烟气余热利用工艺

技术领域

本发明属于化工环保技术领域，具体涉及一种可以起到节能降耗作用的烟气余热利用工艺及其系统。

背景技术

工业排放的烟气的温度大多在90-300℃之间，因而烟气中含有大量的热能。烟气密度小，体积大，能量密度低，导致烟气换热设备占地投资大，副产的热能品味低，用途有限。而且，烟气中含有的水和二氧化碳易腐蚀设备，进一步增大了烟气余热的利用难度。

胺法吸收是目前烟气二氧化碳捕集的主流技术，二氧化碳吸收工段的操作温度大多在30-80℃之间，因此，烟气在吸收前需要先进行水洗降温。目前的烟气水洗操作，为实现水洗水的循环利用，一般会设置相应的冷却循环水。这种操作不仅浪费了烟气中的余热能量，同时也增大了二氧化碳捕集能耗。除此之外，从烟气中分离出的二氧化碳常常需要进行压缩液化，而二氧化碳的压缩液化属于高能耗工艺。

烟气脱二氧化碳工艺能耗居高不下，是困扰当前技术发展的主要问题。因此，亟待提供一种在烟气脱二氧化碳工艺中可以起到节能降耗作用的烟气余热利用工艺及其系统。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的烟气脱二氧化碳工艺能耗高的问题，提供一种可以起到节能降耗作用的烟气余热利用工艺及其系统。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种烟气余热利用工艺，其中，所述工艺包括：先用水洗水回收烟气余热得到热水，然后将所述热水引入热驱动制冷设备得到冷水，之后再将所述冷水用于二氧化碳液化工段；其中，所述二氧化碳液化工段包括降温除水、压缩、干燥和冷凝，所述冷水的一部分用作降温除水过程中的冷源，另一部分用于冷却冷凝过程中的制冷剂。

本发明的第二方面提供了一种烟气余热利用系统，其中，所述系统包括水洗塔、热驱动制冷设备和二氧化碳液化设备；其中，所述二氧化碳液化设备包括依次相连的降温除水器、液化压缩机、干燥器和冷凝器，还包括为冷凝器提供冷量的压缩制冷设备；

其中，所述水洗塔与热驱动制冷设备相连，用于进行烟气和水洗水换热，以为热驱动制冷设备提供驱动热量；所述热驱动制冷设备与二氧化碳液化设备中的降温除水器和压缩制冷设备相连，用于为降温干燥和压缩制冷设备中的冷却剂的冷却提供冷量。

本发明还包括上述工艺和系统应用于烟气脱二氧化碳。

通过上述技术方案，本发明所取得的有益技术效果如下：

1，本发明应用于烟气脱二氧化碳，能够利用烟气余热驱动热驱动制冷设备，并将得到的冷量用于冷却冷凝过程中的制冷剂，可实现每吨二氧化碳回收节电25千瓦时，大幅提升吸收法二氧化碳捕集技术的经济性，提高捕集过程的减碳效益，具有广阔的应用前景。

2，本发明通过在热驱动制冷设备中的换热器的换热面上喷涂含有树枝状导热聚合物的涂层，可以得到一种耐腐蚀、抗污染的高效换热器，进一步降低烟气余热的利用难度。

附图说明

图1为本发明中的一种优选地实施方式中的烟气余热利用系统结构图。

附图标记说明

1，水洗塔 2，热驱动制冷设备 3，二氧化碳液化设备

4，吸收塔 5，再生塔

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供了一种烟气余热利用工艺，其中，所述工艺包括：先用水洗水回收烟气余热得到热水，然后将所述热水引入热驱动制冷设备得到冷水，之后再将所述冷水用于二氧化碳液化工段；其中，所述二氧化碳液化工段包括降温除水、压缩、干燥和冷凝，所述冷水的一部分用作降温除水过程中的冷源，另一部分用于冷却冷凝过程中的制冷剂。

