一种燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统
技术领域
本实用新型涉及烟气净化及利用技术领域，尤其是一种燃煤锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统。
背景技术
随着工业化进程的发展,我国二氧化碳作为废气的排放量每年已愈100亿吨。二氧化碳的来源主要有天然气开采及其燃烧、合成氨生产、石油炼制工业、炼钢工业、锅炉燃烧、焦炭及重油燃烧。过量的二氧化碳的排放，会造成温室效应，给环境带来很大危害。因此控制二氧化碳的排放量，及对排放的二氧化碳回收、利用，已成为世界各国十分关注的问题。氮气是一种压缩系数和体积系数都很大的气体，在水中溶解度小，还因其是惰性气体，不燃烧，无毒、无腐蚀性；常作为工业生产中的重要气源，用于保护气、热工仪表压缩气源等。
近年来，我国大力推进燃煤小锅炉淘汰整治工作，发展工业园区集中供热形式，以此提高能源利用效率，减少大气污染排放物。这对于园区集中供热的热电企业来说，通过对锅炉烟气中氮气的捕集，并借助于园区内管廊，将氮气集中供应，不仅可以减少工业园区整体对氮气生产设备的投资，还可以为热电企业增添利润，互惠互利；同时通过对锅炉烟气中的二氧化碳捕集、回收，将其销售于食品加工、石油开采等行业，为热电企业进一步创效打下基础。
中国专利申请CN107899376A公开了一种烟气中二氧化碳和氮气的联合捕集回收装置及方法，该装置包括烟气处理系统，第一CO2膜分离单元，第二CO2膜分离单元以及N2膜分离单元。该装置具有对二氧化碳的高富集程度，并能回收氮气，避免资源浪费。但是该装置在使用时对二氧化碳和氮气处理不全面，虽然捕集效果好但是不能对二氧化碳和氮气进行提纯，而且设备使用过程中容易产生堵塞，堵塞后维修不便。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统，克服前述现有技术的不足，全面彻底的捕集并提纯二氧化碳和氮气，对烟气中的二氧化碳及氮气进行同步回收，极大减少烟气中碳排放量，设备运行稳定性高，不易产生堵塞，维修方便。
本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统，包括烟气预处理系统、PSA1 系统、PSA2系统、二氧化碳压缩提纯系统、二氧化碳精馏贮存系统、PSA制高纯氮系统；所述的烟气预处理系统用于对来自锅炉烟气降温、脱水；PSA1系统用于变压吸附预处理后的烟气，排出氮气和氧气；PSA2系统用于对PSA1系统解吸气中的二氧化碳进一步变压吸附提纯；二氧化碳压缩提纯系统用于对PSA2系统二氧化碳解吸气加压液化，去除水分及腐蚀性杂质；精馏贮存系统用于对二氧化碳提纯系统产出的二氧化碳通过精馏塔进一步精提纯后，贮存至成品罐内；PSA制高纯氮系统用于对PSA1系统中排除的含氮气、氧气烟气进行变压吸附，排出高纯氮气。
进一步的，所述的烟气预处理系统包括：引风机、第一冷却器、分水罐，其中锅炉烟道与引风机入口通过管道相连接；第一冷却器热段入口与引风机出口通过管道相连接；分水罐与第一冷却器热段出口通过管道相连接；第一压缩机进气口与分水罐顶部的排气口通过管道相连接。
进一步的，所述的PSA1系统，由多个吸附塔组成，吸附塔中均填充吸附剂；吸附塔均对二氧化碳进行吸附并将氧气、氮气由吸附塔顶部排出至混合气母管，逆放解吸气有吸附塔底部排入至解吸气母管；在运行过程中，PSA1系统中每台吸附塔都需经历吸附、均压降、逆放、均压升、最终升压的工作阶段，PSA1系统中的吸附塔根据实际需求，部分吸附塔处于吸附阶段，其余吸附塔则处于床体再生的不同阶段。PSA1系统吸附塔均通过逆放，最终将解吸气中二氧化碳体积浓度控制在40％-45％；PSA1系统解吸气母管通过管道与第二压缩机入口相连接。
