CN108690661A - 一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统及方法，该包括超临界二氧化碳发电系统和超临界二氧化碳煤炭气化系统。其中超临界二氧化碳发电系统包括压缩机、透平、发电机、高压储罐、低压储罐、燃烧室换热器、回热器和预冷器，超临界二氧化碳煤炭气化系统包括粉煤加压装置、气化炉、燃烧室和净化器；本发明系统及方法能够将超临界二氧化碳作为气化剂用于煤炭气化，并将气化后的煤气用于超临界二氧化碳发电。
Description
技术领域
本发明涉及超临界二氧化碳发电和煤炭气化领域，具体为一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统及方法。
背景技术
煤炭气化是指在气化炉内，煤在高温下与气化剂反应，生成煤气的过程。煤炭气化过程的基本条件是：气化炉、气化原料和气化剂。气化炉是煤炭气化的核心设备，气化剂为氧气或空气以及水蒸气等。煤气化工艺是煤化工、IGCC、煤炭间接液化等的基础，煤经过气化后制得合成气，有效成分为CO、H2和CH4，用于化工合成或者燃烧发电。现有的气化工艺大多为自热式气化，即气化过程中不需要外界供热，煤与水蒸气进行吸热反应所消耗的热量，是由煤与氧进行的放热反应所提供的，因此在煤气中有相当量的二氧化碳存在。尤其是对于水煤浆气化，由于水煤浆浓度通常低于65％,即35％以上为水，系统耗水量大，且在气化炉中水的气化需要吸收大量的热，为维持气化操作稳定运行，相当量的碳与氧气反应生成二氧化碳，放出热量。在后续的煤气净化过程中，二氧化碳被洗涤分离出来，目前这些二氧化碳在化肥企业可以部分得到利用，其它企业大多作为废气直接排放，不但增加了碳排放，而且还浪费了碳资源。
二氧化碳在高温下可以与碳反应，因此可以作为气化剂用于煤气化，可将二氧化碳部分替代甚至全部替代水蒸气，既实现了二氧化碳的利用，又能够减少水的用量，同时实现节水，同时可以减少气化废水处理量。
因此，如果能够开发出一种新的煤气化系统，该系统可以利用超临界二氧化碳作为气化剂用于煤气化过程，则必然会对我国的传统的煤气化工艺，尤其是对于干旱缺水地区的煤气化工艺带来巨大影响。气化后的煤气与氧气混合后燃烧的高温二氧化碳通入透平中做功，带动发电机发电，将超临界二氧化碳发电和超临界二氧化碳煤炭气化进行合理的耦合。目前已公开的报道中，如中国专利CN 101381629A公布了一种二氧化碳减排干粉煤气化炉，气化剂仍以水和氧气为主，二氧化碳作为补充气化剂，中国专利CN 103468320A公布了一种二氧化碳煤浆的制备与气化系统，将液态的二氧化碳与煤混合制成煤浆，送入气化炉气化。还未曾有将超临界二氧化碳作为气化剂用于煤炭气化的报道。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统及方法，可以利用超临界二氧化碳布雷顿循化发电，还能够以超临界二氧化碳为气化剂进行煤炭气化，实现二氧化碳的利用，减少蒸汽、氧气等传统气化剂的使用。
本发明是通过以下技术方案来实现：
所述的一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统，包括超临界二氧化碳发电系统和超临界二氧化碳煤炭气化系统。其中超临界二氧化碳发电系统包括压缩机、透平、发电机、高压储罐、低压储罐、燃烧室换热器、回热器和预冷器，超临界二氧化碳煤炭气化系统包括粉煤加压装置、气化炉、燃烧室、净化器。压缩机、透平和发电机通过联轴器连接。压缩机出口与高压储罐入口相连通，高压储罐一个出口与回热器的低温介质入口相连通，回热器低温介质出口与燃烧室换热器相连通，燃烧室换热器与气化炉的气化剂入口相连通，高压储罐的另一个出口与粉煤加压装置入口相连通，粉煤加压装置出口与气化炉的气化原料入口相连通，气化炉气体出口与燃烧室的燃气入口相连通，燃烧室的烟气出口与净化器入口相连通，净化器出口与透平的入口相连通，透平的出口与回热器的高温介质入口相连通，回热器的高温介质出口与预冷器的高温介质入口相连通，预冷器的高温介质出口与低压储罐入口相连通，低压储罐的出口与压缩机入口相连通。
