CN104613654B - 一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与co2捕集的集成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统，主要由燃煤热发电子系统、化学吸收法CO2捕集子系统、组合式太阳能集热子系统以及多种换热器所组成。各子系统之间主要通过换热器及相关管路与阀门进行连接与切换。根据中低温太阳能集热器的最佳集热温度实现不同的组合形式，同时对组合式太阳能集热子系统的热量输出端采用不同的连接方式，将太阳能集热与发电子系统及CO2捕集子系统之间相关部件的能量需求品位的高低进行了合理的分配集成，实现了能量的梯级利用，可大幅降低从电厂汽轮机中抽蒸汽的能耗，在维持电厂稳定性的同时实现可再生能源利用、电厂能效提高与CO2减排等多重功效，推动太阳能与烟气捕集集成技术的大规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能辅助电厂给水加热与CO2捕集集成技术，具体涉及一种组合式中低温太阳能集热系统辅助电厂回热及烟气中CO2捕集的集成系统及其方法，利用太阳能同时提供电厂不同位置的给水预热以及CO2捕集系统的能量补偿，在实现中低温太阳能集热器的组合集热的同时，充分实现了能量的梯级利用，有效地降低了抽汽过程中产生的不可逆损失，弥补了抽汽用于CO2捕集对电厂的影响。
背景技术
目前，中国电力结构中燃煤火力发电仍占据着主导地位，虽然技术较为成熟，但需要消耗大量的化石燃料，能源利用效率低，CO2排放量大，对气候变化带来巨大的影响。
燃煤电厂CO2捕集作为一种短期内可实现大量CO2排放的可行技术，将在削减温室气体排放中发挥重要作用，同时为可再生能源的发展及其替代传统能源提供了过渡时间。
针对燃煤电厂烟气中浓度低、流量大的CO2，最有前景的方法是使用能够选择性吸收CO2的溶剂进行化学吸收，其中乙醇胺(MEA)溶液由于吸收速率快、吸收效率高、技术成熟，已被应用于燃煤电厂CO2捕集，但溶液再生时需要消耗大量电厂蒸汽，引起电厂效率的下降，增加了捕集成本，成为制约CO2捕集技术大规模应用的主要因素。
太阳能作为一种可再生的清洁能源，其开发利用潜力十分巨大。将太阳能不同集热温度的太阳能集热器组合起来，并与电厂锅炉给水预热及CO2捕集系统相结合，利用太阳能集热产生各级给水预热与CO2捕集系统解吸所需温度的热能进行解吸，可大幅降低从电厂汽轮机中抽蒸汽的能耗，在维持电厂稳定性的同时实现可再生能源与电厂CO2减排的双重功效，有力推动我国太阳能与烟气捕集集成技术的大规模应用。
本发明相关发明人的专利，申请号为201410037906.0的发明专利申请中公开了一种太阳能辅助CO2捕集的集成系统，其主体方案是利用中高温集热辅助电厂锅炉高压给水加热及CO2捕集，其实施的方式要求太阳能集热器为中高温集热器。而本专利在利用太阳能辅助电厂高压给水加热及CO2捕集的同时，提出了辅助低压给水加热器的不同方案，引入了低温集热器与高温集热器相组合的概念，实现了低温集热器在电厂给水加热及CO2捕集上的应用。
发明内容
针对目前捕集系统的高能耗问题以及抽汽捕集造成的高品位蒸汽的不可逆损失，本发明提出一种梯级利用组合式太阳能集热辅助电厂给水加热及CO2捕集的集成系统，根据电厂给水加热器以及捕集系统的不同温度需求，实现太阳能与CO2捕集及电厂给水加热的不同集成连接关系，充分利用中低温太阳能集热来补偿传统捕集系统及电厂给水加热系统的 能耗需求，在实现太阳能梯级利用的同时，有效地降低电厂因抽蒸汽所带来的效率下降。
为了有效地解决上面的技术问题，本发明一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统，包括发电子系统、组合式太阳能集热子系统、CO2捕集子系统。
所述发电子系统为由给水换热器、锅炉、汽轮机以及乏汽凝汽器串联构成的常规具有一次再热燃煤发电系统，燃煤锅炉产生过热蒸汽依次进入汽轮机高压缸、中压缸和低压缸推动汽轮机做功，乏汽经过凝汽器冷凝之后，再依次经过四台低压给水加热器、除氧器和三台高压给水加热器后进入锅炉，完成汽水循环。所述发电子系统具有八级抽汽，供给给水加热器用于加热锅炉给水。
