CN115387876A - 一种煤炭超临界水气化复叠循环发电系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤炭超临界水气化复叠循环发电系统及运行方法，该系统包括超临界水气化氧化单元、混合工质循环单元、蒸汽循环单元、冷却碳捕集单元和气化给水预热单元。本发明采用混合工质布雷顿循环和蒸汽朗肯循环的复叠型热力系统，将煤炭化学能高效清洁低碳的转化为用户所需电能，可实现水的循环利用和二氧化碳的完全捕集；气化核心过程采用部分氧化自热式供热方式，避免外加热源和额外污染的产生；基于能量品位梯级利用原理，透平排汽余热根据换热温差分别驱动蒸汽轮机发电和预热气化给水，有效降低传热不可逆损失，提高系统发电效率。

Description

一种煤炭超临界水气化复叠循环发电系统及运行方法
技术领域
本发明涉及煤炭高效清洁低碳转化利用技术领域，具体涉及一种煤炭超临界水气化复叠循环发电系统及运行方法。
背景技术
煤炭作为一种性价比高、储量丰富的化石燃料，在我国一次能源供应中依然占有相当大的比重。然而传统煤炭利用方式将煤炭高品质的化学能转化为热能，造成较大的能质损失、环境污染，并且是碳排放的主要来源。因此，为了实现煤炭高效清洁低碳利用，构建新型低碳能源转化系统对我国能源结构转型具有重大意义。
煤炭超临界水气化作为一种新型煤炭清洁高效转化利用技术，将煤炭的化学能在超临界水氛围中转化为以氢气和二氧化碳为主的高热值合成气，氮、硫等元素则转化为无机盐随排渣离开气化反应器，不产生大气污染，易于进行二氧化碳的分离捕集，具有制氢产率高、过程清洁、煤种适应性强等优势。
煤炭超临界水气化系统构型可分为氧化利用型与分离利用型，基于合成气氧化利用型可构建新型发电系统。目前基于煤炭超临界水气化技术的热力发电系统能效差异较大；在系统构建中未考虑水和二氧化碳混合工质回热、超高温透平等技术难题；部分研究采用外加燃煤、燃气锅炉或高品质电加热等方式，造成了额外的环境污染，系统的能势匹配程度不佳。因此，为避免以上问题，需要设计一套新型超临界水气化发电系统，以充分实现煤炭的高效清洁低碳发电。
发明内容
为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煤炭超临界水气化复叠循环发电系统及运行方法，所述系统采用混合工质布雷顿循环和蒸汽朗肯循环的复叠型热力系统，将煤炭化学能高效清洁低碳的转化为用户所需电能，可实现水的循环利用和二氧化碳的完全捕集；气化核心过程采用部分氧化自热式供热方式，避免外加热源和额外污染的产生；基于能量品位梯级利用原理，透平排汽余热根据换热温差分别驱动蒸汽轮机发电和预热气化给水，有效降低传热不可逆损失，提高系统发电效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，包括超临界水气化氧化单元、混合工质循环单元、蒸汽循环单元、冷却碳捕集单元和气化给水预热单元；
所述超临界水气化氧化单元包括超临界水气化反应器11和氧化反应器12；煤炭经过管道连接至超临界水气化反应器11入口；预热后的气化给水从给水预热器52冷侧出口连接至超临界水气化反应器11入口；氧气经过管道分别连接至超临界水气化反应器11入口和氧化反应器12入口；灰分从超临界水气化反应器11灰分出口出来通过排灰管道与外界环境相连；超临界水气化反应器11出口连接至氧化反应器12入口；
所述混合工质循环单元包括混合工质透平21；氧化反应器12出口连接至混合工质透平21入口；
所述蒸汽循环单元包括余热锅炉31、蒸汽透平32、冷凝器33、循环水泵34和低温换热器35；混合工质透平21出口连接至余热锅炉31热侧入口，余热锅炉31热侧出口连接至给水预热器52热侧入口；给水预热器52热侧出口连接至低温换热器35热侧入口；余热锅炉31冷侧出口连接至蒸汽透平32高压缸入口；蒸汽透平32低压缸出口连接至冷凝器33入口；冷凝器33出口连接至循环水泵34入口；循环水泵34出口连接至低温换热器35冷侧入口；低温换热器35冷侧出口连接至余热锅炉31冷侧入口；
所述冷却碳捕集单元包括排汽冷却器41和气液分离器42；低温换热器35热侧出口连接至排汽冷却器41入口；排汽冷却器41出口连接至气液分离器42入口；气液分离器42液相出口连接至给水泵51入口；气液分离器42液相出口多余水量经过疏水管道输出系统；气液分离器42气相出口进行二氧化碳完全捕集；
