CN110067611A - 一种钙循环法捕集co2联合液氧储能的调峰系统及工作方法 - Google Patents

一种钙循环法捕集co2联合液氧储能的调峰系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，所述调峰系统包含第一汽水系统、与所述第一汽水系统连接的烟气处理系统、与所述烟气处理系统连接的液氧储能系统。在该调峰系统中燃烧室炉膛出口的高温烟气分为两部分，一部分与第一汽水系统换热，另一部分通入煅烧系统减少煅烧系统内煅烧钙基吸收剂所需的燃料量；之后两部分烟气混合进入烟气吸收系统进行脱碳。回收利用系统中剩余热量，进一步与汽水系统换热，实现了能量的梯级利用。在用电低谷阶段，富余电能用于空气分离器制备O2，制得的O2送入液氧存储罐储存备用，在用电高峰阶段，将存储罐中的O2送入煅烧炉内使用，减少电厂内部能耗，从而同时实现电厂储能调峰发电和CO2捕捉的效果。

Description

一种钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统及工作方法
技术领域
本发明属于能源与环境保护技术领域中的一种调峰系统，特别涉及是一种钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统及工作方法。
背景技术
随着中国经济的快速发展及人民生活水平的逐步提高，中国用电结构和特性发生了巨大变化，出现了日负荷率、发电设备年利用小时数逐年下降的趋势，而对调峰容量需求逐年增加，调峰矛盾日趋突出。中国大多数电网仍以火电机组为主，水电、风电和核电所占比重仍然较小，具有明显的资源分布不均性，因此，要求火电机组参与调峰是必然趋势，然而火电机组频繁启停或低负荷运行调峰又会严重影响机组健康水平和经济性能，缩短发电设备的使用寿命，探索更加安全经济的火电机组调峰方法，显得重要而且紧迫。
CO2的大量排放是导致全球气候变暖的重要因素，而碳捕集与封存技术被认为是减缓全球气候变暖的最有效措施。其中钙循环工艺捕捉CO2是一种目前具有广泛应用前景的CO2减排技术，因工艺所需原料(钙基吸收剂)价格低廉、储量丰富等优点深受全世界关注。钙循环工艺主要利用了钙基吸收剂的可逆反应，即碳酸化反应和煅烧反应。然而在煅烧反应中，需要消耗大量能量，通常采取燃料的富氧燃烧提供热量。燃料一般为天然气或其他有机燃料，且为实现富氧燃烧，必须增加空气分离器，这极大地增加了资金投入和运行成本。在电厂运行中，通过合理分级利用能量，减少脱碳系统能耗，同时实现电厂的自调峰功能，这对于电网的安全运行具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统。本发明的另一目的是提供了该调峰系统的工作方法。
技术方案：本发明所述的一种钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，包含第一汽水系统、与所述第一汽水系统连接的烟气处理系统、与所述烟气处理系统连接的液氧储能系统；所述第一汽水系统包括燃烧室，与所述燃烧室出口连接的第一热交换器；所述烟气处理系统包括与所述燃烧室出口连接的煅烧系统、与所述煅烧系统出口连接的烟气吸收系统；所述液氧储能系统包括空气分离系统、与所述空气分离系统连接的液氧储存系统，所述液氧储存系统与所述煅烧系统进口连接，所述空气分离系统出口与所述液氧储存系统的出口均与所述煅烧系统进口连接；所述第一热交换器出气口的烟气以及煅烧系统出气口的烟气共同送入所述烟气吸收系统。
所述煅烧系统的出气口连接有第二换热器，所述烟气吸收系统进气口设置有第三换热器，所述煅烧系统出气口的烟气经过所述第二换热器降温后，与所述第一热交换器出气口的烟气汇合后进入所述第三换热器。
