CN115608118B - 一种复合型吸收塔及吸收式碳捕集提压系统和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于吸收式碳捕集技术领域，特别涉及一种复合型吸收塔及吸收式碳捕集提压系统和工艺，复合型吸收塔塔体内部从上至下依次设有贫液冷却段、液体收集布膜器、管内降膜吸收段、气体冷却段，系统还包括两组吸收式余热发电机组：吸收式余热发电机组的透平发电机位于发生器与冷凝器的制冷剂管道之间，透平发电机利用发生器受热析出的高压制冷剂作为驱动进行发电。本发明将低压烟气和低压蒸汽中蕴含的热量用于驱动吸收式余热发电机组，吸收式余热发电机组发出的电用于驱动风机和溶液泵，同时吸收式余热发电机组中的蒸发制冷端用于对吸收塔吸收段的降温。提高了机组内部能量的利用率，降低了机组的能耗。

Description

一种复合型吸收塔及吸收式碳捕集提压系统和工艺

技术领域

本发明属于吸收式碳捕集技术领域，特别涉及一种复合型吸收塔及吸收式碳捕集提压系统和工艺。

背景技术

目前，吸收式碳捕集提压系统可用于捕集回收化工尾气、电厂燃气尾气、水泥焙烧烟气等混合气体中的CO₂，并可直接用于CO₂提压。如图1所示，含CO₂的低压烟气先经风机增压后进入气体冷却器冷却降温，而后送至吸收塔与从塔顶下来的吸收剂在填料层中接触吸收CO₂，净化后气体从塔顶排出，吸收形成的富液从塔底流出通过溶液泵提压后进入贫富换热器加热后送至解吸塔，富液在解吸塔中从上向下的流动与经再沸器加热解吸出的CO₂与水蒸汽的混合物从下向上流动在填料层中进行逆流接触传热传质，完成CO₂的解吸与吸收剂的再生。解吸塔中解吸形成的贫液从塔底流出依次经过贫富换热器、贫液冷却器冷却后并经减压阀减压后进入吸收塔中。解吸塔中被解吸出的CO₂与水蒸汽的混合物从塔顶流出进入冷凝器中冷凝后进入气液分离罐中，分离出的高压CO₂进入后续工段中，CO₂分离后的水回流中解析塔中。再沸器中加热解吸所需的热量是通过低压蒸汽经减温减压后获得的。该吸收过程在化工、水泥、钢铁、天然气和煤电等工业领域的碳捕集和CO₂的热提压中可显著降低设备投资和运行成本，具有很高的经济价值和社会价值。

但以上工艺过程存在许多工艺优化和设备集成的空间。例如低压烟气中蕴含的热量在进入风机前未被利用，高温烟气的压缩提压增加了风机的电耗。低压蒸汽在进入再沸器前经过减温减压装置，此部分热能未被利用。

吸收塔中从上而下流动的吸收剂与从下向上上升的烟气在填料层中进行逆流接触吸收，吸收过程中会有热量放出，导致吸收剂的温度升高，从而会降低吸收塔的吸收效率，导致塔体填料层增高，增加了设备的投资。

发明内容

为了解决背景技术中提到的问题，提供一种复合型吸收塔及吸收式碳捕集提压系统和工艺。

通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明提供一种复合型吸收塔，包括塔体以及位于塔体上的废气进气口、净化气出气口、富液出口、贫液进口，

所述塔体内部从上至下依次设有贫液冷却段、液体收集布膜器、管内降膜吸收段、气体冷却段，所述贫液冷却段、管内降膜吸收段和气体冷却段均由固定管板式管束构成；所述贫液进口位于贫液冷却段的上方，所述废气进气口位于气体冷却段的下方；

所述贫液冷却段中的循环水与贫液换热后通过塔体外单向管道通入管内降膜吸收段和气体冷却段之间区域，所述气体冷却段中的循环水与含热废气换热后通过塔体外单向管道通入管内降膜吸收段和气体冷却段之间区域。

