与余热驱动制冷相结合的CO2压缩液化系统

摘要

本发明属于CO2后处理技术领域，特别涉及一种与余热驱动制冷相结合的CO2压缩液化系统。本发明在由多级压缩机、冷却器、循环水系统组成的压缩液化CO2系统的基础上增加了CO2气体预冷系统、氨吸收式制冷系统、分级冷却系统、余热抽汽系统、液氧泵增压系统以及液态CO2冷量回收系统；结合电厂丰富的余热环境，利用余热驱动制冷机制取冷量，用低温来降低CO2的液化压力，CO2液化后再利用泵升压等措施，以降低总的CO2压缩功耗，节约电能，并提高全厂的热效率。本发明适用于多种同时有余热可供利用和需要压缩液化CO2的场合，尤其是在需要回收CO2的火力发电厂，可有效的利用电厂余热和降低CO2压缩液化的能耗水平。

权利要求

1.与余热驱动制冷相结合的CO2压缩液化系统，其特征在于：在由多级压缩机组成的压缩液化CO2系统的基础上增加了氨吸收式制冷系统、CO2气体预冷系统及分级冷却系统、余热抽汽系统、液氧泵增压系统以及液态CO2冷量回收系统；

所述CO2气体预冷系统及分级冷却系统为：在每一级压缩机前以及最末级压缩机后的CO2管道上均分别设置两级串联的蒸发器，前一级蒸发器的蒸发温度为-15℃，后一级蒸发器的蒸发温度为-30℃；

所述氨吸收式制冷系统为：氨吸收式制冷机冷凝器出口与所述各个蒸发器连接，使用制冷机制取的冷量来冷却压缩机入口的CO2气体；

所述余热抽汽系统为：设置与氨吸收式制冷系统连接的抽气管道，抽取原发电机组或其它汽源的低温蒸汽用于满足氨吸收式制冷系统对热能的需求；

所述液氧泵增压系统以及液态CO2冷量回收系统为：在最末级蒸发器后，串联用于加压液态CO2的液氧泵，并在第一级压缩机与最末级压缩机之间的所有蒸发器前以及最末级压缩机后的第一级蒸发器前分别设置与液氧泵连接的换热器；液氧泵将液态CO2升至指定压力，CO2液体流经各级换热器，与液化之前的CO2气体进行热交换，回收CO2液体的冷能。

2.根据权利要求1所述的与余热驱动制冷相结合的CO2压缩液化系统，其特征在于，所述氨吸收式制冷系统的具体结构为：精馏塔、发生器、溶液热交换器、第一级吸收器、第一级溶液升压泵、第二级吸收器、第二级溶液升压泵依次串联，然后返回溶液热交换器换热后再返回精馏塔，组成局部回路；精馏塔的氨气出口与冷凝器连接，然后分别连接到各级蒸发器上。

说明书

与余热驱动制冷相结合的CO2压缩液化系统

技术领域

[0001] 本发明属于CO2后处理技术领域，特别涉及一种与余热驱动制冷相结合的CO2压缩液化系统。

背景技术

[0002] 目前，由于动力系统CO2排放导致的温室效应越来越严重，因而，CO2的捕获、封存以及利用成为目前国内外研究的热点。从动力系统中捕获的CO2在埋存前需要压缩到80bar甚至更高的压力变为液态，利于远距离传输。然而这个过程要耗费大量功。传统方法通常采用多级串联逐级压缩的方式，将CO2气体压缩至临界压力以上来液化CO2，可以同时获得高压和液态的CO2，这是目前流行的主要技术路线。这种直接压缩的方法多采用分级压缩中间冷却的措施，冷源采用常温的循环冷却水。该方法设备结构简单，操作方便，可以实现CO2的增压和液化。但是由于CO2的临界压力很高(达到7.38MPa)，一般的压缩都是从常压(0.1MPa)开始压缩，压比过大使得压缩机功耗过高，又因为使用常温的循环水冷却，使得压缩机入口气体的温度过高，又进一步增加了压缩功耗。这就使得压缩液化CO2的总功耗过高，造成能源的浪费和经济效益的损失。

发明内容

[0003] 本发明为解决传统压缩液化CO2系统压缩功耗过高的问题，提出了一种与余热驱动制冷相结合的压缩液化CO2的系统，可有效地降低压缩液化CO2过程的压缩功，总的能耗也能保持在较低的范围。

[0004] 本发明采用的技术方案为：在由多级压缩机、冷却器、循环水系统组成的压缩液化CO2系统的基础上增加了CO2气体预冷系统、氨吸收式制冷系统、分 级冷却系统、余热抽汽系统、液氧泵增压系统以及液态CO2冷量回收系统。

