CN117266947A - 一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统及运行方法 - Google Patents

一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统及运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统及运行方法，该系统包括超临界水气化单元、发电单元和冷却碳捕集单元；本发明基于超临界水气化技术，实现煤炭高效清洁低碳发电；冷却分离后的高浓度二氧化碳部分进入回热器中回收透平的排气余热，并通过再循环至燃烧器中以控制透平的进口温度，剩余二氧化碳可进行完全碳捕集；通过在系统热流端耦合超临界二氧化碳循环，充分回收气化合成气与透平排气的余热，可实现系统余热的高效匹配；通过对系统中气化合成气与超临界二氧化碳工质进行合理分流，有效降低换热器冷热端的换热温差及传热不可逆损失，提高系统的发电效率。

Description

一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统 及运行方法
技术领域
本发明涉及煤炭高效清洁低碳发电技术领域，具体涉及一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统及运行方法。
背景技术
超临界水气化技术将煤炭的化学能转化富氢合成气，实现煤炭的梯级利用，具有气化温度低、产氢率高、氮硫元素易沉积、易实现碳捕集等优点，是燃煤电厂高效低碳排放的潜在技术基础。
目前，基于超临界水气化技术构建的煤炭发电系统多是基于循环水工质、或是通过蒸汽朗肯循环回收系统余热。其中，系统超临界水加热过程由于热源不匹配存在较大的传热不可逆性，为降低换热过程的不可逆损失，实现系统余热的高效匹配，有必要探索与超临界水气化系统集成的新型动力循环。
相比于常规蒸汽朗肯循环，超临界二氧化碳布雷顿循环具有更高的能量转换效率，在煤炭发电领域中具有极大的应用潜力。因此，亟需探索将超临界二氧化碳动力循环与煤炭超临界水气化发电系统相耦合的技术路线，以实现煤炭超临界水气化高效、清洁、低碳发电的技术优势。
发明内容
为实现煤炭高效、清洁、低碳发电，本发明提供了一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统及运行方法，该系统通过在热流端耦合超临界二氧化碳循环，充分回收气化合成气与透平排气余热，实现系统余热的高效匹配，有效降低换热器冷热端的换热温差及传热不可逆损失，提高系统的发电效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，所述系统包括超临界水气化单元、发电单元和冷却碳捕集单元；
所述超临界水气化单元包括给水泵1、低温预热器2、中温预热器3、高温预热器4、超临界水气化炉5、一号加热器6和一号气液分离器7；气化给水经过给水泵1，依次通过低温预热器2、中温预热器3和高温预热器4的冷端后，连接至超临界水气化炉5入口；煤炭和氧气连接至超临界水气化炉5入口；灰分从超临界水气化炉5排出；合成气从超临界水气化炉5出口依次通过高温预热器4、中温预热器3和低温预热器2的热端，高温预热器4热端出口的部分合成气进入一号加热器6的热端入口，一号加热器6的热端出口与中温预热器3的热端出口混合进入低温预热器2的热端入口，低温预热器2的热端出口连接至一号气液分离器7入口；
所述发电单元包括燃烧器8、燃气透平9、回热器10、二号加热器11、预冷器14、压缩机15、低温回热器16和高压透平17；氧气和一号气液分离器7出口的合成气连接至燃烧器8入口，系统分离后的部分二氧化碳经过回热器10的冷端后连接至燃烧器8入口；燃烧器8的出口产物连接至燃气透平9中做功发电，再依次通过回热器10和二号加热器11的热端；在集成的超临界二氧化碳发电循环中，预冷器14出口的二氧化碳工质经过压缩机15后分流成两路：第一路依次连接至低温回热器16和一号加热器6的冷端，第二路连接至二号加热器11的冷端，最后两路二氧化碳工质连接至高压透平17中做功发电，再经过低温回热器16的热端后进入预冷器14中，完成一个闭合的超临界二氧化碳发电循环；
所述冷却碳捕集单元包括排气冷却器12和二号气液分离器13；2号加热器11的热端出口经过排气冷却器12连接至二号气液分离器13入口，分离获得气相的二氧化碳和液相的水；二号气液分离器13气相出口的部分二氧化碳经过燃烧器8再循环至系统中，剩余二氧化碳进行完全碳捕集。
所述超临界水气化炉5的运行温度为500℃-800℃，运行压力为23MPa-32MPa。
