CN106438043A - 一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链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化学链燃烧发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链燃烧发电系统及方法，不仅发电效率高，氮氧化物排放低，二氧化碳易于捕集，而且能够将化学链燃烧技术和超临界二氧化碳循化发电进行有机的结合。所述系统包括化学链燃烧系统和超临界二氧化碳循环发电系统；化学链燃烧系统包括空气反应器和燃烧反应器；超临界二氧化碳循环发电系统包括二氧化碳透平和分别连接在其驱动端的二氧化碳压缩机和发电机。所述将化学链燃烧技术与超临界二氧化碳循环发电相结合，在实现利用超临界二氧化碳发电的同时，对二氧化碳进行捕集回收，部分捕集的二氧化碳加压后还可以补充入超临界二氧化碳循环系统，弥补循环系统中的部分泄漏量。

Description

一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链燃烧发电系统及 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化学链燃烧发电系统及方法。
背景技术
在我国，燃煤火力发电是二氧化碳的最大排放源之一，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减少二氧化碳排放具有重要意义。目前的燃煤二氧化碳回收方法包括燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集等，尽管能够实现燃煤二氧化碳的回收，但是获取高浓度的二氧化碳会显著降低发电系统的发电效率。化学链燃烧技术，实现了燃料和空气的非混合燃烧，以氧载体代替空气，在燃料反应器中，燃料与氧载体反应，完成燃料的氧化，被还原的氧载体返回到空气反应器，与空气进行氧化反应，实现氧载体的再生。化学链燃烧技术避免了燃料与空气的直接接触，可以显著减少传统燃煤方式下氮氧化物的生成，降低了氮氧化物的处理成本，在燃料反应器中燃料完全氧化后，产物主要是二氧化碳和水蒸气，只需要简单的冷凝处理就可以得到高纯度的二氧化碳，便于后续的捕集和封存。化学链燃烧与传统的燃煤方式相比，既可以减少氮氧化物的排放，降低氮氧化物的处理成本，又可以得到高纯度的二氧化碳，降低二氧化碳捕集的成本。
此外，超临界二氧化碳具有能量密度大、传热效率高等特点，是环保、清洁的天然工质流体。以超临界二氧化碳为工质的发电技术也是目前国际上新型、高效的发电技术之一。
因此，如果能够开发出一种新的发电系统，该系统可以将化学链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，则必然会对我国的传统燃煤发电带来巨大变化。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CN 104727868A和CN 105526576A等，还未曾有将化学链燃烧和超临界二氧化碳循环发电相结合的报道。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链燃烧发电系统及方法，不仅发电效率高，氮氧化物排放低，二氧化碳易于捕集，而且能够将化学链燃烧技术和超临界二氧化碳循化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化学链燃烧发电系统，包括化学链燃烧系统和超临界二氧化碳循环发电系统；
所述的化学链燃烧系统包括空气反应器和燃烧反应器；空气反应器的输入端通入空气，固体出口输出氧载体连接燃烧反应器的输入端，气体出口输出高温贫氧空气依次连接高温换热器的高温介质管路和净化放空装置；燃烧反应器的输入端还加入煤基燃料，气体出口输出高温二氧化碳和水蒸气经低温换热器的高温介质管路连接二氧化碳捕集装置，一个固体出口排出灰渣，另一个固体出口输出还原态氧载体连接空气反应器输入端；
所述的超临界二氧化碳循环发电系统包括二氧化碳透平和分别连接在其驱动端的二氧化碳压缩机和发电机；二氧化碳压缩机的输出端依次经低温换热器的低温介质管路和高温换热器的低温介质管路连接到二氧化碳透平的输入端；二氧化碳透平的输出端连接二氧化碳压缩机的输入端；
