CN106321177B - 一种实现co2分离和捕集的超临界co2发电装置及方法 - Google Patents

一种实现co2分离和捕集的超临界co2发电装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置及方法，该装置包括CO2捕集单元，化学链燃烧单元，超临界CO2循环发电单元。CO2捕集单元由压缩机和换热器组成；化学链燃烧单元由燃料反应器和空气反应器组成；超临界CO2循环发电单元由透平，压缩机，换热器组成。化学链燃烧的方式处理燃料，具有烟气污染物NOx含量低，可内分离CO2，无需空分装置和吸附脱附塔的优点；超临界CO2循环发电采用回热和再热结合，系统热效率高；CO2工质分别在燃料反应器和氧化反应器后两块区域吸热，适应燃料热值和负荷变化的能力强；燃烧产物CO2压缩过程利用空冷和冷工质降温，压缩效率高，系统热损失小。

Description

一种实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置及方法
技术领域
本发明是一种实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置及方法，特别是基于化学链燃烧法提供热量和实现燃烧产物CO2分离并结合超临界CO2发电的装置和方法。
背景技术
《中美气候变化联合声明》规定中国将在2030年前停止CO2排放量的增加，火力发电作为主要的碳排放来源之一，减排必不可少。将CO2捕集和储存技术和发电设备结合，是大幅度减少火电站CO2排放的有效措施，利用空气分离设备分离纯氧燃烧和吸附脱附塔捕集产物中的CO2是目前常规且成熟的两种技术。电站耦合常规技术后会导致设备繁多和系统复杂的问题，大量附属设备也使电厂自耗电更高，降低了其整体发电效率。化学链燃烧是指通过载氧体的转移，将传统的空气和燃料接触的反应分离成空气反应器和燃料反应器中的两块反应，这种燃烧方式具有在空气中燃烧下具备内富集CO2的优势，因此利用化学链燃烧的方式捕集CO2可以省去高耗能的空分装置和吸附塔等设备，更廉价高效。
常规的火力发电系统采用了水蒸汽作为循环工质，但水蒸汽乏气在冷凝过成中有大量的汽化潜热放出，这部分热被冷却水带走无法利用，造成了较大的冷端损失。超临界CO2发电技术是一种新型发电技术，利用超临界CO2作为循环工质，由于的工质CO2在循环中冷凝时没有汽化潜热，冷端损失远小蒸汽系统。超临界CO2发电系统通常结合大回热循环，工质平均吸热温度远高于蒸汽系统，根据卡诺循环原理，平局吸热温度越高，热效率更高。根据文献报道，在以煤作为燃料时超临界CO2循环发电的效率比常规电站的效率高出5-10％，是一种未来极具潜力的能源转化方式。
在能源利用高效率低排放的战略目标下，兼具高效捕集CO2和高循环效率的新型发电模式将拥有广阔的应用前景。
发明内容
技术问题：本发明基于化学链燃烧和超临界CO2发电理论，通过部署设备，设计合理的换热流程，提出了一种实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置及方法。
本发明的一种实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置如下：
该装置包括CO2捕集单元，化学链燃烧单元和超临界CO2循环发电单元；
化学链燃烧单元主体由燃料反应器和空气反应器组成，燃料反应器上端出口连接第一旋风分离器，第一旋风分离器底部通过第一立管连接燃料反应器的中部，第一旋风分离器顶部出口连接过热器；内部布置水冷壁的空气反应器上端出口连接第二旋风分离器，第二旋风分离器底部通过第二立管连接燃料反应器，第二旋风分离器顶部出口连接再热器；燃料反应器和空气反应器下端通过返料管相连；
超临界CO2循环发电单元包括透平、第一压缩机、第二压缩机、再热器、冷凝器、省煤器，第二压缩机出口气体分为两条支路即第五支路⑤、第六支路⑥，第五支路⑤通过省煤器连接水冷壁进水口，第六支路⑥通过换热器连接过热器，水冷壁出口、过热器出口、第五支路⑤、第六支路⑥汇合连接透平的高压缸；透平中部抽汽管路经过再热器后连接透平的中压缸；透平出口管道经过省煤器后分为第三支路③和第四支路④，第三支路③连接压缩机入口，压缩机出口汇合第六支路⑥连接过热器，第四支路④连接冷凝器，冷凝器出口连接压缩机；