氧气通过分流成两路，一路氧气进入超临界水气化炉5，与煤炭和气化给水发生部分氧化的超临界水气化反应，释放的热量恰好提供气化反应所需热量；另一路氧气进入燃烧器8中，与合成气发生完全氧化反应，燃烧器8出口产物的主要成分为二氧化碳和水。
系统冷却分离后的部分二氧化碳经过回热器10预热后再循环进入燃烧器8中，作为燃气透平9的冷却气，通过改变再循环二氧化碳工质的流量，进而调节燃气透平9的进口温度。
所述燃气透平9的进口温度为1000℃-1600℃，进口压力为1.5MPa-3MPa。
所述高压透平17的排气压力为7.6MPa-8.5MPa。
所述预冷器14出口工质的温度为31℃-38℃。
所述压缩机15出口的超临界二氧化碳工质分流成两路：第一路先进入低温回热器16中进行预热，再进入一号加热器6中回收合成气的余热；第二路进入二号加热器11中回收透平的排气余热；通过对压缩机15出口工质的合理分流，使得低温回热器16、一号加热器6和二号加热器11的最小换热温差为5℃-15℃。
所述的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统的运行方法，气化给水经过给水泵1后，依次通过低温预热器2、中温预热器3和高温预热器4的冷端进行预热；预热后的气化给水与煤炭和氧气进入超临界水气化炉5中，发生部分氧化的超临界水气化反应；灰分从超临界水气化炉5出口通过排灰管道排出；超临界水气化炉5出口的合成气依次通过高温预热器4、中温预热器3和低温预热器2的热端以预热气化给水，高温预热器4热端出口的部分合成气进入一号加热器6的热端入口，一号加热器6的热端出口与中温预热器3的热端出口合成气混合进入低温预热器2的热端入口，低温预热器2热端出口的合成气进入一号气液分离器7中进行气液分离；氧气和一号气液分离器7出口的合成气进入燃烧器8中，系统分离后的部分二氧化碳经过回热器10冷端的预热后进入燃烧器8中；燃烧器8的出口产物进入燃气透平9中做功发电，燃气透平9出口的透平排气进入回热器10的热端入口，对循环的二氧化碳工质进行预热；回热器10热端出口工质进入二号加热器11的热端入口，进一步回收透平排气余热；二号加热器11热端出口工质进入排气冷却器12中进行冷却，再进入二号气液分离器13中，分离获得气相的二氧化碳和液相的水；二号气液分离器13气相出口的部分二氧化碳经过回热器10预热后循环进入至燃烧器8中，剩余二氧化碳实现完全碳捕集；
在集成的超临界二氧化碳发电循环中，预冷器14出口的二氧化碳工质进入压缩机15中进行加压；加压后的超临界二氧化碳工质分流成两路：第一路先进入低温回热器16中进行预热，再进入一号加热器6中回收合成气的余热，第二路进入二号加热器11中回收透平排气的余热，一号加热器6出口和二号加热器11出口的工质混合进入高压透平17中做功发电；高压透平17出口工质进入低温回热器16的热端入口，再进入预冷器14中进行冷却，完成一个闭合循环。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)本发明基于超临界水气化技术，避免产生氮、硫污染物，将冷却分离后的高浓度二氧化碳部分再循环至燃烧器中以控制透平的进口温度，对系统二氧化碳进行完全碳捕集，可实现煤炭高效、清洁、低碳发电。
2)本发明通过在煤炭超临界水气化发电系统的热流端耦合超临界二氧化碳发电循环，充分回收气化合成气与透平排气的余热，实现系统余热的高效匹配。
3)本发明通过对系统中气化合成气与超临界二氧化碳工质进行合理分流，有效降低换热器冷热端的换热温差及传热不可逆损失，提高系统的发电效率。
附图说明
图1为本发明的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统示意图。
图1中：1为给水泵、2为低温预热器、3为中温预热器、4为高温预热器、5为超临界水气化炉、6为一号加热器、7为一号气液分离器、8为燃烧器、9为燃气透平、10为回热器、11为二号加热器、12为排气冷却器、13为二号气液分离器、14为预冷器、15为压缩机、16为低温回热器、17为高压透平。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所述的一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，包括超临界水气化单元、发电单元和冷却碳捕集单元；
