CN108395905A - 基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，包括气化炉、净化装置一、锅炉、净化装置二、捕集装置，气化的合成气出口与净化装置一入口连通，净化装置一出口与锅炉合成气入口连通，锅炉布置于超临界二氧化碳布雷顿循环系统内，合成气在锅炉中燃烧所产生的热量作为循环工质的唯一或主要热源；锅炉烟气出口与净化装置二入口连通，净化装置二出口与捕集装置入口连通；本发明将含碳固废物有效利用于超临界二氧化碳布雷顿循环系统中，可避免出现直接焚烧含碳固体废弃物时容易导致的环境问题，可有效保证供应给超临界二氧化碳工质的热量稳定，扩大系统能处理的含碳废弃物种类；在系统承受范围内，可利用燃烧后烟气中的二氧化碳对循环工质进行补充，或离开系统他用。

Description

基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化处理技术，具体为一种基于超临界二氧化碳循环的含碳固体废弃物气化燃烧发电系统。

背景技术

随着我国经济的高速发展，城市化进程速度不断加快，人民生活水平不断提高，固体废弃物的产量不断增加，对环境造成的污染日益严重。固体废弃物成分复杂、有害介质多，容易对大气、水体和土壤环境造成严重的隐蔽性、滞后性、持久性的复合污染。对固体废弃物（特别是含碳部分，比如农林废弃物、生活垃圾等）进行资源化处理既可解决其堆存所引发的环境污染问题，同时也可以节约资源，通过替代原生矿产资源，具有显著的节能减排效益。

目前我国含碳固体废弃物处理有卫生填埋、堆肥、焚烧等方式。填埋由于占用大量空间和污染地下水而被公认为是固体废弃物处理的最后选择，而堆肥成本高、肥效低、产品市场性差、存在安全隐患，发展仍然受限。焚烧处理可以一定程度上实现固体废弃物的减量化、无害化、资源化的综合处理，在环境保护和资源利用方面具有明显的优势，因而在国内得到了较快发展。然而，直接焚烧易产生二恶英和重金属等二次污染。因此，发展固体废弃物焚烧发电的替代技术势在必行。世界各国特别是发达国家目前正致力于开发气化发电技术，力图使二恶英、重金属等二次污染物排放至最低，同时提高热效率和发电效率。

超临界二氧化碳具有能量密度大、传热效率高等特点，被公认是最环保、最清洁的天然性工质流体。利用超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环发电系统组成简单、结构紧凑，可实现电厂的小型化和模块化，有利于降低建造成本。

现有公开号为CN105971679A，公开日为2016年9月28日的中国专利文献公开了一种超临界水气化与超临界二氧化碳布雷顿循环联合生产系统，其中，煤、生物质或有机废弃物与水配置成浆料放置在储料器中，浆料在超临界水气化反应器中反应，再通过回收器回收能量降温，然后再经冷却器降温、气液分离器分离以及气体分离装置分离出二氧化碳及可燃合成气，最后二氧化碳存储到储罐中供超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统使用。该专利文献中超临界水气化系统和超临界二氧化碳循环系统分别依靠各自热源运行，两个系统仅通过余热回收器建立联系，且是用超临界二氧化碳循环系统的余热给超临界水气化系统中的预热水进行预热。没有利用含碳固体废弃物所蕴含的能量作为超临界二氧化碳循环的热量来源，必须依赖其他的热源，因此较为复杂，整个系统结构较为复杂化。

发明内容

本发明提供了一种基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，适用于不同的含碳固体废弃物，具有很强的适应性和灵活性，有效采用超临界二氧化碳布雷顿循环，利用调节合成气热值和增加其他含碳固体废弃物或含碳燃料，可以有效保证供应给超临界二氧化碳工质的热量稳定，扩大系统能处理的含碳废弃物种类；同时，采用含碳固体废弃物气化后的合成气燃烧热量作为超临界二氧化碳循环的唯一或主要热源，进行循环发电，尽最大可能充分利用含碳固体废弃物所蕴含的能量。

本发明的技术方案如下：

基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，其特征在于：包括气化炉、净化装置一、锅炉、净化装置二、捕集装置、调节装置，气化炉的合成气出口与净化装置一的入口连通，净化装置一的出口与锅炉的合成气入口连通，锅炉布置于超临界二氧化碳布雷顿循环系统内，合成气在锅炉中燃烧所产生的热量作为循环工质的热源；锅炉的烟气出口与净化装置二的入口连通，净化装置二的出口与捕集装置的入口连通；所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统还包括有透平、回热器、冷却器和压缩机，锅炉的循环工质出口与透平的入口连通，透平的出口与回热器的热端入口相连，回热器的热端出口与冷却器的入口连通，冷却器的出口与压缩机的入口连通，压缩机的出口与回热器的冷端入口连通，回热器的冷端出口与锅炉的循环工质入口连通。

