CN103277154B - 基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站的co2脱除集成系统 - Google Patents
基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站的co2脱除集成系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及属于节能减排技术领域的一种基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站大规模CO2脱除集成系统，该系统主要由汽轮机发电单元和CO2捕获单元组成，汽轮机发电单元的汽轮机低压缸由一个背压式低压缸和一个凝汽式低压缸组成，背压式低压缸的排汽管道分为主排汽管道与旁路管道。脱碳工况时，旁路管道关闭，背压缸排汽管道分别与换热器、再沸器连接；非脱碳工况时，主排汽管道关闭，背压缸排汽管道与小汽轮机连接。CO2捕获单元主要由吸收塔和解析塔组成，解析塔顶部冷却器、CO2多级压缩单元分别加热部分凝结水，并在混合后进入汽轮机发电单元。本发明能够提高蒸汽的利用率，能够根据不同工况调整碳减排系统的运行，获得更高的电站效率。
Description
技术领域
本发明属于节能减排技术领域，特别涉及一种基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站的CO2脱除集成系统。具体说，当电厂运行脱碳系统时，利用CO2捕集系统从燃煤电厂的锅炉排烟中捕获CO2并加以回收利用，即有效地抑制了CO2排放，减缓了温室效应，又实现了能源的梯级利用；当电厂不运行脱碳系统时，利用小汽轮机回收蒸汽做功，使能量得到充分利用。两种情况下都使燃煤电站的热经济性维持在较高水平。
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，在众多引起温室效应的因素中，CO2的高排放量绝对是不可忽视的一个方面。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，如何能够高效的减少电力行业CO2减排量已然成为了减缓温室效应的一个重要研究课题。
目前，CCS技术是国际上减排CO2的研究热点，尤其是CCS技术(Carbon Capture and Storage,简称CCS；是碳捕获与封存，是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存).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等优势，倍受国内外众多学者的重视。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，如何能够高效合理的应用 这部分低品味能，也限制CCS技术广泛应用的主要原因之一。
综上所述，提出可行的电厂CO2捕获方案，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
本发明的目的是提出一种基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站CO2脱除集成系统，其特征在于，该系统由汽轮机发电单元1和CO2捕获单元2组成；
在汽轮机发电单元1内，中压缸5的排汽分别与背压式低压缸6和凝汽式低压缸7连接，背压式低压缸6的排汽通过主蒸汽管道L02经第一节流阀9与换热器23连接，经第二节流阀10通过旁路管道L03与小汽机11连接；换热器23的冷流出口经回热管道L08连接至第一级低温回热器19；小汽机11排汽与凝汽器12连接、凝汽器12依次与第四级低温回热器22、第三级低温回热器21、第二级低温回热器20和第一级低温回热器19连接；；凝汽器12的出口经管道L07分别连接至CO2捕获单元2的再生塔顶部冷却器31和多级压缩间冷换热器38的入口；凝汽器12的入口分别与凝汽式低压缸7、第四级低温回热器22和小透平18连接；锅炉3分别连接高压缸4和中压缸5；高压缸4、中压缸5、背压式低压缸6及凝汽式低压缸7和发电机8串联；锅炉3和高压缸4连接后和第二级高压加热器14连接，高压缸4连接第一级高压加热器13，中压缸5连接第三级高压加热器15，中压缸5连接小透平18；，中压缸5经过除氧器16、输送泵17连接第三级高压加热器15；中压缸5的排汽连接第一级低温回热器19；
