CN108374720A - 一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的igcc发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种煤气‑超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统，包括燃气轮机发电系统、超临界二氧化碳(S‑CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环发电系统和煤气化净化系统。本发明中通过煤气化净化系统把煤转化成煤气，作为燃气轮机的燃料，燃气轮机的排气作为超临界二氧化碳(S‑CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环发电系统的热源，实现燃气‑超临界二氧化碳(S‑CO2)再压缩布雷顿(Brayton)联合动力循环，超临界二氧化碳(S‑CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环通过二氧化碳透平拖动发电机组产生电能。综合了煤气化净化系统、燃气轮机发电系统和超临界二氧化碳(S‑CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环发电系统，提供稳定的电源，提高了系统整体效率，同时为IGCC发电系统以及超临界二氧化碳(S‑CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环的运用提供了新的思路。

Description

一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统
技术领域
本发明涉及一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统。
背景技术
IGCC(整体煤气化燃气－蒸汽联合循环发电系统)技术把洁净的煤气化技术与高效的燃气－蒸汽联合循环发电系统结合起来，既有高发电效率，又有极好的环保性能，是一种有发展前景的洁净煤发电技术。在目前技术水平下，IGCC发电的净效率可达43％～45％，今后可望达到更高。而污染物的排放量仅为常规燃煤电站的1/10，脱硫效率可达99％，二氧化硫排放在25mg/Nm3左右，远低于排放标准1200mg/Nm3，氮氧化物排放只有常规电站的15％～20％，耗水只有常规电站的1/2～1/3，对于环境保护具有重大意义。与传统煤电技术相比，IGCC将煤气化和燃气－蒸汽联合循环发电技术集成，具有发电效率高、污染物排放低，二氧化碳捕集成本低等优势，是目前国际上被验证的、能够工业化的、最具发展前景的清洁高效煤电技术。
利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将换热器运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现较高的效率。超临界流体的这一性质使其作为能量转换工质时具有明显的优势。二氧化碳(CO2)由于其临界压力相对适中(7.38MPa)，具有较好的稳定性和核物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。由于超临界二氧化碳(S-CO2)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以S-CO2为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小。布雷顿循环每个组合可以产出20MW的电力，占用空间只有四个立方米。超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环轮机通常用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆，目标是最终取代蒸汽驱动的朗肯循环轮机(效率较低，高温条件存在腐蚀性，同时由于需要非常大的轮机和冷凝器来处理多余的蒸汽，占用空间是30倍)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高系统整体效率，同时能为IGCC发电系统以及超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环的运用提供新思路的新型发电系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统，包括燃气轮机发电系统、超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环发电系统和煤气化净化系统；其中，
燃气轮机发电系统包括空气压缩机组、燃烧器和燃气透平；
超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环发电系统包括换热器、高温回热器、低温回热器、预冷器、主压缩机、再压缩机和超临界二氧化碳透平；