所述气化给水预热单元包括给水泵51和给水预热器52；给水泵51出口连接至给水预热器52冷侧入口；给水预热器52冷侧出口连接至超临界水气化反应器11入口。
所述超临界水气化反应器11的运行温度为500–800℃，运行压力为23–30MPa。
通过改变进入超临界水气化反应器11和氧化反应器12的氧气量，使得进入超临界水气化反应器11的氧气与煤炭发生部分氧化反应，释放热量恰好提供气化给水加热至超临界状态和气化反应所需热量，整个气化过程达到自热平衡，避免外加热源和额外污染的产生。
所述氧化反应器12出口为超临界水和超临界二氧化碳的混合工质。
所述混合工质透平21的进气温度为1100–1700℃，排汽压力为0.1MPa。
所述混合工质透平21出口排汽具有较高温度，根据换热温差分别驱动蒸汽朗肯循环发电和预热气化给水，进行排汽余热回收，可有效降低传热不可逆性，提高系统发电效率。
所述蒸汽循环单元可采用双压再热式蒸汽循环，回收混合工质较高温度的排汽余热，降低蒸汽排汽湿度。
所述混合工质透平21出口排汽依次经过余热锅炉31、给水预热器52、低温换热器35进行排汽余热回收，低温换热器35热侧出口温度为85–100℃，排汽冷却器41出口温度为25–35℃，排汽冷却器41释放的大量低温潜热可以用来供热，进一步回收利用混合工质排汽余热。
通过调整排汽余热分配到蒸汽循环和预热气化给水的比例，可改变给水预热器52冷侧出口气化给水温度，从而调整进入混合工质透平21的混合工质温度，以满足不同透平入口温度限制，提高机组运行灵活性。
所述的一种煤炭超临界水气化复叠循环发电系统的运行方法为：气化给水经过给水预热器52预热到一定温度后进入超临界水气化反应器11，在超临界水气化反应器11中加热至超临界状态并与煤炭发生气化反应，生成高热值气化合成气；氧气经过管道连接至超临界水气化反应器11入口，与煤炭发生部分氧化反应，提供气化给水加热至超临界状态和气化反应所需热量，实现燃料部分氧化自热式供热方式；气化合成气进入氧化反应器12与纯氧发生氧化反应，得到超临界水和超临界二氧化碳的混合工质；混合工质进入混合工质透平21膨胀做功；混合工质透平21排汽进入余热锅炉31加热蒸汽循环水至高温高压蒸汽；余热锅炉31冷侧出口蒸汽进入蒸汽透平32膨胀做功；蒸汽透平32排汽经过冷凝器33和循环水泵34后进入低温换热器35，用于进一步回收混合工质低温排汽余热；低温换热器35冷侧出口进入余热锅炉31冷侧入口，用于回收混合工质高温排汽余热，完成闭合蒸汽朗肯循环；混合工质透平21排汽经过余热锅炉31、给水预热器52和低温换热器35降低到一定温度，通过排汽冷却器41进一步冷却后再进入气液分离器42；气液分离器42达到相平衡，二氧化碳存在于气相，水凝结存在于液相，凝结水进入给水泵51提供气化所需给水量，剩余水输出系统进行回收，可实现二氧化碳的完全捕集和水的循环利用。
本发明具有以下有益效果：
1)系统采用超临界水气化技术，将煤炭化学能高效清洁低碳的转化为用户所需电能，避免产生氮、硫污染物，可实现水的循环利用和二氧化碳的完全捕集；
2)基于能量品位梯级利用原理，混合工质透平排汽余热根据换热温差分别驱动蒸汽轮机发电和预热气化给水，排汽冷却器释放的低温潜热可继续向外供热，充分利用混合工质排汽余热，有效降低传热不可逆损失，提高系统发电效率；
3)气化核心过程采用燃料部分氧化自热式供热方式，释放热量恰好提供气化给水加热至超临界状态和气化反应所需热量，避免外加热源和额外污染的产生；
4)通过调整排汽余热分配到蒸汽循环和预热气化给水的比例，可改变给水预热温度，进而调整混合工质透平进口温度，以满足不同透平技术入口温度限制，提高机组运行灵活性。
附图说明
图1为本发明煤炭超临界水气化复叠循环发电系统示意图。
图2为系统效率随水煤浆浓度变化曲线图。
图1中：11为超临界水气化反应器，12为氧化反应器，21为混合工质透平，31为余热锅炉，32为蒸汽透平，33为冷凝器，34为循环水泵，35为低温换热器，41为排汽冷却器，42为气液分离器，51为给水泵，52为给水预热器。
图2中：保持煤质和煤量一致，当控制混合工质透平进气温度为1500℃时，反映系统净发电效率和
