CN107057767A - 一种基于化学链空分制氧和燃烧前co2捕集的发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于化学链空分制氧和燃烧前CO2捕集的发电系统，所述发电系统包括：氧化还原单元、气化反应器、除尘器、水煤气变换单元、脱硫装置、脱碳单元、燃气轮机装置和余热锅炉‑蒸汽轮机装置；所述氧化还原单元、气化反应器、除尘器、水煤气变换单元、脱硫装置、脱碳单元、燃气轮机装置和余热锅炉‑蒸汽轮机装置依次通过管路连接。本发明的发电系统通过化学链空分制氧可以代替传统的深冷空分制氧，解决整体煤气化联合循环纯氧来源的问题，从而实现了化学链空分制氧过程的载氧体循环再生。本发明的发电系统通过燃烧前二氧化碳捕集，可以实现二氧化碳近零排放。
Description
技术领域
本发明涉及发电系统。更具体地，涉及一种基于化学链空分制氧和燃烧前CO2捕集的发电系统。
背景技术
2009年11月25日我国国务院常务会议决定，到2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40-45％，首次正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标。我国电力工业发展受到资源和环境的双重压力，为此必须探索新的发展模式。整体煤气化联合循环代表着洁净煤电技术的发展方向，而带燃烧前CO2捕捉的整体煤气化联合循环系统更是将这种环保性能极强的优势做到了极致。该发电系统可以将多种含碳燃料进行气化产生合成气，合成气经过净化后送去燃气—蒸汽联合循环发电。这种技术集成了空分、煤气化、煤气净化、燃气轮机联合循环等技术，能够比较好的实现煤化学能的梯级利用，因其高效环保的特性，被公认为是世界上最清洁的发电技术，由于发电过程中合成气的压力高，体积流量小，经过水气转换后的浓度高，采用燃烧前捕集，可以有效减少能耗和降低设备尺寸。整体煤气化联合循环技术以其独有的工艺过程绕开了从传统燃煤发电厂尾部烟气中捕集能耗居高不下的技术瓶颈，加之其本身具有很高的发电效率预期，有望在捕集的同时保持较高的发电效率，成为未来火力发电及减排的主力技术。
常用的制氧方法可分为两类，一类是分离法，即将空气中的氧与氮通过物理的方法进行分离，获得不同浓度的氧气，如深冷法、变压吸附法和膜分离法；另一类为制取法，即采用化学试剂，通过氧化分解反应，从无到有地产生氧气，如超氧化物制氧、氯酸盐分解、电解水和陶瓷制氧等。针对富氧燃烧系统所消耗的氧气量而言，目前技术上唯一可行的制氧方案是深冷空分法。深冷空气分离装备的单套生产能力已超过100000立方米每小时，氧气纯度高(大于99.6％氧气)，有着工艺成熟、运行稳定、可靠性高的优点，但也有投资高、运行成本高及存在爆炸隐患等缺点。
化学链空分制氧是一种全新的制氧技术，具有投资低、能耗小的特点，能有效降低制氧能耗，提高富氧气化系统经济性，能够适用于不同规模的制氧场合。化学链空分制氧主要包括氧化反应器和还原反应器两部分，载氧体是连接两个反应器的纽带，还原态载氧体在氧化反应器中与空气中的氧气发生反应，氧化后的载氧体被输送至还原反应器，在合适的温度、压力下，载氧体脱氧释放出O2。根据勒夏特勒原理，通常在还原反应器中加入惰性组分(如水蒸气或CO2)，可降低氧气平衡分压，使脱氧过程更易进行。以MexOy/MexOy-2载氧体为例，氧化反应器和还原反应器中分别发生如下所示反应：
MexOy-2(s)+O2(g)→MexOy(s) (1)
MexOy(s)→MexOy-2(s)+O2(g) (2)
氧化反应是放热反应，还原反应是吸热反应，通过载氧体吸氧和解吸反应过程中的热量，以达到制氧单元的热量自我维持平衡，从而降低制氧能耗，实现从空气中分离氧气。利用这种新型制氧方法，可以改造现有的传统整体煤气化联合循环机组，实现二氧化碳零排放。化学链空分制氧与整体煤气化联合循环系统的集成能够解决传统技术难题，例如，传统深冷空分技术给机组带来的全厂效率下降。
