一种燃煤电厂的乏汽凝热回收系统

摘要

本发明公开了一种燃煤电厂的乏汽凝热回收系统，包括高温热泵装置，用于从燃煤电厂的乏汽中吸取热量，通过热泵循环提高高温热泵工质温度；二氧化碳捕集装置，利用所述高温热泵工质加热捕获烟气中二氧化碳用的MEA吸收剂，完成解吸过程；跨临界二氧化碳热泵装置，用于从燃煤电厂的乏汽中吸取热量，通过热泵循环提高二氧化碳热泵工质温度；区域供热用热装置，利用所述二氧化碳热泵工质加热区域生活用水和区域供暖热水。采用本发明使燃煤电厂MEA法捕获二氧化碳的经济性提高，减少区域供热耗能，并且能够大幅减少燃煤电厂的水消耗量及电厂乏汽冷凝废热造成的热污染。

说明书

技术领域

本发明涉及节能技术领域，特别是涉及一种燃煤电厂的乏汽凝热回收系统。

背景技术

我国占一次能源72％的煤，六成用于发电，煤电占78％。2007年电力装机已突破7亿kW。按达到“小康”时人均电1kW计，2020年装机达15亿kW；增加一倍。届时，即使全部采用超超临界技术，CO₂的排放量也将为世界温室气体减排的“巴厘岛路线图”所不容。所以CO₂的捕集、沉积技术刻不容缓。近年来，CO₂捕集和封存技术(简称CCS)被认为是电力等部门减少CO₂排放的极有潜力的技术，而得到国际社会的普遍关注。

成本过高和额外能耗问题是CCS技术迄今没有大规模应用的重要障碍，其中CO₂捕集成本占总成本的60-80％。CO₂的捕集和压缩是CCS系统中成本最大的部分，这主要表现为整个电厂效率损失以及更多的能源消耗这两个方面。效率损失主要有CO₂回收需要的热量和动力以及压缩消耗的能量。对于亚临界、超临界和超超临界煤粉炉，效率均降低9.2个百分点。

随着人民生活水平的提高以及我国城镇化的步伐加快，增加住宅舒适度的能耗将不断提高。我国建筑总能耗约占社会终端能耗的20.7％。其中，北方城镇建筑采暖和农村生活用煤约为1.6亿吨标煤/年，占我国2004年煤产量的11.4％；建筑用电和其它类型的建筑用能(炊事、照明、家电、生活热水等)折合为电力，总计约为5500亿度/年，占全国社会终端电耗的27％～29％。现有建筑物的生活用水大部分采用电或燃气加热，供暖用水基本上采用以直接燃煤的小供暖锅炉和“热电联供”的发电厂的1MPa蒸汽为热源，这种“高能低用”的模式是很不合理的；平均火用效率，即热力学第二定律效率只有10％左右。

在工业部门的五个主要耗水行业中(电力，石油化工、冶金、纺织和造纸)广泛使用的冷却塔是工业耗水的主要根源之一。在所有工业领域，发电厂是耗水“大户”。

电厂在损耗大量的冷却水的同时，还带走了大量的余热，对电厂周围环境造成不容忽视的热污染。

综合用能，节约宝贵的水资源，实现“第二代资源系统”，是趋向于零排放目标的关键。

现有技术的一种采用燃煤电厂MEA吸收法的二氧化碳捕集装置的结构如图1所示，烟气经引风机1泵入吸收塔2，自下向上流经吸收塔2，与从上部入塔的二氧化碳吸收液(贫液)形成逆流接触，使二氧化碳得到脱除。净化后的脱碳烟气从塔顶排出。吸收了二氧化碳的吸收液(富液)通过富液泵3泵入贫富液溶液换热器4与解吸后的温度较高的贫液进行热交换，吸热后进入再生塔5。富液从再生塔5上部进入，通过汽提解吸部分二氧化碳，然后进入煮沸器10/V，被由汽轮机来的高压蒸汽加热，其中的二氧化碳进一步解吸。解吸二氧化碳后的贫液由再生塔5底部流出，经贫富液换热器4放热冷却后，用贫液泵6送至水冷器7，冷却后进入吸收塔2。溶剂往返循环构成连续吸收和解吸二氧化碳的工艺过程。从再生塔5顶出来的二氧化碳及蒸汽混合物通过冷却器8冷却冷凝，经由分离器9汽水分离，冷凝水通过回流补液返回系统，分离出的二氧化碳气体进入后续的压缩处理程序。

目前MEA吸收法捕获二氧化碳所采用的吸收剂是在105-110℃解吸，现有加热技术是抽取蒸汽进行加热，由于MEA吸收剂与二氧化碳的解吸需要大量的热量(每捕获1吨二氧化碳需要3.5吉焦耳热量)，这么大的热量需求，大约需要300t/h(吨每小时)左右的汽轮机中压缸排出蒸汽，约占300MW凝器式汽轮机机组中压缸出口蒸汽量(630t/h)的二分之一，大量的蒸汽耗量会使凝汽式汽轮机机组的凝汽器的进汽量不足而影响汽轮机的正常工作。另一方面目前燃煤电厂汽轮机出口乏汽的冷凝废热一般是通过湿式冷却塔的冷却水系统排入当地环境，大量的冷凝热量排入环境，对周围环境造成了热污染，并有大量的冷却水随空气进入大气而损耗。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种燃煤电厂的乏汽凝热回收系统，以克服现有技术中由于抽取蒸汽进行加热吸收剂而造成资源浪费的缺陷。

