一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统及其运行方法，属于吸附碳捕集和余热利用领域。系统包括吸附模块、热泵单元和冷却单元。热泵单元对来自燃煤电厂等发电系统的高温烟气进行余热回收，产生高温蒸汽并用于后续应用。吸附模块至少包括四个，内部运行主要包括吸附、加热、真空和冷却四个步骤，通过对阀门的切换实现了吸附碳捕集单元的运行状态切换和热泵系统的供热方向切换。本发明专利技术有效利用烟气余热，采用升温型热泵进行能品提升，从而减小吸附碳捕集单元的能耗，降低了因改造吸附碳捕集装置导致的发电系统效率降低的影响。碳捕集装置导致的发电系统效率降低的影响。碳捕集装置导致的发电系统效率降低的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统及其运行方法


[0001]本专利技术属于吸附碳捕集和余热利用领域，具体涉及一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统及其运行方法。

技术介绍

[0002]燃烧后捕集技术是目前技术最成熟也是应用最广泛的碳捕集技术，且更易于在现有燃煤电厂上进行改造。由于传统的胺溶液吸收碳捕集系统再生过程能耗较高，且吸收剂存在氧化降解和热降解的问题，而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。
[0003]为进一步降低碳捕集系统的能耗，研究者们在吸附材料优选、工艺流程设计等方面提出了各种解决方案：材料方面，例如采用少水/无水吸收剂、将胺负载在吸附材料上等；工艺流程方面，例如采用有机工质吹扫等。工业领域约15％
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50％的余热均以废热的形式耗散到环境中，如果将这部分热量进行能品提升并应用于碳捕集系统中，将具有一定的应用潜力和经济效益。现有技术将热泵系统与吸收碳捕集系统进行结合，具有一定的局限性，并未考虑能耗更低的吸附碳捕集系统，因此热泵系统在碳捕集领域尤其是吸附碳捕集技术方面的应用亟需进一步探索和发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中吸附碳捕集系统能耗高的缺陷，并提供一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统及其运行方法。
[0005]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统，包括吸附模块、热泵单元和冷却单元；
[0007]所述热泵单元包括共同构成内部循环通路的发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器；所述发生器与冷凝器连通，冷凝器通过工质泵与蒸发器连通，蒸发器与吸收器连通，吸收器依次经溶液换热器和设有节流阀的管路与发生器连通，发生器依次经溶液泵和溶液换热器与吸收器连通；
[0008]设有进气总阀的进气管路依次经发生器和蒸发器后，通过设有进气阀的子管路与吸附模块的底部连通；所述吸附模块顶部通过设有出气阀的子管路与设有出气总阀的出气管路连通，底部通过设有产品气阀的子管路与设有产品气总阀和真空泵的产品气管路连通；
[0009]所述吸附模块内部填充有用于吸附二氧化碳的吸附材料，且内部设有换热器；所述换热器的底部进口和顶部出口处分别设有第一三通阀和第二三通阀；所述第一三通阀的两个进口分别与第一高温换热介质管路和第一低温换热介质管路连通，出口与换热器的底部连通；所述第二三通阀的两个出口分别与第二高温换热介质管路和第二低温换热介质管路连通，进口与换热器的顶部连通；所述第二高温换热介质管路经吸收器换热后与第一高
温换热介质管路连通并构成高温换热介质回路；所述第二低温换热介质管路经冷却单元换热后与第一低温换热介质管路连通并构成低温换热介质回路。
[0010]作为优选，所述冷却单元为冷槽。
[0011]作为优选，所述吸附模块共有4n个，n∈N
+
。
[0012]作为优选，所述吸附材料为固体吸附材料，可为沸石、活性炭、金属有机框架或负载胺等。
[0013]作为优选，所述吸附模块内设置的换热器为间壁式换热器。
[0014]作为优选，所述热泵单元内部循环通路中的工质为溴化锂
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水工质对。
[0015]作为优选，所述第一高温换热介质管路、第一低温换热介质管路、第二高温换热介质管路和第二低温换热介质管路中的换热介质为同种耐高温导热介质。
[0016]进一步的，所述耐高温导热介质为二甲基硅油或苯甲基硅油等。
[0017]第二方面，本专利技术提供了一种利用第一方面任一所述基于升温型热泵的吸附碳捕集系统的运行方法，具体如下：
[0018]系统运行过程中，进气总阀、出气总阀和产品气总阀始终保持开启。
[0019]吸附步骤：开启进气阀和出气阀，关闭产品气阀；高温烟气经进气管路依次进入发生器和蒸发器进行热交换，驱动热泵单元的运行；经过降温后所得的低温烟气通过设有进气阀的子管路进入吸附模块的底部，烟气中的二氧化碳被吸附模块内部吸附材料吸收并富集起来，烟气随后依次通过设有出气阀的子管路与设有出气总阀的出气管路排出；
[0020]加热步骤：开启产品气阀，关闭进气阀和出气阀；吸附模块内经换热后的高温换热介质通过第二三通阀进入第二高温换热介质管路，第二高温换热介质管路将其送入吸收器进行热交换，加热后的高温换热介质通过第一高温换热介质管路和第一三通阀重新进入吸附模块；吸附模块内部填充的吸附材料吸收热量并释放二氧化碳，富集有二氧化碳的产品气依次经设有产品气阀的子管路与设有产品气总阀的出气管路排出；
[0021]真空步骤：开启产品气阀，关闭进气阀和出气阀；在真空泵的作用下，吸附模块内部压力降低，促进吸附材料释放二氧化碳，从而提高产品气中二氧化碳的浓度和产率；
[0022]冷却步骤：关闭进气阀、出气阀和产品气阀；经冷却单元降温后的低温换热介质通过第一低温换热介质管路和第一三通阀进入吸附模块，吸附模块内填充的吸附材料的显热被低温换热介质吸收且温度降低，温度升高的低温换热介质依次通过第二三通阀和第二高温换热介质管路重新进入冷却单元降温。
[0023]作为优选，每四个所述吸附模块为一组，且每组中的吸附模块均处于不同的反应步骤，以确保基于升温型热泵的吸附碳捕集系统的连续运行。
