CN103912385B - 集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集co2的igcc系统 - Google Patents

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本发明属于富氧燃烧法捕集CO2的整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术领域，特别涉及一种集成氧离子传输膜（OTM）富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统。本发明以采用深冷空分的富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统为基础，集成氧离子传输膜单元、煤气化单元、净化单元、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机单元以及CO2回收单元，组成CO2零排放系统，采用OTM单元对空气进行分离，得到的纯氧与二氧化碳混合后送入燃气轮机的燃烧室供净化后的煤气燃烧。本发明解决了传统富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统低效率的问题，实现低能耗回收CO2并保持系统的高效性。

Description

集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统
技术领域
本发明属于富氧燃烧法捕集CO2的IGCC发电技术领域，特别涉及一种集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统。
背景技术
目前，由于动力系统CO2排放导致的温室效应越来越严重，因而CO2的捕获、封存以及利用成为目前国内外研究的热点。当前捕获CO2的方法主要有燃烧前捕集、富氧燃烧法和燃烧后捕集，其中只有富氧燃烧法能够做到真正的CO2的零排放。IGCC电站（Integrated Gasification Combined Cycle，即整体煤气化联合循环）被誉为世界上最洁净的燃煤电站，富氧燃烧法是指用O2/CO2的混合物代替空气作为氧化剂，与经过气化、净化的煤气一同在燃烧室中进行燃烧，其燃烧产物主要为H2O和CO2，可直接进行分离，大幅度降低了CO2捕集过程中的能耗。在富氧燃烧系统中，由于氧气的需求量较大，空分单元的能耗大幅度增加，最终导致系统效率下降。OTM（Oxygen ion Transfer Membrane，即氧离子传输膜）作为一种新型的低能耗空分技术，对降低IGCC电站的发电成本和提高系统效率具有重要意义。本发明提出集成OTM富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统方案，降低了空气分离单元的能耗，在实现CO2零排放的同时尽可能提高系统效率。
发明内容
本发明提供了一种集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统，以采用深冷空分技术的富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统为基础，提出集成方案：集成氧离子传输膜（OTM）、煤气化单元、净化单元、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机单元以及CO2回收单元，组成CO2零排放IGCC系统，以解决传统富氧燃 烧法捕集CO2的IGCC系统低效率的问题，实现低能耗回收CO2并保持系统的高效性。
本发明采用的技术方案为：
空气压缩机依次与第一换热器、第二换热器、第三换热器串联后接入OTM单元的原料侧；OTM单元的原料侧出口与膨胀机串联后接入余热锅炉进行余热回收；OTM单元的渗透侧出口与第二换热器、第四换热器串联后分为两路，分别接入第一氧气压缩机和第二氧气压缩机的入口端；
第二氧气压缩机依次与煤气化单元、煤气冷却器、除尘单元、酸气脱除单元串联后接入燃气轮机的燃烧室；第一氧气压缩机的出口端接入燃气轮机的燃烧室；燃气轮机的燃烧室的出口端与燃气透平串联后接入余热锅炉；
余热锅炉经过余热回收后的贫氧空气直接排入大气，余热锅炉的烟气出口与冷凝器连接，余热锅炉的烟气送入冷凝器冷却分离出水后，得到的干燥高纯度的CO2分为两路，一路进入压缩液化单元压缩液化成为液态二氧化碳进行储存，另一路接入二氧化碳压缩机后分别送入燃气轮机的燃烧室和燃气透平。
所述余热锅炉的一个出口与汽轮机连接，汽轮机的出口再依次与凝汽器、水泵连接，并接回余热锅炉；凝汽器出口的给水经水泵加压后进入余热锅炉，成为高温高压的蒸汽进入汽轮机做功，汽轮机出口的排汽依次通过凝汽器、水泵进行再循环。
所述OTM单元包括原料侧和渗透侧，由氧离子传输膜分隔；OTM单元原料侧进气为高温高压空气，出口为贫氧空气；渗透侧出口为纯氧；氧离子传输膜为只能渗透氧气的致密、选择性渗透膜，以达到分离提取纯氧的效果；OTM单元的工作温度为700℃-1000℃。
所述氧离子传输膜的膜两侧氧气压力差是OTM单元分离氧气的驱动力，原 料侧的进气的氧气分压力要高于渗透侧的氧气压力。
所述燃气透平与第一发电机连接，并驱动其发电。
所述汽轮机与第二发电机连接，并驱动其发电。
本发明的有益效果为：
