CN109322744A - 一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统及方法，包括空气分离装置、燃烧器、二氧化碳透平、回热器、水分离器、第一二氧化碳增压装置、二氧化碳回收装置、余热回收换热器、煤气化装置、卡林那透平、卡林那回热器、第一混合器、氨分离器、第二混合器、高压凝汽器和气液分离器；本系统以煤气为燃料，采用富氧燃烧方式，实现二氧化碳全捕集；二氧化碳在透平中膨胀到亚临界状态，膨胀比高于超临界二氧化碳布雷顿循环，因此透平出功较多，提高循环效率；底循环采用卡林那循环回收超临界二氧化碳循环余热，工质相变的非等温过程和循环过程中工质浓度的改变，使得汽化过程与热源的放热过程匹配良好，降低了换热过程中的不可逆损失，提高了余热利用效率。
Description
技术领域
本发明属于超临界二氧化碳发电技术领域，尤其涉及一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统及方法。
背景技术
能源和环境是人类社会发展面临的两大难题，不断提高发电机组效率是电力行业研究的永恒主题和目标。目前较常用的动力循环包括以水为工质的朗肯循环和以空气为工质的布雷顿循环。常规燃煤电厂主要是以水为工质的朗肯循环，目前最大的百万千瓦燃煤电站的蒸汽初参数已达到31MPa，620℃。燃气轮机主要是以空气为工质的布雷顿循环，目前先进航空发动机透平进口燃气温度已超过1700℃，先进重型燃气轮机透平进口温度已达1600℃。进一步提高工质初参数收到材料的限制，存在一定困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统及方法,解决了现有的发电机组效率得不到提高的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，包括空气分离装置、燃烧器、二氧化碳透平、回热器、水分离器、第一二氧化碳增压装置、二氧化碳回收装置、余热回收换热器、煤气化装置、卡林那透平、卡林那回热器、第一混合器、氨分离器、第二混合器、高压凝汽器和气液分离器，其中，空气分离装置的氧气出口和煤气化装置的煤气出口均连接燃烧器的进口，燃烧器的出口连接二氧化碳透平的入口，二氧化碳透平的出口依次经过回热器和余热回收换热器的热端连接水分离器的入口相连，水分离器的二氧化碳出口连接第一二氧化碳增压装置的入口，第一二氧化碳增压装置的出口连接二氧化碳回收装置的入口；
高压凝汽器的出口经过余热回收换热器的冷端连接卡林那透平的入口，卡林那透平的出口连接卡林那回热器的入口，卡林那回热器的出口连接第一混合器的入口，第一混合器的出口连接氨分离器的入口，氨分离器的出口分为两路，一路经过卡林那回热器的冷端连接气液分离器的入口；另一路连接第二混合器的入口，第二混合器的出口连接高压凝汽器；气液分离器的浓氨水出口连接第二混合器的入口，气液分离器的稀氨水出口连接第一混合器的入口。
优选地，第一二氧化碳增压装置的出口还设置有分支，该分支经过回热器的冷端连接燃烧器的入口。
优选地，余热回收换热器的热端出口和水分离器的入口之间设置有第一冷却器。
优选地，第一二氧化碳增压装置的出口依次设置有第二冷却器和第二二氧化碳增压装置，其中，第一二氧化碳增压装置的出口连接第二冷却器的入口，第二冷却器的出口连接第二二氧化碳增压装置的入口，第二二氧化碳增压装置的出口分为两路，一路连接二氧化碳回收装置的入口，另一路经过回热器的冷端连接燃烧器的二氧化碳入口。
优选地，煤气化装置的煤粉入口连接有煤粉干燥装置的干煤粉出口，煤粉干燥装置的氮气入口连接空气分离装置的氮气出口。
优选地，煤气化装置的煤气出口和燃烧器的煤气入口之间设置有煤气净化装置。
优选地，高压凝汽器的出口和余热回收换热器的入口之间设置有高压泵。
优选地，第一混合器的出口和氨分离器的入口之间依次设置有低压凝汽器和低压泵。
一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电方法，基于一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，包括以下步骤：
