CN109107211B - 一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置和方法 - Google Patents

一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置和方法；所述的装置包括空气分离组件、循环流化床锅炉组件和二氧化碳压缩和纯化组件；本发明通过的高纯度氧气与煤在流化床炉膛内燃烧，经除尘后的部分尾部烟气循环回炉膛中，剩下部分烟气进入换热器来加热给水；对换热后的烟气进行多级压缩、换热、脱水，最后进行储存和运输；每级的压缩热量都进行回收，用于加热低温给水，从而减少汽轮机抽汽，提高了系统效率，实现余热的回收利用。

Description

一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置和 方法
技术领域
本发明涉及空气与烟气压缩的余热回收技术，尤其涉及一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置和方法。
背景技术
煤炭是储量最丰富、成本最低廉的化石能源，在今后相当长一段时间依然会占据人类经济社会的很重要的份额。化石能源的燃烧过程中会排放大量二氧化碳，是造成温室效应的主要原因，已经引起全球气候变暖等一系列极其严重问题，引起了全世界各国的关注。
CCS (Carbon Capture and Storage)是当前研究的减少火电厂CO2排放的技术，富氧燃烧技术是CCS方法中对环境影响最小的。用高纯度的氧气代替助燃空气，辅助以烟气循环的燃烧技术，既减少 NOx的生成，也提高了烟气的辐射特性。但是空气分离和烟气处理两个模块使得整个系统效率下降了大约10%，而随着科技进步，人类生活和工业、商业活动对于能源的需求越来越大，能源供应短缺或价格攀涨都将导致国民经济遭受巨大损失，因此余热回收是提高富氧燃烧技术的有效手段，具有较大的经济效益。在富氧燃烧电厂热力系统中，找出可以进行回收的热源，对低温给水进行预热，从而减少汽轮机抽汽，将有效提高系统效率和资源利用率。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种用来预热低温给水，实现余热的回收利用，提高系统效率的富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置和方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置，所述的装置包括空气分离组件、循环流化床锅炉组件和二氧化碳压缩和纯化组件；循环流化床锅炉组件包括：流化床炉膛、旋风分离器、尾部对流烟道、氧气预热器、烟气除尘器、烟气给水换热器和循环风机；所述的流化床炉膛上设有煤进料口和进气口，流化床炉膛通过旋风分离器连接尾部对流烟道，尾部对流烟道的末端通过管路依次连接氧气预热器的换热管、烟气除尘器和烟气给水换热器，烟气给水换热器的末端通过管路连接二氧化碳压缩和纯化组件；所述的空气分离组件通过管路连接在氧气预热器的加热管上，氧气预热器的加热管连接在进气口上，烟气除尘器与烟气给水换热器之间设有烟气回流管，烟气回流管通过循环风机连接在进气口上。
本发明的空气分离组件包括空气压缩机、空气给水换热器、空气冷却器、空气透平、第一节流阀、第二节流阀、上精馏塔和下精馏塔；所述的空气压缩机通过空气给水换热器连接空气冷却器的加热管路，空气冷却器的加热管路通过两根空气管道分别连接空气透平和下精馏塔，下精馏塔的上、下端分别设有第一节流阀和第二节流阀，空气透平、第一节流阀和第二节流阀均连接在上精馏塔上，上精馏塔的上、下端均连接在空气冷却器的换热管路上，空气冷却器的换热管路连接在氧气预热器的加热管上。
