一种热泵回收利用余热的二氧化碳捕集系统

本发明涉及二氧化碳捕集，特别是涉及一种热泵回收利用余热的二氧化碳捕集系统。

背景技术：

1、二氧化碳捕集是火电、钢铁、水泥、化工等化石能源行业进行深度减排的重要技术选择。基于化学吸收法的二氧化碳捕集技术因其工艺成熟、捕集效率高、烟气适应性好等优点被认为是进行大规模二氧化碳捕集最具潜力的技术路线之一。传统的化学吸收法二氧化碳捕集的工艺流程为：火电厂、冶炼厂、水泥厂、化工厂等排放的含碳烟气经冷却后进入吸收塔底部，在塔内与从塔顶喷射的吸收剂逆向接触，气液接触过程中吸收剂与烟气中的二氧化碳发生化学反应生成氨基甲酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐等产物。吸收二氧化碳后的富液送入贫富液换热器中进行热交换，升温后的二氧化碳富液进入解吸塔进行二氧化碳解吸和吸收剂再生，在解吸塔底部二氧化碳富液与再沸器中的蒸汽进行热交换，吸收剂升温至一定温度进行二氧化碳解吸，解吸后的二氧化碳从塔顶排出经冷凝、气液分离后压缩至一定的压力，用于后续的运输及封存。解吸二氧化碳后的贫液在贫富液换热器进行热量交换，再通过贫液冷却器冷却后进入吸收塔顶部进行第二个循环的二氧化碳循环捕集。

2、然而，传统的化学法二氧化碳捕集因其余热利用不充分、冷/热能协同匹配性差而存在高能耗、高运行成本等技术瓶颈，阻碍了此技术的商业化进程。尤其是对于高品位与低品位余热回收无针对性，低品位的吸收反应余热以及中温段贫液余热回收后提质不够，余热利用不充分，进而导致二氧化碳解吸过程中的高能量消耗和系统的高冷却水消耗。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提出了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的热泵回收利用余热的二氧化碳捕集系统。

2、本发明的一个目的在于实现对低品位余热的充分利用。

3、本发明的另一个目的在于大幅度降低二氧化碳捕集过程中冷却水消耗，进一步降低碳捕集运行成本。

4、特别地，根据本发明的一方面，提供了一种热泵回收利用余热的二氧化碳捕集系统，包括：吸收塔、贫富液热交换器和解吸塔，贫富液热交换器的冷富液入口、热富液出口、热贫液入口和冷贫液出口分别通过管路连接到吸收塔的富液出口、解吸塔的第一富液进料口、解吸塔的热贫液出口和吸收塔的贫液进料口；其中，二氧化碳捕集系统还包括：

5、第二分流器，设置在吸收塔的富液出口与贫富液热交换器的冷富液入口之间的管路中，被配置为对吸收塔输出的富液进行分流；以及

6、第一热泵式余热回收利用组件和第三热泵式余热回收利用组件中至少之一者；其中

7、第一热泵式余热回收利用组件包括：

8、第一余热回收热泵，其包括设置在贫富液热交换器的冷贫液出口与吸收塔的贫液进料口之间的管路中的第一余热回收换热器，第一余热回收热泵被配置为基于第一热泵工质与贫液在第一余热回收换热器中进行热交换以回收贫液余热；

9、第一余热利用装置，接入第一余热回收热泵的工质环路中且与解吸塔的底部相连，被配置为利用回收的贫液余热对解吸塔底部的中贫液通过热交换进行加热以进行二氧化碳解吸；以及

10、第一耦合换热器，接入第一余热回收热泵的工质环路中且位于第一余热利用装置的下游，分别与第二分流器和解吸塔的第二富液进料口相连，被配置为使第一余热利用装置输出的工质与第二分流器分流出的一路富液在其内进行热交换，并将热交换后的富液输出至解吸塔的第二富液进料口；

11、第三热泵式余热回收利用组件包括：

12、第三余热回收热泵，其包括设置在吸收塔的吸收剂引出口和吸收剂返回口之间的第四余热回收换热器，第三余热回收热泵被配置为基于第四热泵工质与从吸收塔引出的吸收剂在第四余热回收换热器中进行热交换以回收吸收塔的吸收反应余热；

13、第三余热利用装置，接入第三余热回收热泵的工质环路中且与解吸塔的底部相连，被配置为利用回收的吸收反应余热对解吸塔底部的中贫液通过热交换进行加热以进行二氧化碳解吸；以及

