CN106345265B - 集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氧化钙循环脱碳技术领域，特别涉及一种集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统。本发明从提高整个系统热效率的角度进行了带二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统与传统燃煤电站以及余热锅炉系统的集成。集成单元包括600MW超临界燃煤电站系统、带二次碳化过程的氧化钙循环脱碳系统、三压再热余热锅炉系统、CO2压缩系统。本发明可以极大地降低钙吸收剂的循环量和煅烧器的能耗，同时解决了二次碳化器能耗大的问题，相比传统的集成方式具有显著的热力学优势和经济性能优势。

Description

集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统
技术领域
本发明属于氧化钙循环脱碳技术领域，特别涉及一种集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统。
背景技术
过量温室气体的排放对自然生态系统及人类生活环境造成了一系列的影响。随着人类社会的发展，全球温室气体排放量还在逐年升高，其中CO2占到温室气体排放总量的60％。传统化石燃料电站是工业生产中最集中的二氧化碳排放源之一，因此化石燃料电站的碳减排成为近年来的研究热点。
带二次碳化过程的氧化钙循环脱碳系统在传统的双流化床氧化钙循环脱碳流程基础上进行改进，可有效地将钙吸收剂的活性提高两倍以上。新系统在碳化器后增加了一个二次碳化反应器，从煅烧器中抽出煅烧器生成的高浓度CO2与碳化器中排出的吸收剂进行饱和碳酸化反应，以提高CaO颗粒吸收CO2的能力，进而减少脱碳系统中钙吸收剂的质量以及新鲜吸收剂的补充量。但带二次碳化过程的氧化钙循环脱碳系统中一次碳化器与二次碳化器均会产生大量高品质的热量，如果不对这部分能量加以妥善的利用，将会造成极大的能量浪费。
发明内容
本发明公开了一种集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统及应用，具体技术方案如下：
集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统，其中，一次碳化器1、第一分离器2、二次碳化器3、第二分离器4、第三分离器5、第四换热器6、煅烧器7、第四分离器8、第五分离器9、第三换热器10、一次碳化器1依次相连；第四分离器8与二次碳化器3相连；第三换热器10与煅烧器7相连；第五分离器9与第五换热器11相连；
凝汽器13、给水泵a1、低压省煤器LPE依次相连，并在低压省煤器LPE处分为三路，第一路依次经低压蒸发器LPB、低压过热器LPS通入汽轮机低压缸LP；第二路依次经中压省煤器IPE、中压蒸发器IPB、中压过热器IPS、再热器RH通入汽轮机中压缸IP；第三路依次经第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2、高压蒸发器HPB、高压过热器HPS进入汽轮机高压缸HP。
还包括CO2压缩系统，由泵22、第六换热器b1、第一压缩机c1、第七换热器b2、第二压缩机c2、第八换热器b3、第三压缩机c3、第九换热器b4、第四压缩机c4和第十换热器b5依次连接组成。
如上所述的燃煤电站系统的应用：
