CN103272467A - 一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统及脱碳方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于节能减排技术领域的一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统及脱碳方法。该方法主要由电厂汽轮机发电单元和CO2捕获单元两大部分组成。两个单元之间通过解析塔顶部冷却器、再沸器、多级压缩间冷换热器进行联通。该系统保证了CO2捕获电厂的低压缸安全性能；同时通过汽轮机发电单元与CO2捕获单元的集成，汽轮机发电单元抽汽经小汽机回收压能，CO2捕获单元释放的热量通过解析塔顶部冷却器、多级压缩间冷换热器加热电厂冷凝水，使得CO2捕获能耗大幅降低。该集成系统既保证了CO2捕获电厂的安全运行，又实现了能量的梯级利用，能够有效的抑制CO2排放和降低碳减排的能耗，获得较高的能源利用效率与技术经济性能。

Description

一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统及脱碳方法
技术领域
本发明属于节能减排技术领域，特别涉及一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统及脱碳方法。具体说，涉及从燃煤电厂的锅炉排烟中捕获CO2、进行能量的系统整合，有效地抑制了CO2排放，同时使电厂的性能保持在较高水平。
背景技术
近年来，温室效应成为人类面临最为严重的全球性环境问题，研究表明，CO2对温室效应的贡献最大。电力工业是CO2排放大户，对于我国来说，火电机组仍占有75%以上比例，每年电力工业排放的CO2量接近全国CO2排放总量的一半。因此，电力工业CO2减排对于我国、乃至于全球碳减排而言，都具有重要意义。
目前，CCS（碳捕获与储存）技术是国际上减排CO2的研究热点，尤其是CCS技术中的燃烧后CO2捕获技术，以其发展成熟，可广泛适用于大规模的化石燃料电厂，而倍受重视。但由于能耗较大，一般来说，对全电厂的CO2捕获时，会使电厂发电效率下降10～15个百分点，而且还会给汽轮机低压缸的正常运行带来严重冲击，从而引发一系列工程技术问题，因此大大制约了其大面积推广应用。与此同时，CO2捕获单元会向外释放大量中低温余热，不能合理利用这部分热量，是造成CO2捕获能耗高的主要原因。
综上所述，提出可行的电厂CO2捕获方案，进行热力系统集成，降低CO2捕获能耗，提高能源利用效率成为CO2减排技术推广应用的关键因素。
发明内容
本发明的目的在于提出一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统及方法，其特征在于，由汽轮机发电单元1和CO2捕获单元2两大部分组成，其中，
所述汽轮机发电单元1为小汽机20通过L1管路与中压缸5的部分排汽连接，小汽机汽机20排汽经换热器33与CO2捕获单元2的再沸器30入口连接，再沸器30出口经L2管路与解析塔24顶部的冷却器26出口管路汇合后，连接至换热器33冷流入口，换热器33的冷流出口经L6管路连接至除氧器11；冷凝器12的出口经L3管路分别连接至解析塔24顶部的冷却器26和多级压缩间冷换热器34，除氧器11与汽轮机高压回热装置15连接，汽轮机高压回热装置15经过锅炉3分别连接至高压缸4和中压缸5；高压缸4、中压缸5、第一级低压缸6和发电机8串联，发电机8与第二级低压缸7之间采用联轴器19连接，且在第二级低压缸7入口处连接第10调节阀，在中压缸5出口和第一级低压缸6入口之间连接第9调节阀；
