CN114776392A - 基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统及方法，包括：煤气化系统，由煤粉设备、气化炉、高温煤气冷却器、除尘设备、低温煤气冷却器和脱硫设备依次串联而成；超临界CO2底循环系统，由第一透平、换热器、第一冷却器、第一压缩机组成；空分系统，由空气分离器、第一氧气压缩机、第二氧气压缩机组成；完全碳捕集系统，由燃烧室、第二透平、发电机、回热器、第二冷却器、水分离器、第二压缩机、第三冷却器、CO2泵、CO2储存器组成。本发明可实现完全碳捕集，并充分利用煤气化系统的热量，提高了整体能源利用效率，实现了能量的梯级利用和清洁发电目的，为洁净煤燃烧技术提供了新的解决方案，具有显著的经济效益、应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及煤化工和煤清洁利用领域，具体涉及一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统及方法。
背景技术
随着我国节能减排力度的加大，减少煤电机组污染物排放、实现煤炭的清洁利用成了目前的研究热点。
采用清洁煤发电技术，能够显著减少或消除燃煤电厂的大气二氧化碳排放，迄今为止，现有的洁净煤发电系统，由于CO2的分离、收集和压缩消耗了大量的能量，因此普遍比传统系统成本更高、效率更低、系统更复杂，大大限制了其实际应用。
碳捕集技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。目前主要有三种方式实现碳捕集：
1)燃烧前捕集：主要运用在整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)系统中，煤在高压下通过高压富氧气化，产生的煤气通过变换反应转化为CO2和H2，燃料气通过捕获CO2进行净化，高纯度氢燃料在燃气轮机联合循环发电装置中燃烧；
2)燃烧后碳捕集：在燃煤锅炉和天然气联合循环发电系统等系统燃烧排放的烟气中捕集CO2，主要有化学吸收法(利用酸碱性吸收)、物理吸收法(变温或变压吸附)和膜分离法技术等CO2分离技术；
3)富氧燃烧：化石燃料与纯氧燃烧，产生CO2和水以及燃料和燃烧产生的杂质，然后分离出纯CO2。该工艺已被研究并应用于常规燃煤锅炉、燃气轮机联合循环和高压蒸汽系统。
而传统化石燃料系统如IGCC、超临界煤等，随着系统接近理论效率极限，实现效率增加变得越来越困难，同时污染控制和碳捕集设备的成本仍然居高不下。在碳捕集的情况下，该过程在绝大多数情况下仍然是不经济的。在化石燃料仍然是主要的能源来源的情况下，需要新的动力循环来克服以上问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统及方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，包括：
煤气化系统，由煤粉设备、气化炉、高温煤气冷却器、除尘设备、低温煤气冷却器和脱硫设备依次串联而成；
超临界CO2底循环系统，由第一透平、换热器、第一冷却器、第一压缩机组成；
空分系统，由空气分离器、第一氧气压缩机、第二氧气压缩机组成；
完全碳捕集系统，由燃烧室、第二透平、发电机、回热器、第二冷却器、水分离器、第二压缩机、第三冷却器、CO2泵、CO2储存器组成。
进一步地，原煤经煤粉设备干燥后进入所述气化炉，经气化后产生高温高压粗合成气，粗合成气经高温煤气冷却器、除尘设备、低温煤气冷却器和脱硫设备进行煤气清洁和换热降温过程，最终在所述超临界CO2底循环系统的换热器中进行换热升温后通入所述完全碳捕集系统的燃烧室中；所述超临界CO2底循环系统中，经第一压缩机加压后的CO2循环流与气化炉出口的粗合成气在低温煤气冷却器、高温煤气冷却器和气化炉中进行一系列的换热升温后进入第一透平7做功，乏气随后与来自脱硫设备的低温清洁煤气在换热器继续换热，经第一冷却器冷却后通入第一压缩机形成闭合循环；所述空分系统中，所述的空气分离器从空气中分离出高纯度氧气，氧气一部分经第一氧气压缩机加压后通入气化炉参与气化反应，剩余氧气继续通入第二氧气压缩机继续加压后通入回热器换热升温后，通入所述完全碳捕集系统的燃烧室参与燃烧反应；所述完全碳捕集系统中，所述燃烧室出口的高温高压燃气通过第二透平进行膨胀做功，并通过连接的发电机进行发电，第二透平出口的乏气随后通入回热器，与来自第二氧气压缩机的高纯度高压氧气和来自CO2泵的高压CO2循环流进行换热，换热后的低温乏气通入第二冷却器，并随后在水分离器分离出高纯度CO2，在经第二压缩机压缩和第三冷却器冷却后、经CO2泵压缩后形成低温高压高纯度CO2流，95%以上的CO2流经过回热器换热后，通入燃烧室，用于调节燃烧室温度。