作为上述技术方案的进一步改进，所述固定管板式管束包括上下两组管板、位于上下管板之间的换热管及用于固定换热管的折流板。

作为上述技术方案的进一步改进，所述贫液冷却段、管内降膜吸收段、气体冷却段的换热管流体均为逆流而上状态。

作为上述技术方案的进一步改进，所述塔体外单向管道上设有单向阀。

本发明还提供一种吸收式碳捕集提压系统，包括溶液泵、贫富液换热器、解吸塔、冷却器、气液分离罐、再沸器，还包括上述复合型吸收塔和两组吸收式余热发电机组；

所述吸收式余热发电机组包括发生器、透平发电机、冷凝器、GVX换热器、吸收器、预冷器、GAX换热器，所述透平发电机位于发生器与冷凝器的制冷剂管道之间，所述透平发电机利用发生器受热析出的高压制冷剂作为驱动进行发电；

其中一组吸收式余热发电机组的发生器以废气作为热源，换热后废气通过风机连接所述复合型吸收塔的废气进气口，且该吸收式余热发电机组中的透平发电机对所述风机供电；其中另一组吸收式余热发电机组的发生器以废汽作为热源，换热后的废汽经过再沸器形成冷凝液，且该吸收式余热发电机组中的透平发电机对所述复合型吸收塔和贫富液换热器之间的溶液泵供电。

作为上述技术方案的进一步改进，两组所述吸收式余热发电机组中，所述GVX换热器位于冷凝器与吸收器之间，所述冷凝器的液态制冷剂进入GVX换热器中再通入复合型吸收塔的管内降膜吸收段后返回至GVX换热器再进入吸收器中。

作为上述技术方案的进一步改进，所述气液分离罐的液体出口通过减压阀分为两路，一路连接至复合型吸收塔的贫液冷却段，另一路连接至复合型吸收塔的气体冷却段。

本发明还提供一种吸收式碳捕集提压工艺，利用上述吸收式碳捕集提压系统实现，将低压烟气和低压蒸汽分别引入两组吸收式余热发电机组中，吸收式余热发电机组发出的电分别用于驱动风机和溶液泵，同时以所述复合型吸收塔的管内降膜吸收段作为吸收式余热发电机组中的蒸发制冷端；

所述工艺包括以下步骤：

（1）建立吸收式余热发电机组循环：连通冷凝器-复合型吸收塔--吸收器-发生器的制冷剂流程，将低压烟气和低压蒸汽分别引入两组吸收式余热发电机组中的发生器中，解吸出来的高压制冷剂驱动透平发电机组，再进入冷凝器中，同时将冷凝器进入GVX换热器的低压态的液氨引入吸收塔降膜吸收段用于对复合型吸收塔吸收烟气过程的降温，经吸热汽化后的气氨重回吸收式余热发电机组中循环运作；

（2）建立吸收式碳捕集循环：连通复合型吸收塔-解吸塔-冷却器-气液分离罐的工质液循环流程，含CO₂的低压烟气进入吸收塔和吸收剂混合后形成富液进入解吸塔，解吸塔中被解吸出的CO₂与水蒸汽的混合物从塔顶流出进入冷却器中被冷凝成液态水和气态CO₂，而后进入气液分离罐中进行分离，顶部的CO₂从上方排出，底部的水回流经节流减压后成低压态饱和水分成两路，一路进入复合型吸收塔贫液冷却段吸收贫液热量蒸发汽化成水蒸汽，另一路进入复合型吸收塔气体冷却段吸收气体热量蒸发汽化成水蒸汽，两路低压态饱和水吸热蒸发成水蒸汽引入复合型吸收塔中被吸收，重新回到碳捕集系统的工质液中继续循环运作。

本发明的有益效果在于：

（1）复合型吸收塔将气体冷却器、贫液冷却器及吸收塔做成一体，可减少了机组管路的成本，极大地减小了机组的占地面积。同时用管内降膜吸收、管外液氨蒸发移热的方式，代替了填料层。极大地提高了吸收塔的吸收效率，提高了机组碳捕集的性能。

（2）将低压烟气和低压蒸汽中蕴含的热量用于驱动吸收式余热发电机组，吸收式余热发电机组发出的电用于驱动风机和溶液泵，同时吸收式余热发电机组中的蒸发制冷端用于对吸收塔吸收段的降温。提高了机组内部能量的利用率，降低了机组的能耗。

（3）将从解吸塔顶气液分离罐中分离回流的水经节流减压后成低压态饱和水，引入气体冷却器和贫液冷却器中用于对烟气和贫液的降温，低压态饱和水吸热蒸发成水蒸汽引入吸收塔中被吸收，重新回到富液中。利用有相变的蒸发吸热替代原系统中纯液相水冷却，可极大地节省系统中循环水的用量，降低冷却塔的负荷，降低电耗。

