CN115143437A - 一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，固体燃料首先在固体燃料气化工艺中气化成CO和H2的合成气，利用蒸汽发电系统的给水回收合成气与灰渣的热量，实现其显热的高效利用；合成气与载氧体在燃料反应器内的反应为放热反应，燃料反应器可实现自热运行，运行温度不再依赖于空气反应器；合成气与载氧体反应速率远快于煤焦气化反应速率，大幅提高了化学链燃烧系统的稳定性。与现有技术相比，本发明不存在固体燃料直接化学链燃烧碳转化率低，煤焦与载氧体分离困难以及可燃气难以燃尽等难题，实现固体燃料低碳高效发电。
Description
技术领域
本发明属于固体燃料低碳高效发电技术领域，具体涉及一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统。
背景技术
煤炭高效清洁低碳利用对于实现燃煤电站碳减排具有重要意义。常规的燃煤电站碳捕集技术主要有三种：燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集。但常规碳捕集技术的实施会使电站效率降低8～12个百分点，严重影响电站效益。化学链燃烧作为一种新型的燃烧技术，由燃料反应器和空气反应器组成，载氧体在两个反应器之间交替循环。这种方式下，相比于传统的燃料与空气直接接触的一步燃烧反应被分为两步化学反应：其一、在空气反应器中，来自燃料反应器的低价态载氧体与空气中的氧气发生氧化反应生成高价态的载氧体，反应为放热反应，放出热量用于将空气加热至高温状态。其二、在燃料反应器中，来自空气反应器的高价态载氧体与燃料反应。由于燃料与空气没有直接接触，燃料反应器内烟气产物中主要成分为CO2和H2O，通过简单冷凝即可实现CO2的分离，因而，相较于常规的碳捕集技术，化学链燃烧技术捕集CO2能耗很低，是最有前景的碳捕集技术之一。
固体化学链燃烧技术存在几个关键难题：
1)常规固体燃料化学链燃烧技术中，燃料反应器本身无法实现自热运行，需要依靠载氧体载热以维持燃料反应器在一个合适温度，但燃料反应器运行温度受空气反应器温度限制难以进一步提高，限制了燃料反应器内的反应速率；
2)固体燃料反应初期，燃料与载氧体之间的反应为固-固反应，反应速率低。此外，煤焦气化反应速率较慢导致碳转化率低，煤焦与载氧体颗粒分离较为困难，煤焦随载氧体进入空气反应器燃烧使得碳捕集效率降低；
3)燃料反应器内气体转化率较低，出口烟气中常含有未燃尽的CO和H2等，导致能量转化效率降低。上述难题的解决对于化学链燃烧技术的大规模工业化应用具有重要意义。
现有一种适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置，由于增加了载氧体与可燃性气体的接触率，可提高气体转化率。还有一种基于塔式鼓泡流化床燃料反应器的化学链燃烧装置及其方法，通过对燃料反应器设计有效改善了其内部气固流动状态，增加了气固接触时间和燃料在燃料反应器内的停留时间，提高了燃料的转化率。还有一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法，通入少量纯氧作为气化剂，以提高燃料反应器内煤焦的气化反应速率，并依靠氧气与煤焦反应放热实现燃料反应器自热运行，但是燃料反应器内碳转化率问题仍没有得到有效解决，且可燃气体转化率低的问题依然存在。为解决可燃气体转化率低的问题，需要在燃料反应器出口布置燃尽室，通入纯氧将烟气中残存的可燃气体燃尽，增加了系统的复杂性。从上述描述可以看出，目前所提出的方案主要从反应器设计入手，通过通入少量纯氧提高碳转化率以及增加燃料和可燃气与载氧体的接触时间提高燃料和可燃气的转化率，但都并未从根本上解决这些难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，不存在焦炭与载氧体分离困难以及可燃气难以燃尽的难题，大幅提高了化学链燃烧系统的稳定性。
本发明采用以下技术方案：
一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，包括气化炉，气化炉的燃料入口分别连接干燥处理的燃料和预热处理的空气，气化炉的出口依次经辐射废锅、燃料反应器、空气反应器和空气轮机与发电机连接；空气轮机经空压机与空气反应器连接，燃料反应器的烟气经锅炉和第一蒸汽发电系统与发电机连接；锅炉的出口经烟气分流器和再循环风机与燃料反应器连接。
具体的，空气反应器的出口经第二级旋风分离器与空气轮机的进气口连通，第二级旋风分离器的载氧体出口与燃料反应器的载氧体入口连通。
进一步的，第一级旋风分离器设置在燃料反应器和锅炉之间，用于分离低价态载氧体和烟气，第一级旋风分离器的载氧体出口与空气反应器的载氧体入口连通，载氧体为Fe2O3、Fe2O3/CaSO4复合载氧体。
