CN106194299B - 一种碳捕集与超临界co2布雷顿循环耦合的发电系统 - Google Patents

一种碳捕集与超临界co2布雷顿循环耦合的发电系统 Download PDF

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Abstract

一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，属发电技术领域，目的是实现化石燃料能源的充分利用，其技术方案是，它包括碳捕集系和超临界CO2布雷顿循环发电系统，所述碳捕集系统包括再生分离器、主压缩机和封存装置，所述超临界CO2布雷顿循环发电系统的工质入口接再生分离器的排汽口，超临界CO2布雷顿循环发电系统的工质出口接主压缩机的进汽口，所述主压缩机的排汽口接封存装置。本发明将超临界CO2布雷顿循环发电系统与碳捕集系统有机结合在一起，将燃煤电站锅炉烟气和碳捕集系统再生分离器出来的CO2作为余热资源进行低温发电，实现了电站余热的安全、高效回收，提高了化石燃料能源的利用率，从而达到了节能减排的目的。

Description

一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统
技术领域
本发明涉及一种利用电站余热进行发电的装置，具体来说是一种碳捕集和超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，属于发电技术领域。
背景技术
新能源课题已经研究了长达半个多世纪之久，但是人们至今仍然没有找到能够完全取代化石燃料的能源，所以实现化石燃料能源的充分利用仍然具有很大的研究价值。
按照温度水平的不同,余热资源可以分为三种:高温余热(500℃以上)、中温余热(200—500℃之间)和低温余热(200℃以下)。相对于煤、石油、天然气等高品位能源而言,200℃以下的低品位余热利用难度大。但由于低温余热量很大,且基本没有被有效利用,因此低品位工业余热的利用将对节能减排起到重要作用。
效率最高的低温热能回收方法是直接利用，但是用户相对于产热的工业区较为分散，布置低温热网的投资太大；如果将低温热能变成电能，就可以解决能量的远距离输送问题。
燃煤电站锅炉烟气从引风机出来后，其温度一般为110℃—130℃,而脱硫的温度则要求80℃—90℃,这之间的温差显然属于低温余热，如果能将这部分能量利用起来，对于提高电站的热效率具有很大的意义。
目前，世界上不少国家都在研究燃煤机组的CO2捕集技术，而且在发达国家，这种技术已经逐渐推广，走向成熟。碳捕集设备再生出的CO2是一种余热资源，也应该加以利用。
对于低温发电技术，学者们的研究也不少，有机朗肯循环(ORC)是目前利用低温余热进行发电的热点技术。公开号为CN203822398U、CN203347863U、CNl02691555A、CN202420251U、CN203271836U的中国专利给出了一系列利用低温热源发电的方法和装置，但现有的余热发电方法大多数是以烷烃类物质 作为工质，而烷烃类物质对臭氧的破坏力远大于CO2，容易加重温室效应，而且烷烃类物质临界温度较高，很难在低温余热条件下达到超临界状态。另外，由于烷烃类物质具有易燃易爆的性质，将其作为推动工质时需要对蒸发部分采取防爆保护措施。
综上所述，现有的利用低温热源进行发电的方法均不理想，不利于电站余热的回收利用，还需进一步进行研究。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，以实现电站余热的安全、高效回收，提高化石燃料能源的利用率。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，构成中包括碳捕集系和超临界CO2布雷顿循环发电系统，所述碳捕集系统包括再生分离器、主压缩机和封存装置，所述超临界CO2布雷顿循环发电系统的工质入口接再生分离器的排汽口，超临界CO2布雷顿循环发电系统的工质出口接主压缩机的进汽口，所述主压缩机的排汽口接封存装置。