燃煤电站排出的烟气流入一次碳化器1并与CaO固体流反应生成CaCO3，脱除85％的CO2后进入第一分离器2；CaO固体流经第一分离器2分离后，未反应的部分进入二次碳化器3，与从煅烧器7中排出并经第四分离器8分离的高温高浓度CO2流进行饱和碳酸反应，之后进入第二分离器4，分离出的高温CO2流进入余热锅炉回收热量，分离出的吸收剂固体进入第三分离器5，排出废弃固体流，包括部分失活的CaCO3、CaO和CaSO4；排出的废弃固体流与将要进入煅烧器7的新鲜石灰石固体在第四换热器6中换热，之后进入煅烧器7中煅烧；煅烧器7中CaCO3受热全部分解为CaO，生成高浓度的CO2；CaO和CO2混合流进入第四分离器8，分离出的高温高浓度CO2流进入二次碳化器3，CaO固体流在第五分离器9中排出灰渣后，在第三换热器10中与即将进入煅烧器7的纯氧进行热交换，之后再次进入一次碳化器1；第五分离器9中排出的高温灰渣与即将进入煅烧器的优质煤粉在第五换热器11中进行热交换，温度降至60℃。
所述二次碳化器3反应后释放的热量Qrecar在第二换热器19中加热脱碳系统脱碳后的贫CO2电站烟气，使烟气温度从650℃提升至695℃，之后与二次碳化器3中排出的高浓度CO2一起引入余热锅炉做功，余热锅炉排烟温度为81.2℃。之后，将一次碳化器1释放的热量Qcar引入余热锅炉部分，在第一换热器12中将余热锅炉排出的冷CO2气体加热到638℃，再热后的CO2气体再次进入余热锅炉产生蒸汽，之后经净化模块14去除杂质后进入压缩系统，流程中增加风机18以提高CO2气体进入余热锅炉前的压力。
从汽轮机低压缸LP排出的蒸汽经凝汽器13、给水泵a1进入低压省煤器LPE，出口工质分成三股，其中一股经低压汽包17、低压蒸发器LPB后变成低压饱和蒸汽，最终在低压过热器LPS中吸热变成低压过热蒸汽与中压缸IP排汽混合通入低压缸LP，做功后的蒸汽流入冷凝器；第二股工质经中压给水泵a3加压，依次流经中压省煤器IPE、中压汽包16、中压蒸发器IPB、中压过热器IPS，完成过冷水到中压饱和水、中压饱和蒸汽、中压过热蒸汽的转化过程，最终和高压缸HP排汽混合进入再热器RH，工质再热后进入汽轮机中压缸IP；第三股给水经高压给水泵a2加压后依次进入第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2、高压汽包15、高压蒸发器HPB、高压过热器HPS，吸收排烟热量成为高压过热蒸汽，之后进入汽轮机高压缸HP做功。
经余热锅炉余热回收后的CO2气体流温度下降至70℃～90℃，在第十换热器b5中进一步降温，在净化模块14中去除杂质气体，之后进入CO2压缩系统回收。
本发明采用四级间冷压缩(由泵、压缩机和换热器组成的系统，即由泵22、第六换热器b1、第一压缩机c1、第七换热器b2、第二压缩机c2、第八换热器b3、第三压缩机c3、第九换热器b4、第四压缩机c4和第十换热器b5依次连接组成的系统)，将常压CO2从0.1MPa压缩至7.9MPa，冷却至常温后，CO2液化，然后由泵将压力提升至11MPa，储存CO2。
所述第三换热器10、第四换热器6、第五换热器11分别利用高温CaO固体(950℃)、高温失活固体(750℃)和高温灰渣(950℃)加热即将进入煅烧器的纯氧、即将进入煅烧器的新鲜石灰石固体和即将进入煅烧器的优质煤粉。
本发明从提高整个系统热效率的角度进行了带二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统与传统燃煤电站以及余热锅炉系统的集成。集成单元包括600MW超临界燃煤电站系统、带二次碳化过程的氧化钙循环脱碳系统、三压再热余热锅炉系统、CO2压缩系统。
本发明的有益效果为：
(1)二次碳化过程的引入在一定程度上提升CaO吸收剂的循环活性，因而可减少循环中CaO吸收剂的质量和新鲜吸收剂的补充量，降低了煅烧器部分的能耗，提升了系统总效率。
(2)充分利用了一次碳化器释放的高品位热量Qcar，将余热锅炉排出的冷CO2气体再热，通过CO2气体的再循环以达到回收热量Qcar，增加余热锅炉出功的目的。
(3)充分利用了二次碳化器释放的高品位热量Qrecar，将脱碳后的电站烟气温度尽可能提升，以达到回收热量Qrecar，增加余热锅炉出功的目的。
附图说明
