CN107859539A - 一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，包括主循环、底循环和碳捕集系统，主循环包括通过主循环工质管路连接的余热换热器、预冷器、主压缩机、再压缩机、低温回热器、高温回热器、高压CO2透平、低压CO2透平、主循环发电机和锅炉，底循环包括通过底循环工质管路循环连接的CO2透平、第二压缩机、二号预冷器、第一压缩机、底循环发电机和水‑CO2换热器，碳捕集系统包括再沸器、储藏罐、塔顶冷凝器、压缩装置、汽水分离器、冷凝器、再生塔、吸收塔、贫富液交换器、富液泵和贫液泵，本发明整个系统的集成提高了主循环发电系统的余热利用率，解决了超临界CO2布雷顿循环发电系统的循环工质来源问题及捕集到的二氧化碳用途问题，降低了发电厂CO2减排的成本。

Description

一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统
技术领域
本发明属于发电领域，尤其涉及一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统。
背景技术
由于温室效应的作用，人类的生存环境不断恶化，大量的CO2排放是造成温室效应的罪魁祸首，而火电厂巨量的CO2排放是碳排放的重要来源，急需得到削减，因此，继脱硫脱硝之后，电厂的脱碳势在必行
超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环发电系统具有占地空间小、发电效率高、经济性好等优点，因此火电、核电等发电系统等都尝试采用SCO2布雷顿循环作为新的动力循环系统。但目前对于以煤基锅炉或燃机余热锅炉为热源的二氧化碳布雷顿循环发电的研究均未考虑系统排放二氧化碳的捕集、循环工质来源的问题，也没有考虑锅炉内受热面布置分配的问题。
目前的碳捕集以燃烧后使用化学吸收剂(MEA溶液)捕集排烟中的二氧化碳为主，但是，这种电厂碳捕集技术方案只考虑了如何捕碳，并未考虑捕集得到的二氧化碳的用途。另外，针对燃烧后碳捕集系统，以MEA溶液为代表的二氧化碳吸附剂需要大量热量进行解吸再生。因此，目前电厂捕碳代价巨大，如不对捕集到的二氧化碳加以利用和降低二氧化碳吸附剂解吸再生时所需要的大量热量的成本，电厂的综合效益将严重降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，以解决以超临界二氧化碳(SCO2)为循环介质的布雷顿循环发电系统的碳捕集和循环工质来源问题，解决碳捕集过程中化学吸收剂解吸再生所需要的热量的来源以及再生CO2的再利用问题，在提高火电厂发电效率和余热利用效率的同时，如何将二者结合，以降低碳排放的成本、提高电厂的综合效益。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，包括主循环、底循环和碳捕集系统，所述主循环包括通过主循环工质管路连接的余热换热器、预冷器、主压缩机、再压缩机、低温回热器、高温回热器、高压CO2透平、低压CO2透平和锅炉，主循环发电机与主压缩机、再压缩机、高压CO2透平、低压CO2透平同轴轴连接，高温回热器的管程出口绕经锅炉内的上部的高温区后连接高压CO2透平的入口，高压CO2透平的出口绕经锅炉的水平烟道的中温区连接低压CO2透平的入口，低压CO2透平的出口依次连接高温回热器的壳程、低温回热器的壳程和余热换热器的管程，余热换热器的管程出口分两路，一路通过预冷器、主压缩机连接低温回热器的管程入口，低温回热器的管程出口连接高温回热器的管程入口，另一路通过再压缩机连接到高温回热器管程入口；