经二氧化碳捕集装置捕集的部分二氧化碳经二氧化碳加压装置通入二氧化碳压缩机的输入端。
优选的，二氧化碳压缩机的输出端设置有预热器；预热器的高温管路连接在高温换热器的高温介质输出端和净化放空装置之间，预热器的低温管路连接二氧化碳压缩机的输出端。
优选的，二氧化碳压缩机的输出端设置有回热器；回热器的高温管路连接二氧化碳透平的输出端，回热器的低温管路连接二氧化碳压缩机的输出端。
优选的，二氧化碳加压装置的输出端和二氧化碳透平的输出端并管后经冷却器的高温介质管路连接二氧化碳压缩机的输入端。
优选的，燃烧反应器的气体输出端输出高温二氧化碳和水蒸气经低温换热器的高温介质管路后分为两路，一路连接二氧化碳捕集装置，另一路部分低温二氧化碳和水蒸气连接到燃烧反应器的输入端。
优选的，二氧化碳捕集装置捕集的另一部分二氧化碳输出进行二氧化碳封存或他用系统。
一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链燃烧发电方法，根据本繁忙所述的发电系统，其包括如下步骤：
步骤1，在燃料反应器中加入煤基燃料，在氧载体和二氧化碳和水蒸气的作用下，发生氧化还原反应，氧载体经过反应成为还原态氧载体，煤基燃料反应后成为灰渣，同时生成高温二氧化碳和水蒸气；
步骤2，在空气反应器中，空气与还原态氧载体反应，还原态氧载体被空气中的氧气氧化成为氧载体，放出大量的热，生成高温贫氧空气；
步骤3，高温贫氧空气经过高温换热器，将热量传递给超临界二氧化碳；
步骤4，高温的贫氧空气经过高温换热器后温度降低，经净化放空装置排出；
步骤5，燃料反应器生成的高温二氧化碳和水蒸气，经过低温换热器，将热量传递给超临界二氧化碳；
步骤6，燃料反应器生成的高温二氧化碳和水蒸气，依次经过低温换热器和二氧化碳捕集装置后分为两部分，一部分经过加压装置进入超临界二氧化碳循环系统，另一部分进行二氧化碳封存或他用系统；
步骤7，由二氧化碳压缩机17排出的超临界二氧化碳经过低温换热器和高温换热器吸收热量后，成为高温高压的超临界二氧化碳，进入二氧化碳透平，推动二氧化碳透平做功，带动压缩机压缩混合超临界二氧化碳，带动发电机发电；
步骤8，在二氧化碳透平中做功之后的乏气超临界二氧化碳经二氧化碳透平的出口与来自二氧化加压装置的新鲜二氧化碳混合后，进入压缩机压缩；
步骤9，混合超临界二氧化碳经过压缩机压缩后，超临界二氧化碳依次进入低温换热器和高温换热器吸收热量，再进入二氧化碳透平，完成循环过程。
优选的，还包括，
高温的贫氧空气依次经过高温换热器和预热器降低温度，经净化放空装置排出的步骤；
二氧化碳透平做功之后输出乏气超临界二氧化碳经二氧化碳透平，通过回热器与来自二氧化加压装置的新鲜二氧化碳混合进入冷却器的步骤；
由二氧化碳压缩机排出的超临界二氧化碳依次经过预热器、回热器、低温换热器和高温换热器吸收热量成为高温高压的超临界二氧化碳的步骤；
混合超临界二氧化碳在冷却器中冷却后，进入压缩机压缩的步骤。
优选的，在二氧化碳捕集装置中，还包括对二氧化碳和水蒸气的混合气体进行冷凝和分离的步骤。
优选的，步骤1中，所述的二氧化碳和水蒸气包括经过低温换热器后，返回燃料反应器参与氧化还原反应的部分低温二氧化碳和水蒸气。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将化学链燃烧技术与超临界二氧化碳循环发电相结合，在实现利用超临界二氧化碳发电的同时，对二氧化碳进行捕集回收，部分捕集的二氧化碳加压后还可以补充入超临界二氧化碳循环系统，弥补循环系统中的部分泄漏量。
进一步的，化学链燃烧的空气反应器中生成高温烟气几乎不含氮氧化物，与传统燃煤发电相比，降低了治理氮氧化物的成本，减少了氮氧化物的排放。
进一步的，化学链燃烧的燃料反应器中排放出二氧化碳和水蒸气，二氧化碳的比例高达70％，经过简单冷却后，二氧化碳比例会更高，大大降低二氧化碳捕集和封存的成本，有助于降低二氧化碳排放。
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、2为空气反应器、3为高温贫氧空气、4为氧载体、5为煤基燃料、6为燃料反应器、7为还原态氧载体、8为灰渣、9为高温二氧化碳和水蒸气、10为低温换热器、11为部分低温二氧化碳和水蒸气、12为二氧化碳捕集装置、13为二氧化碳封存或他用系统、14为高温换热器、15为预热器、16为净化放空装置、17为二氧化碳压缩机、18为二氧化碳透平、19为发电机、20为回热器、21为冷却器、22为二氧化碳加压装置。
