CN105485701B - 与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统 - Google Patents

与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统。通过碳化炉的放热量来替代末级过热器和低温再热器的热源，从而原基准系统高温再热器出口的高温烟气经第一换热器冷却后直接进入硫化反应器进行脱硫并排出CaSO4；第一换热器换热出的热量和硫化反应器中反应的放热量用于加热煅烧炉；脱硫剩余的CaO和煅烧炉排出的失活CaO回收进入水合反应器水合活化后进入脱硫循环，脱硫之后的烟气进入碳化炉中脱碳，碳化炉出口的贫CO2烟气经省煤器和空气预热器回收余热，同时提供部分碳化炉放热量来加热省煤器和空气预热器，以维持原电厂的设计参数不变，而水合反应器放出的热量和碳化炉替代热负荷后剩余热量则被余热锅炉模块回收用来产生蒸汽做功。

Description

与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统
技术领域
本发明属于钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化(CCCR)法捕碳CO2技术领域，特别涉及一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统。
背景技术
火电站所排放烟气中的CO2加剧了全球的温室效应，而目前对现有的火力发电厂来说，燃烧后捕集是一种有效的捕集CO2的方式。钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化法捕集CO2是其中最具前景的技术之一，然而这种方法的缺点是煅烧能耗高、空分能耗高，以及CO2压缩能耗高，从而导致采用该方法，整个系统的热效率大幅度下降。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统。
本发明以钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化捕集CO2的方法为基础，对系统流程进行改进，在高温条件下先脱除烟气中的SO2再脱除CO2，同时回收脱碳子系统排出的失活CaO，将其水合活化以后作为脱硫剂，并基于深度热集成的思路提出这种改进后的新系统与火电站热力系统的特殊集成方式，以解决CCCR法脱碳系统煅烧能耗、空分能耗和CO2压缩能耗均偏高的问题，在实现85％CO2脱除率和100％SO2脱除率的同时，提高系统的热效率。
采用的技术方案为：
一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统，锅炉1、水冷壁2、分隔屏过热器3、后屏过热器4和高温再热器5的烟气流路依次连接，水冷壁2、分隔屏过热器3和后屏过热器4的蒸汽流路依次连接，后屏过热器4的蒸汽出口经末级过热器6连接至燃煤机组汽轮机的高压缸HP，高压缸HP蒸汽出口中的一路经低温再热器7连接至高温再热器5的蒸汽入口，高温再热器5的蒸汽出口连接至燃煤机组汽轮机的中压缸IP，还包括：
高温过热器5的烟气出口经第一换热器19连接至硫化反应器17的烟气入口，所述硫化反应器17的Ca(OH)2入口与水合反应器16的Ca(OH)2出口相连，硫化反应器17的物流出口连接至第三气固分离器18，所述第三气固分离器18的CaO出口连接至水合反应器16的CaO入口，第三气固分离器18的烟气出口连接至碳化炉10的烟气入口，第三气固分离器18还包括CaSO4出口；所述碳化炉10的物流出口连接至第一气固分离器14，所述第一气固分离器14的CaO/CaCO3出口连接至煅烧炉11的CaCO3入口，所述煅烧炉11的活性CaO出口连接至碳化炉10的CaO入口，煅烧炉11的烟气出口连接至第二气固分离器15，所述第二气固分离器15的CaO出口连接至水合反应器16的CaO入口，第二气固分离器15的烟气出口连接至余热锅炉模块12，余热锅炉模块12连接至CO2间冷压缩模块22；
燃煤机组汽轮机的换热系统的出水口经第三换热器21连接至省煤器8的入水口，省煤器8的出水口连接至水冷壁2的入水口，所述第一气固分离器14的烟气出口连接至省煤器8的烟气入口，省煤器8的烟气出口连接至空气预热器9的烟气入口，空气预热器9的烟气出口连接至烟囱13，第二换热器20的空气出口与空气预热器9的空气入口连接，空气预热器9的空气出口连接至锅炉1的空气入口；
