烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔

摘要

本发明公开了一种烟气脱碳系统，包括：吸收系统、再生系统、以及热交换系统，该再生系统包括再生塔，该再生塔下部具有贫液槽、上部具有富液喷淋器和激冷喷淋器，以在再生塔中形成再生区和激冷区。本发明还公开了一种烟气脱碳方法和烟气脱碳系统用再生塔。本发明能有效地对系统进行热分配，减少贫富液循环速度、降低出贫富液换热器后贫液和经过再生气冷凝器后流体的温度，从而减小冷却水负荷，进而降低系统能耗和电耗；另一方面，减少了昂贵的系统内件，降低吸收塔高度，从而降低系统的造价。

说明书

技术领域

本发明涉及烟气CO₂捕集技术领域，尤其是燃煤(油、气)电站锅炉(燃机)、工业锅炉、石灰窑炉和化工工艺中的低压低浓度CO₂回收领域，具体涉及燃烧设备的烟气脱碳系统及方法、以及烟气脱碳系统用再生塔。

背景技术

气候变暖问题是影响整个人类发展的问题，CO₂是气候变暖的主要贡献者，而大型燃烧设备是CO₂最大的排放源，任何想要大规模控制CO₂的排放，应对气候变暖，都必须着力于对大型燃烧设备进行CO₂捕集。

大型燃烧设备捕碳主要有燃烧前捕集、富氧燃烧技术和燃烧后捕集。燃烧前捕集主要用于IGCC电站，后两者则可运用于对传统电厂的改造。其中，富氧燃烧技术不仅需要增加制氧设备，还需对已有的发电本体进行改造，燃烧后捕碳则不用对本体进行改造，具有更广泛的适应性。由于传统电站和其它大型燃烧设备烟气具有大流量，低分压等特点，采用具有碱性的醇胺溶液，如乙醇胺(MEA)是最适合于这种烟气特点的技术。

利用醇胺溶液从烟气中进行碳捕集的技术在化工行业已经成熟。但是，由于电厂等大型燃烧设备烟气具有气量大，分压低等特点，该技术运用于电厂最大的问题是能耗高，体积大。

中国发明专利申请(申请号为200810018343.5)公开了一种燃煤电厂烟气中二氧化碳捕集装置，其包括烟气预处理装置、吸收塔、以及再生塔。

其中，经过烟气预处理装置处理的烟气通过风机加压后与吸收塔的底部相连，烟气自下向上流动，与从吸收塔上部入塔的能够吸收二氧化碳的乙醇胺溶液形成逆流接触，脱除二氧化碳的烟气经尾气排空口排出，吸收了二氧化碳的富液通过富液泵加压由再生塔上部进入，在再生塔底部设置有内置式煮沸器，再生塔的顶部出气口还依次与产品气富液换热器、产品气冷却器、气液分离器和二氧化碳压缩机相连，分离后的二氧化碳经二氧化碳压缩机压缩后排出，解吸二氧化碳后的贫液由再生塔底流出。

本发明人发现，在上述二氧化碳捕集装置中，系统能耗大，运行成本高。

发明内容

本发明目的在于提供一种比传统技术具有更低能耗的烟气脱碳系统，以满足大型燃烧设备，化工行业等CO₂分压较低，需大幅降低能耗的CO₂捕集系统。本发明的另一个目的在于提供一种烟气脱碳方法。本发明的又一个目的在于提供一种烟气脱碳系统用再生塔。

为此，一方面，本发明提供了一种烟气脱碳系统，其包括：吸收系统，利用贫二氧化碳吸收液吸收烟气中的二氧化碳，以形成富二氧化碳吸收液；再生系统，用于解吸富二氧化碳吸收液中的二氧化碳，以形成二氧化碳再生气和供吸收系统循环使用的贫二氧化碳吸收液；以及热交换系统，供富二氧化碳吸收液与贫二氧化碳吸收液和/二氧化碳再生气之间换热，其中，再生系统包括再生塔，其下部具有贫液槽、上部具有富液喷淋器、以及位于富液喷淋器上方的激冷喷淋器，其中，在贫液槽的贫二氧化碳吸收液的液面之上、在富液喷淋器之下的空间形成再生区，激冷喷淋器和富液喷淋器之间的空间形成激冷区。