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化学链燃烧发电系统，包括依次相连的空气反应器2、燃料反应器6和二氧化碳捕集装置12，设置在燃料反应器6和二氧化碳捕集装置12连接管路上的低温换热器10，依次连接在低温换热器10低温介质输出端的高温换热器14的低温介质管路、二氧化碳透平18、回热器20高温介质管路、冷却器21高温介质管路、二氧化碳压缩机17、预热器15低温介质管路、回热器20低温介质管路和低温换热器10低温介质输入端，二氧化碳压缩机17和发电机19连接在二氧化碳透平18的输出端，二氧化碳捕集装置12的一个输出端经二氧化碳加压装置22与冷却器21高温介质管路输入端连接。
其中，空气反应器2的废气出口与高温换热器14相连，高温换热器14出口与预热器15连接，之后与净化放空装置16连接，空气反应器2固体出口与燃料反应器6相连，燃料反应器6的气体出口与低温换热器10相连，低温换热器10出口与二氧化碳捕集装置12入口连接，燃料反应器6一个固体出口与空气反应器2相连，另一个固体出口将灰渣8外排。二氧化碳捕集装置12出口一部分与加压装置22进口连接，另一部分与二氧化碳封存或他用系统13相连，加压装置22出口与超临界二氧化碳循环发电系统中的冷却器21进口连接。冷却器21的出口与二氧化碳压缩机17的进口相连接，二氧化碳压缩机17的出口与预热器15进口连接，预热器15出口与回热器20进口连接，回热器20出口与低温换热器10进口连接，低温换热器10的出口与高温换热器14的进口相连接，高温换热器14的出口与二氧化碳透平18的进口相连接，二氧化碳透平18的出口与回热器20高温介质管路连接，回热器20高温介质管路出口与二氧化碳加压装置22出口合并后，与冷却器21的进口相连接。冷却器21的冷却工质采用水或空气。
本发明所述的方法中，空气1进入空气反应器2，与还原态氧载体7发生氧化反应，产生高温贫氧空气3和氧载体4，氧载体4和煤基燃料5进入燃料反应器，发生还原反应，生成还原态氧载体7、灰渣8和高温二氧化碳和水蒸气9，还原态氧载体7再次进入空气反应器2，高温二氧化碳和水蒸气9经过低温换热器10，加热超临界二氧化碳，之后部分低温二氧化碳和水蒸气11返回燃料反应器6，参与反应，其余的二氧化碳和水蒸气经过二氧化碳捕集装置12，被捕集的二氧化碳一部分经过二氧化碳加压装置22后，补充到二氧化碳循环系统，弥补二氧化碳循环系统的泄露损失，另一部分二氧化碳封存或他用13，补充的新鲜二氧化碳与经过回热器20之后的乏气超临界二氧化碳混合后进入冷却器21，混合超临界二氧化碳经过冷却后进入二氧化碳压缩机17，经过压缩后，超临界二氧化碳依次进入预热器15，回热器20，低温换热器10和高温换热器14，吸收热量，成为高温高压的超临界二氧化碳，之后进入二氧化碳透平18做功，二氧化碳透平18带动二氧化碳压缩机17压缩二氧化碳，带动发电机19发电，做功之后的乏气超临界二氧化碳经过回热器20将热量传递给经预热器15预热过的超临界二氧化碳，之后与来自二氧化碳压缩装置22的新鲜二氧化碳混合，进入冷却器21冷却后进入二氧化碳压缩机17，开始另一个加压、加热和做功过程。
其中，燃料反应器6生成的气相产物包括质量分数约为85％的二氧化碳、质量分数约为15％水蒸气以及少量的杂质，所述的杂质包括一氧化碳和氢气等。
具体的包括如下步骤。
步骤1，在燃料反应器6中加入煤基燃料5，在氧载体4和部分低温二氧化碳和水蒸气11的作用下，发生氧化还原反应，氧载体4经过反应成为还原态氧载体7，煤基燃料5反应后成为灰渣8，同时生成二氧化碳和水蒸气9；
步骤2，在空气反应器2中，空气1与还原态氧载体7反应，还原态氧载体7被空气7中的氧气氧化成为氧载体4，放出大量的热，生成高温贫氧空气3；
步骤3，高温贫氧空气3经过高温换热器14，将热量传递给超临界二氧化碳，进行第四次加热；
步骤4，高温的贫氧空气3经过高温换热器14后温度降低，经过预热器15，将热量传递给超临界二氧化碳，进行第一次加热，之后贫氧空气经净化放空装置16排出；