所述CO2捕集子系统包括吸收塔、富液泵、贫液冷凝器、贫/富液换热器、贫液泵、解吸塔、气液分离器和再沸器；所述发电子系统中锅炉的排烟经过烟气预处理后(包括脱硫脱硝及除尘)从吸收塔的下部进入吸收塔，在吸收塔中与化学吸收剂反应吸收CO2后，从吸收塔的顶部排出；吸收完CO2后的富液依次经过富液泵和贫/富液换热器换热后从解吸塔的上部喷淋入解吸塔进行解吸，解吸后的贫液再依次经过贫液泵、贫/富液换热器和贫液冷凝器后从吸收塔上部喷淋入吸收塔，从而构成整个烟气CO2捕集循环。所述解吸塔顶部的气体出口连接到所述气液分离器的底部，作为冷凝液的回流。
所述组合式太阳能集热子系统由中高温聚焦型太阳能集热器阵列及低温非聚焦型太阳能集热器阵列组成；所述中高温聚焦型太阳能集热器阵列包括若干单元集热器串并联组成，所述低温非聚焦型太阳能集热器由若干低温集热器串并联而成，中高温聚焦型太阳集热器与低温非聚焦型太阳能集热器之间具有多种组合方式；一种是串联组合形式：即集热工质依次经过低温非聚焦型太阳能集热器阵列与中高温聚焦型太阳能集热器阵列；一种是并联组合形式：即集热工质在入口处分成若干股进入由中高温太阳能集热器阵列与低温非聚焦型太阳能集热器阵列，集热器出口工质经过混合器进行混合；另外也可以是上面两种方式的组合。
所述高压给水换热器16用以取代一级高压给水加热器05、二级高压给水加热器06以及三级高压给水加热器07中的任意一级或全部；所述低压给水换热器15用以取代低压给水加热器10～13中的任意一级或多级。
本发明根据太阳能集热器集热温度的变化及不同集热器组合形式的变化提供了两种不同的耦合方式，即所述太阳能集热器子系统的热量输出端与所述高低压给水换热器及所述再沸器之间的连接关系包括下述两种情形之一：一种是：所述组合式太阳能集热子系统中的工质出口端与所述给水换热器的高温侧入口连接，所述给水换热器的高温侧出口与所述再沸器的高温侧入口相连，所述再沸器的高温侧出口与所述组合式太阳能集热子系统的工质入口端相连；这种连接方式可以将组合式太阳能集热子系统集热到200-350℃左右的中高温度，通过换热器加热电厂给水温度，换热之后再经过再沸器继续进行换热，以提供再沸器的热量，而再沸器所需热量的不足部分再通过抽取汽轮机低温低压的蒸汽来提供，这样构成太阳能加热循环，实现了能量品位的梯级利用，减少系统的不可逆损失；另一种是： 所述组合式太阳能集热子系统的工质出口端与所述再沸器的高温侧入口端连接，所述再沸器的高温侧出口与发电子系统中的低压给水加热器的热源端入口相连，出口则与所述组合式太阳能集热子系统的工质入口端相连，这种连接方式可以直接利用组合式太阳能集热子系统将太阳能集热器系列内的工质流体集热到再沸器所需的温度范围供给再沸器利用，同时将再沸器利用的余热作为低压给水加热器的能量供给，在简化系统的同时也可以充分利用结构更为简单，成本更加低廉的中低温集热器，充分利用了太阳能集热系统在低温下较高的集热效率，减少了工质流体在高温下的散热损失。上述两种连接方式均设计了从汽轮机抽汽的连接管路，这样可以在太阳能不足时利用抽汽提供热量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)将高温聚焦型太阳能集热器与低温非聚焦型太阳能集热器组合在一起，实现了低温集热器与高温集热器在不同温度范围下的合理利用，既避免了高温集热器在低温端的低经济性，又避免了低温集热器在高温端的低效率。
(2)系统具有多种耦合模式，可以根据太阳能集热温度以及集热量进行匹配及切换，运行方式灵活，最大程度地实现了太阳能的梯级利用。
附图说明
图1为本发明一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统实施例1的系统原理图及结构示意图；
图2为本发明一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统实施例2的系统原理图及结构示意图。
图3为本发明一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统组合式太阳能集热子系统并联组合原理图及结构示意图。
图4为本发明一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统组合式太阳能集热子系统串联组合原理图及结构示意图。
图5～7分别为本发明一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统高压给水换热器与低压给水换热器取代给水加热器组合原理图及结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
