CN111102073A - 一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统及其操作方法，包括：气化炉与第一换热器相连通，第一换热器的第一出口与燃烧室相连通；燃烧室的出口与第一透平相连通，第一透平与第二换热器相连通，第二换热器的第一出口与第三换热器相连通；第三换热器的第一出口与冷却器以及第二压缩机相连通；冷却器与第一压缩机相连通，第一压缩机的第一出口与第三换热器相连通，第三换热器与第二换热器相连通；第二压缩机与第二换热器相连通，第二换热器与燃烧室相连通；第一压缩机与第一换热器相连通，第一换热器与第二透平相连通，第二透平与冷却器相连通。本发明可减少二氧化碳排放，能够提升煤气化集成发电的能量转化效率。
Description
技术领域
本发明属于煤化工技术领域，特别涉及一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统。
背景技术
煤炭能源的清洁利用是我国能源领域的重点研究方向之一。目前的整体煤气化联合循环(IGCC)是其中一种有效的清洁发电技术，其将煤气化和燃气蒸汽联合循环发电系统有机集成，具有发电效率高、环保性能突出等优势，但是该现有技术仍然存在一定的水耗。
二氧化碳由于其临界压力相对适中(7.38MPa，31℃)，稳定性好，存量丰富；在超临界状态下与普通惰性气体相比具有密度大的优势，可以有效减小动力循环中设备的尺寸；具有较好的稳定性和物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，将其应用在IGCC中极具前景。
现有技术如以超临界二氧化碳为工质的整体煤气化联合循环发电系统及方法(中国发明申请号为201810981675.7)仍存在一些问题：
1)超临界二氧化碳循环中所需的热量由气化炉壁温及燃气轮机排气提供，属于间接加热，换热面积大，影响工程推广；
2)循环热源由于是间接加热，存在运行参数不高、能量转化效率较低等缺点；
3)现有技术虽然能够降低二氧化碳排放，但燃气轮机等处的二氧化碳排放依旧不能忽略。
综上，亟需开发一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，以替代现有技术方案，充分利用煤气化工业过程中的能源，减少二氧化碳排放并提升发电效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明可减少二氧化碳排放，能够提升煤气化集成发电的能量转化效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，包括：气化炉、第一换热器、燃烧室、第一透平、第二换热器、第三换热器、冷却器、第一压缩机、第二压缩机和第二透平；
所述气化炉用于通入煤和氧气完成煤的气化，生成合成气；气化炉的出口与第一换热器的第一入口相连通，第一换热器的第一出口与燃烧室的第一进口相连通；燃烧室的出口与第一透平的工质入口相连通，第一透平的工质出口与第二换热器的第一入口相连通，第二换热器的第一出口与第三换热器的第一入口相连通；第三换热器的第一出口与冷却器的第一进口以及第二压缩机的入口相连通；冷却器的出口与第一压缩机的入口相连通，第一压缩机的第一出口与第三换热器的第二入口相连通，第三换热器的第二出口与第二换热器的第二入口相连通；第二压缩机的出口与第二换热器的第二入口相连通，第二换热器的第二出口与燃烧室的第二进口相连通；第一压缩机的第二出口与第一换热器的第二入口相连通，第一换热器的第二出口与第二透平的工质入口相连通，第二透平的工质出口与冷却器的第二进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：煤的前处理装置，所述煤的前处理装置用于完成煤的准备与供给；其中，煤的前处理装置的出口与气化炉的第一入口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：空气分离器，所述空气分离器用于从空气中分离出氧气；其中，空气分离器的第一出口与气化炉的第二入口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：第三压缩机，所述第三压缩机的进口与空气分离器的第二出口相连通，所述第三压缩机的出口与第三换热器的第三进口相连通；第三换热器的第三出口与燃烧室的第三进口相连通。
本发明的进一步改进在于，第一透平、第一压缩机和第二压缩机同轴设置。
本发明的进一步改进在于，最高工作压力可达30MPa，最高工作温度可达1100℃，最高效率可超过60％。
本发明的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统的操作方法，包括：
通过气化炉，将煤及氧气制备获得高温合成气；
通过第一换热器，吸收高温合成气的热量，并供给系统运行；
通过燃烧室完成换热后的合成气与氧气的燃烧，对超临界二氧化碳工质进行直接加热；
通过第一透平进行工质膨胀，做功发电；
通过第二换热器将第一透平的工质余热供给系统工质；
通过第三换热器吸收第二换热器出口的工质余热供给系统工质；
通过冷却器冷却系统工质并捕集回收多余的二氧化碳和水；
通过第一压缩机完成部分工质的压缩；其中，一部分工质返回第三换热器吸收热量，另一部分工质至第一换热器吸收合成气热量；