本发明的二氧化碳压缩和纯化组件由二氧化碳给水换热器和多级压缩脱水单元所组成，每一级压缩脱水单元由单个二氧化碳压缩机和单个二氧化碳脱水装置所组成； 所述的烟气给水换热器连接在第一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机的进气口上，二氧化碳压缩机通过二氧化碳给水换热器连接二氧化碳脱水装置，二氧化碳脱水装置的底部设有冷凝水排水口，二氧化碳脱水装置的顶部通过管路连接下一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机的进气口；最后一级压缩脱水单元的二氧化碳脱水装置的顶部设有二氧化碳排气口。
本发明所述的二氧化碳压缩和纯化组件中压缩脱水单元的数量不少于四级；本发明的装置中需要通过至少四级的压缩脱水单元对烟气中的二氧化碳进行处理，处理的级数过少，每级压比增加，压缩功增加；与此同时，处理的级数过多，用来压缩和换热的设备增加，会造成生产成本大。
本发明的烟气给水换热器、二氧化碳给水换热器均采用抗酸性腐蚀的材料制成；由于本发明的烟气是涉及到二氧化碳的烟气，整体烟气的pH值是呈酸性的，换热器作为热交换的设备，耐腐蚀的材料保证换热器使用的稳定性，提升其使用寿命。
一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置的运行方法，包括如下步骤：
1）空气从空气进气口进入空气压缩机，经过空气给水换热器换热，换热器冷流进口为低温给水，换热后的压缩空气在空气冷却器中分成两股，一股冷空气进入空气透平膨胀降温，另一股冷空气直接进入下精馏塔；
2）下精馏塔分离出来的富氮气体从上端经第一节流阀排出，富氧气体从下端经第二节流阀排出，第一节流阀，第二节流阀与空气透平三者排出的气体一同进入上精馏塔；
3）上精馏塔产生的两股气体均进入空气冷却器中对前段压缩空气进行换热冷却，其中，换热后的富氮气体从排气口排出，富氧气体进入循环流化床锅炉组件的氧气预热器；
4）煤从煤进料口、助燃气体从一次进风口和二次进风口进入流化床炉膛，燃烧后的烟气依次经过尾部对流烟道、氧气预热器和烟气除尘器后，部分烟气经过循环风机与富氧气体混合形成助燃气体回到流化床炉膛中；
5）剩余的烟气经过烟气给水换热器后被第一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机压缩，高温的一次压缩二氧化碳进入二氧化碳给水换热器换热，加热其冷物流进口进入的低温给水，换热后的一次压缩气体进入二氧化碳脱水装置，冷凝水从冷凝水排出口排出，剩余烟气进入下一级压缩脱水单元；
6）上一级压缩脱水单元产生的烟气进入本级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机压缩，高温的压缩二氧化碳进入二氧化碳给水换热器换热，加热其冷物流进口进入的低温给水，换热后的压缩气体进入二氧化碳脱水装置，冷凝水从冷凝水排出口排出，剩余烟气进入下一级压缩脱水单元；
7）烟气进入最后一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机压缩，高温的N次压缩二氧化碳进入二氧化碳给水换热器换热，加热其冷物流进口进入的低温给水，换热后的N次压缩气体进入二氧化碳脱水装置，冷凝水从冷凝水排出口排出，二氧化碳气体从压缩二氧化碳排气口排出，用于运输和储存。
本发明的步骤7）中的N≥4；且每一级的压缩脱水单元中二氧化碳压缩机的压缩比相同，最后一级压缩脱水单元中的二氧化碳压缩机将烟气压缩至150bar。
本发明的空气给水换热器、烟气给水换热器和二氧化碳给水换热器中冷却后的流体温度为40℃。
本发明的优点在于：本发明通过高纯度氧气与煤在流化床炉膛内燃烧，经除尘后的部分尾部烟气循环回炉膛中，剩下部分烟气进入换热器来加热给水；对换热后的烟气进行多级压缩、换热、脱水，最后进行储存和运输；本发明的装置，其每级的压缩二氧化碳的热量都进行回收，产生的能量用于加热低给水，从而减少汽轮机抽汽，提高了系统效率，实现余热的回收利用。
附图说明
图1本发明的富氧燃烧系统中烟气压缩余热回收的装置的连接简图；
图2为本发明中的空气分离组件的结构连接简图；
图3为本发的中的二氧化碳压缩和纯化组件的结构连接简图。