14、第二耦合换热器，接入第三余热回收热泵的工质环路中且位于第三余热利用装置的下游，分别与第二分流器和解吸塔的第三富液进料口相连，被配置为使第三余热利用装置输出的工质与第二分流器分流出的一路富液在其内进行热交换，并将热交换后的富液输出至解吸塔的第三富液进料口。

15、可选地，第一余热回收热泵为单级或多级压缩式热泵。

16、可选地，第一余热回收热泵为两级压缩式热泵，其包括第一热泵机组和第二热泵机组，第一热泵机组包括通过管路顺序连接以形成供第一热泵工质循环流动的第一工质环路的第一余热回收换热器、第一工质压缩机、第一工质换热器和第一节流阀，第二热泵机组包括通过管路顺序连接以形成供第三热泵工质循环流动的第二工质环路的第一工质换热器、第二工质压缩机和第二节流阀；

17、第一余热利用装置和第一耦合换热器按照第三热泵工质的流动方向顺序连接在第二工质压缩机与第二节流阀之间的管路中；

18、第一工质环路被配置为使第一热泵工质以液态流入第一余热回收换热器吸收贫液余热后发生相变转为蒸汽，经由第一工质压缩机压缩后进入第一工质换热器与液态的第三热泵工质进行热交换，之后经过第一节流阀进行节流降温以转为液态，再流入第一余热回收换热器；

19、第二工质环路被配置为使第三热泵工质以液态流入第一工质换热器与第一热泵工质换热后发生相变转为蒸汽，经由第二工质压缩机压缩后进入第一余热利用装置以加热解吸塔底部的中贫液，然后进入第一耦合换热器与分流出的一路富液进行热交换，之后经过第二节流阀进行节流降温以转为液态，再流入第一工质换热器。

20、可选地，第三余热回收热泵为单级或多级压缩式热泵。

21、可选地，第三余热回收热泵为两级压缩式热泵，其包括第三热泵机组和第四热泵机组，第三热泵机组包括通过管路顺序连接以形成供第四热泵工质循环流动的第四工质环路的第四余热回收换热器、第四工质压缩机、第二工质换热器和第四节流阀，第四热泵机组包括通过管路顺序连接以形成供第五热泵工质循环流动的第五工质环路的第二工质换热器、第五工质压缩机和第五节流阀；

22、第三余热利用装置和第二耦合换热器按照第五热泵工质的流动方向顺序连接在第五工质压缩机与第五节流阀之间的管路中；

23、第四工质环路被配置为使第四热泵工质以液态流入第四余热回收换热器吸收反应余热后发生相变转为蒸汽，经由第四工质压缩机压缩后进入第二工质换热器与液态的第五热泵工质进行热交换，之后经过第四节流阀进行节流降温以转为液态，再流入第四余热回收换热器；

24、第五工质环路被配置为使第五热泵工质以液态流入第二工质换热器与第四热泵工质换热后发生相变转为蒸汽，经由第五工质压缩机压缩后进入第三余热利用装置以加热解吸塔底部的中贫液，然后进入第二耦合换热器与分流出的另一路富液进行热交换，之后经过第五节流阀进行节流降温以转为液态，再流入第二工质换热器。

25、可选地，二氧化碳捕集系统还包括：

26、气液分离器，通过管路连接到解吸塔的再生气出口；

27、再生气压缩装置，与气液分离器的气体出口连接；以及

28、第五余热回收换热器，分别与第二分流器、再生气压缩装置和解吸塔的第五富液进料口连接，被配置为使第二分流器分流出的一路富液与再生气压缩装置产生的压缩再生气在其内进行热交换，并将热交换后的富液输出至第五富液进料口。

29、可选地，二氧化碳捕集系统还包括：

30、气液分离器，通过管路连接到解吸塔的再生气出口；

31、再生气压缩装置，与气液分离器的气体出口连接；以及

32、第四热泵式余热回收利用组件，包括：

33、第四余热回收热泵，其包括设置在解吸塔的再生气出口与气液分离器之间的管路中的第六余热回收换热器和与再生气压缩装置相连的第七余热回收换热器，第六余热回收换热器被配置为使第六热泵工质与自再生气出口输出的再生气在第六余热回收换热器中进行热交换以回收再生气余热，第七余热回收换热器被配置为使第六热泵工质与再生气压缩装置产生的压缩再生气在第七余热回收换热器中进行热交换以回收压缩