在CO2捕获单元2内，锅炉尾部排烟经脱硫装置26、增压风机27后连接至CO2吸收塔28的底部入口，吸收塔28的底部经富液泵33、贫富液换热器34后连接至解析塔29的入口，解析塔29顶部出口经再生塔顶部冷却器31、分离器32后连接至CO2多级压缩单元37；解析塔29底部则与再沸器35连接，再沸器 35的出口经贫液泵36、贫富液换热器34、贫液冷却器30后连接至吸收塔28的顶部入口；再沸器35的入口与汽轮机发电单元1的换热器23热流出口连接，再沸器35的出口经L11管道与再生塔顶部冷却器31的出口经L13管道汇合后连接至换热器23的冷流入口，多级压缩间冷换热器38的出口与第一级低温回热器19的冷流入口连接。
所述背压式汽轮机的排气管道由并联的主蒸汽管道L02与旁路管道L03组成，脱碳系统正常工作时，将背压式低压缸6的排汽通入主蒸汽管道L02中，排汽经过第一节流阀9进入换热器23，加热凝结水后，将蒸汽通入再沸器35，为吸收剂在解析塔中的再生过程提供热量；当脱碳系统不工作时，背压式低压缸6的排汽经第二节流阀10通过旁路管道L03将排汽分别引入小汽机11中做功和供应第二级低温回热器20所需蒸汽，从而使机组获得更大的输出功，提高机组的热效率，小汽机排汽直接排入凝汽器12中。
所述背压式低压缸6和凝汽式低压缸7组成汽轮机发电单元1的汽轮机低压缸，用来代替常规电厂的双凝汽式结构，从中压缸排出的蒸汽平均分配到两个低压缸，从而使额外功率损失达到最小，以便使机组维持较高的出功率，背压式低压缸排汽参数为2.5‐4.5bar，略高于加热再沸器所需的蒸汽参数，以消除管道内功率损失的影响。
所述主蒸汽管道L02和旁路管道L03分别加装有第一节流阀9、第二节流阀10，脱碳工况时，打开第一节流阀9、关闭第二节流阀10；非脱碳工况时，打开第二节流阀10、关闭第一节流阀9，从而达到改变蒸汽走向的目的。
所述的小汽机11中有两段抽汽，分别经管道通向第三级低温回热器21和第四级低温回热器22的热流入口处，从而用来加热CO2捕集单元2不运行时的冷凝水，小汽机11输出功主要用于厂内附加用电。
所述的凝汽器12出口冷凝水管道L05分别通过第三节流阀24和第四节流阀25分成冷凝水一路管道L06与冷凝水二路管道L07两路；当CO2捕集单元2不运行时，关闭第四节流阀25，打开第三节流阀24，冷凝水经冷凝水一路管道L06依次流入第四级低温回热器22、第三级低温回热器21、第二级低温回热器20和第一级低温回热器19；当CO2捕集单元2运行时，关闭第三节流阀24，打开第四节流阀25，冷凝水经冷凝水三路管道L09和冷凝水四路管道L10分别流向多级压缩间冷换热器38和再生塔顶部冷却器31。
所述CO2捕获单元2的工资流程为锅炉尾部排烟经脱硫装置26、增压风机27进入吸收塔28的底部入口，与吸收塔28顶部的输入MEA溶液反应，吸收塔28的底部经富液泵33、贫富液换热器34后连接至解析塔29的入口，解析塔29顶部出口经再生塔顶部冷却器31、分离器32后连接至CO2多级压缩单元37；解析塔29底部则与再沸器35连接，再沸器35的出口经贫液泵36、贫富液换热器34、贫液冷却器30后连接至吸收塔28的顶部入口；再沸器35的入口与汽轮机发电单元1的换热器23热流出口连接，再沸器35的出口贫液经贫液泵36、贫富液换热器34、贫液冷却器30后从吸收塔28的顶部入口进入，脱除CO2后的净烟气从吸收塔28的顶部排烟口排出。
所述CO2捕获单元2工作流程中，再生塔顶部冷却器31所释放的26‐110℃的热量用来加热电厂近一半的冷凝水，加热后的冷凝水与来自再沸器35的放热后工质混合，经换热器23继续加热后沿回热管道L08进入第一级低温回热器19；而CO2捕获单元2中的CO2多级压缩单元37所释放的26‐160℃的热量用来加热电厂剩余冷凝水。如此热集成，替代电厂原汽轮机发电单元1中的第二级低温回热器20、第三级低温回热器21和第四级低温回热器22三级低温回热器的回热加热所需的热量。
本发明的有益效果是该系统将燃煤电站汽轮机低压缸设计为一背压式低压缸和一凝汽式低压缸，利用背压式低压缸排汽直接供给再沸器所需热量，使汽水系统抽汽点参数接近再沸器所需求的工作参数，从而减少了高参数抽汽带来的额外的蒸汽参数损失，从而抑制了由于碳捕获带来的电厂发电效率下降；同时，该系统利用并联的旁路系统回收CO2捕集系统不运行时的蒸汽做功，实现了燃煤电站与碳捕集系统的全工况耦合；利用加热再沸器后的低品位汽水代替部分低压回热抽汽，提高了蒸汽的利用效率。总体上来看，本发明能有效的实现能量的梯级利用，实现燃煤电站发电‐脱碳全工况一体化，使燃煤电站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