进一步地，所述煤气化系统中的气化炉运行温度超过1400℃，运行压力超过3MPa，其冷煤气效率超过80%。
进一步地，所述完全碳捕集系统最高循环温度超过1200℃，最高循环压力超过30MPa，其循环效率超过50%。
进一步地，所述超临界CO2底循环系统中，第一透平和第一压缩机采用同轴布置，透平输出功用来驱动压缩机。
进一步地，所述气化炉所需气化剂来源为空分系统产生的高纯度氮气或完全碳捕集系统中捕获的高纯度二氧化碳。
进一步地，所述回热器采用多通道式热交换器。
进一步地，所述第二氧气压缩机、第二压缩机采用绝热压缩或多级中间冷却压缩。
进一步地，经所述CO2泵加压的低温高压高纯度CO2流，5%被捕集并储存至所述CO2储存器中，不再需要其他碳捕集装置。
本发明还提供了一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的方法，其采用上述的系统实现循环发电。
上述方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1）系统采用更为简单的整体工艺，需要更少的集成点，但仍可以提供高效的高品位和低品位热回收；
2）无论所使用的煤种类型如何，无论合成气成分如何如H2和CO的比例都具有高效率，尤其是与化学工业中的气化和IGCC的碳捕获和封存相比；
3）循环利用CO2作为工作流体的特殊热力学性质，消除了蒸汽循环因蒸发和冷凝热而遇到的能量损失；
4）完全碳捕集循环系统在高压下使用CO2作为工作流体，所以CO2可以在高纯度和高于所需管道压力的情况下从系统中去除，这一特点从本质上消除了增加碳捕获的“成本”。进而避免传统化石燃料工厂所需的昂贵排放控制系统和组件，因此，系统整体成本与目前没有CO2捕获的系统相比具有很强的竞争力；
5）将热的回收CO2循环流注入燃烧室，完全碳捕集循环系统的氧气需求量将大大降低，进而减少燃烧过程中所需的燃料，以达到最佳的涡轮机入口温度。
综上所述，本发明的系统具有实现完全碳捕集、充分利用煤气化系统的热量、提高了整体能源利用效率、实现能量的梯级利用和清洁发电等诸多优势，具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统的结构图。
图中：1-煤粉设备；2-气化炉；3-高温煤气冷却器；4-除尘设备；5-低温煤气冷却器；6-脱硫设备；7-第一透平；8-第一压缩机；9-换热器；10-第一冷却器；11-空气分离器；12-第一氧气压缩机；13-第二氧气压缩机；14-燃烧室；15-第二透平；16-发电机；17-回热器；18-第二冷却器；19-水分离器；20-第二压缩机；21- 第三冷却器；22- CO2泵；23- CO2储存器。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，包括煤气化系统、超临界CO2底循环系统、空分系统和完全碳捕集系统。其中，煤气化系统由煤粉设备1、气化炉2、高温煤气冷却器3、除尘设备4、低温煤气冷却器5和脱硫设备6组成；超临界CO2底循环系统由第一透平7、换热器9、第一冷却器10、第一压缩机8组成；空分系统由空气分离器11、第一氧气压缩机12、第二氧气压缩机13组成；完全碳捕集系统由燃烧室14、第二透平15、发电机16、回热器17、第二冷却器18、水分离器19、第二压缩机20、第三冷却器21、CO2泵22、CO2储存器23组成。