上述碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，所述超临界CO2布雷顿循环发电系统包括汽轮发电机、启动电机、通过主汽阀门与再生分离器的排汽口相接的进汽母管、与主压缩机的进汽口相接的排汽母管和并接于进汽母管与排汽母管之间的多个做功子系统，每个做功子系统包括进汽阀门、排汽阀门、CO2蒸发与过热装置以及与启动电机和汽轮发电机同轴连接的三台压缩机和两台膨胀机，再生分离器排入进汽母管中的CO2气体经进汽阀门进入第一压缩机，由第一压缩机加压到超临界状态后进入第一膨胀机膨胀做功，第一膨胀机的排汽依次经第二压缩机和第三压缩机加压到超临界压力，再由锅炉尾部烟道中的CO2蒸发与过热装置加热到超临界状态后，进入第二膨胀机做功，第二膨胀机的排汽经排汽阀门进入排汽母管，再由排汽母管进入碳捕集系的主压缩机。
上述碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，所述做功子系统还包括两个冷凝系统和两个回热加热器，第一回热加热器接于第一膨胀机与第二 压缩机之间，第一冷凝系统对第二压缩机的排汽进行冷却，第二回热加热器和第二冷凝系统接于第二膨胀机与排汽阀门之间。
上述碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，所述超临界CO2布雷顿循环发电系统设有启停旁路系统，所述启停旁路系统包括第三冷凝系统和三个旁路阀门，第三冷凝系统的进汽口通过第一旁路阀门与再生分离器的排汽口连接，第三冷凝系统的排汽口通过第二旁路阀门与进汽母管连接，第三旁路阀门接于进汽母管与主压缩机的进汽口之间。
上述碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，所述碳捕集系统的主压缩机与封存装置之间设有过冷提纯装置、过冷器和两个不提纯旁路阀，所述过冷提纯装置的进汽口通过第一不提纯旁路阀接主压缩机的排汽口，过冷提纯装置的排汽口接封存装置；所述过冷器的进汽口通过第二不提纯旁路阀接主压缩机的排汽口，过冷器的排汽口接封存装置。
上述碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，所述第一回热加热器和第二回热加热器均为低温翅片换热器，所述CO2蒸发与过热装置为陶瓷或玻璃加热器。
上述碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，所述第一膨胀机和第二膨胀机均选用螺杆膨胀机。
本发明将超临界CO2布雷顿循环发电系统与碳捕集系统有机结合在一起，将燃煤电站锅炉烟气和碳捕集系统再生分离器出来的CO2作为余热资源进行低温发电，实现了电站余热的安全、高效回收，提高了化石燃料能源的利用率，从而达到了节能减排的目的。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是做功子系统的结构示意图。
图中各标号表示为：1、封存装置，2、过冷器，3、第一冷凝系统(包括冷却塔、冷凝器、循环水泵、阀门管道等)，4、第一压缩机，5、第二膨胀机，6、汽轮发电机，7、CO2蒸发与过热装置，8、第一回热加热器(用于加热低温低压给水)，9、第二回热加热器(用于加热低温低压给水)，10、第三压缩机，11、第二压缩机，12、第一膨胀机，13、排汽母管，14、进汽母管,15、启动电机， 16、进汽阀门，17、排汽阀门，18、过冷提纯装置，19、第二冷凝系统(包括冷却塔、冷凝器、循环水泵、阀门管道等)，20、第二不提纯旁路阀，21、主压缩机，22、第一不提纯旁路阀，23、再生分离器，24、第一旁路阀门，25、第二旁路阀门，26、主汽阀门，27、第三冷凝系统(包括冷却塔、冷凝器、循环水泵、阀门管道等)，28、第三旁路阀门，U1、第一做功子系统，U2、第二做功子系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的目的在于充分利用电站锅炉引风机与脱硫设备之间的烟气热能，以及碳捕集设备再生出的CO2的热能。该系统将含有碳捕集系统的电站与超临界CO2发电技术耦合起来进行电力生产。系统包括碳捕集系统和超临界CO2布雷顿循环发电系统，其中，超临界CO2布雷顿循环发电系统包括汽轮发电机6、启动电机15、排汽母管13、主汽阀门26、进汽母管14、启停旁路系统和并接于进汽母管与排汽母管之间的多个做功子系统，启停旁路系统包括第一旁路阀门24、第二旁路阀门25、第三冷凝系统27和第三旁路阀门28，做功子系统包括第一冷凝系统3、第一压缩机4、第二膨胀机5、CO2蒸发与过热装置7、第一回热加热器8、第二回热加热器9、第三压缩机10、第二压缩机11、第一膨胀机12、进汽阀门16、排汽阀门17、第二冷凝系统19，碳捕集系统包括第二不提纯旁路阀20、主压缩机21、第一不提纯旁路阀22、再生分离器23和过冷提纯装置18。
