CN104033250B - 一体化富氧燃烧动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一体化富氧燃烧动力系统，该系统包括用于燃烧煤粉的富氧燃烧锅炉，所述富氧燃烧锅炉中增设了高温受热面，所述高温受热面用于加热驱动燃气轮机的压缩空气，所述富氧燃烧锅炉与气-气换热器联通，接收气-气换热器输出的加热后的氧气和压缩空气，并向所述气-气换热器输出烟气，并且所述富氧燃烧锅炉的高温受热面联通燃气轮机，输出经所述富氧燃烧锅炉的高温受热面加热后的压缩空气驱动所述燃气轮机做功，所述燃气轮机驱动压气机与CO2压缩机，燃气轮机排出的高温乏气送入最高一级广义回热加热器用于进一步加热锅炉给水。本发明实施例提供的一体化富氧燃烧动力系统，可实现富氧燃烧动力系统的安全、环保、经济运行。

Description

一体化富氧燃烧动力系统
技术领域
本发明涉及动力领域，具体涉及到一种一体化的富氧燃烧动力系统。
背景技术
富氧燃烧动力系统与常规空气燃烧系统相比，锅炉烟气的主要成分是CO2和H2O，其中CO2的质量浓度达90％以上，不必分离可直接压缩液化回收处理，从而显著降低CO2的捕集能耗。但由于增加了能耗很大的空分制氧系统，使富氧燃烧动力系统的净效率较常规空气燃烧系统降低约10％，系统的投资成本也会相应增加30-40％。空分系统中，压气机能耗又占到系统能耗的90％以上。据研究采用电机拖动空分压缩机的厂用电率为20％左右，电机拖动CO2压缩机的厂用电率为8％左右。
富氧燃烧锅炉为控制炉内燃烧温度，通常采用70-80％的大量的烟气进行再循环，使富氧燃烧锅炉烟气热能未被充分利用，同时烟气再循环风机的使用也增加了厂用电。
发明内容
本发明的目的是提供一种一体化富氧燃烧动力系统，以实现在不需要提供给燃气轮机额外燃料的情况下，降低富氧燃烧动力系统的能耗，完成CO2减排。
为实现上述目的，本发明提供了一种一体化富氧燃烧动力系统，该系统包括用于燃烧煤粉的富氧燃烧锅炉，该富氧燃烧锅炉具有用于加热压缩空气的高温受热面，所述富氧燃烧锅炉与气-气换热器联通，接收气-气换热器输出的加热后的氧气和压缩空气，并向所述气-气换热器输出烟气，并且所述高温受热面联通燃气轮机，输出经加热后的压缩空气驱动所述燃气轮机做功；所述富氧燃烧锅炉还与蒸汽透平联通，将外部给水加热后生成的过热蒸汽输出给所述蒸汽透平；
用于通过对空气加压生成压缩空气的压气机与所述气-气换热器联通以向其输出压缩空气；该压气机向联通的空分装置输送压缩空气，所述空分装置对压缩空气加工后，输出氧气到与所述空分装置联通的所述气-气换热器；
所述燃气轮机驱动所述压气机以及CO2压缩机，所述CO2压缩机与所述气-气换热器联通，将所述气-气换热器放热后的烟气中的CO2压缩液化。
依照本发明较佳实施例所述的一体化富氧燃烧系统，其中，所述蒸汽透平由所述富氧燃烧锅炉输出的过热蒸汽膨胀驱动做功，所述蒸汽透平连接凝汽器，所述凝汽器将膨胀驱动做功后的排汽冷凝成凝结水，输出给凝结水泵，所述凝结水泵将所述凝结水升压后，输出给回热加热器组；所述回热加热器组将所述凝结水逐级加热后输出给一给水加热器，所述给水加热器由所述燃气轮机输出的高温乏气加热给水后输出给所述富氧燃烧锅炉。
依照本发明较佳实施例所述的一体化富氧燃烧动力系统，其中，所述空分装置的进口与所述压气机的出口流体导通，所述空分装置的出口与所述气-气换热器的入口流体导通。
依照本发明较佳实施例所述的一体化富氧燃烧动力系统，其中，所述气-气换热器的热侧进口与所述富氧燃烧锅炉的出口流体导通，所述气-气换热器的热侧出口连接所述CO2压缩机，所述气-气换热器的冷侧进口分别与空分装置的出口流体和所述压气机的出口流体导通，所述气-气换热器的冷侧出口对应与所述富氧燃烧锅炉的入口流体与所述富氧燃烧锅炉高温受热面的入口流体导通。
