CN112459858B - 一种化学链燃烧耦合超临界co2循环的热电联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，包括化学链燃烧单元、sCO2循环单元和供热单元；化学链燃烧单元作为热源为sCO2循环单元中sCO2循环的加热和再热过程提供热量；sCO2循环单元利用高温sCO2气流对透平装置做功，并将做功后的低压sCO2进行回热、加压后，输送回化学链燃烧单元参与循环；供热单元用于吸收在sCO2循环单元对透平做功后的sCO2的热量，并对外部用户供热。本发明将化学链燃烧和sCO2循环耦合在一起，化学链燃烧作为热源驱动sCO2循环的加热和再热过程，实现了CO2的内分离和捕获，同时具有高效、节能的优点，sCO2冷却过程中回收的热量用于区域供暖，提高了系统热效率，有望广泛用于燃煤热电联产碳捕集电厂。

Description

一种化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统
技术领域
本发明涉及CO2分离捕集的热电联产技术领域，特别涉及一种化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统。
背景技术
碳捕获和储存是一种有效缓解大气中CO2的方法，对于以煤等化石燃料为基础的电厂，目前CO2捕集有三种选择，即燃烧前、富氧燃烧和燃烧后。
常规燃煤锅炉与sCO2循环耦合形成超临界CO2(sCO2)布雷顿循环发电系统，超临界CO2 (sCO2)布雷顿循环发电采用超临界CO2作为工质，利用CO2在其临界点附近独特的物理性质变化，如：CO2临界温度和压力远低于水的临界点，容易达到超临界状态，有利于工程应用； sCO2是一种非常稠密的流体，具有液体特性，密度大、传热效率高、做功能力强，兼具气体特性，粘性小，流动性强，系统循环损耗小，即sCO2循环与传统的蒸汽和天然气循环相比，可以在较高的热效率下运行。
然而，常规燃煤锅炉虽然可以作为sCO2循环的热源，但是无法实现CO2内分离，CO2分离和捕集还需要额外的设备和能耗。
化学链燃烧是一种具有发展前途的二氧化碳分离发电技术，有利于提高燃料利用率，其由两个相互连接的反应器组成：燃料反应器和空气反应器，其基本原理是将传统的燃料与空气直接接触反应的燃烧借助于载氧体(如Fe2O3、NiO和CuO等)的作用分解为几个气固反应，燃料与空气无需接触，由载氧体将空气中的氧传递给燃料。
目前，缺少将化学链燃烧和超临界CO2(sCO2)布雷顿循环发电耦合形成可实现CO2内分离、效率高经济性好的发电系统设计方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，基于化学链燃烧和超临界sCO2布雷顿循环发电系统，利用sCO2作为工质，联合化学链燃烧和sCO2循环，实现了CO2的自分离，同时又提高了系统的效率。
本发明采用的技术方案如下：
一种化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，包括化学链燃烧单元、sCO2循环单元和供热单元；
所述化学链燃烧单元包括燃烧装置、预热装置和过热装置，化学链燃烧单元为煤与预热过的CO2气流生成合成气、合成气与载氧体发生反应生成CO2和H2O、利用反应热加热sCO2提供场所和条件，从而作为热源驱动所述sCO2循环单元中sCO2循环的加热和再热过程；
所述sCO2循环单元包括与发电机连接的透平装置、回热装置和压缩装置；sCO2循环单元利用高温sCO2气流对透平装置做功，并将做功后的低压sCO2进行回热、加压后，输送回所述化学链燃烧单元参与循环；
所述供热单元包括冷却装置，供热单元用于吸收在所述sCO2循环单元对透平做功后的sCO2的热量，并利用所述热量对外部用户供热。