Figure BDA0003823634000000061
效率随水煤浆浓度的变化。
具体实施方式
下面结合附图和表格对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本发明所述的一种煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，包括超临界水气化氧化单元、混合工质循环单元、蒸汽循环单元、冷却碳捕集单元和气化给水预热单元；
所述超临界水气化氧化单元包括超临界水气化反应器11和氧化反应器12；煤炭经过管道连接至超临界水气化反应器11入口；预热后的气化给水从给水预热器52冷侧出口连接至超临界水气化反应器11入口；氧气经过管道分别连接至超临界水气化反应器11入口和氧化反应器12入口；灰分从超临界水气化反应器11灰分出口出来通过排灰管道与外界环境相连；超临界水气化反应器11出口连接至氧化反应器12入口；
所述混合工质循环单元包括混合工质透平21；氧化反应器12出口连接至混合工质透平21入口；
所述蒸汽循环单元包括余热锅炉31、蒸汽透平32、冷凝器33、循环水泵34和低温换热器35；混合工质透平21出口连接至余热锅炉31热侧入口，余热锅炉31热侧出口连接至给水预热器52热侧入口；给水预热器52热侧出口连接至低温换热器35热侧入口；余热锅炉31冷侧出口连接至蒸汽透平32高压缸入口；蒸汽透平32低压缸出口连接至冷凝器33入口；冷凝器33出口连接至循环水泵34入口；循环水泵34出口连接至低温换热器35冷侧入口；低温换热器35冷侧出口连接至余热锅炉31冷侧入口；
所述冷却碳捕集单元包括排汽冷却器41和气液分离器42；低温换热器35热侧出口连接至排汽冷却器41入口；排汽冷却器41出口连接至气液分离器42入口；气液分离器42液相出口连接至给水泵51入口；气液分离器42液相出口多余水量经过疏水管道输出系统；气液分离器42气相出口进行二氧化碳完全捕集；
所述气化给水预热单元包括给水泵51和给水预热器52；给水泵51出口连接至给水预热器52冷侧入口；给水预热器52冷侧出口连接至超临界水气化反应器11入口。
作为本发明的优选实施方式，所述超临界水气化反应器11的运行温度为500–800℃，运行压力为23–30MPa，保证气化反应条件处于水的温度压力临界点之上，充分发挥超临界水气化的优势。
作为本发明的优选实施方式，通过改变进入超临界水气化反应器11和氧化反应器12的氧气量，使得进入超临界水气化反应器11的氧气与煤炭发生部分氧化反应，释放热量恰好提供气化给水加热至超临界状态和气化反应所需热量，整个气化过程达到自热平衡，避免外加热源和额外污染的产生。
作为本发明的优选实施方式，所述氧化反应器12出口为超临界水和超临界二氧化碳的混合工质。
作为本发明的优选实施方式，所述混合工质透平21的进气温度为1100–1700℃，排汽压力为0.1MPa，在满足现有透平技术入口温度限制的基础上，提高混合工质透平的进气温度，增加混合工质发电量，且排汽后续可直接进行碳捕集，不再需要增压等额外功耗。
作为本发明的优选实施方式，所述混合工质透平21出口排汽具有较高温度，根据换热温差分别驱动蒸汽朗肯循环发电和预热气化给水，进行排汽余热回收，基于能量品位梯级利用原理，可有效降低传热不可逆损失，提高系统发电效率。
作为本发明的优选实施方式，所述蒸汽循环单元可采用双压再热式蒸汽循环，回收混合工质较高温度的排汽余热，提高余热锅炉冷热测的能势匹配，增加蒸汽透平发电量，降低蒸汽排汽湿度。
作为本发明的优选实施方式，所述混合工质透平21出口排汽依次经过余热锅炉31、给水预热器52、低温换热器35进行排汽余热回收，低温换热器35热侧出口温度为85–100℃，排汽冷却器41出口温度为25–35℃，有利于提高二氧化碳的捕集纯度，排汽冷却器41释放的大量低温潜热可继续向外供热，进一步回收混合工质排汽余热。
作为本发明的优选实施方式，通过调整混合工质排汽余热分配到蒸汽循环和预热气化给水的比例，可改变给水预热器52冷侧出口温度，进而调整混合工质透平21进气温度，以满足不同透平技术入口温度限制，提高机组运行灵活性。