所述CO2捕获单元2为锅炉尾部排烟经脱硫装置21、增压风机22后连接至CO2吸收塔23的下部入口，与吸收塔23的顶部入口输入的MEA（乙醇胺）溶液反应，脱除CO2后的净烟气从CO2吸收塔23的顶部排烟口排出；CO2吸收塔23的底部富液出口经第28泵、贫富液换热器29连接至解析塔24的入口，解析塔24顶部经顶部冷却器26、分离器27连接至CO2多级压缩单元32；CO2多级压缩单元32的出口输出高压CO2；CO2多级压缩单元32的内部设置多级压缩间冷换热器34，多级压缩间冷换热器34冷流出口与除氧器11的入口连接；解析塔24底部与再沸器30连接，再沸器30提供CO2解析过程的热需求，解析塔24的贫液出口经第31泵与贫富液换热器29连接、贫富液换热器29经贫液冷却器25连接至CO2吸收塔23的顶部入口。
一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统的脱碳方法，其特征在于，该方法是汽轮机发电单元1和CO2捕获单元2之间主要通过解析塔24顶部冷却器26、再沸器30及CO2多级压缩间冷换热器34连接；在汽轮机中压缸5排汽管道处设置抽汽L1管道，抽取9-12bar的中压蒸汽先送入小汽机20，经小汽机汽机20回收部分压能从而降压至吸收液所需再生压力，小汽机汽机20排汽2-3bar、210-270℃经过换热器33回收蒸汽显热后，再供应CO2捕获单元2中的再沸器30提供CO2解析过程中吸收剂再生所需的热量；凝汽器12中的冷凝水经加压泵18加压后，经冷凝水管道L3分为两股分别进入L4管道和L5管道，并分别进入解析塔24顶部冷却器26和多级压缩间冷换热器34接收热量，从解析塔24顶部冷却器26出口的凝结水与再沸器30出口的蒸汽冷凝水混合后进入换热器33加热，后进入除氧器11；而从多级压缩间冷换热器34出来的凝结水直接进入除氧器11；所述在汽轮机中压缸5排汽管道处设置抽汽管道L1，抽取大量中压蒸汽后，剩余蒸汽流量为原低压缸总蒸汽流量的一半，当处于脱碳工况时，联轴器19断开、第二级低压缸7从主轴上脱开；同时第10调节阀关闭，使从中压缸流入的蒸汽不进入第二级低压缸7而全部进入第一级低压缸6做功；将燃煤电站汽机发电与CO2捕获单元的系统集成，形成发电-脱碳一体化系统，实现能的梯级利用与CO2的脱除。
所述CO2捕获单元2中，顶部冷却器26所释放的约40-110℃的热量供给汽轮机发电单元1，加热后的冷凝水与来自再沸器30的加热蒸汽冷凝水混合，并经换热器33继续加热后，沿L6管路进入除氧器11；而CO2捕获单元2中的CO2多级压缩单元32所释放的约40-160℃的热量用来加热自管道L3、L5而流入的另一部分凝汽器的凝结水；如此热集成，替代电厂原汽轮机发电单元1中的四级低温回热器。
本发明的有益效果是该方法通过燃煤电站汽机发电与CO2捕获的系统集成，抽取汽轮机中压缸排汽供CO2捕获单元再沸器所需热量，抽汽后采用离合一个低压缸方式，保证了CO2捕获电厂的低压缸安全性能；同时抽汽经小汽机回收压能，而CO2捕获单元释放的热量集成回用给汽机系统，加热电厂冷凝水，抑制了由于碳捕获带来的电厂发电效率下降。总的来说，该方法既保证了CO2捕获电厂的安全运行，又实现了能量的梯级利用，实现燃煤电站发电-脱碳一体化，能够有效的抑制CO2排放和降低碳减排的能耗，获得较高的综合能源利用效率与技术经济性能。
附图说明
图1为带有碳捕集单元的燃煤电站改造方法集成示意图。
具体实施方式
本发明一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统及脱碳方法，下面结合附图和实施例予以说明。
如图1所示。该系统主要由汽轮机发电单元1、CO2捕获单元2两大部分组成，其中，
所述汽轮机发电单元1为小汽机20通过L1管路与中压缸5排汽连接，小汽机20排汽经换热器33与CO2捕获单元2的再沸器30入口连接，再沸器30出口经L2管路与解析塔24顶部的冷却器26出口连接，顶部冷却器26出口连接至换热器33冷流入口，换热器33的冷流出口经L6管路连接至除氧器11；冷凝器12的出口经L3管路连接至顶部冷却器26，除氧器11与汽轮机高压回热装置15连接，汽轮机高压回热装置15经过锅炉3分别连接至高压缸4和中压缸5；高压缸4、中压缸5、第一级低压缸6和发电机8串联，发电机8与第二级低压缸7之间采用联轴器19连接，且在第二级低压缸7入口处连接第10调节阀，在中压缸5出口和第一级低压缸6入口之间连接第9调节阀；