所述燃烧装置包括燃料反应器1-3、空气反应器1-4；所述预热装置包括预热器1-1、对流加热器1-2；所述过热装置包括串联连接的一级过热器1-5和二级过热器1-6；
所述燃料反应器1-3的CO2气流出口与所述对流加热器1-2的第一CO2气流入口连接，对流加热器1-2的第一CO2气流出口与所述预热器1-1的高温CO2气流入口连接，预热器1-1的低温CO2气流出口通过并联连接的管路分别与冷凝器入口、预热器1-1的低温CO2气流入口连接，预热器1-1的高温CO2气流出口与所述燃料反应器1-3的CO2气流入口连接，形成CO2化学链燃烧反应循环回路；所述对流加热器1-2的第二CO2气流入口与sCO2循环单元的所述回热装置输出口连接，所述对流加热器1-2的第二CO2气流出口与所述过热装置入口连接，过热装置出口与所述透平装置入口连接，形成CO2工质循环回路。
还包括旋风分离器1-7，其入口与所述空气反应器1-4的出口连接，旋风分离器1-7的气体出口与所述对流加热器1-2的空气入口连接，对流加热器1-2的空气出口与所述预热器1-1 的第一空气入口连接，预热器1-1的第一空气出口与外部排风管连接，预热器1-1的第二空气出口与所述空气反应器1-4的入口连接，旋风分离器1-7的固体出口与所述燃料反应器1-3 连接。
所述预热器1-1的第二空气入口用于通入外部空气。
所述一级过热器1-5和所述二级过热器1-6分别设置在所述燃料反应器1-3、所述空气反应器1-4内；所述对流加热器1-2的第二CO2气流出口与所述一级过热器1-5入口连接。所述透平装置包括串联连接的高压透平2-1、低压透平2-2，在高压透平2-1、低压透平2-2之间设置再热回路，所述再热回路采用的再热器2-3设置在所述空气反应器1-4内；所述回热装置包括高温回热器2-4、低温回热器2-5，所述压缩装置包括再压缩机2-6和主压缩机2-7。
所述高压透平2-1的进气端与所述二级过热器1-6出口连接，所述低压透平2-2的出气端与所述高温回热器2-4的低压气进气端连接，所述高温回热器2-4的低压气出气端与所述低温回热器2-5的低压气进气端连接，所述低温回热器2-5的低压气出气端通过一条管路与所述再压缩机2-6的低压气进气端连接，通过另一条管路与所述冷却装置气侧入口连接，所述冷却装置的气侧出口与所述主压缩机2-7的低压气进气端连接；
所述主压缩机2-7的高压气出气端与所述低温回热器2-5的高压气进气端连接，所述低温回热器2-5的高压气出气端、再压缩机2-6的高压气出气端均连接至所述高温回热器2-4 的高压气进气端，所述高温回热器2-4的高压气出气端与所述对流加热器1-2的第二CO2气流入口连接。
所述冷却装置包括通过气路串联连接第一sCO2冷却器3-1、第二sCO2冷却器3-2，所述低温回热器2-5的低压气出气端通过另一条管路与所述第一sCO2冷却器3-1连接，所述第二sCO2冷却器3-2的出气端与所述主压缩机2-7低压气进气端连接。
所述第一sCO2冷却器3-1通过水循环回路为外部用户供热、所述第二sCO2冷却器3-2通过水循环回路与外部环境水相通。
燃料反应器1-3固态反应中间物出口和空气反应器1-4固态反应中间物入口连接。
本发明的工作原理：
煤直接进入燃料反应器与预热过的CO2气流发生气化，生成合成气，合成气与载氧体Fe2O3发生化学反应，气体产物是CO2和H2O，固体产物是Fe3O4；燃料反应器中生成的Fe3O4进入空气反应器，并重新被空气中的O2氧化为Fe2O3，释放出热量，用于二级加热sCO2和sCO2回热；一部分CO2-H2O气流通过对流加热器和预热器被冷却到80℃，加热空气和CO2气流到500℃，冷却后的CO2-H2O气流分为两路，一路经过冷凝器分离出CO2，另一路CO2-H2O气流重新回到燃料反应器中，对流加热器出口的sCO2气流经管路B-3被一级过热器和二级过热器加热到600℃，然后经管路C-1进入sCO2高压透平。