所述调峰系统还包括第二汽水系统，所述第二汽水系统包括热回收子系统，所述热回收子系统包括串联的至少一个设置于所述煅烧系统尾气出口的第四热交换器、至少一个设置于所述烟气吸收系统尾气出口的第五热交换器、设置于所述烟气吸收系统内的碳酸化炉内受热面以及第三换热器。
所述煅烧系统固体出口与所述烟气吸收系统的固体进口连接，所述煅烧系统的固体出口设置有第一单向阀。
所述烟气吸收系统的固体出口与所述煅烧系统固体进口连接；所述烟气吸收系统固体出口设置有第二单向阀。
所述空气分离系统与所述液氧储存系统之间设置有第三单向阀；所述空气分离系统出口与所述煅烧系统进口之间设置有第四单向阀；所述液氧储存系统的出口与所述煅烧系统的进口之间设置有第五单向阀。
所述第一汽水系统还包括与所述第一热交换器连接的第一汽轮机、与所述第一汽轮机连接的第一发电机、与所述第一汽轮机连接的第一冷凝器以及与所述第一冷凝器连接的第一水泵；所述第一水泵出口与所述燃烧室连通。
所述第二汽水系统还包括与所述热回收子系统连接的第二汽轮机、与所述第二汽轮机连接的第二发电机、与所述第二汽轮机连接的第二冷凝器，与所述第二冷凝器连接的第二水泵；所述第二水泵与所述碳酸化炉内受热面连通。
上述钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统的工作方法，包括以下步骤：
(1)燃料在燃烧室炉膛中燃烧，产生的高温烟气经设置于燃烧室的炉内换热面吸热后，在燃烧室炉膛出口处分为两部分，一部分进入燃烧室尾部烟道出口通过第一热交换器与第一汽水系统换热，产生的高温高压蒸汽推动第一汽轮机旋转，带动第一发电机发电，第一汽轮机出口的排气经第一冷凝器冷凝，第一水泵升压后进行循环；所述的炉膛出口处高温烟气温度为1100～1200℃，高温烟气在炉膛出口处分为两部分，其两部分烟气流量比例可根据运行状况调整。
(2)从燃烧室炉膛出口流出的另一部分高温烟气通入煅烧系统与煅烧系统内的CaCO3进行非接触式换热，煅烧钙基吸收剂；煅烧钙基吸收剂所需的剩余热量由燃料富氧燃烧提供，其燃料为天然气、生物质等碳基燃料；换热后的烟气与第二单向阀出口的CaCO3在第二换热器中进一步换热，提供煅烧钙基吸收剂所需的部分热量；所述的煅烧系统温度为850～900℃，压力为常压，CaCO3在第二换热器中换热后温度略低于煅烧炉温度，且CaCO3不分解。
(3)步骤(1)中的第一热交换器出口的烟气与步骤(2)中的第二换热器出口的烟气汇合后，经过第三换热器降温至烟气吸收系统的反应器温度，通入装有煅烧后的钙基吸收剂的烟气吸收系统，此时在烟气吸收系统中，脱除了烟气中的CO2；此时在烟气吸收系统中，煅烧后的钙基吸收剂中的主要成分CaO与烟气中的CO2反应，生成CaCO3，从而脱除了烟气中的CO2；烟气吸收系统中的反应器温度为650～700℃，反应压力为常压，钙基吸收剂为CaCO3或以CaO/Ca(OH)2/CaCO3为主要成分的天然矿物或废弃物。
(4)碳酸化后的钙基吸收剂经第二单向阀送入第二换热器中预热后，再送入煅烧系统中煅烧再生，煅烧后的钙基吸收剂经第一单向阀重新回到烟气吸收系统中，继续吸收烟气中的CO2，实现一个完整的循环；多次循环后失活的钙基吸收剂从煅烧炉的排渣口排出，同时添加适量新鲜的钙基吸收剂，钙基吸收剂在烟气吸收系统和煅烧系统中的循环分别可以通过两级锁气系统实现。
(5)第二汽水系统的给水依次经过热回收子系统进行吸热，吸热后的过热蒸汽在第二汽轮机中做功，带动第二汽轮机发电，第二汽轮机出口的排气经第二冷凝器，冷凝、第二水泵升压后进行循环。发电部分由步骤(1)中所述的第一汽水系统和步骤(5)中所述第二汽水系统所组成，其中第二汽水系统中的热回收子系统的布置顺序不限于上述热回收子系统的布置顺序及方式；也可将第二汽水系统与第一汽水系统合并优化，其给水所需的热量来源包括如下部分：燃烧室炉膛内的热量、燃烧室锅炉尾部烟气中的热量、烟气吸收系统内的热量、煅烧系统排出的高温高浓度CO2气流中的热量、烟气吸收系统排出的高温脱除CO2后烟气中的热量以及烟气经过热交换器降温至烟气吸收系统温度所放出的热量。
