CN116221715A - 一种富氧燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富氧燃烧系统，包括：部分煤气化单元，用于将氧气及二氧化碳作为气化剂，对煤和石灰石进行富氧燃烧反应，并将燃烧产生的烟气送入二氧化碳分离单元进行二氧化碳分离；二氧化碳分离单元，用于将部分煤气化单元输送进来的烟气进行二氧化碳分离处理，并将分离出来的二氧化碳重新输入到所述部分煤气化单元中作为气化剂；空气分离单元，用于从空气中分离出高纯度氧气，并将高纯度氧气输入到部分煤气化单元中作为气化剂，从而将氧气及二氧化碳作为气化剂，对煤和石灰石进行富氧燃烧反应，充分利用二氧化碳，并不需要提取蒸汽作为气化剂，降低了燃烧系统的燃烧损耗。

Description

一种富氧燃烧系统

技术领域

本申请涉及煤炭燃烧技术领域，更具体地，涉及一种富氧燃烧系统。

背景技术

温室气体的排放与气候问题密切相关，CO 2占所有温室气体总变暖效应的60％以上。全球40％的CO 2排放是由化石燃料、尤其是煤炭造成的。2021年，煤炭占中国能源消费总量的56％。因此，煤炭利用过程中CO 2减排值得研究。

传统的煤气化工艺中，通常使用氧气和蒸汽作为反应气，蒸汽的加入有利于提高合成气中的氢气含量。然而，该系统中使用蒸汽将提高联合循环的发电煤耗。

因此，如何提供一种富氧燃烧系统，降低联合循环中燃烧系统的发电损耗，是目前有待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种富氧燃烧系统，用以解决现有技术中采用蒸汽作为和氧气作为反应气时，燃烧系统的发电损耗高的技术问题，所述系统包括：

部分煤气化单元，用于将氧气及二氧化碳作为气化剂，对煤和石灰石进行富氧燃烧反应，并将燃烧产生的烟气送入二氧化碳分离单元进行二氧化碳分离；

二氧化碳分离单元，用于将部分煤气化单元输送进来的烟气进行二氧化碳分离处理，并将分离出来的二氧化碳重新输入到所述部分煤气化单元中作为气化剂；

空气分离单元，用于从空气中分离出高纯度氧气，并将高纯度氧气输入到部分煤气化单元中作为气化剂。

本申请一些实施例中，所述部分煤气化单元包括燃烧器、气化器、余热锅炉、第一换热器、蒸汽轮机、冷凝器、发电机、烟气净化器、燃气轮机、第四换热器。

本申请一些实施例中，所述二氧化碳分离单元包括闪蒸罐、多级压缩机、净化塔、第二换热器、第一压缩机、蒸馏塔。

本申请一些实施例中，所述空气分离单元包括第二压缩机、第三换热器、低压蒸馏器、高压蒸馏器。

本申请一些实施例中，所述部分煤气化单元具体用于：

将煤和石灰石在破碎后送入到所述气化器的密相区内，并与二氧化碳及氧气反应，煤部分气化产生合成气，未气化的焦炭进入到燃烧器中，所述合成气包括一氧化碳、氢气、二氧化碳及水；

所述焦炭与氧气及再循环烟气进行燃烧反应产生烟气，并将烟气分为第一路烟气及第二路烟气；

所述第一路烟气再循环进入所述燃烧器，所述第二路烟气经由余热锅炉进入二氧化碳分离单元；

所述合成气经过换热器及烟气净化器进入燃气轮机中，在燃气轮机中燃烧产生高温高压废气，并在燃气轮机中膨胀发电，同时所述高温高压废气被分为第一路废气及第二路废气；

所述第一路废气再循环进入燃烧器中，所述第二路废气进入第四换热器中对给水进行加热，并经由第一换热器及余热锅炉进入二氧化碳分离单元中进行二氧化碳分离；

经过加热后的给水经过第一换热器进入余热锅炉中蒸发为超临界蒸汽，超临界蒸汽在蒸汽轮机中做功带动发电机发电，经过蒸汽轮机排出的蒸汽在冷凝器中重新冷凝为给水进行循环利用。

