CN105627349B - 一种纯氧燃烧实现co2捕集和水循环利用的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的方法及系统，其方法的步骤为：空气分离装置制得的纯氧与水煤浆一起进入增压锅炉内组织燃烧，产生的烟气经过辐射换热器与对流换热器换热后，进入烟气冷凝器，烟气经冷凝换热后释放出潜热，再经过CO2净化处理装置及压缩后生成较为纯净的液态CO2，由烟气冷凝器和CO2净化装置所生成的冷凝水经处理净化后分为两部分，一部分作为锅炉补给水或者进入冷却塔作为冷却水，另一部分进入搅拌池与经磨煤机破碎筛分后的细煤粉及稳定剂混合搅拌后形成水煤浆，再经浆液泵送入增压锅炉内燃烧。通过烟气冷凝器的设置实现烟气中潜热的回收及水的循环利用。

Description

一种纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的方法，属于能源技术与环境保护技术交叉领域。
背景技术
O2/CO2燃烧技术，也叫富氧燃烧技术，是一种以减少温室气体排放为主要目的新型燃烧方式。O2/CO2技术在实现电力生产及CO2液化的同时能实现燃煤电站零排放。与常压富氧燃烧技术相比，增压O2/CO2燃烧从空气分离装置、富氧燃烧及锅炉换热，直到烟气压缩净化装置均在高压下运行，可实现压力的梯级利用。增压条件下，锅炉排烟的水蒸气凝结温度大幅度提升，能大量回收烟气水分潜热，以部分弥补空气分离装置和压缩净化装置的电能损耗；由于传热系数与烟气密度成正比，增压锅炉的换热面积将大幅下降，占地面积较小。
而水煤浆是一种较为高效、清洁的煤基燃料，它是由65%~70%不同粒度分布的煤，29%~34%左右的水和约1%的化学添加剂制成的混合物。其具有石油一样的流动性且燃烧效率高、污染物排放低。
目前大部分的增压O2/CO2燃烧研究主要集中于粒煤或粉煤，对于以水煤浆为燃料的O2/CO2燃烧研究较少。且O2/CO2燃烧中循环风机的设置消耗了大量的能量，对于烟气冷凝换热及压缩净化处理中产生的冷凝水也缺乏合理的利用方式。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的系统及方法，结合增压燃烧技术及水煤浆燃烧技术的优点，同时通过对烟气中水蒸气的综合利用达到提高系统效率且节约电厂用水量的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的系统，包括空气分离系统、增压燃烧及烟气换热系统、烟气净化压缩系统、水煤浆制备系统，其中：
所述空气分离系统包括依次相连的空气分离装置和氧气压缩机；
所述增压燃烧及烟气换热系统包括依次相连的增压锅炉、辐射换热器、对流换热器；
所述烟气净化压缩系统包括依次相连的烟气冷凝器、CO2净化装置、CO2压缩机，所述烟气冷凝器和CO2净化装置均连接冷凝水处理装置，冷凝水处理装置连接有冷却塔；
所述水煤浆制备系统包括依次相连的磨煤机、搅拌池、浆液泵；
空气分离系统的氧气压缩机连接增压燃烧及烟气换热系统的增压锅炉；增压燃烧及烟气换热系统的对流换热器连接烟气净化压缩系统的烟气冷凝器；烟气净化压缩系统的冷凝水处理装置连接水煤浆制备系统的搅拌池；水煤浆制备系统的浆液泵连接增压燃烧及烟气换热系统的增压锅炉。
进一步的，所述增压锅炉为增压流化床锅炉或其他形式的增压水煤浆锅炉。
进一步的，所述CO2净化装置依次连接有两个CO2压缩机，两个CO2压缩机之间接有中间冷却器。
一种纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的方法，包括以下步骤：
步骤一、空气进入空气分离装置，生成较为纯净的氧气，氧气经氧气压缩机增压后送入增压锅炉；
步骤二、来自于水煤浆制备系统的水煤浆燃料与纯氧在增压锅炉内组织燃烧，生成的烟气经过辐射换热器与对流换热器换热后，进入烟气冷凝器，烟气经冷凝换热后释放出潜热，并产生部分凝结水；
步骤三、经换热后的烟气进入CO2净化装置，除去其中大部分的SO2、NOx等有害气体后进CO2压缩机，生成较为纯净的液态CO2；
步骤四、烟气冷凝器及CO2净化装置所生成的凝结水经净化处理后，一部分进入水煤浆制备系统与破碎筛分好的煤粉及添加剂一起制备形成水煤浆燃料，再通过浆液泵打入炉内，另一部分凝结水做其他用途。
进一步的，凝结水除用来制备水煤浆外，其余凝结水作为冷却塔的冷却水或锅炉补给水。
