CN111412022B - 控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统及工作方法 - Google Patents

控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统及工作方法；该系统包括超临界水气化反应器、氧化反应器、冷凝器、气液分离器、压缩机，及多个透平、换热器与水泵；本发明特点在于通过对进入高温换热器水侧的给水进行分流，同时对进入该换热器汽侧的高温工质进行分流，且利用经高压透平减温减压的工质进行换热，降低了该换热器的不可逆性，提升了系统的发电效率；同时采用超临界水气化技术，避免大气污染物产生，且有利于二氧化碳捕集，实现煤炭利用的清洁性；本发明有助于煤炭清洁发电技术发展完善，保障能源安全。

Description

控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统及工作方法
技术领域
本发明涉及煤炭清洁利用技术领域，涉及一种控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统及工作方法，具体说是一种控制主要换热过程可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统。
背景技术
煤炭是中国储量最大的一次能源，其合理利用是中国能源安全与经济社会持续发展的重要保障。然而现有的以燃烧发电为主的煤炭利用方式造成大气污染物与温室气体排放，引起酸雨、雾霾、全球气候变暖等严重的环境问题，威胁生态环境的稳定与人类的健康。为了实现能源供应与环境保护的平衡，煤炭清洁利用技术的开发迫在眉睫。
煤炭超临界水气化技术是一种清洁高效的煤炭利用技术。具有产氢率高、能量转化效率高等特点。同时在气化过程中，氮、硫等元素转化为无机盐随排渣离开气化反应器，不产生大气污染物，而其产物中二氧化碳易于分离捕集，减少温室气体排放，故该技术有利于煤炭的绿色清洁利用。
火力发电是煤炭的主要用途之一，煤炭超临界水气化技术可应用于发电领域，以提升发电系统的环保性。将煤炭超临界水气化技术应用于发电时，需要发电系统以换热的方式将给水加热至超临界态，为气化反应提供反应原料。而这一换热过程存在较大的温差，造成较大的可用能损失，限制了系统性能的提升。目前没有较好的发电系统设计能够限制换热过程的可用能损失。需要设计新的发电系统以克服这一问题，使煤炭超临界水气化技术能够更好地与发电系统结合。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统及工作方法，该系统是一种降低上述换热过程可用能损失的基于超临界水气化技术的煤基发电系统，将煤炭中储存的化学能清洁高效地转化为电能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统，包括超临界水气化反应器，氧化反应器，高压透平，低压透平，低压回热透平，冷凝器，压缩机，气液分离器，凝结水泵，排汽加热器，给水泵，高压回热加热器，高温换热器；
所述超临界水气化反应器的出口连接至氧化反应器入口；氧化反应器的出口连接至高压透平入口；高压透平出口分两路分别连接至高温换热器汽侧入口与低压透平入口；高温换热器汽侧出口连接至低压回热透平入口；低压透平出口连接至排汽加热器汽侧入口；低压回热透平抽汽出口连接至高压回热加热器汽侧入口，乏汽出口经冷凝器连接至气液分离器入口；高压回热加热器汽侧出口连接至排汽加热器汽侧入口；排汽加热器汽侧出口同样连接至气液分离器入口；气液分离器气相出口连接至压缩机入口，液相出口连接至凝结水泵入口；凝结水泵出口经由排汽加热器水侧、给水泵连接至高压回热加热器水侧入口；高压回热加热器水侧出口分两路分别连接至氧化反应器入口与高温换热器水侧入口；高温换热器水侧出口连接至超临界水气化反应器入口；