进一步的，所述的第一压缩机出口通过管道与PSA1系统进气母管相连接。
进一步的，所述的PSA2系统由多个吸附塔组成，吸附塔中均填充吸附剂；PSA2系统的进气母管通过管道与第二压缩机出口相连接；PSA2系统是能将通过第二压缩机输送的由PSA1系统产出的解吸气进行变压吸附的系统，PSA2系统的解吸气母管通过管道与真空泵入口连接；每台吸附塔都需经历吸附、均压降、抽真空、均压升、最终升压的工作阶段； PSA2系统中的吸附塔根据实际需求，部分吸附塔处于吸附阶段，其余吸附塔则处于床体再生的不同阶段。PSA2系统吸附塔通过真空泵抽真空，最终将PSA2系统中解吸气二氧化碳的体积浓度控制在95％。
进一步的，所述的二氧化碳压缩提纯系统包括缓冲罐、第二冷却器、分水罐、第三压缩机、稳压罐、脱硫床、干燥床、第三冷却器、预冷器、液化器和制冷系统，其中缓冲罐入口通过管道与真空泵出口相连接，对由真空泵输送来的PSA2系统的解吸气进行缓冲稳压；第二冷却器热段入口通过管道与缓冲罐出口相连接，分水罐入口与第二冷却器热段出口通过管道相连接；第三压缩机进口与分水罐顶部的排气口通过管道相连接；第三压缩机出口与稳压罐入口通过管道相连接；稳压罐出口与脱硫床入口通过管道相连接；脱硫床出口与干燥床入口通过管道相连接，干燥床出口与第三冷却器热段入口通过管道相连接；第三冷却器热段出口与预冷器热段入口通过管道相连接,预冷器热段出口与液化器热段入口通过管道相连接。
进一步的，所述的二氧化碳压缩提纯系统中的脱硫床是用于去除二氧化碳中的硫分的成套设备；干燥床是用于对二氧化碳进行脱水干燥的的成套设备；为保证经济性，成套的脱硫床设备、成套的干燥床设备都应有附属的再生设备；使脱硫床、干燥床内填料再生。
进一步的，所述的二氧化碳精馏贮存系统包括精馏塔、过冷器、成品罐、成品装车泵、成品装瓶泵和制冷系统，其中精馏塔入口与液化器热段出口通过管道相连接；过冷器热段入口与精馏塔塔底排出口相连接；精馏塔上部全凝器通过制冷系统产生的液态制冷剂进行降温冷凝；精馏塔上部全凝器出口通过管道与成品罐底部入口相连接，成品罐底部入口与过冷器热段出口通过管道相连接；成品装车泵入口、成品装瓶泵入口分别于成品罐底部通过管道相连接。
进一步的，所述的二氧化碳压缩提纯系统中的预冷器冷端入口与精馏塔顶部排气口通过管道相连接，回收精馏塔顶部排气的冷量，将经第三冷却器的二氧化碳进一步撤热降温，进而提高整个系统的热效率和经济性。
进一步的，所述的二氧化碳压缩提纯系统、精馏贮存系统中的制冷系统为同时向第二冷却器、液化器、精馏塔上部全凝器提供冷源，且能满足将精馏塔上部全凝器中的气体和液化器中的气体降温冷凝成液态的成套设备，制冷系统中使用的制冷剂应符合国家相关环保要求。根据实际生产地点及条件，冷却器可不采用制冷系统提供的冷源，使用循环冷却水进行冷却即可，这样可以节省对制冷系统的投资。
进一步的，所述的PSA制高纯氮系统由多个并列的吸附塔组成，吸附塔填充有碳分子筛；PSA制高纯氮系统用于对PSA1系统吸附塔顶部排除混合气进行吸附，并在PSA制高纯氮系统吸附塔顶部排出浓度为99.9％高纯氮气的成套设备；PSA制高纯氮系统的进气母管与PSA1系统的混合气母管通过管道相连接。