具体的，燃料反应器和空气反应器的运行压力为5～15bar，运行温度大于等于1000℃。
具体的，空气轮机的排气口与余热锅炉的欠氧空气进口连通，余热锅炉经第二蒸汽发电系统与发电机连接。
进一步的，第二蒸汽发电系统的蒸汽出口与气化炉的燃料入口连接。
进一步的，余热锅炉的排气口与排气分流器的入口连通，排气分流器的出口分两股，一股与空压机连通，另一股排空。
具体的，烟气分流器依次经氧气预热器、烟气冷却器和气水分离器与CO2多级压缩装置连接。
具体的，燃料经干燥机与气化炉的燃料入口连接，空气依次经空气压缩机、空分单元和氧气预热器与气化炉的燃料入口连接。
具体的，第一蒸汽发电系统的给水通过管道经辐射废锅转换为过热蒸汽后返回至第一蒸汽发电系统。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，将固体燃料气化工艺、化学链燃烧工艺和联合循环发电系统高度集成，一方面采用气流床气化技术，气化反应速率快且固体燃料碳转化率高；另一方面，合成气进入燃料反应器与载氧体反应为气固反应，反应速率远远大于常规燃料反应器内的固-固反应，且燃料反应器内仅仅发生CO和H2的氧化反应，反应速率远快于煤焦的气化反应速率，不存在焦炭与载氧体分离困难以及可燃气难以燃尽的难题，大幅提高了化学链燃烧系统的稳定性。
进一步的，由于CO和H2与载氧体的反应为放热反应，燃料反应器可实现自热运行，无需依赖载氧体载热，燃料反应器运行温度无须受空气反应器温度限制，因而燃料反应器运行温度更高，进而可以提高联合循环发电系统效率。
进一步的，第一级旋风分离器布置在燃料反应器和锅炉之间，用于实现载氧体与烟气的分离；第二级旋风分离器布置在空气反应器和空气轮机之间，用于实现载氧体与欠氧空气的分离；载氧体优选为廉价易得的铁基载氧体Fe2O3和具有高反应活性的Fe2O3/CaSO4复合载氧体。
进一步的，燃料反应器和空气反应器运行压力为5～15bar，可利用高效的联合循环实现欠氧空气热量的利用；提高运行反应器温度可提高发电系统效率，本专利可实现燃料反应器自热运行，运行温度不再依赖于空气反应器，因此，考虑到载氧体团聚和失活的风险，燃料反应器和空气反应器运行温度可同时达到1000℃，系统效率得以大幅提高。
进一步的，空气轮机的排气口与余热锅炉连接，在余热锅炉中利用空气轮机排气余热产生过热蒸汽，蒸汽送往第二蒸汽发电系统实现热功转换；第二蒸汽发电系统与发电机相连用于将机械能转化为电能。
进一步的，第二蒸汽发电系统提供气化炉气化所需蒸汽，以增加煤气中H2的含量，降低氧耗的同时控制气化炉炉温。
进一步的，余热锅炉经排气分流器分为两股，一股与空压机连通的目的在于回收排气余热，减少排烟热损失。为使空气反应器内载氧体充分氧化，需要额外补充氧含量较高的空气，因此需要部分排空。
进一步的，氧气预热器布置在烟气分流器的烟气侧下游，用于回收烟气余热，提高进入气化炉的氧气温度，维持气化炉温度不变时可增加可燃组分浓度，进而提高冷煤气效率；布置烟气冷却器和气水分离器的目的在于脱除烟气中水分，提高CO2浓度；脱除水分的烟气送入CO2多级压缩装置，实现CO2捕集。
进一步的，燃料进入气化炉需在干燥机内进行干燥，以防止粉煤输送过程出现相互粘连，影响气化炉正常运行。空气经由空气压缩机和空分单元实现纯氧的制取。
进一步的，采用第一蒸汽发电系统的给水回收辐射废锅放出的热量，给水加热至过热蒸汽状态后送入发电系统膨胀做功，从而实现合成气与灰渣热量的高效利用。
综上所述，本发明不存在固体燃料直接化学链燃烧碳转化率低，煤焦与载氧体分离困难以及可燃气难以燃尽等难题，实现固体燃料低碳高效发电。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
其中：1.空气压缩机；2.空分单元；3.干燥机；4.气化炉；5.辐射废锅；6.燃料反应器；7.第一级旋风分离器；8.锅炉；9.第一蒸汽发电系统；10.烟气分流器；11.烟气再循环风机；12.氧气预热器；13.烟气冷却器；14.气水分离器；15.CO2多级压缩装置；16.空压机；17.空气反应器；18.第二级旋风分离器；19.空气轮机；20.余热锅炉；21.第二蒸汽发电系统；22.发电机；23.排气分流器。
具体实施方式
下面将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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，采用固体燃料气化工艺、化学链燃烧工艺和联合循环发电系统，固体燃料首先在固体燃料气化工艺中气化成CO和H2的合成气，利用蒸汽发电系统的给水回收合成气与灰渣的热量，实现其显热的高效利用；合成气与载氧体在燃料反应器内的反应为放热反应，燃料反应器可实现自热运行，运行温度不在依赖于空气反应器；合成气与载氧体反应速率远快于煤焦气化反应速率，大幅提高了化学链燃烧系统的稳定性。与现有技术相比，本发明不存在固体燃料直接化学链燃烧碳转化率低，煤焦与载氧体分离困难以及可燃气难以燃尽等难题，实现固体燃料低碳高效发电。