优选地，向上述再生系统提供的富二氧化碳吸收液的70％～95％经过热交换系统换热后供给富液喷淋器，其余的直接供给激冷喷淋器。

优选地，上述再生塔的上端设有除雾器，富液喷淋器设置在贫液槽液面与除雾器之间的2/3～4/5高度处，激冷喷淋器设置在富液喷淋器与除雾器之间。

优选地，上述再生系统还包括连接至再生塔的再生气冷却器和再生气分离器，其中，再生气分离器分离得到的液体与贫液冷却器冷却后的贫二氧化碳吸收液相混合。

优选地，上述热交换系统包括：贫富液换热器；以及贫液冷却器，其中，再生塔的贫液槽中的贫二氧化碳吸收液经过贫液冷却器冷却后供给吸收塔的贫液喷淋器。

优选地，上述再生塔的上端设有除雾器，富液喷淋器设置在贫液槽液面与除雾器之间的2/3～4/5高度处，激冷喷淋器设置在富液喷淋器与除雾器之间。

优选地，上述吸收系统包括与风机相连通的至少一吸收塔，吸收塔的底部具有富液槽、中部具有自循环喷淋器、上部具有贫液喷淋器，自循环喷淋器设置在富液槽液面和贫液喷淋器之间的1/3～2/3高度处，其中，自循环喷淋器与贫液喷淋器之间构成贫液吸收区，自循环喷淋器与富液槽之间形成半贫液吸收区，吸收塔的贫液喷淋器的上方还具有循环洗涤系统和除雾器。

另一方面，本发明还提供了一种烟气脱碳方法，包括以下步骤：A)在吸收塔中，利用贫二氧化碳吸收液吸收烟气中的二氧化碳，以形成富二氧化碳吸收液；B)在再生塔中，解吸富二氧化碳吸收液中的二氧化碳，以形成二氧化碳再生气和供吸收系统循环使用的贫二氧化碳吸收液；以及C)在热交换系统中，使富二氧化碳吸收液与贫二氧化碳吸收液和/二氧化碳再生气进行换热，其中，在步骤B中，使步骤A中吸收塔提供的富二氧化碳吸收液的一部分经过加热后由再生塔的富液喷淋器向下喷射，而富二氧化碳吸收液的其余部分直接由位于富液喷淋器上方的激冷喷淋器向下喷射。

优选地，由再生塔的富液喷淋器向下喷射的富二氧化碳吸收液占吸收塔提供的富二氧化碳吸收液总量的70～95％。

优选地，在步骤C中，使再生塔的贫液槽中的贫二氧化碳吸收液经由热交换系统冷却后与二氧化碳再生气经由冷却和汽液分离所得到的液体相混合，再供应至吸收塔。

优选地，在步骤A中，使经过预处理的烟气通过风机从吸收塔下部进入到吸收塔中，并先让雾化的富二氧化碳吸收液吸收，再经由雾化的贫二氧化碳吸收液吸收，其中，富二氧化碳吸收液来自吸收塔下部的富液槽中。

此外，本发明还提供了一种烟气脱碳系统用再生塔，该再生塔的下部具有贫液槽和位于贫液槽中的蒸发器、上部具有富液喷淋器、以及在富液喷淋器上方还设有激冷喷淋器，其中，在贫液槽的贫二氧化碳吸收液的液面之上、在富液喷淋器之下的空间形成再生区，激冷喷淋器和富液喷淋器之间的空间形成激冷区。

在本发明优选实施例的系统和方法中，吸收塔和再生塔均采用喷淋法，且在吸收塔中增加了一套喷淋内循环，在再生塔中增加了一套喷淋激冷系统，再生塔后冷凝液直接与冷却器后的贫液混合。一方面，能有效地对系统进行热分配，减少贫富液循环速度、降低出贫富液换热器后贫液和经过再生气冷凝器后流体的温度，从而减小冷却水负荷，降低系统能耗和电耗；另一方面，减少了昂贵的系统内件，降低吸收塔高度，从而降低系统的造价。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明的其它的目的、特征和效果作进一步详细的说明。

附图说明

构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：

图1为根据本发明优选实施例的烟气脱碳系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。在附图中相同的部件用相同的标号表示。