通过第二压缩机完成所述另一部分工质的压缩并返回第二换热器吸收热量；
通过第二透平对吸收合成气热量的部分工质进行膨胀做功发电。
本发明的进一步改进在于，所述循环系统还包括：煤的前处理装置、空气分离器和第三压缩机；
通过煤的前处理装置完成煤的准备与供给；
通过空气分离器从空气中分离出氧气；
通过第三压缩机压缩部分氧气；
通过第三换热器吸收所述部分氧气压缩后的热量供给系统工质。
本发明的进一步改进在于，最高工作压力可达30MPa，最高工作温度可达1100℃，最高效率可超过60％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
不同于现有技术中的间接加热，本发明的适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统中，采用二氧化碳进入燃烧室直接加热获取热量，相比于间接加热，能够最大限度地利用潜在热量，提升循环运行参数及发电效率。此外，由于采用直接加热模式，燃烧产生的CO2增量能够被循环系统捕集进行做功，同时在冷却器处分离回收，使循环工质总流量保持不变，相比于传统技术，碳排放更低。
本发明针对合成气的高温特性，采用了换热器进行吸热并设置子循环，能够进一步提升循环的发电效率；而本发明采用的超临界二氧化碳循环布置为再压缩循环，且O2分流，能够提高CO2流量与透平净输出功。
其中，间接加热循环的最高工作压力约为20MPa，最高工作温度约为700℃，最高效率约为50％，而本系统最高工作压力可达30MPa，最高工作温度可达1100℃，最高效率预计能超过60％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统的示意图；
图1中，1、煤的前处理装置；2、空气分离器；3、气化炉；4、第一换热器；5、燃烧室；6、第一透平；7、第二换热器；8、第三换热器；9、冷却器；10、第一压缩机；11、第二压缩机；12、第二透平；13、第三压缩机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，包括：煤的前处理装置1、空气分离器2、气化炉3、第一换热器4、燃烧室5、第一透平6、第二换热器7、第三换热器8、冷却器9、第一压缩机10、第二压缩机11、第二透平12、第三压缩机13。
煤的前处理装置1出口连接至气化炉3的第一入口，空气分离器2的第一出口与气化炉3的第二入口相连，气化炉3的出口连接至第一换热器4的第一入口，第一换热器4的第一出口连接至燃烧室5的第一进口。其中，煤的前处理装置1用于完成煤的准备与供给，主要功能包括洗涤、清洁等；空气分离器2用于从空气中分离出高浓度的氧气，以满足合成气生产、系统部分热量供给和燃烧室内燃烧所需的氧气。
燃烧室5的出口连接至第一透平6，第一透平6与第二换热器7的第一入口相连，第二换热器7的第一出口连接至第三换热器8的第一入口，第三换热器8的第一出口与冷却器9的第一进口相连，同时也与第二压缩机11相连，冷却器9的出口连接至第一压缩机10，第一压缩机10的第一出口与第三换热器8的第二入口相连，第三换热器8的第二出口与第二换热器7的第二入口相连，第二压缩机11的出口也与第二换热器7的第二入口相连，第二换热器7的第二出口连接至燃烧室5的第二进口；
第一压缩机10的第二出口连接至第一换热器4的第二入口，第一换热器4的第二出口与第二透平12连接，第二透平12的出口与冷却器9的第二进口相连；
空气分离器2的第二出口连接至第三压缩机13，此后连接至第三换热器8的第三进口，第三换热器8的第三出口连接至燃烧室5的第三进口。
该系统的工作流程为：
煤通过煤的前处理装置1处理后送入气化炉3，空气经过空气分离器2分离后部分氧气通过空气分离器2的第一出口进入气化炉3，在气化炉中完成煤的气化，生成合成气；高温合成气流入第一换热器4的第一入口，并由第一出口送至燃烧室5的第一进口；
合成气、氧气及超临界二氧化碳在燃烧室5内燃烧，燃烧室5的出口为高温高压的超临界二氧化碳及水蒸气，此后进入第一透平6进行膨胀做功发电，第一透平6排出的工质依次流经第二换热器7的第一入口、第二换热器7的第一出口、第三换热器8的第一入口、第三换热器8的第一出口并释放热量，此后一部分工质经过冷却器9进行冷却并分离捕集工质内的水及多余的二氧化碳，再进入第一压缩机10进行升压，其中一部分二氧化碳从第一压缩机10的第一出口返回第三换热器8的第二入口并通过第三换热器8的第二出口流入第二换热器7的第二入口，第三换热器8的第一出口排出的另一部分工质流经第二压缩机11并进入第二换热器7的第二入口，工质在第二换热器7的第二入口汇流后通过第二换热器7的第二出送至燃烧室5的第二进口，为燃烧室提供超临界二氧化碳；
空气经过空气分离器2分离后的另一部分氧气经过第三压缩机13压缩并升温，此后流入第三换热器8的第三进口，再由第三换热器8的第三出口连接至燃烧室5的第三进口；
第一压缩机10升压后的另一部分二氧化碳进入第一换热器4的第二入口，吸收合成气的热量后进入第二透平12膨胀做功，此后进入冷却器9进行冷却，完成子循环。