本申请一些实施例中，二氧化碳分离单元具体用于：

所述第二路废气及所述第二路烟气进入闪蒸罐中将水分离并生成无水气体；

所述无水气体在多级压缩机中进行压缩，并经过净化塔进行脱硝处理后进入第三换热器；

经过所述第三换热器及蒸馏塔的冷却并加热分离后，分离出高纯度二氧化碳。

本申请一些实施例中，所述空气分离单元具体用于：

空气经过所述第二压缩机进行加压，加压后的空气经过第三换热器后分别进入低温蒸馏器及高温蒸馏器中；

空气在低压蒸馏器及高压蒸馏器中分离出高纯度氧气，并通过所述第二压缩机将高纯度氧气输入到部分煤气化单元中。

通过应用以上技术方案，富氧燃烧系统包括：部分煤气化单元，用于将氧气及二氧化碳作为气化剂，对煤和石灰石进行富氧燃烧反应，并将燃烧产生的烟气送入二氧化碳分离单元进行二氧化碳分离；二氧化碳分离单元，用于将部分煤气化单元输送进来的烟气进行二氧化碳分离处理，并将分离出来的二氧化碳重新输入到所述部分煤气化单元中作为气化剂；空气分离单元，用于从空气中分离出高纯度氧气，并将高纯度氧气输入到部分煤气化单元中作为气化剂，从而将氧气及二氧化碳作为气化剂，对煤和石灰石进行富氧燃烧反应，充分利用二氧化碳，并不需要提取蒸汽作为气化剂，降低了燃烧系统的燃烧损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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示出了本发明实施例提出的一种富氧燃烧系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统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申请的限制。

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。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，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申请中的具体含义。

本申请实施例提供一种富氧燃烧系统，如图1所示，所述系统包括：

部分煤气化单元，用于将氧气及二氧化碳作为气化剂，对煤和石灰石进行富氧燃烧反应，并将燃烧产生的烟气送入二氧化碳分离单元进行二氧化碳分离；

二氧化碳分离单元，用于将部分煤气化单元输送进来的烟气进行二氧化碳分离处理，并将分离出来的二氧化碳重新输入到所述部分煤气化单元中作为气化剂；

空气分离单元，用于从空气中分离出高纯度氧气，并将高纯度氧气输入到部分煤气化单元中作为气化剂。

本实施例中，富氧燃烧产生的烟气主要成分为二氧化碳和水，使二氧化碳分离在纯化和压缩后更容易实现。因此提出了一种集煤部分气化、富氧燃烧、联合循环和二氧化碳分离于一体的富氧燃烧系统。煤-二氧化碳煤气化装置采用部分气化技术，焦炭燃烧装置和燃气轮机(燃气轮机)装置采用富氧燃烧技术。煤中的挥发分经过气化转化为合成气，而煤的低活性部分焦炭被燃烧用于发电。

该富氧燃烧系统主要由部分煤气化单元、二氧化碳分离单元及空气分离单元组成，部分煤气化单元中将氧气及二氧化碳作为气化剂，对煤和石灰石进行富氧燃烧反应，燃烧产生的烟气或废气进入二氧化碳分离单元中，分离出高纯度二氧化碳，该高纯度二氧化碳与空气分离单元中的高纯度氧气又作为气化剂重新输入到部分煤气化单元中，不需要提取蒸汽，同时实现了二氧化碳的循环利用，降低了燃烧系统的发电损耗。

为了进一步对部分煤气化单元进行说明，在本申请的一些实施例中，所述部分煤气化单元包括燃烧器、气化器、余热锅炉、第一换热器、蒸汽轮机、冷凝器、发电机、烟气净化器、燃气轮机、第四换热器。

为了进一步对二氧化碳分离单元进行说明，在本申请的一些实施例中，所述二氧化碳分离单元包括闪蒸罐、多级压缩机、净化塔、第二换热器、第一压缩机、蒸馏塔。

为了进一步对空气分离单元进行说明，在本申请的一些实施例中，所述空气分离单元包括第二压缩机、第三换热器、低压蒸馏器、高压蒸馏器。

为了说明部分煤气化单元的工作原理，所述部分煤气化单元具体用于：

将煤和石灰石在破碎后送入到所述气化器的密相区内，并与二氧化碳及氧气反应，煤部分气化产生合成气，未气化的焦炭进入到燃烧器中，所述合成气包括一氧化碳、氢气、二氧化碳及水；

所述焦炭与氧气及再循环烟气进行燃烧反应产生烟气，并将烟气分为第一路烟气及第二路烟气；

所述第一路烟气再循环进入所述燃烧器，所述第二路烟气经由余热锅炉进入二氧化碳分离单元；

所述合成气经过换热器及烟气净化器进入燃气轮机中，在燃气轮机中燃烧产生高温高压废气，并在燃气轮机中膨胀发电，同时所述高温高压废气被分为第一路废气及第二路废气；

所述第一路废气再循环进入燃烧器中，所述第二路废气进入第四换热器中对给水进行加热，并经由第一换热器及余热锅炉进入二氧化碳分离单元中进行二氧化碳分离；

经过加热后的给水经过第一换热器进入余热锅炉中蒸发为超临界蒸汽，超临界蒸汽在蒸汽轮机中做功带动发电机发电，经过蒸汽轮机排出的蒸汽在冷凝器中重新冷凝为给水进行循环利用。