图1为本发明所述集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统流程示意图。
图中各编号的具体含义为：1-一次碳化器；2-第一分离器；3-二次碳化器；4-第二分离器；5-第三分离器；6-第四换热器；7-煅烧器；8-第四分离器；9-第五分离器；10-第三换热器；11-第五换热器；12-第一换热器；13-凝汽器；14-净化模块；15-高压汽包；16-中压汽包；17-低压汽包；18-风机；19-第二换热器；20-燃煤电站；21-发电机；22-泵；23-发电机；HP-汽轮机高压缸；IP-汽轮机中压缸；LP-汽轮机低压缸；LPE-低压省煤器；LPB-低压蒸发器；LPS-低压过热器；IPE-中压省煤器；IPB-中压蒸发器；IPS-中压过热器；HPE1-第一级高压省煤器；HPE2-第二级高压省煤器；HPB-高压蒸发器；HPS-高压过热器；RH-再热器；a1-给水泵，a2-高压给水泵，a3-中压给水泵；b1-第六换热器，b2-第七换热器，b3-第八换热器，b4-第九换热器，b5-第十换热器；c1-第一压缩机，c2-第二压缩机，c3-第三压缩机，c4-第四压缩机；Qrecar为二次碳化器的余热耗散；Qcar为脱碳系统中一次碳化器的热耗散；
具体实施方式
本发明提供了一种集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统及应用，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示的集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统，其中，一次碳化器1、第一分离器2、二次碳化器3、第二分离器4、第三分离器5、第四换热器6、煅烧器7、第四分离器8、第五分离器9、第三换热器10、一次碳化器1依次相连；第四分离器8与二次碳化器3相连；第三换热器10与煅烧器7相连；第五分离器9与第五换热器11相连；
凝汽器13、给水泵a1、低压省煤器LPE依次相连，并在低压省煤器LPE处分为三路，第一路依次经低压蒸发器LPB、低压过热器LPS通入汽轮机低压缸LP；第二路依次经中压省煤器IPE、中压蒸发器IPB、中压过热器IPS、再热器RH通入汽轮机中压缸IP；第三路依次经第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2、高压蒸发器HPB、高压过热器HPS进入汽轮机高压缸HP。
还包括CO2压缩系统，由泵22、第六换热器b1、第一压缩机c1、第七换热器b2、第二压缩机c2、第八换热器b3、第三压缩机c3、第九换热器b4、第四压缩机c4和第十换热器b5依次连接组成。
如上所述的燃煤电站系统的应用：
燃煤电站排出的烟气流入一次碳化器1并与CaO固体流反应生成CaCO3，脱除85％的CO2后进入第一分离器2；CaO固体流经第一分离器2分离后，未反应的部分进入二次碳化器3，与从煅烧器7中排出并经第四分离器8分离的高温高浓度CO2流进行饱和碳酸反应，之后进入第二分离器4，分离出的高温CO2流进入余热锅炉回收热量，分离出的吸收剂固体进入第三分离器5，排出废弃固体流，包括部分失活的CaCO3、CaO和CaSO4；排出的废弃固体流与将要进入煅烧器7的新鲜石灰石固体在第四换热器6中换热，之后进入煅烧器7中煅烧；煅烧器7中CaCO3受热全部分解为CaO，生成高浓度的CO2；CaO和CO2混合流进入第四分离器8，分离出的高温高浓度CO2流进入二次碳化器3，CaO固体流在第五分离器9中排出灰渣后，在第三换热器10中与即将进入煅烧器7的纯氧进行热交换，之后再次进入一次碳化器1；第五分离器9中排出的高温灰渣与即将进入煅烧器的优质煤粉在第五换热器11中进行热交换，温度降至60℃。