所述CO2捕获单元2为锅炉尾部排烟经脱硫装置21、增压风机22后连接至CO2吸收塔23的下部入口，与吸收塔23的顶部入口输入的MEA（乙醇胺）溶液反应，脱除CO2后的净烟气从CO2吸收塔23的顶部排烟口排出；CO2吸收塔23的底部富液出口经第28泵、贫富液换热器29连接至解析塔24的入口，解析塔24顶部经顶部冷却器26、分离器27连接至CO2多级压缩单元32；CO2多级压缩单元32的出口输出高压CO2；CO2多级压缩单元32的内部设置多级压缩间冷换热器34，多级压缩间冷换热器34冷流出口与除氧器11的入口连接；解析塔24底部与再沸器30连接，再沸器30提供CO2解析过程的热需求，再沸器30的贫液出口经第31泵与贫富液换热器29连接、贫富液换热器29经贫液冷却器25连接至CO2吸收塔23的顶部入口。
所述CO2吸收塔23的顶部入口输入MEA溶液和水与烟气反应，脱除CO2后的净烟气从CO2吸收塔23的顶部排烟口排出，富液由CO2吸收塔23底部排出。
所述改进的热集成的燃煤电站脱碳系统的脱碳方法是汽轮机发电单元1和CO2捕获单元2之间主要通过解析塔24顶部冷却器26、再沸器30及CO2多级压缩间冷换热器34相连；在汽轮机中压缸5排汽管道处设置抽汽管道L1，抽取9-12bar的中压蒸汽先送入小汽机20，经小汽机20回收部分压能从而降压至吸收液所需再生压力，小汽机20排汽2-3bar、210-270℃经过换热器33回收蒸汽显热后，再供应CO2捕获单元2中的再沸器30提供CO2解析过程中吸收剂再生所需的热量；凝汽器12中的冷凝水经加压泵18加压后，经冷凝水管道L3分为两股分别进入L4管道和L5管道，并分别进入解析塔24顶部冷却器26和多级压缩间冷换热器34接收热量，从解析塔24顶部冷却器26出口的凝结水与再沸器30出口的蒸汽冷凝水混合后进入换热器33加热，后进入除氧器11；而从多级压缩间冷换热器34出来的凝结水直接进入除氧器11；所述在汽轮机中压缸5排汽管道处设置抽汽管道L1，抽取大量中压蒸汽后，剩余蒸汽流量为原低压缸总蒸汽流量的一半，当处于脱碳工况时，联轴器19断开、第二级低压缸7从主轴上脱开；同时第10调节阀关闭，使从中压缸流入的蒸汽不进入第二级低压缸7而全部进入第一级低压缸6做功；将燃煤电站汽机发电与CO2捕获单元的系统集成，形成发电-脱碳一体化系统，实现能的梯级利用与CO2的脱除。
解析塔在燃煤电站发电-脱碳实际运行时，由锅炉3产生的主蒸汽先经过汽轮机高压缸4膨胀做功，高压缸4排汽经过锅炉3再热后进入汽轮机中压缸5继续膨胀做功，中压缸5的排汽9-12bar经管路L1抽汽，抽汽量约为原第一级低压缸6、第二级低压缸7总蒸汽流量的一半，抽汽经小汽机20回收余压，小汽机20排汽2-3bar、210-270℃经过换热器33回收蒸汽显热后供应CO2捕获单元2中的再沸器30所需热量。
CO2捕获单元2中，冷却器26所释放的约40-110℃的热量供给汽轮机发电单元1，加热后的冷凝水与来自再沸器30的加热蒸汽冷凝水混合，并经换热器33继续加热后，沿管路L6进入除氧器11；而CO2捕获单元2中的CO2多级压缩单元32所释放的约40-160℃的热量用来加热自管道L3、L5而流入的另一部分凝汽器的凝结水。如此热集成，替代电厂原汽轮机发电单元1中的四级低温回热器。
本发明可用其他的不违背本发明的思想和主要特征的具体形式来概述。因此，本发明的上述实施方案是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。权利要求书指出了本发明要求保护的构思和范围，而上述的说明并未全部指出本发明的范围。因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (3)

1.一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统，其特征在于，由汽轮机发电单元（1）和CO2捕获单元（2）两大部分组成，其中，