超临界CO2布雷顿循环就是以超临界CO2为工质的布雷顿循环，由于CO2的临界温度、压力都较低，故而在100℃的锅炉尾部烟道完全可以将其加热到超临界状态。目前，超临界CO2发电技术很少应用于火电领域，更没有将碳捕集系统与超临界CO2发电技术耦合的先例。
在锅炉尾部烟道中，低温腐蚀是较难解决的问题，为此不得不提高锅炉的排烟温度。本发明使用陶瓷或玻璃材料的换热器，再加上换热器管道内部压力的合理控制，可以有效解决低温腐蚀和换热的问题；由于CO2特殊的物性，在膨胀机排汽口处仍然具有较高的温度，甚至与火电厂最后一级低压加热器的温度相当，因此可以布置回热系统代替一部分低压加热器的负荷，这样便可以减 少最后一级低压加热器的抽汽量，进一步增加能量的利用率。
为适应有机工质螺杆膨胀机只允许小流量通流的特性，减少能量的浪费，本发明将做功子系统通过进汽母管14与碳捕集系统的再生分离器23连接，通过排汽母管13与碳捕集系统的主压缩机21连接。在进汽母管14和排汽母管13之间可以多并联几套做功子系统，这样不仅可以调节输出功率，而且可以使各个子系统均在额定负荷下运行，实现效率的最高化。而且这种布置方式可避免使用大体积压气机，使系统结构紧凑，投资相对较少。
参看图1和图2，碳捕集系统的CO2再生分离器23出口与进汽母管14连接，进汽母管14与各做功子系统的第一压缩机4通过CO2管路及进汽阀门16连接，工质经第一压缩机4加压后经CO2管路进入第一膨胀机12，做功后的乏汽通过CO2管路进入第一回热加热器8，在回热加热器8中，CO2走壳程，低温低压水走管程，换热之后的CO2流体经CO2管路进入第二压缩机11，工质由第二压缩机11进行压缩后经CO2管路进入第一冷凝系统3进行冷却，冷却后的工质经CO2管路进入第三压缩机10，进一步加压后的CO2流体为超临界压力，然后工质经CO2管路进入低温烟道内的CO2蒸发与过热装置7，烟道内的烟气与CO2流体逆向流动，加热后的工质从CO2蒸发与过热装置出口流出，经CO2管路进入第二膨胀机5，第二膨胀机5排出的乏汽经CO2管路进入第二回热加热器9，乏汽经凝结水泵出来的低温低压水做第一步冷却后从第二回热加热器的出口排出，经CO2管路进入第二冷凝系统19，CO2流体经进一步冷却后经CO2管路及排汽阀门17进入排汽母管13，然后进入压缩、提纯、过冷、封存阶段。若要求的CO2品质较低，可以使压缩后的CO2不进行提纯，走旁路，直接进行过冷、封存。在图2中，启动电机15通过变速器与系统主轴连接，设置启动电机的目的是为了在启动时带动压缩机对CO2进行压缩，也可以在启动前对主轴盘车。
考虑到CO2流量较大，系统启动时对来流CO2满负荷压缩需要的启动电机容量较大，故而使用逐步启动的方式。例如可先启动第一做功子系统U1，再启动第二做功子系统U2，然后再依次启动其它做功子系统，这样可以使用小功率启动电机完成启动。在启动过程中，如果CO2流量有剩余，可以通过调节启停旁路系统的三个旁路阀门，使剩余的CO2走旁路系统。
本发明利用余热进行发电的步骤如下：(a)先让除第一做功子系统U1以外的子系统停运，即关闭除第一做功子系统U1以外的所有做功子系统的进汽阀门16和排汽阀门17，调节启停旁路系统流量，即调节第一旁路阀门24、第二旁路阀门25和第三旁路阀门28(使没有作功的CO2直接经第三冷凝系统27冷却后进入主压缩机21进行压缩，之后再进入提纯过冷装置，直接封存)，开启主汽阀门26。(b)开启启动电机15，启动电机15拖动主轴旋转，通过第一压缩机4先将来流的CO2气体加压到超临界压力，然后到第一膨胀机12膨胀作功，排汽经第一回热加热器8和低品质给水换热后到第二压缩机11进行压缩，之后到第一冷凝系统3中冷却，再到第三压缩机10压缩，然后超临界压力下的CO2到锅炉尾部烟道加热到超临界温度，再到第二膨胀机5做功，排汽经第二回热加热器9加热低温低压给水，(以上过程均在第一做功子系统U1中完成)之后冷CO2到第二冷凝系统19中进一步冷却，然后经排汽母管13到主压缩机21压缩，之后到过冷提纯装置、过冷器，排汽最后进入封存装置。当启动电机15无有功功率输出时，自动启动第二做功子系统U2，同时对第一做功子系统U1增加负荷，与启动电机15一起完成第二做功子系统U2的压缩过程，启动第二做功子系统U2的方式与第一做功子系统U1一致，当第二做功子系统U2启动完毕后，如果还有后续做功子系统则可以对后续做功子系统进行多台同时启动以加快启动速率。此时，可以对已经启动了的子系统增加负荷与启动电机共同完成启动，当所有的子系统都启动而且启动电机的输出有功功率为零时，启动完毕，启动电机解列，几个做功子系统共同拖动发电机的主轴转动，当发电机转速达到3000r/min时，发电机并列带负荷，此时可以均匀地分配各做功子系统的负荷。在启动过程中，每增加一个子系统，已经启动的子系统就要增加一部分负荷，启停旁路系统就自动减少流量。