其中，所述的一级过热器和二级过热器分别布置在燃料反应器和空气反应器内部，用于加热sCO2气体。
所述的sCO2循环单元由sCO2高压透平、sCO2低压透平、再热器、高温回热器、低温回热器、主压缩机和再压缩机组成；二级过热器和高压透平进口连接，高压透平出口与再热器连接，sCO2低压透平出口与高温回热器连接，连接至低温回热器，低温回热器出口分成两支路，一路连接到一级过热器，一级过热器与二级过热器相连接，二级过热器连接到主压缩机进口，另一路连接到再压缩机进口，再压缩机出口与高温回热器连接，主压缩机出口与低温回热器连接，最后汇集到高温回热器进口前，高温回热器和对流加热器连接；二级过热器后的高压 sCO2在高压透平中膨胀并通过再热器进行再加热，由此产生的sCO2随后在低压透平中膨胀，然后低压sCO2依次到达高温回热器和低温回热器，随后一部分低压sCO2到再压缩机被压缩到高压，另一部分低压sCO2连续经过两个冷却器。冷却后的sCO2在主压缩机和低温回热器中被压缩至高压并进行预热，低温回热器和再压缩机的两股高压sCO2气流最终高温回热器进口前汇合，随后高压sCO2在高温回热器中由低压sCO2预热，通过高温回热器后，高压sCO2被对流加热器加热，最后在连续的两级过热器加热。
本发明的有益效果如下：
本发明热电联产系统将化学链燃烧和sCO2循环耦合在一起，化学链实现了CO2的分离和捕获，在CO2温室气体减排上有突出表现，有效解决了CO2的分离捕集问题同时具有高效、节能的优点。
本发明的sCO2循环采用CO2作为工质，恰好可以使用部分分离后的CO2，工质成本低廉。同时sCO2循环系统发电效率高于常规朗肯水蒸气循环效率，其提高了系统发电效率，最后sCO2工质冷却放热可用于供暖，提高系统能效收益。
本发明的化学链燃烧释放的热量与燃料在空气中燃烧释放的热量相同，通过循环实现了 CO2内分离。化学链燃烧可以实现CO2的分离与捕获，可以作为sCO2循环的热源，同时还为sCO2循环提供CO2。
此外，本发明利用冷却CO2过程加热供暖水来实现热电联产可以进一步提升系统热效率。在节能减排的趋势下，化学链燃烧耦合超临界CO2循环将具有较大的发展空间和广阔的发展前景。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图中：1-1、预热器；1-2、对流加热器；1-3、燃料反应器；1-4、空气反应器；1-5、一级过热器；1-6、二级过热器；1-7、旋风分离器；2-1、高压透平；2-2、低压透平；2-3、再热器；2-4、高温回热器；2-5、低温回热器；2-6、再压缩机；2-7、主压缩机；3-1、第一sCO2冷却器；3-2、第二sCO2冷却器。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，包括化学链燃烧单元、sCO2循环单元和供热单元。
化学链燃烧单元作为热源为sCO2循环的加热和再热过程提供热量，化学链燃烧单元主要包括燃烧装置、预热装置和过热装置；
sCO2循环单元主要包括透平装置、回热装置、压缩装置，sCO2循环单元利用化学链燃烧单元提供的高温sCO2气流对透平装置做功，并将做功后的低压sCO2进行回热、加压后，输送回化学链燃烧单元参与循环；
供热单元主要包括冷却装置，供热单元用于吸收在所述sCO2循环单元对透平做功后的 sCO2的热量，并利用所述热量对外部用户供热。
化学链燃烧单元具体由预热器1-1、对流加热器1-2、燃料反应器1-3、空气反应器1-4、一级过热器1-5、二级过热器1-6和旋风分离器1-7组成；