粉煤通入粉煤加压装置，氧气通入燃烧室，气化炉底部排出灰渣，净化器的底部排出飞灰，低压储罐底部排出系统内的水和多余的二氧化碳。
优选的，预冷器中可以选择常温水作为低温介质。
一种超临界二氧化碳发电和煤炭气化方法，根据本发明所述的发电和煤炭气化系统，其包括如下步骤：
步骤1，低压储罐中的二氧化碳在压缩机经过加压后，进入高压储罐，一路为载气用二氧化碳，进入粉煤加压装置中与粉煤混合，输送至气化炉，另一路为气化用二氧化碳，经过回热器和燃烧室换热器加热后，输送至气化炉，粉煤与高温的超临界二氧化碳发生气化反应，生成煤气和灰渣；
步骤2，在气化炉中产生的煤气通入燃烧室，氧气也通入燃烧室，煤气与氧气混合后燃烧，灰渣从气化炉的底部排出；
步骤3，燃烧室中煤气燃烧之后的高温高压二氧化碳和水蒸气，经过净化器后净化后进入透平做功，透平拖动压缩机转动，拖动发电机发电，做功之后的二氧化碳和水蒸气进入回热器，与低温的超临界二氧化碳换热；
步骤4，二氧化碳和水蒸气经过回热器后进入预冷器，经过预冷器的冷却后，进入低压储罐。
步骤5，低压储罐中的水和多余的二氧化碳从低压储罐底部排出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将超临界二氧化碳作为气化剂用于煤气化，在实现二氧化碳利用的同时，省去了传统气化剂水蒸气的使用，免去了气化废水的处理。
进一步的，用高温高压的超临界二氧化碳作为气化剂，可以提高气化反应的速率，提高气化强度，提高单位体积气化炉在单位时间的产气量。
附图说明
图1为本发明实例中所述系统的结构示意图。
图中：1为压缩机、2为透平、3为发电机、4为高压储罐、5为气化用二氧化碳、6为回热器、7为燃烧室换热器、8为载气用二氧化碳、9为粉煤加压装置、10为气化炉、11为燃烧室、12为净化器、13为预冷器、14为低压储罐。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参考图1，本发明所述的一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统，所述的一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统，包括超临界二氧化碳发电系统和超临界二氧化碳煤炭气化系统。其中超临界二氧化碳发电系统包括压缩机1、透平2、发电机3、高压储罐4、低压储罐14、燃烧室换热器7、回热器6和预冷器13，超临界二氧化碳煤炭气化系统包括粉煤加压装置9、气化炉10、燃烧室11和净化器12。压缩机1、透平2和发电机3通过联轴器连接。压缩机1出口与高压储罐4入口相连通，高压储罐4一个出口与回热器6的低温介质入口相连通，回热器6低温介质出口与燃烧室换热器7相连通，燃烧室换热器7与气化炉10的气化剂入口相连通。高压储罐4的另一个出口与粉煤加压装置9入口相连通，粉煤加压装置9出口与气化炉10的气化原料入口相连通。气化炉10气体出口与燃烧室11的燃气入口相连通，燃烧室11的气体出口与净化器12入口相连通，净化器12出口与透平2的入口相连通，透平2的出口与回热器6的高温介质入口相连通，回热器6的高温介质出口与预冷器13的高温介质入口相连通，预冷器13的高温介质出口与低压储罐14入口相连通，低压储罐14的出口与压缩机1入口相连通。
所述粉煤加压装置9设有粉煤入口；气化炉10设有灰渣出口；燃烧室11设有氧气入口；低压储罐14设有水和二氧化碳出口。
本发明所述的一种超临界二氧化碳发电和煤炭气化方法包括以下步骤：
步骤1，低压储罐14中的二氧化碳经过压缩机1加压后，进入高压储罐4，一路为载气用二氧化碳8，进入粉煤加压装置9中与粉煤混合，输送至气化炉10，另一路为气化用二氧化碳5，经过回热器6和燃烧室换热器7加热后，输送至气化炉10，粉煤与高温的超临界二氧化碳发生气化反应，生成煤气和灰渣；
步骤2，在气化炉10中产生的煤气通入燃烧室11，氧气也通入燃烧室11，煤气与氧气混合后燃烧，灰渣从气化炉10的底部排出；