为达到上述目的，本发明提供一种燃煤电厂的乏汽凝热回收系统，所述系统包括：高温热泵装置，用于从燃煤电厂的乏汽中吸取热量，通过热泵循环提高高温热泵工质温度；二氧化碳捕集装置，利用所述高温热泵工质加热捕获烟气中二氧化碳用的MEA吸收剂，完成解吸过程；跨临界二氧化碳热泵装置，用于从燃煤电厂的乏汽中吸取热量，通过热泵循环提高二氧化碳热泵工质温度；区域供热用热装置，利用所述二氧化碳热泵工质加热区域生活用水和区域供暖热水。

其中，所述高温热泵装置包括高压级压缩机、低压级压缩机、内部换热器、节流阀、蒸发式冷凝器及中间冷却器；所述中间冷却器分别与内部换热器、节流阀和高压级压缩机连接；所述内部换热器分别与蒸发式冷凝器、节流阀、低压级压缩机和二氧化碳捕集装置的煮沸器连接；所述蒸发式冷凝器通过节流阀与中间冷却器连接；所述高压级压缩机分别与低压级压缩机和二氧化碳捕集装置的煮沸器连接。

其中，所述高温热泵工质在蒸发式冷凝器与燃煤电厂的乏汽换热，吸收乏汽的热量而蒸发；一部分乏汽流过蒸发式冷凝器后，放出冷凝潜热。

其中，所述高温热泵工质流经蒸发式冷凝器后，进入低压级压缩机前，在内部换热器与从煮沸器流入的高温热泵工质换热。

其中，所述从煮沸器流入的高温热泵工质在内部换热器过冷之后，一部分流经节流阀而降温降压，在中间冷却器内与另一部分相互换热，本身吸热蒸发、过热，而另一部分被进一步过冷。

其中，所述高温热泵工质在内部换热器过热之后，进入低压级压缩机被压缩至中间压力，再与来自于中间冷却器的中间压力的温度较低的过热热泵工质混合冷却。

其中，所述混合冷却后的高温热泵工质被高压级压缩机压缩至高温高压状态，高压级压缩机出口的高温热泵工质温度高于MEA吸收剂的解吸温度，被送入煮沸器加热MEA吸收剂，使其解吸。

其中，所述跨临界二氧化碳热泵装置包括压缩机、二氧化碳气体冷却器、节流阀和蒸发式冷凝器；所述压缩机分别与二氧化碳气体冷却器和蒸发式冷凝器连接；所述节流阀分别与二氧化碳气体冷却器和蒸发式冷凝器连接。

其中，所述二氧化碳热泵工质在蒸发式冷凝器与燃煤电厂的乏汽换热，吸收乏汽的热量而蒸发；一部分乏汽流过蒸发式冷凝器后，放出冷凝潜热。

其中，所述二氧化碳热泵工质被压缩机压缩至超临界状态，压缩机出口的二氧化碳热泵工质温度高于自来水及供暖回水温度，被送入二氧化碳气体冷却器加热自来水和供暖回水。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

本发明采用高温热泵装置及跨临界二氧化碳热泵装置从燃煤电厂的乏汽中吸取热量，通过热泵循环提高热泵工质的温度，使其能够直接加热燃煤电厂捕获烟气中二氧化碳用的MEA吸收剂(使之完成解吸过程)及区域供热的热水。采用本发明使燃煤电厂MEA法捕获二氧化碳的经济性提高，减少区域供热耗能，并且能够大幅减少燃煤电厂的水消耗量及电厂乏汽冷凝废热造成的热污染。