煤气化净化系统包括气化炉系统、煤气除尘装置、煤气净化装置和空分装置；
空气压缩机组的压缩空气出口与燃烧器的压缩空气入口连接，燃烧器的燃料入口与煤气净化装置的出口相连接，燃烧器的出口与燃气透平的进口连接，燃气透平的出口与换热器的进口连接；
换热器的出口与超临界二氧化碳透平的进口相连，超临界二氧化碳透平的出口与高温回热器的高温侧流体进口连通，高温回热器的高温侧流体出口与低温回热器的高温侧流体进口连通，低温回热器的高温侧流体出口分为两路，一路与预冷器的进口连通，另一路与再压缩机的进口连通，预冷器的出口与主压缩机的进口连通，主压缩机的出口与低温回热器的低温侧流体进口连通，低温回热器的低温侧流体出口与再压缩机的出口汇合后与高温回热器的低温侧流体进口连通，高温回热器的低温侧流体出口与换热器的进口连通；
气化炉系统的原料入口与原料煤的输送管道的出口连通，气化炉系统的出口与煤气除尘装置的进口连通，煤气除尘装置的出口与煤气净化装置的进口连通，煤气净化装置的出口与燃烧器的燃料入口连通，气化炉系统的氧气入口与空分装置的出口连通，空分装置的进口与空气压缩机组的出口连通。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机发电系统还包括燃气轮机发电机组，其通过燃气透平发电。
本发明进一步的改进在于，工作时，经由除尘装置及煤气净化装置净化后的燃料和经由空气压缩机组压缩的空气在燃烧器中混合燃烧，形成高温燃气进入燃气透平做功，带动燃气轮机发电机组发电，燃气透平的排气进入换热器进行换热，换热后的乏汽从烟囱排出。
本发明进一步的改进在于，超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环发电系统还包括超临界二氧化碳透平发电机，其通过超临界二氧化碳透平发电。
本发明进一步的改进在于，超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环发电系统中采用超临界二氧化碳为工质。
本发明进一步的改进在于，工作时，超临界二氧化碳透平出口的二氧化碳流体先进入高温回热器进行放热，后进入低温回热器进行换热；而后，一部分流体直接通往再压缩机被压缩；另一部分流体先经预冷器冷却后再进入主压缩机压缩，然后通过低温回热器回热到与直接被再压缩机压缩的流体相同的温度，混合后，一起再流经高温回热器、换热器进行热交换，最后流入超临界二氧化碳透平做功，实现闭式循环。
本发明进一步的改进在于，工作时，原料煤首先进入气化炉系统，在气化炉系统中进行加热气化，气化后的煤气进入除尘装置中进行除尘处理，去除煤气中的飞灰杂质，然后进入煤气净化装置，进行净化，去除煤气中的硫杂质，从煤气净化装置出口流出的煤气从燃烧器的燃料入口进入燃烧器；
由燃气轮机发电系统中的空气压缩机组的出口引出一路压缩空气进入空分装置，经空分装置分离后，由空分装置的出口向气化炉系统提供煤气化所需的氧气。
本发明具有如下的有益效果：
本发明中通过煤气化净化系统把煤转化成洁净的煤气，作为燃气轮机的燃料，燃气轮机的排气作为超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环发电系统的热源，实现燃气-超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)联合动力循环，超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环通过二氧化碳透平拖动发电机组产生电能。综合了煤气化净化系统、燃气轮机发电系统和超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环发电系统，提供稳定的电源，提高了系统整体效率，同时为IGCC发电系统以及超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环的运用提供了新的思路。
其中，超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环发电系统中，燃气透平后设置有换热器5，实现燃气与超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)循环之间的能量传递。
超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环发电系统使用超临界二氧化碳(S-CO2)为工质，为充分利用二氧化碳在临界点附近密度较大、所需压缩功较小的优势，系统中的超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环中采用分流再压缩循环，循环系统中具有主压缩机和再压缩机两台压缩机。