本发明提供一种基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站大规模CO2脱除集成系统。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，
在汽轮机发电单元1内，中压缸5的排汽分别与背压式低压缸6和凝汽式低压缸7连接，背压式低压缸6的排汽通过主蒸汽管道L02经第一节流阀9与换热器23连接，经第二节流阀10通过旁路管道L03与小汽机11连接；换热器23的冷流出口经回热管道L08小汽机11排汽与凝汽器12连接、凝汽器12依次与第四级低温回热器22、第三级低温回热器21、第二级低温回热器20和第一级低温回热器19连接；凝汽器12的出口经管道L07分别连接至CO2捕获单元2的再生塔顶部冷却器31和多级压缩间冷换热器38的入口；凝汽器12的入口分别与凝 汽式低压缸7、第四级低温回热器22和小透平18连接；锅炉3分别连接高压缸4和中压缸5；高压缸4、中压缸5、背压式低压缸6及凝汽式低压缸7和发电机8串联；锅炉3和高压缸4连接后和第二级高压加热器14连接，高压缸4连接第一级高压加热器13，中压缸5连接第三级高压加热器15，中压缸5连接小透平18；中压缸5经过除氧器16、输送泵17连接第三级高压加热器15；中压缸5的排汽连接第一级低温回热器19；
在CO2捕获单元2内，锅炉尾部排烟经脱硫装置26、增压风机27后连接至CO2吸收塔28的底部入口，吸收塔28的底部经富液泵33、贫富液换热器34后连接至解析塔29的入口，解析塔29顶部出口经再生塔顶部冷却器31、分离器32后连接至CO2多级压缩单元37；解析塔29底部则与再沸器35连接，再沸器35的出口经贫液泵36、贫富液换热器34、贫液冷却器30后连接至吸收塔28的顶部入口；再沸器35的入口与汽轮机发电单元1的换热器23热流出口连接，再沸器35的出口经L11管道与再生塔顶部冷却器31的出口经L13管道汇合后连接至换热器23的冷流入口；多级压缩间冷换热器38的出口与第一级低温回热器19的冷流入口连接。
所述背压式低压缸的排气管道由并联的主蒸汽管道L02与旁路管道L03组成，脱碳系统正常工作时，将背压式低压缸6的排汽通入主蒸汽管道L02中，排汽经过第一节流阀9进入换热器23，加热凝结水后，将蒸汽通入再沸器35，为吸收剂在解析塔中的再生过程提供热量；当脱碳系统不工作时，背压式低压缸6的排汽经第二节流阀10通过旁路管道L03将排汽分别引入小汽机11中做功和供应第二级低温回热器20所需蒸汽，从而使机组获得更大的输出功，提高机组的热效率，小汽机排汽直接排入凝汽器12中。
所述背压式低压缸6和凝汽式低压缸7组成汽轮机发电单元1的汽轮机低压
缸，用来代替常规电厂的双凝汽式结构，从中压缸排出的蒸汽平均分配到两个低压缸，从而使额外功率损失达到最小，以便使机组维持较高的出功率，背压式低压缸排汽参数为2.5‐4.5bar，略高于加热再沸器所需的蒸汽参数，以消除管道内功率损失的影响。
所述主蒸汽管道L02和旁路管道L03分别加装有第一节流阀9、第二节流阀10，脱碳工况时，打开第一节流阀9、关闭第二节流阀10；非脱碳工况时，打开第二节流阀10、关闭第一节流阀9，从而达到改变蒸汽走向的目的。
所述的小汽机11中有两段抽汽，分别经管道通向第三级低温回热器21和第四级低温回热器22的热流入口处，从而用来加热CO2捕集单元2不运行时的冷凝水，小汽机11输出功主要用于厂内附加用电。
所述的凝汽器12出口冷凝水管道L05分别通过第三节流阀24和第四节流阀25分成冷凝水一路管道L06与冷凝水二路管道L07两路；当CO2捕集单元2不运行时，关闭第四节流阀25，打开第三节流阀24，冷凝水经冷凝水一路管道L06依次流入第四级低温回热器22、第三级低温回热器21、第二级低温回热器20和第一级低温回热器19；当CO2捕集单元2运行时，关闭第三节流阀24，打开第四节流阀25，冷凝水经冷凝水三路管道L09和冷凝水四路管道L10分别流向多级压缩间冷换热器38和再生塔顶部冷却器31。