所述二次碳化器3反应后释放的热量Qrecar在第二换热器19中加热脱碳系统脱碳后的贫CO2电站烟气，使烟气温度从650℃提升至695℃，之后与二次碳化器3中排出的高浓度CO2一起引入余热锅炉做功，余热锅炉排烟温度为81.2℃。之后，将一次碳化器1释放的热量Qcar引入余热锅炉部分，在第一换热器12中将余热锅炉排出的冷CO2气体加热到638℃，再热后的CO2气体再次进入余热锅炉产生蒸汽，之后经净化模块14去除杂质后进入压缩系统，流程中增加风机18以提高CO2气体进入余热锅炉前的压力。
从汽轮机低压缸LP排出的蒸汽经凝汽器13、给水泵a1进入低压省煤器LPE，出口工质分成三股，其中一股经低压汽包17、低压蒸发器LPB后变成低压饱和蒸汽，最终在低压过热器LPS中吸热变成低压过热蒸汽与中压缸IP排汽混合通入低压缸LP，做功后的蒸汽流入冷凝器；第二股工质经中压给水泵a3加压，依次流经中压省煤器IPE、中压汽包16、中压蒸发器IPB、中压过热器IPS，完成过冷水到中压饱和水、中压饱和蒸汽、中压过热蒸汽的转化过程，最终和高压缸HP排汽混合进入再热器RH，工质再热后进入汽轮机中压缸IP；第三股给水经高压给水泵a2加压后依次进入第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2、高压汽包15、高压蒸发器HPB、高压过热器HPS，吸收排烟热量成为高压过热蒸汽，之后进入汽轮机高压缸HP做功。
经余热锅炉余热回收后的CO2气体流温度下降至70℃～90℃，在第十换热器b5中进一步降温，在净化模块14中去除杂质气体，之后进入CO2压缩系统回收。
本发明采用四级间冷压缩(由泵、压缩机和换热器组成的系统，即由泵22、第六换热器b1、第一压缩机c1、第七换热器b2、第二压缩机c2、第八换热器b3、第三压缩机c3、第九换热器b4、第四压缩机c4和第十换热器b5依次连接组成的系统)，将常压CO2从0.1MPa压缩至7.9MPa，冷却至常温后，CO2液化，然后由泵将压力提升至11MPa，储存CO2。
所述第三换热器10、第四换热器6、第五换热器11分别利用高温CaO固体(950℃)、高温失活固体(750℃)和高温灰渣(950℃)加热即将进入煅烧器的纯氧、即将进入煅烧器的新鲜石灰石固体和即将进入煅烧器的优质煤粉。
下面结合算例，对本发明的效果作一下说明。
系统初始条件：
本文基准燃煤发电系统净发电量为601.84MW，净效率为41.57％，给水温度为271.2℃，主蒸汽参数为24.2MPa/566℃，再热蒸汽参数为4.047MPa/566℃，其他技术参数、烟气成分及燃煤化学分析如表1～表2所示。系统1为集成传统氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统，系统2为本发明所述的集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统。表3、表4为传统氧化钙循环脱碳系统和与带二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的主要参数。表5为脱碳系统煅烧器燃料化学分析表。(注：在表4中，SP1,SP2,SP3,SP4,SP5依次表示第一分离器、第二分离器、第三分离器、第四分离器、第五分离器，X1,X2,X3依次表示第三换热器、第四换热器、第五换热器，CAR表示一次碳化器，RECAR表示二次碳化器，CAL表示煅烧器。)
表1、基准燃煤电站的主要参数
表2、基准燃煤电站燃料的化学分析
表4、带二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的主要参数
表5、脱碳系统煅烧器燃料化学分析
计算结果及对比如表6。
表6、计算结果及对比
*已扣除余热锅炉给水泵功及CO2循环风机耗功