所述水合反应器16还包括H2O入口；所述煅烧炉11还包括灰渣排出口。
第一换热器19换热出的热量和硫化反应器17产生的热量分别连接至煅烧炉11的受热面；水合反应器16产生的热量连接至余热锅炉模块12的受热面；碳化炉10产生的热量分别连接至末级过热器6、低温再热器7、第二换热器20、第三换热器21和余热锅炉模块12的受热面。
上述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统，锅炉1内燃煤产生的烟气依次经过水冷壁2、分隔屏过热器3、后屏过热器4和高温再热器5，由省煤器8换热后的水依次经过水冷壁2、分隔屏过热器3和后屏过热器4进行换热获得所需蒸汽，后屏过热器4流出的蒸汽经末级过热器6换热后进入燃煤机组汽轮机的高压缸HP，高压缸HP流出的一路蒸汽经低温再热器7换热后进入高温再热器5内，与烟气进行换热后进入燃煤机组汽轮机的中压缸IP，其改造后：
燃煤机组汽轮机的换热系统流出的水依次经第三换热器21和省煤器8预热后进入水冷壁2进行汽水循环；空气依次经第二换热器20和空气预热器9预热后进入锅炉1，燃煤产生的烟气经过高温再热器5换热后(989℃)进入第一换热器19内，经第一换热器19冷却到900℃后，直接进入硫化反应器17脱硫，脱硫所需的吸收剂CaO由水合反应器16提供的Ca(OH)2分解而得，因为900℃是CaCO3的分解温度，所以硫化反应器17中的CaO仅脱除SO2，且生成CaSO4的反应为放热反应，硫化反应器17出口的物流经第三气固分离器18分为三股，生成的CaSO4被排出，未反应的CaO被回收进入水合反应器16，而脱硫后的烟气进入到碳化炉10进行脱碳，碳化炉10出口的物流经第一气固分离器14分为两股，固体物流CaCO3和CaO进入煅烧炉11，脱碳后的贫CO2烟气依次流经省煤器8和空气预热器9回收利用热量后经过烟囱13排入大气；煅烧炉11内加热分解CaCO3得到具有CO2捕碳活性的CaO，并提供至碳化炉10进行脱碳循环，煅烧炉11出口的富CO2烟气和经过多次脱碳循环过程失去活性的CaO经第一气固分离器14进行分离，失活CaO被回收进入水合反应器16进行水合活化，同时为了保持脱碳循环子系统内循环物流的Ca元素守恒，需要补充等量的新鲜CaCO3；富CO2烟气经过余热锅炉模块12回收热量之后进入CO2间冷压缩模块22转变为液态CO2以备封存，煅烧炉11产生的灰渣被排出。
所述燃煤发电系统汽水侧的参数保持不变；
所述煅烧炉11分解CaCO3所需的热量包括第一换热器19中高温烟气从989℃冷却到900℃换热出的热量，硫化反应器17与煅烧炉11的运行温度(900℃)相匹配，故硫化反应器17化学反应放出的热量也可用来加热煅烧炉11，还包括煤的富氧燃烧；水合反应器16放出的热量用于加热余热锅炉模块12；末级过热器6和低温再热器7用碳化炉10放出的热量分别替代原系统的末级过热器6和低温再热器7这两个受热面的热源进行加热；碳化炉10出口的物流经过第一气固分离14分离出的贫CO2烟气先经过省煤器8，再经过空气预热器9之后排到大气当中，由于这部分烟气的温度和流量都比原系统要小，因此把一部分碳化炉10放热量用来加热空气预热器9和省煤器8以维持原系统设计参数不变，即烟气侧流程改变后省煤器8不足的热量由碳化炉10所加热的第三换热器21提供，空气预热器9不足的热量由碳化炉10所加热的第二换热器20提供；余下的碳化炉10放热量由余热锅炉模块12回收利用。
所述硫化反应器17为流化床反应器，其运行温度为900℃，运行压力为0.1MPa。在运行温度下吸收剂Ca(OH)2先分解为CaO，而后CaO只与SO2发生反应生成CaSO4，硫化反应器17内设有换热器以回收反应放热量。
所述碳化炉10的运行温度为650℃，运行压力为0.1MPa。碳化炉10内设有换热器以回收反应放热量。
所述水合反应器16的运行温度为400℃，运行压力为0.1MPa。在运行温度下CaO与水蒸气发生反应生成Ca(OH)2，水合反应器16内设有换热器以回收反应放热量。
所述煅烧炉11的运行温度为900℃，运行压力为0.1MPa。煅烧炉11内设有换热器以回收反应放热量。
通入到水合反应器16的H2O为饱和水蒸汽，饱和水蒸汽所需的热量由富CO2烟气间冷压缩过程提供。
所述余热锅炉模块12包括余热锅炉和汽轮机系统，余热锅炉回收热量并产生蒸汽推动汽轮机做功，由汽轮机驱动发电机发电。
所述CO2间冷压缩模块22采用冷却器、四级间冷压缩机依次串联组成，低温的富CO2烟气通过冷却器析出水，得到干燥高纯度的CO2气体，再通过四级间冷压缩机压缩液化。
