СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТВОДИМОЙ ТЕПЛОТЫ В ПРОЦЕССЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА Российский патент 2004 года по МПК F01K25/14 F01K23/10 F02C3/24 

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к способу использования теплоты, отводимой из процесса восстановления диоксида углерода.

Обычно большое количество отводимой теплоты, вырабатываемой в процессе восстановления диоксида углерода за счет отходящих газообразных продуктов сгорания, охлаждается при помощи охлаждающей воды. В местной зоне, в которой большое количество охлаждающей воды не может быть обеспечено, большое количество отводимой теплоты охлаждается при помощи охлаждающего воздуха. Следовательно, большое количество имеющей низкую температуру отводимой теплоты удаляется без использования.

Известна система подачи горячей воды потребителю, показанная на фиг.4, в которой используют теплоту, вырабатываемую энергетической установкой.

Более конкретно, в такой системе пар из котла 101 подают на паровую турбину 102, при этом генератор 103 вырабатывает электричество. Пар конденсируется при помощи конденсатора 104 и возвращается в котел 101 при помощи насоса 105. Имеющий низкое давление пар выпускается из паровой турбины 102 и осуществляет теплообмен с водой, которая возвращается из системы снабжения горячей водой потребителя, при помощи теплообменника 106. При этом возвратная горячая вода подогревается и вновь поступает в систему подачи горячей воды потребителю. Конденсат, полученный за счет теплообмена имеющего низкое давление пара, возвращается в котел 101 при помощи насоса 107.

В известной системе подачи горячей воды потребителю, в результате отбора имеющего низкое давление пара от паровой турбины 102, выходная мощность паровой турбины 102 снижается, что приводит соответственно к снижению объема вырабатываемой электрической энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание способа использования теплоты, отводимой из процесса восстановления диоксида углерода, при помощи которого производится нагревание возвратной горячей воды за счет использования большого количества отводимой теплоты, получаемой в процессе восстановления диоксида углерода из отходящих газообразных продуктов сгорания, таким образом, что может быть получено большое количество горячей воды, например, для подачи в систему снабжения горячей водой потребителя, местного обогрева и тому подобного.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается способ использования теплоты, отводимой из процесса восстановления диоксида углерода, который включает в себя следующие операции:

использование блока восстановления диоксида углерода, который содержит градирню, абсорбционную башню для абсорбции диоксида углерода при помощи абсорбирующей жидкости, и регенерационную башню для регенерации абсорбирующей жидкости;

подача отходящих газообразных продуктов сгорания в градирню для охлаждения отходящих газообразных продуктов сгорания;

подача охлажденных отходящих газообразных продуктов сгорания в абсорбционную башню таким образом, чтобы они входили в контакт с регенерированной абсорбирующей жидкостью, поступающей из регенерационной башни для абсорбции диоксида углерода из отходящих газообразных продуктов сгорания с регенерированной абсорбирующей жидкостью, в результате чего на дне абсорбционной башни накапливается абсорбирующая жидкость с абсорбированным диоксидом углерода;

нагревание абсорбирующей жидкости с абсорбированным диоксидом углерода за счет теплообмена с регенерированной абсорбирующей жидкостью, поступающей из регенерационной башни;

подача нагретой абсорбирующей жидкости с абсорбированным диоксидом углерода в регенерационную башню;

нагревание дна регенерационной башни с использованием насыщенного пара для того, чтобы произвести разделение абсорбирующей жидкости с абсорбированным диоксидом углерода на диоксид углерода и регенерированную абсорбирующую жидкость; и

выпуск и рекуперация отделенного диоксида углерода из регенерационной башни,

причем возвратная горячая вода нагревается за счет по меньшей мере одного теплообмена, выбранного из группы, в которую входят теплообмен с регенерированной абсорбирующей жидкостью после теплообмена, теплообмен с диоксидом углерода, удаляемым из регенерационной башни, и теплообмен с насыщенной водой после нагревания дна регенерационной башни, в результате чего получают горячую воду.