[0005] 所述CO2气体预冷系统及分级冷却系统为：在每一级压缩机前以及最末级压缩机后的CO2管道上均分别设置两级串联的蒸发器，前一级蒸发器的蒸发温度为-15℃，后一级蒸发器的蒸发温度为-30℃。

[0006] 所述氨吸收式制冷系统为：氨吸收式制冷系统的出口与所述各个蒸发器连接，使用制冷机制取的冷量来冷却压缩机入口的CO2气体，并带走CO2液化时的潜热；循环水系统用作氨吸收式制冷机的低温热源。

[0007] 所述余热抽汽系统为：设置与氨吸收式制冷系统连接的抽气管道，抽取原发电机组或其它汽源的低温蒸汽用于满足氨吸收式制冷系统对热能的需求。

[0008] 所述液氧泵增压系统以及液态CO2冷量回收为：在最末级蒸发器后，串联用于加压液态CO2的液氧泵，并在第一级压缩机与最末级压缩机之间的所有蒸发器前以及最末级压缩机后的第一级蒸发器前分别设置与液氧泵连接的换热器；液氧泵将液态CO2升至指定压力，CO2液体流经各级回热器，与液化之前的CO2气体进行热交换，回收CO2液体的冷能。 [0009] 所述氨吸收式制冷系统的具体结构为：精馏塔、发生器、溶液热交换器、第一级吸收器、第一级溶液升压泵、第二级吸收器、第二级溶液升压泵依次串联，然后返回溶液热交换器换热后再返回精馏塔，组成局部回路；精馏塔的氨气出口与冷凝器连接，然后分别连接到各级蒸发器上。

[0010] 本发明的有益效果为：

[0011] 本系统可以在完成CO2气体压缩液化的同时，增加余热利用，降低压缩机的功耗，减少有用功损失，减少耗电量，使CO2压缩液化的总的能耗降低，并提高全厂的热效率。 [0012] 采用传统设备压缩液化CO2的能耗主要来自于压缩机的耗功，压缩机耗能 巨大，由电动机驱动，消耗的是高品质的电能。本系统引入了氨吸收式制冷机。在有充足的或富余的低温余热可资利用的火力发电厂或其它需要压缩液化CO2的场合，氨吸收式制冷机可以充分利用这些余热制取冷量来冷却CO2，不耗费电能。在低温下，升至相同的压力，压缩机的功耗可以大大减少。又因为采用低温冷却，使得CO2的饱和压力降低，缩小了气态CO2的升压范围，这又进一步降低了压缩机的功耗。

附图说明

[0013] 图1为本发明所述系统的结构示意图。

[0014] 图中标号：

[0015] 0-液态CO2出口；1-CO2气体入口；2-第一级蒸发器；3-第二级蒸发器；4-第一级压缩机；5-第三级蒸发器；6-第四级蒸发器；7-第二级压缩机；8-第五级蒸发器；9-第六级蒸发器；10-第三级压缩机；11-第七级蒸发器；12-第八级蒸发器；13-液氧泵；14-冷凝器；15-精馏塔；16-发生器；17-溶液热交换器；18-第一级吸收器；19-第一级溶液升压泵；20-第二级吸收器；21-第二级溶液升压泵。

具体实施方式

[0016] 本发明提供了一种与余热驱动制冷相结合的CO2压缩液化系统，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。

[0017] 本发明的结构图如图1所示：CO2气体从CO2气体入口1进入，依次流过第一级蒸发器2、第二级蒸发器3、第一级压缩机4、第三级蒸发器5、第四级蒸发器6、第二级压缩机7、第五级蒸发器8、第六级蒸发器9、第三级压缩机10、第七级蒸发器11、第八级蒸发器12以及液氧泵13，然后再依次经过安装在第四级蒸发器6、第三级蒸发器5前的换热器，以及安装在第六级蒸发器9、 第五级蒸发器8、第七级蒸发器11前的换热器，将冷能释放后由出口0流出。

[0018] 本系统的氨吸收式制冷部分为：精馏塔15、发生器16、溶液热交换器17、第一级吸收器18、第一级溶液升压泵19、第二级吸收器20、第二级溶液升压泵21依次串联，然后返回溶液热交换器17换热后再返回精馏塔15，组成局部回路；精馏塔15的氨气出口与冷凝器14连接，然后分别连接到各级蒸发器上。采用氨水为制冷剂，提供两个制冷温度。在第一级蒸发器2、第三级蒸发器5、第五级蒸发器8、第七级蒸发器11中的蒸发温度为-15℃，在第二级蒸发器3、第四级蒸发器6、第六级蒸发器9、第八级蒸发器12中的蒸发温度为-30℃。
CO2先流经较高温度的蒸发器，再流经较低温度的蒸发器，利用分级冷却，可以降低换热温差，减少损失。