所述CO2捕获单元2的工资流程为锅炉尾部排烟经脱硫装置26、增压风机27进入吸收塔28的底部入口，与吸收塔28顶部的输入MEA溶液反应，吸收塔28的底部经富液泵33、贫富液换热器34后连接至解析塔29的入口，解析塔29顶部出口经再生塔顶部冷却器31、分离器32后连接至CO2多级压缩单元37；解析塔29底部则与再沸器35连接，再沸器35的出口经贫液泵36、贫富液换热器34、贫液冷却器30后连接至吸收塔28的顶部入口；再沸器35的入口与汽轮机 发电单元1的换热器23热流出口连接，再沸器35的出口贫液经贫液泵36、贫富液换热器34、贫液冷却器30后从吸收塔28的顶部入口进入，脱除CO2后的净烟气从吸收塔28的顶部排烟口排出。
所述CO2捕获单元2工作流程中，再生塔顶部冷却器31所释放的26‐110℃的热量用来加热电厂近一半的冷凝水，加热后的冷凝水与来自再沸器35的放热后工质混合，经换热器23继续加热后沿回热管道L08进入第一级低温回热器19；而CO2捕获单元2中的CO2多级压缩单元37所释放的26‐160℃的热量用来加热电厂剩余冷凝水。如此热集成，替代电厂原汽轮机发电单元1中的第二级低温回热器20、第三级低温回热器21和第四级低温回热器22三级低温回热器的回热加热所需的热量。
上述MEA(monoethanolamine):为乙醇胺，常用作酸性气体如二氧化碳的吸收剂，具有吸收速率快，价格廉价等特点，广泛应用于电力工业中二氧化碳的吸收。
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 (8)
1.一种基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站CO2脱除集成系统，其特征在于，该系统由汽轮机发电单元(1)和CO2捕获单元(2)组成；
在汽轮机发电单元(1)内，中压缸(5)的排汽分别与背压式低压缸(6)和凝汽式低压缸(7)连接，背压式低压缸(6)的排汽通过主蒸汽管道(L02)经第一节流阀(9)与换热器(23)连接，经第二节流阀(10)通过旁路管道(L03)与小汽机(11)连接；换热器(23)的冷流出口经回热管道(L08)连接至第一级低温回热器(19)；小汽机(11)排汽与凝汽器(12)连接，凝汽器(12)依次与第四级低温回热器(22)、第三级低温回热器(21)、第二级低温回热器(20)和第一级低温回热器(19)连接；凝汽器(12)的出口经管道(L07)分别连接至CO2捕获单元(2)的再生塔顶部冷却器(31)和多级压缩间冷换热器(38)的入口；凝汽器(12)的入口分别与凝汽式低压缸(7)、第四级低温回热器(22)和小透平(18)连接；锅炉(3)分别连接高压缸(4)和中压缸(5)；高压缸(4)、中压缸(5)、背压式低压缸(6)及凝汽式低压缸(7)和发电机(8)串联；锅炉(3)和高压缸(4)连接后和第二级高压加热器(14)连接，高压缸(4)连接第一级高压加热器(13)，中压缸(5)连接第三级高压加热器(15)，中压缸(5)连接小透平(18)；中压缸(5)经过除氧器(16)，输送泵(17)连接第三级高压加热器(15)；中压缸(5)的排汽连接第一级低温回热器(19)；
在CO2捕获单元(2)内，锅炉尾部排烟经脱硫装置(26)、增压风机(27)后连接至CO2吸收塔(28)的底部入口，吸收塔(28)的底部经富液泵(33)、贫富液换热器(34)后连接至解析塔(29)的入口，解析塔(29)顶部出口经再生塔顶部冷却器(31)、分离器(32)后连接至CO2多级压缩单元(37)；解析塔(29)底部则与再沸器(35)连接，再沸器(35)的出口经贫液泵(36)、贫富液换热器(34)、贫液冷却器(30)后连接至吸收塔(28)的顶部入口；再沸器(35)的入口与汽轮机发电单元(1)的换热器(23)热流出口连接，再沸器(35)的出口经热流管道(L11)与再生塔顶部冷却器(31)的出口经冷却管道(L13)汇合后连接至换热器(23)的冷流入口，多级压缩间冷换热器(38)的出口与第一级低温回热器(19)的冷流入口连接。