其中，A 空气进气口、B 富氮气体排气口、C 煤进料口、D 一次进风口、E 二次进风口、F 第一脱水单元冷凝水排出口、G第二脱水单元冷凝水排出口、H 第三脱水单元冷凝水排出口、I 第四脱水单元冷凝水排出口、J 压缩二氧化碳排气口、K 冷流进口、L 冷流出口。
1 空气分离组件、1-1 空气压缩机、1-2 空气给水换热器、1-3 空气透平、1-4 上精馏塔、1-5 第二节流阀、1-6 第一节流阀、1-7 下精馏塔、1-8 空气冷却器；
2 循环流化床锅炉组件、2-1 旋风分离器、2-2 尾部对流烟道、2-3 流化床炉膛、2-4 氧气预热器、2-5 烟气除尘器、2-6 烟气给水换热器、2-7 循环风机；
3 二氧化碳压缩和纯化组件、3-1 第一级二氧化碳压缩机、3-2 第一级二氧化碳脱水装置、3-3 第二级二氧化碳压缩机、3-4 第二级二氧化碳脱水装置、3-5 第三级二氧化碳压缩机、3-6 第三级二氧化碳脱水装置、3-7 第四级二氧化碳压缩机、3-8 第四级二氧化碳脱水装置、3-9 二氧化碳给水换热器。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例1：如图1所示的一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置，包括空气分离组件1、循环流化床锅炉组件2和二氧化碳压缩和纯化组件3；循环流化床锅炉组件2包括：流化床炉膛2-3、旋风分离器2-1、尾部对流烟道2-2、氧气预热器2-4、烟气除尘器2-5、烟气给水换热器2-6和循环风机2-7；所述的流化床炉膛2-2上设有煤进料口C、一次进风口D、二次进风口E，流化床炉膛2-3通过旋风分离器2-1连接尾部对流烟道2-2，尾部对流烟道2-2的末端通过管路依次连接氧气预热器2-4的换热管、烟气除尘器2-5和烟气给水换热器2-6，烟气给水换热器2-6的末端通过管路连接二氧化碳压缩和纯化组件3；所述的空气分离组件1通过管路连接在氧气预热器2-4的加热管上，氧气预热器2-4的加热管连接在一次进风口D和二次进风口E上，烟气除尘器2-5与烟气给水换热器2-6之间设有烟气回流管，烟气回流管通过循环风机2-7连接在一次进风口D和二次进风口E上。
实施例2：如图2所示，空气分离组件1包括空气压缩机1-1、空气给水换热器1-2、空气冷却器1-8、空气透平1-3、第一节流阀1-6、第二节流阀1-5、上精馏塔1-4和下精馏塔1-7；所述的空气压缩机1-1通过空气给水换热器1-2连接空气冷却器1-8的加热管路，空气冷却器1-8的加热管路通过两根空气管道分别连接空气透平1-3和下精馏塔1-7，下精馏塔1-7的上、下端分别设有第一节流阀1-6和第二节流阀1-5，空气透平1-3、第一节流阀1-6和第二节流阀1-5均连接在上精馏塔1-4上，上精馏塔1-4的上、下端均连接在空气冷却器1-8的换热管路上，空气冷却器1-8的换热管路连接在氧气预热器2-4的加热管上。
实施例3：如图3所示，二氧化碳压缩和纯化组件3由二氧化碳给水换热器3-9和多级压缩脱水单元所组成，每一级压缩脱水单元由单个二氧化碳压缩机3-1、3-3、3-5、3-7和单个二氧化碳脱水装置3-2、3-4、3-6、3-8所组成； 所述的烟气给水换热器2-6连接在第一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机3-1的进气口上，二氧化碳压缩机3-1通过二氧化碳给水换热器3-9连接二氧化碳脱水装置3-2，二氧化碳脱水装置3-2、3-4、3-6、3-8底部设有冷凝水排水口F、G、H、I，二氧化碳脱水装置3-2的顶部通过管路连接下一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机3-3的进气口；最后一级压缩脱水单元的二氧化碳脱水装置3-8的顶部设有二氧化碳排气口J。
实施例4：如图1和3所示，本发明中二氧化碳压缩和纯化组件3中压缩脱水单元的数量不少于三级。