天然气、空气分离装置中的氧气、煤气化装置中的煤气和超临界二氧化碳工质一起进入燃烧器燃烧，燃烧器出口的高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平中做功发电，二氧化碳透平出口的超临界二氧化碳依次在回热器和余热回收换热器中进行余热回收后，进入水分离器将水分离，出口的纯二氧化碳在第一二氧化碳增压装置中被加压，接着，第一二氧化碳增压装置出口的二氧化碳进入二氧化碳回收装置；
高压凝汽器中处于饱和液体状态的工作溶液通过高压泵升压，在余热回收换热器中吸热成为过热蒸气，送至卡林那透平作功发电，卡林那透平出口的乏汽经卡林那回热器冷却后，与气液分离器底部流出的稀氨水在第一混合器中混合，送至氨分离器，氨分离器出口的氨水一部分经卡林那回热器加热，后进入气液分离器中分离成为浓氨水和稀氨水；另一部分进入第二混合器与气液分离器顶部流出的气态浓氨水混合形成工作溶液，经高压凝汽器冷凝成为饱和工作溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，采用超临界二氧化碳作为工质，其密度接近于液体，临界点附近二氧化碳的压缩因子只有0.2-0.5，实际压缩功大大减小；使得该系统结构简单、设备体积小；同时，以煤气为燃料，采用富氧燃烧方式，实现二氧化碳全捕集；二氧化碳在透平中膨胀到亚临界状态，膨胀比高于超临界二氧化碳布雷顿循环，因此透平出功较多，提高循环效率；底循环采用卡林那循环回收超临界二氧化碳循环余热，工质相变的非等温过程和循环过程中工质浓度的改变，使得汽化过程与热源的放热过程匹配良好，降低了换热过程中的不可逆损失，提高了余热利用效率。
进一步的，采用分级加压方式，避开了两相区，不需要排放气化潜热，可以提高二氧化碳的冷却温度，从而可以在常温下冷却二氧化碳，而且减小了压缩功。
进一步的，利用空分装置产生的氮气干燥并预热煤粉，使得资源合理利用。
本发明提供的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电方法，采用超临界二氧化碳作为工质，其密度接近于液体，临界点附近二氧化碳的压缩因子只有0.2-0.5，实际压缩功大大减小；使得该系统结构简单、设备体积小；同时，以煤气为燃料，采用富氧燃烧方式，实现二氧化碳全捕集；二氧化碳在透平中膨胀到亚临界状态，膨胀比高于超临界二氧化碳布雷顿循环，因此透平出功较多，提高循环效率；底循环采用卡林那循环回收超临界二氧化碳循环余热，工质相变的非等温过程和循环过程中工质浓度的改变，使得汽化过程与热源的放热过程匹配良好，降低了换热过程中的不可逆损失，提高了余热利用效率。
附图说明
图1是本发明涉及的发电系统的结构示意图；
其中，1、空气分离装置2、燃烧器3、二氧化碳透平4、回热器5、第一冷却器6、水分离器7、第一二氧化碳增压装置8、第二冷却器9、第二二氧化碳增压装置10、二氧化碳回收装置11、煤粉干燥装置12、煤气化装置13、煤气净化装置14、余热回收换热器14-1、卡林那透平14-2、卡林那回热器14-3、第一混合器、14-4、低压凝汽器14-5、低压泵14-6、氨分离器14-7、第二混合器14-8、高压凝汽器14-9、高压泵14-10、气液分离器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，包括空气分离装置1、燃烧器2、二氧化碳透平3、回热器4、第一冷却器5、水分离器6、第一二氧化碳增压装置7、第二冷却器8、第二二氧化碳增压装置9、二氧化碳回收装置10、煤粉干燥装置11、煤气化装置12、煤气净化装置13和卡林那系统，
其中，空气分离装置1的氧气出口分别与燃烧器2、煤气化装置12的氧气入口相连，空气分离装置1的氮气出口与煤粉干燥装置11的氮气入口相连，煤粉干燥装置11的干煤粉出口与煤气化装置12的煤粉入口相连，煤气化装置12的煤气出口与煤气净化装置13的煤气入口相连，煤气净化装置13的煤气出口与燃烧器2煤气入口相连，燃烧器2的出口与二氧化碳透平3的入口相连，二氧化碳透平3的出口与回热器4的热端入口相连，回热器4的热端出口与余热回收换热器14的热端入口相连，余热回收换热器14的热端出口与第一冷却器5的入口相连，第一冷却器5的出口与水分离器6的入口相连，水分离器6的二氧化碳出口与第一二氧化碳增压装置7的入口相连，第一二氧化碳增压装置7的出口与第二冷却器8的入口相连，第二冷却器8的出口与第二二氧化碳增压装置9的入口相连，第二二氧化碳增压装置9的出口分别与二氧化碳回收装置10的入口以及回热器4的冷端入口相连，回热器4的冷端出口与燃烧器2的二氧化碳入口相连。