(6)在每日用电低谷阶段，根据实际用电量对外供电，电厂富余电能用于空气分离系统制备O2，此时第三单向阀与第四单向阀打开，第五单向阀关闭，制得的O2一部分通入煅烧系统提供燃料富氧燃烧所需的O2，另一部分送入液氧储存系统储存备用；当所储存的O2足够每日用电高峰阶段煅烧炉所需O2总量时，多余的O2可作为副产物出售，提高电厂经济效益。
(7)在每日用电高峰阶段，第三单向阀与第四单向阀关闭，第五单向阀打开，将液氧储存系统中的O2送入煅烧系统内使用，此时空气分离系统停止工作，减少电厂内部能耗。
有益效果：(1)本发明可实现电站锅炉长期在额定负荷运行，同时实现高效捕集CO2，保证最好的运行经济性；(2)本发明充分利用锅炉燃烧后烟气中的高品位热量，减少煅烧系统所需的燃料量，同时减少了富氧燃烧所需的氧气，进而减少了空气分离器的耗功，充分符合能源梯级利用原则，低能耗；(3)本发明的整个系统实现了CO2的零排放，有利于缓解温室效应；(4)本发明利用液氧储能，实现了碳捕集电厂自我调峰的功能，缓解传统火电机组调峰难的问题；(5)本发明在用电低谷阶段空气分离系统制得多余的O2可作为副产物出售，进而提高电厂经济效益。
附图说明
图1为本发明调峰系统的结构示意图；
图2为本发明调峰系统的工作方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明所述的钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统结构如下：
该调峰系统包含第一汽水系统1、与第一汽水系统连接的烟气处理系统2、与烟气处理系统2连接的液氧储能系统3，以及回收系统热量用于发电的第二汽水系统4。
第一汽水系统1包括燃烧室11、与燃烧室11出口连接的第一热交换器12、与第一热交换器12连接的第一汽轮机13、与第一汽轮机13连接的第一发电机14、与第一汽轮机连接的第一冷凝器15以及与第一冷凝器连接的第一水泵16，第一水泵16出口与燃烧室11连通，第一汽水系统1的循环。
烟气处理系统2包括与燃烧室11出口连接的煅烧系统21、与煅烧系统21出口连接的烟气吸收系统22。
本实例中煅烧系统21为煅烧炉，煅烧炉的出气口连接有第二换热器211，烟气吸收系统22为碳酸化炉，碳酸化炉进气口设置有第三换热器221；煅烧炉出气口的烟气经过第二换热器211降温后，与第一热交换器12出气口的烟气汇合后进入第三换热器221，经过第三热交换器221降温后的烟气通过碳酸化炉的进气口进入碳酸化炉。煅烧炉固体出口与碳酸化炉的固体进口连接，碳酸化炉的固体出口与煅烧炉固体进口连接，在煅烧炉的固体出口设置有第一单向阀212，碳酸化炉固体出口设置有第二单向阀222，控制进出煅烧炉和碳酸化炉的固体量。
液氧储能系统3包括空气分离系统31、与空气分离系统31连接的液氧储存系统32，液氧储存系统32与煅烧炉进口连接，空气分离系统31出口与液氧储存系统32的出口均与煅烧炉进口连接，在不同情况下，均可为煅烧炉提供燃烧燃料用的氧气，本实施例中，空气分离系统31为空气分离器，液氧储存系统32为液氧储存罐。
本发明中通过单向阀选择不同供氧的系统，故在空气分离器与液氧储存罐之间设置有第三单向阀311，空气分离器出口与煅烧炉进口之间设置有第四单向阀312，液氧储存罐的出口与煅烧炉的进口之间设置有第五单向阀321。
为了对系统的热量进行再次回收，本发明还设置了第二汽水系统4，第二汽水系统中包括热回收子系统41，热回收子系统41与第二汽轮机相连42，第二汽轮机相连42分别与第二发电机43相连以及第二冷凝器44连接，第二冷凝器44与第二水泵45连接，第二水泵45与碳酸化炉内受热面413连通。