附图说明

图1是现有技术中碳捕集提压系统示意图；

图2是现有技术中吸收塔结构示意图；

图3是本发明复合型吸收塔结构示意图；

图4是本发明吸收式碳捕集提压系统流程示意图；

图5是本发明吸收式碳捕集提压机组流程示意图；

图6是本发明吸收式余热发电机组流程示意图。

图示：100、废气进气口；200、净化气出气口；300、富液出口；400、贫液进口；500、贫液冷却段；600、液体收集布膜器；700、管内降膜吸收段；800、气体冷却段；900、单向阀；

1、复合型吸收塔；2、风机；3、溶液泵；4、贫富液换热器；5、解吸塔；6、冷却器；7、气液分离罐；8、再沸器；9、吸收式余热发电机组；91、发生器；92、透平发电机；93、冷凝器；94、GVX换热器；95、吸收器；96、预冷器；97、GAX换热器。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请做出一些非本质的改进和调整。

如图3所示，本实施的复合型吸收塔1，包括塔体以及位于塔体上的废气进气口100、净化气出气口200、富液出口300、贫液进口400，

塔体内部从上至下依次设有贫液冷却段500、液体收集布膜器600、管内降膜吸收段700、气体冷却段800，贫液冷却段500、管内降膜吸收段700和气体冷却段800均由固定管板式管束构成；贫液进口400位于贫液冷却段500的上方，废气进气口100位于气体冷却段800的下方；

贫液冷却段500中的循环水与贫液换热后通过塔体外单向管道通入管内降膜吸收段700和气体冷却段800之间区域，气体冷却段800中的循环水与含热废气换热后通过塔体外单向管道通入管内降膜吸收段700和气体冷却段800之间区域。

固定管板式管束包括上下两组管板、位于上下管板之间的换热管及用于固定换热管的折流板，复合型吸收塔1的塔壳构成了固定管板式管束的壳程。

与图2所示吸收塔相比，本实施的复合型吸收塔1，贫液冷却段500的换热管管程走贫液，自上而下，贫液冷却段500的的壳程走低压态饱和水（来自于从解吸塔5顶气液分离罐7中分离回流的水经减压阀节流减压后形成的），低压态的饱和水与贫液逆流操作，吸收贫液的热量蒸发成水蒸汽，而后经单向阀900引入管内降膜吸收段700的下端，进入管内降膜吸收段700内被吸收。贫液冷却段500中管程流下的贫液经液体收集布膜器600在管内降膜吸收段700管内进行布膜形成液膜延管壁流下，烟气与来自于贫液冷却段500、气体冷却段800壳程的水蒸汽在管内降膜吸收段700管内自下向上与液膜进行逆流操作，接触吸收。吸收放出的热量由管内降膜吸收段700壳程内的低压态液氨蒸发带走（低压态液氨来自于吸收式余热发电机组9）。气体冷却段800管程走烟气，自下而上，气体冷却段800壳程走低压态饱和水（来自于从解吸塔5顶气液分离罐7中分离回流的水经减压阀节流减压后形成的），低压态饱和水吸收烟气的热量蒸发成水蒸汽，而后经单向阀900引入管内降膜吸收段700的下端，进入管内降膜吸收段700内被吸收。

应用到吸收式碳捕集提压系统中，相对于图1，以上贫液冷却段500代替了贫液冷却器，管内降膜吸收段700代替了填料层并相当于吸收式余热发电机组9中的蒸发器，体冷却段代替了气体冷却器。

如图4所示，本实施例中吸收式碳捕集提压系统，包括溶液泵3、贫富液换热器4、解吸塔5、冷却器6、气液分离罐7、再沸器8，还包括上述复合型吸收塔1和两组吸收式余热发电机组9；