所述底循环包括通过底循环工质管路循环连接的CO2透平、第二压缩机、二号预冷器、第一压缩机和水-CO2换热器，底循环发电机与CO2透平、第二压缩机、第一压缩机同轴轴连接，所述二号预冷器出口连接到第一压缩机的入口，第一压缩机的出口与余热换热器的壳程入口连接，余热换热器的壳程出口连接第二压缩机的入口，第二压缩机的出口绕经锅炉尾气烟道低温区后连接CO2透平，CO2透平通过水-CO2换热器连接二号预冷器的进口；
所述碳捕集系统包括再沸器、储藏罐、塔顶冷凝器、压缩装置、汽水分离器、冷凝器、再生塔、吸收塔、贫富液交换器、富液泵和贫液泵，锅炉尾气烟道出口连接吸收塔的烟气进口，吸收塔的烟气出口通向大气，吸收塔的富液出口经富液泵连接贫富液交换器的管程进口，贫富液交换器管程出口连接到再生塔的吸收液进口，再生塔的吸收液出口连接再沸器的壳程进口，再沸器的壳程设置两路出口，一路经贫液泵连接到贫富液交换器的壳程进口，贫富液交换器的壳程出口连接到冷凝器的壳程进口，冷凝器的壳程出口连接的吸收塔的贫液进口，另一路连接到再生塔的CO2进口，再生塔的CO2出口连接塔顶冷凝器的壳程进口，塔顶冷凝器的壳程出口连接汽水分离器，汽水分离器的CO2出口经压缩装置连接到储藏罐，汽水分离器的冷凝水出口连接到再生塔的冷凝水进口；所述再沸器的管程出口通过增压泵连接水-CO2换热器的水入口，水-CO2换热器的水出口连接再沸器的管程进口。
上述集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，所述锅炉为煤基锅炉或燃机余热锅炉。
上述集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，所述底循环介质管路中的工质为超临界CO2，所述工质CO2取自于碳循环系统捕集回收在储藏罐内的CO2。
上述集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，所述储藏罐为一个或多个，碳捕集系统中回收在储藏罐内的CO2还供给太阳能发电厂、核能发电厂、地热能发电厂、风能发电厂和/或潮汐能发电厂使用。
上述集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，所述锅炉内的上部的高温区的温度为1000℃～1400℃，锅炉水平烟道的中温区的温度为600℃～1200℃，所述锅炉尾气烟道低温区的温度为300℃～700℃；主循环工质管路绕入高温区和中温区、以及底循环工质管路绕入低温区的结构为盘管结构。
本发明在采用上述技术方案后，具有如下技术进步效果：
本发明以碳捕集系统捕集到的二氧化碳作为二氧化碳布雷顿循环的工质来源。主循环采用带一次再热的分流再压缩结构，以锅炉高中温区域为热源，底循环以主循环CO2透平排汽和锅炉低温区域为热源，合理分配了锅炉受热面，合理利用了锅炉热量，减少了余热损失。底循环两次吸热，先在余热换热器中吸收主循环CO2透平排汽余热，再进入锅炉尾部烟道吸热。既利用了主循环废热，又利用了锅炉低温区域的热量，从而降低了锅炉排烟余热损失和主循环排汽余热损失，而且碳捕集系统与主循环和底循环集成在一起，捕集到的二氧化碳充当主、底循环的工质，从而使捕集得到的二氧化碳得以利用，同时捕集过程需要的热量直接来源于发电系统，使整个发电系统更为紧凑高效，提高余热利用和发电效率的同时，整体上降低了捕碳和减排的成本。设计水-CO2换热器和带增压泵的闭式水循环来为再沸器供热。水在水-CO2换热器吸热后产生饱和蒸汽，蒸汽再进入再沸器放热，为CO2吸收剂再生提供热量。
本发明解决了二氧化碳布雷顿循环发电厂碳捕集系统所需的热量来源问题，其对整个系统的集成提高了主循环发电系统的余热利用率，解决了超临界CO2布雷顿循环发电系统的循环工质来源问题，也解决了碳捕集系统中吸收液解吸再生所需的热量的来源问题及碳捕集系统捕集到的二氧化碳的用途问题，整体上提高了发电厂的余热利用和发电效率，降低了发电厂CO2减排的成本。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图。