在高压回热加热器水侧出口进行分流，仅用作气化反应原料的水进入高温换热器的水侧进行加热；
在高压透平出口进行分流，仅部分高温混合工质进入高温换热器的汽侧进行换热，且换热后进入低压回热透平继续膨胀做功；
氧化反应器出口高温工质进入高温换热器前先经过高压透平膨胀做功。
本发明煤炭超临界水气化发电系统的工作方法为：煤炭输入超临界水气化反应器，在其中与经由高温换热器加热的超临界水发生气化反应，生成高热值合成气；合成气进入氧化反应器，与输入的适量纯氧发生氧化反应，得到超临界水和超临界二氧化碳混合工质，并由高压回热加热器出口部分给水对反应进行冷却；混合工质进入高压透平做功，而后部分混合工质进入高温换热器加热给水，其余部分进入低压透平做功；低压透平排汽进入排汽加热器加热凝结水；高温换热器出口混合工质进入低压回热透平做功，部分混合工质作为抽汽进入高压回热加热器加热给水，之后进入排汽加热器与低压透平排汽混合；低压回热透平排汽与排汽加热器出口混合工质进入冷凝器冷却并达到相平衡，水凝结并存在于液相，二氧化碳主要存在于气相，实现两者分离；压缩机将二氧化碳由冷凝器气相出口抽出、压缩以备捕集贮存；水由气液分离器液相出口出，并与补水混合，进入凝结水泵；凝结水泵出口凝结水依次由排汽加热器加热、给水泵增压和高压回热加热器加热；高压回热加热器出口部分给水用于氧化反应器冷却水，另一部分由高温换热器加热至超临界态，作为气化反应原料进入超临界水气化反应器完成循环。
本发明具有以下有益效果：
1)在高温换热器水侧，仅作为超临界水气化反应原料的给水进入高温换热器进行加热，减小高温换热器水侧工质的质量流率，从而降低高温换热器单位时间内的可用能损失；
2)在高温换热器汽侧，仅部分高压透平排汽在其中放热，避免高温换热器水侧流量下降引起汽侧出口温度上升、高温换热器冷端的温差增大，同时减小了高温换热器汽侧工质的质量流率，从而进一步降低其单位时间内的可用能损失；
3)高温混合工质先经由透平膨胀做功，温度压力降低，而后进入高温换热器，减小了高温换热器热端温差，有利于降低其单位时间内的可用能损失；
4)高温换热器可用能损失的下降，带动整个发电系统可用能损失的降低，从而提高了发电系统效率；
5)系统采用了超临界水气化技术，避免大气污染物产生，且有利于二氧化碳捕集，实现煤炭利用的清洁性。
附图说明
图1为本发明实施例的示意图。
其中：1为超临界水气化反应器，2为氧化反应器，3为高压透平，4为低压透平，5为低压回热透平，6为冷凝器，7为压缩机，8为气液分离器，9为凝结水泵，10为排汽加热器，11为给水泵，12为高压回热加热器，13为高温换热器。
图2为对比例的示意图，用于说明本发明的有益效果。
其中：1为超临界水气化反应器，2为氧化反应器，5为低压回热透平，6为冷凝器，7为压缩机，8为气液分离器，9为凝结水泵，11为给水泵，13为高温换热器，14为再热器，15为高压回热透平，16为低压回热加热器，17为三级高压回热加热器，18为二级高压回热加热器，19为一级高压回热加热器。
图3为实施例与对比例系统的性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作详细描述。
实施例
如图1所示，本发明所述的控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统，包括超临界水气化反应器1，氧化反应器2，高压透平3，低压透平4，低压回热透平5，冷凝器6，压缩机7，气液分离器8，凝结水泵9，排汽加热器10，给水泵11，高压回热加热器12，高温换热器13。