卡林那循环系统包括卡林那透平14-1、卡林那回热器14-2、第一混合器14-3、低压凝汽器14-4、低压泵14-5、氨分离器14-6、第二混合器14-7、高压凝汽器14-8、高压泵14-9和气液分离器14-10，其中，
余热回收换热器14的冷端出口与卡林那透平14-1的入口相连，卡林那透平14-1的出口与卡林那回热器14-2的热端入口相连，卡林那回热器14-2的热端出口与第一混合器14-3的入口相连，第一混合器14-3的出口与低压凝汽器14-4的入口相连，低压凝汽器14-4的出口与低压泵14-5的入口相连，低压泵14-5的出口与氨分离器14-6的入口相连，氨分离器14-6的出口与第二混合器14-7的入口1连，氨分离器14-6的出口2与卡林那回热器14-2的冷端入口相连，卡林那回热器14-2的冷端出口与气液分离器14-10的入口相连，气液分离器14-10的浓氨水出口与第二混合器14-7的入口相连，气液分离器14-10的稀氨水出口与第一混合器14-3的入口相连，第二混合器14-7的出口与高压凝汽器14-8的入口相连，高压凝汽器14-8的出口与高压泵14-9的入口相连，高压泵14-9的出口与余热回收换热器14的的冷端入口相连。
流程描述：
煤粉在煤粉干燥装置中被空气分离装置1出来的氮气干燥，然后进入煤气化装置12，空气分离装置1出来的氧气一部分进入煤气化装置12，一部分进入燃烧器2，煤气化装置12将煤变为煤气，然后进入煤气净化装置13净化，净化后的煤气、从空气分离装置1出来的部分氧气、在回热器4中回热后的超临界二氧化碳工质一起进入燃烧器2燃烧，燃烧室出口的高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平3做功发电，出口超临界二氧化碳在回热器4中进行回热后，进入余热回收换热器14进行余热回收，并驱动卡林那循环，然后在第一冷却器5中冷凝，并进入水分离器6将水分离，出口的纯二氧化碳在第一二氧化碳增压装置7中被加压，然后在第二冷却器8中被冷却，接着被第二二氧化碳增压装置9升压。此时，多余的二氧化碳被分离出来进入二氧化碳回收装置10或用于其他用途，其余的二氧化碳在回热器中被加热后继续循环。
处于饱和液体状态的工作溶液通过高压泵14-9升压，在余热回收换热器14中吸热成为过热蒸气，送至卡林那透平14-1作功发电，乏汽经卡林那回热器14-2冷却后，与气液分离器14-10底部流出的稀氨水在第一混合器14-3中混合，在低压凝汽器14-4中冷凝，并在低压泵14-5中升压，送至氨分离器14-6，氨分离器14-6出口氨水一股经卡林那回热器14-2加热，并在蒸馏器中分离成为浓氨水和稀氨水；另一股进入第二混合器14-7与气液分离器14-10顶部流出的气态浓氨水混合形成工作溶液，经高压凝汽器14-8冷凝成为饱和工作溶液。
Claims (9)
1.一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，包括空气分离装置(1)、燃烧器(2)、二氧化碳透平(3)、回热器(4)、水分离器(6)、第一二氧化碳增压装置(7)、二氧化碳回收装置(10)、余热回收换热器(14)、煤气化装置(12)、卡林那透平(14-1)、卡林那回热器(14-2)、第一混合器(14-3)、氨分离器(14-6)、第二混合器(14-7)、高压凝汽器(14-8)和气液分离器(14-10)，其中，空气分离装置(1)的氧气出口和煤气化装置(12)的煤气出口均连接燃烧器(2)的进口，燃烧器(2)的出口连接二氧化碳透平(3)的入口，二氧化碳透平(3)的出口依次经过回热器(4)和余热回收换热器(14)的热端连接水分离器(6)的入口相连，水分离器(6)的二氧化碳出口连接第一二氧化碳增压装置(7)的入口，第一二氧化碳增压装置(7)的出口连接二氧化碳回收装置(10)的入口；
