CN107081040A - 一种基于化学链空分制氧和燃烧后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后CO2捕集的发电系统，所述发电系统包括：化学链空分制氧装置、气化反应器、除尘装置、脱硫装置、燃气轮机装置、余热锅炉‑蒸汽轮机装置、CO2捕集装置和CO2压缩装置；所述化学链空分制氧装置、气化反应器、除尘器、脱硫装置、燃气轮机装置、余热锅炉‑蒸汽轮机装置、CO2捕集装置和CO2压缩装置依次通过管路连接。本发明的化学链空分制氧具有装置简单、能耗低的优点；燃烧后CO2捕集的工艺用于CO2浓度较低、压力接近于大气压的情况下，工艺成熟，原理简单，对现有电站的继承性好，可以方便的应用于无CO2捕集装置的整体煤气化联合循环电站，降低CO2的排放。
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后CO2捕集的发电系统。
背景技术
我国的基本能源结构是“富煤、贫油、少碳”。以煤炭为主是我国目前及未来相当长的时间内的能源现状。煤炭的直接燃烧导致NOX、SOX、CO2和粉尘等大量排放，不仅对环境产生严重危害，更造成资源的巨大浪费。整体煤气化联合循环发电技术把高效的燃气—蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好的环保性能，减少温室气体，是一种有发展前景的洁净煤发电技术，对煤化工产业的发展至关重要。
传统的整体煤气化联合循环技术中的氧气大多来自空气深冷分离。该方法是目前唯一大规模用于工业生产的方法，历史悠久、技术成熟，氧气纯度可达99％以上，但是操作和维修复杂，能耗及运行成本比较高；膜分离法虽然操作简单、产气量高、富氧浓度稳定、设备使用寿命长，但对于膜的依赖性较强，产物含氧量低，不适合大规模制氧，而且昂贵的分离膜材料是限制其工业应用的关键。此外还有变压吸附制氧，变压吸附的最大优点在于装置工艺流程简单、结构紧凑、设备投资少，但缺点是不能制得纯氧，目前还没有特大型制氧装置的实例。
化学链空气分离技术是一种新型的制氧技术，最早由Moghtaderi提出，其理论能耗为0.08kW·h/m3，仅为低温精馏制氧能耗的26％左右，方法简便，能够满足氧气需求量逐年增加的需求，存在低能耗空气制氧的潜力。化学链空气分离技术通过载氧体循环地吸收释放O2，从而达到制氧目的。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，因而具有低能耗空气制氧的潜力。另外该制氧方法还具有系统简单、成本投资较少、能够快启快停、并且可以适用于不同规模的制氧场合等优点。
对于整体煤气化联合循环存在的二氧化碳捕集问题，燃烧后捕集工艺成熟，原理简单，对现有电站的继承性好，多采用化学吸收法，其原理是，原料气中的二氧化碳与吸收剂发生化学反应，将气体中的二氧化碳吸收，而后吸收剂经加热，将二氧化碳重新分解出来，从而达到分离回收的目的。目前较为成熟的化学吸收法工艺多基于乙醇胺类水溶液，如单乙醇胺法、二乙醇胺法和甲基二乙醇胺法等。化学吸收法适用于气体中浓度较低时的分离。但其缺点是，吸收剂的再生热耗较高，吸收剂损失较大。本发明是根据基于整体煤气化联合循环、化学链空气分离技术以及化学吸收法捕集二氧化碳的优点，提出了一种新型的化学链空气分离与带有燃烧后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后CO2捕集的发电系统。该系统既能降低CO2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后CO2捕集的发电系统，所述发电系统包括：化学链空分制氧装置、气化反应器、除尘装置、脱硫装置、燃气轮机装置、余热锅炉-蒸汽轮机装置、CO2捕集装置和CO2压缩装置；
所述化学链空分制氧装置、气化反应器、除尘器、脱硫装置、燃气轮机装置、余热锅炉-蒸汽轮机装置、CO2捕集装置和CO2压缩装置依次通过管路连接。
进一步，所述化学链空分制氧装置包括：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；
所述除尘装置包括第三换热器、除尘器和第四换热器；
所述燃气轮机装置包括：燃烧室、第二压缩机、分流器、第一冷却器、第一混合器、第二混合器和气轮机；
所述余热锅炉-蒸汽轮机装置包括：第一泵、余热锅炉、蒸汽轮机和第二冷凝器；
所述CO2捕集装置包括：第二冷却器、第三混合器、吸收塔、第二泵、第五换热器、再生塔、第三压缩机和第三冷却器；
所述CO2压缩装置包括：第四压缩机、第三冷凝器、第一液力水收集器、第五压缩机、第四冷凝器、第二液力水收集器、第六压缩机、第五冷凝器、第三液力水收集器、第七压缩机和第六冷凝器。
进一步，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、第三换热器、除尘器、第四换热器、脱硫装置的输入端依次连接；
所述脱硫装置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、第二混合器空气的输入端和第一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；所述第一混合器的输入端分别与燃烧室的输出端和第一冷却器的输出端相连接，第一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二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二混合器的输出端、第一泵的输出端和第三压缩机的输入端相连接，余热锅炉的输出端、蒸汽轮机、第二冷凝器和第一泵的输入端依次连接；