如表6所示，在相同的基准运行条件下，系统1(与传统氧化钙循环脱碳系统集成的燃煤电站系统)、系统2(本发明所述集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统)均达到了85％的CO2捕捉率，系统净发电量较基准燃煤电站增大。系统2效率较系统1效率提升3.59个百分点。对比可以发现，采用本发明的方法后，氧化钙循环脱碳系统中吸收剂的循环量和补充量大大减少，进而带来了煅烧器燃煤量和耗氧量的下降。

Claims (7)

1.集成二次碳化过程氧化钙循环脱碳系统的燃煤电站系统，其特征在于：集成单元包括600MW超临界燃煤电站系统、带二次碳化过程的氧化钙循环脱碳系统、三压再热余热锅炉系统、CO2压缩系统；一次碳化器(1)、第一分离器(2)、二次碳化器(3)、第二分离器(4)、第三分离器(5)、第四换热器(6)、煅烧器(7)、第四分离器(8)、第五分离器(9)、第三换热器(10)、一次碳化器(1)依次相连；第四分离器(8)与二次碳化器(3)相连；第三换热器(10)与煅烧器(7)相连；第五分离器(9)与第五换热器(11)相连；第五分离器(9)中排出的高温灰渣与即将进入煅烧器的优质煤粉在第五换热器(11)中进行热交换；所述二次碳化器(3)反应后释放的热量Qrecar在第二换热器(19)中加热脱碳系统脱碳后的贫CO2电站烟气，使烟气温度从650℃提升至695℃，之后与二次碳化器(3)中排出的高浓度CO2一起引入余热锅炉做功，余热锅炉排烟温度为81.2℃；之后，将一次碳化器(1)释放的热量Qcar引入余热锅炉部分，在第一换热器(12)中将余热锅炉排出的冷CO2气体加热到638℃，再热后的CO2气体再次进入余热锅炉产生蒸汽，之后经净化模块(14)去除杂质后进入压缩系统，流程中增加风机(18)以提高CO2气体进入余热锅炉前的压力；
凝汽器(13)、给水泵(a1)、低压省煤器(LPE)依次相连，并在低压省煤器(LPE)处分为三路，第一路依次经低压蒸发器(LPB)、低压过热器(LPS)通入汽轮机低压缸(LP)；第二路依次经中压省煤器(IPE)、中压蒸发器(IPB)、中压过热器(IPS)、再热器(RH)通入汽轮机中压缸(IP)；第三路依次经第一级高压省煤器(HPE1)、第二级高压省煤器(HPE2)、高压蒸发器(HPB)、高压过热器(HPS)进入汽轮机高压缸(HP)；
充分利用一次碳化器释放的高品位热量Qcar，将余热锅炉排出的冷CO2气体再热，通过CO2气体的再循环以达到回收热量Qcar，增加余热锅炉出功的目的；
充分利用二次碳化器释放的高品位热量Qrecar，将脱碳后的电站烟气温度尽可能提升，以达到回收热量Qrecar，增加余热锅炉出功的目的。
2.根据权利要求1所述的燃煤电站系统，其特征在于：还包括CO2压缩系统，由泵(22)、第六换热器(b1)、第一压缩机(c1)、第七换热器(b2)、第二压缩机(c2)、第八换热器(b3)、第三压缩机(c3)、第九换热器(b4)、第四压缩机(c4)和第十换热器(b5)依次连接组成。
3.权利要求1或2所述的燃煤电站系统的应用，其特征在于：集成单元包括600MW超临界燃煤电站系统、带二次碳化过程的氧化钙循环脱碳系统、三压再热余热锅炉系统、CO2压缩系统；
燃煤电站排出的烟气流入一次碳化器(1)并与CaO固体流反应生成CaCO3，脱除85％的CO2后进入第一分离器(2)；CaO固体流经第一分离器(2)分离后，未反应的部分进入二次碳化器(3)，与从煅烧器(7)中排出并经第四分离器(8)分离的高温高浓度CO2流进行饱和碳酸反应，之后进入第二分离器(4)，分离出的高温CO2流进入余热锅炉回收热量，分离出的吸收剂固体进入第三分离器(5)，排出废弃固体流，包括部分失活的CaCO3、CaO和CaSO4；排出的废弃固体流与将要进入煅烧器(7)的新鲜石灰石固体在第四换热器(6)中换热，之后进入煅烧器(7)中煅烧；煅烧器(7)中CaCO3受热全部分解为CaO，生成高浓度的CO2；CaO和CO2混合流进入第四分离器(8)，分离出的高温高浓度CO2流进入二次碳化器(3)，CaO固体流在第