CO2捕集单元包括换热器过热器、空气预热器、换热器和压缩机，过热器出口分为第一支路①、第二支路②，第一支路①连接给煤管路相连，第二支路②与空气预热器相连，空气预热器出口与CO2压缩机相连，CO2压缩机出口连接换热器；
燃料被第一支路①的CO2和H2O预热后，被CO2送入燃料反应器；空气经空气预热器预热后进入空气反应器。
所述燃料反应器处于鼓泡流态化，采用CO2作为流化介质，空气反应器处于快速流化态，采用空气为流化介质。
本发明的实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置的发电方法如下：
燃料被过热器出口燃烧产物CO2预热后，从底部被送入燃料反应器，与高温的载氧体MOx发生还原反应，反应产物经旋风分离器离开燃料反应器，温度为800-950℃的含有少量水蒸气的CO2从旋风分离器顶端离开进入过热器，分离剩下的固体经第一立管返回燃料反应器，载氧体被还原为MOx-1，并通过返料管进入空气反应器；空气在空气预热器被燃烧产物CO2加热后进入空气反应器，流化并氧化载氧体MOx-1，固体产物MOx和反应后气体从上部离开空气反应器并经过旋风分离器分离，反应后气体经上部管道进入再热器，出口气体温度在 850-1000℃之间，MOx经过下降管进入燃料反应器；
超临界CO2工质在燃料反应器出口、空气反应器出口和自身回热的换热器三块区域吸热；工质CO2被冷水冷却至20-40℃后，被压缩机压缩至约30-35MPa；其后支路⑤工质在省煤器吸收空气反应器出口气体和做功后CO2乏气的热量后温度升至500℃-530℃，经水冷壁继续吸热至温度约为600-630℃，然后进入透平高压缸做功；第六支路⑥工质在换热器吸收压缩CO2产生的热后，进入过热器吸收燃料反应器气体产物CO2的热量，至600-630℃后进入透平高压缸做功；工质在高压缸做功后，进入再热器中吸热至600-630℃进透平中压缸做功；透平出口工质进入省煤器对入口低温工质加热，降温后的工质在第三支路③被压缩机压缩至30-35MPa，与换热器出口的工质混合，在支路④进入冷凝器冷却后进入压缩机返回循环初始点；
燃料反应器出口气体的混有少量水蒸气的高温CO2，在再热器中加热超临界 CO2工质后，一部分通过支路①返回燃料反应器，预热和流化燃料，另一部分通过支路②被空气预热器中的空气冷却并被除去水后，进入压缩机被压缩至高压高温，高温CO2气体在换热器冷却成为冷CO2用于储存。
燃料燃烧采用化学链燃烧方式，燃料类型包括煤、甲烷、重油，通过化学链燃烧达到分离燃烧产物CO2的目的。
所述换热器和压缩机实现回热循环，提高发电系统的热效率。
所述的CO2工质在燃料反应器出口、空气反应器出口两侧吸热。
燃料反应器出口CO2在经过降温后循环使用，一部分用于加热燃料并流化燃料和载氧体，一部分抽出继续冷却并被除去水后压缩储存，维持反应器内气体量平衡。
所述空气预热器对压缩机前的CO2进行空冷，通过换热器(1-4)回收压缩气体产生的热，减少热损失。
燃料反应器出口气体的混有少量水蒸气的高温CO2，在再热器中加热超临界 CO2工质后，一部分返回燃料反应器，预热和流化燃料，另一部分被空气预热器中的空气冷却并除去水后，进入CO2压缩机被压缩至高温高压，压缩后温度较高的流体在后置的换热器中冷却后储存。
有益效果：
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发电装置可以在燃料燃烧发电的同时捕集CO2，减少温室气体的排放。
(2)本发电装置利用化学链燃烧的内分离CO2特点捕集CO2，不需要通过添加附属设备如空分装置或者吸附脱附塔装置，捕集方式更高效节能。
(3)本发明装置通过化学链燃烧方式利用燃料热能，燃烧的还原性气氛使产物中NOx污染物更低。
(4)本发电装置通添加换热器，充分利用了压缩机后的产热，系统热量浪费少，热效率高。
(5)本发电设备发电循环工质为超临界CO2，该工质的电站循环冷端热损失小，回热循环使工质平均吸热温度高，在同样主气参数下，相比以水蒸汽为工质的系统具有更高的电站热效率。
