基于电厂凝汽器热回收的热泵辅助吸附碳捕集系统及方法

本发明属于吸附碳捕集和余热利用领域，具体涉及一种基于电厂凝汽器热回收的热泵辅助吸附碳捕集系统及方法。

背景技术：

1、随着经济的快速发展，化石燃料的消耗也急剧增加，从而导致全球变暖、海平面上升等气候问题。除了促进可再生能源利用、提高能源效率等措施，碳捕集技术是目前降低碳排放，实现碳达峰、碳中和的关键技术之一。全球41％以上的碳排放来自燃煤电厂，燃烧后捕集是目前技术最成熟、应用最广泛的碳捕集技术之一，且更适合在现有燃煤电厂中进行改造。

2、传统碳捕集技术通常由电厂汽轮机排汽提供解吸驱动力。胺溶液吸收碳捕集系统技术最成熟，但解吸过程水的蒸发潜热较高，因此捕集能耗较高，且存在氧化降解和热降解等问题。固体吸附技术具有低能耗、弱腐蚀性和易再生等特点，因此具有巨大发展潜力。现有燃煤电厂中有超过50％的热量耗散在凝汽器中，若能将这部分热量进行能品提升并应用于碳捕集系统内，将具有一定的应用潜力和经济效益。吸收碳捕集系统内再沸器的结构特性导致其内部的温度变化不大，因此所需汽轮机抽汽量较大。而吸附碳捕集系统则能够实现从吸附温度到解吸温度的加热解吸过程，若将加热解吸过程分为低温和高温两部分，则可以降低高温部分的汽轮机抽汽量，从而进一步对燃煤电厂发电效率的影响。因此基于热泵系统的燃煤电厂凝汽器热回收并在吸附碳捕集系统的应用亟需进一步探索和发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决碳捕集系统能耗较高的缺陷和现有技术中热泵系统在碳捕集系统应用局限性的问题，并提供一种基于电厂凝汽器热回收的热泵辅助吸附碳捕集系统及方法。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种基于电厂凝汽器热回收的热泵辅助吸附碳捕集系统，包括燃煤电厂系统、吸收式热泵系统和吸附碳捕集系统；

4、所述吸收式热泵系统由来自燃煤电厂系统的高温蒸汽驱动，同时吸收来自燃煤电厂系统中凝汽器的低温余热并产生中温换热介质，中温换热介质经过吸收式热泵系统的加热后进入吸附碳捕集系统；所述燃煤电厂系统中燃煤锅炉产生的高温烟气经过空气预热器的回热降温后与中温换热介质在烟气冷却器内进行回热，随后经过烟气处理器后进入吸附碳捕集系统的吸附塔被吸附剂吸附富集；在吸附碳捕集系统中，烟气冷却器被烟气加热，随后进入换热介质加热器被来自燃煤电厂系统的高温蒸汽加热后达到所需温度，进入解吸塔对其进行升温，解吸塔内吸附材料受热后释放吸附的co2并被富集在产品气中排出。

5、作为优选，所述燃煤电厂系统包括空气预热器、燃煤锅炉、高压汽轮机、中压汽轮机、低压汽轮机、凝汽器、高温回热加热器、除氧器、小汽轮机和低温回热加热器；

6、所述空气预热器通过管路接受来自燃煤锅炉的高温烟气，随后通过管路将加热后的空气送入燃煤锅炉中，燃煤锅炉内产生的主蒸汽通过管路进入高压汽轮机中膨胀做功；所述高压汽轮机的中压排汽一部分通过管路进入燃煤锅炉再热后进入中压汽轮机中膨胀做功，另一部分通过管路进入高温回热加热器对来自除氧器的回水进行加热；除氧器的回水通过设有第二水泵的管路与高温回热加热器相连，第二水泵通过小汽轮机膨胀做功驱动，小汽轮机的排汽通过管路进入凝汽器；所述中压汽轮机分级排汽，一部分通过管路进入除氧器，一部分通过管路进入高温回热加热器对来自除氧器的回水进行加热，一部分通过管路进入小汽轮机膨胀做功，其余部分进入低压汽轮机分级膨胀；所述低压汽轮机分级排汽，一部分通过管路进入低温回热加热器，其余部分通过管路进入凝汽器冷却并通过第一水泵加压后进入低温回热加热器逐步加热后再进入除氧器。

7、进一步的，所述吸收式热泵系统包括第一冷凝器、第一发生器、第一溶液换热器、第一吸收器、第一蒸发器、第二冷凝器、第二发生器、第二溶液换热器、第二吸收器、第二蒸发器；