管路A-2将空气反应器1-4的出口与旋风分离器1-7的入口连接，旋风分离器1-7出口分为两支路，一路为气态通过管路A-2-2与对流加热器1-2的空气入口连接，对流加热器1-2 空气出口通过管道A-3与预热器1-1的第一空气入口连接，预热器1-1的第一空气出口与外部排风管道连接，另一路为固态物通过管路A-2-1与燃料反应器1-3连接；
管路B-2将预热器1-1的高温CO2气流出口和燃料反应器1-3连接；
管路B-1将预热器1-1的第二空气出口和空气反应器1-4连接，预热器1-1的第二空气入口用于与外部空气连通；
管路B-3将对流换热器1-2第二CO2气流出口和一级过热器1-5连接；
管路B-4将一级过热器1-5和二级过热器1-6连接，管路B-5将燃料反应器1-3和空气反应器1-4连接；
具体地，燃料反应器1-3的CO2气流出口通过管路A-1与对流加热器1-2的第一CO2气流入口连接，对流加热器1-2的第一CO2气流出口通过管道A-4与预热器1-1的高温CO2气流入口连接，预热器1-1的低温CO2气流出口通过并联连接的管路分别与冷凝器入口、预热器1-1的低温CO2气流入口连接，预热器1-1的高温CO2气流出口通过管道B-2与燃料反应器1-3的CO2气流入口连接；
sCO2循环单元具体由sCO2高压透平2-1、sCO2低压透平2-2、再热器2-3、高温回热器2-4、低温回热器2-5、再压缩机2-6和主压缩机2-7组成；
管路C-1将二级过热器1-6和sCO2高压透平2-1进口连接，sCO2高压透平2-1出口与再热器2-3进口通过管路C-2连接，再热器2-3出口与sCO2低压透平2-2进口通过管路C-3连接，sCO2低压透平2-2出口与高温回热器2-4通过管路C-4连接，高温回热器2-4与低温回热器2-5通过管路C-5连接，将管路C-6出口分成两支路，一路为C-6-1连接到再压缩机2-6 进口，另一路为C-6-2连接到第一sCO2冷却器3-1，管路C-7将第一sCO2冷却器3-1和第二 sCO2冷却器3-2连接，管路C-8将第二sCO2冷却器3-2和主压缩机2-7进口连接，主压缩机 2-7出口与低温回热器2-5通过管路C-9连接，再压缩机2-6出口与高温回热器2-4通过管路C-10-2连接，管路C-10-1和管路C-10-2汇集到管路C-11与高温回热器2-4连接，管路C-12将高温回热器2-4和对流加热器1-2的第二CO2气流入口连接；
供热单元3由上述第一sCO2冷却器3-1和第二sCO2冷却器3-2组成，管路D-2与热用户换热器连接。
具体地，所述对流加热器1-2的第二CO2气流入口通过管路C-12与高温回热器2-4高压气出气端连接，对流加热器1-2的第二CO2气流出口通过管路B-3与一级过热器1-5入口连接，二级过热器1-6入口出口通过管路C-1与所述透平装置入口连接。
本发明具体工作方式如下：
煤直接进入燃料反应器1-3与管路B-2中预热的CO2气流发生气化，生成合成气，合成气与载氧体Fe2O3发生化学反应，气体产物是CO2和H2O，固体产物是Fe3O4，一部分CO2-H2O气流经过管路A-1通过对流加热器1-2、经过管路A-4通过预热器1-1被冷却到8O℃，冷却后的CO2-H2O气流分为两路，一路经过冷凝器分离出CO2，另一路CO2-H2O气流重新被加热后，回到燃料反应器1-3中，加热过程在预热器1-1内进行，由外部进入的热空气和CO2进行交叉换热，热空气将CO2气流加热到500℃，加热后的CO2气流经管路B-2送回至燃料反应器1-3中，热空气则经管路B-1送至空气反应器1-4中。同时，燃料反应器1-3中生成的还原性Fe3O4进入空气反应器1-4，并重新被空气中的O2氧化为Fe2O3，释放出热量，用于二级加热sCO2和sCO2回热；