此外，超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环发电系统使用超临界二氧化碳(S-CO2)为工质，为避免布雷顿(Brayton)循环中换热器出现夹点，影响换热，降低循环效率，系统中的超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环中采用两个回热器，循环系统中具有高温回热器和低温回热器。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1、空气压缩机组，2、燃烧器，3、燃气透平，4、燃气轮机发电机组，5、换热器，6、高温回热器，7、低温回热器，8、预冷器，9、主压缩机，10、再压缩机，11、超临界二氧化碳透平，12、超临界二氧化碳透平发电机，13、气化炉系统，14、除尘装置，15、煤气净化装置，16、空分装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统；
所述的燃气轮机发电系统包括空气压缩机组1、燃烧器2、燃气透平3、燃气轮机发电机组4，空气压缩机组1的压缩空气出口与燃烧器2的压缩空气入口连接，燃烧器2的燃料入口与煤气净化装置15的出口相连接，燃烧器2的出口与燃气透平3的进口连接，燃气透平3的出口与换热器5的进口连接；经由煤气除尘装置14及净化装置15净化后的煤气和经由空气压缩机组1压缩的空气在燃烧器2中混合燃烧，形成高温燃气进入燃气透平3做功，带动燃气轮机发电机组4发电，燃气透平4的排气进入换热器5进行换热，换热后的乏汽从烟囱排出。
所述的超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环发电系统包括换热器5、高温回热器6、低温回热器7、预冷器8、主压缩机9、再压缩机10、超临界二氧化碳透平11、超临界二氧化碳透平发电机12，换热器5的出口与超临界二氧化碳透平11的进口相连，超临界二氧化碳透平11的出口与高温回热器6的高温侧流体进口连通，高温回热器6的高温侧流体出口与低温回热器7的高温侧流体进口连通，低温回热器7的高温侧流体出口分为两路，一路与预冷器8的进口连通，另一路与再压缩机10的进口连通，预冷器8的出口与主压缩机9的进口连通，主压缩机9的出口与低温回热器7的低温侧流体进口连通，低温回热器7的低温侧流体出口与再压缩机10的出口汇合后与高温回热器6的低温侧流体进口连通，高温回热器6的低温侧流体出口与换热器5的进口连通；超临界二氧化碳(S-CO2)透平11出口的二氧化碳流体先进入高温回热器6的高温侧进行放热，后进入低温回热器7的高温侧进行热交换，而后，一部分流体直接通往再压缩机10被压缩；另一部分流体先流入预冷器8冷却后，再进入主压缩机9进行压缩，然后通过低温回热器7的低温侧回热到与直接被再压缩机10压缩的流体相同的温度，混合后一起再流经高温回热器6的低温侧、换热器5进行热交换，最后流入超临界二氧化碳(S-CO2)透平11做功，超临界二氧化碳(S-CO2)透平11带动超临界二氧化碳透平发电机12发电，实现闭式循环。
所述的天然气液化装置系统包括气化炉系统13、煤气除尘装置14、煤气净化装置15、空分装置16，气化炉系统13的原料入口与原料煤的输送管道的出口连通，气化炉系统13的出口与煤气除尘装置14的进口连通，煤气除尘装置14的出口与煤气净化装置15的进口连通，煤气净化装置15的出口与燃烧器2的燃料入口连通，气化炉系统13的氧气入口与空分装置16的出口连通，空分装置16的进口与空气压缩机组1的出口连通。原料煤首先进入气化炉系统13，在气化炉系统13中进行加热气化，气化后的煤气进入除尘装置14中进行除尘处理，去除煤气中的飞灰等杂质，然后进入煤气净化装置15进行净化，去除煤气中的硫等杂质，从煤气净化装置15出口流出的煤气从燃烧器2的燃料入口进入燃烧器2。由燃气轮机发电系统中的空气压缩机组1的出口引出一路压缩空气进入空分装置16，经空分装置16分离后，由空分装置16的出口向气化炉系统13提供煤气化所需的氧气。
本发明的一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统中，由于采用了IGCC(整体煤气化燃气－蒸汽联合循环发电系统)技术，使整个发电系统既有较高的发电效率，又有极好的环保性能，对于环境保护具有重大意义。
本发明的一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统中，由于超临界二氧化碳(S-CO2)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳(S-CO2)为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小，既节约成本，又节省空间。
超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环系统中，由于采用改进后的再压缩布雷顿循环，这样就避免了简单布雷顿(Brayton)循环出现的换热夹点，降低循环效率的现象，充分利用了超临界二氧化碳在其临界点附近密度较大、所需压缩功较小的优势。

Claims (7)