由此可知，本发明所述顺序脱硫脱碳系统，由脱硫循环子系统和脱碳循环子系统组成，煅烧炉11排出的失活CaO和硫化反应器17排出的未反应CaO从水合反应器16到硫化反应器17再到水合反应器16为吸收剂脱硫循环主要进行SO2的脱除过程；具有CO2捕碳活性的CaO吸收剂从煅烧炉11到碳化炉10再到煅烧炉11为脱碳循环主要进行CO2的脱除过程，而CO2脱除循环子系统系统排出失活CaO后通过向煅烧炉11中补充新鲜CaCO3加热分解产生CaO来补充，以保证CO2脱除循环子系统的Ca元素守恒。
本发明的有益效果为：本发明以钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化捕集CO2的方法为基础，从流程改进和系统集成角度出发，改变了系统脱除SO2和CO2的顺序以及火力发电厂的烟气流程，从而基于温度对口梯级利用的原则和热力系统深度集成的方法，实现了火力发电厂与脱碳系统的能量互补，降低了煅烧能耗、空分能耗和CO2压缩能耗，并在同样的捕获CO2和SO2的条件下提高了系统的热效率。
首先，由于SO2会导致吸收剂捕碳性能衰减，所以经过先脱除SO2的改进，使得循环过程钙基吸收剂的活性提高，从而排出的失活CaO的量减少，煅烧炉里加入的新鲜CaCO3的量减少，从而降低了煅烧炉CaCO3分解所需的能量消耗。其次，经过深度集成的方法，高温烟气直接引入硫化反应器，既满足了钙基吸收剂脱硫所需的最佳温度，又能将反应器放出的高品位热量加热煅烧炉，从而减少煅烧炉的燃料消耗量和耗氧量，而且这两个参数的减小会导致煅烧炉出口的富CO2烟气量也减少，从而使得煅烧能耗，空分能耗和CO2压缩能耗均减小，系统的热效率提高。
附图说明
图1为与传统CCCR系统集成的燃煤发电系统流程示意图，为基准系统；
图2为本发明所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统流程示意图。
标号说明：1-锅炉；2-水冷壁；3-分隔屏过热器；4-后屏过热器；5-高温再热器；6-末级过热器；7-低温再热器；8-省煤器；9-空气预热器；10-碳化炉；11-煅烧炉；12-余热锅炉模块；13-烟囱；14-第一气固分离器；15-第二气固分离器；16-水合反应器；17-硫化反应器；18-第三气固分离器；19-第一换热器；20-第二换热器；21-第三换热器；22-CO2间冷压缩模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1所示基准系统流程图，电厂烟气依次经过水冷壁2、分隔屏过热器3、后屏过热器4、高温再热器5、末级过热器6、低温再热器7、省煤器8、空气预热器9进行换热后进入到碳化炉10里脱硫脱碳，碳化炉10的运行温度是650℃，碳化炉10内反应产生的热量则被余热锅炉模块12回收，从碳化炉10出口的物流分成两股，经过脱硫脱碳之后的贫CO2烟气经过余热锅炉模块12回收热量之后排到大气中，而固体物流主要包括CaCO3和CaO则进入到煅烧炉11里煅烧分解CaCO3，煅烧所需的热量用煤的富氧燃烧来提供，而为了保证碳化炉10里CO2的捕获率为85％，需要排出一定量失活的CaO，同时需要向煅烧炉11里加入等量的CaCO3以维持循环系统Ca元素守恒，CaCO3分解产生的CaO则被送入到碳化炉10里吸收CO2，煤燃烧产生的灰渣被排出，包括失活CaO和CaSO4，而煅烧炉11出口的富CO2烟气则经过余热锅炉模块12回收余热之后，经过CO2间冷压缩模块22的间冷压缩过程变为液态CO2以备封存。
本发明与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度热集成的燃煤发电系统流程图如图2所示，对基准系统的改进在于：在火电站热力系统方面，通过碳化炉10放出的热量来替代末级过热器6和低温再热器7的热源，从而原基准系统高温再热器5出口的高温烟气可以在经过第一换热器19冷却之后直接进入到硫化反应器17中进行脱硫并排出CaSO4；第一换热器19换热出的热量和硫化反应器17中反应放出的热量用于煅烧炉11的加热；在脱硫脱碳系统方面，增加了硫化反应器17和水合反应器16，煅烧炉11排出的失活CaO被回收进入水合反应器16中进行水合活化，然后进入硫化反应器17中进行SO2的脱除反应，为了完全脱除SO2需要维持5:1的钙硫比，而硫化反应器17中脱硫反应后剩余的CaO则被分离出来进入水合反应器16中水合活化之后继续脱硫，脱硫之后的烟气进入到碳化炉10中脱除CO2，碳化炉10出口的贫CO2烟气经过省煤器8和空气预热器9回收余热，同时提供部分碳化炉10放热量来加热省煤器8和空气预热器9，以维持原电厂的设计参数不变，而水合反应器16放出的热量和碳化炉10替代热负荷后剩余的热量则被余热锅炉模块12回收用来产生蒸汽做功。