步骤5，燃料反应器6生成的高温二氧化碳和水蒸气9，经过低温换热器10，将热量传递给超临界二氧化碳，进行第三次加热；
步骤6，燃料反应器6生成的高温二氧化碳和水蒸气9，经过低温换热器10后，部分低温二氧化碳和水蒸气11返回燃料反应器6参与氧化还原反应，剩余的低温二氧化碳和水蒸气经过二氧化碳捕集装置12后，一部分经过加压装置22进入超临界二氧化碳循环系统，另一部分进入封存或他用系统13；
步骤7，超临界二氧化碳经过预热器15、回热器20、低温换热器10和高温换热器14四次加热后，成为高温高压的超临界二氧化碳，进入二氧化碳透平18，推动二氧化碳透平18做功，在带动二氧化碳压缩机17压缩混合超临界二氧化碳的同时，带动发电机19发电；
步骤8，在二氧化碳透平18中做功之后的乏气超临界二氧化碳经二氧化碳透平18的出口，进入回热器20，将热量传递给超临界二氧化碳，进行第二次加热；
步骤9，从回热器20出来的乏气超临界二氧化碳与来自二氧化加压装置22的新鲜二氧化碳混合，进入冷却器21中；
步骤10，混合超临界二氧化碳在冷却器21中冷却后，进入压缩机17压缩；
步骤11，混合超临界二氧化碳经过压缩机17压缩后得到超临界二氧化碳，依次进入预热器15、回热器20、低温换热器10和高温换热器14四次加热后，成为高温高压的超临界二氧化碳，再进入二氧化碳透平18，完成循环过程。
本优选实例中，所述的煤基燃料5可以是原煤、焦炭、煤热解后的半焦、煤热解气、煤基合成气等。
本发明通过氧载体4的优化、空气反应器2和燃料反应器6的结构优化，使得化学链燃烧系统的效率会不断提高，相应的，超临界二氧化碳工质的参数也会更高，发电系统的效率也会不断提高；从而能够减少氮氧化物排放，降低氮氧化物处理成本，降低二氧化碳捕集成本。
需要指出的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，具体的实施方法，如煤基燃料类型，超临界二氧化碳流经各换热器的顺序等等仍可进行修改和改进，但都不会由此而背离权利要求书中所规定的本发明的范围和基本精神。

Claims (10)

1.一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链燃烧发电系统，其特征在于，包括化学链燃烧系统和超临界二氧化碳循环发电系统；
所述的化学链燃烧系统包括空气反应器(2)和燃烧反应器(6)；空气反应器(2)的输入端通入空气(1)，固体出口输出氧载体(4)连接燃烧反应器(6)的输入端，气体出口输出高温贫氧空气(3)依次连接高温换热器(14)的高温介质管路和净化放空装置(16)；燃烧反应器(6)的输入端还加入煤基燃料(5)，气体出口输出高温二氧化碳和水蒸气(9)经低温换热器(10)的高温介质管路连接二氧化碳捕集装置(12)，一个固体出口排出灰渣(8)，另一个固体出口输出还原态氧载体(7)连接空气反应器(2)输入端；
所述的超临界二氧化碳循环发电系统包括二氧化碳透平(18)和分别连接在其驱动端的二氧化碳压缩机(17)和发电机(19)；二氧化碳压缩机(17)的输出端依次经低温换热器(10)的低温介质管路和高温换热器(14)的低温介质管路连接到二氧化碳透平(18)的输入端；二氧化碳透平(18)的输出端连接二氧化碳压缩机(17)的输入端；
经二氧化碳捕集装置(12)捕集的部分二氧化碳经二氧化碳加压装置(22)通入二氧化碳压缩机(17)的输入端。
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化学链燃烧发电系统，其特征在于，二氧化碳压缩机(17)的输出端设置有预热器(15)；预热器(15)的高温管路连接在高温换热器(14)的高温介质输出端和净化放空装置(16)之间，预热器(15)的低温管路连接二氧化碳压缩机(17)的输出端。
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化学链燃烧发电系统，其特征在于，二氧化碳压缩机(17)的输出端设置有回热器(20)；回热器(20)的高温管路连接二氧化碳透平(18)的输出端，回热器(20)的低温管路连接二氧化碳压缩机(17)的输出端。