对于燃烧前捕集常用的方法是物理吸收法，是在加压条件下用有机溶剂对酸性气体进行吸收来分离脱除酸气成分。溶剂的再生通过降压实现，所需再生能量相对较少。典型物理吸收法有聚乙二醇二甲醚法、低温甲醇洗等。物理吸收法适用于气体中CO2浓度较高且在较高操作压力时CO2的分离。由于传统整体煤气化联合循环系统的局限性，本发明提出了一种新型的化学链空气分离与带有燃烧前二氧化碳捕集的整体煤气化联合循环的集成系统工艺。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种基于化学链空分制氧和燃烧前CO2捕集的发电系统。该系统既能实现二氧化碳近零排放，又能减少能源损耗。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于化学链空分制氧和燃烧前CO2捕集的发电系统，所述发电系统包括：氧化还原单元、气化反应器、除尘器、水煤气变换单元、脱硫装置、脱碳单元、燃气轮机装置和余热锅炉-蒸汽轮机装置；
所述氧化还原单元、气化反应器、除尘器、水煤气变换单元、脱硫装置、脱碳单元、燃气轮机装置和余热锅炉-蒸汽轮机装置依次通过管路连接。
进一步，所述氧化还原单元包括：第一换热器、氧化反应器、第一气固分离器、还原反应器、第二气固分离器、第二换热器、第一冷凝器和第一压缩机；
所述水煤气变换单元包括第三换热器、第四换热器、第五换热器、高温反应器和低温反应器；
所述脱碳单元包括：吸收塔、沉淀池、液力透平、三级闪蒸罐、第三压缩机、第四压缩机、第一混合器和第一冷却器；
所述燃气轮机装置包括：燃烧室、加热器、第二压缩机、分流器、第二冷却器、第二混合器、第三混合器和气轮机；
所述余热锅炉-蒸汽轮机装置包括：泵、余热锅炉、蒸汽轮机和第二冷凝器。
进一步，所述气化反应器所需氧气是通过氧化还原单元化学链空分制氧得到的。
进一步，所述氧化反应器和还原反应器的压力均为0.5-1.5bar；优选地，所述氧化反应器和还原反应器的压力均为1bar。
进一步，所述还原反应器中可加入惰性组分水蒸气；一方面，用来降低氧气平衡分压，促进脱氧过程；另一方面，有利于从还原反应器出来的产物经过降温冷凝得到纯氧。
进一步，所述气化反应器生成以H2和CO为主的第一粗合成气，通过水煤气变换单元变为以H2和CO2为主的第二粗合成气；所述第二粗合成气经过脱硫装置和脱碳单元变为以H2为主的净合成气进入燃气轮机装置中燃烧。
进一步，所述高温反应器的温度为300-350℃，低温反应器的温度为150-200℃。
进一步，所述第三换热器、第四换热器和第五换热器的余热回收至余热锅炉。
进一步，所述高温反应器中水蒸气和CO的摩尔比为2-4；优选地，所述高温反应器中水蒸气和CO的摩尔比为3。
进一步，所述第一混合器中需通入聚乙二醇二甲醚溶液；所述第一换热器中需通入空气；所述第二换热器中需通入水；所述气化反应器中需通入水蒸气和煤粉；所述高温反应器需通入水蒸气。
进一步，所述三级闪蒸罐包括第一闪蒸罐、第二闪蒸罐和第三闪蒸罐；所述液力透平的输出端与三级闪蒸罐的输入端相连接，所述三级闪蒸罐贫液的输出端与第一混合器的输入端相连接，具体是通过如下连接关系实现的：所述液力透平的输出端与第一闪蒸罐的输入端相连接，第一闪蒸罐的输出端与第二闪蒸罐的输入端相连接，第二闪蒸罐的输出端分别与第三压缩机和第三闪蒸罐的输入端相连接，第三闪蒸罐的输出端分别与第四压缩机和第一混合器的输入端相连接。
进一步，所述气轮机输出端输出的气体温度为550-700℃。
进一步，所述系统不仅适用于煤发电；还可适用于生物质、可燃城市固体废弃物发电。
一种基于化学链空分制氧和燃烧前CO2捕集的发电系统的工作原理：