所述超临界水气化反应器1的出口连接至氧化反应器2入口；氧化反应器2的出口连接至高压透平3入口；高压透平3出口分两路分别连接至高温换热器13汽侧入口与低压透平4入口；高温换热器13汽侧出口连接至低压回热透平5入口；低压透平4出口连接至排汽加热器10汽侧入口；低压回热透平5抽汽出口连接至高压回热加热器12汽侧入口，乏汽出口经冷凝器6连接至气液分离器8入口；高压回热加热器12汽侧出口连接至排汽加热器10汽侧入口；排汽加热器10汽侧出口同样连接至气液分离器8入口；气液分离器8气相出口连接至压缩机7入口，液相出口连接至凝结水泵9入口；凝结水泵9出口经由排汽加热器10水侧、给水泵11连接至高压回热加热器12水侧入口；高压回热加热器12水侧出口分两路分别连接至氧化反应器2入口与高温换热器13水侧入口；高温换热器13水侧出口连接至超临界水气化反应器1入口。
上述煤炭超临界水气化发电系统的工作方法为：煤炭输入超临界水气化反应器1，在其中与经由高温换热器13加热的超临界水发生气化反应，生成高热值合成气；合成气进入氧化反应器2，与输入的适量纯氧发生氧化反应，得到超临界水和超临界二氧化碳混合工质，并由高压回热加热器12出口部分给水对反应进行冷却，将混合工质温度控制在1500℃；混合工质进入高压透平3做功，温度、压力分别降低至1310℃、11.5MPa；而后部分混合工质进入高温换热器13加热给水，其余部分进入低压透平4做功；低压透平4排汽温度为253℃，进入排汽加热器10加热凝结水；高温换热器13出口混合工质温度为528℃，进入低压回热透平5做功，设置一级抽汽进入高压回热加热器12加热给水，之后进入排汽加热器10与低压透平4排汽混合；低压回热透平5排汽进入冷凝器6冷却至35℃，再与排汽加热器10出口混合工质一起进入气液分离器8混合并达到相平衡，水凝结并存在于液相，二氧化碳主要存在于气相，实现两者分离；压缩机7将二氧化碳由气液分离器8气相出口抽出、压缩以备捕集贮存；水由气液分离器8液相出口出，并与补水混合，进入凝结水泵9；凝结水泵9出口凝结水依次由排汽加热器10加热至150℃、给水泵11增压至25MPa、高压回热加热器12加热至280℃；高压回热加热器12出口部分给水用于氧化反应器2冷却水，另一部分由高温换热器13加热至650℃，作为气化反应原料进入超临界水气化反应器1完成循环。
本发明在高压回热加热器12水侧出口进行分流，流量为3.003kg/s的用作气化反应原料的给水进入高温换热器13的水侧进行加热，其余流量4.024kg/s的给水进入氧化反应器2作为冷却水；同时在高压透平3出口进行分流，流量为4.213kg/s的高温混合工质进入高温换热器13的汽侧进行换热，随后进入低压回热透平5做功，而流量为6.478kg/s的高温混合工质进入低压透平4做功。同时，氧化反应器2出口温度、压力分别为1500℃和25MPa的混合工质进入高温换热器13之前，先经由高压透平3膨胀做功，温度、压力分别降低至1310℃和11.5MPa。
本发明在高温换热器水侧，仅作为超临界水气化反应原料的给水进入该换热器进行加热，减小该其水侧工质的质量流率，从而降低该换热器单位时间内的可用能损失；在高温换热器汽侧，仅部分高压透平排汽在其中放热，避免该换热器水侧流量下降引起汽侧出口温度上升、换热器冷端的温差增大，同时减小了该换热器汽侧工质的质量流率，从而进一步降低其单位时间内的可用能损失；高温混合工质先经由透平膨胀做功，温度压力降低，而后进入高温换热器，减小了高温换热器热端温差，同样有利于降低其单位时间内的可用能损失；高温换热器可用能损失的下降，带动整个发电系统可用能损失的降低，从而提高了系统效率；系统采用了超临界水气化技术，避免大气污染物产生，且有利于二氧化碳捕集，实现煤炭利用的清洁性。本发明所述发电系统中高温换热器的可用能损失为1270kW，系统各设备总可用能损失为13320kW，系统在零排放的条件下供电效率可达到47.82％，由此实现了煤炭清洁高效利用的目标。