图中各标号分别表示为：1—余热换热器、2—预冷器、3—主压缩机、4—再压缩机、5—低温回热器、6—高温回热器、7—高压CO2透平、8—低压CO2透平、9—主循环发电机、10—底循环发电机、11—CO2透平、12—第二压缩机、13—二号预冷器、14—第一压缩机、15—水-CO2换热器、16—增压泵、17—再沸器、18—储藏罐、19—塔顶冷凝器、20—压缩装置、21—汽水分离器、22—冷凝器、23--再生塔、24—吸收塔、25—贫富液交换器、26—富液泵、27—贫液泵、28—锅炉、29—主循环、30—底循环、31—碳捕集系统。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明涉及一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，如图1所示，包括主循环29、底循环30、碳捕集系统31。
所述主循环包括余热换热器1、预冷器2、主压缩机3、再压缩机4、低温回热器5、高温回热器6、高压CO2透平7、低压CO2透平8、主循环发电机9和锅炉28。其中，锅炉为煤基锅炉，主压缩机3、再压缩机4、高压CO2透平7、低压CO2透平8和主循环发电机9同轴轴连接。各设备之间通过主循环工质管路连接：高温回热器6的管程的出口以盘管形式绕经锅炉28上部的高温区，高温区的温度范围为1000℃～1400℃；由高温区引出的主循环工质管路连接高压CO2透平7的入口，高压CO2透平7的出口以盘管形式绕经锅炉28水平烟道的中温区，中温区的温度范围为600℃～1200℃；由中温区引出的主循环工质管路连接到低压CO2透平8的入口，低压CO2透平8的出口依次连接高温回热器6的壳程、低温回热器5的壳程和余热换热器1的管程。余热换热器1的管程出口分两路，一路通过预冷器2、主压缩机3连接到低温回热器5的管程入口，低温回热器5的管程出口连接到高温回热器6的管程入口；另一路通过再压缩机4也连接到高温回热器6的管程入口。
所述底循环包括底循环发电机10、CO2透平11、第二压缩机12、二号预冷器13、第一压缩机14和水-CO2换热器15。其中，底循环发电机10、CO2透平11、第二压缩机12、第一压缩机14同轴轴连接。各设备之间通过底循环工质管路循环连接：二号预冷器13的出口连接到第一压缩机14的入口，第一压缩机14的出口与余热换热器1的壳程入口连接。余热换热器1的壳程出口连接第二压缩机12。第二压缩机12的出口连接到设置在锅炉尾气烟道低温区的盘管解雇的底循环工质管路，低温区的温度范围为300℃～700℃。锅炉尾气烟道的底循环工质管路出口依次连接到CO2透平11。CO2透平11通过水-CO2换热器15的二氧化碳管路连接二号预冷器13进口。
所述碳捕集系统包括再沸器17、储藏罐18、塔顶冷凝器19、压缩装置20、汽水分离器21、冷凝器22、再生塔23、吸收塔24、贫富液交换器25、富液泵26和贫液泵27。锅炉尾气烟道出口连接吸收塔24的烟气进口，吸收塔24的烟气出口通向大气。吸收塔24的富液出口经富液泵26连接贫富液交换器25的管程进口。贫富液交换器25的管程出口连接到再生塔23的吸收液进口。再生塔23的吸收液出口连接再沸器17的壳程进口。再沸器17的壳程设置两路出口，一路经贫液泵27连接到贫富液交换器25的壳程进口，贫富液交换器25的壳程出口连接到冷凝器22的壳程进口，冷凝器22的壳程出口连接的吸收塔24的贫液进口；另一路连接到再生塔23的CO2进口。再生塔23的CO2出口连接塔顶冷凝器19的壳程进口，塔顶冷凝器19的壳程出口连接汽水分离器21。汽水分离器21的CO2出口经压缩装置连接到储藏罐18，汽水分离器21的冷凝水出口连接到再生塔23的冷凝水进口。水-CO2换热器15设置闭式水循环，包括增压泵16，增压泵出口连接到水-CO2换热器15的水入口，水-CO2换热器15的水出口连接到再沸器17的管程进口，再沸器17的管程出口连接到增压泵16的进口。水-CO2换热器15的冷侧为带增压泵的闭式水循环，用来加热再沸器。