所述锅炉还设置有氧化剂入口，用于通入助燃的氧化剂。

所述锅炉还可以增设其他燃料进料口，用于在需要时增加补充燃料。

所述冷却器可用气化剂作为冷却介质。

本系统在工作过程中：

首先将含碳固体废弃物与气化剂一同通入气化炉中进行气化反应，产生的合成气通过净化装置一净化处理后作为燃料进入锅炉，在氧化剂的作用下燃烧。即固体废弃物在欠氧环境中热解气化，还原性气氛能遏制和减缓二恶英等有害物质的生成。固体废弃物所蕴含的化学能先转移到合成气中，再通过合成气燃烧释放出来。

然后，合成气在锅炉中燃烧所产生的热量被超临界二氧化碳吸收，超临界二氧化碳作为循环工质，随后进入透平做功发电，做功完成后排出的循环工质在回热器中换热降温，随后在冷却器中进一步降温，循环工质的温度被降低至临界点附近，再通过压缩机增压，并在回热器中吸收做功后循环工质的余热，再进入锅炉吸热。即超临界二氧化碳工质吸收气化合成气燃烧产生的热量后，进行闭式布雷顿循环，做功发电。布雷顿循环可采用简单、带回热、带压缩等不同形式。

最后，合成气燃烧后产生的烟气在净化装置二经过除尘、脱硫脱硝等净化步骤，然后在二氧化碳捕集装置中分离出二氧化碳，捕集装置设置两个出口，一路为经净化和捕集二氧化碳后的烟气排放口，另一路与调节装置相连，捕集装置和调节装置的连接管道上设置一个二氧化碳旁路出口，调节装置可对二氧化碳进行压力、温度、纯净度调节，并与超临界二氧化碳循环系统连接，连接口在冷却器和压缩机之间。

同时，气化剂作为冷却器的冷却介质，用于降低超临界二氧化碳的温度，超临界二氧化碳预热气化剂，充分利用热量，提高系统热效率。

针对不同的含碳固体废弃物，本系统有很强的适应性和灵活性，具体如下：

1、根据含碳固体废弃物的性质，可采用块状、粉状、浆状等形式，可采用固定床、流化床、气流床等不同气化技术，对于医疗废弃物或生活垃圾等有害物质较多的含碳固体废弃物，优选等离子气化技术。可相应匹配空气、氧气、富氧气体等不同气化剂。利用气化炉对含碳固体废弃物进行预处理，可以有效减少二恶英、重金属等有害物质的产生，避免出现直接焚烧含碳固体废弃物时容易导致的环境问题。

2、在保证超临界二氧化碳布雷顿循环工况不变的情况下，可根据含碳固体废弃物的成分变化，调节气化剂中的氧含量，在一定范围内提高或降低气化合成气的热值。对于某些含碳量很低的固体废弃物，可采用在锅炉进料口增加其他燃料（如其他种类含碳固体废弃物或含碳燃料，不限于固体、液体或气体），通过混燃、分级燃烧等方式调整锅炉热负荷。利用调节合成气热值和增加其他含碳固体废弃物或含碳燃料，可以有效保证供应给超临界二氧化碳工质的热量稳定，扩大系统能处理的含碳废弃物种类。

3、根据负荷调节需要，在系统承受范围内，可利用燃烧后烟气中的二氧化碳对布雷顿循环工质进行补充；或者循环系统部分二氧化碳工质经过压力、温度调节后离开系统，用于他用。

4、可设置更多的换热器，回收系统热量，提高系统热效率。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

其中，附图标记为：①气化炉，②净化装置一，③锅炉，④透平，⑤回热器，⑥冷却器，⑦压缩机，⑧净化装置二，⑨捕集装置，⑩调节装置，1含碳固体废弃物，2气化剂，3合成气，4氧化剂，5超临界二氧化碳，6烟气，7二氧化碳。

具体实施方式

如图1所示，本发明设计了一种基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，是带回热的布雷顿循环系统。该系统包括由气化炉①、净化装置一②、锅炉③、透平④、回热器⑤、冷却器⑥、压缩机⑦形成的循环系统。

所述气化炉①的合成气出口与净化装置一②的入口连通，净化装置一②的出口与锅炉③的合成气入口连通，锅炉③布置于超临界二氧化碳布雷顿循环系统内，合成气3在锅炉③中燃烧所产生的热量作为循环工质的唯一或主要热源，如需补充热量，可来源于补充进入锅炉③的其他燃料；锅炉③的烟气出口与净化装置二⑧的入口连通，净化装置二⑧的出口与捕集装置⑨的入口连通；所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统还包括有透平④、回热器⑤、冷却器⑥和压缩机⑦，锅炉③的循环工质出口与透平④的入口连通，透平④的出口与回热器⑤的热端入口相连，回热器⑤的热端出口与冷却器⑥的入口连通，冷却器⑥的出口与压缩机⑦的入口连通，压缩机⑦的出口与回热器⑤的冷端入口连通，回热器⑤的冷端出口与锅炉③的循环工质入口连通。