本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型的一种燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统具有以下优点：(1)本实用新型的燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统，能够极大地减少烟气的碳排放量；(2)本实用新型的燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统，能够同时回收烟气中的二氧化碳、氮气，并能将二氧化碳、氮气的浓度提纯至工业级，其中工业级二氧化碳可液化贮存至成品罐内，并配有装瓶泵、装车泵，便于以各种形式对外输送，得到的工业级氮气则可根据需要进一步加压，供工业园区集中使用；(3)本实用新型的燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统，设备运行稳定性高，不易产生堵塞，维修方便。
附图说明
图1为本实用新型的燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统的流程图；
图2为本实用新型的燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统的烟气预处理系统的流程图；
图3为本实用新型的燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统的二氧化碳压缩提纯系统的流程图；
图4为本实用新型的燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统的二氧化碳精馏贮存系统的流程图；
其中，1烟气预处理系统、101引风机、102第一冷却器、103分水罐、2 PSA1系统、 3PSA2系统、4二氧化碳压缩提纯系统、401缓冲罐、402第二冷却器、403提纯分水罐、 404第三压缩机、405稳压罐、406脱硫床、407干燥床、408第三冷却器、409预冷器、 410液化器、5精馏贮存系统、501精馏塔、502过冷器、503成品罐、504成品装车泵、 505成品装瓶泵、6 PSA制高纯氮系统、7第一压缩机、8第二压缩机、9真空泵、10制冷系统。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实用新型应用于达到国家超低排放标准燃煤锅炉烟气捕集及回收。本实施例中燃煤锅炉的烟气条件为：烟气温度50℃，烟气中二氧化碳含量为13％，烟气中氮气的含量为71％，烟气中氧气的含量为6％，烟气中二氧化硫的含量为35mg/Nm3，烟气中氮氧化物的含量为 50mg/Nm3，烟气中水蒸气的含量为12％。
如图1所示，本实用新型包括烟气预处理系统1、PSA1系统2、PSA2系统3、二氧化碳压缩提纯系统4、二氧化碳精馏贮存系统5、PSA制高纯氮系统6。所述的烟气预处理系统1用于对来自锅炉烟气降温、脱水；PSA1系统2用于变压吸附预处理后的烟气，排出氮气和氧气；PSA2系统3用于对PSA1系统2解吸气中的二氧化碳进一步吸附提纯；二氧化碳压缩提纯系统4用于对PSA2系统3解吸附的二氧化碳加压液化，去除水分及腐蚀性杂质；精馏贮存系统5用于对二氧化碳提纯系统4产出的二氧化碳通过精馏塔进一步精提纯后，贮存至压力罐内；PSA制高纯氮系统6用于对PSA1系统2中排除的含氮气、氧气烟气中的氧气进行变压吸附，排出高纯氮气。
如图2所示，所述的烟气预处理系统1包括：引风机101、第一冷却器102、分水罐103，其中锅炉烟道与引风机101入口通过管道相连接；第一冷却器102热端入口与引风机101出口通过管道相连接，烟道烟气由引风机101加压至0.1Mpa引入第一冷却器102，通过第一冷却器102将烟气温度由50℃降温至40℃；分水罐103与第一冷却器102通过管道相连接，在本实施例中，第一冷却器102采用工业循环水冷却；分水罐103将第一冷却器102冷却后的烟气中的水分分离；第一压缩机7进气口与分水罐103顶部的排气口通过管道相连接，第一压缩机7将分水罐103顶部排除的干烟气加压至1Mpa，送入PSA1系统2的吸附塔中。