本发明系统通过OTM对空气进行分离，得到的纯氧与二氧化碳混合后送入燃气轮机的燃烧室供净化后的煤气燃烧，燃烧产物的主要成分是CO2和H2O，避免了空气中大量的N2对CO2的掺混，便于分离，使捕集CO2的总能耗降低。一方面，OTM原料侧出口的高温高压贫氧空气可经透平膨胀做功后送入余热锅炉回收热量，进一步回收了功和热，系统的效率惩罚得到一定的补偿。另一方面，在基准系统中，煤气冷却器的冷却热量用于加热高压给水，此过程中由于温差导致的火用损较大，而在集成OTM的富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统中，煤气冷却器的热量用于加热高温空气，大大降低了热量传递过程中的火用损。
附图说明
图1为采用深冷空分的富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统流程示意图，为基准系统。
图2为本发明所述集成OTM采用富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统流程示意图。
图3为本发明所述集成OTM采用富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统中OTM单元的流程图（图2中标号18-OTM单元）。OTM产氧系统的具体结构为：原料侧，渗透侧。OTM单元原料侧进气为空气，出口为贫氧空气；渗透侧出口为氧气。
图中标号：1-煤气化单元；2-煤气冷却器；3-除尘单元；4-酸气脱除单元；5-二氧化碳压缩机；6-燃烧室；7-燃气透平；8-余热锅炉；9-冷凝器；10-二氧化 碳压缩液化单元；11-深冷空分单元；12-第一发电机；13-第二发电机；14-空气压缩机；15-第一换热器；16-第二换热器；17-第三换热器；18-OTM单元；19-第四换热器；20-第一氧气压缩机；21-第二氧气压缩机；22-膨胀机；23-凝汽器；24-水泵；25-汽轮机。
具体实施方式
本发明提供了一种集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统，下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
基准系统流程图如图1所示：空气在经过深冷空分单元11分离后，分离出的氧气分为两路，一路直接进入燃气轮机的燃烧室6，一路与水、煤混合后进入煤气化单元1，并依次经过煤气冷却器2、除尘单元3、酸气脱除单元4后，合成的净煤气进入燃气轮机的燃烧室6燃烧，燃烧排气经过燃气透平7膨胀驱动第一发电机12发电，再通过余热锅炉8产生蒸汽驱动汽轮机25做功，由第二发电机13输出。汽轮机25出口的排汽经过凝汽器成为凝结水，并通过水泵加压后进行再循环。低温的燃烧排气经冷凝器9冷却分离出水，得到干燥高纯度的CO2气体分为两路。一路经压缩液化单元10进行压缩液化后储存；为了对燃气透平的叶片进行冷却，并防止燃气轮机的燃烧室温度过高，一路经压缩机5压缩后进入燃气透平7和燃烧室6。其中煤气冷却器2的冷却热量用于加热余热锅炉的高压给水。
本发明对基准系统进行改造，组成了新系统，流程图如图2所示。集成OTM采用富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统对基准系统的改进在于：空气依次流经空气压缩机14，第一换热器15、第二换热器16、第三换热器17后进入OTM单元18的原料侧；OTM单元18的渗透侧出口的氧气依次通过第二换热器16、第四换热器19后分为两路，一路经第一氧气压缩机20压缩后进入燃烧室6，一路经 第二氧气压缩机21压缩后与水、煤共同进入煤气化单元进行气化，混合气依次经过煤气冷却器2、除尘单元3、酸气脱除单元4后成为净煤气，进入燃烧室6。燃气轮机的燃烧室6出口的烟气进入燃气透平7做功并驱动第一发电机12发电后送入余热锅炉8生产蒸汽推动汽轮机25做功，由第二发电机13发电输出。汽轮机25出口的排汽经过凝汽器成为凝结水，并通过水泵加压后再循环。此后系统燃烧排气经冷凝器9析出水，得到干燥高纯度的CO2气体分为两路。一路经压缩液化单元10进行压缩液化后储存；为了对燃气透平的叶片进行冷却，并防止燃气轮机的燃烧室温度过高，一路经压缩机5压缩后进入燃气透平7和燃烧室6。OTM单元18的原料侧出口的贫氧空气经膨胀机22膨胀做功后进入余热锅炉8进行余热回收，最后排入大气中。其中，将空气加热到OTM工作温度的第一换热器15、第三换热器17所需的热量分别来自于煤气冷却器2的冷却热量Q1、燃烧室6的热量Q2。
本发明中OTM单元18流程图如图3所示，OTM单元18原料侧进气为高温高压空气，出口为渗透氧气后剩余的高温高压的贫氧空气；渗透侧出口为高温低压的纯氧。
下面结合算例，对本发明的效果做一下说明。
系统初始条件：
基准系统和集成OTM的采用富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统基于相同的假设和相同的参数值。系统假设及条件见下表1。燃料煤的元素分析：C64.54%，H4.55%，O6.97%，N1.27%，S2.54%，Cl0.30%，灰分10.01%，水分9.82%。煤的低位热值为29363kJ/kg。
表1系统初始条件
计算结果如表2所示：
表2计算结果比较
由表2可知，基准系统的效率为32.96%，集成OTM的富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统效率为34.84%。比较可知集成OTM的富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统效率较相同条件下的基准系统效率提高了1.88个百分点，显示出本发明系统达到了预期的有益效果。