本发明的工作过程是：
所述主循环介质管路中的工作介质在锅炉上部的高温区吸热后进入高压CO2透平推高透平机工作，从高压CO2透平出来的工质进入锅炉的水平烟道中温区吸热后进入低压CO2透平推动低压CO2透平工作，高压CO2透平和低压CO2透平共同带动主循环发电机进行发电。从低压CO2透平出来的工质依次进入高温回热器和低温回热器的壳程，向循环回来的已经放过热的工质CO2放热，然后进入余热换热器，在余热换热器中继续向底循环中的CO2工质放热。放热降温后的CO2工质分两路，一路经预冷器进一步降温后进入主压缩机压缩，然后依次进入低温回热器和高温回热器的管程进行加热升温，另一路经再压缩机压缩后在高温回热器管程入口同从低温回热器出口回来的工质汇合，一同进入高温回热器加热升温，升温后的工质经高温回热器壳程出口重新回到锅炉上部的高温区继续加热升温升压，完成一个发电循环，以上循环过程连续运行。高压CO2透平和低压CO2透平带动主循环发电机发电的同时，带动主压缩机和再压缩机对循环管路中的工质进行压缩，维持循环系统的持续运行。主循环的气体介质CO2在循环运行过程中始终处于超临界状体。
所述底循环中的工质SCO2，从二号预冷器输出，经过第一压缩机进行压缩，压缩后在余热换热器中吸收主循环中CO2透平排汽的余热升温后，进入锅炉的尾部烟道继续加热升温升压，然后进入CO2透平推动透平机运转，透平机带动发电机发电，从透平机排除的工质SCO2进入水-CO2换热器，与闭式循环介质管路中的水换热，换热降温后进入二号预冷器，完成一个循环。
碳捕集系统中循环介质管路中的工质为CO2吸收液，CO2吸收液为MEA溶液。吸收液首先进入吸收塔中与锅炉排放的烟气进行逆流接触并发生化学反应，吸收烟气中的绝大部分CO2，吸收了C02的吸收液由贫液变为富液。富液经富液泵加压后进入贫富液交换器中与循环回来的贫液换热升温，然后从再生塔顶部自上而下喷淋入塔。进入再生塔的富液通过吸收液循环管路进入再沸器中与闭式循环系统中的水换热升温获得相对稳定的解吸的温度条件，在再沸器中富液解吸转变为贫液，解吸出的CO2经再生塔进入塔顶冷凝器和汽水分离器进行提纯，其中冷凝水回流到再生塔中，高纯度的CO2经过压缩装置压缩后进入储藏罐以备后期利用；解吸再生得到的贫液由再生塔底流出，经贫富液换热器和冷凝器进行热量交换后与补充的MEA溶液混合再次进入吸收塔。MEA溶液在贫、富液泵的推动下，往复循环于吸收塔与再生塔之间，构成了连续吸收和解析CO2的工艺流程。
本发明中需要注意底循环CO2透平排汽的参数与碳捕集系统所需热力参数相匹配，确保碳捕集系统中吸收液能稳定的获得解吸需要的热量，确保碳捕集系统稳定运行。

Claims (5)

1.一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，其特征是：包括主循环(29)、底循环(30)和碳捕集系统(31)，所述主循环包括通过主循环工质管路连接的余热换热器(1)、预冷器(2)、主压缩机(3)、再压缩机(4)、低温回热器(5)、高温回热器(6)、高压CO2透平(7)、低压CO2透平(8)和锅炉(28)，主循环发电机(9)与主压缩机(3)、再压缩机(4)、高压CO2透平(7)、低压CO2透平(8)同轴轴连接，高温回热器(6)的管程出口绕经锅炉(28)内的上部的高温区后连接高压CO2透平(7)的入口，高压CO2透平(7)的出口绕经锅炉(28)的水平烟道的中温区连接低压CO2透平(8)的入口，低压CO2透平(8)的出口依次连接高温回热器(6)的壳程、低温回热器(5)的壳程和余热换热器(1)的管程，余热换热器(1)的管程出口分两路，一路通过预冷器(2)、主压缩机(3)连接低温回热器(5)的管程入口，低温回热器(5)的管程的出口连接高温回热器(6)的管程入口，另一路通过再压缩机(4)连接到高温回热器(6)的管程入口；