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化学链燃烧发电系统，其特征在于，二氧化碳加压装置(22)的输出端和二氧化碳透平(18)的输出端并管后经冷却器(21)的高温介质管路连接二氧化碳压缩机(17)的输入端。
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化学链燃烧发电系统，其特征在于，燃烧反应器(6)的气体输出端输出高温二氧化碳和水蒸气(9)经低温换热器(10)的高温介质管路后分为两路，一路连接二氧化碳捕集装置(12)，另一路部分低温二氧化碳和水蒸气(11)连接到燃烧反应器(6)的输入端。
6.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化学链燃烧发电系统，其特征在于，二氧化碳捕集装置(12)捕集的另一部分二氧化碳输出进行二氧化碳封存或他用系统(13)。
7.一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链燃烧发电方法，其特征在于，根据权利要求1所述的发电系统，其包括如下步骤：
步骤1，在燃料反应器(6)中加入煤基燃料(5)，在氧载体(4)和二氧化碳和水蒸气的作用下，发生氧化还原反应，氧载体(4)经过反应成为还原态氧载体(7)，煤基燃料(5)反应后成为灰渣(8)，同时生成高温二氧化碳和水蒸气(9)；
步骤2，在空气反应器(2)中，空气(1)与还原态氧载体(7)反应，还原态氧载体(7)被空气(7)中的氧气氧化成为氧载体(4)，放出大量的热，生成高温贫氧空气(3)；
步骤3，高温贫氧空气(3)经过高温换热器(14)，将热量传递给超临界二氧化碳；
步骤4，高温的贫氧空气(3)经过高温换热器(14)后温度降低，经净化放空装置(16)排出；
步骤5，燃料反应器(6)生成的高温二氧化碳和水蒸气(9)，经过低温换热器(10)，将热量传递给超临界二氧化碳；
步骤6，燃料反应器(6)生成的高温二氧化碳和水蒸气(9)，依次经过低温换热器(10)和二氧化碳捕集装置(12)后分为两部分，一部分经过加压装置(22)进入超临界二氧化碳循环系统，另一部分进行二氧化碳封存或他用系统(13)；
步骤7，由二氧化碳压缩机17排出的超临界二氧化碳经过低温换热器(10)和高温换热器(14)吸收热量后，成为高温高压的超临界二氧化碳，进入二氧化碳透平(18)，推动二氧化碳透平(18)做功，带动压缩机(17)压缩混合超临界二氧化碳，带动发电机(19)发电；
步骤8，在二氧化碳透平(18)中做功之后的乏气超临界二氧化碳经二氧化碳透平(18)的出口与来自二氧化加压装置(22)的新鲜二氧化碳混合后，进入压缩机(17)压缩；
步骤9，混合超临界二氧化碳经过压缩机(17)压缩后，超临界二氧化碳依次进入低温换热器(10)和高温换热器(14)吸收热量，再进入二氧化碳透平(18)，完成循环过程。
8.根据权利要求7所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链燃烧发电方法，其特征在于，还包括，
高温的贫氧空气(3)依次经过高温换热器(14)和预热器(15)降低温度，经净化放空装置(16)排出的步骤；
二氧化碳透平(18)做功之后输出乏气超临界二氧化碳经二氧化碳透平(18)，通过回热器(20)与来自二氧化加压装置(22)的新鲜二氧化碳混合进入冷却器(21)的步骤；
由二氧化碳压缩机(17)排出的超临界二氧化碳依次经过预热器(15)、回热器(20)、低温换热器(10)和高温换热器(14)吸收热量成为高温高压的超临界二氧化碳的步骤；
混合超临界二氧化碳在冷却器(21)中冷却后，进入压缩机(17)压缩的步骤。
9.根据权利要求7所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链燃烧发电方法，其特征在于，在二氧化碳捕集装置(12)中，还包括对二氧化碳和水蒸气的混合气体进行冷凝和分离的步骤。
10.根据权利要求7所述的一种基于超临界二氧化碳的煤基燃料化学链燃烧发电方法，其特征在于，步骤1中，所述的二氧化碳和水蒸气包括经过低温换热器(10)后，返回燃料反应器(6)参与氧化还原反应的部分低温二氧化碳和水蒸气(11)。
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