氧化还原单元通过化学链空分制氧释放出的氧气被送至气化反应器。煤粉、氧气和少量的水蒸气在气化反应器内发生气化反应，生成以H2和CO为主的粗煤气，这部分粗煤气经除尘器去除其中的未反应碳、飞灰等颗粒物，而后冷却进入水煤气变换单元，几乎使所有的CO转换为CO2，生成以H2和CO2为主的合成气再进入脱硫装置脱除其中的含硫组分，随后进入脱碳单元捕集高浓度的CO2，剩余的以H2为主的净合成气气从脱碳单元出来，经过升温后送去燃气轮机装置，与燃气轮机装置里的空气作用进行发电。燃气轮机装置的透平排气进入余热锅炉-蒸汽轮机装置，排气通过余热锅炉产生蒸汽，驱动蒸汽轮机做功；从余热锅炉排出的烟气释放到大气环境中。水煤气变换单元的余热回收到余热锅炉-蒸汽轮机装置。该工艺的整体流程如图1所示。
所述氧化还原单元通过化学链空分制氧的具体过程：载氧体在氧化反应器中吸收空气中的氧气，被氧化的载氧体再进入还原反应器中发生还原反应释放出氧气。
本发明通过水煤气变换单元能够使气化生成的CO几乎全部转变为CO2，运用燃烧前CO2捕集的方法在CO2浓度较高、压力较高的情况下，有利于减少装置尺寸、降低能耗和便于CO2储存，从而实现CO2的近零排放。
本发明的发电系统中化学链空分制氧过程的载氧体可以实现循环再生。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的发电系统通过化学链空分制氧可以代替传统的深冷空分制氧，解决整体煤气化联合循环纯氧来源的问题，从而实现了化学链空分制氧过程的载氧体循环再生。
2、本发明系统采用化学链空分制氧工艺，氧化反应放出的热量可以加热还原反应器所需要的热量，减少还原反应从外界吸收的热量，从而降低制氧能耗；因此，本发明系统具有装置简单、能耗低的优点。
3、本发明的系统通过燃烧前二氧化碳捕集，可以实现二氧化碳近零排放。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出了一种基于化学链空分制氧和燃烧前CO2捕集的发电系统工艺流程图。
图2示出了一种基于化学链空分制氧和燃烧前CO2捕集的发电系统。
其中，1、第一换热器；2、氧化反应器；3、第一气固分离器；4、还原反应器；5、第二气固分离器；6、第二换热器；7、第一冷凝器；8、第一压缩机；9、气化反应器；10、除尘器；11、第三换热器；12、高温反应器；13、第四换热器；14、低温反应器；15、第五换热器；16、脱硫装置；17、吸收塔；18、沉淀池；19、液力透平；20、第一闪蒸罐；21、第二闪蒸罐；22、第三压缩机；23、第三闪蒸罐；24、第四压缩机；25、第一混合器；26、第一冷却器；27、加热器；28、燃烧室；29、第二压缩机；30、分流器；31、第二冷却器；32、第二混合器；33、气轮机；34、第三混合器；35、余热锅炉；36、蒸汽轮机；37、第二冷凝器；38、泵。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
所述氧化反应器的输入端分别与第一换热器的输出端、第二气固分离器载氧体的输出端相连接，氧化反应器的输出端与第一气固反应器的输入端相连接；所述第一气固分离器气体的输出端与第一换热器的输入端相连接，还原反应器的输入端分别与第一气固分离器载氧体的输出端和第二换热反应器水蒸气的输出端相连接；所述还原反应器的输出端与第二气固反应器的输入端相连接。所述第二换热反应器的输入端与第二气固分离器气体的输出端相连接；第二换热反应器气体的输出端、第一冷凝器、第一压缩机、气化反应器、除尘器、第三换热器、高温反应器、第四换热器、低温反应器、第五换热器、脱硫装置的输入端依次连接。
所述吸收塔的输入端分别与脱硫装置气体的输出端、第一冷却器的输出端和沉淀池气体的输出端相连接，吸收塔流体的输出端与沉淀池的输入端相连接；所述沉淀池富液的输出端与液力透平的输入端相连接；所述液力透平的输出端与三级闪蒸罐的输入端相连接；所述三级闪蒸罐贫液的输出端与第一混合器的输入端相连接；所述第一混合器的输出端与第一冷却器的输入端相连接；所述吸收塔净合成气的输出端与加热器的输入端相连接。