依照本发明较佳实施例所述的一体化富氧燃烧动力系统，其中，所述富氧燃烧锅炉的空气侧与所述气-气换热器的出口流体导通，所述富氧燃烧锅炉的工质进口与所述给水加热器的出口流体导通，所述富氧燃烧锅炉的工质出口与所述蒸汽透平的入口流体导通。
依照本发明较佳实施例所述的一体化富氧燃烧动力系统，其中，所述燃气轮机的进口与所述富氧燃烧锅炉的高温受热面的出口流体导通，所述燃气轮机的出口与所述给水加热器的热侧入口流体导通。
依照本发明较佳实施例所述的一体化富氧燃烧动力系统，其中，所述CO2压缩机的进口与所述气-气换热器的热侧出口流体导通，所述CO2压缩机的出口连接外部CO2输送系统。
依照本发明较佳实施例所述的一体化富氧燃烧动力系统，其中，所述给水加热器的热侧进口与所述燃气轮机的出口流体导通，所述给水加热器的热侧出口连接大气，所述给水加热器的冷侧进口与所述回热加热器组的出口流体导通，所述给水加热器的冷侧出口与所述富氧燃烧锅炉的入口流体导通。
依照本发明较佳实施例所述的一体化富氧燃烧动力系统，其中，所述回热加热器组包含多级低压回热加热器、除氧器、高压回热加热器。
本发明实施例提供的一体化富氧燃烧动力系统，通过将富氧燃烧锅炉烟气热的利用与驱动空分压缩机、CO2压缩机相结合，利用富氧燃烧锅炉烟气加热后的高温空气作为燃气轮机的工质，采用燃气轮机驱动空分压缩机、CO2压缩机，可以实现富氧燃烧锅炉炉内燃烧温度的控制以及烟气高品位热能的充分利用。从而达到降低能耗，提高系统净效率的目的，并且本发明实施例中该燃气轮机不需额外消耗燃料；燃气轮机的高温乏气还可用于加热给水，提高循环效率；可实现富氧燃烧动力系统的安全、环保、经济运行。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一体化富氧燃烧动力系统的架构图；
图2为本发明实施例提供的一体化富氧燃烧动力系统的工质处理状态参考图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例的核心思想是将富氧燃烧锅炉烟气热的利用与驱动空分压缩机、CO2压缩机相结合，利用富氧燃烧锅炉烟气加热后的高温空气作为燃气轮机的工质，采用燃气轮机驱动空分压缩机、CO2压缩机，从而实现富氧燃烧锅炉炉内燃烧温度的控制；烟气高品位热能的充分利用，达到降低厂用电率提高系统净效率的效果；并且使得燃气轮机不需额外消耗燃料；燃气轮机的高温乏气还可用于加热给水，提高循环效率；最终实现富氧燃烧动力系统的安全、环保、经济运行。
如图1所示，本发明实施例提供了一种一体化富氧燃烧动力系统，图1是该系统的架构图，由图1可见，所述一体化富氧燃烧动力系统包括用于燃烧煤粉的富氧燃烧锅炉4，该富氧燃烧锅炉4具有高温受热面5，该高温受热面用于加热压缩空气；所述富氧燃烧锅炉4与气-气换热器3联通，接收气-气换热器3输出的加热后的氧气和和压缩空气，并向所述气-气换热器3输出烟气，并且所述富氧燃烧锅炉4的高温受热面5联通燃气轮机6，输出经过加热后的压缩空气驱动所述燃气轮机6做功；所述富氧燃烧锅炉4还与蒸汽透平8联通，将外部给水加热后生成的过热蒸汽输出给所述蒸汽透平8；
用于通过对空气加压生成压缩空气的压气机1与所述气-气换热器3联通以向其输出压缩空气；该压气机1向联通的空分装置2输送压缩空气，所述空分装置2对压缩空气加工后，输出氧气到与所述空分装置2联通的所述气-气换热器3；
所述燃气轮机6驱动所述压气机1以及CO2压缩机7，所述CO2压缩机7与所述气-气换热器3联通，将所述气-气换热器3放热后的烟气中的CO2压缩液化。
进一步地，所述蒸汽透平8由所述富氧燃烧锅炉4输出的过热蒸汽膨胀驱动做功，所述蒸汽透平8连接凝汽器9，所述凝汽器9将膨胀驱动做功后的排汽冷凝后输出凝结水给凝结水泵10，所述凝结水泵10将所述凝结水升压后，输出给回热加热器组11；所述回热加热器组11将所述凝结水逐级加热后输出给水加热器12，所述给水加热器12由所述燃气轮机6输出的高温乏气加热给水后输出给所述富氧燃烧锅炉4。