以下通过一个对比例进一步说明本发明的效果。
对比例
如图2所示，对比例系统包括超临界水气化反应器1，氧化反应器2，低压回热透平5，冷凝器6，压缩机7，气液分离器8，凝结水泵9，给水泵11，高温换热器13，再热器14，高压回热透平15，低压回热加热器16，三级高压回热加热器17，二级高压回热加热器18，一级高压回热加热器19。
所述超临界水气化反应器1的出口连接至氧化反应器2入口；氧化反应器2的出口连接至高温换热器13汽侧入口；高温换热器13汽侧出口经再热器14热侧连接至高压回热透平15入口；高压回热透平15抽汽出口连接至一级高压回热加热器19汽侧入口，乏汽出口分两路分别连接至二级高压回热加热器18汽侧入口和再热器14冷侧入口；再热器14冷侧出口连接至低压回热透平5入口；低压回热透平5抽汽出口分别连接至三级高压回热加热器17和低压回热加热器16汽侧入口，乏汽出口连接至冷凝器6入口；一级高压回热加热器19汽侧出口经二级高压回热加热器18汽侧、三级高压回热加热器17汽侧、低压回热加热器16汽侧连接至冷凝器6入口；冷凝器6出口连接至气液分离器8入口；气液分离器8气相出口连接至压缩机7入口；凝结水泵9出口经由低压回热加热器16水侧、给水泵11、三级高压回热加热器17水侧、二级高压回热加热器18水侧、一级高压回热加热器19水侧连接至高温换热器13水侧入口；高温换热器13水侧出口分别连接至超临界水气化反应器1入口和氧化反应器2入口。
上述对比例系统的工作方法为：煤炭输入超临界水气化反应器1，在其中与经由高温换热器13加热的超临界水发生气化反应，生成高热值合成气；合成气进入氧化反应器2，与输入的适量纯氧发生氧化反应，得到超临界水和超临界二氧化碳混合工质，并由超临界水对反应进行冷却，温度为1520℃；混合工质进入高温换热器13加热给水，而后进入再热器14加热高压回热透平15的排汽，温度降至620℃；而后混合工质进入高压回热透平15做功，部分抽汽进入一级高压回热加热器19加热给水，部分排汽进入二级高压回热加热器18加热给水，其余排汽经再热器14加热后进入低压透平5；低压透平5部分抽汽进入三级高压回热加热器17加热给水，部分抽汽进入低压回热加热器16加热凝结水，排汽进入冷凝器6与逐级自流的各级回热加热器汽侧出口混合工质一起冷却至35℃；冷却后混合工质进入气液分离器8达到相平衡，水凝结并存在于液相，二氧化碳主要存在于气相，实现两者分离；压缩机7将二氧化碳由气液分离器8气相出口抽出、压缩以备捕集贮存；水由气液分离器8液相出口出；补水进入凝结水泵9；凝结水泵9出口凝结水依次由低压回热加热器16加热至130℃，给水泵11增压至25MPa，三级高压回热加热器17、二级高压回热加热器18、一级高压回热加热器19加热至280℃，高温换热器13加热至650℃成为超临界水；而后部分超临界水作为气化反应原料进入超临界水气化反应器1，部分超临界水作为氧化反应冷却工质进入氧化反应器2。
所述对比例系统与本发明实施例系统的主要区别在于，在对比例系统中，一级高压回热加热器19出口给水全部进入高温换热器13水侧加热至650℃，氧化反应器2出口混合工质全部进入高温换热器13汽侧加热给水，高温换热器13工质流量高、换热量大，单位时间内的可用能损失大；且氧化反应器2出口温度为1520℃高温混合工质进入高温换热器13，使其热端温差较大，增加可用能损失。此系统中高温换热器的可用能损失为4453kW，各设备总可用能损失为13920kW，系统效率为38.31％。
如图3所示，比较实施例与对比例可知，本发明使高温换热器可用能损失降低71.5％，各设备总可用能损失降低4.3％，并在零排放条件下使系统效率提升9.51个百分点。