附图说明

图1是现有技术的一种采用燃煤电厂MEA吸收法的二氧化碳捕集装置的结构图；

图2是本发明的一种高温热泵装置的结构图；

图3是本发明的一种跨临界二氧化碳热泵装置的结构图；

图4是本发明的一种燃煤电厂的乏汽凝热回收系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种高温热泵装置的结构如图2所示，本发明采用高温热泵装置从燃煤电厂冷凝废热中吸取热量，通过热泵循环把高温热泵工质提高到120℃左右，使其能够直接加热燃煤电厂捕获烟气中二氧化碳用的MEA吸收剂，完成解吸过程。如图2所示，汽轮机乏汽流经蒸发式冷凝器I，与低温低压的高温热泵工质换热，部分乏汽放热冷凝，高温热泵工质吸热蒸发。高温热泵工质流经内部换热器II与来自溶液煮沸器10/V的高温高压液态热泵工质换热，吸收热量而过热，然后进入低压级压缩机III，被压缩至中间压力，而来自溶液煮沸器10/V的高温高压液态热泵工质在流经内部换热器II时放热而过冷，然后，其中的一部分高压过冷液体经过节流阀VI节流至中间压力而降压降温，进入中间冷却器VII冷却余下的高压液态热泵工质，本身吸热蒸发并被过热后流出中间冷却器VII，与来自低压级压缩机的高温热泵工质混合，被高压级压缩机IV吸入，并被压缩至终态压力，进入溶液煮沸器10/V加热吸收了烟气中的二氧化碳的MEA吸收剂，使之遇热解吸，而高温热泵工质本身放热冷凝。流经中间冷却器VII的另一股高压液态高温热泵工质被冷却而进一步过冷，经节流阀VIII节流后成为低压低温的过冷液体，温度低于来自汽轮机的乏汽的温度，因此当其流经蒸发式冷凝器时与乏汽进行热量交换，本身吸热汽化为低温低压的气体，而乏汽放热冷凝为液体后回到汽轮机循环，低温低压的气态高温热泵工质流入内部换热器II而回到高温热泵装置循环。

一台300MW的汽轮机组，捕获燃煤排放的二氧化碳所需要的热量如果按图1所示来自汽轮机的工作蒸汽，需要的中压缸排气量接近中压缸总排气量的二分之一，使得进入低压缸的工作蒸汽大幅降低，但是为了适应汽轮机设计最低凝汽量的要求，机组还必须有一部分凝汽发电；背压加凝汽发电量约为80-100MW(对应的低压缸进汽量约为550～700t/h)。这是高压汽轮机组抽汽供热“热/电比”的限度。因此过多的汽轮机抽汽量必定影响汽轮机组的正常工作，采用高温热泵装置供热一方面稳定了汽轮机的工作参数，另一方面较高的热泵系数(以汽轮机乏汽为低温热源，以捕获二氧化碳的MEA吸收剂为高温热源的热泵系统其热泵系数可达到4.75)可以大幅降低汽轮机组的功率损耗(采用汽轮机蒸汽作为加热介质的CCS系统，使汽轮机的发电效率降低9.2％，而采用高温热泵系统供热，所消耗的电功仅仅使汽轮机组发电效率降低8％)；另一方面由于高温热泵直接以汽轮机乏汽为低温热源，因此节约了冷却水的消耗，减少了由于冷却水循环而损失的水资源；最后由于回收了汽轮机乏汽的部分热量而减少了对周边环境的热污染。

本发明的一种跨临界二氧化碳热泵装置的结构如图3所示，本发明采用跨临界二氧化碳热泵装置从燃煤电厂冷凝废热中吸取热量，通过热泵循环把二氧化碳热泵工质提高到80℃左右，使其能够直接加热区域生活用水和区域供暖热水。如图3所示，来自汽轮机的部分已经被高温热泵工质冷凝的汽轮机乏汽流经蒸发式冷凝器工，与低温低压的二氧化碳热泵工质换热，乏汽被全部冷凝回到汽轮机热功转换循环中，二氧化碳热泵工质吸热汽化，然后进入二氧化碳压缩机iii，被压缩至高温高压，温度可达80℃。向区域用热介质供热，本身放出热量而冷却，在流经节流阀ii被节流成为低温低压的过冷液体，回到蒸发式冷凝器内重新吸热汽化，完成二氧化碳跨临界热泵循环。

图3所示的装置取消了热电厂的汽轮机抽汽供热，相对于“热电联供”的热电运行模式，避免了为满足区域供热而由汽轮机抽出大量的1MPa的蒸汽供热使汽轮机组陷入“以热定电”的运行弱势；而相对于区域小锅炉供暖，该热泵系统较高的热泵系数(采用汽轮机乏汽为低温热源，向建筑物供热的热泵装置，二氧化碳热泵装置的热泵系数高达8.0)，可节能70％。

本发明采用跨临界二氧化碳热泵装置，从来自于汽轮机的乏汽中吸取热量，通过二氧化碳热泵循环把二氧化碳热泵工质提高到80℃，使其能够直接加热生活用水及住宅供暖循环水，以提供生活(厨房，洗衣房，淋浴)用水及供暖用水。生活用水及地板辐射供暖的热水温度为70℃(考虑供热管网的传输热损失)。采用二氧化碳跨临界热泵系统回收汽轮机乏汽冷凝热，可以节约冷却水，减少热污染。

本发明的一种燃煤电厂的乏汽凝热回收系统的结构如图4所示，本发明通过两套热泵系统的联合运行，以热泵的蒸发器作为汽轮机乏汽的冷凝器，一是为CCS系统提供了需要的热量，实现了燃煤电厂的低碳排放；二是解决了区域供热用热问题；三是可以取消燃煤电厂为冷凝汽轮机乏汽而需要的冷却水系统，对于一个300MW的汽轮机机组，日节水9700-24000吨；四是回收450MW的冷凝废热(300MW的汽轮机机组)，折合标准煤75吨每小时；五是防止了为CCS系统供热以及区域供热而抽取汽轮机蒸汽影响凝汽式汽轮机的正常工作的情况出现；六是回收汽轮机乏汽热量，减少了燃煤电厂的热污染。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。