如图5所示，吸收式余热发电机组9包括发生器91、透平发电机92、冷凝器93、GVX换热器94、吸收器95、预冷器96和GAX换热器97，透平发电机92位于发生器91与冷凝器93的制冷剂管道之间，透平发电机92利用发生器91受热析出的高压制冷剂作为驱动进行发电；其中一组吸收式余热发电机组9的发生器91以废气作为热源，换热后废气通过风机2连接复合型吸收塔1的废气进气口100，且该吸收式余热发电机组9中的透平发电机92对风机2供电；其中另一组吸收式余热发电机组9的发生器91以废汽作为热源，换热后的废汽经过再沸器8形成冷凝液，且该吸收式余热发电机组9中的透平发电机92对复合型吸收塔1和贫富液换热器4之间的溶液泵3供电。

吸收式余热发电机组9是在氨吸收式制冷机组上改进而来，在发生器91与冷凝器93之间增加透平发电机92，将发生器91中解吸出来的高压制冷剂氨先驱动透平发电机92，再进入冷凝器93中。同时将蒸发制冷端低压态的液氨引入吸收塔1降膜吸收段用于对吸收过程的降温，经吸热汽化后的气氨重回吸收式余热发电机组9中循环运作。

两组吸收式余热发电机组9中，GVX换热器94位于冷凝器93与吸收器95之间，冷凝器93的液态制冷剂进入GVX换热器94中再通入复合型吸收塔1的管内降膜吸收段700后返回至GVX换热器94再进入吸收器95中，利用复合型吸收塔1内的管内降膜吸收段700作为两组吸收式余热发电机组9的蒸发器，将吸收式余热发电机组9蒸发制冷端低压态的液氨引入复合型吸收塔1内的管内降膜吸收段700用于对烟气吸收过程的降温。

气液分离罐7的液体出口通过减压阀分为两路，一路连接至复合型吸收塔1的贫液冷却段500，另一路连接至复合型吸收塔1的气体冷却段800。将解吸塔5顶气液分离罐7中分离回流的水经减压阀节流减压后成低压态饱和水，引入复合型吸收塔1内的气体冷却段800和贫液冷却段500中用于对烟气和贫液的降温，低压态饱和水吸热蒸发成水蒸汽引入复合型吸收塔1中被吸收，重新回到富液中。利用有相变的蒸发吸热替代原系统中纯液相水冷却，可极大地节省系统中循环水的用量，降低冷却塔的负荷，降低电耗。

本实施例中的吸收式碳捕集提压工艺，将低压烟气和低压蒸汽分别引入两组吸收式余热发电机组中，吸收式余热发电机组发出的电分别用于驱动风机2和溶液泵3，同时以所述复合型吸收塔1的管内降膜吸收段700作为吸收式余热发电机组中的蒸发制冷端；

工艺包括以下步骤：

（1）建立吸收式余热发电机组9循环：连通冷凝器93-复合型吸收塔1--吸收器95-发生器91的制冷剂流程，将低压烟气和低压蒸汽分别引入两组吸收式余热发电机组9中的发生器91中，解吸出来的高压制冷剂驱动透平发电机92组，再进入冷凝器93中，同时将冷凝器93进入GVX换热器94的低压态的液氨引入吸收塔1降膜吸收段用于对复合型吸收塔1吸收烟气过程的降温，经吸热汽化后的气氨重回吸收式余热发电机组9中循环运作；

（2）建立吸收式碳捕集循环：连通复合型吸收塔1-解吸塔5-冷却器6-气液分离罐7的工质液循环流程，含CO₂的低压烟气进入吸收塔1和CO₂吸收剂混合后形成富液进入解吸塔5，解吸塔5中被解吸出的CO₂与水蒸汽的混合物从塔顶流出进入冷却器6中被冷凝成液态水和气态CO₂，而后进入气液分离罐7中进行分离，顶部的CO₂从上方排出，底部的水回流经节流减压后成低压态饱和水分成两路，一路进入复合型吸收塔1贫液冷却段500吸收贫液热量蒸发汽化成水蒸汽，另一路进入复合型吸收塔1气体冷却段800吸收气体热量蒸发汽化成水蒸汽，两路低压态饱和水吸热蒸发成水蒸汽引入复合型吸收塔1中被吸收，重新回到碳捕集系统的工质液中继续循环运作。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合型吸收塔，包括塔体以及位于塔体上的废气进气口、净化气出气口、富液出口、贫液进口，其特征在于：

所述塔体内部从上至下依次设有贫液冷却段、液体收集布膜器、管内降膜吸收段、气体冷却段，所述贫液冷却段、管内降膜吸收段和气体冷却段均由固定管板式管束构成；所述贫液进口位于贫液冷却段的上方，所述废气进气口位于气体冷却段的下方；