所述加热器的输出端和燃烧室净合成气的输入端相连接；所述分流器的输出端分别与燃烧室空气的输入端、第三混合器空气的输入端和第二冷却器的输入端相连接，分流器的输入端和第二压缩机相连接；所述第二混合器的输入端分别与燃烧室的输出端和第二冷却器的输出端相连接，第二混合器的输出端与气轮机的输入端相连接；所述气轮机的输出端与第三混合器的其它气体输入端相连接；
所述余热锅炉的输入端分别与第三混合反应器的输出端和泵的输出端相连接，余热锅炉的输出端、蒸汽轮机、第二冷凝器和泵的输入端依次连接。
实施例1
载氧体与空气在氧化反应器2中发生氧化反应，反应产物经过第一气固分离器3分离后，被氧化的载氧体进入还原反应器4中发生还原反应，分离的气体进入第一换热器1对进来的空气预热；所述氧化反应器2和还原反应器4的压力都控制在1bar；所述还原反应器4生成的产物再次经过第二气固分离器5分离后，还原的载氧体返回氧化反应器2进行反应，分离后的气体进入第二换热器6，并将第二换热器6中的水加热成水蒸气，所述水蒸气进入还原反应器，从第二换热器6出来的气体通过第一冷凝器7得到纯氧，纯氧通过第一压缩机8升压进入气化反应器9。
煤粉与氧气以及少量的水蒸气在气化反应器9中发生气化反应，反应压力控制在2.0-3.0MPa，反应最终产物温度控制在1275℃左右，气化反应器9中的氧煤质量比控制在0.7-0.8，水煤质量比控制在0.055-0.065。气化反应器9中生成的以H2和CO为主的合成气进入到除尘器10中除去固体飞灰等颗粒物，然后进入第三换热器11中冷却，合成气降温至300-400℃后进入高温反应器12中进行反应；所述高温反应器12中的水蒸气与CO摩尔比为3；所述高温反应器12生成物进入第四换热器13中冷却至180-220℃，然后进入低温反应器14中进行反应，低温反应器14生成物在第五换热器15中进行降温；降温后进入脱硫装置16中脱除其中的硫化物。
所述第三换热器11、第四换热器13和第五换热器15排出的余热回收至余热锅炉35。
脱除硫组分的粗合成气(CO、H2等)进入吸收塔17中吸收大部分的CO2气体，随后进入沉淀池18中，沉淀池18中少量的未被吸收的CO2气体从沉淀池18返回吸收塔17重新接触，沉淀池18中排出的富液先通过液力透平19再依次通过第一闪蒸罐20、第二闪蒸罐21和第三闪蒸罐23使CO2再生，经第三压缩机22和第四压缩机24升压后得到高浓度CO2，从第三闪蒸罐排23出的贫液与新鲜的聚乙二醇二甲醚在第一混合器25中混合后通过第一冷却器26冷却至5-12℃，然后重新返回吸收塔17中。
从所述吸收塔17气体的输出端输出的以H2为主的净合成气经加热器27预热后进入燃烧室28燃烧，助燃介质空气经第二压缩机29升压升温后，通过分流器30，一部分约83％的空气用于燃料的燃烧，另两部分作为冷却空气，燃烧后产物与经过第二冷却器31冷却的空气在第二混合器32中混合后进入气轮机33做功，做功后的气体与冷却空气在第三混合器34中混合至580-620℃排出。
第三混合器34输出端输出的排气(N2、H2O、O2等)进入余热锅炉35产生蒸汽，驱动蒸汽轮机36做功，做功后的乏汽进入第二冷凝器37，凝结水经泵38升压后再次进入余热锅炉35吸热成为蒸汽。余热锅炉35排出的烟气释放到大气环境中。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (12)
1.一种基于化学链空分制氧和燃烧前CO2捕集的发电系统，其特征在于，所述发电系统包括：氧化还原单元、气化反应器、除尘器、水煤气变换单元、脱硫装置、脱碳单元、燃气轮机装置和余热锅炉-蒸汽轮机装置；
所述氧化还原单元、气化反应器、除尘器、水煤气变换单元、脱硫装置、脱碳单元、燃气轮机装置和余热锅炉-蒸汽轮机装置依次通过管路连接。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，
所述氧化还原单元包括：第一换热器、氧化反应器、第一气固分离器、还原反应器、第二气固分离器、第二换热器、第一冷凝器和第一压缩机；
