凝液节流阀控制由冷凝集液器进入吸收器的混合工质的流量。

所述截止阀实现集热流体的控制来满足解吸发生器的热量需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明***是基于吸收式热力循环设计的***，因此可以充分利用吸收式热力循环的特点进行节能运行控制。

(2)本发明中采用外置式太阳能热源，将太阳能集热器与二氧化碳脱除***有机的结合在一起，利用清洁可再生能源作为二氧化碳解吸所必须的热力驱动能源，实现节能减排的双重收益。同时，充分利用相变蓄热材料的相变潜热特性及保证适宜换热温差增加换热效果的特性进行梯级相变蓄热，产生与解吸发生器匹配的热流体提供解吸二氧化碳所必须的热源驱动力，既提高换热过程中的换热效率，又充分利用了可再生能源，提高太阳能的可靠性。

(3)现有技术中，通常是在吸收器的进口处设有高温溶液泵及再冷设备，本发明采用节流阀代替传统的高温溶液泵，既简化了设备结构，使***更加紧凑，又提高了***的寿命；另外，又去掉了吸收工质进入吸收器前的再冷设备，在充分利用能源的同时又促进了喷淋效果，增强吸收工质的热质交换。

附图说明

图1为本发明***原理及结构组成示意图。

图中：1-空气预处理单元，2-吸收器，3-解吸发生器，4-冷凝集液器，5-溶液热交换器，6-溶液泵，7-再生液节流阀，8-冷凝液节流阀，9-CO2压缩机，10-太阳能集热器，11-相变梯级蓄热器，12-截止阀，13-循环泵。

a1、a2、…、an表示相变梯级蓄热器中各段相变蓄热材料，其中：a1段为相变温度最高段，a2相变温度次之，…再次之…，an为温度最低段。

具体实施方式

本发明独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***利用吸收工质可再生的特性在热力驱动下循环吸收二氧化碳，利用吸收二氧化碳后的低温混合溶液和解吸二氧化碳后的低温再生混合工质的换热实现***内部能量的交换，提高***热利用率，同时省去传统***中的高温溶液泵和再冷器，从而达到节能的目的。利用太阳能集热作为热力驱动热源，增加相变梯级蓄热装置，使换热介质与相变蓄热材料始终保持恒定的换热温差，增强换热效果的同时保证太阳能集热的可靠性。***在实现工业领域脱除烟气CO2的同时，提高能量利用效率，达到节能减排和环境效益的多重收益。

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明一种独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***，包括烟气预处理单元1，其特征在于，与烟气预处理单元1依次相连有吸收器2、溶液泵6、溶液热交换器5、解吸发生器3、冷凝集液器4和CO2压缩机9；所述烟气预处理单元1连接至吸收器2气体进口，所述吸收器2的液体出口连接至所述溶液泵6，所述溶液热交换器5的低温侧出口与所述解吸发生器3的进口相连，所述解吸发生器3的蒸汽出口连接至所述冷凝集液器4。

所述解吸发生器3的液体出口连接至所述溶液热交换器5的高温侧进口，所述溶液热交换器5的高温侧出口连接至所述吸收器2的液体进口。

在所述溶液热交换器5与所述吸收器2的连接管路上设有再生液节流阀7，所述吸收器2与所述冷凝集液器4的连接管路上设有冷凝液节流阀8。

所述解吸发生器3包括太阳能热源，所述太阳能热源包括太阳能中温集热组件10和相变梯级蓄热器11；所述太阳能中温集热组件10由多组中温太阳能集热器经串并联组合而成；所述相变梯级蓄热器11由多段不同相变温度的相变蓄热材料按照相变温度由高至低依次串联组成，包括：a1段为相变温度最高段、a2段为相变温度次之段、……、an段为温度最低段，各段相变蓄热材料间绝热。

所述太阳能中温集热组件10的出口与所述相变梯级蓄热器11的高温段入口之间的连接管路上设有循环泵13。

所述相变梯级蓄热器11的高温段出口处设有一截止阀12。

本发明中所述空气预处理器1将影响吸收工质活性和影响吸收效率的物质通过化学物理手段将其去除，其主要脱除的是酸性气体(例如NOx、SOx)。

本发明中所述吸收器2完成二氧化碳的吸收工作，含有二氧化碳的混合气体在压力驱动下进入吸收器2与其内部喷淋的混合工质进行热质交换后被混合工质吸收形成含有二氧化碳的混合溶液，净化后的气体从所述吸收器2排空，混合溶液经所述溶液泵6和溶液热交换器5进入解吸发生器3进行分离；