所述超临界水气化单元包括给水泵1、低温预热器2、中温预热器3、高温预热器4、超临界水气化炉5、一号加热器6和一号气液分离器7；气化给水经过给水泵1，依次通过低温预热器2、中温预热器3和高温预热器4的冷端后，连接至超临界水气化炉5入口；煤炭和氧气连接至超临界水气化炉5入口；灰分从超临界水气化炉5排出；合成气从超临界水气化炉5出口依次通过高温预热器4、中温预热器3和低温预热器2的热端，高温预热器4热端出口的部分合成气进入一号加热器6的热端入口，一号加热器6的热端出口与中温预热器3的热端出口混合进入低温预热器2的热端入口，低温预热器2的热端出口连接至一号气液分离器7入口；
所述发电单元包括燃烧器8、燃气透平9、回热器10、二号加热器11、预冷器14、压缩机15、低温回热器16和高压透平17；氧气和一号气液分离器7出口的合成气连接至燃烧器8入口，系统分离后的部分二氧化碳经过回热器10的冷端后连接至燃烧器8入口；燃烧器8的出口产物连接至燃气透平9中做功发电，再依次通过回热器10和二号加热器11的热端；在集成的超临界二氧化碳发电循环中，预冷器14出口的二氧化碳工质经过压缩机15后分流成两路：第一路依次连接至低温回热器16和一号加热器6的冷端，第二路连接至二号加热器11的冷端，最后两路二氧化碳工质连接至高压透平17中做功发电，再经过低温回热器16的热端后进入预冷器14中，完成一个闭合的超临界二氧化碳发电循环；
所述冷却碳捕集单元包括排气冷却器12和二号气液分离器13；2号加热器11的热端出口经过排气冷却器12连接至二号气液分离器13入口，分离获得气相的二氧化碳和液相的水；二号气液分离器13气相出口的部分二氧化碳经过燃烧器8再循环至系统中，剩余二氧化碳进行完全碳捕集。
优选的，所述超临界水气化炉5的运行温度为500℃-800℃，运行压力为23MPa-32MPa，这样使得在此条件下发生煤炭的超临界水气化反应。
优选的，氧气通过分流成两路，一路氧气进入超临界水气化炉5中，与煤炭和气化给水发生部分氧化的超临界水气化反应，释放的热量恰好提供气化反应所需热量，实现系统的自热平衡；另一路氧气进入燃烧器8中，与合成气发生完全氧化反应，燃烧器8出口产物的主要成分为二氧化碳和水。
优选的，系统冷却分离后的部分二氧化碳经过回热器10预热后再循环进入燃烧器8中，作为燃气透平9的冷却气，通过改变再循环二氧化碳工质的流量，进而调节燃气透平9的进口温度，这样能够满足不同透平入口温度要求，提高机组运行的灵活性。
优选的，所述燃气透平9的进口温度为1000℃-1600℃，进口压力为1.5MPa-3MPa，这样使得燃气透平9具有较高的进口参数。
优选的，所述高压透平17的排气压力为7.6MPa-8.5MPa，这样在维持高压透平17具有较高输出功率的同时，保证二氧化碳工质在整个超临界二氧化碳发电循环中都保持为超临界状态。
优选的，所述预冷器14出口工质的温度为31℃-38℃，这样使得预冷器14出口的二氧化碳工质处于临界点状态附近，降低压缩机15的压缩功耗，进而提高超临界二氧化碳循环的发电效率。
优选的，所述压缩机15出口的超临界二氧化碳工质分流成两路：第一路先进入低温回热器16中进行预热，再进入一号加热器6中回收合成气的余热；第二路进入二号加热器11中回收透平的排气余热；通过对压缩机15出口工质的合理分流，使得低温回热器16、一号加热器6和二号加热器11的最小换热温差为5℃-15℃，这样可以减小换热器冷热端的换热温差及不可逆损失，提高系统的发电效率。
如图1所示，本发明所述的一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统的运行方法为：气化给水经过给水泵1后，依次通过低温预热器2、中温预热器3和高温预热器4的冷端进行预热；预热后的气化给水与煤炭和氧气进入超临界水气化炉5中，发生部分氧化的超临界水气化反应，煤炭部分氧化释放的热量恰好能够提供超临界水气化反应所需热量，可实现系统的自热平衡；灰分从超临界水气化炉5出口通过排灰管道排出；超临界水气化炉5出口的合成气依次通过高温预热器4、中温预热器3和低温预热器2的热端以预热气化给水，将气化给水预热到400℃左右；为了保证将气化给水预热到较高温度的同时，进一步回收合成气的余热，高温预热器4热端出口的部分合成气分流进入一号加热器6的热端入口，在一号加热器6中进行部分合成气的余热回收；一号加热器6热端出口的合成气与中温预热器3热端出口的合成气混合进入低温预热器2的热端入口，低温预热器2热端出口的合成气进入一号气液分离器7中进行气液分离；