对流加热器1-2出口的sCO2气流经管路B-3被一级过热器1-5和二级过热器1-6加热到 600℃，然后经管路C-1进入高压透平2-1，二级过热器1-6后的高压sCO2在高压透平2-1中膨胀，高压透平2-1出口的sCO2气流经空气反应器1-4内的再热器2-3再加热后，由此产生的sCO2随后在低压透平2-2中膨胀，为发电机提供动力，然后低压sCO2经管道C-4和C-5依次到达高温回热器2-4和低温回热器2-5，随后一部分低压sCO2到再压缩机2-6并被压缩到高压，另一部分低压sCO2连续经过第一sCO2冷却器3-1、第二sCO2冷却器3-2。
冷却后的sCO2在主压缩机2-7中被压缩至高压并在低温回热器2-5进行预热，低温回热器2-5和再压缩机2-6的两股高压sCO2气流最终在管路C-11汇合，随后管路C-11出口高压 sCO2在高温回热器2-4中由管路C-4出口的低压sCO2预热，通过高温回热器2-4后，高压sCO2经管路C-12被对流加热器1-2加热，最后在一级过热器1-5和二级过热器1-6加热。
具体地，一级过热器1-5和二级过热器1-5分别布置在燃料反应器1-3和空气反应器1-4 内部，加热sCO2气体。
sCO2经管道C-6-2到达第一sCO2冷却器3-1，如图1所示，第一sCO2冷却器3-1水侧由管道D-1、D-2、D-3构成循环管路，通过第一sCO2冷却器3-1将管道D-1中40℃供暖水加热到100℃，sCO2冷却到50℃，再进入第二sCO2冷却器3-2被环境水冷却到32℃，第二sCO2冷却器3-2水侧的管路包括环境水流入管路D-6、D-4，流出管路D-5。
具体地，高温回热器2-4和低温回热器2-5、主压缩机2-6和再压缩机2-7构成两级回热循环，提高系统效率。
本实施例可用于具有CO2捕获需求的热电联产电厂中。煤直接作为化学链燃烧的燃料，化学链燃烧作为热源驱动sCO2循环的加热和再热过程，sCO2冷却过程中回收的热量用于区域供暖。本发明实施例明显提高了电厂的热效率，有望成为燃煤热电联产碳捕集电厂的一种形式。

Claims (9)

1.一种化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，其特征在于，包括化学链燃烧单元、sCO2循环单元和供热单元；
所述化学链燃烧单元包括燃烧装置、预热装置和过热装置；化学链燃烧单元为煤与预热过的CO2气流生成合成气、合成气与载氧体发生反应生成CO2和H2O、利用反应热加热sCO2提供场所和条件，从而作为热源驱动所述sCO2循环单元中sCO2循环的加热和再热过程；
所述sCO2循环单元包括与发电机连接的透平装置、回热装置和压缩装置；sCO2循环单元利用高温sCO2气流对透平装置做功，并将做功后的低压sCO2进行回热、加压后，输送回所述化学链燃烧单元参与循环；
所述供热单元包括冷却装置，供热单元用于吸收在所述sCO2循环单元对透平做功后的sCO2的热量，对外部用户供热；
所述燃烧装置包括燃料反应器(1-3)、空气反应器(1-4)，所述预热装置包括预热器(1-1)、对流加热器(1-2)；所述过热装置包括串联连接的一级过热器(1-5)和二级过热器(1-6)；
所述燃料反应器(1-3)的CO2气流出口与所述对流加热器(1-2)的第一CO2气流入口连接，对流加热器(1-2)的第一CO2气流出口与所述预热器(1-1)的高温CO2气流入口连接，预热器(1-1)的低温CO2气流出口通过并联连接的管路分别与冷凝器入口、预热器(1-1)的低温CO2气流入口连接，预热器(1-1)的高温CO2气流出口与所述燃料反应器(1-3)的CO2气流入口连接，形成CO2化学链燃烧反应循环回路；
所述对流加热器(1-2)的第二CO2气流入口与sCO2循环单元的所述回热装置输出口连接，所述对流加热器(1-2)的第二CO2气流出口与所述过热装置入口连接，过热装置出口与所述透平装置入口连接，形成CO2工质循环回路。