实施例5：如图1、2和3所示，本发明的烟气给水换热器2-6、二氧化碳给水换热器3-9均采用抗酸性腐蚀的材料制成；由于本发明的烟气是涉及到二氧化碳的烟气，整体烟气的pH值是呈酸性的，换热器作为热交换的设备，耐腐蚀的材料保证换热器使用的稳定性，提升其使用寿命。
实施例6：如图1、2和3所示，一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置的运行方法，（四级压缩）包括如下步骤：
1）空气从空气进气口A进入空气压缩机1-1，压缩空气在空气给水换热器1-2中换热，用来加热给水。该空气在空气冷却器1-8中被来自上精馏塔1-4的产物进一步冷却后分成两股，一股冷空气进入空气透平1-3膨胀降温，另一股冷空气直接进入下精馏塔1-7。
2）分离出来的富氮气体从上端排出，富氧气体从下端排出，分别经过第一节流阀1-6、第二节流阀1-5与空气透平1-3出口的低温空气一同进入上精馏塔1-4。
3）上精馏塔1-4产生的两股气体均进入空气冷却器1-8对空气进行冷却，换热后的富氮气体从排气口B排出，富氧气体进入循环流化床锅炉部分2的氧气预热器2-4。
4）煤从煤进料口C进入，助燃气体从一次进风口D和二次进风口E进入流化床炉膛2-3中燃烧，尾部对流烟道2-2出口的烟气依次经过氧气预热器2-4、烟气除尘器2-5后，部分烟气经循环风机2-7后与富氧气体混合形成助燃气体回到流化床炉膛2-3中。
5）剩余部分经过烟气给水换热器2-6后被第一级二氧化碳压缩机3-1压缩，一次压缩的二氧化碳进入二氧化碳给水换热器3-9，用来加热其冷物流进口K进入的低温给水，换热后低温的一次压缩气体进入第一级二氧化碳脱水装置3-2，冷凝水从F排出；
6）剩余烟气进入第二级二氧化碳压缩机3-3压缩，二次压缩二氧化碳进入二氧化碳给水换热器3-9加热低温给水，换热后低温的二次压缩气体进入第二级二氧化碳脱水装置3-4，冷凝水从G排出；
7）剩余烟气进入第三级二氧化碳压缩机3-5压缩，三次压缩二氧化碳进入二氧化碳给水换热器3-9加热低温给水，换热后低温的三次压缩气体进入第三级二氧化碳脱水装置3-6，冷凝水从H排出；
8）剩余烟气进入第四级二氧化碳压缩机3-7压缩，四次压缩二氧化碳进入二氧化碳给水换热器3-9加热低温给水，高温给水从冷流出口L进入低压加热器，换热后低温的四次压缩气体进入第四级二氧化碳脱水装置3-8，冷凝水从I排出，压缩后的二氧化碳气体从排气口J排出，被运输和储存。
实施例7：如图1、2和3所示，每一级的压缩脱水单元中二氧化碳压缩机3-1、3-3、3-5、3-7的压缩比相同，最后一级压缩脱水单元中的二氧化碳压缩机3-7将烟气压缩至150bar。
实施例8：如图1、2和3所示，空气给水换热器1-2、烟气给水换热器2-6和二氧化碳给水换热器3-9中冷却后的流体温度为40℃。
需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置的运行方法，其特征在于，所述的装置包括空气分离组件、循环流化床锅炉组件和二氧化碳压缩和纯化组件；所述的循环流化床锅炉组件包括：流化床炉膛、旋风分离器、尾部对流烟道、氧气预热器、烟气除尘器、烟气给水换热器和循环风机；所述的流化床炉膛上设有煤进料口和进气口，流化床炉膛通过旋风分离器连接尾部对流烟道，尾部对流烟道的末端通过管路依次连接氧气预热器的换热管、烟气除尘器和烟气给水换热器，烟气给水换热器的末端通过管路连接二氧化碳压缩和纯化组件；所述的空气分离组件通过管路连接在氧气预热器的加热管上，氧气预热器的加热管连接在进气口上，烟气除尘器与烟气给水换热器之间设有烟气回流管，烟气回流管通过循环风机连接在进气口上；
所述的空气分离组件包括空气压缩机、空气给水换热器、空气冷却器、空气透平、第一节流阀、第二节流阀、上精馏塔和下精馏塔；所述的空气压缩机通过空气给水换热器连接空气冷却器的加热管路，空气冷却器的加热管路通过两根空气管道分别连接空气透平和下精馏塔，下精馏塔的上、下端分别设有第一节流阀和第二节流阀，空气透平、第一节流阀和第二节流阀均连接在上精馏塔上，上精馏塔的上、下端均连接在空气冷却器的换热管路上，空气冷却器的换热管路连接在氧气预热器的加热管上；