需要说明的是，以上所述实施例，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化，包括但不限于温度、压力、流量等参数变化及低压回热透平抽汽级数变化等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统，其特征在于：包括超临界水气化反应器(1)，氧化反应器(2)，高压透平(3)，低压透平(4)，低压回热透平(5)，冷凝器(6)，压缩机(7)，气液分离器(8)，凝结水泵(9)，排汽加热器(10)，给水泵(11)，高压回热加热器(12)，高温换热器(13)；
所述超临界水气化反应器(1)的出口连接至氧化反应器(2)入口；氧化反应器(2)的出口连接至高压透平(3)入口；高压透平(3)出口分两路分别连接至高温换热器(13)汽侧入口与低压透平(4)入口；高温换热器(13)汽侧出口连接至低压回热透平(5)入口；低压透平(4)出口连接至排汽加热器(10)汽侧入口；低压回热透平(5)抽汽出口连接至高压回热加热器(12)汽侧入口，乏汽出口经冷凝器(6)连接至气液分离器(8)入口；高压回热加热器(12)汽侧出口连接至排汽加热器(10)汽侧入口；排汽加热器(10)汽侧出口同样连接至气液分离器(8)入口；气液分离器(8)气相出口连接至压缩机(7)入口，液相出口连接至凝结水泵(9)入口；凝结水泵(9)出口经由排汽加热器(10)水侧、给水泵(11)连接至高压回热加热器(12)水侧入口；高压回热加热器(12)水侧出口分两路分别连接至氧化反应器(2)入口与高温换热器(13)水侧入口；高温换热器(13)水侧出口连接至超临界水气化反应器(1)入口；
在高压回热加热器(12)水侧出口进行分流，仅用作气化反应原料的水进入高温换热器(13)的水侧进行加热；
在高压透平(3)出口进行分流，仅部分高温混合工质进入高温换热器(13)的汽侧进行换热，且换热后进入低压回热透平(5)继续膨胀做功；
氧化反应器(2)出口高温工质进入高温换热器(13)前先经过高压透平(3)膨胀做功。
2.权利要求1所述的控制可用能损失的煤炭超临界水气化发电系统的工作方法，其特征在于：煤炭输入超临界水气化反应器(1)，在其中与经由高温换热器(13)加热的超临界水发生气化反应，生成高热值合成气；合成气进入氧化反应器(2)，与输入的纯氧发生氧化反应，得到超临界水和超临界二氧化碳混合工质，并由高压回热加热器(12)出口部分给水对反应进行冷却；混合工质进入高压透平(3)做功，而后部分混合工质进入高温换热器(13)加热给水，其余部分进入低压透平(4)做功；低压透平(4)排汽进入排汽加热器(10)加热凝结水；高温换热器(13)出口混合工质进入低压回热透平(5)做功，部分混合工质作为抽汽进入高压回热加热器(12)加热给水，之后进入排汽加热器(10)与低压透平(4)排汽混合；低压回热透平(5)排汽进入冷凝器(6)冷却，再与排汽加热器(10)出口混合工质一起进入气液分离器(8)混合并达到相平衡，水凝结并存在于液相，二氧化碳主要存在于气相，实现两者分离；压缩机(7)将二氧化碳由气液分离器(8)气相出口抽出、压缩以备捕集贮存；水由气液分离器(8)液相出口出，并与补水混合，进入凝结水泵(9)；凝结水泵(9)出口凝结水依次由排汽加热器(10)加热、给水泵(11)增压和高压回热加热器(12)加热；高压回热加热器(12)出口部分给水用于氧化反应器(2)冷却水，另一部分由高温换热器(13)加热至超临界态，作为气化反应原料进入超临界水气化反应器(1)完成循环。
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