如图1所示，本发明所述的一种煤炭超临界水气化复叠循环发电系统的运行方法为：气化给水经过给水预热器52预热到一定温度后进入超临界水气化反应器11，在超临界水气化反应器11中加热至超临界状态并与煤炭发生气化反应，生成高热值气化合成气；氧气经过管道连接至超临界水气化反应器11入口，与煤炭发生部分氧化反应，提供气化给水加热至超临界状态和气化反应所需热量，实现燃料部分氧化自热式供热方式；气化合成气进入氧化反应器12与纯氧发生氧化反应，得到超临界水和超临界二氧化碳的混合工质；混合工质进入混合工质透平21膨胀做功；混合工质透平21排汽进入余热锅炉31加热蒸汽循环水至高温高压蒸汽；余热锅炉31冷侧出口蒸汽进入蒸汽透平32膨胀做功；蒸汽透平32排汽经过冷凝器33和循环水泵34后进入低温换热器35，用于进一步回收混合工质低温排汽余热；低温换热器35冷侧出口进入余热锅炉31冷侧入口，用于回收混合工质高温排汽余热，完成闭合蒸汽朗肯循环；混合工质透平21排汽经过余热锅炉31、给水预热器52和低温换热器35降低到一定温度，通过排汽冷却器41进一步冷却后再进入气液分离器42；气液分离器42达到相平衡，二氧化碳存在于气相，水凝结存在于液相，凝结水进入给水泵51提供气化所需给水量，剩余水输出系统进行回收，可实现二氧化碳的完全捕集和水的循环利用。
如表1所示，当保持煤质和煤量一致，控制混合工质透平21的进气温度为1500℃时，展示了不同水煤浆浓度下该系统的主要物流及项目参数大小。通过改变气化给水流量，水煤浆浓度的变化范围为19％-22％，不同水煤浆浓度对气化合成气各组分的流量有所影响。由于控制混合工质透平21的进气温度，即氧化反应器12的出口温度为1500℃，不同水煤浆浓度对应的气化给水预热温度有所不同，超临界水气化反应器11和氧化反应器12所需的耗氧量也随之不同。水煤浆浓度的改变会影响混合工质流量和蒸汽循环流量，进而改变混合工质透平发电量和蒸汽透平发电量，最终影响该系统的净发电量和效率大小。
表1
Figure BDA0003823634000000101
如图2所示，当水煤浆浓度由22％降低至19％时，该系统的净发电效率由49.8％提升至52.0％，
Figure BDA0003823634000000102
效率由48.5％提升至50.7％，使系统效率提升2.2个百分点。

Claims (10)

1.一种煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，其特征在于：所述系统包括超临界水气化氧化单元、混合工质循环单元、蒸汽循环单元、冷却碳捕集单元和气化给水预热单元；
所述超临界水气化氧化单元包括超临界水气化反应器(11)和氧化反应器(12)；煤炭经过管道连接至超临界水气化反应器(11)入口；预热后的气化给水从给水预热器(52)冷侧出口连接至超临界水气化反应器(11)入口；氧气经过管道分别连接至超临界水气化反应器(11)入口和氧化反应器(12)入口；灰分从超临界水气化反应器(11)灰分出口出来通过排灰管道与外界环境相连；超临界水气化反应器(11)出口连接至氧化反应器(12)入口；
所述混合工质循环单元包括混合工质透平(21)；氧化反应器(12)出口连接至混合工质透平(21)入口；
所述蒸汽循环单元包括余热锅炉(31)、蒸汽透平(32)、冷凝器(33)、循环水泵(34)和低温换热器(35)；混合工质透平(21)出口连接至余热锅炉(31)热侧入口，余热锅炉(31)热侧出口连接至给水预热器(52)热侧入口；给水预热器(52)热侧出口连接至低温换热器(35)热侧入口；余热锅炉(31)冷侧出口连接至蒸汽透平(32)高压缸入口；蒸汽透平(32)低压缸出口连接至冷凝器(33)入口；冷凝器(33)出口连接至循环水泵(34)入口；循环水泵(34)出口连接至低温换热器(35)冷侧入口；低温换热器(35)冷侧出口连接至余热锅炉(31)冷侧入口；
所述冷却碳捕集单元包括排汽冷却器(41)和气液分离器(42)；低温换热器(35)热侧出口连接至排汽冷却器(41)入口；排汽冷却器(41)出口连接至气液分离器(42)入口；气液分离器(42)液相出口连接至给水泵(51)入口；气液分离器(42)液相出口多余水量经过疏水管道输出系统；气液分离器(42)气相出口进行二氧化碳完全捕集；
所述气化给水预热单元包括给水泵(51)和给水预热器(52)；给水泵(51)出口连接至给水预热器(52)冷侧入口；给水预热器(52)冷侧出口连接至超临界水气化反应器(11)入口。