高压凝汽器(14-8)的出口经过余热回收换热器(14)的冷端连接卡林那透平(14-1)的入口，卡林那透平(14-1)的出口连接卡林那回热器(14-2)的入口，卡林那回热器(14-2)的出口连接第一混合器(14-3)的入口，第一混合器(14-3)的出口连接氨分离器(14-6)的入口，氨分离器(14-6)的出口分为两路，一路经过卡林那回热器(14-2)的冷端连接气液分离器(14-10)的入口；另一路连接第二混合器(14-7)的入口，第二混合器(14-7)的出口连接高压凝汽器(14-8)；气液分离器(14-10)的浓氨水出口连接第二混合器(14-7)的入口，气液分离器(14-10)的稀氨水出口连接第一混合器(14-3)的入口。
2.根据权利要求1所述的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，第一二氧化碳增压装置(7)的出口还设置有分支，该分支经过回热器(4)的冷端连接燃烧器(2)的入口。
3.根据权利要求1所述的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，余热回收换热器(14)的热端出口和水分离器(6)的入口之间设置有第一冷却器(5)。
4.根据权利要求1所述的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，第一二氧化碳增压装置(7)的出口依次设置有第二冷却器(8)和第二二氧化碳增压装置(9)，其中，第一二氧化碳增压装置(7)的出口连接第二冷却器(8)的入口，第二冷却器(8)的出口连接第二二氧化碳增压装置(9)的入口，第二二氧化碳增压装置(9)的出口分为两路，一路连接二氧化碳回收装置(10)的入口，另一路经过回热器(4)的冷端连接燃烧器(2)的二氧化碳入口。
5.根据权利要求1所述的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，煤气化装置(12)的煤粉入口连接有煤粉干燥装置(11)的干煤粉出口，煤粉干燥装置(11)的氮气入口连接空气分离装置(1)的氮气出口。
6.根据权利要求1所述的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，煤气化装置(12)的煤气出口和燃烧器(2)的煤气入口之间设置有煤气净化装置(13)。
7.根据权利要求1所述的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，高压凝汽器(14-8)的出口和余热回收换热器(14)的入口之间设置有高压泵(14-9)。
8.根据权利要求1所述的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，第一混合器(14-3)的出口和氨分离器(14-6)的入口之间依次设置有低压凝汽器(14-4)和低压泵(14-5)。
9.一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种余热回收的煤气化超临界二氧化碳发电系统，包括以下步骤：
天然气、空气分离装置(1)中的氧气、煤气化装置(12)中的煤气和超临界二氧化碳工质一起进入燃烧器(2)燃烧，燃烧器(2)出口的高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平(3)中做功发电，二氧化碳透平(3)出口的超临界二氧化碳依次在回热器(4)和余热回收换热器(14)中进行余热回收后，进入水分离器(6)将水分离，出口的纯二氧化碳在第一二氧化碳增压装置(7)中被加压，接着，第一二氧化碳增压装置(7)出口的二氧化碳进入二氧化碳回收装置(10)；
高压凝汽器(14-8)中处于饱和液体状态的工作溶液通过高压泵(14-9)升压，在余热回收换热器(14)中吸热成为过热蒸气，送至卡林那透平(14-1)作功发电，卡林那透平(14-1)出口的乏汽经卡林那回热器(14-2)冷却后，与气液分离器(14-10)底部流出的稀氨水在第一混合器(14-3)中混合，送至氨分离器(14-6)，氨分离器(14-6)出口的氨水一部分经卡林那回热器(14-2)加热，后进入气液分离器(14-10)中分离成为浓氨水和稀氨水；另一部分进入第二混合器(14-7)与气液分离器(14-10)顶部流出的气态浓氨水混合形成工作溶液，经高压凝汽器(14-8)冷凝成为饱和工作溶液。
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