(6)本发电设备对燃料热值的变化或者负荷的临时变化时具有更好的调节性。阀门可以调节工质CO2在空气反应器侧和燃料反应器侧的吸热比例，可以应对负荷变化时的调节，当负荷要求上升，燃料量增加时，还原段燃料吸热更多，温度低，则控制使流向燃料反应器侧的CO2工质减少，减少吸热，空气反应器侧的流量增大，增加吸热应对负荷变化。
附图说明
图1是本发明的实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置的流程构造示意图：
图中：过热器1-1；空气预热器1-2；压缩机1-3、换热器1-4；燃料反应器 2-1；氧化反应器2-2；第一旋风分离器2-1a、第二旋风分离器2-2a；第一立管 2-1b、第二立管2-2b；返料器2-1c；水冷壁2-2c；再热器3-1；第一压缩机3-2；透平3-3；冷凝器3-4；省煤器3-5；第二压缩机3-6；冷凝水A；冷空气B；压缩储存的CO2C；氧化态载氧体Mox D；还原态载氧体MOx-1E；燃料F；冷却水G，反应后空气H。
具体实施方式
实例一：
图1为CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置流程原理图：装置包括CO2捕集单元1，化学链燃烧单元2和超临界CO2循环发电单元3。
本发明实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置如下：
化学链燃烧单元2主体由燃料反应器2-1和空气反应器2-2组成。燃料反应器2-1上端出口连接旋风分离器2-1a，旋风分离器2-1a底部出口通过立管连接燃料反应器2-1，顶部出口连接过热器1-1；内部布置水冷壁2-2c的空气反应器 2-2上端出口连接旋风分离器2-2a，旋风分离器2-2a底部出口通过立管2-2b连接燃料反应器2-1，顶部出口连接再热器3-1；燃料反应器2-1和空气反应器2-2 下端通过返料管2-1c相连。
超临界CO2循环发电单元3由透平3-3，压缩机3-2、3-6，换热器3-1、3-4、 3-5组成。压缩机3-6出口分为第五支路⑤、第六支路⑥，第五支路⑤连接省煤器3-5并在出口连接水冷壁2-2b入口，支路⑥连接换热器1-4后连接过热器1-1，水冷壁2-2b出口和过热器1-1出口第五支路⑤、第六支路⑥汇合后进入透平3-3 的高压缸；透平3-3中部抽汽管路经过再热器3-1后连接透平3-3中压缸；透平 3-3出口管道经过省煤器3-5分为第三支路③和第四支路④，第三支路③连接压缩机3-2入口，压缩机3-2出口汇合支路⑥连接过热器1-1，第四支路④连接冷凝器3-4，冷凝器3-4出口连接压缩机3-6。
CO2捕集单元1包括换热器1-1、1-2、1-4和压缩机1-3。过热器1-1出口分为第一支路①、第二支路②，第一支路①连接给煤管路相连，第二支路②与空气预热器1-2相连，空气预热器1-2出口与CO2压缩机1-3相连，CO2压缩机1-3 出口连接换热器1-4。
燃料F被第一支路①的CO2和H2O预热后，通过气力输送的方式被CO2送入燃料反应器2-1；空气B经空气预热器1-2预热后进入空气反应器2-2。
本发明装置工作方式如下：
燃料F被过热器1-1出口燃烧产物CO2预热至400-450℃后，从底部被送入燃料反应器2-1，与温度为900-1000℃的载氧体MOxD发生还原反应，产物经旋风分离器2-1a离开燃料反应器2-1，温度为800-950℃的含有少量水蒸气的CO2从旋风分离器2-1a顶端离开进入过热器1-1，剩下的燃料灰分和载氧体等经下降管2-1b返回燃料反应器2-1，载氧体被还原为MOx-1E，并通过返料管2-1c进入空气反应器2-2；空气B在空气预热器1-2被燃烧产物CO2加热至300-350℃后进入空气反应器2-2，和载氧体MOx-1E发生氧化反应，反应温度在900-100℃之间，压力为常压，固体产物MOxD和反应后气体从上部离开空气反应器2-2 并经过旋风分离器2-2a分离，反应后气体H经上部管道进入再热器3-1，出口气体温度在850-1000℃之间，MOxD经过下降管2-1进入燃料反应器2-1。
