CN106014512A - 一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统及方法 - Google Patents

一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统及方法，发电效率高、CO2易于回收处理，将纯氧燃烧技术和超临界二氧化碳循环发电有机结合。所述系统包括依次相连的空气分离系统、气化炉、燃烧室、透平、冷凝器和压缩机，以及连接在透平动力输出端的发电机；空气分离系统的氧气出口分别连接气化炉的气化剂入口和燃烧室的助燃剂入口；气化炉的煤气出口与燃烧室的燃料入口连接；透平的气体入口连接燃烧室的排气出口，透平的气体出口连接冷凝器的进气口；冷凝器的排气出口分为两路输出，一路与CO2封存系统或他用系统相连，另一路通过压缩机升压后连接超临界CO2循环管路，并分别与气化炉的气化剂进口和燃烧室的做功气体入口相连。

Description

一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统及方法
技术领域
本发明涉及先进高效火力发电领域，具体为一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统及方法。
背景技术
近年来，全球气候变暖已成为人们普遍关注的焦点。据统计，在过去的100年中，全球地面平均温度上升了0.3～0.6℃，而我国的平均气温也上升了0.4～0.5℃。化石燃料能量转化过程中大量排放的CO2是加剧温室效应的主要原因。
在我国，燃煤火力发电是CO2的最大排放源之一，研究开发新型煤基燃料发电技术对我国煤炭资源的清洁高效利用以及缓解温室效应具有重要意义。
目前，能够在电站系统中实现CO2大规模捕集的技术主要分为三种：燃烧前捕集、燃烧后捕集和燃烧中捕集(也称纯氧燃烧技术)。在这三种CO2捕集技术中，纯氧燃烧技术由于具有CO2回收成本低、NOx排放低以及脱硫效率高等优点，被认为是最具有应用前景的CO2减排技术。
此外，超临界二氧化碳具有能量密度大、传热效率高等特点，被公认是最环保、最清洁的天然性工质流体。利用超临界二氧化碳作为工质的发电技术也是是目前国际上新型、高效的洁净煤发电技术之一。
因此，如果能够开发出一种新的发电系统，该系统可以将纯氧燃烧技术和超临界二氧化碳循环发电技术进行有机的结合，则必然会对我国燃煤发电带来一场新的革命。但是，目前已公开的报道中关于煤基燃料超临界二氧化碳循环发电的都是以传统空气助燃、非接触式间接换热为主，如中国专利201520152457.4和201610038208.1等，还未曾有将纯氧燃烧和超临界二氧化碳相结合的报道。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统及方法，其发电效率高、CO2易于回收处理，能够将纯氧燃烧技术和超临界二氧化碳循环发电进行有机的结合。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统，包括依次相连的空气分离系统、气化炉、燃烧室、透平、冷凝器和压缩机，以及连接在透平动力输出端的发电机；
空气分离系统的氧气出口分别连接气化炉的气化剂入口和燃烧室的助燃剂入口；气化炉的煤气出口与燃烧室的燃料入口连接；透平的气体入口连接燃烧室的排气出口，透平的气体出口连接冷凝器的进气口；冷凝器的排气出口分为两路输出，一路与CO2封存系统或他用系统相连，另一路通过压缩机升压后连接超临界CO2循环管路，并分别与气化炉的气化剂进口和燃烧室的做功气体入口相连。
优选的，气化炉和燃烧室之间设置有煤气净化系统。
优选的，超临界CO2循环管路上设置有预热器；预热器热媒入口与透平的排气出口连接，热媒出口与冷凝器的进气口连接。
优选的，冷凝器的冷却工质采用水或空气。
优选的，超临界CO2循环管路出口经过多级喷头与燃烧室连通设置。
一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电方法，包括如下步骤，
步骤1，在气化炉中将送入的原煤干煤粉，在气化剂O2和气化剂CO2的作用下，完成气化过程并转化成煤气；
步骤2，在燃烧室中，煤气与助燃剂O2和超临界CO2混合并燃烧后生成高温高压的混气；
步骤3，高温高压的混气进入透平后推动透平做功，并带动发电机发电，做功后的废气经透平的排气出口进入冷凝器中；
步骤4，做功后的废气中的水蒸气在冷凝器中通过冷凝而与CO2分离，得到冷凝水和CO2；
步骤5，将CO2分成两路，一路通过压缩机升压后得到超临界CO2，分别通入到气化炉中作为气化剂CO2，以及通入到燃烧室中作为做功气体；另一路与CO2封存系统或他用系统相连。
优选的，所述的气化剂O2和助燃剂O2均由空气分离系统通过分离空气制得。
优选的，高温高压混气包括质量浓度为96-98％的CO2、2-4％的水蒸气以及少量的杂质，所述的杂质包括O2和/或CO。
优选的，还包括通过煤气净化系统对煤气进行除尘、水洗和脱硫的净化步骤。
优选的，还包括利用做功后的废气通过预热器对超临界CO2进行预热的步骤；预热后的超临界CO2分别通入到气化炉和燃烧室中；气化炉中的原煤干煤粉由作为气化剂的超临界CO2进行输送。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将纯氧燃烧技术和超临界二氧化碳循环发电相结合，在实现利用超临界CO2进行发电的同时对剩余二氧化碳进行捕集回收，实现了CO2的零排放，有效地解决了传统燃煤发电方式污染物排放高、CO2捕集成本高的问题；通过超临界CO2的多级喷入，能够对燃烧室中的气体进行充分的混合和增压，保证了透平做功的效率。
进一步的，利用预热器能够对做功后的废气中的热能进一步的回收利用，提高了整个系统及方法的做功效率。
进一步的，本发明中气化炉中原煤的干煤粉采用二氧化碳惰性气体进行输送，不仅操作安全，而且对煤种的适应性好，此外，气化炉排渣和煤气净化系统收集的飞灰，可制成水泥等建筑材料。
进一步的，本发明中冷凝器中的冷却工质可采用水或者空气。对于采用空气冷却来讲，整个发电系统是净输出水的，很适合应用于水资源缺乏的地区。
附图说明
图1为本发明实例中所述系统的结构示意图。
图中：1为空气分离系统、2为气化炉、3为煤气净化系统、4为燃烧室、5为透平、6为发电机、7为预热器、8为冷凝器、9为压缩机。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参考图1，本发明所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统，包括依次相连的空气分离系统1、气化炉2、煤气净化系统3、燃烧室4、透平5、发电机6、预热器7、冷凝器8和压缩机9。空气经空气分离系统1制成的O2分成两路，一路作为气化剂进入气化炉2，另一路作为助燃剂进入燃烧室4。原煤的干煤粉送入气化炉2后，在气化剂O2和CO2的作用下，完成气化过程并转化成粗煤气，煤粉气化后所形成的渣经气化炉底部排出，气化炉的排气出口与煤气净化系统3相连，从气化炉排气出口出来的粗煤气进入煤气净化系统3，并经除尘、水洗和脱硫等净化处理后转化成净煤气，随后，净煤气进入燃烧室4，在燃烧室4内，净煤气与送入的氧气和超临界二氧化碳混合并燃烧后生成高温高压的混气，其中CO2的质量浓度达96-98％，其余以水蒸气为主，便于进行二氧化碳的分离和回收；燃烧室的排气出口通过管道与透平5相连，高温高压的混气进入透平5后推动透平做功，并带动发电机6发电，透平的排气出口与预热器7通过管道相连，预热器7的排气出口与冷凝器8通过管道相连，在冷凝器8中，废气中的水蒸气通过冷凝而与CO2分离，从冷凝器8排气出口出来的CO2分成两路，一路与CO2封存或他用系统相连，另一路通过压缩机9升压后进入超临界CO2循环管路，并与预热器7相连，完成预热后的超临界CO2又分成两路，一路与气化炉2中的气化剂进口相连，另一路通过多级喷入的方式送入燃烧室4中。
本优选实例中，所述的气化炉中原煤的干煤粉采用二氧化碳惰性气体进行输送，不仅操作安全，而且对煤种的适应性好。气化炉排渣和煤气净化系统收集的飞灰，可制成水泥等建筑材料。
透平的做功工质为燃烧室产生的高温高压混气，含有质量浓度为96-98％CO2、2-4％的水蒸气以及少量的O2/CO，燃烧室出口高温高压混气的温度根据透平的工质性能而确定，随着先进透平技术的发展，透平工质入口温度将不断提高，其效率也将不断提高。