所述汽轮机发电单元（1）为小汽机（20）通过L1管路与中压缸（5）排汽连接，小汽机（20）排汽经换热器（33）与CO2捕获单元（2）的再沸器（30）入口连接，再沸器（30）出口经L2管路与解析塔顶部冷却器（26）出口连接，解析塔顶部冷却器（26）出口连接至换热器（33）冷流入口，换热器（33）的冷流出口经L6管路连接至除氧器（11）；冷凝器（12）的出口经L3管路分别连接至解析塔顶部冷却器（26）和多级压缩间冷换热器（34），除氧器（11）与汽轮机高压回热装置（15）连接，汽轮机高压回热装置（15）经过锅炉（3）分别连接至高压缸（4）和中压缸（5）；高压缸（4）、中压缸（5）、第一级低压缸（6）和发电机（8）串联，发电机（8）与第二级低压缸（7）之间采用联轴器（19）连接，且在第二级低压缸（7）入口处连接第10调节阀，在中压缸（5出口和第一级低压缸（6）入口之间连接第9调节阀；
所述CO2捕获单元（2）为锅炉尾部排烟经脱硫装置（21）、增压风机（22）后连接至CO2吸收塔（23）的下部入口，CO2吸收塔（23）的底部富液出口经第28泵、贫富液换热器（29）连接至解析塔（24）的入口，解析塔（24）顶部经顶部冷却器（26）、分离器（27）连接至CO2多级压缩单元（32；CO2多级压缩单元（32）的出口输出高压CO2；CO2多级压缩单元（32）的内部设置多级压缩间冷换热器（34），多级压缩间冷换热器（34）冷流出口与除氧器（11）入口连接；解析塔（24）底部与再沸器（30）连接，再沸器（30提供CO2解析过程的热需求，解析塔（24）的贫液出口经第31泵与贫富液换热器（29）连接、贫富液换热器（29）经贫液冷却器（25）连接至CO2吸收塔（23）的顶部入口。
2.一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统的脱碳方法，其特征在于，该方法是汽轮机发电单元（1）和CO2捕获单元（2）之间主要通过解析塔（24）顶部冷却器（26）、再沸器（30）及CO2多级压缩间冷换热器（34）连接；在汽轮机中压缸（5）排汽管道处设置抽汽L1管道，抽取9-12bar的中压蒸汽先送入小汽机（20），经小汽机汽机（20）回收部分压能从而降压至吸收液所需再生压力，小汽机汽机（20）排汽2-3bar、210-270℃经过换热器（33）回收蒸汽显热后，再供应CO2捕获单元（2）中的再沸器（30）提供CO2解析过程中吸收剂再生所需的热量；凝汽器（12）中的冷凝水经加压泵（18）加压后，经冷凝水L3管道分为两股分别进入L4管道和L5管道，并分别进入解析塔（24）顶部冷却器（26）和多级压缩间冷换热器（34）接收热量，从解析塔（24）顶部冷却器（26）出口的凝结水与再沸器（30）出口的蒸汽冷凝水混合后进入换热器（33）加热，后进入除氧器（11）；而从多级压缩间冷换热器（34）出来的凝结水直接进入除氧器（11）；所述在汽轮机中压缸（5）排汽管道处设置抽汽L1管道，抽取大量中压蒸汽后，剩余蒸汽流量为原低压缸总蒸汽流量的一半，当处于脱碳工况时，联轴器（19）断开、第二级低压缸（7）从主轴上脱开；同时第10调节阀关闭，使从中压缸流入的蒸汽不进入第二级低压缸（7）而全部进入第一级低压缸（6）做功；将燃煤电站汽机发电与CO2捕获单元的系统集成，形成发电-脱碳一体化系统，实现能的梯级利用与CO2的脱除。
3.根据权利要求2所述一种改进的热集成的燃煤电站脱碳系统的脱碳方法，其特征在于所述CO2捕获单元（2）中，顶部冷却器（26）所释放的约40-110℃的热量供给汽轮机发电单元（1），加热后的冷凝水与来自再沸器（30）的加热蒸汽冷凝水混合，并经换热器（33）继续加热后，沿L6管路进入除氧器（11）；而CO2捕获单元（2）中的CO2多级压缩单元（32）所释放的约40-160℃的热量用来加热自L3管道、L5管道而流入的另一部分凝汽器的凝结水；如此热集成，替代电厂原汽轮机发电单元（1）中的四级低压回热器。
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