CN113175829A - 混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置及方法，所述二氧化碳气体抽吸分离装置包括：凝汽器、给水加热器、气液分离器和喷射器；凝汽器的第一进口用于与汽轮机的出口相连通；给水加热器设置有热流体进口、热流体出口、冷流体进口和冷流体出口；热流体进口用于与汽轮机的中间抽汽出口相连通，冷流体进口与凝汽器的液体出口相连通；气液分离器的进口与热流体出口相连通，气液分离器的液体出口与凝汽器的第二进口相连通；喷射器的高压进口与气液分离器的气体出口相连通，喷射器的低压进口与凝汽器的气体出口相连通。本发明能够实现混合工质中水蒸汽与二氧化碳的高效分离，可降低气体分离过程耗能。

Description

混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置及方法
技术领域
本发明属于发电设备技术领域，涉及二氧化碳气体抽吸分离领域，特别涉及一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置及方法。
背景技术
能源长时间内维持着以煤炭为主，其他能源形式为辅供给方式；粗放型的煤炭利用方式会导致能量利用效率较低，且释放的CO2、SOx、NOx、Ag、As及大量灰尘等造成严重的环境污染，不符合长期能源安全的基本要求，发展清洁高效的煤炭利用方式成为中国能源转型的首要任务。
超临界煤气化发电技术是利用超临界水作为反应介质，可以实现煤的热分解、气化和分离净化等过程在同一容积中进行，煤炭完全气化后产生超临界水、二氧化碳和氢气混合工质。煤炭中硫、氮及重金属元素以沉渣方式集中排除，且可以作为资源加以利用，从源头上杜绝了各种污染物的产生与排放。煤炭气化反应后将氢气分离获得超临界水蒸汽和二氧化碳混合工质，进行热功转化发电。
超临界水煤气化发电循环中的水蒸汽在凝汽器中冷凝成水，而二氧化碳等气体需要从系统中排出。超临界水煤气化发电循环的混合工质中二氧化碳组分占到8％-10％，远远高于常规水蒸汽朗肯循环中二氧化碳气体的含量，常规的二氧化碳气体分离方法耗能高，且不满足二氧化碳气体分离后的存储要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明能够实现混合工质中水蒸汽与二氧化碳的高效分离，可降低气体分离过程耗能。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，包括：凝汽器、给水加热器、气液分离器和喷射器；
所述凝汽器设置有第一进口、第二进口、液体出口和气体出口；所述凝汽器的第一进口用于与汽轮机的出口相连通；
所述给水加热器设置有热流体进口、热流体出口、冷流体进口和冷流体出口；所述热流体进口用于与汽轮机的中间抽汽出口相连通，所述冷流体进口与所述凝汽器的液体出口相连通；
所述气液分离器设置有进口、液体出口和气体出口；所述气液分离器的进口与所述热流体出口相连通，所述气液分离器的液体出口与所述凝汽器的第二进口相连通；
所述喷射器设置有高压进口、低压进口和出口；所述喷射器的高压进口与所述气液分离器的气体出口相连通，所述喷射器的低压进口与所述凝汽器的气体出口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：压缩机，所述压缩机的进口与所述气液分离器的气体出口相连通，所述压缩机的出口与所述喷射器的高压进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：离心风机，所述离心风机的进口与所述凝汽器的气体出口相连通，所述离心风机的出口与所述喷射器的出口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：储存罐，所述储存罐的进口与所述喷射器的出口相连通。
本发明的进一步改进在于，所述储存罐与所述喷射器之间沿气体流动方向依次还设置有干燥罐和气体压缩装置。
本发明的进一步改进在于，所述气体压缩装置为离心压缩机。