所述第三压缩机的输出端和第二冷却器的输入端相连接；所述吸收塔的输入端分别与第二冷却器的输出端和第三冷却器的输出端相连接，吸收塔的输出端与第二泵的输入端相连接；所述第三冷却器的输入端与第三混合器的输出端相连接；所述第五换热器的输入端分别与第三混合反应器的气体输入端、第二泵的输出端、再生塔贫液的输出端相连接；第五换热器的输出端与再生塔的输入端相连接；所述再生塔的气体输出端、第四压缩机、第三冷凝器、第一液力水收集器、第五压缩机、第四冷凝器、第二液力水收集器、第六压缩机、第五冷凝器、第三液力水收集器、第七压缩机和第六冷凝器依次连接。
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，所述第三混合器中需通入一乙醇胺；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。
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后CO2捕集的发电系统的工作原理：
通过化学链空分制氧装置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，生成的第一粗合成气(CO、H2、H2S、飞灰等)经过换热器进入除尘装置去除其中的未反应的固体飞灰，得第二粗合成气(CO、H2、H2S等)；所述第二粗合成气进入脱硫装置脱除其中的含硫组分，得第三粗合成气(CO、H2等)；所述第三粗合成气和空气在燃气轮机装置发生燃烧反应，得排气(N2、H2O、CO2、O2等)；所述透平排气通过余热锅炉-蒸汽轮机装置中的余热锅炉产生蒸汽并驱动蒸汽轮机做功；从余热锅炉-蒸汽轮机装置中排出的烟气通过吸收塔、换热器和再生塔进行CO2捕集，得高浓度CO2，并排出尾气(N2、H2O、O2等)；所述高浓度CO2通过CO2压缩冷却达到分离回收的目的。所述换热器中的余热回收至余热锅炉-蒸汽轮机装置中。该工艺的整体流程如图1所示。
进一步，所述透平排气中CO2摩尔分数大约为8％。
进一步，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。
本发明的发电系统排出的CO2浓度较低、压力接近于大气压的情况下，工艺成熟，原理简单，对现有电站的继承性好，可以方便的应用于无CO2捕集装置的整体煤气化联合循环电站，控制CO2的排放。
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。
2、本发明的发电系统可以方便的应用于无CO2捕集装置的整体煤气化联合循环电站，降低CO2的排放。
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后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后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、第三换热器；11、除尘器；12、第四换热器；13、脱硫装置；14、燃烧室；15、第二压缩机；16、分流器；17、第一冷却器；18、第一混合器；19、气轮机；20、第二混合器；21、余热锅炉；22、蒸汽轮机；23、第二冷凝器；24、第一泵；25、第三压缩机；26、第二冷却器；27、吸收塔；28、第二泵；29、第五换热器；30、再生塔；31、第三混合器；32、第三冷却器；33、第四压缩机；34、第三冷凝器；35、第一液态水收集器；36、第五压缩机；37、第四冷凝器；38、第二液态水收集器；39、第六压缩机；40、第五冷凝器；41、第三液态水收集器；42、第七压缩机；43、第六冷凝器。
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。
实施例1
载氧体与空气在氧化反应器2中发生氧化反应，反应产物通过第一气固分离器3进行分离，被氧化的载氧体进入还原反应器4中发生还原反应，分离后的气体去第一换热器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0.1MPa；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，并将水加热成水蒸气，降温后的气体通过第一冷凝器7得到纯的氧气；该氧气通过第一压缩机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内发生气化反应，反应压力控制在2.4MPa，反应最终产物温度控制在1275℃，气化反应器9中的氧气和煤粉质量比控制在0.75，水蒸汽和煤粉质量比控制在0.06。所述气化反应器9生成的以H2和CO为主的合成气进入到第三换热器10中冷却至340℃，然后进入再除尘器11中分离出固体飞灰，从除尘器出来的合成气经第四换热器12降温至150℃，随后进入脱硫装置13脱除其中的含硫组分，得以H2和CO2为主的净煤气。