请参阅图1，本发明一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，包括：
空气压缩机1、空分单元2、干燥机3、气化炉4、辐射废锅5、燃料反应器6、第一级旋风分离器7、锅炉8、第一蒸汽发电系统9、烟气分流器10、烟气再循环风机11、氧气预热器12、烟气冷却器13、气水分离器14、CO2多级压缩装置15、空压机16、空气反应器17、第二级旋风分离器18、空气轮机19、余热锅炉20、第二蒸汽发电系统21、发电机22和排气分流器23。
空气压缩机1的进口与大气连通，空气压缩机1的出口通过管道与空分单元2的入口连通；空分单元2的氧气出口通过管道经氧气预热器12与气化炉4的燃料入口连通，气化炉4的燃料入口通过管道与干燥机3的燃料出口连通，气化炉4的出口与辐射废锅5的入口连通。
辐射废锅5的合成气出口通过管道与燃料反应器6的合成气入口连通，燃料反应器6的出口与第一级旋风分离器7的入口连接，第一级旋风分离器7的载氧体出口通过管道与空气反应器17的载氧体入口连通，第一级旋风分离器7的烟气出口通过管道与锅炉8连通，锅炉8产生的蒸汽送入第一蒸汽发电系统9，第一蒸汽发电系统9与发电机22连通，第一蒸汽发电系统9的给水出口与辐射废锅5的冷却水入口连接。
锅炉8出口的烟气经烟气分流器10分为两股，一股经再循环风机11送入燃料反应器6，另一股经氧气预热器12、烟气冷却器13和气水分离器14实现烟气余热的利用和水份的脱除，气水分离器14的烟气出口与CO2多级压缩装置15连通，利用烟气分流器10调节送入燃料反应器6的再循环烟气流量，用于载氧体流化以及将燃料反应器运行温度维持在1000℃及以上。
空气经空压机16的排气口与空气反应器17的空气入口连通，空气反应器17的出口与第二级旋风分离器18的入口连通，第二级旋风分离器18的载氧体出口与燃料反应器6的载氧体入口连通，第二级旋风分离器18的欠氧空气出口与空气轮机19的入口连通，通过空压机16调节送入空气反应器17的空气流量，用于将空气反应器运行温度维持在1000℃及以上。
载氧体为抗高温烧结性能好且具有高反应活性的氧化物如Fe2O3、Fe2O3/CaSO4复合载氧体。
空气轮机19的入口与空气经空压机16的排气口连通；空气轮机19与发电机22同轴相连；空气轮机19的排气口与余热锅炉20的欠氧空气入口连通，余热锅炉20产生的蒸汽送入第二蒸汽发电系统21，通过第二蒸汽发电系统21与发电机22连通，第二蒸汽发电系统21的中压蒸汽出口与气化炉4的蒸汽入口连接。
余热锅炉20的排气口与排气分流器23的入口连通，排气分流器23的出口分两股，一股与空压机16连通，另一股排空。
本发明一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统的工作过程如下：
空气经空气压缩机1和空分单元2实现氧气的分离，分离出的氧气经氧气预热器12预热到327℃；燃料经干燥机3干燥后水分降至10％以下，然后与预热后氧气和来自第二蒸汽发电系统21的蒸汽C一同送入气化炉4，燃料气化后的合成气(主要有CO和H2)和灰渣送入辐射废锅5并冷却至900～1000℃，冷却介质采用第一蒸汽发电系统9的给水D，给水加热至过热蒸汽E后再送回第一蒸汽发电系统9，合成气和灰渣在辐射废锅5内实现分离，分离出的合成气送入燃料反应器6；
合成气与燃料反应器6内的高价态载氧体发生还原反应生成低价态载氧体以及CO2和H2O，燃料反应器6出口的烟气成分为CO2和H2O，烟气与载氧体在第一级旋风分离器7内实现分离，分离出的低价态载氧体送入空气反应器17，第一级旋风分离器7出口的烟气送入锅炉8中回收烟气显热，锅炉8配套有第一蒸汽发电系统9，产生的高温高压蒸汽用于发电。
锅炉8的出口烟气分为两股，一股经烟气再循环风机11送入燃料反应器6用于载氧体流化和维持燃料反应器6温度；另一股流经氧气预热器12将氧气预热至327℃，燃料反应器6和空气反应器11的运行压力为5～15bar；氧气预热器12出口的烟气经烟气冷却器13降温后送入气水分离器14实现CO2与水的分离，分离出的高纯度CO2经CO2多级压缩装置15加压至8MPa后储存。
低价态载氧体进入空气反应器17与来自空压机16出口高压混合气中的氧气发生氧化反应，生成高价态的载氧体。反应放出的热量用于加热欠氧空气，通过调节进入空压气16的空气流量将空气反应器17的运行温度控制在1000℃，以防止载氧体团聚失活。
高温的欠氧空气携带载氧体在第二级旋风分离器18实现欠氧空气与载氧体的分离，分离出的载氧体送入燃料反应器6与合成气中的CO和H2反应，欠氧空气送入空气轮机19膨胀做功，进而带动发电机22发电。