本发明的烟气脱碳系统包括：吸收系统，利用贫二氧化碳吸收液吸收烟气中的二氧化碳，以形成富二氧化碳吸收液；再生系统，用于解吸富二氧化碳吸收液中的二氧化碳，以形成二氧化碳再生气和供吸收系统循环使用的贫二氧化碳吸收液；以及热交换系统，供富二氧化碳吸收液与贫二氧化碳吸收液和/二氧化碳再生气之间换热。下面结合优选实施例对烟气脱碳系统的吸收系统、再生系统和热交换系统的具体特点分别作详细说明。

图1为根据本发明优选实施例的烟气脱碳系统的结构示意图。如图1所示，在本优选实施例中，烟气脱碳系统的吸收系统为带自循环的喷淋式吸收系统，该吸收系统包括与引风机2相连通的吸收塔5。

该吸收塔5的底部形成富液槽1、中部设置有由自循环泵3和自循环喷淋器4组成的自循环系统、上部设置有吸收塔喷淋器6(或者称为贫液喷淋器)以及由循环水洗泵7和积液槽8组成的循环洗涤系统、上端设置有吸收塔除雾器9。

如此，自循环喷淋器4与吸收塔喷淋器6之间构成的贫液吸收区5-2，自循环喷淋器4与富液槽1之间形成的半贫液吸收区5-1。优选地，自循环喷淋器4设置在富液槽1液面和吸收塔喷淋器6之间的1/3～2/3高度处，通过自循环泵与富液槽1相连。

如此，当烟气进入从吸收塔5的下部进入吸收塔5中时，具有较高浓度CO₂首先在半贫液吸收区5-1，与由自循环喷淋器4所雾化的吸收剂浓度较低的溶液反应；然后再进入到贫液吸收区，在CO₂浓度较低时与具有较高吸收剂浓度的溶液反应，这样优化了反应区间，提高了富液的CO₂担载量。从而降低贫富液循环量，减少贫液冷却器的负荷、进而降低系统热损失和冷却水的消耗、以及降低泵功，并可以降低吸收塔的高度。

本发明人发现，在仅设置贫液吸收区的吸收塔中，塔下1/3至1/2处已经吸收了90％左右的CO₂，剩下的一半塔高仅脱出约5％，这是贫富液循环量较大的一个重要原因，本发明据此对吸收塔作了上述改进。

在本优选实施例中，再生系统为带激冷的喷淋式再生系统，其包括再生塔20，该再生塔20的底部形成贫液槽21、上部设置有再生塔喷淋器14(或者称为富液喷淋器)、上端的激冷喷淋器15和再生塔除雾器16。

在本发明中，激冷喷淋器为普通的喷淋器，用于喷淋未经过换热升温的来自吸收塔的富液。再生塔喷淋器也为普通的喷淋器，用于喷淋经过换热升温的富液。

这样，在贫液槽21的贫二氧化碳吸收液的液面之上、在富液喷淋器14之下的空间形成再生区20-1，而激冷喷淋器14和富液喷淋器14之间的空间形成激冷区20-2。激冷区20-2的温度相对再生区20-1的温度大幅度降低，例如降低30～50℃，称为激冷区。

再生塔喷淋器14优选设置在贫液槽21液面与除雾器16之间的2/3～4/5高度处，激冷喷淋器15设置在再生塔喷淋器14与除雾器16之间设置。

部分富液不经过换热，直接通过激冷喷淋器15进入吸收塔；由于蒸汽在再生塔内上升的过程逐步被冷凝，到达激冷区20-2的气体携带的蒸汽相对较少，部分低温的富液能将其温度迅速降低，这将大幅度降低再生塔出口温度，即在输入热量相当的情况下，通过激冷区，在再生区维持了一个更高的温度，而激冷区维持一个较低的温度，从而降低再生气冷却器的负荷，减少系统热损失和冷却水的消耗以及降低冷却水的泵功。

此外，再生塔20的上端与再生气分离器17相连通，下端与贫液泵相连通，再生塔喷淋器14与贫富液换热器12相连，激冷喷淋器15与和富液泵10相连。70％～95％的贫液通过贫富液换热器12换热升温，然后通过再生塔喷淋器14雾化后进入再生塔，而其余的贫液直接通过激冷喷淋器15进入再生塔20，冷却上升的气体。

热交换系统包括：再生气分离系统，其由再生气冷却器17、再生气分离器18和回流补液泵19构成；以及贫富液换热系统，其由富液泵10、贫液泵13、贫富液换热器12和贫液冷却器11构成。