本发明一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统，如图1～4所示，包括发电子系统1、组合式太阳能集热子系统2和CO2捕集子系统3、高压给水换热器15和低压给水换热器16。
所述发电子系统1为由锅炉01、汽轮机02～04、给水加热器05～13以及乏汽冷凝器14构成的具有一次再热的燃煤发电系统。燃煤锅炉产生过热蒸汽依次进入汽轮机高压缸02、中压缸03和低压缸04进行做功，输出电力，乏汽经过冷凝器14冷凝后依次经过四个低压给水加热器10～13，除氧器09和三台高压给水加热器05～07后进入锅炉，完成汽水循环。
所述组合式太阳能集热子系统2中的集热器场由高温聚焦型集热器阵列21与低温非聚焦型集热器阵列22组合而成，两者都由若干集热器串联或并联组成集热阵列。进入组合式太阳能集热子系统2中的传热工质先进入低温非聚焦弄集热阵列22进行预热，然后进入聚焦型集热阵列21集热到出口所需温度。
所述CO2捕集子系统3包括吸收塔38、富液泵37、贫液冷凝器31、贫/富液换热器32、贫液泵33、解吸塔34、气液分离器35和再沸器36；所述发电子系统中锅炉3的排烟首先经过烟气预处理，包括脱硫脱硝以及除尘工艺，处理后的烟气将温度降低到30-50℃后连接到吸收塔38下部的气体入口进入塔内进行CO2捕集；所述贫液冷凝器31的出口与所述吸收塔38的上部液体喷淋入口相连；所述贫/富液换热器32分别与所述贫液泵33的出口、所述解吸塔34上部的富液喷淋入口、所述富液泵37的出口及所述贫液冷凝器31的入口相连；所述解吸塔34底部的入口分别与所述再沸器36的出口及所述贫液泵33的入口相连，所述解吸塔34顶部的气体出口连接到所述气液分离器35的底部，作为冷凝液的回流。CO2捕集子系统3中的再沸器36所需的热量由太阳能提供，当太阳能提供不足时则从发电子系统1中的中压缸03出口与低压缸入口04的连接管中抽取蒸汽提供再沸器热量。
本发明中，根据组合式太阳能集热子系统出口温度的不同，组合式太阳能集热子系统与发电子系统及CO2捕集子系统的连接方式有多种。
实施例1：
当组合式太阳能集热子系统2的集热温度超过电厂锅炉高压给水加热器出口温度时(大于300℃)，其连接关系是：如图1所示，所述组合式太阳能集热子系统2中中高温聚焦型太阳能集热器阵列21的工质出口端与发电子系统1中的高压给水换热器16的高温热源侧入口连接，利用中高温太阳能集热器吸收太阳能进行换热来代替高温高压抽汽给水加热，所述高压给水换热器16的高温热源侧出口再与所述CO2捕集系统3中的再沸器36的入口相连，其出口则与所述发电子系统1中的低压给水换热器15的热源端入口相连，低压给水换热器15的热源端出口再与组合式太阳能集热子系统2的工质入口端相连，从而构成太阳能集热循环。实施例1的连接方式可以将经过组合式太阳能集热子系统中的工质集热到200-300℃左右的中高温度，根据电厂各级给水加热器及再沸器的温度变化正好利用太阳能中高温集热实现给水及再沸器的能量供给，同时系统由于太阳能变化的不足部分仍可由各级抽汽来实现。这样构成的太阳能加热循环，实现了能量品位的梯级利用，减少了系统的不可逆损失。
实施例2：
当组合式太阳能集热子系统2的集热温度不超过150℃时，其连接关系如图2所示，所述组合式太阳能集热子系统2的工质出口端与所述CO2捕集子系统3中的再沸器36的热源入口端连接，所述再沸器36的热源端出口与所述发电子系统1中的低压给水换热器15的热源端入口连接，低压给水换热器15的热源端出口与所述组合式太阳能集热子系统2的 工质入口端相连，从而构成太阳能集热循环。实施例2的连接方式中的太阳能集热场可以利用结构更为简单，对集热温度要求较低的中低温太阳能集热器，从而降低了系统的成本。
综上，对于组合式太阳能集热子系统的热量输出端通过采用不同的连接方式，将太阳能集热与发电子系统及CO2捕集子系统之间相关部件的能量需求品位的高低进行了合理的分配及集成，实现了能量的梯级利用，可大幅降低从电厂汽轮机中抽蒸汽的能耗，在维持电厂稳定性的同时实现可再生能源利用与电厂CO2减排的双重功效，有力推动我国太阳能与烟气捕集集成技术的大规模应用。
本发明中所述发电子系统与传统发电系统相比，增加了取代不同位置的高压给水加热器和低压给水加热器的旁通给水换热器，通过增加阀门加以控制，可以在利用太阳能和不利用太阳能加热各级给水之间进行切换，同时不影响各级抽汽辅助加热的正常运行。