本实施例中，煤和石灰石在破碎后被送入气化器的密相区，然后与气化剂(氧气+二氧化碳)反应。氧气由空气分离单元提供，二氧化碳从二氧化碳分离单元中提取。反应物在进入气化器之前被预热。煤部分气化产生合成气，合成气包括一氧化碳、氢气、二氧化碳及水。未气化的炭与分离出的固体通过返料器被转移到作为燃烧器的另一个流化床锅炉中，并与氧气和再循环的烟气一起燃烧。然后，炭燃烧后产生烟气。烟气在热交换器后分成两路：一路再循环进入燃烧器，另一路送入二氧化碳分离单元。高压蒸汽在余热锅炉中产生，炭燃烧产生的热量用于产生蒸汽，这比燃气轮机产生的烟气温度高很多。经过预热的给水流过分布在炭燃烧器上的换热面被蒸发成超临界蒸汽。蒸汽轮机中做功后带动发电机发电，排出的蒸汽在冷凝器中冷凝循环利用。此时锅炉烟气成分为二氧化碳和水，送入二氧化碳分离单元。

来自流化床气化器的高温合成气首先被送到热回收装置，然后进入合成气压缩机。加压合成气与氧气和再循环烟气在燃气轮机燃烧室内燃烧，产生高温高压废气，在燃气轮机内膨胀发电。排出的富含二氧化碳的废气被分成两路：一路被再循环到燃烧器，另一路被送到二氧化碳分离单元。

另外，本实施例中采用流化床气化器及流化床燃烧器，石英砂用作流化床气化器和燃烧器中的床和再循环材料。流化床气化炉具有更高的燃料适应性，适用于低热值燃料。在本发明中，煤被粉碎成颗粒并与石灰石混合，固体混合物连续送入流化床气化器的密相区并使其与氧气和二氧化碳反应。煤颗粒在气化炉中的反应包括脱挥发分、焦炭气化、NO x和SO x转化以及脱硫。

由于煤颗粒与石灰石一起被送入气化温度升至950℃以上的炉内，煤被分解成煤焦和挥发物。石灰石分解成CaO，CaO与H 2S反应。然后，焦炭和挥发物与氧气和二氧化碳反应，生成合成气。氧气来自空气分离单元，二氧化碳来自二氧化碳分离单元。合成气主要由CO、H2、二氧化碳和水组成。合成气通过旋风分离器，分离出固体物质。流化床气化反应器的密相区设置有排炭口，焦炭通过排炭口经过返料器流入另一台流化床燃烧器。焦炭燃烧过程采用富氧燃烧技术，炭与氧气和再循环烟气一起燃烧，生成富含二氧化碳的烟气。为确保流化床燃烧器稳定运行，燃烧温度保持在900℃左右。

为了分离出高纯度二氧化碳，在本申请的一些实施例中，二氧化碳分离单元具体用于：

所述第二路废气及所述第二路烟气进入闪蒸罐中将水分离并生成无水气体；

所述无水气体在多级压缩机中进行压缩，并经过净化塔进行脱硝处理后进入第三换热器；

经过所述第三换热器及蒸馏塔的冷却并加热分离后，分离出高纯度二氧化碳。

本实施例中，锅炉和燃气轮机排出的烟气被送到闪蒸罐，在那里水被分离。无水气体在多级压缩机中加压至3MPa，然后在脱NO x过程中将NO氧化为HNO3，由于锅炉和燃气轮机排出的烟气中不包含N2，同时富氧燃烧产生的NOx排放量远低于空气燃烧产生的NOx排放量，但仍然需要脱硝工艺。脱硝后，气体被送到热交换器，在此冷却并加热分离。最后，烟气中的二氧化碳被分离出来，得到纯度为95％以上的二氧化碳。