由于激冷区的存在，回流补液泵19将冷凝分离的低浓度液体可以不再回到再生塔20，而直接与贫液冷却器11后的液体相混，不仅减少了再生塔的热损失，还可以直接降低贫液温度，从而部分减少贫液冷却器的热负荷。

另外，在吸收塔和再生塔中，由于贫/富二氧化碳吸收液均采用喷淋雾化，如此强化了传热传质反应，简化了塔内件，降低塔体投资成本雾化对象为纯液相溶液，雾化喷嘴简单。如此，克服了传统技术中，采用填料盒塔板等强化传质技术，在特大型系统中会遇到塔体大，内件复杂以及液体分配不均匀，投资高等问题。

在吸收塔5和再生塔20内，优选采用多个喷嘴沿塔截面均匀布置，如此将溶液雾化后均匀分布到塔内，并在下落过程中完成传热、传质和化学反应。此外，吸收塔喷淋器6和自循环喷淋器4之间的、以及再生塔喷淋器14和激冷喷淋器15之间的喷嘴排列方式最好进行互补，以减少塔内的气体短路。

可以理解，上面所描述的吸收塔5可以单独应用于其他架构的烟气脱碳系统中。上面所描述的再生塔20也可以单独应用于其他架构的烟气脱碳系统中。

下面对本发明的烟气脱碳系统的具体操作方法进行描述。

首先将配制好的吸收液注入到吸收塔中，然后启动富液泵10，将溶液抽送到再生塔20中，在吸收塔和再生塔液位达到设定值后，启动贫液泵13，建立系统液相循环的平衡；在再生系统中逐步加入低压蒸汽，开启贫富液换热器12，贫液冷却器11，再生气冷却器17，等到再生气分离器18液位达到设定值时启动回流补液泵19。平衡建立后，首先开启循环水洗泵7，然后开启风机2，将烟气引入到捕碳系统。

通过预处理后的烟气在风机2的作用下，从富液槽1液面上方进入到吸收塔5内；进入吸收塔的烟气沿吸收塔轴向上升，先后经过由半贫液吸收区5-1，贫液吸收区5-2。后者空间中的雾化液滴是由吸收塔喷淋器6雾化形成的，具有较高的溶液浓度，所以对CO₂吸收能力较强，而该区间气相中的CO₂已经在半贫液吸收区5-1中被吸收过，浓度相对较低；半贫液区5-1中的液相是由经过贫液吸收区5-2吸收了部分CO₂的雾化液滴和通过自循环系统从富液槽1抽取并雾化的液滴组成，在该区域中，液滴中吸收剂的浓度相对较低，但气相中CO₂的浓度相对较高。

经过脱碳后的气体经过循环水洗系统7、8和除雾器9，喷淋降温并除雾后，直接排到大气中或者返回到烟道系统。

吸收了CO₂的富液在富液泵10的作用下，分两个部分进入再生系统。首先，主要的部分通过贫富液换热器12，提高温度(端差最小可控制到5℃左右)，通过再生塔喷淋器14雾化后进入再生区20-1。另一部分富液则不再经过贫富液换热器12，直接通过激冷喷淋器15雾化后进入到再生塔激冷区20-2。

由于该区域雾化液滴温度较低，而气相中的水蒸汽已经相对较少，所以能将再生塔出口温度迅速降低。经过升温后的富液液滴穿过激冷区后，进入到再生区20-1中。另一方面，在贫液槽中，低压蒸汽将溶液煮沸，气化后的蒸汽在再生区20-1中与下落的液滴进行传热作用，提高了液滴温度。当液滴温度达到CO₂与吸收剂逆反应发生温度后，CO₂就从液滴中解吸出来，气相中的水蒸汽则冷凝成液滴下落，回到贫液槽。为使雾化效果调整灵活，可在再生塔喷淋器14和激冷喷淋器15前增加一个泵或者一套可控阀调节装置。

通过激冷后的气体中主要为CO₂和水蒸汽，以及部分被气体携带的液滴。它们经过再生气冷却器17冷凝后，进入到再生气分离器18。再生气分离器17将液滴和CO₂气体进行分离，获得了低温高浓度的CO₂气体和低温低浓度的溶液。这些溶液经过回流液补液泵19，持续地加入到贫液冷却器11后的贫液中，以降低贫液的温度。