本实施例中，所述的PSA1系统2，由多个吸附塔组成，吸附塔中均填充吸附剂。PSA1系统2吸附塔对有第一压缩机7输送来的烟气吸附，并将氧气、氮气等由吸附塔顶部排除(顶部排除的混合气体中含有3％-5％的二氧化碳气体)至PSA1系统2混合气母管，逆放解吸气有吸附塔底部排入至解吸气母管。在运行过程中，PSA1系统2中每台吸附塔都需经历吸附、均压降、逆放、均压升、最终升压的工作阶段。PSA1系统2吸附塔通过逆放，最终将解吸气中二氧化碳体积浓度控制在45％；解吸气的压力为10-20Kpa。PSA1系统2解吸气母管通过管道与第二压缩机8入口相连接，第二压缩机8将PSA1系统2中的解吸气加压至0.3Mpa输送至PSA2系统3，本方案中的第二压缩机8采用离心式压缩机，因离心式压缩机存在喘振现象，为保证在一定工况范围内能够稳定运行，本实施例采用三台离心式压缩机，两用一备。
本实施例中，所述的PSA2系统3由多个吸附塔并列组成，吸附塔中均填充吸附剂。PSA2系统3进气母管通过管道与第二压缩机8出口相连接。PSA2系统3是能将通过第二压缩机8输送的由PSA1系统2产出的解吸气进行吸附的系统，PSA2系统3的解吸气母管通过管道与真空泵9入口连接，在本实施例中真空泵9采用罗茨真空泵；每台吸附塔都需经历吸附、均压降、抽真空、均压升、最终升压的工作阶段；PSA2系统3的吸附塔通过真空泵9抽真空，最终将PSA2系统3中解吸气二氧化碳的体积浓度控制在95％，此时解吸气的压力为10-15Kpa。
如图3所示，所述的二氧化碳压缩提纯系统4包括缓冲罐401、第二冷却器402、提纯分水罐403、第三压缩机404、稳压罐405、脱硫床406、干燥床407、第三冷却器408、预冷器409、液化器410，其中缓冲罐401入口通过管道与真空泵9出口相连接，对由真空泵9输送来的PSA2系统3的解吸气进行缓冲稳压，将压力控制在0.11±0.05Mpa范围之内；第二冷却器402热段入口通过管道与缓冲罐401出口相连接，第二冷却器402对解吸气进行降温，温度由45℃降至25℃，因此处降温幅度大，且此实施例实施地点循环冷却水全年的平均温度为25℃，无法满足解吸气的降温要求；为此此处第二冷却器402通过氨制冷设备产生的液氨进行降温。提纯分水罐403入口与第二冷却器402热段出口通过管道相连接，提纯分水罐403将冷却后的解吸气中的水分分离；第三压缩机404进口与提纯分水罐403顶部的排气口通过管道相连接，第三压缩机404对有提纯分水罐403排出的干燥解吸气进行加压至2.5Mpa输送至稳压罐405；第三压缩机404出口与稳压罐405入口通过管道相连接，稳压罐405出口与脱硫床406入口通过管道相连接；脱硫床406对解吸气中的硫分等腐蚀性成分进行吸附，为进入干燥床407做好预处理；脱硫床406出口与干燥床407入口相连接，干燥床407对因第三压缩机404加压而析出水分的解吸气进行吸附，排除干燥的解吸气，干燥床407出口与第三冷却器408热段入口相连接；第三冷却器408 热段出口与预冷器409热段入口相连接，为了提高热效率，在预冷器409与干燥床407之间设置有第三冷却器408，干燥的解吸气依次通过第三冷却器408、预冷器409来进行冷却。第三冷却器408将解吸气的温度由80℃降至40℃，本实施例中，第三冷却器408采用循环水对解吸气进行初降温；预冷器409对初降温的解吸气进行二次降温，此时解吸气的温度由40℃降温至35℃，预冷器409采用精馏塔顶部不凝的排气作为冷源对解吸气进行二次降温，回收精馏塔不凝排气的冷量。预冷器409热段出口与液化器410热段入口通过管道相连接，液化器410将由预冷器409二次降温的解吸气进一步降温，解吸气的温度由35℃降至-18℃，并最终液化；本实施例中液化器410采用氨制冷设备产生的液氨作为冷源。