所述锅炉③还设置有氧化剂入口，用于通入助燃的氧化剂4。

所述锅炉③还可以增设其他燃料进料口，用于在需要时增加补充燃料。

所述冷却器⑥可用气化剂2作为冷却介质。

本系统在工作过程中：

首先将含碳固体废弃物1与气化剂2一同通入气化炉①中进行气化反应，产生的合成气3通过净化装置一②净化处理后作为燃料进入锅炉③，在氧化剂4的作用下燃烧。即固体废弃物在欠氧环境中热解气化，还原性气氛能遏制和减缓二恶英等有害物质的生成。固体废弃物所蕴含的化学能先转移到合成气3中，再通过合成气3燃烧释放出来。

然后，合成气3在锅炉③中燃烧所产生的热量被超临界二氧化碳5吸收，超临界二氧化碳5作为循环工质，随后进入透平④做功发电，做功完成后排出的循环工质在回热器⑤中换热降温，随后在冷却器⑥中进一步降温，循环工质的温度被降低至临界点附近，再通过压缩机⑦增压，并在回热器⑤中吸收做功后循环工质的余热，再进入锅炉③吸热。即超临界二氧化碳5工质吸收气化合成气3燃烧产生的热量后，进行闭式布雷顿循环，做功发电。布雷顿循环可采用简单、带回热、带压缩等不同形式。

最后，合成气3燃烧后产生的烟气6在净化装置二⑧经过除尘、脱硫脱硝等净化步骤，然后在二氧化碳捕集装置⑨中分离出二氧化碳7，捕集装置⑨设置两个出口，一路为经净化和捕集二氧化碳7后的烟气6排放口，另一路与调节装置⑩相连，捕集装置⑨和调节装置⑩的连接管道上设置一个二氧化碳旁路出口，调节装置⑩可对二氧化碳7进行压力、温度、纯净度调节，并与超临界二氧化碳循环系统连接，连接口在冷却器⑥和压缩机⑦之间。

同时，气化剂2作为冷却器⑥的冷却介质，用于降低超临界二氧化碳5的温度，利用超临界二氧化碳5预热气化剂2，充分利用热量，提高系统热效率。

Claims (7)

1.基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，其特征在于：包括气化炉、净化装置一、锅炉、净化装置二、捕集装置，气化炉的合成气出口与净化装置一的入口连通，净化装置一的出口与锅炉的合成气入口连通，锅炉布置于超临界二氧化碳布雷顿循环系统内，合成气在锅炉中燃烧所产生的热量作为循环工质的唯一或主要热源；锅炉的烟气出口与净化装置二的入口连通，净化装置二的出口与捕集装置的入口连通；所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统还包括有透平、回热器、冷却器和压缩机，锅炉的循环工质出口与透平的入口连通，透平的出口与回热器的热端入口相连，回热器的热端出口与冷却器的入口连通，冷却器的出口与压缩机的入口连通，压缩机的出口与回热器的冷端入口连通，回热器的冷端出口与锅炉的循环工质入口连通。

2.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，其特征在于：所述锅炉还设置有氧化剂入口，用于通入助燃的氧化剂。

3.根据权利要求2所述的基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，其特征在于：所述锅炉还设置有其他燃料进料口，用于在需要时增加补充燃料。

4.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，其特征在于：所述捕集装置设置有两个出口，一路为经净化和捕集二氧化碳后的烟气排放口，另一路连接有调节装置；所述捕集装置和调节装置的连接管道上设置有一个用于调节二氧化碳的压力、温度、纯净度的二氧化碳旁路出口。

5.根据权利要求4所述的基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，其特征在于：所述调节装置还设置有一管线与超临界二氧化碳布雷顿循环系统连接，所述管线连接于冷却器和压缩机之间。

6.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，其特征在于：所述冷却器可用气化剂作为冷却介质。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于超临界二氧化碳循环的含碳固废物气化燃烧发电系统，其特征在于该系统的工作流程如下：

首先将含碳固体废弃物与气化剂一同通入气化炉中进行气化反应，产生的合成气通过净化装置一净化处理后作为燃料进入锅炉，在氧化剂的作用下燃烧；

然后，合成气在锅炉中燃烧所产生的热量被超临界二氧化碳吸收，超临界二氧化碳作为循环工质，随后进入透平做功发电，做功完成后排出的循环工质在回热器中换热降温，随后在冷却器中进一步降温，循环工质的温度被降低至临界点附近，再通过压缩机增压，并在回热器中吸收做功后循环工质的余热，再进入锅炉吸热；

最后，合成气燃烧后产生的烟气在净化装置二经过净化步骤，然后在二氧化碳捕集装置中分离出二氧化碳。