本发明的进一步改进在于，所述冷流体进口与所述凝汽器的液体出口相连通具体为，所述冷流体进口通过凝结水泵与所述凝汽器的液体出口相连通。
本发明的进一步改进在于，用于超临界水煤气化发电循环系统中。
本发明的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离方法，基于本发明上述的二氧化碳气体抽吸分离装置，包括以下步骤：
将所述凝汽器的第一进口与汽轮机的出口相连通；将所述热流体进口与汽轮机的中间抽汽出口相连通；
通过凝汽器对汽轮机排除的混合工质进行分离；
利用喷射器分离出的二氧化碳气体输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用气液分离器对汽轮机抽汽的混合工质进行分离，采用凝汽器对汽轮机排出的混合工质进行分离；气液分离器分离出来的高压二氧化碳气体通入喷射器高压进口，抽吸凝汽器排出的低压二氧化碳气体，分离出来的二氧化碳输送到储存罐中保存。本发明二氧化碳分离系统利用汽轮机抽汽的压力来抽吸凝汽器内部二氧化碳气体，可降低气液分离过程能耗；能够有效解决超临界水煤气化发电循环中二氧化碳气体的抽吸、回收、储存和利用问题，降低二氧化碳排放量；储存的二氧化碳可重新利用，可提高资源利用率。
本发明中，采用压缩机辅助增压，控制喷射器高压进口压力，能够提高喷射器的引射比及工作效率，同时也可提高系统的适用性。
本发明中，采用离心风机辅助抽吸凝汽器气体，可增大凝汽器气体的抽取流量，提高系统的适用性。
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混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置的结构示意图；
图1中，101、汽轮机；102、给水加热器；103、气液分离器；104、凝结水泵；105、凝汽器；106、旁通阀；107、第一进口阀；108、第一出口阀；109、压缩机；110、喷射器；111、第二进口阀；112、离心风机；113、第二出口阀；114、干燥罐；115、气体压缩装置；116、储存罐。
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混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，可实现超临界水煤气化混合工质循环系统中水和二氧化碳的高效分离，降低分离过程的能耗。本发明实施例的混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置包括：汽轮机101、给水加热器102、气液分离器103、凝结水泵104、凝汽器105、气体抽吸装置、干燥罐114、气体压缩装置115和储存罐116；其中汽轮机101的中间抽汽出口与给水加热器102的热流体进口连接，汽轮机101出口与凝汽器105进口连接，凝结水泵104进口与凝汽器105液体出口连接，给水加热器102冷流体进口与凝结水泵104出口连接，气液分离器103进口与给水加热器102热流体出口连接，气液分离器103液体出口与凝汽器105进口连接，气体抽吸装置的两个入口分别与气液分离器103出口和凝汽器105的出口连接，抽吸装置的出口通过管道与干燥罐114进口连接，干燥罐114出口与气体压缩装置115进口连接，气体压缩装置115出口与储存罐116进口连接。
气体抽吸装置包括喷射器110、压缩机109、离心风机112、旁通阀106、第一进口阀107、第一出口阀108、第二进口阀111和第二出口阀113。其中，压缩机109进口与气液分离器103气体出口与连接，压缩机109出口与喷射器110高压进口连接，旁通阀106进出口分别与压缩机109进出口连接，喷射器110低压进口与凝汽器105气体出口连接，离心风机112进口与凝汽器气体出口连接，离心风机112出口和喷射器110出口与干燥罐114进口连接，干燥罐114出口与气体压缩装置115进口连接，气体压缩装置115出口与储存罐116进口连接。