第二汽水系统4中的热回收子系统41包括串联的在煅烧炉尾气出口设置的第四热交换器411以及第六热交换器414，在碳酸化炉尾气出口设置的第五热交换器412以及第七热交换器415，设置于碳酸化炉的炉内受热面413以及第三换热器221。
设置于煅烧炉尾气出口的第四热交换器411为高温热交换器，第六热交换器414为低温热交换器，从煅烧炉尾气出口的尾气先经过第四热交换器411换热后，在经过第六热交换器414换热后排出；设置于碳酸化炉尾气出口的第五热交换器412为高温热交换器，第七热交换器415为低温热交换器，从碳酸化炉尾气出口的尾气先经过第五热交换器412换热后，在经过第七热交换器415换热后排出；热回收子系统41将系统中的余热回收后，进行二次利用，也可将第二汽水系统与第一汽水系统合并优化，其给水所需的热量来源包括如下部分：燃烧室炉膛内的热量、燃烧室锅炉尾部烟气中的热量、碳酸化炉内的热量、煅烧炉排出的高温高浓度CO2气流中的热量、碳酸化炉排出的高温脱除CO2后烟气中的热量，以及烟气经过第三热交换器降温至碳酸化炉反应器温度所放出的热量。
本发明的调峰系统的工作方法如下：
本发明中选取某1000MWe燃煤锅炉电站作为参考机组，见图2，具体步骤如下：
步骤(1)：煤在燃烧室炉膛中进行空气燃烧，炉内布置一定量的受热面使所产生的高温烟气在炉膛出口处温度为1196.3℃，该烟气分为两部分，其中30％的烟气进入锅炉尾部烟道与第一汽水系统换热，产生的高温高压蒸汽推动第一汽轮机旋转，带动第一发电机发电，第一汽轮机出口的排气经第一冷凝器冷凝、第一水泵升压后进行循环。经计算，该发电机发总电量为534.6MWe，空预器出口的烟气温度为116℃。
步骤(2)：另一部分高温烟气通入煅烧炉，与煅烧炉内的CaCO3进行非接触式换热，换热后的烟气温度为850℃，该烟气从煅烧炉出来后接着与从碳酸化炉中出来的CaCO3进一步换热，提供煅烧钙基吸收剂所需的部分热量，换热后的烟气温度为693℃。此时换热后的CaCO3温度为830℃，此温度略低于煅烧炉温度，且CaCO3不分解。煅烧钙基吸收剂所需的剩余热量由CH4富氧燃烧提供，O2由空气分离器制得，高纯度O2的纯度≥95％。
步骤(3)：第一热交换器与煅烧炉经过第二换热器换热后的烟气汇合后，与CaCO3进一步换热后的烟气汇合并经过旋风分离器除尘，此时烟气温度为580.2℃，该烟气通入装有煅烧后的钙基吸收剂的温度为650℃的碳酸化炉中，烟气中的CO2和煅烧后的钙基吸收剂发生碳酸化反应，反应方程为CaO+CO2→CaCO3，从而脱除了烟气中的CO2。
步骤(4)：碳酸化后的钙基吸收剂其主要成分为CaCO3，与烟气换热后进入煅烧炉中煅烧再生，反应方程为CaCO3→CaO+CO2，煅烧炉中反应温度通常为850～900℃，本实施例中设置为850℃，多次循环后失活的钙基吸收剂从煅烧炉的排渣口排出，同时添加适量新鲜的钙基吸收剂，从而保证碳酸化炉中较高的CO2脱除效率，煅烧后的钙基吸收剂主要成分为CaO，被重新送入碳酸化炉中，继续吸收烟气中的CO2，实现一个完整的循环。
步骤(5)：第二汽水系统的给水依次经过脱除CO2后烟气的第七热交换器415，第六热交换器414、第五热交换器412、第四热交换器411、碳酸化炉内受热面412以及第三热交换器221进行吸热，吸热后的过热蒸汽在第二汽轮机中做功，带动第二发电机发电，第二汽轮机出口的排气经第二冷凝器冷凝、第二水泵升压后进行循环。经计算，该发电机总发电量为664.4MWe。
步骤(6)：每日用电低谷阶段，根据实际用电量对外供电，电厂富余电能用于空气分离器制备O2，此时第三单向阀311，第五单向阀321打开，第四单向阀312关闭，制得的O2一部分通入煅烧炉提供燃料燃烧所需O2，另一部分送入液氧存储罐储存备用；