通过再生后的溶液，经过贫液泵13，在贫富液换热器12中与富液进行热交换降温后，再经过贫液冷却器进一步降温，最后通过吸收塔喷淋器6雾化后进入到贫液吸收区5-2。为了控制雾化效果，可以在吸收塔喷淋器6前增加一个雾化泵或一套可控阀调节装置。

下面描述根据本发明的烟气脱碳方法。在本发明中，烟气脱碳方法包括以下步骤：A)在吸收塔5中，利用贫二氧化碳吸收液吸收烟气中的二氧化碳，以形成富二氧化碳吸收液；B)在再生塔20中，解吸富二氧化碳吸收液中的二氧化碳，以形成二氧化碳再生气和供吸收系统循环使用的贫二氧化碳吸收液；以及C)在热交换系统中，使富二氧化碳吸收液与贫二氧化碳吸收液和/二氧化碳再生气进行换热。下面对本发明的各步骤的具体特点进行描述。

在步骤A中，可使经过预处理的烟气通过风机2从吸收塔5下部进入到吸收塔5中，并先让雾化的富二氧化碳吸收液吸收，再让雾化的贫二氧化碳吸收液吸收，其中，富二氧化碳吸收液来自吸收塔5下部的富液槽1中。

在步骤B中，可使吸收塔5的富液槽1中的富二氧化碳吸收液的一部分提供给再生塔20的激冷喷淋器15使其雾化，另一部分通过冷却后提供给激冷喷淋器15下方的富液喷淋器14使其雾化。

在步骤C中，可使再生塔20的贫液槽21中的贫二氧化碳吸收液经由热交换系统冷却后与二氧化碳再生气经由冷却和汽液分离得到的液体相混合。

下面对本发明的优选实施例的烟气脱碳方法进行详细说明。

将经过预处理的烟气，通过风机2从吸收塔5中下部进入到吸收塔，并在吸收塔中上升；另一方面，吸收液通过吸收塔喷淋器6被雾化。上升的烟气与雾化下降的液滴进行传质和化学反应，从而将烟气中的CO₂捕集到溶液中；自循环泵3与富液槽1相连，将富液槽中的溶液通过自循环喷淋器4雾化后进入到吸收塔中，再次吸收CO₂，并提高溶液中的CO₂浓度(CO₂负荷因子)。

吸收了CO₂的富液，通过富液泵进入到再生系统；其中一部分通过贫富液换热器12，提高温度后，通过再生塔喷淋器14雾化进入到再生塔中，贫液槽中的贫液通过低压蒸汽加热蒸发、CO₂从吸收剂中分解出来，蒸发上升的蒸汽和CO₂与雾化的液滴相接触，通过传热传质过程，将液滴加热比并从溶液中将CO₂解吸出来；另一部分富液则不通过换热器，直接通过激冷喷淋器15雾化后进入到再生塔。

再生塔内上升的蒸汽仅有部分通过再生塔喷淋器，其余在上升过程中加热液滴后冷凝成为液滴。激冷喷淋器15雾化的较低温度的溶液与这些少部分气体接触后，迅速将这些蒸汽冷凝降温，从而降低再生塔出口的温度，从而降低再生气冷却器17的负荷。

冷却后的蒸汽和CO₂被再生气冷却器17进一步冷凝到25～40℃，冷凝出来的低浓度的溶液通过再生气分离器18进行气液分离。其中气体从上部出口排出，成为回收的高浓度CO₂气体。而液体部分，则通过回流补液泵19，与贫液冷却器11后的贫液混合进入吸收塔，以降低贫液温度，减少贫液冷却器11负荷。

解吸过CO₂的溶液，经过贫液泵13，在贫富液换热器12与低温的富液进行换热降温，再经过贫液冷却器11进一步降温后，通过吸收塔喷淋器6进入吸收塔进行CO₂捕集。

通过以上描述可以看出，在本发明中，吸收塔和再生塔均采用喷淋法，且在吸收塔中增加了一套喷淋内循环，在再生塔中增加了一套喷淋激冷系统，再生塔后冷凝液直接与冷却器后的贫液混合。本发明的优点是：一方面，能有效地对系统进行热分配，减少贫富液循环速度、降低出贫富液换热器后贫液和经过再生气冷凝器后流体的温度，从而减小冷却水负荷，降低系统能耗和电耗；另一方面，减少了昂贵的系统内件，降低吸收塔高度，从而降低系统的造价。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。