1.一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统，其特征在于，包括燃气轮机发电系统、超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环发电系统和煤气化净化系统；其中，
燃气轮机发电系统包括空气压缩机组(1)、燃烧器(2)和燃气透平(3)；
超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环发电系统包括换热器(5)、高温回热器(6)、低温回热器(7)、预冷器(8)、主压缩机(9)、再压缩机(10)和超临界二氧化碳透平(11)；
煤气化净化系统包括气化炉系统(13)、煤气除尘装置(14)、煤气净化装置(15)和空分装置(16)；
空气压缩机组(1)的压缩空气出口与燃烧器(2)的压缩空气入口连接，燃烧器(2)的燃料入口与煤气净化装置(15)的出口相连接，燃烧器(2)的出口与燃气透平(3)的进口连接，燃气透平(3)的出口与换热器(5)的进口连接；
换热器(5)的出口与超临界二氧化碳透平(11)的进口相连，超临界二氧化碳透平(11)的出口与高温回热器(6)的高温侧流体进口连通，高温回热器(6)的高温侧流体出口与低温回热器(7)的高温侧流体进口连通，低温回热器(7)的高温侧流体出口分为两路，一路与预冷器(8)的进口连通，另一路与再压缩机(10)的进口连通，预冷器(8)的出口与主压缩机(9)的进口连通，主压缩机(9)的出口与低温回热器(7)的低温侧流体进口连通，低温回热器(7)的低温侧流体出口与再压缩机(10)的出口汇合后与高温回热器(6)的低温侧流体进口连通，高温回热器(6)的低温侧流体出口与换热器(5)的进口连通；
气化炉系统(13)的原料入口与原料煤的输送管道的出口连通，气化炉系统(13)的出口与煤气除尘装置(14)的进口连通，煤气除尘装置(14)的出口与煤气净化装置(15)的进口连通，煤气净化装置(15)的出口与燃烧器(2)的燃料入口连通，气化炉系统(13)的氧气入口与空分装置(16)的出口连通，空分装置(16)的进口与空气压缩机组(1)的出口连通。
2.根据权利要求1所述的一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统，其特征在于，燃气轮机发电系统还包括燃气轮机发电机组(4)，其通过燃气透平(3)发电。
3.根据权利要求2所述的一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统，其特征在于，工作时，经由除尘装置(14)及煤气净化装置(15)净化后的燃料和经由空气压缩机组(1)压缩的空气在燃烧器(2)中混合燃烧，形成高温燃气进入燃气透平做功，带动燃气轮机发电机组(4)发电，燃气透平(3)的排气进入换热器(5)进行换热，换热后的乏汽从烟囱排出。
4.根据权利要求1所述的一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统，其特征在于，超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环发电系统还包括超临界二氧化碳透平发电机(12)，其通过超临界二氧化碳透平(11)发电。
5.根据权利要求1所述的一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统，其特征在于，超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环发电系统中采用超临界二氧化碳为工质。
6.根据权利要求5所述的一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统，其特征在于，工作时，超临界二氧化碳透平(11)出口的二氧化碳流体先进入高温回热器(6)进行放热，后进入低温回热器(7)进行换热；而后，一部分流体直接通往再压缩机(10)被压缩；另一部分流体先经预冷器(8)冷却后再进入主压缩机(9)压缩，然后通过低温回热器(7)回热到与直接被再压缩机(10)压缩的流体相同的温度，混合后，一起再流经高温回热器(6)、换热器(5)进行热交换，最后流入超临界二氧化碳透平(11)做功，实现闭式循环。
7.根据权利要求1所述的一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的IGCC发电系统，其特征在于，工作时，原料煤首先进入气化炉系统(13)，在气化炉系统(13)中进行加热气化，气化后的煤气进入除尘装置(14)中进行除尘处理，去除煤气中的飞灰杂质，然后进入煤气净化装置(15)，进行净化，去除煤气中的硫杂质，从煤气净化装置(15)出口流出的煤气从燃烧器(2)的燃料入口进入燃烧器(2)；
由燃气轮机发电系统中的空气压缩机组(1)的出口引出一路压缩空气进入空分装置，经空分装置(16)分离后，由空分装置(16)的出口向气化炉系统(13)提供煤气化所需的氧气。
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