工质CO2被冷水G冷却至20-40℃后，被压缩机3-6压缩至约30-35MPa；其后第五支路⑤工质在省煤器3-5吸收空气反应器2-2出口气体和做功后CO2乏气的热量后，温度升高至500-530℃，再经水冷壁2-2b继续吸热至温度约为 600-630℃后进入透平3-3高压缸做功；第六支路⑥工质在换热器1-4吸收压缩 CO2产生的热后，进入过热器1-1吸收燃料反应器气体产物CO2的热量，至 600-630℃后进入透平3-3高压缸做功；工质在高压缸做功后，压力下降至 15-20MPa，温度下降至520-560℃，进入再热器3-1中吸热至600-630℃进透平 3-3中压缸做功；透平3-3出口工质压力下降至7-9MPa，温度下降至520-560℃，乏气进入省煤器3-5放出热量后的工质在第三支路③被压缩机3-2压缩至 30-35MPa，与换热器1-4出口的工质混合成为做功工质，在第四支路④进入冷凝器3-4冷却后进入压缩机3-6。
燃料反应器2-1出口气体的混有少量水蒸气的高温CO2，在再热器1-1中加热超临界CO2工质后，一部分通过第一支路①返回燃料反应器2-1，预热和流化燃料F，另一部分通过第二支路②被空气预热器1-2中的20-35℃空气冷却至 60-90℃并被除去水A后，进入压缩机1-3被压缩至高压高温，高温CO2气体在换热器1-4冷却成为冷CO2C用于储存。
本装置中发电的循环工质CO2在燃料反应器2-1出口、空气反应器2-2出口分别吸热，这种分段吸热方式的存在可以提高系统应对燃料热值变化或系统负荷变化的能力。时当负荷要求上升，燃料量增加时，燃料反应器段还原反应吸热更多，温度低，则降低第三支路③和第六支路⑥的流量使流向燃料反应器2-1侧的 CO2工质减少，减少吸热，空气反应器2-2侧的流量则会增大，吸热量增加，应对负荷变化。

Claims (8)

1.一种实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置，其特征在于：该装置包括CO2捕集单元(1)，化学链燃烧单元(2)和超临界CO2循环发电单元(3)；
化学链燃烧单元(2)主体由燃料反应器(2‐1)和空气反应器(2‐2)组成，燃料反应器(2‐1)上端出口连接第一旋风分离器(2‐1a)，第一旋风分离器(2‐1a)底部通过第一立管(2‐1b)连接燃料反应器(2‐1)的中部，第一旋风分离器(2‐1a)顶部出口连接过热器(1‐1)；内部布置水冷壁(2‐2c)的空气反应器(2‐2)上端出口连接第二旋风分离器(2‐2a)，第二旋风分离器(2‐2a)底部通过第二立管(2‐2b)连接燃料反应器(2‐1)，第二旋风分离器(2‐2a)顶部出口连接再热器(3‐1)；燃料反应器(2‐1)和空气反应器(2‐2)下端通过返料管(2‐1c)相连；
超临界CO2循环发电单元(3)包括透平(3‐3)、第一压缩机(3‐2)、第二压缩机(3‐6)、再热器(3‐1)、冷凝器(3‐4)、省煤器(3‐5)，第二压缩机(3‐6)出口气体分为两条支路即第五支路⑤、第六支路⑥，第五支路⑤通过省煤器(3‐5)连接水冷壁(2‐2c)进水口，第六支路⑥通过换热器(1‐4)连接过热器(1‐1)，水冷壁(2‐2b)出口、过热器(1‐1)出口、第五支路⑤、第六支路⑥汇合连接透平(3‐3)的高压缸；透平(3‐3)中部抽汽管路经过再热器(3‐1)后连接透平(3‐3)的中压缸；透平(3‐3)出口管道经过省煤器(3‐5)后分为第三支路③和第四支路④，第三支路③连接第一压缩机(3‐2)入口，第一压缩机(3‐2)出口汇合第六支路⑥连接过热器(1‐1)，第四支路④连接冷凝器(3‐4)，冷凝器(3‐4)出口连接第二压缩机(3‐6)；
CO2捕集单元(1)包括过热器(1‐1)、空气预热器(1‐2)、换热器(1‐4)和第三压缩机(1‐3)，过热器(1‐1)出口分为第一支路①、第二支路②，第一支路①与给煤管路相连，第二支路②与空气预热器(1‐2)相连，空气预热器(1‐2)出口与第三压缩机(1‐3)相连，第三压缩机(1‐3)出口连接换热器(1‐4)；
燃料(F)被第一支路①的CO2和H2O预热后，被CO2送入燃料反应器(2‐1)；空气(B)经空气预热器(1‐2)预热后进入空气反应器(2‐2)。
2.根据权利要求1所述的实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置，其特征在于：所述燃料反应器(2‐1)处于鼓泡流化态，采用CO2作为流化介质，空气反应器(2‐2)处于快速流化态，采用空气为流化介质。