本发明中所述解吸发生器3的工作温度为110～125℃，所述解吸发生器3将吸收器2输送过来的含有二氧化碳的混合溶液进行分离；分离后的二氧化碳和部分混合工质蒸汽的混合气体被送往冷凝集液器4进行进一步分离，不含二氧化碳的混合工质送往吸收器2继续吸收二氧化碳；所述解吸发生器3以相变梯级蓄热器11提供的热量作为驱动力将解吸发生器3保持高温高压条件，富含二氧化碳的吸收溶液在高温高压条件下将二氧化碳释放，不含二氧化碳的吸收工质从解吸发生器底部抽出后送往吸收器2进行循环吸收二氧化碳。

本发明中所述冷凝集液器4对解吸发生器3解吸出的二氧化碳和混合工质的混合溶液进行进一步冷却分离，冷凝后的混合工质留待继续吸收二氧化碳。

本发明中所述溶液热交换器5对吸收器2排出的含有二氧化碳的混合溶液与解吸发生器3解吸出的不含二氧化碳的混合工质进行热量交换，使***保持低温吸收二氧化碳、高温解吸二氧化碳的工况。

本发明中所述溶液泵6的工作压力为2Mpa，所述溶液泵6进行吸收二氧化碳后的混合溶液的输送工作，将混合溶液由吸收器2运送至解吸发生器3；

本发明中所述节流阀7对不含二氧化碳的混合工质进行节流降压，降低后的压力等于吸收器2所需的压力；

本发明中所述冷凝液节流阀8控制由冷凝集液器4进入吸收器2的混合工质的流量。

本发明中所述CO2压缩机9将脱除的纯净二氧化碳进行压缩储存。

本发明中所述太阳能中温集热组件10集热温度与所述解吸发生器3的解吸温度一致。

本发明中所述相变梯级蓄热器11中a1段的温度高于从解吸发生器3放热后回流的换热工质的温度。

本发明中所述截止阀12实现集热流体的控制来满足解吸发生器3的热量需求。

以下对本发明一种独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***流程进行说明。本发明***共有五条物流流程，分别是含碳烟气预处理流、混合工质吸收解吸二氧化碳循环流、二氧化碳提纯压缩流、太阳能集热流、热力驱动再生流。

含碳烟气预处理流是排放烟气经烟气预处理单元1后通入吸收器2，烟气与喷淋的吸收工质进行热质交换后，二氧化碳从烟气中转入到吸收工质中，洁净的烟气排入大气。混合工质吸收解吸二氧化碳循环流是混合工质从吸收器2顶部进行喷淋吸收经过吸收器2的含碳烟气，过程中二氧化碳被吸收工质吸收，吸收二氧化碳后的混和溶液从吸收器2的底部抽出后送往溶液热交换器5进行热交换，温度升高后送入解吸发生器3在高温高压条件下对二氧化碳进行解吸，二氧化碳被分离聚集在解吸发生器3的顶部，脱除二氧化碳的混合工质被从解吸发生器3底部抽出后经过溶液热交换器5降温后送入吸收器再次吸收二氧化碳。二氧化碳提纯压缩流是部分吸收工质蒸汽连同二氧化碳一起进入冷凝集液器4进行二氧化碳的提纯和吸收工质蒸汽的冷凝，CO2经CO2压缩机9压缩后存储，冷凝液经冷凝液节流阀8节流后进入吸收器2进行再次吸收二氧化碳。太阳能集热流是多组中温太阳能集热器通过串并联方式将换热工质集热到蓄热所需温度后送至梯级相变蓄热器11进行蓄热，蓄热后的冷流工质被再次送入到集热器进行集热之后进行循环蓄热。热力驱动再生流是换热工质在相变梯级蓄热器11中换热后进入解吸发生器3对其提供驱动再生所需热量。上述五个物流同时进行完成二氧化碳的脱除工作。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***，包括烟气预处理单元(1)，其特征在于，与烟气预处理单元(1)依次相连有吸收器(2)、溶液泵(6)、溶液热交换器(5)、解吸发生器(3)、冷凝集液器(4)和CO2压缩机(9)；所述烟气预处理单元(1)连接至吸收器(2)气体进口，所述吸收器(2)的液体出口连接至所述溶液泵(6)，所述溶液热交换器(5)的低温侧出口与所述解吸发生器(3)的进口相连，所述解吸发生器(3)的蒸汽出口连接至所述冷凝集液器(4)；所述解吸发生器(3)包括太阳能热源，所述太阳能热源包括太阳能中温集热组件(10)和相变梯级蓄热器(11)；所述太阳能中温集热组件(10)提供所述解吸发生器(3)所需的热量；所述相变梯级蓄热器(11)对所述太阳能中温集热组件(10)所集热量进行存储；