2.根据权利要求1所述的化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，其特征在于，还包括旋风分离器(1-7)，其入口与所述空气反应器(1-4)的出口连接，旋风分离器(1-7)的气体出口与所述对流加热器(1-2)的空气入口连接，对流加热器(1-2)的空气出口与所述预热器(1-1)的第一空气入口连接，预热器(1-1)的第一空气出口与外部排风管连接，预热器(1-1)的第二空气出口与所述空气反应器(1-4)的入口连接，旋风分离器(1-7)的固体出口与所述燃料反应器(1-3)连接。
3.根据权利要求2所述的化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，其特征在于，所述预热器(1-1)的第二空气入口用于通入外部空气。
4.根据权利要求2所述的化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，其特征在于，所述一级过热器(1-5)和所述二级过热器(1-6)分别设置在所述燃料反应器(1-3)、所述空气反应器(1-4)内；所述对流加热器(1-2)的第二CO2气流出口与所述一级过热器(1-5)入口连接。
5.根据权利要求4所述的化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，其特征在于，所述透平装置包括串联连接的高压透平(2-1)、低压透平(2-2)，在高压透平(2-1)、低压透平(2-2)之间设置再热回路，所述再热回路采用的再热器(2-3)设置在所述空气反应器(1-4)内；
所述回热装置包括高温回热器(2-4)、低温回热器(2-5)，所述压缩装置包括再压缩机(2-6)和主压缩机(2-7)。
6.根据权利要求5所述的化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，其特征在于，所述高压透平(2-1)的进气端与所述二级过热器(1-6)出口连接，所述低压透平(2-2)的出气端与所述高温回热器(2-4)的低压气进气端连接，所述高温回热器(2-4)的低压气出气端与所述低温回热器(2-5)的低压气进气端连接，所述低温回热器(2-5)的低压气出气端通过一条管路与所述再压缩机(2-6)的低压气进气端连接，通过另一条管路与所述冷却装置气侧入口连接，所述冷却装置的气侧出口与所述主压缩机(2-7)的低压气进气端连接；
所述主压缩机(2-7)的高压气出气端与所述低温回热器(2-5)的高压气进气端连接，所述低温回热器(2-5)的高压气出气端、再压缩机(2-6)的高压气出气端均连接至所述高温回热器(2-4)的高压气进气端，所述高温回热器(2-4)的高压气出气端与所述对流加热器(1-2)的第二CO2气流入口连接。
7.根据权利要求6所述的化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，其特征在于，所述冷却装置包括通过气路串联连接第一sCO2冷却器(3-1)、第二sCO2冷却器(3-2)，所述低温回热器(2-5)的低压气出气端通过另一条管路与所述第一sCO2冷却器(3-1)连接，所述第二sCO2冷却器(3-2)的出气端与所述主压缩机(2-7)低压气进气端连接。
8.根据权利要求7所述的化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，其特征在于，所述第一sCO2冷却器(3-1)通过水循环回路为外部用户供热、所述第二sCO2冷却器(3-2)通过水循环回路与外部环境水相通。
9.根据权利要求1所述的化学链燃烧耦合超临界CO2循环的热电联产系统，其特征在于，燃料反应器(1-3)固态反应中间物出口和空气反应器(1-4)固态反应中间物入口连接。
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