Claims (10)

1.一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统，其特征在于，包括依次相连的空气分离系统(1)、气化炉(2)、燃烧室(4)、透平(5)、冷凝器(8)和压缩机(9)，以及连接在透平(5)动力输出端的发电机(6)；
空气分离系统(1)的氧气出口分别连接气化炉(2)的气化剂入口和燃烧室(4)的助燃剂入口；气化炉(2)的煤气出口与燃烧室(4)的燃料入口连接；透平(5)的气体入口连接燃烧室(4)的排气出口，透平(5)的气体出口连接冷凝器(8)的进气口；冷凝器(8)的排气出口分为两路输出，一路与CO2封存系统或他用系统相连，另一路通过压缩机(9)升压后连接超临界CO2循环管路，并分别与气化炉(2)的气化剂进口和燃烧室(4)的做功气体入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统，其特征在于，气化炉(2)和燃烧室(4)之间设置有煤气净化系统(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统，其特征在于，超临界CO2循环管路上设置有预热器(7)；预热器(7)热媒入口与透平(5)的排气出口连接，热媒出口与冷凝器(8)的进气口连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统，其特征在于，冷凝器(8)的冷却工质采用水或空气。
5.根据权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电系统，其特征在于，超临界CO2循环管路出口经过多级喷头与燃烧室(4)连通设置。
6.一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，在气化炉(2)中将送入的原煤干煤粉，在气化剂O2和气化剂CO2的作用下，完成气化过程并转化成煤气；
步骤2，在燃烧室(4)中，煤气与助燃剂O2和超临界CO2混合并燃烧后生成高温高压的混气；
步骤3，高温高压的混气进入透平(5)后推动透平(5)做功，并带动发电机(6)发电，做功后的废气经透平(5)的排气出口进入冷凝器(8)中；
步骤4，做功后的废气中的水蒸气在冷凝器(8)中通过冷凝而与CO2分离，得到冷凝水和CO2；
步骤5，将CO2分成两路，一路通过压缩机(9)升压后得到超临界CO2，分别通入到气化炉(2)中作为气化剂CO2，以及通入到燃烧室(4)中作为做功气体；另一路与CO2封存系统或他用系统相连。
7.根据权利要求6所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电方法，其特征在于，所述的气化剂O2和助燃剂O2均由空气分离系统(1)通过分离空气制得。
8.根据权利要求6所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电方法，其特征在于，高温高压混气包括质量浓度为96-98％的CO2、2-4％的水蒸气以及少量的杂质，所述的杂质包括O2和/或CO。
9.根据权利要求6所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电方法，其特征在于，还包括通过煤气净化系统(3)对煤气进行除尘、水洗和脱硫的净化步骤。
10.根据权利要求6所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料纯氧燃烧发电方法，其特征在于，还包括利用做功后的废气通过预热器(7)对超临界CO2进行预热的步骤；预热后的超临界CO2分别通入到气化炉(2)和燃烧室(4)中；气化炉(2)中的原煤干煤粉由作为气化剂的超临界CO2进行输送。
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