В способе использования теплоты, отводимой из процесса восстановления диоксида углерода в соответствии с настоящим изобретением, в качестве отходящих газообразных продуктов сгорания могут быть использованы отходящие газы из котла или газовой турбины электростанции.

Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания его предпочтительных вариантов, данных в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые являются неотъемлемой частью настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показан схематический чертеж энергетической установки, которая включает в себя блок восстановления диоксида углерода и может быть применена для осуществления способа использования отводимой теплоты в процессе восстановления диоксида углерода в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 приведен схематический чертеж, на котором детально показан блок восстановления диоксида углерода фиг.1.

На фиг.3 показан схематический чертеж теплообмена возвратной горячей воды в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4 показан схематический чертеж традиционной системы подачи горячей воды потребителю, в которой используют теплоту от энергетической установки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ использования теплоты, отводимой из процесса восстановления диоксида углерода в соответствии с настоящим изобретением, будет описан далее со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 показан схематический чертеж энергетической установки, которая включает в себя блок восстановления диоксида углерода, на фиг.2 детально показан блок восстановления диоксида углерода фиг.1, а на фиг.3 показана схема теплообмена возвратной горячей воды.

Котел 1 соединен с паровой турбиной 3 с подключенным генератором 2 при помощи линии 10₁. Паровая турбина 3 также соединена с котлом 1 при помощи линии 10₂, в которую последовательно включены конденсатор 4 для конденсации пара и насос 5.

Котел 1 соединен с блоком восстановления диоксида углерода 20 при помощи линии 10₃. Как это показано на фиг.2, блок восстановления диоксида углерода 20 включает в себя градирню 21, абсорбционную башню 22 и регенерационную башню 23, которые расположены в непосредственной близости друг от друга.

Градирня 21 соединена с котлом 1 при помощи линии 10₃. Градирня 21 содержит контактный элемент газ-жидкость 24. Концы линии циркуляции 10₄ соединены с дном и верхним участком градирни 21. Первый насос 25 и первый теплообменник 26 последовательно включены в линию циркуляции 10₄ со стороны дна градирни 21. Охлаждающая вода разбрызгивается в верхнем участке градирни 21 при помощи линии циркуляции 10₄, так что отходящие газообразные продукты сгорания, вводимые по линии 10₃, охлаждаются при помощи контактного элемента газ-жидкость 24. Вершина градирни 21 соединена с нижним участком абсорбционной башни 22 при помощи линии 10₅, в которую введен нагнетательный вентилятор 27.

Абсорбционная башня 22 содержит верхний и нижний контактные элементы газ-жидкость 28а и 28b. Участок слива 29 для регенерированной абсорбирующей жидкости предусмотрен между контактными элементами газ-жидкость 28а и 28b. Предусмотрена также линия 10₆, один конец которой соединен с участком слива 29 абсорбционной башни 22, а другой конец соединен с участком, расположенным в верхней части абсорбционной башни 22 над контактным элементом газ-жидкость 28а, через насос 30 и второй теплообменник (охладитель промывочной воды) 31. Выхлопная труба 32 соединена с вершиной абсорбционной башни 22.

Регенерационная башня 23 содержит верхний и нижний контактные элементы газ-жидкость 33а и 33b. Дно абсорбционной башни 22 соединено при помощи линии 10₇ с верхним участком регенерационной башни 23, расположенным между верхним и нижним контактными элементами газ-жидкость 33а и 33b. Насос 34 и третий теплообменник 35 последовательно включены в линию 10₇ со стороны абсорбционной башни 22.

Дно регенерационной башни 23 соединено при помощи линии 10₈, которая проходит через третий теплообменник 35, с верхним участком абсорбционной башни 22, в котором имеется участок слива 29. Насос 36 введен в линию 10₈ между дном регенерационной башни 23 и третьим теплообменником 35. Четвертый теплообменник (охладитель абсорбирующей жидкости) 37 введен в линию 10₈ между третьим теплообменником 35 и абсорбционной башней 22. Линия возвратной горячей воды 10₉ проходит через четвертый теплообменник 37, как это показано на фиг.2 и 3. При протекании возвратной горячей воды через линию возврата горячей воды 10₉ происходит теплообмен с четвертым теплообменником 37.