2.根据权利要求1所述基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站CO2脱除集成系统，其特征在于，所述背压式低压缸的排汽管道由并联的主蒸汽管道(L02)与旁路管道(L03)组成，脱碳系统正常工作时，将背压式低压缸(6)的排汽通入主蒸汽管道(L02)中，排汽经过第一节流阀(9)进入换热器(23)，加热凝结水后，将蒸汽通入再沸器(35)，为吸收剂在解析塔中的再生过程提供热量；当脱碳系统不工作时，背压式低压缸(6)的排汽经第二节流阀(10)通过旁路管道(L03)将排汽分别引入小汽机(11)中做功和供应第二级低温回热器(20)所需蒸汽，从而使机组获得更大的输出功，提高机组的热效率，小汽机排汽直接排入凝汽器(12)中。
3.根据权利要求1所述基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站CO2脱除集成系统，其特征在于，所述背压式低压缸(6)和凝汽式低压缸(7)组成汽轮机发电单元(1)的汽轮机低压缸，用来代替常规电厂的双凝汽式结构，从中压缸排出的蒸汽平均分配到两个低压缸，从而使额外功率损失达到最小，以便使机组维持较高的出功率，背压式低压缸排汽参数为2.5-4.5bar，略高于加热再沸器所需的蒸汽参数，以消除管道内功率损失的影响。
4.根据权利要求1所述基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站CO2脱除集成系统，其特征在于，所述主蒸汽管道(L02)和旁路管道(L03)分别加装有第一节流阀(9)、第二节流阀(10)；脱碳工况时，打开第一节流阀(9)、关闭第二节流阀(10)；非脱碳工况时，打开第二节流阀(10)、关闭第一节流阀(9)，从而达到改变蒸汽走向的目的。
5.根据权利要求1所述基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站CO2脱除集成系统，其特征在于，所述的小汽机(11)中有两段抽汽，分别经管道通向第三级低温回热器(21)和第四级低温回热器(22)的热流入口处，从而用来加热CO2捕集单元(2)不运行时的冷凝水，小汽机(11)输出功主要用于厂内附加用电。
6.根据权利要求1所述基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站CO2脱除集成系统，其特征在于，所述的凝汽器(12)出口冷凝水管道(L05)分别通过第三节流阀(24)和第四节流阀(25)分成冷凝水一路管道(L06)与冷凝水二路管道(L07)两路；当CO2捕集单元(2)不运行时，关闭第四节流阀(25)打开第三节流阀(24)，冷凝水经冷凝水一路管道(L06)依次流入第四级低温回热器(22)、第三级低温回热器(21)、第二级低温回热器(20)和第一级低温回热器(19)；当CO2捕集单元(2)运行时，关闭第三节流阀(24)，打开第四节流阀(25)，冷凝水经冷凝水三路管道(L09)和冷凝水四路管道(L10)分别流向多级压缩间冷换热器(38)和再生塔顶部冷却器(31)。
7.根据权利要求1所述基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站CO2脱除集成系统，其特征在于，所述CO2捕获单元(2)的工作流程为锅炉尾部排烟经脱硫装置(26)、增压风机(27)进入吸收塔(28)的底部入口，与吸收塔(28)顶部的输入MEA溶液反应，吸收CO2后，富液由吸收塔(28)底部排出，经富液泵(33)、贫富液换热器(34)后进入解析塔(29)，解析塔(29)顶部排出的CO2经再生塔顶部冷却器(31)、分离器(32)后，进入CO2多级压缩单元(37)；再沸器(35)提供CO2解析过程的热需求，再沸器(35)的出口贫液经贫液泵(36)、贫富液换热器(34)、贫液冷却器(30)后从吸收塔(28)的顶部入口进入，脱除CO2后的净烟气从吸收塔(28)的顶部排烟口排出。
8.根据权利要求1所述基于单缸背压式汽轮机的燃煤电站CO2脱除集成系统，其特征在于，所述CO2捕获单元(2)的再生塔顶部冷却器(31)所释放的26-110℃的热量用来加热电厂近一半的冷凝水，加热后的冷凝水与来自再沸器(35)的放热后工质混合，经换热器(23)继续加热后沿回热管道(L08)进入第一级低温回热器(19)；而CO2捕获单元(2)中的CO2多级压缩单元(37)所释放的26-160℃的热量用来加热电厂剩余冷凝水；如此热集成，替代电厂原汽轮机发电单元(1)中的第二级低温回热器(20)、第三级低温回热器(21)和第四级低温回热器(22)三级低温回热器的回热加热所需的热量。
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