根据本发明上述实施例，本发明采用气液分离器对汽轮机抽汽的混合工质进行分离，采用凝汽器对汽轮机排出的混合工质进行分离，气液分离器分离出来的高压二氧化碳气体通入喷射器高压进口，抽吸凝汽器排出的低压二氧化碳气体，分离出来的二氧化碳输送到储存罐中保存。该二氧化碳分离系统利用汽轮机抽汽的压力能抽吸凝汽器内部二氧化碳气体，可降低气液分离过程能耗；有效解决了超临界水煤气化发电循环中二氧化碳气体的抽吸、回收、储存和利用问题，降低了二氧化碳排放量；储存的二氧化碳可重新利用，提高了资源利用率。
本发明实施例中，增大气体的抽吸流量的方法有两种：一种方法是增大喷射器最高工作压力，增大喷射器引射系数，进而增大喷射器对凝汽器内二氧化碳的抽吸流量。另一种方法是，在喷射器进出口并联布置离心风机，利用离心风机的辅助抽吸作用，增大抽吸装置对凝汽器内二氧化碳的抽吸流量。其中压缩机109用于增加喷射器最高压力，提升喷射器抽吸效率；离心风机112用于辅助抽取凝汽器105气体，增大气体抽吸总流量；旁通阀106、第一进口阀107和第一出口阀108用于控制压缩机109的流量；第二进口阀111和第二出口阀113用于控制离心风机112的流量。
本发明实施例中，为了进一步提高储存罐116中二氧化碳浓度及储存量，在喷射器110和储存罐116之间增加一个干燥罐114和一台气体压缩装置115。喷射器110出口与干燥罐114进口连接，干燥罐114出口与气体压缩装置115进口连接，气体压缩装置115出口与储存罐116进口连接。使用干燥罐114对抽吸的二氧化碳进行干燥除水，再经过气体压缩装置115进行压缩使其液化，最后输入储存罐116中以增大储存罐内二氧化碳的储存量。所述气体压缩装置115为压缩机：优选离心压缩机。
本发明实施例的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置的工作原理包括：
首先凝汽器将超临界水煤气化发电的汽轮机排出的水蒸汽(体积分数：82％～95％)和二氧化碳(体积分数：5％～18％)的低温低压混合工质(温度：25℃～35℃，压力3.17kPa～5.63kPa)进行一次分离，混合工质中的水蒸汽在凝汽器中凝结成水，再经凝结水泵输送至给水加热器中。汽轮机中间抽汽的混合工质在给水加热器中将热量传递给凝结水，经过加热后的水重新进入超临界水气化炉中，冷却后混合工质在气液分离器进行分离，分离出的凝结水输送至凝汽器中，分离出来的二氧化碳气体经离心压缩机增压后进入喷射器高压进口。喷射器低压进口连接凝汽器的排气口，喷射器在高、低压力差作用下产生抽吸作用，使凝汽器内大部分气体被抽出输送至干燥罐中。离心风机产生的负压使凝汽器内部剩余气体被抽出输送至干燥罐中，使二氧化碳气体中的水分被彻底除去，干燥后的二氧化碳经过气体压缩装置进一步压缩到液态后输入至储存罐中保存。
实施例1
本发明实施例的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，汽轮机101的中间抽汽出口与给水加热器102热流体进口连接，汽轮机101出口与凝汽器105进口连接，凝结水泵104进口与凝汽器105液体出口连接，给水加热器102冷流体进口与凝结水泵104出口连接，气液分离器103进口与给水加热器102热流体出口连接，气液分离器103液体出口与凝汽器105进口连接，喷射器110高压进口与气液分离器103出口连接，喷射器110低压进口与凝汽器105气体出口连接，喷射器110出口通过管道与干燥罐114进口连接，干燥罐114出口与气体压缩装置115进口连接，气体压缩装置115出口与储存罐116进口连接，给水加热器102冷流体出口与超临界水汽化炉连接。
凝汽器将超临界水煤气化发电循环的汽轮机排出的水蒸汽(体积分数：95％)和二氧化碳(体积分数：5％)的混合工质(温度：32.5℃,压力4.9kPa)进行一次分离，混合工质中的水蒸汽在凝汽器中凝结成水，再经凝结水泵输送至给水加热器中。汽轮机中间抽汽的混合工质(温度387.5℃，压力1000kPa)在给水加热器中将热量传递给凝结水，冷却后混合工质(温度：130℃，压力1000kPa)在气液分离器进行分离，分离出的凝结水输送至凝汽器中，分离出来的二氧化碳气体进入喷射器高压进口。喷射器低压进口连接凝汽器的排气口，喷射器在高、低压力差(压差＝995.1kPa)作用下产生抽吸作用，使凝汽器内二氧化碳气体被抽出输送至干燥罐中，使二氧化碳气体中的水分被彻底除去，干燥后的二氧化碳经过气体压缩装置进一步压缩到液态后输入至储存罐中保存。凝汽器内分离的液态水经过加热和增压(温度296℃，压力30000kPa)后重新进入超临界水气化炉中。