所述的二氧化碳压缩和纯化组件由二氧化碳给水换热器和多级压缩脱水单元所组成，每一级压缩脱水单元由单个二氧化碳压缩机和单个二氧化碳脱水装置所组成；所述的烟气给水换热器连接在第一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机的进气口上，二氧化碳压缩机通过二氧化碳给水换热器连接二氧化碳脱水装置，二氧化碳脱水装置的底部设有冷凝水排水口，二氧化碳脱水装置的顶部通过管路连接下一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机的进气口；最后一级压缩脱水单元的二氧化碳脱水装置的顶部设有二氧化碳排气口；
所述的富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置的运行方法包括如下步骤：
1）空气从空气进气口进入空气压缩机，经过空气给水换热器换热，换热器冷流进口为低温给水，换热后的压缩空气在空气冷却器中分成两股，一股冷空气进入空气透平膨胀降温，另一股冷空气直接进入下精馏塔；
2）下精馏塔分离出来的富氮气体从上端经第一节流阀排出，富氧气体从下端经第二节流阀排出，第一节流阀，第二节流阀与空气透平三者排出的气体一同进入上精馏塔；
3）上精馏塔产生的两股气体均进入空气冷却器中对前段压缩空气进行换热冷却，其中，换热后的富氮气体从排气口排出，富氧气体进入循环流化床锅炉组件的氧气预热器；
4）煤从煤进料口、助燃气体从一次进风口和二次进风口进入流化床炉膛，燃烧后的烟气依次经过尾部对流烟道、氧气预热器和烟气除尘器后，部分烟气经过循环风机与富氧气体混合形成助燃气体回到流化床炉膛中；
5）剩余的烟气经过烟气给水换热器后被第一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机压缩，高温的一次压缩二氧化碳进入二氧化碳给水换热器换热，加热其冷物流进口进入的低温给水，换热后的一次压缩气体进入二氧化碳脱水装置，冷凝水从冷凝水排出口排出，剩余烟气进入下一级压缩脱水单元；
6）上一级压缩脱水单元产生的烟气进入本级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机压缩，高温的压缩二氧化碳进入二氧化碳给水换热器换热，加热其冷物流进口进入的低温给水，换热后的压缩气体进入二氧化碳脱水装置，冷凝水从冷凝水排出口排出，剩余烟气进入下一级压缩脱水单元；
7）烟气进入最后一级压缩脱水单元的二氧化碳压缩机压缩，高温的N次压缩二氧化碳进入二氧化碳给水换热器换热，加热其冷物流进口进入的低温给水，换热后的N次压缩气体进入二氧化碳脱水装置，冷凝水从冷凝水排出口排出，二氧化碳气体从压缩二氧化碳排气口排出，用于运输和储存。
2.如权利要求1所述的富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置的运行方法，其特征在于，所述的二氧化碳压缩和纯化组件中压缩脱水单元的数量不少于四级。
3.如权利要求1所述的富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置的运行方法，其特征在于，所述的烟气给水换热器、二氧化碳给水换热器均采用抗酸性腐蚀的材料制成。
4.如权利要求1所述的富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置的运行方法，其特征在于，步骤7）中的N≥4；且每一级的压缩脱水单元中二氧化碳压缩机的压缩比相同，最后一级压缩脱水单元中的二氧化碳压缩机将烟气压缩至150bar。
5.如权利要求1所述的富氧燃烧系统中空气与烟气压缩及余热回收的装置的运行方法，其特征在于，空气给水换热器、烟气给水换热器和二氧化碳给水换热器中冷却后的流体温度为40℃。
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