步骤(7)：每日在用电高峰阶段，第三单向阀311与第四单向阀312关闭，第五单向阀321打开，将液氧存储罐中的O2送入煅烧炉内使用，此时空气分离器停止工作，减少电厂内部能耗，从而产生更多的电能以满足用电需求。
煅烧钙基吸收剂时释放的CO2和天然气燃烧生成的CO2经过热交换器放出热量后，送入多级压缩机组压缩后储存。本实施例中选用三级压缩机组压缩CO2，并且分别对前级压缩过的CO2气流用热交换器冷凝脱水和降低温度。在碳酸化炉中脱除CO2后的烟气经过热交换器放出热量后，送入烟气净化系统进行除尘脱硫脱硝等，最终排入大气。本例计算中，未考虑钙基吸收剂的脱硫效果，经计算该系统总发电量为1199MWe，厂用电为198.8MWe，净发电量为1000.2MWe，净电效率为35.52％，对于同参考电厂下的传统的该循环系统，其净电效率只有34.54％，说明本发明可以提高系统的经济性能。

Claims (9)

1.一种钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，其特征在于，所述调峰系统包含第一汽水系统(1)、与所述第一汽水系统连接的烟气处理系统(2)、与所述烟气处理系统连接的液氧储能系统(3)；
所述第一汽水系统(1)包括燃烧室(11)，与所述燃烧室(11)出口连接的第一热交换器(12)；
所述烟气处理系统(2)包括与所述燃烧室(11)出口连接的煅烧系统(21)、与所述煅烧系统(21)出口连接的烟气吸收系统(22)；
所述液氧储能系统(3)包括空气分离系统(31)、与所述空气分离系统(31)连接的液氧储存系统(32)，所述液氧储存系统(32)与所述煅烧系统(21)进口连接，所述空气分离系统(31)出口与所述液氧储存系统(32)的出口均与所述煅烧系统(21)进口连接；
所述第一热交换器(12)出气口的烟气以及煅烧系统(21)出气口的烟气共同送入所述烟气吸收系统(22)。
2.根据权利要求1所述的钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，其特征在于，所述煅烧系统(21)的出气口连接有第二换热器(211)，所述烟气吸收系统(22)进气口设置有第三换热器(221)，所述煅烧系统(21)出气口的烟气经过所述第二换热器(211)降温后，与所述第一热交换器(12)出气口的烟气汇合后进入所述第三换热器(221)。
3.根据权利要求1所述的钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，其特征在于，所述调峰系统还包括第二汽水系统(4)，所述第二汽水系统(4)包括热回收子系统(41)，所述热回收子系统(41)包括串联的至少一个设置于所述煅烧系统(21)尾气出口的第四热交换器(411)、至少一个设置于所述烟气吸收系统(22)尾气出口的第五热交换器(412)、设置于所述烟气吸收系统(22)内的碳酸化炉内受热面(413)以及第三换热器(221)。
4.根据权利要求1所述的钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，其特征在于，所述煅烧系统(21)固体出口与所述烟气吸收系统(22)的固体进口连接，所述煅烧系统(21)的固体出口设置有第一单向阀(212)。
5.根据权利要求1所述的钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，其特征在于，所述烟气吸收系统(22)的固体出口与所述煅烧系统(21)固体进口连接；所述烟气吸收系统(22)固体出口设置有第二单向阀(222)。