Один конец линии 10₁₀ соединен с нижним участком регенерационной башни 23, а другой конец линии 10₁₀ соединен с участком регенерационной башни 23, который расположен непосредственно под контактным элементом газ-жидкость 33b. Насос 38 и пятый теплообменник 39 последовательно включены в линию 10₁₀ со стороны нижнего участка регенерационной башни 23. Через пятый теплообменник 39 также пропущена линия 10₁₁, через которую поступает насыщенный пар, за счет чего происходит теплообмен с насыщенным паром.

Один конец линии 10₁₂ соединен с вершиной регенерационной башни 23, а другой конец линии 10₁₂ соединен с сепаратором газ-жидкость 41 через шестой теплообменник (охладитель возвратного потока) 40. Диоксид углерода, отделенный в сепараторе газ-жидкость 41, рекуперируют через выпускную трубу 42. Как это показано на фиг.2 и 3, линия возврата горячей воды 10₉, которая проходит через четвертый теплообменник 37, пропущена также через шестой теплообменник 40. При протекании возвратной горячей воды через линию возврата горячей воды 10₉ происходит теплообмен с шестым теплообменником 40. Сепаратор газ-жидкость 41 соединен с верхней частью регенерационной башни 23 при помощи линии 10₁₃, в которую введен насос 43.

Как это показано на фиг.1 и 3, линия возврата горячей воды 10₉, которая проходит через шестой теплообменник 40, проходит также через седьмой теплообменник 44, через который пропущена линия 10₁₁, по которой протекает насыщенная вода. При протекании возвратной горячей воды через линию возврата горячей воды 10₉ происходит теплообмен с седьмым теплообменником 44.

Способ использования теплоты, отводимой из процесса восстановления диоксида углерода, будет описан далее со ссылкой на энергетическую установку, которая включает в себя блок восстановления диоксида углерода (фиг.1-3).

Пар, который получают в котле 1, подают на паровую турбину 3 по линии 10₁, при этом генератор 2 вырабатывает электроэнергию. Пар от паровой турбины 3 подают по линии 10₂ на конденсатор 4, в котором происходит конденсация пара. Полученный конденсат возвращают в котел 1 при помощи насоса 5.

Отходящие газообразные продукты сгорания, получаемые в котле 1, подают в градирню 21 блока восстановления диоксида углерода 20 по линии 10₃. Очищенная вода, которую откачивают через дно градирни 21 при помощи первого насоса 25, охлаждается при ее протекании через линию циркуляции 10₄, в которую включен первый теплообменник 26. Охлаждающая вода разбрызгивается в верхней части градирни 21, в результате чего происходит охлаждение отходящих газообразных продуктов сгорания, введенных по линии 10₃, при помощи контактного элемента газ-жидкость 24.

При включении нагнетательного вентилятора 27 охлажденные отходящие газообразные продукты сгорания поступают от вершины градирни 21 в нижний участок абсорбционной башни 22 по линии 10₅. Когда отходящие газообразные продукты сгорания, введенные в абсорбционную башню 22, протекают вверх через нижний контактный элемент газ-жидкость 28b абсорбционной башни 22, они входят в контакт с регенерированной абсорбирующей жидкостью, например с регенерированным жидким амином, который подают в участок слива 29 абсорбционной башни 22. При этом диоксид углерода в отходящих газообразных продуктах сгорания абсорбируется при помощи регенерированного жидкого амина, в результате чего получают жидкий амин с абсорбированным диоксидом углерода. Регенерированный жидкий амин подают из регенерационной башни 23 в участок слива 29 абсорбционной башни 22 по линии 10₈, которая проходит через третий и четвертый теплообменники 35 и 37. Когда отходящие газообразные продукты сгорания протекают через участок слива 29 и далее вверх через верхний контактный элемент газ-жидкость 28а, они входят в контакт с регенерированным жидким амином, подаваемым в верхнюю часть абсорбционной башни 22, в результате чего диоксид углерода, который содержится в отходящих газообразных продуктах сгорания, абсорбируется регенерированным жидким 1 амином, при этом получают жидкий амин с абсорбированным диоксидом углерода. В это время отходящие газообразные продукты сгорания охлаждены, так что поддерживается водный баланс системы в целом, и пары амина не выходят наружу из системы. При включении насоса 30 регенерированный жидкий амин подается в верхнюю часть абсорбционной башни 22 по линии 10₆. Отходящие газообразные продукты сгорания, из которых удален диоксид углерода, выпускаются в атмосферу через выхлопную трубу 32.