在煤气化系统1中，原煤经煤粉设备1干燥后进入气化炉2，经气化后产生高温高压粗合成气，粗合成气经高温煤气冷却器3、除尘设备4、低温煤气冷却器5和脱硫设备6，进行煤气清洁和换热降温后，最终在换热器9中进行换热升温后通入燃烧室14中；在超临界CO2底循环系统中，经第一压缩机8加压后的CO2循环流与气化炉2出口的粗合成气在低温煤气冷却器5、高温煤气冷却器3和气化炉2中进行一系列的换热升温后进入第一透平7做功，乏气随后与来自脱硫后的低温清洁煤气在换热器9继续换热，经第一冷却器10冷却后通入第一压缩机8形成闭合循环；在空分系统中，空气分离器11从空气中分离出高纯度氧气，氧气一部分经第一氧气压缩机12加压后通入气化炉2参与气化反应，剩余氧气继续通入第二氧气压缩机13继续加压后通入回热器17换热升温后，通入燃烧室14参与燃烧反应；在完全碳捕集系统中，燃烧室14出口的高温高压燃气通过第二透平15进行膨胀做功，并通过连接的发电机16进行发电，第二透平15出口乏气随后通入回热器17，与来自第二氧气压缩机13的高纯度高压氧气和来自CO2泵22的高压CO2循环流进行换热，换热后的低温乏气通入第二冷却器18，并随后在水分离器19分离出高纯度CO2，在经第二压缩机20压缩和第三冷却器21冷却后、经CO2泵22压缩后形成低温高压高纯度CO2流，95%以上的CO2流经过回热器17换热后，通入燃烧室14，用于调节燃烧室温度，其余的CO2流被捕集并储存至CO2储存器23中，不再需要其他碳捕集装置，最终实现完全碳捕集。
实施例中，煤气化系统中的气化炉2运行温度超过1400℃，运行压力超过3MPa，其冷煤气效率超过80%，其所需气化剂来源可以是空分系统产生的高纯度氮气或完全碳捕集系统中捕获的高纯度二氧化碳；完全碳捕集系统最高循环温度超过1200℃，最高循环压力超过30MPa，其循环效率超过50%；超临界CO2底循环系统中的第一透平7和第一压缩机8采用同轴布置，透平输出功用来驱动压缩机；第二氧气压缩机13、第二压缩机20可以采用绝热压缩或多级中间冷却压缩，当采用绝热压缩时，热量可以集成在回热器17中，用来改善回热器低温段热量不足的情况。
实施例2
一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的方法，其采用实施例1所述的系统实现循环发电，具体的，原煤经煤粉设备1干燥后进入气化炉2，经气化后产生高温高压粗合成气，粗合成气经高温煤气冷却器3、除尘设备4、低温煤气冷却器5和脱硫设备6进行煤气清洁和换热降温后，最终在换热器9中进行换热升温后通入燃烧室14中；经第一压缩机8加压后的CO2循环流与气化炉2出口的粗合成气在低温煤气冷却器5、高温煤气冷却器3和气化炉2中进行一系列的换热升温后进入第一透平7做功，乏气随后与来自脱硫后的低温清洁煤气在换热器9继续换热，经第一冷却器10冷却后通入第一压缩机8形成闭合循环；空气分离器11从空气中分离出高纯度氧气，氧气一部分经第一氧气压缩机12加压后通入气化炉2参与气化反应，剩余氧气继续通入第二氧气压缩机13继续加压后通入回热器17换热升温后，通入燃烧室14参与燃烧反应；在完全碳捕集系统中，燃烧室14出口的高温高压燃气通过第二透平15进行膨胀做功，并通过连接的发电机16进行发电，第二透平15出口乏气随后通入回热器17，与来自第二氧气压缩机13的高纯度高压氧气和来自CO2泵22的高压CO2循环流进行换热，换热后的低温乏气通入第二冷却器18，并随后在水分离器19分离出高纯度CO2，在经第二压缩机20压缩和第三冷却器21冷却后、经CO2泵22压缩后形成低温高压高纯度CO2流，95%以上的CO2流经过回热器17换热后，通入燃烧室14，用于调节燃烧室温度，其余的CO2流被捕集并储存至CO2储存器23中，不再需要其他碳捕集装置，最终实现完全碳捕集。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，其特征在于，包括：煤气化系统，由煤粉设备(1)、气化炉(2)、高温煤气冷却器(3)、除尘设备(4)、低温煤气冷却器(5)和脱硫设备(6)依次串联而成；超临界CO2底循环系统，由第一透平(7)、换热器(9)、第一冷却器(10)、第一压缩机(8)组成；空分系统，由空气分离器(11)、第一氧气压缩机(12)、第二氧气压缩机(13)组成；完全碳捕集系统，由燃烧室(14)、第二透平(15)、发电机(16)、回热器(17)、第二冷却器(18)、水分离器(19)、第二压缩机(20)、第三冷却器(21)、CO2泵(22)、CO2储存器(23)组成。