8、在所述低压汽轮机第三级排汽与低温回热加热器之间的管路上设有第二三通阀，将进入低温回热加热器的高温低压蒸汽分成第一支路和第二支路，第一支路与低温回热加热器相连，第二支路上设有第三三通阀并分为第三支路和第四支路，第三支路与换热介质加热器相连，第四支路分别与第一发生器和第二发生器相连；换热介质加热器、第一发生器和第二发生器产生的饱和水经三通阀合流后被第三水泵增压并送入低温回热加热器的回水侧；从低压汽轮机进入凝汽器的管路通过第一三通阀分为两个通路，一个通路与凝汽器连通，另一个通路与第一蒸发器连通，第一蒸发器产生的凝结水进入凝汽器的凝结段；第一蒸发器内部的工作介质吸收热量变成饱和水蒸气并进入第一吸收器，与来自第一发生器的浓溶液经第一溶液换热器换热后在第一吸收器内发生吸收反应，产生的稀溶液经过第一溶液换热器与浓溶液换热后返回第一发生器；所述第一发生器内的稀溶液吸收热量产生水蒸气，过热蒸汽进入第一冷凝器冷凝并向换热介质放出热量，产生的饱和水经过节流阀节流后进入第一蒸发器；所述第二蒸发器产生的凝结水进入凝汽器的凝结段；第二蒸发器内部的工作介质吸收热量变成饱和水蒸气并进入第二吸收器，与来自第二发生器的浓溶液经第二溶液换热器换热后在第二吸收器内发生吸收反应，产生的稀溶液经过第二溶液换热器与浓溶液换热后返回第二发生器；所述第二发生器内的稀溶液吸收热量产生水蒸气，过热蒸汽进入第二冷凝器冷凝并向换热介质放出热量，产生的饱和水经过节流阀节流后进入第二蒸发器。

9、更进一步的，所述吸附碳捕集系统包括烟气冷却器、换热介质加热器、烟气处理器、吸附塔和解吸塔；

10、所述燃煤锅炉产生的高温烟气依次经过空气预热器、烟气冷却器和烟气处理器后与吸附塔相连，经吸附塔吸附后排出；换热介质通过管路依次与第一吸收器、第二吸收器、第一冷凝器和第一冷凝器相连被逐级升温，然后经过烟气冷却器和换热介质加热器被加热至所需解吸温度，进入解吸塔放热后再次进入第一吸收器并构成循环回路；解吸塔内的吸附材料受热后释放co2，co2则被富集在产品气中排出。

11、作为优选，所述高压汽轮机、中压汽轮机、低压汽轮机和发电机共轴设置，高压汽轮机、中压汽轮机和低压汽轮机蒸汽膨胀后能带动发电机输出电量。

12、作为优选，所述高温回热加热器经换热后的冷却水通过管路进入除氧器，低温回热加热器经换热后的冷却水通过管路进入凝汽器。

13、作为优选，所述吸附塔和解吸塔的结构相同，内部均填充有用于吸附co2的吸附材料，吸附材料为沸石、活性炭、金属有机框架、负载胺中的一种；吸附塔和解吸塔数量的总和不少于5个，两者之间的状态可以互相切换。

14、作为优选，所述换热介质为水，

15、作为优选，所述浓溶液和稀溶液为水-溴化锂工质对。

16、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述基于电厂凝汽器热回收的热泵辅助吸附碳捕集系统的运行方法，具体如下：

17、来自燃煤锅炉的蒸汽进入高压汽轮机、中压汽轮机和低压汽轮机，带动发电机发电；高压汽轮机、中压汽轮机和低压汽轮机的出口蒸汽进入高温回水加热器和低温回水加热器冷凝后，汇聚在除氧器，经过第二水泵加压后经高温回水加热器送入燃煤锅炉；

18、凝汽器入口的低温低压蒸汽经过第一三通阀分流后，部分进入第一蒸发器和第二蒸发器内作为低温余热源；低压汽轮机中间排汽经过第二三通阀和第三三通阀分流后，部分进入第一发生器和第二发生器内作为高温余热源，其余部分进入换热介质加热器以提供热源；

19、第一蒸发器和第二蒸发器吸收低温低压蒸汽热量产生蒸汽，分别进入第一吸收器和第二吸收器被浓溶液吸收后放出热量；第一吸收器和第二吸收器产生的稀溶液分别进入第一溶液换热器和第二溶液换热器向浓溶液放热后，分别进入第一发生器和第二发生器；第一发生器和第二发生器接受来自低压汽轮机的高温蒸汽热量后产生蒸汽，分别进入第一冷凝器和第二冷凝器中放热，随后经过节流阀降压后分别进入第一蒸发器和第二蒸发器；在第一蒸发器和第二蒸发器内放热的低温低压凝结水经过三通阀汇合后进入凝汽器的凝结段，换热介质加热器、第一发生器和第二发生器产生的高温高压凝结水经过第三水泵加压后送入低温回水加热器的回水侧；

20、换热介质接收依次接收来自第一吸收器、第二吸收器、第二冷凝器和第一冷凝器的热量后，进入烟气冷却器，被烟气加热后进入换热介质加热器被高温高压蒸汽加热至解吸温度，高温换热介质随后进入解吸塔内放热，促使解吸塔内部填充的吸附材料受热释放co2，释放的co2则被富集在产品气中排放，在解吸塔内放热后的低温换热介质再次进入第一吸收器中被加热。

21、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

22、本发明采用吸收式热泵系统回收了燃煤电厂凝汽器的低温余热，改善了吸附碳捕集系统的能耗问题。通过两套吸收式热泵系统对换热介质进行逐级加热，降低了换热介质与电厂蒸汽之间的换热温差，降低了系统的不可逆损失。同时，对凝汽器中低温余热的回收降低了原工业系统中汽轮机中低压缸输出的高温蒸汽的需求，从而减小了碳捕集系统对燃煤电厂发电效率的影响，实现了能量的高效利用。