Жидкий амин с абсорбированным диоксидом углерода накапливается на дне абсорбционной башни 22. При включении насоса 34 накопленный жидкий амин с абсорбированным диоксидом углерода поступает по линии 10₇ в регенерационную башню 23, на участок между двумя контактными элементами газ-жидкость 33а и 33b. В это время жидкий амин, который абсорбировал диоксид углерода, нагрет за счет теплообмена в третьем теплообменнике 35. Третий теплообменник 35 расположен на пересечении линий 10₇ и 10₈. Регенерированный жидкий амин с относительно высокой температурой, находящийся на дне регенерационной башни 23, протекает по линии 10₈, в результате чего регенерированный жидкий амин охлаждается.

Нагретый жидкий амин с абсорбированным диоксидом углерода разделяется на диоксид углерода и регенерированный жидкий амин, когда он протекает вниз через нижний контактный элемент газ-жидкость 33b регенерационной башни 23. В это время, при включении насоса 38 регенерированный жидкий амин, который накоплен на дне регенерационной башни 23, циркулирует по линии 10₁₀, в которую включен пятый теплообменник 39. При этом регенерированный жидкий амин совершает теплообмен с насыщенным паром, который поступает в пятый теплообменник 39 по линии 10₁₁, в результате чего он нагревается. Регенерированный жидкий амин, нагретый при помощи пятого теплообменника 39, используют в качестве источника теплоты для нагревания самой регенерационной башни 23.

Регенерированный жидкий амин, разделенный в регенерационной башне 23, накапливается на дне регенерационной башни 23. При включении насоса 36 регенерированный жидкий амин со дна регенерационной башни 23 возвращается в абсорбционную башня 22 по линии 10₈.

Отделенный диоксид углерода течет вверх через верхний контактный элемент газ-жидкость 33а регенерационной башни 23 и вытекает по линии 10₁₂ из вершины регенерационной башни 23. В течение этого промежутка времени отделенный диоксид углерода охлаждается при помощи шестого теплообменника 40, введенного в линию 10₁₂, при этом происходит конденсация водяного пара, переносимого вместе с диоксидом углерода. Диоксид углерода затем поступает в сепаратор газ-жидкость 41 и разделяется на диоксид углерода и жидкий амин. Диоксид углерода рекуперируют через выпускную трубу 42, а жидкий амин возвращают в регенерационную башню 23 по линии 10₁₃.

В описанном выше процессе восстановления диоксида углерода, возвратную горячую воду подают в линию возврата горячей воды 10₉, в которую введены четвертый, шестой и седьмой теплообменники 37, 40 и 44, как это показано на фиг.1-3. В это время возвратная горячая вода, протекающая по линии возврата горячей воды 10₉, совершает теплообмен, прежде всего в четвертом теплообменнике 37, с жидким амином, который имеет температуру, например, от 60 до 70°С, протекающим по линии 10₈, пропущенной через четвертый теплообменник 37. Таким образом, возвратная горячая вода нагревается. Затем возвратная горячая вода совершает теплообмен в шестом теплообменнике 40 с диоксидом углерода и водяным паром при температуре, например, от 90 до 100°С, которые выпускаются из регенерационной башни 23 и протекают по линии 10₁₂, пропущенной через шестой теплообменник 40. В результате возвратная горячая вода нагревается еще больше. Наконец, возвратная горячая вода совершает теплообмен в седьмом теплообменнике 44 с насыщенной водой при температуре, например, от 120 до 140°С, которая течет по линии 10₁₁, которая пропущена через седьмой теплообменник 44. В результате возвратная горячая вода нагревается до заданной температуры и используется, например, в системе отопления.