五分离器(9)中排出灰渣后，在第三换热器(10)中与即将进入煅烧器(7)的纯氧进行热交换，之后再次进入一次碳化器(1)；第五分离器(9)中排出的高温灰渣与即将进入煅烧器的优质煤粉在第五换热器(11)中进行热交换，温度降至60℃；所述二次碳化器(3)反应后释放的热量Qrecar在第二换热器(19)中加热脱碳系统脱碳后的贫CO2电站烟气，使烟气温度从650℃提升至695℃，之后与二次碳化器(3)中排出的高浓度CO2一起引入余热锅炉做功，余热锅炉排烟温度为81.2℃；之后，将一次碳化器(1)释放的热量Qcar引入余热锅炉部分，在第一换热器(12)中将余热锅炉排出的冷CO2气体加热到638℃，再热后的CO2气体再次进入余热锅炉产生蒸汽，之后经净化模块(14)去除杂质后进入压缩系统，流程中增加风机(18)以提高CO2气体进入余热锅炉前的压力；
经余热锅炉余热回收后的CO2气体流温度下降至70～90℃，在第十换热器(b5)中进一步降温，在净化模块(14)中去除杂质气体，之后进入CO2压缩系统回收；
从汽轮机低压缸(LP)排出的蒸汽经凝汽器(13)、给水泵(a1)进入低压省煤器(LPE)，出口工质分成三股，其中一股经低压汽包(17)、低压蒸发器(LPB)后变成低压饱和蒸汽，最终在低压过热器(LPS)中吸热变成低压过热蒸汽与中压缸(IP)排汽混合通入低压缸(LP)，做功后的蒸汽流入冷凝器；第二股工质经中压给水泵(a3)加压，依次流经中压省煤器(IPE)、中压汽包(16)、中压蒸发器(IPB)、中压过热器(IPS)，完成过冷水到中压饱和水、中压饱和蒸汽、中压过热蒸汽的转化过程，最终和高压缸(HP)排汽混合进入再热器(RH)，工质再热后进入汽轮机中压缸(IP)；第三股给水经高压给水泵(a2)加压后依次进入第一级高压省煤器(HPE1)、第二级高压省煤器(HPE2)、高压汽包(15)、高压蒸发器(HPB)、高压过热器(HPS)，吸收排烟热量成为高压过热蒸汽，之后进入汽轮机高压缸(HP)做功；
充分利用一次碳化器释放的高品位热量Qcar，将余热锅炉排出的冷CO2气体再热，通过CO2气体的再循环以达到回收热量Qcar，增加余热锅炉出功的目的；
充分利用二次碳化器释放的高品位热量Qrecar，将脱碳后的电站烟气温度尽可能提升，以达到回收热量Qrecar，增加余热锅炉出功的目的。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述二次碳化器(3)反应后释放的热量Qrecar在第二换热器(19)中加热脱碳系统脱碳后的贫CO2电站烟气，使烟气温度从650℃提升至695℃，之后与二次碳化器(3)中排出的高浓度CO2一起引入余热锅炉做功。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：一次碳化器(1)释放的热量Qcar引入余热锅炉部分，在第一换热器(12)中将余热锅炉排出的冷CO2气体加热到638℃，再热后的CO2气体再次进入余热锅炉产生蒸汽，之后经净化模块(14)去除杂质后进入压缩系统，流程中增加风机(18)以提高CO2气体进入余热锅炉前的压力。
6.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述第三换热器(10)、第四换热器(6)、第五换热器(11)分别利用高温CaO固体、高温失活固体和高温灰渣加热即将进入煅烧器的纯氧、即将进入煅烧器的新鲜石灰石固体和即将进入煅烧器的优质煤粉。
7.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述CO2压缩系统中，压缩机将常压CO2从0.1MPa压缩至7.9MPa，冷却至常温后，CO2液化，然后由泵将压力提升至11MPa，储存CO2。
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