Claims (4)

1.集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统，其特征在于：
空气压缩机(14)依次与第一换热器(15)、第二换热器(16)、第三换热器(17)串联后接入OTM单元(18)的原料侧；OTM单元(18)的原料侧出口与膨胀机(22)串联后接入余热锅炉(8)；OTM单元(18)的渗透侧出口与第二换热器(16)、第四换热器(19)串联后分为两路，分别接入第一氧气压缩机(20)和第二氧气压缩机(21)的入口端；
第二氧气压缩机(21)依次与煤气化单元(1)、煤气冷却器(2)、除尘单元(3)、酸气脱除单元(4)串联后接入燃气轮机的燃烧室(6)；第一氧气压缩机(20)的出口端接入燃气轮机的燃烧室(6)；燃气轮机的燃烧室(6)的出口端与燃气透平(7)串联后接入余热锅炉(8)；
余热锅炉(8)的烟气出口与冷凝器(9)连接，余热锅炉(8)的烟气送入冷凝器(9)冷却分离出水后，得到的干燥高纯度的CO2分为两路，一路与压缩液化单元(10)连接，另一路与二氧化碳压缩机(5)连接后再分别与燃气轮机的燃烧室(6)和燃气透平(7)连接；
将空气加热到OTM工作温度的第一换热器(15)、第三换热器(17)所需的热量分别来自于煤气冷却器(2)的冷却热量Q1、燃烧室(6)的热量Q2；
所述OTM单元(18)原料侧进气为高温高压空气，出口为渗透氧气后剩余的高温高压的贫氧空气；渗透侧出口为高温低压的纯氧；
所述余热锅炉(8)的一个出口与汽轮机(25)连接，汽轮机(25)的出口再依次与凝汽器(23)、水泵(24)连接，并接至余热锅炉(8)的一个入口。
2.根据权利要求1所述的集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统，其特征在于：所述OTM单元(18)包括原料侧和渗透侧，由氧离子传输膜分隔；氧离子传输膜为只能渗透氧气的致密、选择性渗透膜。
3.根据权利要求1所述的集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统，其特征在于：所述燃气透平(7)与第一发电机(12)连接，并驱动其发电。
4.根据权利要求1所述的集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统，其特征在于：所述汽轮机(25)与第二发电机(13)连接，并驱动其发电。
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