更具体而言，所述富氧燃烧锅炉4的高温受热面5利用流过炉膛的高温烟气将预热后的压缩空气20进一步加热，锅炉加热后的压缩空气21输出给燃气轮机6；高温受热面5加热压缩空气以达到满足驱动空分与CO2压缩的燃气轮机的进口工质温度，以实现不需额外提供燃料给燃气轮机；高温受热面可部分替代现有技术的富氧燃烧锅炉为降低炉温采用的烟气再循环。
所述空分装置2的进口与所述压气机3的出口流体导通，所述空分装置2的出口与所述气-气换热器3的入口流体导通。
所述气-气换热器3的热侧进口与所述富氧燃烧锅炉4的出口流体导通，所述气-气换热器3的热侧出口连接所述CO2压缩机7，所述气-气换热器3的冷侧进口分别与空分装置2的出口流体和所述压气机1的出口流体导通，所述气-气换热器3的冷侧出口对应与所述富氧燃烧锅炉4的入口流体与所述富氧燃烧锅炉4的高温受热面5的入口流体导通。
所述富氧燃烧锅炉4的空气侧与所述气-气换热器3的出口流体导通，所述富氧燃烧锅炉4的工质进口与所述给水加热器12的出口流体导通，所述富氧燃烧锅炉4的工质出口与所述蒸汽透平8的入口流体导通。
所述燃气轮机6的进口与所述富氧燃烧锅炉4的高温受热面5的出口流体导通，所述燃气轮机6的出口与所述给水加热器12的热侧入口流体导通。
所述CO2压缩机7的进口与所述气-气换热器3的热侧出口流体导通，所述CO2压缩机7的出口连接外部CO2输送系统。
所述给水加热器12的热侧进口与燃气轮机6的出口流体导通，所述给水加热器12的热侧出口连接大气，所述给水加热器12的冷侧进口与所述回热加热器组11的出口流体导通，所述给水加热器12的冷侧出口与所述富氧燃烧锅炉4的入口流体导通。
进一步参考图2，对本发明提供的富氧燃烧动力系统的工作原理作出进一步阐述。如图2可见，压气机1将空气14升压得到压缩空气，升压后的压缩空气15分成两部分，其中部分压缩空气16输出给空分装置2，另一部分压缩空气17输出给气-气换热器3；空分装置2将压缩空气16经预冷、纯化、膨胀降温、精馏等环节，得到氧气18，输出给气-气换热器3。
气-气换热器3利用富氧燃烧锅炉4排出的烟气23加热压缩空气17和氧气18，升温后的氧气19输出给富氧燃烧锅炉4，预热后的压缩空气20输入富氧燃烧锅炉4的高温受热面5，放热后的烟气24输出给CO2压缩机7。
富氧燃烧锅炉4将升温后的氧气19与煤粉22燃烧，得到主要组分是CO2和H2O的烟气，流经锅炉受热面后的烟气23中CO2的质量浓度可达90％以上，富氧燃烧锅炉4同时将给水加热器12输出的给水25加热为过热蒸汽26，输出给蒸汽透平8；富氧燃烧锅炉4的高温受热面5利用流过炉膛的高温烟气将预热后的压缩空气20进一步加热，锅炉加热后的压缩空气21输出给燃气轮机6。
燃气轮机6用锅炉加热后的压缩空气21膨胀做功，驱动压气机1和CO2压缩机7，膨胀做功后的高温乏气27输出到给水加热器12；给水加热器12，利用燃气轮机高温乏气27加热锅炉给水32，升温后的给水25输入富氧燃烧锅炉4，将放热后的燃气轮机乏气33输出给大气。CO2压缩机7将放热后的烟气24中的CO2压缩液化，得到液态二氧化碳28，输出至CO2输送系统。
蒸汽透平8利用富氧燃烧锅炉4产生的过热蒸汽26膨胀做功；凝汽器9将蒸汽透平排汽29冷凝成凝结水30，输出给凝结水泵10；经凝结水泵10升压得到凝结水31，输出给回热加热器组11；回热加热器组11，包含多级低压回热加热器、除氧器、高压回热加热器，逐级加热凝结水31至给水32，输出至给水加热器12；外部的发电机13与蒸汽透平8连接，将蒸汽透平8产生的机械功转化为电能输出。