下面结合算例，对本发明的效果做进一步说明。
系统初始条件：
基准系统和与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度热集成的燃煤发电系统采用相同的模型假设和参数值。系统假设及模拟条件见表1，计算结果见表2。
表1参考电站的主要参数
表2 CO2捕获率为85％且SO2脱除率为100％时顺序脱硫脱碳系统和基准系统的计算结果
由表2可知，基准系统的效率为33.64％，与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度热集成的燃煤发电系统效率为35.81％。比较可知与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度热集成的燃煤发电系统的热效率与相同条件下的基准系统相比较，其空分能耗降低了17.03MW，CO2压缩能耗降低了16.4MW，煅烧炉能耗降低了294.36MW，新系统的热效率提高了2.17个百分点，显示出本发明提出的新系统的集成方案具有在热力性能方面的优越性。

Claims (11)

1.一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统，锅炉(1)、水冷壁(2)、分隔屏过热器(3)、后屏过热器(4)和高温再热器(5)的烟气流路依次连接，水冷壁(2)、分隔屏过热器(3)和后屏过热器(4)的蒸汽流路依次连接，后屏过热器(4)的蒸汽出口经末级过热器(6)连接至燃煤机组汽轮机的高压缸(HP)，高压缸(HP)蒸汽出口中的一路经低温再热器(7)连接至高温再热器(5)的蒸汽入口，高温再热器(5)的蒸汽出口连接至燃煤机组汽轮机的中压缸(IP)，其特征在于，
高温再热器(5)的烟气出口经第一换热器(19)连接至硫化反应器(17)的烟气入口，所述硫化反应器(17)的Ca(OH)2入口与水合反应器(16)的Ca(OH)2出口相连，硫化反应器(17)的物流出口连接至第三气固分离器(18)，所述第三气固分离器(18)的CaO出口连接至水合反应器(16)的CaO入口，第三气固分离器(18)的烟气出口连接至碳化炉(10)的烟气入口，第三气固分离器(18)还包括CaSO4出口；所述碳化炉(10)的物流出口连接至第一气固分离器(14)，所述第一气固分离器(14)的CaO/CaCO3出口连接至煅烧炉(11)的CaCO3入口，所述煅烧炉(11)的活性CaO出口连接至碳化炉(10)的CaO入口，煅烧炉(11)的烟气出口连接至第二气固分离器(15)，所述第二气固分离器(15)的CaO出口连接至水合反应器(16)的CaO入口，第二气固分离器(15)的烟气出口连接至余热锅炉模块(12)，余热锅炉模块(12)连接至CO2间冷压缩模块(22)；
燃煤机组汽轮机的换热系统的出水口经第三换热器(21)连接至省煤器(8)的入水口，省煤器(8)的出水口连接至水冷壁(2)的入水口，所述第一气固分离器(14)的烟气出口连接至省煤器(8)的烟气入口，省煤器(8)的烟气出口连接至空气预热器(9)的烟气入口，空气预热器(9)的烟气出口连接至烟囱(13)，第二换热器(20)的空气出口与空气预热器(9)的空气入口连接，空气预热器(9)的空气出口连接至锅炉(1)的空气入口；
所述水合反应器(16)还包括H2O入口；所述煅烧炉(11)还包括灰渣排出口。
2.根据权利要求1所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统，其特征在于，第一换热器(19)换热出的热量和硫化反应器(17)产生的热量分别连接至煅烧炉(11)的受热面；水合反应器(16)产生的热量连接至余热锅炉模块(12)的受热面；碳化炉(10)产生的热量分别连接至末级过热器(6)、低温再热器(7)、第二换热器(20)、第三换热器(21)和余热锅炉模块(12)的受热面。
3.权利要求1所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统的工艺方法，锅炉(1)内燃煤产生的烟气依次经过水冷壁(2)、分隔屏过热器(3)、后屏过热器(4)和高温再热器(5)，由省煤器(8)换热后的水依次经过水冷壁(2)、分隔屏过热器(3)和后屏过热器(4)进行换热获得所需蒸汽，后屏过热器(4)流出的蒸汽经末级过热器(6)换热后进入燃煤机组汽轮机的高压缸(HP)，高压缸(HP)流出的一路蒸汽经低温再热器(7)换热后进入高温再热器(5)内，与烟气进行换热后进入燃煤机组汽轮机的中压缸(IP)，其特征在于，