本发明的有益效果是：本发明提供的纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的方法及系统具有以下优点：1）增压燃烧与水煤浆燃烧技术相结合，有效捕捉CO2；2）采用纯氧燃烧且无烟气循环风机，生成和所需处理的干烟气较少，减少系统能耗；3）采用烟气冷凝器，可以有效回收烟气中水蒸气的潜热，提高系统效率；4）对冷凝水进行循环利用，减少电厂的水使用量，尤其适合缺水地区。
附图说明
图1为本发明的系统结构及流程示意图；
图2为实施例的示意图。
图中，1-空气分离装置；2-氧气压缩机；3-增压锅炉；4-辐射换热器；5-对流换热器；6-烟气冷凝器；7-CO2净化装置；8-CO2压缩机；9-中间冷却器；10-冷却塔；11-磨煤机；12-搅拌池；13-浆液泵；14-冷凝水处理装置；G1-空气；G2-氮气；G3-氧气；G4-气态CO2；L1-冷凝水；L2-液态CO2；L3-处理后的冷凝水；L4-水煤浆；S1-原煤；S2-细煤粉；S3-稳定剂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的系统，包括空气分离系统、增压燃烧及烟气换热系统、烟气净化压缩系统、水煤浆制备系统，其中：
空气分离系统包括依次相连的空气分离装置1和氧气压缩机2；
增压燃烧及烟气换热系统包括依次相连的增压锅炉3、辐射换热器4、对流换热器5；
烟气净化压缩系统包括依次相连的烟气冷凝器6、CO2净化装置7、CO2压缩机8，所述烟气冷凝器6和CO2净化装置7均连接冷凝水处理装置14，冷凝水处理装置14连接有冷却塔10；
水煤浆制备系统包括依次相连的磨煤机11、搅拌池12、浆液泵13；
空气分离系统的氧气压缩机2连接增压燃烧及烟气换热系统的增压锅炉3；增压燃烧及烟气换热系统的对流换热器5连接烟气净化压缩系统的烟气冷凝器6；烟气净化压缩系统的冷凝水处理装置14连接水煤浆制备系统的搅拌池12；水煤浆制备系统的浆液泵13连接增压燃烧及烟气换热系统的增压锅炉3。
增压锅炉3为增压流化床锅炉或其他形式的增压水煤浆锅炉。
CO2净化装置7依次连接有两个CO2压缩机8，两个CO2压缩机8之间接有中间冷却器9。
采用上述系统，纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的方法如下：
空气经过气体分离装置，分离出的O2进入增压锅炉，与来自于水煤浆制备系统的水煤浆燃料一起在锅炉内组织燃烧；与常规的O2/CO2燃烧相比，由于水煤浆燃料中含有大量的水分，且没有循环烟气，炉内的燃烧气氛实际上为O2/H2O/CO2，主要反应方程式为：、、和；由于气体的可压缩性，使得烟气循环风机的耗能巨大，取消循环风机后，由气态CO2在系统中的富集改为液态H2O及元素H在系统中的富集，减少能耗；
燃烧产生的烟气经过辐射换热器与对流换热器换热后，进入烟气冷凝器，烟气经冷凝换热后释放出潜热，再经过CO2净化处理装置及压缩后生成较为纯净的液态CO2；
由烟气冷凝器和CO2净化装置所生成的冷凝水经处理净化后分为两部分，一部分进入冷却塔作为冷却水，另一部分进入搅拌池；
原煤经磨煤机破碎筛分成所需粒径后进入搅拌池，与处理后的冷凝水及稳定剂混合搅拌后形成水煤浆，再经浆液泵送入增压锅炉内燃烧。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
如图1所示为本发明实施例，
空气G1经过气体分离装置1处理后，分离出的氧气G3进入增压锅炉3，与来自于水煤浆制备系统的水煤浆燃料L4一起在增压锅炉3内组织燃烧。燃烧产生的烟气经过辐射换热器4与对流换热器5换热后，进入烟气冷凝器6，烟气经冷凝换热后释放出潜热，再经过CO2净化装置7及CO2压缩机8后生成较为纯净的液态二氧化碳L2。由烟气冷凝器6和CO2净化装置7所生成的冷凝水L1经处理净化后分为两部分，一部分进入冷却塔10作为冷却水，另一部分进入搅拌池12。原煤S1经磨煤机11破碎筛分成粒径合适的细煤粉S2后进入搅拌池12，与处理后的冷凝水L3及稳定剂S3混合搅拌后形成水煤浆L4，再经浆液泵13送入增压锅炉3内燃烧。
以典型的660MWe超超临界电站锅炉为例，其蒸发量约为2029t/h，过热器出口蒸汽压力为26.15MPa，温度为605℃，增压锅炉燃烧压力为4.0MPa。原煤及制备成的水煤浆L4的成分分析如表1：
表1 原煤及水煤浆成分分析
样品 C ar H ar O ar N ar S ar 低位热值/ MJ·Kg-1 V ar A ar M ar
原煤 50.19 3.14 6.35 0.69 2.12 - 31.14 27.51 10