34、再生气余热；和

35、第四余热利用装置，接入第四余热回收热泵的工质环路中且与解吸塔的底部相连，被配置为利用回收的再生气余热和压缩再生气余热对解吸塔底部的中贫液通过热交换进行加热以进行二氧化碳解吸。

36、可选地，第四余热回收热泵为单级压缩式热泵，其包括通过管路顺序连接以形成供第六热泵工质循环流动的第六工质环路的第七余热回收换热器、第六余热回收换热器、第六工质压缩机和第六节流阀，第四余热利用装置连接在第六工质压缩机与第六节流阀之间的管路中；

37、第六工质环路被配置为使从第六节流阀流出的第六热泵工质以液态顺序流入第七余热回收换热器和第六余热回收换热器以分别与压缩再生气和再生气换热后发生相变转为蒸汽，经由第六工质压缩机压缩后进入第六余热利用装置以加热解吸塔底部的中贫液，之后经过第六节流阀进行节流降温以转为液态，从而完成工质循环。

38、可选地，第四余热回收热泵为单级压缩式热泵，包括第七余热回收换热器、第六余热回收换热器、第六工质压缩机和第六节流阀，其中第七余热回收换热器和第六余热回收换热器并联连接后再通过管路与第六工质压缩机和第六节流阀顺序连接以形成供第六热泵工质循环流动的第六工质环路，第四余热利用装置连接在第六工质压缩机与第六节流阀之间的管路中；

39、第六工质环路被配置为使从第六节流阀流出的第六热泵工质以液态分流进入第七余热回收换热器和第六余热回收换热器以分别与压缩再生气和再生气换热后发生相变转为蒸汽，经由第六工质压缩机压缩后进入第六余热利用装置以加热解吸塔底部的中贫液，之后经过第六节流阀进行节流降温以转为液态，从而完成工质循环。

40、可选地，第四热泵式余热回收利用组件还包括：

41、第三耦合换热器，接入第四余热回收热泵的工质环路中且位于第四余热利用装置的下游，并接入第二分流器与贫富液热交换器的冷富液入口之间的管路中，被配置为使第四余热利用装置输出的工质与第二分流器分流出的一路富液在其内进行热交换，并将热交换后的富液输出至贫富液热交换器的冷富液入口。

42、可选地，二氧化碳捕集系统中所用的吸收剂为co2复配吸收剂，co2复配吸收剂按质量计包含：10-25％的环状有机胺、10-35％的空间位阻胺、3-12％的可溶性金属盐和余量的水。

43、可选地，环状有机胺为哌嗪、n-羟乙基哌嗪、1-(2-羟乙基)-4-氨基哌啶、4-羟基-1-甲基哌啶、3-氨甲基吡啶、n-氨乙基哌嗪中的一种或多种的混合物；

44、空间位阻胺为2-氨基-2-甲基-1-丙醇、异丙醇胺、氨基异丁酸钠、2-氨基-2-乙基-1,3-丙二醇中的一种或多种的混合物；

45、可溶性金属盐为硫酸锌、硫酸镍、硫酸铜、硫酸钴、硫酸锰中的一种或多种的混合物。

46、本发明提供的热泵回收利用余热的二氧化碳捕集系统中，通过第一余热回收热泵对经由贫富液热交换器降温后的处于中温段的贫液进行余热回收和提质，和/或通过第三余热回收热泵对吸收液的反应余热进行余热回收和提质，并将回收的余热用于加热解吸塔底部的中贫液以进行二氧化碳解吸，从而实现低品位余热的回收和充分提质，以达到低品位余热的充分利用的目的。

47、同时，本发明提供的热泵回收利用余热的二氧化碳捕集系统中，还通过第一耦合换热器使将自中温段贫液回收的热能回用于二氧化碳解吸之后的工质进一步与分流出的一路冷富液进行热交换以对冷富液进行预热，和/或通过第二耦合换热器使将回收的吸收液反应热能回用于二氧化碳解吸之后的工质进一步与分流出的一路冷富液进行热交换以对冷富液进行预热，从而实现二氧化碳捕集系统内部能量的耦合利用，有效降低二氧化碳捕集系统的热量消耗和运行成本。

48、进一步地，本发明提供的热泵回收利用余热的二氧化碳捕集系统在回收贫液余热和吸收液的反应余热的同时还由工质替代传统的冷却水实现了对贫液、吸收液等的冷却功能，从而大幅度降低二氧化碳捕集过程中冷却水消耗，进一步降低碳捕集运行成本。

49、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

50、根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。