所述贫液冷却段中的循环水与贫液换热后通过塔体外单向管道通入管内降膜吸收段和气体冷却段之间区域，所述气体冷却段中的循环水与含热废气换热后通过塔体外单向管道通入管内降膜吸收段和气体冷却段之间区域。

2.根据权利要求1所述的复合型吸收塔，其特征在于，所述固定管板式管束包括上下两组管板、位于上下管板之间的换热管及用于固定换热管的折流板。

3.根据权利要求1所述的复合型吸收塔，其特征在于，所述贫液冷却段、管内降膜吸收段、气体冷却段的换热管流体均为逆流而上状态。

4.根据权利要求1所述的复合型吸收塔，其特征在于，所述塔体外单向管道上设有单向阀。

5.一种吸收式碳捕集提压系统，包括溶液泵、贫富液换热器、解吸塔、冷却器、气液分离罐、再沸器，其特征在于，还包括权利要求1-4任一所述的复合型吸收塔和两组吸收式余热发电机组；

所述吸收式余热发电机组包括发生器、透平发电机、冷凝器、GVX换热器、吸收器、预冷器和GAX换热器，所述透平发电机位于发生器与冷凝器的制冷剂管道之间，所述透平发电机利用发生器受热析出的高压制冷剂作为驱动进行发电；

其中一组吸收式余热发电机组的发生器以废气作为热源，换热后废气通过风机连接所述复合型吸收塔的废气进气口，且该吸收式余热发电机组中的透平发电机对所述风机供电；其中另一组吸收式余热发电机组的发生器以废汽作为热源，换热后的废汽经过再沸器形成冷凝液，且该吸收式余热发电机组中的透平发电机对所述复合型吸收塔和贫富液换热器之间的溶液泵供电。

6.根据权利要求5所述的吸收式碳捕集提压系统，其特征在于，两组所述吸收式余热发电机组中，所述GVX换热器位于冷凝器与吸收器之间，所述冷凝器的液态制冷剂进入GVX换热器中再通入复合型吸收塔的管内降膜吸收段后返回至GVX换热器再进入吸收器中。

7.根据权利要求5所述的吸收式碳捕集提压系统，其特征在于，所述气液分离罐的液体出口通过减压阀分为两路，一路连接至复合型吸收塔的贫液冷却段，另一路连接至复合型吸收塔的气体冷却段。

8.一种吸收式碳捕集提压工艺，其特征在于，利用权利要求5-7任一所述吸收式碳捕集提压系统实现，将低压烟气和低压蒸汽分别引入两组吸收式余热发电机组中，吸收式余热发电机组发出的电分别用于驱动风机和溶液泵，同时以所述复合型吸收塔的管内降膜吸收段作为吸收式余热发电机组中的蒸发制冷端；

所述工艺包括以下步骤：

（1）建立吸收式余热发电机组循环：连通冷凝器-复合型吸收塔--吸收器-发生器的制冷剂流程，将低压烟气和低压蒸汽分别引入两组吸收式余热发电机组中的发生器中，解吸出来的高压制冷剂驱动透平发电机组，再进入冷凝器中，同时将冷凝器进入GVX换热器的低压态的液氨引入吸收塔降膜吸收段用于对复合型吸收塔吸收烟气过程的降温，经吸热汽化后的气氨重回吸收式余热发电机组中循环运作；

（2）建立吸收式碳捕集循环：连通复合型吸收塔-解吸塔-冷却器-气液分离罐的工质液循环流程，含CO₂的低压烟气进入吸收塔和吸收剂混合后形成富液进入解吸塔，解吸塔中被解吸出的CO₂与水蒸汽的混合物从塔顶流出进入冷却器中被冷凝成液态水和气态CO₂，而后进入气液分离罐中进行分离，顶部的CO₂从上方排出，底部的水回流经节流减压后成低压态饱和水分成两路，一路进入复合型吸收塔贫液冷却段吸收贫液热量蒸发汽化成水蒸汽，另一路进入复合型吸收塔气体冷却段吸收气体热量蒸发汽化成水蒸汽，两路低压态饱和水吸热蒸发成水蒸汽引入复合型吸收塔中被吸收，重新回到碳捕集系统的工质液中继续循环运作。

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