2.根据权利要求1所述的煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，其特征在于：所述超临界水气化反应器(11)的运行温度为500–800℃，运行压力为23–30MPa。
3.根据权利要求1所述的煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，其特征在于：通过改变进入超临界水气化反应器(11)和氧化反应器(12)的氧气量，使得进入超临界水气化反应器(11)的氧气与煤炭发生部分氧化反应，释放热量恰好提供气化给水加热至超临界状态和气化反应所需热量，整个气化过程达到自热平衡，避免外加热源和额外污染的产生。
4.根据权利要求1所述的煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，其特征在于：所述氧化反应器(12)出口为超临界水和超临界二氧化碳的混合工质。
5.根据权利要求1所述的煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，其特征在于：所述混合工质透平(21)的进气温度为1100–1700℃，排汽压力为0.1MPa。
6.根据权利要求1所述的煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，其特征在于：所述混合工质透平(21)出口排汽温度高，根据换热温差分别驱动蒸汽朗肯循环发电和预热气化给水，进行排汽余热回收，有效降低传热不可逆性，提高系统发电效率。
7.根据权利要求1所述的煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，其特征在于：所述蒸汽循环单元采用双压再热式蒸汽循环，回收混合工质的高温排汽余热，降低蒸汽排汽湿度。
8.根据权利要求1所述的煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，其特征在于：所述混合工质透平(21)出口排汽依次经过余热锅炉(31)、给水预热器(52)、低温换热器(35)进行排汽余热回收，低温换热器(35)热侧出口温度为85–100℃，排汽冷却器(41)出口温度为25–35℃，排汽冷却器(41)释放的大量低温潜热用来供热，进一步回收利用混合工质排汽余热。
9.根据权利要求1所述的煤炭超临界水气化复叠循环发电系统，其特征在于：通过调整排汽余热分配到蒸汽循环和预热气化给水的比例，改变给水预热器(52)冷侧出口气化给水温度，从而调整进入混合工质透平(21)的混合工质温度，以满足不同透平入口温度限制，提高机组运行灵活性。
10.权利要求1至9任一项所述的煤炭超临界水气化复叠循环发电系统的运行方法，其特征在于：气化给水经过给水预热器(52)预热到一定温度后进入超临界水气化反应器(11)，在超临界水气化反应器(11)中加热至超临界状态并与煤炭发生气化反应，生成高热值气化合成气；氧气经过管道连接至超临界水气化反应器(11)入口，与煤炭发生部分氧化反应，提供气化给水加热至超临界状态和气化反应所需热量，实现燃料部分氧化自热式供热方式；气化合成气进入氧化反应器(12)与纯氧发生氧化反应，得到超临界水和超临界二氧化碳的混合工质；混合工质进入混合工质透平(21)膨胀做功；混合工质透平(21)排汽进入余热锅炉(31)加热蒸汽循环水至高温高压蒸汽；余热锅炉(31)冷侧出口蒸汽进入蒸汽透平(32)膨胀做功；蒸汽透平(32)排汽经过冷凝器(33)和循环水泵(34)后进入低温换热器(35)，用于进一步回收混合工质低温排汽余热；低温换热器(35)冷侧出口进入余热锅炉(31)冷侧入口，用于回收混合工质高温排汽余热，完成闭合蒸汽朗肯循环；混合工质透平(21)排汽经过余热锅炉(31)、给水预热器(52)和低温换热器(35)降低到一定温度，通过排汽冷却器(41)进一步冷却后再进入气液分离器(42)；气液分离器(42)达到相平衡，二氧化碳存在于气相，水凝结存在于液相，凝结水进入给水泵(51)提供气化所需给水量，剩余水输出系统进行回收，实现二氧化碳的完全捕集和水的循环利用。
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