[0019] 引入的氨吸收式制冷方法如下：氨吸收式制冷机采用低品位的余热驱动，不消耗电能和机械功。余热抽汽引至发生器16，加热高浓度的氨水溶液，产生氨气；由冷凝器14来的高压的液氨分成八股，分别在两两串联的四组蒸发器(第一级蒸发器2和第二级蒸发器3，第三级蒸发器5和第四级蒸发器6，第五级蒸发器8和第六级蒸发器9，第七级蒸发器11和第八级蒸发器12)内蒸发，每一组串联的蒸发器有-15℃和-30℃两个蒸发温度。CO2总是先流经-15℃的蒸发器，温度降低后再流经-30℃的蒸发器。

[0020] 引入CO2的预冷方法如下：CO2的初始状态接近于常温常压，在进入第一级压缩机4进行压缩之前，先依次流经前两级蒸发器，使温度逐级降低至约-30℃；在之后的每一级压缩之前，都经过类似冷却，使CO2的压缩保持在低温进行。

[0021] 引入的CO2液化后再升压的方法如下：经过低温冷却，CO2保持在了较低的温度，饱和压力随之降低，在第八级蒸发器12中CO2已经实现液化，但压 力仍然不能满足要求，增加液氧泵13，将液态的CO2进一步升压至指定压力。

[0022] 引入的冷量回收方法如下：液氧泵13出来的液态CO2温度很低，携带有大量的冷能，然后再依次经过安装在第四级蒸发器6、第三级蒸发器5前的换热器，以及安装在第六级蒸发器9、第五级蒸发器8、第七级蒸发器11前的换热器，冷却从各级压缩机出来的较高温度的CO2气体，同时使自身温度升高，释放冷能。

[0023] 下面结合实际生产，对本发明的效果做一下详细说明。

[0024] 对比例子中选取了初态为30℃，压力为0.1MPa的CO2气体为研究对象，需要将其压缩至8.1MPa的超临界状态。使用常规压缩液化的方法需要使用四级压缩机，每级压比为3，压缩机效率为0.75，最终的总耗为358.84kJ/kgCO2，其中，仅压缩机的功耗就高达357.56kJ/kgCO2。而本系统采用三级气体压缩和一级液氧泵增压，消耗的压缩功较少，额外的氨吸收式制冷机仅需消耗部分低品位的热能。当制冷机的热力系数较高或消耗的低品质的热能的做功能力很小时，制冷机额外消耗的这一部分热能折成的功耗很小。 [0025] 制冷机消耗的蒸汽的品质用折功系数来衡量，即制冷循环消耗的中低温热能，如果用于做功所能输出的功率与其热量的比值。蒸汽品质越高，折功系数越大。从表1中可以看到，随着折功系数增大，本系统的总能耗是逐渐升高的。另外，本系统的总能耗随所用蒸汽品质不同而有所变化：如果利用的是厂内原本废弃的余热，则折功系数为零，此时总的能耗只包括压缩机消耗的功，仅为183.56kJ/kgCO2，较常规方法总能耗下降约48.04％。通常，制冷循环中所用加热蒸汽的温度不超过165℃，相应的折功系数不大于0.1，由表1可以看出，即使按最保守状况估计，新方法的总能耗仍能比传统方法下降27.91％。 [0026] 表1：本系统中采用不同品质的蒸汽加热氨吸收式制冷机的发生器时的总功耗比较

[0027]

[0028] 以一座600MW常规燃煤电厂为例，假定该厂燃料为焦作无烟煤，含碳量为66.1％，低位发热量为22880kJ/kg。取厂发电效率为40％，则每燃烧1kg煤所发出的电能为9152kJ，同时释放2.424kgCO2。将这些CO2回收后为便于后期的输运和存储，需要将其压缩至80bar以上。本例中的相关操作数据见表2。

[0029] 表2：实施例中的相关操作数据

[0030]

[0031] 与常规压缩液化CO2方法的结果比较见表3。从表3可以看出，对于火力发电厂的CO2压缩液化，采用新方法比常规方法可使发电量提高将近一个百分点。对于600MW的电厂而言，假设其每年有280天满负荷运行，每度电价为0.36元，那么每年至少能增加效益1600余万元。

[0032] 表3：本系统与常规压缩液化CO2设备的结果比较

[0033]单位能耗 能耗占发电量比重
常规设备 358.84 9.50％
本系统 254.29 6.73％
下降值 104.55 2.77％
下降百分比 29.14 29.16