[0024]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0025]本专利技术将高温烟气中的热量引入热泵单元作为热源输入，并输出高温热量用于吸附碳捕集系统的加热过程，能够减少燃煤电厂中品位较高的汽轮机中低压缸抽汽量，从而使得燃煤电厂发电净效率因碳捕集系统带来的影响减小。降低烟气的温度不仅能够促进吸附过程的进行，同时还能为热泵提供低温余热，通过热泵技术实现能品的提升提高了复合系统的能量利用效率；同时热泵辅助吸附碳捕集系统的运行策略能够在烟气量充足的情况下实现系统的连续吸附和解吸过程，实现吸附碳捕集单元和热泵单元的耦合运行，从而提高系统产率。
附图说明
[0026]图1为本专利技术一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统的结构示意图。
[0027]图中：
[0028]101
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碳捕集单元；1,2,3,4
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吸附模块；5,6,7,8
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第一三通阀；9,10,11,12
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第二三通阀；13,15,17,19
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进气阀；14,16,18,20
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产品气阀；21,22,23,24
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出气阀；25
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进气管路；26
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进气总阀；27
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产品气管路；28
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产品气总阀；29
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出气管路；30
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出气总阀；31
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真空泵；411
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第一高温换热介质管路；412
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第二高温换热介质管路；421
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第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统，其特征在于，包括吸附模块(1)、热泵单元(102)和冷却单元(103)；所述热泵单元(102)包括共同构成内部循环通路的发生器(36)、冷凝器(32)、蒸发器(33)和吸收器(34)；所述发生器(36)与冷凝器(32)连通，冷凝器(32)通过工质泵(37)与蒸发器(33)连通，蒸发器(33)与吸收器(34)连通，吸收器(34)依次经溶液换热器(35)和设有节流阀(39)的管路与发生器(36)连通，发生器(36)依次经溶液泵(38)和溶液换热器(35)与吸收器(34)连通；设有进气总阀(26)的进气管路(25)依次经发生器(36)和蒸发器(33)后，通过设有进气阀(13)的子管路与吸附模块(1)的底部连通；所述吸附模块(1)顶部通过设有出气阀(21)的子管路与设有出气总阀(30)的出气管路(29)连通，底部通过设有产品气阀(14)的子管路与设有产品气总阀(28)和真空泵(31)的产品气管路(27)连通；所述吸附模块(1)内部填充有用于吸附和解吸二氧化碳的吸附材料，且内部设有换热器；所述换热器的底部进口和顶部出口处分别设有第一三通阀(5)和第二三通阀(9)；所述第一三通阀(5)的两个进口分别与第一高温换热介质管路(411)和第一低温换热介质管路(421)连通，出口与换热器的底部连通；所述第二三通阀(9)的两个出口分别与第二高温换热介质管路(412)和第二低温换热介质管路(422)连通，进口与换热器的顶部连通；所述第二高温换热介质管路(412)经吸收器(34)换热后与第一高温换热介质管路(411)连通并构成高温换热介质回路；所述第二低温换热介质管路(422)经冷却单元(103)换热后与第一低温换热介质管路(421)连通并构成低温换热介质回路。2.根据权利要求1所述的一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统，其特征在于，所述冷却单元(103)为冷槽(40)。3.根据权利要求1所述的一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统，其特征在于，所述吸附模块(1)共有4n个，n∈N
+
。4.根据权利要求1所述的一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统，其特征在于，所述吸附材料为固体吸附材料，为沸石、活性炭、金属有机框架、负载胺中的一种。5.根据权利要求1所述的一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统，其特征在于，所述吸附模块(1)内设置的换热器为间壁式换热器。6.根据权利要求1所述的一种基于升温型热泵的吸附碳捕集系统，其特征在于，所述热泵单元(102)内部循环通路中的工质为溴化锂
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【专利技术属性】
技术研发人员：江龙，刘伟，黄岩，雍觐源，张学军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：