本发明能够实现：深度利用煤气化工业过程中的能量，循环发电效率高、二氧化碳排放少，系统相对紧凑。具体的，本发明的适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统将现有技术中的间接加热改为直接加热布置，能够最大限度地利用潜在热量，且循环运行参数提升，发电效率进一步提高；燃烧产生的CO2增量可以连续排出系统并被捕集，使循环工质总流量保持不变，能够实现更高效率的碳捕集；本发明采用的超临界二氧化碳循环布置为再压缩循环，系统发电效率高，通过将O2分流，可提高CO2流量与透平净输出功。
综上所述，本发明提供了一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，能够实现煤的高效利用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，包括：气化炉(3)、第一换热器(4)、燃烧室(5)、第一透平(6)、第二换热器(7)、第三换热器(8)、冷却器(9)、第一压缩机(10)、第二压缩机(11)和第二透平(12)；
所述气化炉(3)用于通入煤和氧气完成煤的气化，生成合成气；
气化炉(3)的出口与第一换热器(4)的第一入口相连通，第一换热器(4)的第一出口与燃烧室(5)的第一进口相连通；
燃烧室(5)的出口与第一透平(6)的工质入口相连通，第一透平(6)的工质出口与第二换热器(7)的第一入口相连通，第二换热器(7)的第一出口与第三换热器(8)的第一入口相连通；
第三换热器(8)的第一出口与冷却器(9)的第一进口以及第二压缩机(11)的入口相连通；
冷却器(9)的出口与第一压缩机(10)的入口相连通，第一压缩机(10)的第一出口与第三换热器(8)的第二入口相连通，第三换热器(8)的第二出口与第二换热器(7)的第二入口相连通；第二压缩机(11)的出口与第二换热器(7)的第二入口相连通，第二换热器(7)的第二出口与燃烧室(5)的第二进口相连通；
第一压缩机(10)的第二出口与第一换热器(4)的第二入口相连通，第一换热器(4)的第二出口与第二透平(12)的工质入口相连通，第二透平(12)的工质出口与冷却器(9)的第二进口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，还包括：
煤的前处理装置(1)，所述煤的前处理装置(1)用于完成煤的准备与供给；其中，煤的前处理装置(1)的出口与气化炉(3)的第一入口相连通。
3.根据权利要求1所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，还包括：
空气分离器(2)，所述空气分离器(2)用于从空气中分离出氧气；其中，空气分离器(2)的第一出口与气化炉(3)的第二入口相连通。
4.根据权利要求3所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，还包括：
第三压缩机(13)，所述第三压缩机(13)的进口与空气分离器(2)的第二出口相连通，所述第三压缩机(13)的出口与第三换热器(8)的第三进口相连通；第三换热器(8)的第三出口与燃烧室(5)的第三进口相连通。
5.根据权利要求1所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，第一透平(6)、第一压缩机(10)和第二压缩机(11)同轴设置。
6.根据权利要求1所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，最高工作压力可达30MPa，最高工作温度可达1100℃，最高效率可超过60％。
7.一种权利要求1所述的适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统的操作方法，其特征在于，包括：
通过气化炉(3)，将煤及氧气制备获得高温合成气；
通过第一换热器(4)，吸收高温合成气的热量，并供给系统运行；
通过燃烧室(5)完成换热后的合成气与氧气的燃烧，对超临界二氧化碳工质进行直接加热；
通过第一透平(6)进行工质膨胀，做功发电；
通过第二换热器(7)将第一透平(6)的工质余热供给系统工质；
通过第三换热器(8)吸收第二换热器(7)出口的工质余热供给系统工质；
通过冷却器(9)冷却系统工质并捕集回收多余的二氧化碳和水；
通过第一压缩机(10)完成部分工质的压缩；其中，一部分工质返回第三换热器(8)吸收热量，另一部分工质至第一换热器(4)吸收合成气热量；
通过第二压缩机(11)完成所述另一部分工质的压缩并返回第二换热器(7)吸收热量；
通过第二透平(12)对吸收合成气热量的部分工质进行膨胀做功发电。
8.根据权利要求7所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统的操作方法，其特征在于，
所述循环系统还包括：煤的前处理装置(1)、空气分离器(2)和第三压缩机(13)；
通过煤的前处理装置(1)完成煤的准备与供给；
通过空气分离器(2)从空气中分离出氧气；
通过第三压缩机(13)压缩部分氧气；
通过第三换热器(8)吸收所述部分氧气压缩后的热量供给系统工质。
9.根据权利要求7所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统的操作方法，其特征在于，
最高工作压力可达30MPa，最高工作温度可达1100℃，最高效率可超过60％。
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