实施例2
本发明实施例中，与实施例1不同之处在于在喷射器高压进口前串联一台离心压缩机。抽吸装置工作时，开启离心第一进口阀及离心第一出口阀，关闭旁通阀。离心压缩机将气液分离器出口气体压力增加至1500kPa，喷射器引射系数可增大35％，喷射器对凝汽器内二氧化碳的抽吸流量可增大14％。
实施例1中压缩机及压缩机进出口阀门为关闭状态，旁通阀呈开启状态，在汽轮机抽汽压力较高时不需要消耗额外电能，实现节能目的；实施例2中压缩机及压缩机进出口阀门为开启状态，旁通阀呈关闭状态，压缩机可实现喷射器主流进口气体的辅助增压，提高喷射器引射系数，虽然会消耗部分电能，但是适用工况更宽。
根据本发明上述实施例，采用离心压缩机辅助增压，控制喷射器高压进口压力，提高了喷射器的引射比及工作效率，同时也提高了系统的适用性。
实施例3
与实施例1不同之处在于喷射器高压进口前串联一台离心压缩机，并且在喷射器低压进口及出口间并联一台离心风机。抽吸装置工作时，开启第一进口阀及第一出口阀，关闭旁通阀，同时开启离心风机进出口阀门。离心压缩机将气液分离器出口气体压力增加至1500kPa，喷射器引射系数可增大35％，喷射器对凝汽器内二氧化碳的抽吸流量可增大14％。利用离心风机的辅助抽吸作用，抽吸装置对凝汽器内二氧化碳的抽吸流量可进一步增大30％。
根据本发明上述实施例，采用离心压缩机辅助增压，控制喷射器高压进口压力，提高了喷射器的引射比及工作效率，同时也提高了系统的适用性。采用离心风机辅助抽吸凝汽器气体，增大了凝汽器气体的抽取流量，提高了系统的适用性。
综上所述，本发明实施例公开了一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置及方法，所述装置与超临界水煤气化发电汽轮机连接，包括凝汽器、分离装置、给水加热器、凝结水泵、气体抽吸装置、干燥罐和储存罐；其中，给水加热器与汽轮机中段抽汽口连接，分离装置与给水加热器热流体出口连接，分离装置对中段抽汽的高压混合工质进行分离，凝汽器与汽轮机出口连接，凝汽器对汽轮机排出的低压混合工质进行分离，喷射器高压进口与分离装置气体出口连接，喷射器低压进口与凝汽器气体出口连接，喷射器出口与储存罐连接。所述气体抽吸装置包括喷射器、压缩机、离心风机、旁通阀、第一进口阀、第一出口阀、第二进口阀和第二出口阀。其中，压缩机进口与气液分离器气体出口连接，压缩机出口与喷射器高压进口连接，旁通阀进出口分别与压缩机进出口连接，喷射器低压进口与凝汽器气体出口连接，离心风机进口与凝汽器气体出口连接，离心风机出口和喷射器出口与干燥罐进口连接，干燥罐出口与气体压缩装置进口连接，气体压缩装置出口与储存罐进口连接。优选的，还包括用于调节喷射器最高工作压力的离心压缩机，所述离心压缩机进口与分离装置气体出口连接，离心压缩机出口与喷射器进口连接；优选的，还包括用于辅助输送凝汽器气体的离心风机；所述的离心风机与凝汽器气体出口连接；优选的，还包括用于二氧化碳气体干燥的干燥罐；所述干燥罐进口与喷射器出口、离心风机出口，干燥器出口气体压缩装置进口连接。所述二氧化碳气体抽吸分离方法，采用该二氧化碳气体分离装置，分离装置对汽轮机抽取的混合工质进行分离，凝汽器与汽轮机的出口连接，凝汽器对汽轮机排除的混合工质进行分离，利用喷射器和离心风机将分离装置和凝汽器分离出的二氧化碳气体输送至储存罐中保存。，当需要增大凝汽器气体抽取流量时，离心压缩机与喷射器串联，离心压缩机对分离装置的分离出来的二氧化碳气体进行增压，离心风机与喷射器并联，二者同时抽吸凝汽器气体。本发明提供的混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置及方法，实现了对超临界水蒸汽和二氧化碳的有效分离，该气体分离系统耗能低、抽吸流量大、适用范围广，有效解决了超临界水煤气化发电循环中二氧化碳气体的抽吸、回收、储存和利用问题，降低了二氧化碳排放量；储存的二氧化碳可重新利用，提高了资源利用率；其中，该二氧化碳抽吸分离系统利用汽轮机抽汽的压力能抽吸凝汽器内部二氧化碳气体，可降低气体分离过程能耗，实现二氧化碳气体全工况深度分离。