所述净煤气进入燃烧室14燃烧，助燃介质空气经第二压缩机15升压升温后，通过分流器16，一部分约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一冷却器17冷却后的空气在第一混合器18中混合后进入气轮机19做功，做功后的气体与冷却空气在第二混合器20中混合至610℃排出，得混合气。
所述混合气进入余热锅炉21产生蒸汽，驱动蒸汽轮机22做功，做功后的乏汽进入第二冷凝器23，凝结水经第一泵24升压后再次进入余热锅炉21吸热成为蒸汽。
余热锅炉21排出的烟气经第三压缩机25升压、第二冷却器26降温后进入吸收塔27，吸收塔27富液输出端输出的富液经第二泵28升压、第五换热器29升温后，进入再生塔30，再生塔30贫液输出端输出的贫液经过第五换热器29降温后与新鲜的一乙醇胺在第三混合器31中混合后通过第三冷却器32冷却至40℃左右重新返回吸收塔27中吸收CO2。所述再生塔30气体输出端输出的高浓度CO2气体分别通入第四压缩机33、第三冷凝器34、第一液态水收集器35、第五压缩机36、第四冷凝器37、第二液态水收集器38、第六压缩机39和第五冷凝器40、第三液态水收集器41、第七压缩机42和第六冷凝器43后，得到压力为10MPa，温度为30℃的CO2液体。
所述第三换热器10和第四换热器12产生的余热回收至第一泵中。
所述第一液态水收集器35、第二液态水收集器38和第三液态水收集器41中盛有液态水。
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 (8)
1.一种基于化学链空分制氧和燃烧后CO2捕集的发电系统，其特征在于，所述发电系统包括：化学链空分制氧装置、气化反应器、除尘装置、脱硫装置、燃气轮机装置、余热锅炉-蒸汽轮机装置、CO2捕集装置和CO2压缩装置；
所述化学链空分制氧装置、气化反应器、除尘器、脱硫装置、燃气轮机装置、余热锅炉-蒸汽轮机装置、CO2捕集装置和CO2压缩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，
所述化学链空分制氧装置包括：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；
所述除尘装置包括第三换热器、除尘器和第四换热器；
所述燃气轮机装置包括：燃烧室、第二压缩机、分流器、第一冷却器、第一混合器、第二混合器和气轮机；
所述余热锅炉-蒸汽轮机装置包括：第一泵、余热锅炉、蒸汽轮机和第二冷凝器；
所述CO2捕集装置包括：第二冷却器、第三混合器、吸收塔、第二泵、第五换热器、再生塔、第三压缩机和第三冷却器；
所述CO2压缩装置包括：第四压缩机、第三冷凝器、第一液力水收集器、第五压缩机、第四冷凝器、第二液力水收集器、第六压缩机、第五冷凝器、第三液力水收集器、第七压缩机和第六冷凝器。
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、第三换热器、除尘器、第四换热器、脱硫装置的输入端依次连接；
所述脱硫装置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、第二混合器空气的输入端和第一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；所述第一混合器的输入端分别与燃烧室的输出端和第一冷却器的输出端相连接，第一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二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二混合器的输出端、第一泵的输出端和第三压缩机的输入端相连接，余热锅炉的输出端、蒸汽轮机、第二冷凝器和第一泵的输入端依次连接；
所述第三压缩机的输出端和第二冷却器的输入端相连接；所述吸收塔的输入端分别与第二冷却器的输出端和第三冷却器的输出端相连接，吸收塔的输出端与第二泵的输入端相连接；所述第三冷却器的输入端与第三混合器的输出端相连接；所述第五换热器的输入端分别与第三混合反应器的气体输入端、第二泵的输出端、再生塔贫液的输出端相连接；第五换热器的输出端与再生塔的输入端相连接；所述再生塔的气体输出端、第四压缩机、第三冷凝器、第一液力水收集器、第五压缩机、第四冷凝器、第二液力水收集器、第六压缩机、第五冷凝器、第三液力水收集器、第七压缩机和第六冷凝器依次连接。
4.根据权利要求2或3所述的发电系统，其特征在于，所述氧化反应器和还原反应器的压力均为0.5-1.5bar。
5.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。
6.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述第三混合器中需通入一乙醇胺；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。
7.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℃。
8.根据权利要求1-7任一所述的发电系统，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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