本发明中所述CO2捕集子系统3主要适用于以醇胺类物质为基础的化学吸收剂水溶液，即可以是单种化学吸收物质配成的吸收溶液，也可以是多种化学吸收物质配比组成的混合吸收剂。
所述组合式太阳能集热子系统2中高温聚焦型集热器阵列21的选择形式可以是槽式集热器、菲涅尔集热器、碟式集热器以及塔式集热器等形式，而低温非聚焦型太阳能集热器阵列22的选择可以是平板集热器、真空管集热器以及热管集热器等形式。
所述组合式太阳能集热子系统3中循环流体一般采用高温导热油作为传热介质，另外，也可以使用熔融盐或水作为传热介质。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统，包括燃煤发电子系统(1)、组合式太阳能集热子系统(2)、CO2捕集子系统(3)；其特征在于：
所述发电子系统(1)为由燃煤锅炉(01)、汽轮机高压缸(02)、中压缸(03)、低压缸(04)、乏汽冷凝器(14)、高压给水加热器(05～07)、给水泵(08)、除氧器(09)以及低压给水加热器(10～13)串联构成的蒸汽发电系统；
所述组合式太阳能集热子系统(2)主要包括中高温聚焦型太阳能集热器阵列(21)、低温非聚焦型太阳能集热器阵列(22)；
所述CO2捕集子系统(3)包括吸收塔(38)、富液泵(37)、贫液冷凝器(31)、贫/富液换热器(32)、贫液泵(33)、解吸塔(34)、气液分离器(35)和再沸器(36)；
所述组合式太阳能集热子系统(2)的热量输出端与所述发电子系统的高压给水换热器(16)、低压给水换热器(15)、CO2捕集子系统再沸器(36)的连接方式主要包括下述两种情形之一：一种是：所述组合式太阳能集热子系统(2)中的工质出口端与所述高压给水换热器(16)的高温侧入口连接，所述高压给水换热器(16)的高温侧出口与所述再沸器(36)的高温侧入口相连，所述再沸器(36)的高温侧出口与所述低压给水加热器(15)的热源端入口连接，所述低压给水换热器(15)的热源端出口与所述组合式太阳能集热子系统(2)的工质入口端相连；另一种是：所述组合式太阳能集热子系统(2)的工质出口端与所述再沸器(36)的高温侧入口端连接，所述再沸器(36)的高温侧出口与所述低压给水换热器(15)的热源端进口相连，所述低压给水换热器(15)的热源端出口与所述组合式太阳能集热子系统(2)的工质入口端相连。
2.根据权利要求1所述的一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统，其特征在于，所述高压给水换热器(16)用以取代一级高压给水加热器(05)、二级高压给水加热器(06)以及三级高压给水加热器(07)中的任意一级或全部；所述低压给水换热器(15)用以取代低压给水加热器(10～13)中的任意一级或多级。
3.根据权利要求1所述的一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统，其特征在于，所述CO2捕集子系统中的吸收剂是以醇胺类物质为基础的化学吸收剂水溶液，所述吸收剂是单种化学吸收物质配成的吸收溶液或是由多种化学吸收物质配比组成的混合吸收剂。
4.根据权利要求1所述的一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统，其特征在于，所述中高温聚焦型太阳能集热器系列是复合抛物聚光集热器、槽式集热器、菲涅尔集热器、碟式集热器及塔式集热器中的一种或是几种的组合，所述低温非聚焦型太阳能集热器系列是平板集热器、真空管集热器及热管集热器中的一种或是几种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统，其特征在于，所述中高温聚焦型太阳能集热器与低温非聚焦太阳能集热器的组合方式可以是串联、并联或混合方式，即流体工质可以分成多股进入低温非聚焦型太阳能集热器与中高温聚焦型太阳能集热器的串并联管路，不同温度的出口工质再混合以实现所需温度的流体。
6.根据权利要求1所述的一种组合式太阳能系统辅助电厂给水与CO2捕集的集成系统，其特征在于，所述组合式太阳能集热子系统的传热介质选择导热油、熔融盐、水以及纳米流体中的一种。
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