步骤3，燃烧室11中煤气燃烧之后的高温高压二氧化碳和水蒸气，经过净化器12净化后进入透平2做功，透平2拖动压缩机1转动，拖动发电机3发电，做功之后的二氧化碳和水蒸气进入回热器6，与低温的超临界二氧化碳换热；
步骤4，二氧化碳和水蒸气经过回热器6后进入预冷器13，经过预冷器13的冷却后，进入低压储罐14；
步骤5，低压储罐14中的水和多余的二氧化碳从低压储罐14底部排出。
本优选实例中，所述的预冷器可以选用循环冷却水作为低温介质。
需要指出的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，具体的实施方法，如气化用超临界二氧化碳流经各换热器的顺序等等仍可进行修改和改进，但都不会由此而背离权利要求书中所规定的本发明的范围和基本精神。
Claims (4)
1.一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统，其特征在于，包括超临界二氧化碳发电系统和超临界二氧化碳煤炭气化系统，其中超临界二氧化碳发电系统包括压缩机(1)、透平(2)、发电机(3)、高压储罐(4)、低压储罐(14)、燃烧室换热器(7)、回热器(6)和预冷器(13)，超临界二氧化碳煤炭气化系统包括粉煤加压装置(9)、气化炉(10)、燃烧室(11)和净化器(12)；
压缩机(1)、透平(2)和发电机(3)通过联轴器连接；压缩机(1)出口与高压储罐(4)入口相连通，高压储罐(4)一个出口与回热器(6)的低温介质入口相连通，回热器(6)低温介质出口与燃烧室换热器(7)相连通，燃烧室换热器(7)与气化炉(10)的气化剂入口相连通；高压储罐(4)的另一个出口与粉煤加压装置(9)入口相连通，粉煤加压装置(9)出口与气化炉(10)的气化原料入口相连通；气化炉(10)气体出口与燃烧室(11)的燃气入口相连通，燃烧室(11)的气体出口与净化器(12)入口相连通，净化器(12)出口与透平(2)的入口相连通，透平(2)的出口与回热器(6)的高温介质入口相连通，回热器(6)的高温介质出口与预冷器(13)的高温介质入口相连通，预冷器(13)的高温介质出口与低压储罐(14)入口相连通，低压储罐(14)的出口与压缩机(1)入口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统，其特征在于，所述粉煤加压装置(9)设有粉煤入口，气化炉(10)设有灰渣出口，燃烧室(11)设有氧气入口，低压储罐(14)设有水和二氧化碳出口。
3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统，其特征在于，所述预冷器(13)采用循环冷却水作为低温介质。
4.一种超临界二氧化碳发电和煤炭气化方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电耦合煤炭气化系统，其包括如下步骤：
1)低压储罐(14)中的二氧化碳经过压缩机(1)加压后，进入高压储罐(4)，一路为载气用二氧化碳(8)，进入粉煤加压装置(9)中与粉煤混合，输送至气化炉(10)，另一路为气化用二氧化碳(5)，经过回热器(6)和燃烧室换热器(7)加热后，输送至气化炉(10)，粉煤与高温的超临界二氧化碳发生气化反应，生成煤气和灰渣；
2)在气化炉(10)中产生的煤气通入燃烧室(11)，氧气也通入燃烧室(11)，煤气与氧气混合后燃烧，灰渣从气化炉(10)的底部排出；
3)燃烧室(11)中煤气燃烧之后的高温高压二氧化碳和水蒸气，经过净化器(12)净化后进入透平(2)做功，透平(2)拖动压缩机(1)转动，拖动发电机(3)发电，做功之后的二氧化碳和水蒸气进入回热器(6)，与低温的超临界二氧化碳换热；
4)二氧化碳和水蒸气经过回热器(6)后进入预冷器(13)，经过预冷器(13)的冷却后，进入低压储罐(14)；
5)低压储罐(14)中的水和多余的二氧化碳从低压储罐(14)底部排出。
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