其中，在本发明中，二氧化碳液化工段冷凝中需要的冷量来自压缩制冷设备，压缩制冷设备包括制冷压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器，气态制冷剂经制冷压缩机压缩后得到高温高压气体，高温高压气体经冷凝器冷凝后得到中温高压液体，中温高压液体经节流阀降压为液体居多的低温低压气液混合物，低温低压气液混合物在蒸发器中吸热蒸发，重新转变为气态制冷剂。本发明的发明人经过研究发现，将利用烟气余热制备的冷水部分引入压缩制冷设备中的冷凝器对中温高压液体进行冷凝，可以将压缩制冷过程中的能耗降低到30％以上。

在一个优选的实施方式中，所述工艺还包括将所述热水引入热驱动制冷设备前，对所述热水进行过滤。

其中，烟气中含有大量的烟尘，对热水进行过滤，可以除去热水中的悬浮颗粒，以免堵塞管道，造成设备故障。

在一个优选的实施方式中，所述热驱动制冷设备包括耐腐蚀换热器，其中，所述耐腐蚀换热器的换热面上设置有涂层，所述涂层中含有树枝状导热聚合物。

目前的烟气余热利用面临最大问题之一还包括换热设备的腐蚀和堵塞问题，这是因为烟气中含有的二氧化碳、氯离子、硝酸根、亚硝酸根、钙镁离子等物质进入水洗水，会形成电解质体系，导致热水的腐蚀性增强。直接将热水引入热驱动制冷设备，容易腐蚀热驱动制冷设备中的换热器，导致管道堵塞。

为了解决这一问题，发明人经过研究发现，在热驱动制冷设备中的换热器的换热面上喷涂含有树枝状导热聚合物的涂层，不仅能显著提高换热器的导热性能，还能增大涂层的耐温稳定性，避免涂层因温度变化产生涨缩导致脱落；除此之外，还可以提高换热器表面的疏水性和疏油性，可隔离金属离子，避免换热器的换热面被腐蚀，能防止污垢附着，避免堵塞。更进一步地，还能延长设备使用寿命，将检修周期至少提高一倍。

在一个优选的实施方式中，树枝状导热聚合物分子结构以代来重复构建，一般2到5代，分子量为200-600。

为了更好的综合利用烟气余热，可将水洗水回收烟气余热分的操作两步进行。其中，水洗水包括第一水洗水和第二水洗水，烟气依次与第一水洗水和第二水洗水接触进行换热。第一水洗水与烟气完成换热后引入热驱动制冷设备以制备冷量。

在一个优选的实施方式中，所述工艺包括以下子步骤：

S1，将烟气与第一水洗水接触进行一级换热，得到第一热水和降温烟气；

S2，将所述降温烟气与第二水洗水接触进行二级换热，得到v和低温烟气；

S3，将所述低温烟气进行二氧化碳捕集处理，得到二氧化碳；

S4，将所述第一热水过滤后引入热驱动制冷设备得到冷水，并将所述冷水至少分为A部分和B部分；

S5，将所述二氧化碳与所述A部分冷水进行换热以降温除水，得到除水二氧化碳；

S6，将所述除水二氧化碳先压缩后干燥，然后再引入压缩制冷设备进行冷凝，得到液态二氧化碳；其中，所述B部分冷水用于冷却压缩制冷设备中的制冷剂。

在一个优选的实施方式中，本发明对烟气不做特殊限定，凡是排放温度在60℃以上的工厂废热均可用在本发明中，包括但是不限制于燃煤锅炉烟道气、水泥窑气、PSA再生气、炼厂气、高炉气、焦炉气、催化裂化再生气、合成气、变换气、煤制油费托合成气、环氧乙烷/乙二醇装置循环气。

在一个优选的实施方式中，所述烟气的温度为50-350℃，优选为90-200℃；所述第一热水的温度为60-99℃，优选为75-95℃；所述降温烟气的温度为70-105℃，优选为85-100℃。

在一个优选的实施方式中，所述一级换热和所述二级换热在水洗塔中进行。

其中，本发明对水洗塔的数量不做特殊限定，对水洗塔是否分段也不做特殊限定。例如，水洗塔可以分两段，在水洗塔的下段进行烟气与第一水洗水的一级换热，在水洗塔的上段进行降温烟气与第二水洗水的二级换热。又或者，水洗塔不分段，至少设置为两个，一个用于进行烟气与第一水洗水的一级换热，一个用于进行降温烟气与第二水洗水的二级换热。