所述水煤气变换单元包括第三换热器、第四换热器、第五换热器、高温反应器和低温反应器；
所述脱碳单元包括：吸收塔、沉淀池、液力透平、三级闪蒸罐、第三压缩机、第四压缩机、第一混合器和第一冷却器；
所述燃气轮机装置包括：燃烧室、加热器、第二压缩机、分流器、第二冷却器、第二混合器、第三混合器和气轮机；
所述余热锅炉-蒸汽轮机装置包括：泵、余热锅炉、蒸汽轮机和第二冷凝器。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，
所述氧化反应器的输入端分别与第一换热器的输出端、第二气固分离器载氧体的输出端相连接，氧化反应器的输出端与第一气固反应器的输入端相连接；所述第一气固分离器气体的输出端与第一换热器的输入端相连接，还原反应器的输入端分别与第一气固分离器载氧体的输出端和第二换热器水蒸气的输出端相连接；所述还原反应器的输出端与第二气固反应器的输入端相连接；
所述第二换热反应器的输入端与第二气固分离器气体的输出端相连接；第二换热反应器气体的输出端、第一冷凝器、第一压缩机、气化反应器、除尘器、第三换热器、高温反应器、第四换热器、低温反应器、第五换热器、脱硫装置的输入端依次连接；
所述吸收塔的输入端分别与脱硫装置气体的输出端、第一冷却器的输出端和沉淀池气体的输出端相连接，吸收塔流体的输出端与沉淀池输入端相连接；所述沉淀池富液的输出端与液力透平的输入端相连接；所述液力透平的输出端与三级闪蒸罐的输入端相连接；所述三级闪蒸罐贫液的输出端与第一混合器的输入端相连接；所述第一混合器的输出端与第一冷却器的输入端相连接；所述吸收塔净合成气的输出端与加热器的输入端相连接；
所述加热器的输出端和燃烧室净合成气的输入端相连接；所述分流器的输出端分别与燃烧室空气的输入端、第三混合器空气的输入端和第二冷却器的输入端相连接，分流器的输入端和第二压缩机相连接；所述第二混合器的输入端分别与燃烧室的输出端和第二冷却器的输出端相连接，第二混合器的输出端与气轮机的输入端相连接；所述气轮机的输出端与第三混合器的其它气体输入端相连接；
所述余热锅炉的输入端分别与第三混合反应器的输出端和泵的输出端相连接，余热锅炉的输出端、蒸汽轮机、第二冷凝器和泵的输入端依次连接。
4.根据权利要求2或3所述的发电系统，其特征在于，所述气化反应器所需氧气是通过氧化还原单元化学链空分制氧得到的。
5.根据权利要求2或3所述的发电系统，其特征在于，所述氧化反应器和还原反应器的压力均为0.5-1.5bar。
6.根据权利要求2或3所述的发电系统，其特征在于，所述还原反应器中可加入惰性组分水蒸气。
7.根据权利要求1或2所述的发电系统，其特征在于，所述气化反应器生成以H2和CO为主的第一粗合成气，通过水煤气变换单元变为以H2和CO2为主的第二粗合成气；所述第二粗合成气经过脱硫装置和脱碳单元变为以H2为主的净合成气进入燃气轮机装置中燃烧。
8.根据权利要求1或5所述的发电系统，其特征在于，所述高温反应器的温度为300-350℃，低温反应器的温度为150-200℃。
9.根据权利要求2或3所述的发电系统，其特征在于，所述高温反应器中水蒸气和CO的摩尔比为2-4。
10.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述第一混合器中需通入聚乙二醇二甲醚溶液；所述第一换热器中需通入空气；所述第二换热器中需通入水；所述气化反应器中需通入水蒸气和煤粉；所述高温反应器需通入水蒸气。
11.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于，所述气轮机输出端输出的气体温度为550-700℃。
12.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述系统不仅适用于煤发电；还可适用于生物质、可燃城市固体废弃物发电。
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