空气轮机19出口的欠氧空气送入余热锅炉20，用于将来自第二蒸汽发电系统21的给水加热到过热蒸汽状态，后送入第二蒸汽发电系统21膨胀做功，进而带动发电机22发电；余热锅炉20的排气经排气分流器23分为两股，一股与空气混合后送入压气机16，另一股排空。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更清晰地说明本实施例，以一台1000MW电厂为例说明本发明的优势。模拟数据表明，常规1000MW电厂发电效率为45.3％，本发明提出的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统的发电效率可达45.0％，发电效率损失仅为0.3个百分点，显著小于常规碳捕集技术。
综上所述，本发明一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，固体燃料首先在固体燃料气化工艺中气化成CO和H2的合成气，利用蒸汽发电系统的给水回收合成气与灰渣的热量，实现其显热的高效利用；合成气与载氧体在燃料反应器内的反应为放热反应，燃料反应器可实现自热运行，运行温度不再依赖于空气反应器；合成气与载氧体反应速率远快于煤焦气化反应速率，大幅提高了化学链燃烧系统的稳定性；发明了集成气化系统、化学链燃烧系统、先进联合循环发电系统为一体的低碳高效发电系统，发电效率仅损失0.3个百分点，显著小于常规碳捕集技术。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，包括气化炉(4)，气化炉(4)的燃料入口分别连接干燥处理的燃料和预热处理的空气，气化炉(4)的出口依次经辐射废锅(5)、燃料反应器(6)、空气反应器(17)和空气轮机(19)与发电机(22)连接；空气轮机(19)经空压机(16)与空气反应器(17)连接，燃料反应器(6)的烟气经锅炉(8)和第一蒸汽发电系统(9)与发电机(22)连接；锅炉(8)的出口经烟气分流器(10)和再循环风机(11)与燃料反应器(6)连接。
2.根据权利要求1所述的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，空气反应器(17)的出口经第二级旋风分离器(18)与空气轮机(19)的进气口连通，第二级旋风分离器(18)的载氧体出口与燃料反应器(6)的载氧体入口连通。
3.根据权利要求2所述的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，第一级旋风分离器(7)设置在燃料反应器(6)和锅炉(8)之间，用于分离低价态载氧体和烟气，第一级旋风分离器(7)的载氧体出口与空气反应器(17)的载氧体入口连通，载氧体为Fe2O3、Fe2O3/CaSO4复合载氧体。
4.根据权利要求1所述的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，燃料反应器(6)和空气反应器(11)的运行压力为5～15bar，运行温度大于等于1000℃。
5.根据权利要求1所述的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，空气轮机(19)的排气口与余热锅炉(20)的欠氧空气进口连通，余热锅炉(20)经第二蒸汽发电系统(21)与发电机(22)连接。
6.根据权利要求5所述的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，第二蒸汽发电系统(21)的蒸汽出口与气化炉(4)的燃料入口连接。
7.根据权利要求5所述的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，余热锅炉(20)的排气口与排气分流器(23)的入口连通，排气分流器(23)的出口分两股，一股与空压机(16)连通，另一股排空。
8.根据权利要求1所述的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，烟气分流器(10)依次经氧气预热器(12)、烟气冷却器(13)和气水分离器(14)与CO2多级压缩装置(15)连接。
9.根据权利要求1所述的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，燃料经干燥机(3)与气化炉(4)的燃料入口连接，空气依次经空气压缩机(1)、空分单元(2)和氧气预热器(12)与气化炉(4)的燃料入口连接。
10.根据权利要求1所述的固体燃料整体气化化学链燃烧联合循环发电系统，其特征在于，第一蒸汽发电系统(9)的给水通过管道经辐射废锅(5)转换为过热蒸汽后返回至第一蒸汽发电系统(9)。
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