燃煤机组汽轮机的换热系统流出的水依次经第三换热器(21)和省煤器(8)预热后进入水冷壁(2)进行汽水循环；空气经第二换热器(20)和空气预热器(9)预热后进入锅炉(1)，燃煤产生的烟气经过高温再热器(5)换热后进入第一换热器(19)内，经第一换热器(19)冷却到900℃后，进入硫化反应器(17)脱硫，脱硫所需的吸收剂CaO由水合反应器(16)提供的Ca(OH)2分解而得，硫化反应器(17)出口的物流经第三气固分离器(18)分为三股，生成的CaSO4被排出，未反应的CaO被回收进入水合反应器(16)，而脱硫后的烟气进入到碳化炉(10)进行脱碳，碳化炉(10)出口的物流经第一气固分离器(14)分为两股，固体物流CaCO3和CaO进入煅烧炉(11)，脱碳后的贫CO2烟气依次流经省煤器(8)和空气预热器(9)回收利用热量后经过烟囱(13)排入大气；煅烧炉(11)内加热分解CaCO3得到具有CO2捕碳活性的CaO，并提供至碳化炉(10)进行脱碳循环，煅烧炉(11)出口的富CO2烟气和失去活性的CaO物流经第一气固分离器(14)进行分离，失去活性的CaO被回收进入水合反应器(16)进行水合活化，同时为了保持脱碳循环子系统内循环物流的Ca元素守恒，需要补充等量的新鲜CaCO3；富CO2烟气经过余热锅炉模块(12)回收热量之后进入CO2间冷压缩模块(22)转变为液态CO2以备封存，煅烧炉(11)产生的灰渣被排出。
4.根据权利要求3所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，
所述燃煤发电系统汽水侧的参数保持不变；
所述煅烧炉(11)分解CaCO3所需的热量来自于三部分，分别为第一换热器(19)换热出的热量、硫化反应器(17)化学反应放出的热量和煤的富氧燃烧；水合反应器(16)放出的热量用于加热余热锅炉模块(12)；末级过热器(6)和低温再热器(7)用碳化炉(10)放出的热量加热；烟气侧流程改变后省煤器(8)不足的热量由碳化炉(10)所加热的第三换热器(21)提供，空气预热器(9)不足的热量由碳化炉(10)所加热的第二换热器(20)提供，以维持原有系统设计参数不变；余下的碳化炉(10)放热量由余热锅炉模块(12)回收利用。
5.根据权利要求3所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，所述硫化反应器(17)为流化床反应器，其运行温度为900℃，运行压力为0.1MPa，硫化反应器(17)内设有换热器以回收反应放热量。
6.根据权利要求3所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，所述碳化炉(10)的运行温度为650℃，运行压力为0.1MPa，碳化炉(10)内设有换热器以回收反应放热量。
7.根据权利要求3所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，所述水合反应器(16)的运行温度为400℃，运行压力为0.1MPa，所述水合反应器(16)内设有换热器以回收反应放热量。
8.根据权利要求3所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，所述煅烧炉(11)的运行温度为900℃，运行压力为0.1MPa，煅烧炉(11)内设有换热器以回收反应放热量。
9.根据权利要求3所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，通入到水合反应器(16)的H2O为饱和水蒸汽，饱和水蒸汽所需的热量由富CO2烟气间冷压缩过程提供。
10.根据权利要求3所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，所述余热锅炉模块(12)包括余热锅炉和汽轮机系统，余热锅炉回收热量并产生蒸汽推动汽轮机做功，由汽轮机驱动发电机发电。
11.根据权利要求3所述一种与钙基吸收剂顺序脱硫脱碳系统深度集成的燃煤发电系统的工艺方法，其特征在于，所述CO2间冷压缩模块(22)采用冷却器、四级间冷压缩机依次串联组成，低温的富CO2烟气通过冷却器析出水，得到干燥高纯度的CO2气体，再通过四级间冷压缩机压缩液化。
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