3.一种如权利要求1所述的实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置的发电方法，其特征在于：所述燃料(F)被第一支路①的CO2和H2O预热后，从底部被送入燃料反应器(2‐1)，与高温的载氧体MOx(D)发生还原反应，反应产物经第一旋风分离器(2‐1a)离开燃料反应器(2‐1)，温度为800‐950℃的含有少量水蒸气的CO2从第一旋风分离器(2‐1a)顶端离开进入过热器(1‐1)，分离剩下的固体经第一立管(2‐1b)返回燃料反应器(2‐1)，载氧体被还原为MOx‐1(E)，并通过返料管(2‐1c)进入空气反应器(2‐2)；空气(B)在空气预热器(1‐2)被燃烧产物CO2加热后进入空气反应器(2‐2)，流化并氧化载氧体MOx‐1(E)，固体产物MOx(D)和反应后气体从上部离开空气反应器(2‐2)并经过第二旋风分离器(2‐2a)分离，反应后气体(H)经上部管道进入再热器(3‐1)，出口气体温度在850‐1000℃之间，MOx(D)经过第二立管(2‐2b)进入燃料反应器(2‐1)；
超临界CO2工质在燃料反应器(2‐1)出口、空气反应器(2‐2)出口和自身回热的省煤器(3‐5)三块区域吸热；工质CO2被冷水(G)冷却至20‐40℃后，被第二压缩机(3‐6)压缩至30‐35MPa；其后第五支路⑤工质在省煤器(3‐5)吸收空气反应器(2‐2)出口气体和做功后CO2乏气的热量后温度升至500℃‐530℃，经水冷壁(2‐2c)继续吸热至温度为600‐630℃，然后进入透平(3‐3)高压缸做功；第六支路⑥工质在换热器(1‐4)吸收压缩CO2产生的热后，进入过热器(1‐1)吸收燃料反应器气体产物CO2的热量，至600‐630℃后进入透平(3‐3)高压缸做功；工质在高压缸做功后，进入再热器(3‐1)中吸热至600‐630℃进透平(3‐3)中压缸做功；透平(3‐3)出口工质进入省煤器(3‐5)对入口低温工质加热，降温后的工质在第三支路③被第一压缩机(3‐2)压缩至30‐35MPa，与换热器(1‐4)出口的工质混合，在第四支路④进入冷凝器(3‐4)冷却后进入第二压缩机(3‐6)返回循环初始点；
燃料反应器(2‐1)出口气体的混有少量水蒸气的高温CO2，在过热器(1‐1)中加热超临界CO2工质后，一部分通过第一支路①返回燃料反应器(2‐1)，预热和流化燃料(F)，另一部分通过第二支路②被空气预热器(1‐2)中的空气冷却并被除去水(A)后，进入第三压缩机(1‐3)被压缩至高压高温，高温CO2气体在换热器(1‐4)冷却成为冷CO2(C)用于储存。
4.根据权利要求3所述的实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置的发电方法，其特征在于：燃料(F)燃烧采用化学链燃烧方式，燃料类型包括煤、甲烷、重油，通过化学链燃烧达到分离燃烧产物CO2的目的。
5.根据权利要求3所述的实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置的发电方法，其特征在于：所述省煤器(3‐5)和第一压缩机(3‐2)实现回热循环，提高发电系统的热效率。
6.根据权利要求3所述的实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置的发电方法，其特征在于：所述的CO2工质在燃料反应器(2‐1)出口、空气反应器(2‐2)出口两侧吸热。
7.根据权利要求3所述的实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置的发电方法，其特征在于，燃料反应器出口CO2在经过降温后循环使用，一部分用于加热燃料并流化燃料和载氧体，一部分抽出继续冷却并被除去水后压缩储存，维持反应器内气体量平衡。
8.根据权利要求3所述实现CO2分离和捕集的超临界CO2发电装置的发电方法，其特征在于，所述空气预热器(1‐2)对第三压缩机(1‐3)前的CO2进行空冷，通过换热器(1‐4)回收压缩气体产生的热，减少热损失。
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