本实施例中，所述的二氧化碳压缩提纯系统4中的脱硫床406是用于去除二氧化碳中的硫分的成套设备；干燥床407是用于对二氧化碳进行脱水干燥的的成套设备。本实施例中采用脱硫床406、干燥床407均采用变温吸附的床体去除水分和腐蚀性杂质；为保证经济性，成套的脱硫床406设备、成套的干燥床407设备都有附属的再生设备，使脱硫床 406、干燥床407内填料再生；同时脱硫床、干燥床都设计为两个同样体积的圆筒形吸附床，每个吸附床内都装有等重量的吸附剂，两个床吸附和再生过程轮换操作，保持生产连续进行。
如图4所示，所述的二氧化碳精馏贮存系统5包括精馏塔501、过冷器502、成品罐503、成品装车泵504，成品装瓶泵505，其中精馏塔501入口与液化气410热段出口通过管道相连接，经过压缩提纯系统4的解吸气中含有轻组分，进入精馏塔501后，塔顶分出氩气、氧气、氮气等不凝性气体(轻组分)，塔底得到纯度达到99.9％以上的液体二氧化碳；此实施例为节约投资成本，特将精馏塔501底部再沸器作为氨制冷系统中的冷凝器使用，将由氨制冷系统中经螺杆泵加压升温后的气态氨冷却至饱和温度，再沸器中的液体吸收氨气热量后沸腾，并完成塔内循环；精馏塔501全凝器采用氨制冷设备产生的液氨进行降温，本实施例中全凝器冷凝得到的液体全部回流，完成塔内循环。过冷器502热段入口与精馏塔501塔底排出口相连接，过冷器502对精馏塔501底部排除的二氧化碳(气相二氧化碳约占4％，其余为液相二氧化碳)降温由-15℃降至-23℃，此时得到具有一定过冷度液相二氧化碳，以便输送至成品罐503内贮存,本实施例中过冷器502采用氨制冷设备产生的液氨作为冷源对液相二氧化碳进行冷却；成品罐503底部入口与过冷器502出口相连接；成品装车泵504入口、成品装瓶泵505入口分别于成品罐底部通过管道相连接，成品装车泵 504、成品装瓶泵505分别用于将成品罐503里的二氧化碳装车、装瓶操作。在本实施例中，成品罐设计为两个，两成品罐之间设计有平衡管；成品装车泵、成品装瓶泵均设计为两台，一用一备，便于生产运行期间检修工作。
本实施例中，所述的PSA制高纯氮系统6由多个吸附塔组成，吸附塔均填充有碳分子筛。PSA制高纯氮系统6用于对PSA1系统2吸附塔顶部排除混合气进行吸附，并在PSA制高纯氮系统6吸附塔顶部排出浓度为99.9％高纯氮气的成套设备，本实施例中PSA制高纯氮系统6解吸气可获得氧气浓度为36％的混合气体。PSA制高纯氮系统6的进气母管与PSA1系统2的混合气母管通过管道相连接。
本实施例中，通过燃煤电厂锅炉烟气同步回收二氧化碳及氮气的系统，可以减少烟气的碳排放量。可以同时回收烟气中的二氧化碳、氮气；并能将二氧化碳、氮气的浓度提纯至工业级。其中工业级二氧化碳可液化贮存至成品罐内，并配有装瓶泵、装车泵，便于以各种形式对外输送；得到的工业级氮气则可根据需要进一步加压，输送至化工厂区集中使用.通过PSA高纯制氮系统解吸出的氧气引入锅炉燃尽风，进而降低锅炉系统送风机的出力，降低锅炉厂运行电耗。至此烟气分离及解吸附出的气体均可得到资源化利用。
上述具体实施方式仅是本实用新型的具体个案，本实用新型的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本实用新型权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本实用新型的专利保护范围。