水煤浆 36.25 2.27 4.59 0.50 1.53 19 22.49 19.87 35
经计算水煤浆L4消耗量为339.4t/h。
空气G1经过气体分离装置1，分离出的氧气G3进入增压锅炉3。空分系统的纯氧流量为2.65×105Nm3/h。
氧气G3与来自于水煤浆制备系统的水煤浆燃料L4一起在增压锅炉3内组织燃烧。燃烧产生的烟气量为4.85×105Nm3/h，其中水蒸汽的容积份额为48.9%。经过过热器、再热器、省煤器和空气预热器换热后，省煤器出口烟气温度为300℃，排烟温度为120℃。当燃烧压力为4.0MPa时，凝结水量为152.3t/h，可回收的热量为201.57MW。换热后的烟气再经过CO2净化装置7及CO2压缩机8后生成较为纯净的液态二氧化碳L2，烟气净化装置可以回收的凝结水量为18.6t/h。
由烟气冷凝器6和CO2净化装置7所生成的冷凝水共170.9t/h，经处理净化后分为两部分，约84.85t/h进入搅拌池12与原煤S1一起制成水煤浆L4，其余凝结水进入冷却塔10作为冷却水。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的系统，其特征在于：包括空气分离系统、增压燃烧及烟气换热系统、烟气净化压缩系统、水煤浆制备系统，其中：
所述空气分离系统包括依次相连的空气分离装置（1）和氧气压缩机（2）；
所述增压燃烧及烟气换热系统包括依次相连的增压锅炉（3）、辐射换热器（4）、对流换热器（5）；
所述烟气净化压缩系统包括依次相连的烟气冷凝器（6）、CO2净化装置（7）、CO2压缩机（8），所述烟气冷凝器（6）和CO2净化装置（7）均连接冷凝水处理装置（14），冷凝水处理装置（14）连接有冷却塔（10）；
所述水煤浆制备系统包括依次相连的磨煤机（11）、搅拌池（12）、浆液泵（13）；
空气分离系统的氧气压缩机（2）连接增压燃烧及烟气换热系统的增压锅炉（3）；增压燃烧及烟气换热系统的对流换热器（5）连接烟气净化压缩系统的烟气冷凝器（6）；烟气净化压缩系统的冷凝水处理装置（14）连接水煤浆制备系统的搅拌池（12）；水煤浆制备系统的浆液泵（13）连接增压燃烧及烟气换热系统的增压锅炉（3）；
由于水煤浆燃料中含有大量的水分，且没有循环烟气，炉内的燃烧气氛实际上为O2/H2O/CO2，主要反应方程式为：、、和；由于气体的可压缩性，使得烟气循环风机的耗能巨大，取消循环风机后，由气态CO2在系统中的富集改为液态H2O及元素H在系统中的富集，减少能耗。
2.如权利要求1所述的纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的系统，其特征在于：所述增压锅炉（3）为增压流化床锅炉或其他形式的增压水煤浆锅炉。
3.如权利要求1所述的纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的系统，其特征在于：所述CO2净化装置（7）依次连接有两个CO2压缩机（8），两个CO2压缩机（8）之间接有中间冷却器（9）。
4.一种纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、空气进入空气分离装置，生成较为纯净的氧气，氧气经氧气压缩机增压后送入增压锅炉；
步骤二、来自于水煤浆制备系统的水煤浆燃料与纯氧在增压锅炉内组织燃烧，生成的烟气经过辐射换热器与对流换热器换热后，进入烟气冷凝器，烟气经冷凝换热后释放出潜热，并产生部分凝结水；
由于水煤浆燃料中含有大量的水分，且没有循环烟气，炉内的燃烧气氛实际上为O2/H2O/CO2，主要反应方程式为：、、和；由于气体的可压缩性，使得烟气循环风机的耗能巨大，取消循环风机后，由气态CO2在系统中的富集改为液态H2O及元素H在系统中的富集，减少能耗；
步骤三、经换热后的烟气进入CO2净化装置，除去其中大部分的SO2、NOx等有害气体后进CO2压缩机，生成较为纯净的液态CO2；
步骤四、烟气冷凝器及CO2净化装置所生成的凝结水经净化处理后，一部分进入水煤浆制备系统与破碎筛分好的煤粉及添加剂一起制备形成水煤浆燃料，再通过浆液泵打入炉内，另一部分凝结水做其他用途。
5.如权利要求4所述的纯氧燃烧实现CO2捕集和水循环利用的方法，其特征在于：凝结水除用来制备水煤浆外，其余凝结水作为冷却塔的冷却水或锅炉补给水。
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