6.根据权利要求1所述的钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，其特征在于，所述空气分离系统(31)与所述液氧储存系统(32)之间设置有第三单向阀(311)；所述空气分离系统(31)出口与所述煅烧系统进口之间设置有第四单向阀(312)；所述液氧储存系统(32)的出口与所述煅烧系统(21)的进口之间设置有第五单向阀(321)。
7.根据权利要求1所述的钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，其特征在于，所述第一汽水系统(1)还包括与所述第一热交换器(12)连接的第一汽轮机(13)、与所述第一汽轮机连接的第一发电机(14)、与所述第一汽轮机连接的第一冷凝器(15)以及与所述第一冷凝器连接的第一水泵(16)；所述第一水泵(16)出口与所述燃烧室(11)连通。
8.根据权利要求1所述的钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统，其特征在于，所述第二汽水系统(4)还包括与所述热回收子系统(41)连接的第二汽轮机(42)、与所述第二汽轮机连接的第二发电机(43)、与所述第二汽轮机连接的第二冷凝器(44)，与所述第二冷凝器(44)连接的第二水泵(45)；所述第二水泵(45)与所述碳酸化炉内受热面(413)连通。
9.如权利要求1-8任一所述的钙循环法捕集CO2联合液氧储能的调峰系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)燃料在燃烧室(11)炉膛中燃烧，产生的高温烟气经设置于燃烧室(11)的炉内换热面吸热后，在燃烧室(11)炉膛出口处分为两部分，一部分进入燃烧室(11)尾部烟道出口通过第一热交换器(12)与第一汽水系统(1)换热，产生的高温高压蒸汽推动第一汽轮机(13)旋转，带动第一发电机(14)发电，第一汽轮机(13)出口的排气经第一冷凝器(15)冷凝，第一水泵(16)升压后进行循环；
(2)从燃烧室(11)炉膛出口流出的另一部分高温烟气通入煅烧系统(21)与煅烧系统(21)内的CaCO3进行非接触式换热，煅烧钙基吸收剂；煅烧钙基吸收剂所需的剩余热量由燃料富氧燃烧提供；换热后的烟气与第二单向阀(222)出口的CaCO3在第二换热器(211)中进一步换热，提供煅烧钙基吸收剂所需的部分热量；
(3)步骤(1)中的第一热交换器(12)出口的烟气与步骤(2)中的第二换热器(211)出口的烟气汇合后，经过第三换热器(221)降温至烟气吸收系统(22)的反应器温度，通入装有煅烧后的钙基吸收剂的烟气吸收系统(22)，此时在烟气吸收系统(22)中，脱除了烟气中的CO2；
(4)碳酸化后的钙基吸收剂经第二单向阀(222)送入第二换热器(211)中预热后，再送入煅烧系统(21)中煅烧再生，煅烧后的钙基吸收剂经第一单向阀(212)重新回到烟气吸收系统(22)中，继续吸收烟气中的CO2，实现一个完整的循环；
(5)第二汽水系统(4)的给水依次经过热回收子系统(41)进行吸热，吸热后的过热蒸汽在第二汽轮机(42)中做功，带动第二汽轮机(42)发电，第二汽轮机(42)出口的排气经第二冷凝器(44)，冷凝、第二水泵(45)升压后进行循环。
(6)在每日用电低谷阶段，根据实际用电量对外供电，电厂富余电能用于空气分离系统(31)制备O2，此时第三单向阀(311)与第四单向阀(312)打开，第五单向阀(321)关闭，制得的O2一部分通入煅烧系统(21)提供燃料富氧燃烧所需的O2，另一部分送入液氧储存系统(32)储存备用；
(7)在每日用电高峰阶段，第三单向阀(311)与第四单向阀(312)关闭，第五单向阀(321)打开，将液氧储存系统(32)中的O2送入煅烧系统(21)内使用，此时空气分离系统(31)停止工作，减少电厂内部能耗。
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