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)

1.一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，其特征在于，包括：凝汽器(105)、给水加热器(102)、气液分离器(103)和喷射器(110)；
所述凝汽器(105)设置有第一进口、第二进口、液体出口和气体出口；所述凝汽器(105)的第一进口用于与汽轮机的出口相连通；
所述给水加热器(102)设置有热流体进口、热流体出口、冷流体进口和冷流体出口；所述热流体进口用于与汽轮机的中间抽汽出口相连通，所述冷流体进口与所述凝汽器(105)的液体出口相连通；
所述气液分离器(103)设置有进口、液体出口和气体出口；所述气液分离器(103)的进口与所述热流体出口相连通，所述气液分离器(103)的液体出口与所述凝汽器(105)的第二进口相连通；
所述喷射器(110)设置有高压进口、低压进口和出口；所述喷射器(110)的高压进口与所述气液分离器(103)的气体出口相连通，所述喷射器(110)的低压进口与所述凝汽器(105)的气体出口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，其特征在于，还包括：
压缩机(109)，所述压缩机(109)的进口与所述气液分离器(103)的气体出口相连通，所述压缩机(109)的出口与所述喷射器(110)的高压进口相连通。
3.根据权利要求1所述的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，其特征在于，还包括：
离心风机(112)，所述离心风机(112)的进口与所述凝汽器(105)的气体出口相连通，所述离心风机(112)的出口与所述喷射器(110)的出口相连通。
4.根据权利要求1所述的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，其特征在于，还包括：
储存罐(116)，所述储存罐(116)的进口与所述喷射器(110)的出口相连通。
5.根据权利要求4所述的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，其特征在于，所述储存罐(116)与所述喷射器(110)之间沿气体流动方向依次还设置有干燥罐(114)和气体压缩装置(115)。
6.根据权利要求5所述的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，其特征在于，所述气体压缩装置(115)为离心压缩机。
7.根据权利要求1所述的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，其特征在于，所述冷流体进口与所述凝汽器(105)的液体出口相连通具体为，所述冷流体进口通过凝结水泵(104)与所述凝汽器(105)的液体出口相连通。
8.根据权利要求1所述的一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离装置，其特征在于，用于超临界水煤气化发电循环系统中。
9.一种混合工质循环系统的二氧化碳气体抽吸分离方法，其特征在于，基于权利要求1所述的二氧化碳气体抽吸分离装置，包括以下步骤：
将所述凝汽器的第一进口与汽轮机的出口相连通；将所述热流体进口与汽轮机的中间抽汽出口相连通；
通过凝汽器对汽轮机排除的混合工质进行分离；
利用喷射器分离出的二氧化碳气体输出。
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