在一个优选的实施方式中，本发明对从烟气中捕集二氧化碳的方法不做特殊限定，凡是本领域中能用于捕集二氧化碳的方法均可用在本发明中，优选采用吸收液捕集二氧化碳。

在一个优选的实施方式中，低温烟气先与吸收液在吸收塔中接触，得到富含二氧化碳的富吸收液，富吸收液之后进入再生塔，利用热再生或汽提分离出二氧化碳，得到再生吸收液。其中，得到的再生吸收液可返回吸收塔循环使用，分离出的二氧化碳则进行液化封存。

在一个优选的实施方式中，本发明对吸收液不做特殊限定，本领域常用的吸收液均可用在本发明中。

在一个优选的实施方式中，所述二氧化碳的摩尔含量≥98％，优选≥99％。

在一个优选的实施方式中，所述热驱动制冷设备为氨水吸收式制冷机和/或溴化锂制冷设备，进一步优选为溴化锂制冷设备。

在一个优选的实施方式中，所述冷水的温度为5-15℃，优选为7-12℃。

在一个优选的实施方式中，所述A部分占所述冷水总质量的10-40％，优选15-25％；所述B部分占所述冷水总质量的60-90％，优选75-85％。

在一个优选的实施方式中，换热后二氧化碳的温度为10-15℃，优选为11-13℃。其中，在10-15℃下，二氧化碳中的水会凝结，因而水可以从二氧化碳中被分离出来，得到相对干燥的除水二氧化碳，可以将后续二氧化碳液化工段中的干燥负荷降低50％以上。

在一个优选的实施方式中，将所述冷水分为A部分、B部分和C部分，其中，所述C部分冷水用于发电。

其中，在本发明中，当将冷水划分为A部分和B部分，且A部分和B部分均能满足各工段能耗需求后，冷水仍有剩余，可将剩余部分送去冷量发电装置，以进一步提高能量的综合利用能力。

在一个优选的实施方式中，所述方法还包括：S7，将S5中换热后的A部分冷水和/或S6中冷却制冷剂后的B部分冷水返回S1用作第一水洗水。

本发明的第二方面提供了一种烟气余热利用系统，所述系统包括水洗塔1、热驱动制冷设备2和二氧化碳液化设备3；所述二氧化碳液化设备3包括依次相连的降温除水器、液化压缩机、干燥器和冷凝器，还包括为冷凝器提供冷量的压缩制冷设备；

其中，所述水洗塔1与热驱动制冷设备2相连，用于进行烟气和水洗水换热，以为热驱动制冷设备2提供驱动热量；所述热驱动制冷设备2与二氧化碳液化设备3中的降温除水器和压缩制冷设备相连，用于为降温干燥和压缩制冷设备中的冷却剂的冷却提供冷量，如图1所示(图仅为示意，部分设备未画出)。

在一个优选的实施方式中，所述热驱动制冷设备3包括耐腐蚀换热器，所述耐腐蚀换热器的换热面上设置有涂层，所述涂层中含有树枝状导热聚合物。

在一个优选的实施方式中，所述系统还包括吸收塔4和再生塔5，其中，所述吸收塔4与水洗塔1相连，所述再生塔5与所述吸收塔4相连，所述吸收塔4和再生塔5用于捕集来自水洗塔的低温烟气中的二氧化碳。

在本发明中，烟气进入水洗塔的下端，与第一水洗水进行一级换热，得到第一热水和降温烟气；得到的第一热水进入热驱动制冷设备驱动热驱动制冷设备，得到冷水；得到的冷水部分进入降温干燥器用于冷却二氧化碳以分离水分，部分进入压缩制冷设备，用于冷却压缩制冷设备中的制冷剂。

降温烟气在水洗塔中继续上升，进入水洗塔的上端，与第二水洗水进行二级换热，得到第二热水和低温烟气。得到的低温烟气进入吸收塔与吸收液接触，得到富含二氧化碳的富吸收液，富吸收液之后进入再生塔进行再生，从再生塔中得到的再生吸收液返回吸收塔循环使用，从再生塔中分离出的二氧化碳则进入二氧化碳液化设备进行低温压缩液化。二氧化碳依次经过降温除水器、液化压缩机、干燥器和冷凝器处理，最终转变为液化二氧化碳。