2.如权利要求1所述的基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，其特征在于，原煤经煤粉设备(1)干燥后进入所述气化炉(2)，经气化后产生高温高压粗合成气，粗合成气经高温煤气冷却器(3)、除尘设备(4)、低温煤气冷却器(5)和脱硫设备(6)进行煤气清洁和换热降温过程，最终在所述超临界CO2底循环系统的换热器(9)中进行换热升温后通入所述完全碳捕集系统的燃烧室(14)中；所述超临界CO2底循环系统中，经第一压缩机(8)加压后的CO2循环流与气化炉(2)出口的粗合成气在低温煤气冷却器(5)、高温煤气冷却器(3)和气化炉(2)中进行一系列的换热升温后进入第一透平(7)做功，乏气随后与来自脱硫设备(6)的低温清洁煤气在换热器(9)继续换热，经第一冷却器(10)冷却后通入第一压缩机(8)形成闭合循环；所述空分系统中，所述的空气分离器(11)从空气中分离出高纯度氧气，氧气一部分经第一氧气压缩机(12)加压后通入气化炉(2)参与气化反应，剩余氧气继续通入第二氧气压缩机(13)继续加压后通入回热器(17)换热升温后，通入所述完全碳捕集系统的燃烧室(14)参与燃烧反应；所述完全碳捕集系统中，所述燃烧室(14)出口的高温高压燃气通过第二透平(15)进行膨胀做功，并通过连接的发电机(16)进行发电，第二透平(15)出口的乏气随后通入回热器(17)，与来自第二氧气压缩机(13)的高纯度高压氧气和来自CO2泵(22)的高压CO2循环流进行换热，换热后的低温乏气通入第二冷却器(18)，并随后在水分离器(19)分离出高纯度CO2，在经第二压缩机(20)压缩和第三冷却器(21)冷却后、经CO2泵(22)压缩后形成低温高压高纯度CO2流，95%以上的CO2流经过回热器(17)换热后，通入燃烧室(14)，用于调节燃烧室温度。
3.如权利要求1所述的基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，其特征在于，所述煤气化系统中的气化炉(2)运行温度超过1400℃，运行压力超过3MPa，其冷煤气效率超过80%。
4.如权利要求1所述的基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，其特征在于，所述完全碳捕集系统最高循环温度超过1200℃，最高循环压力超过30MPa，其循环效率超过50%。
5.如权利要求1所述的基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，其特征在于，所述超临界CO2底循环系统中，第一透平(7)和第一压缩机(8)采用同轴布置，透平输出功用来驱动压缩机。
6.如权利要求1所述的基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，其特征在于，所述气化炉(2)所需气化剂来源为空分系统产生的高纯度氮气或完全碳捕集系统中捕获的高纯度二氧化碳。
7.如权利要求1所述的基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，其特征在于，所述回热器(17)采用多通道式热交换器。
8.如权利要求1所述的基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，其特征在于，所述第二氧气压缩机(13)、第二压缩机(20)采用绝热压缩或多级中间冷却压缩。
9.如权利要求1所述的基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的系统，其特征在于，经所述CO2泵(22)加压的低温高压高纯度CO2流，5%被捕集并储存至所述CO2储存器(23)中，不再需要其他碳捕集装置。
10.一种基于整体煤气化和完全碳捕集循环发电的方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的系统实现循环发电。
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