为了分离出高纯度氧气，在本申请的一些实施例中，所述空气分离单元具体用于：

空气经过所述第二压缩机进行加压，加压后的空气经过第三换热器后分别进入低温蒸馏器及高温蒸馏器中；

空气在低压蒸馏器及高压蒸馏器中分离出高纯度氧气，并通过所述第二压缩机将高纯度氧气输入到部分煤气化单元中。

综上所述，该系统主要由空气分离单元、部分煤气化单元以及二氧化碳分离单元组成。低温蒸馏技术用于产生高纯度氧气。流化床锅炉由于其高燃料适应性、低污染物排放和低投资成本而被用作气化器和燃烧器。二氧化碳和氧气的混合物将煤部分气化以产生合成气。使用二氧化碳而不是蒸汽作为反应气体。传统的煤气化工艺中，通常使用氧气和蒸汽作为反应气，蒸汽的加入有利于提高合成气中的氢气含量。然而，该系统中使用蒸汽将提高联合循环的发电煤耗，因此，选用空气分离单元产物氧气和联合循环出口产生的高纯度二氧化碳用作煤气化过程中的反应气体，其中二氧化碳用作冷却剂。

因此，不需要从蒸汽循环中提取蒸汽。氧化钙用于炉内脱硫，煤气化产生的合成气作为燃料被送往燃气轮机发电。氧气和循环烟气代替空气作为氧化剂。燃气轮机的高温废气用于预热给水。未气化的焦炭与氧气一起燃烧循环烟气，产生900℃烟气，然后热量通过不同类型的加热表面传递给给水。H2O超临界发电技术用于蒸汽循环，热回收后从烟气中分离出来。最后对不含水的气体进行提纯加压，得到高纯度的二氧化碳。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种富氧燃烧系统，其特征在于，所述系统包括：

部分煤气化单元，用于将氧气及二氧化碳作为气化剂，对煤和石灰石进行富氧燃烧反应，并将燃烧产生的烟气送入二氧化碳分离单元进行二氧化碳分离；

二氧化碳分离单元，用于将部分煤气化单元输送进来的烟气进行二氧化碳分离处理，并将分离出来的二氧化碳重新输入到所述部分煤气化单元中作为气化剂；

空气分离单元，用于从空气中分离出高纯度氧气，并将高纯度氧气输入到部分煤气化单元中作为气化剂。

2.如权利要求1所述的富氧燃烧系统，其特征在于，所述部分煤气化单元包括燃烧器、气化器、余热锅炉、第一换热器、蒸汽轮机、冷凝器、发电机、烟气净化器、燃气轮机、第四换热器。

3.如权利要求1所述的富氧燃烧系统，其特征在于，所述二氧化碳分离单元包括闪蒸罐、多级压缩机、净化塔、第二换热器、第一压缩机、蒸馏塔。

4.如权利要求1所述的富氧燃烧系统，其特征在于，所述空气分离单元包括第二压缩机、第三换热器、低压蒸馏器、高压蒸馏器。

5.如权利要求2所述的富氧燃烧系统，其特征在于，所述部分煤气化单元具体用于：

将煤和石灰石在破碎后送入到所述气化器的密相区内，并与二氧化碳及氧气反应，煤部分气化产生合成气，未气化的焦炭进入到燃烧器中，所述合成气包括一氧化碳、氢气、二氧化碳及水；

所述焦炭与氧气及再循环烟气进行燃烧反应产生烟气，并将烟气分为第一路烟气及第二路烟气；

所述第一路烟气再循环进入所述燃烧器，所述第二路烟气经由余热锅炉进入二氧化碳分离单元；

所述合成气经过换热器及烟气净化器进入燃气轮机中，在燃气轮机中燃烧产生高温高压废气，并在燃气轮机中膨胀发电，同时所述高温高压废气被分为第一路废气及第二路废气；

所述第一路废气再循环进入燃烧器中，所述第二路废气进入第四换热器中对给水进行加热，并经由第一换热器及余热锅炉进入二氧化碳分离单元中进行二氧化碳分离；

经过加热后的给水经过第一换热器进入余热锅炉中蒸发为超临界蒸汽，超临界蒸汽在蒸汽轮机中做功带动发电机发电，经过蒸汽轮机排出的蒸汽在冷凝器中重新冷凝为给水进行循环利用。

6.如权利要求5所述的富氧燃烧系统，其特征在于，二氧化碳分离单元具体用于：

所述第二路废气及所述第二路烟气进入闪蒸罐中将水分离并生成无水气体；

所述无水气体在多级压缩机中进行压缩，并经过净化塔进行脱硝处理后进入第三换热器；

经过所述第三换热器及蒸馏塔的冷却并加热分离后，分离出高纯度二氧化碳。

7.如权利要求4所述的富氧燃烧系统，其特征在于，所述空气分离单元具体用于：

空气经过所述第二压缩机进行加压，加压后的空气经过第三换热器后分别进入低温蒸馏器及高温蒸馏器中；

空气在低压蒸馏器及高压蒸馏器中分离出高纯度氧气，并通过所述第二压缩机将高纯度氧气输入到部分煤气化单元中。

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