本发明实施例提供的一体化富氧燃烧动力系统可实现富氧燃烧动力系统的安全、环保、经济运行。以30万千瓦机组为例，采用该系统，与采用电机驱动空分压缩机与CO2压缩机的富氧燃烧电站相比，系统供电效率可提高2％左右；按年运行时数为5500小时计，对应年节约标准煤62768吨；按标准煤每吨600元计，年可节约燃料费约3766万元；相应还可年减排CO2量为174966吨。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种一体化富氧燃烧动力系统，其特征在于，包括用于燃烧煤粉的富氧燃烧锅炉，该富氧燃烧锅炉具有用于加热压缩空气的高温受热面，所述富氧燃烧锅炉与气-气换热器联通，接收气-气换热器输出的加热后的氧气和压缩空气，并向所述气-气换热器输出烟气，并且所述高温受热面联通燃气轮机，输出经加热后的压缩空气驱动所述燃气轮机做功；所述富氧燃烧锅炉还与蒸汽透平联通，将外部给水加热后生成的过热蒸汽输出给所述蒸汽透平；
用于通过对空气加压生成压缩空气的压气机与所述气-气换热器联通以向其输出压缩空气；该压气机向联通的空分装置输送压缩空气，所述空分装置对压缩空气加工后，输出氧气到与所述空分装置联通的所述气-气换热器；
所述燃气轮机驱动所述压气机以及CO2压缩机，所述CO2压缩机与所述气-气换热器联通，将所述气-气换热器放热后的烟气中的CO2压缩液化。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蒸汽透平由所述富氧燃烧锅炉输出的过热蒸汽膨胀驱动做功，所述蒸汽透平连接凝汽器，所述凝汽器将膨胀驱动做功后的排汽冷凝成凝结水，输出给凝结水泵，所述凝结水泵将所述凝结水升压后，输出给回热加热器组；所述回热加热器组将所述凝结水逐级加热后输出给一给水加热器，所述给水加热器由所述燃气轮机输出的高温乏气加热给水后输出给所述富氧燃烧锅炉。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空分装置的进口与所述压气机的出口流体导通，所述空分装置的出口与所述气-气换热器的入口流体导通。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气-气换热器的热侧进口与所述富氧燃烧锅炉的出口流体导通，所述气-气换热器的热侧出口连接所述CO2压缩机，所述气-气换热器的冷侧进口分别与空分装置的出口流体和所述压气机的出口流体导通，所述气-气换热器的冷侧出口对应与所述富氧燃烧锅炉的入口流体与所述富氧燃烧锅炉高温受热面的入口流体导通。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述富氧燃烧锅炉的空气侧与所述气-气换热器的出口流体导通，所述富氧燃烧锅炉的工质进口与所述给水加热器的出口流体导通，所述富氧燃烧锅炉的工质出口与所述蒸汽透平的入口流体导通。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃气轮机的进口与所述富氧燃烧锅炉的高温受热面的出口流体导通，所述燃气轮机的出口与所述给水加热器的热侧入口流体导通。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述CO2压缩机的进口与所述气-气换热器的热侧出口流体导通，所述CO2压缩机的出口连接外部CO2输送系统。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述给水加热器的热侧进口与所述燃气轮机的出口流体导通，所述给水加热器的热侧出口连接大气，所述给水加热器的冷侧进口与所述回热加热器组的出口流体导通，所述给水加热器的冷侧出口与所述富氧燃烧锅炉的入口流体导通。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述回热加热器组包含多级低压回热加热器、除氧器、高压回热加热器。
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