所述解吸发生器(3)的液体出口连接至所述溶液热交换器(5)的高温侧进口，所述溶液热交换器(5)的高温侧出口连接至所述吸收器(2)的液体进口；

在所述溶液热交换器(5)与所述吸收器(2)的连接管路上设有再生液节流阀(7)，所述吸收器(2)与所述冷凝集液器(4)的连接管路上设有冷凝液节流阀(8)；

所述太阳能中温集热组件(10)由多组中温太阳能集热器经串并联组合而成；所述相变梯级蓄热器(11)由多段不同相变温度的相变蓄热材料按照相变温度由高至低依次串联组成，包括：a1段为相变温度最高段、a2段为相变温度次之段、……、an段为温度最低段，各段相变蓄热材料间绝热；

所述太阳能中温集热组件(10)的出口与所述相变梯级蓄热器(11)的高温段入口之间的连接管路上设有循环泵(13)；

所述相变梯级蓄热器(11)的高温段出口处设有一截止阀(12)；

所述吸收器(2)完成二氧化碳的吸收工作，含有二氧化碳的混合气体在压力驱动下进入吸收器(2)与其内部喷淋的混合工质进行热质交换后被混合工质吸收形成含有二氧化碳的混合溶液，净化后的气体从所述吸收器(2)排空，混合溶液经所述溶液泵(6)和溶液热交换器(5)进入解吸发生器(3)进行分离；

所述溶液泵(6)的工作压力为2Mpa，所述溶液泵(6)进行吸收二氧化碳后的混合溶液的输送工作，将混合溶液由吸收器(2)运送至解吸发生器(3)；

所述解吸发生器(3)的工作温度为110～125℃，所述解吸发生器(3)将吸收器(2)输送过来的含有二氧化碳的混合溶液进行分离；分离后的二氧化碳和部分混合工质蒸汽的混合气体被送往冷凝集液器(4)进行进一步分离，不含二氧化碳的混合工质送往吸收器(2)继续吸收二氧化碳；

所述再生液节流阀(7)对不含二氧化碳的混合工质进行节流降压，降低后的压力等于吸收器(2)所需的压力；

所述太阳能中温集热组件(10)集热温度与所述解吸发生器(3)的解吸温度一致；

所述相变梯级蓄热器(11)中a1段的温度高于从解吸发生器(3)放热后回流的换热工质的温度。

2.根据权利要求1所述独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***，其特征在于，所述溶液热交换器(5)对吸收器(2)排出的含有二氧化碳的混合溶液与解吸发生器(3)解吸出的不含二氧化碳的混合工质进行热量交换，使***保持低温吸收二氧化碳、高温解吸二氧化碳的工况。

3.根据权利要求1所述独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***，其特征在于，所述冷凝集液器(4)对解吸发生器(3)解吸出的二氧化碳和混合工质的混合溶液进行进一步冷却分离，冷凝后的混合工质留待继续吸收二氧化碳。

4.根据权利要求1所述独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***，其特征在于，所述冷凝液节流阀(8)控制由冷凝集液器(4)进入吸收器(2)的混合工质的流量。

5.根据权利要求1所述独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的***，其特征在于，所述截止阀(12)实现集热流体的控制来满足解吸发生器(3)的热量需求。