所述底循环包括通过底循环工质管路循环连接的CO2透平(11)、第二压缩机(12)、二号预冷器(13)、第一压缩机(14)和水-CO2换热器(15)，底循环发电机(10)与CO2透平(11)、第二压缩机(12)、第一压缩机(14)同轴轴连接，所述二号预冷器(13)出口连接到第一压缩机(14)的入口，第一压缩机(14)的出口与余热换热器(1)的壳程连接，余热换热器(1)的壳程出口连接第二压缩机(12)的入口，第二压缩机(12)的出口绕经锅炉尾气烟道低温区后连接CO2透平(11)，CO2透平(11)通过水-CO2换热器(15)连接二号预冷器(13)的进口；
所述碳捕集系统包括再沸器(17)、储藏罐(18)、塔顶冷凝器(19)、压缩装置(20)、汽水分离器(21)、冷凝器(22)、再生塔(23)、吸收塔(24)、贫富液交换器(25)、富液泵(26)和贫液泵(27)，锅炉尾气烟道出口连接吸收塔(24)的烟气进口，吸收塔(24)的烟气出口通向大气，吸收塔(24)的富液出口经富液泵(26)连接贫富液交换器(25)的管程进口，贫富液交换器(25)的管程出口连接到再生塔(23)的吸收液进口，再生塔(23)的吸收液出口连接再沸器(17)的壳程进口，再沸器(17)的壳程设置两路出口，一路经贫液泵(27)连接到贫富液交换器(25)的壳程进口，贫富液交换器(25)的壳程出口连接到冷凝器(22)的壳程进口，冷凝器(22)的壳程出口连接的吸收塔(24)的贫液进口，另一路连接到再生塔(23)的CO2进口，再生塔(23)的CO2出口连接塔顶冷凝器(19)的壳程进口，塔顶冷凝器(19)的壳程出口连接汽水分离器(21)，汽水分离器(21)的CO2出口经压缩装置连接到储藏罐(18)，汽水分离器(21)的冷凝水出口连接到再生塔(23)的冷凝水进口；所述再沸器(17)的管程出口通过增压泵(16)连接水-CO2换热器(15)的水入口，水-CO2换热器(15)的水出口连接再沸器(17)的管程进口。
2.根据权利要求1所述的一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，其特征是：所述锅炉为煤基锅炉或燃机余热锅炉。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，其特征是：所述底循环介质管路和主循环管路中的工质为超临界CO2，所述工质CO2取自于碳循环系统捕集回收在储藏罐(18)内的CO2。
4.根据权利要求3所述的一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，其特征是：所述储藏罐(18)为一个或多个，碳捕集系统中回收在储藏罐(18)内的CO2还供给以二氧化碳为工质的太阳能发电厂、核能发电厂、地热能发电厂、风能发电厂和/或潮汐能发电厂使用。
5.根据权利要求1所述的一种集成碳捕集的二氧化碳双布雷顿循环发电系统，其特征是：所述锅炉(28)内的上部的高温区的温度为1000℃～1400℃，锅炉(28)的水平烟道的中温区的温度为600℃～1200℃，所述锅炉尾气烟道低温区的温度为300℃～700℃；主循环工质管路绕入高温区和中温区、以及底循环工质管路绕入低温区的结构为盘管结构。
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