Более конкретно, как это показано на фиг.3, возвратная горячая вода с температурой 20°С совершает теплообмен в четвертом теплообменнике 37 и нагревается при этом до 55°С. После этого возвратная горячая вода совершает теплообмен в шестом теплообменнике 40 и нагревается при этом до 85°С. Наконец, возвратная горячая вода совершает теплообмен в седьмом теплообменнике 44 и нагревается при этом до 100°С, до заданной температуры горячей воды. Когда возвратная горячая вода поступает в теплообменники указанным образом, от теплообменника с более низкой температурой в теплообменник с более высокой температурой, она может быть нагрета эффективным образом до заданной температуры.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, в процессе восстановления диоксида углерода из отходящих газообразных продуктов сгорания, полученных от такого источника отходящих газообразных продуктов сгорания, как, например, котел, происходит нагревание возвратной горячей воды за счет использования большей части отводимой теплоты, которую получают за счет процесса восстановления и которую обычно охлаждают при помощи охлаждающей воды и удаляют. Следовательно, может быть получено при низкой себестоимости большое количество горячей воды для отопления помещений или для других целей.

Когда способ использования отводимой теплоты в соответствии с настоящим изобретением применяют к энергетической установке, имеющей котел, то горячая вода для пользователя может быть получена за счет процесса восстановления диоксида углерода, без отбора имеющего низкое давление пара от паровой турбины, как это делают в традиционных системах водяного отопления. Следовательно, можно избежать снижения выходной мощности паровой турбины, которое происходит при отборе имеющего низкое давление пара.

В описанном варианте осуществления настоящего изобретения, горячая вода была получена за счет нагревания возвратной горячей воды с использованием четвертого, шестого и седьмого теплообменников 37, 40, и 44, однако следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается только этим вариантом. Например, горячая вода может быть получена за счет нагревания возвратной горячей воды с использованием любого одного из четвертого, шестого и седьмого теплообменников 37, 40, и 44, или двух, или больше из них. Когда используют два теплообменника или больше теплообменников, порядок подачи горячей воды в теплообменники не является ограничивающим фактором.

В описанном варианте горячая вода была получена за счет нагревания возвратной горячей воды с использованием четвертого, шестого и седьмого теплообменников 37, 40, и 44, через которые протекает текучая среда с относительно высокой температурой, однако следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается только таким случаем. Например, до нагревания горячей воды за счет теплообмена в четвертом теплообменнике 37 она может быть нагрета за счет теплообмена в первом или втором теплообменниках 26 и 31 (или в обоих из них), показанных фиг.2. Отметим, что охлаждающая вода, которая имеет температуру, например, от 20 до 50°С, протекает через первый теплообменник 26, в то время как охлаждающая вода, которая имеет температуру, например, от 20 до 50°С, протекает через теплообменник 31. Текучая среда с температурой, меньшей температуры пятого, шестого и седьмого теплообменников, протекает через первый и второй теплообменники 26 и 31.

Отметим, что источником выработки отходящих газообразных продуктов сгорания не обязательно должен быть котел.

Как это было описано ранее, в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ использования отводимой теплоты, получаемой в процессе восстановления диоксида углерода от отходящих газообразных продуктов сгорания, для нагревания возвратной горячей воды, за счет использования большей части теплоты, получаемой в процессе восстановления, что позволяет получать при низкой себестоимости большое количество горячей воды для отопления или тому подобного.

Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения и соответствуют его духу.

Изобретение относится к способу использования теплоты, отводимой из процесса восстановления диоксида углерода. Способ включает охлаждение отходящих газообразных продуктов сгорания в градирне (21), контакт охлажденных продуктов сгорания в абсорбционной башне (22) с регенерированной абсорбирующей жидкостью, поступающей из регенерационной башни (23), в результате на дне абсорбционной башни (22) накапливается жидкость с абсорбированным диоксидом углерода, нагревание жидкости с абсорбированным диоксидом углерода за счет теплообмена (35) с регенерированной абсорбирующей жидкостью, поступающей из регенерационной башни (23), подачу нагретой жидкости с абсорбированным диоксидом углерода в регенерационную башню (23), нагревание дна регенерационной башни (23) с использованием насыщенного пара, для разделения жидкости с абсорбированным диоксидом углерода на диоксид углерода и регенерированную абсорбирующую жидкость, выпуск и рекуперация отделенного диоксида углерода из регенерационной башни (23). Возвратная горячая вода нагревается за счет по меньшей мере одного теплообмена, выбранного из группы, в которую входят теплообмен (37) с регенерированной абсорбирующей жидкостью после теплообмена, теплообмен (40) с диоксидом углерода, удаляемым из регенерационной башни (23), и теплообмен (44) с насыщенной водой после нагревания дна регенерационной башни (23), в результате чего получают горячую воду. Изобретение позволяет получать при низкой себестоимости большое количество горячей воды. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ использования отводимой теплоты в процессе восстановления диоксида углерода, который включает в себя следующие операции: использование блока (20) восстановления диоксида углерода, который содержит градирню (21), абсорбционную башню (22) для абсорбции диоксида углерода при помощи абсорбирующей жидкости и регенерационную башню (23) для регенерации абсорбирующей жидкости; подача отходящих газообразных продуктов сгорания в градирню (21) для охлаждения отходящих газообразных продуктов сгорания; подача охлажденных отходящих газообразных продуктов сгорания в абсорбционную башню (22) таким образом, чтобы они входили в контакт с регенерированной абсорбирующей жидкостью, поступающей из регенерационной башни (23) для абсорбции диоксида углерода из отходящих газообразных продуктов сгорания с регенерированной абсорбирующей жидкостью, в результате чего на дне указанной абсорбционной башни (22) накапливается абсорбирующая жидкость с абсорбированным диоксидом углерода; нагревание абсорбирующей жидкости с абсорбированным диоксидом углерода за счет теплообмена (35) с регенерированной абсорбирующей жидкостью, поступающей из регенерационной башни (23); подача нагретой абсорбирующей жидкости с абсорбированным диоксидом углерода в регенерационную башню (23); нагревание дна регенерационной башни (23) с использованием насыщенного пара для разделения абсорбирующей жидкости с абсорбированным диоксидом углерода на диоксид углерода и регенерированную абсорбирующую жидкость; выпуск и рекуперация отделенного диоксида углерода из регенерационной башни (23), в котором возвратная горячая вода нагревается за счет, по меньшей мере, одного теплообмена, выбранного из группы, в которую входят теплообмен (37) с регенерированной абсорбирующей жидкостью после теплообмена, теплообмен (40) с диоксидом углерода, удаляемым из регенерационной башни (23), и теплообмен (44) с насыщенной водой после нагревания дна регенерационной башни (23), в результате чего получают горячую воду.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходящие газообразные продукты сгорания представляют собой отходящие газы из котла (1) или газовой турбины электростанции.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что абсорбирующей жидкостью является жидкий амин.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что возвратную горячую воду нагревают сначала при помощи теплообмена (37) с регенерированной абсорбирующей жидкостью после теплообмена, затем при помощи теплообмена (40) с диоксидом углерода, удаляемым из регенерационной башни (23), и, наконец, при помощи теплообмена (44) с насыщенной водой после нагревания дна регенерационной башни (23), в результате чего получают горячую воду.