在系统稳定运行过程中，可以随意开启或关闭各做功子系统，结合启停旁路系统来调节输出功率，而且当某个做功子系统出现故障时，可以在不停机的情况下对其进行检修。
上述实施例仅仅是本发明优选的几个实施方式，其描述只是为了解释本发明的原理,而并非对本发明保护范围的限制。凡本领域技术人员在不需要付出创造性劳动的情况下作出的其它实施方式,都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，其特征是，所述发电系统包括碳捕集系统和超临界CO2布雷顿循环发电系统，所述碳捕集系统包括再生分离器(23)、主压缩机(21)和封存装置(1)，所述超临界CO2布雷顿循环发电系统的工质入口接再生分离器(23)的排汽口，超临界CO2布雷顿循环发电系统的工质出口接主压缩机(21)的进汽口，所述主压缩机(21)的排汽口接封存装置(1)；
所述超临界CO2布雷顿循环发电系统包括汽轮发电机(6)、启动电机(15)、通过主汽阀门(26)与再生分离器(23)的排汽口相接的进汽母管(14)、与主压缩机(21)的进汽口相接的排汽母管(13)和并接于进汽母管(14)与排汽母管(13)之间的多个做功子系统，每个做功子系统包括进汽阀门(16)、排汽阀门(17)、CO2蒸发与过热装置(7)以及与启动电机(15)和汽轮发电机(6)同轴连接的三台压缩机和两台膨胀机，再生分离器(23)排入进汽母管(14)中的CO2气体经进汽阀门(16)进入第一压缩机(4)，由第一压缩机(4)加压到超临界状态后进入第一膨胀机(12)膨胀做功，第一膨胀机(12)的排汽依次经第二压缩机(11)和第三压缩机(10)加压到超临界压力，再由锅炉尾部烟道中的CO2蒸发与过热装置(7)加热到超临界状态后，进入第二膨胀机(5)做功，第二膨胀机(5)的排汽经排汽阀门(17)进入排汽母管(13)，再由排汽母管(13)进入碳捕集系统的主压缩机(21)。
2.根据权利要求1所述的一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，其特征是，所述做功子系统还包括两个冷凝系统和两个回热加热器，第一回热加热器(8)接于第一膨胀机(12)与第二压缩机(11)之间，第一冷凝系统(3)对第二压缩机(11)的排汽进行冷却，第二回热加热器(9)和第二冷凝系统(19)接于第二膨胀机(5)与排汽阀门(17)之间。
3.根据权利要求2所述的一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，其特征是，所述超临界CO2布雷顿循环发电系统设有启停旁路系统，所述启停旁路系统包括第三冷凝系统(27)和三个旁路阀门，第三冷凝系统(27)的进汽口通过第一旁路阀门(24)与再生分离器(23)的排汽口连接，第三冷凝系统(27)的排汽口通过第二旁路阀门(25)与进汽母管(14)连接，第三旁路阀门(28)接于进汽母管(14)与主压缩机(21)的进汽口之间。
4.根据权利要求3所述的一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，其特征是，所述碳捕集系统的主压缩机(21)与封存装置(1)之间设有过冷提纯装置(18)、过冷器(2)和两个不提纯旁路阀，所述过冷提纯装置(18)的进汽口通过第一不提纯旁路阀(22)接主压缩机(21)的排汽口，过冷提纯装置(18)的排汽口接封存装置(1)；所述过冷器(2)的进汽口通过第二不提纯旁路阀(20)接主压缩机(21)的排汽口，过冷器(2)的排汽口接封存装置(1)。
5.根据权利要求4所述的一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，其特征是，所述第一回热加热器(8)和第二回热加热器(9)均为低温翅片换热器，所述CO2蒸发与过热装置(7)为陶瓷或玻璃加热器。
6.根据权利要求5所述的一种碳捕集与超临界CO2布雷顿循环耦合的发电系统，其特征是，所述第一膨胀机(12)和第二膨胀机(5)均选用螺杆膨胀机。
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