一号气液分离器7出口的合成气与氧气进入燃烧器8中，系统分离后的部分二氧化碳经过回热器10冷端的预热后进入燃烧器8中；燃烧器8中发生合成气的完全氧化反应，得到以二氧化碳和水为主的燃烧产物；燃烧器8的出口产物进入燃气透平9中做功发电，燃气透平9出口的透平排气进入回热器10的热端入口，对循环的二氧化碳工质进行预热；回热器10热端出口工质进入二号加热器11的热端入口，进一步回收透平排气余热；二号加热器11热端出口工质进入排气冷却器12中进行冷却，再进入二号气液分离器13中，分离获得气相的二氧化碳和液相的水；二号气液分离器13气相出口的部分二氧化碳经过回热器10的预热后循环进入至燃烧器8中，作为冷却气，以调节燃气透平9的进口温度，剩余二氧化碳可实现完全碳捕集；
为了进一步回收合成气和透平排气的余热，在系统热流端耦合超临界二氧化碳发电循环，合成气和透平排气通过超临界二氧化碳工质分别在一号加热器6和二号加热器11中回收其余热，提高系统的发电效率，集成的超临界二氧化碳发电循环的运行方法如下：预冷器14出口的二氧化碳工质进入压缩机15中进行加压；加压后的超临界二氧化碳工质分流成两路：第一路先进入低温回热器16中进行初步预热，再进入一号加热器6中回收合成气的余热，第二路进入二号加热器11中回收透平排气的余热，一号加热器6出口和二号加热器11出口的工质混合进入高压透平17中做功发电，以实现系统余热的高效回收；高压透平17出口工质进入低温回热器16的热端入口，再进入预冷器14中进行冷却，完成一个闭合的超临界二氧化碳发电循环。
本发明通过在煤炭超临界水气化发电系统的热流端耦合超临界二氧化碳发电循环，充分回收气化合成气与透平排气的余热，实现系统余热的高效匹配。通过对系统中气化合成气与超临界二氧化碳工质进行合理分流，有效降低换热器冷热端的换热温差及传热不可逆损失，提高系统的发电效率，最终促进煤炭高效、清洁、低碳发电。

Claims (9)

1.一种耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，其特征在于：所述系统包括超临界水气化单元、发电单元和冷却碳捕集单元；
所述超临界水气化单元包括给水泵(1)、低温预热器(2)、中温预热器(3)、高温预热器(4)、超临界水气化炉(5)、一号加热器(6)和一号气液分离器(7)；气化给水经过给水泵(1)，依次通过低温预热器(2)、中温预热器(3)和高温预热器(4)的冷端后，连接至超临界水气化炉(5)入口；煤炭和氧气连接至超临界水气化炉(5)入口；灰分从超临界水气化炉(5)排出；合成气从超临界水气化炉(5)出口依次通过高温预热器(4)、中温预热器(3)和低温预热器(2)的热端，高温预热器(4)热端出口的部分合成气进入一号加热器(6)的热端入口，一号加热器(6)的热端出口与中温预热器(3)的热端出口混合进入低温预热器(2)的热端入口，低温预热器(2)的热端出口连接至一号气液分离器(7)入口；
所述发电单元包括燃烧器(8)、燃气透平(9)、回热器(10)、二号加热器(11)、预冷器(14)、压缩机(15)、低温回热器(16)和高压透平(17)；氧气和一号气液分离器(7)出口的合成气连接至燃烧器(8)入口，系统分离后的部分二氧化碳经过回热器(10)的冷端后连接至燃烧器(8)入口；燃烧器(8)的出口产物连接至燃气透平(9)中做功发电，再依次通过回热器(10)和二号加热器(11)的热端；在集成的超临界二氧化碳发电循环中，预冷器(14)出口的二氧化碳工质经过压缩机(15)后分流成两路：第一路依次连接至低温回热器(16)和一号加热器(6)的冷端，第二路连接至二号加热器(11)的冷端，最后两路二氧化碳工质连接至高压透平(17)中做功发电，再经过低温回热器(16)的热端后进入预冷器(14)中，完成一个闭合的超临界二氧化碳发电循环；
所述冷却碳捕集单元包括排气冷却器(12)和二号气液分离器(13)；2号加热器(11)的热端出口经过排气冷却器(12)连接至二号气液分离器(13)入口，分离获得气相的二氧化碳和液相的水；二号气液分离器(13)气相出口的部分二氧化碳经过燃烧器(8)再循环至系统中，剩余二氧化碳进行完全碳捕集。
2.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，其特征在于：所述超临界水气化炉(5)的运行温度为500℃-800℃，运行压力为23MPa-32MPa。
3.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，其特征在于：氧气通过分流成两路，一路氧气进入超临界水气化炉(5)，与煤炭和气化给水发生部分氧化的超临界水气化反应，释放的热量恰好提供气化反应所需热量；另一路氧气进入燃烧器(8)中，与合成气发生完全氧化反应，燃烧器(8)出口产物的主要成分为二氧化碳和水。
4.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，其特征在于：系统冷却分离后的部分二氧化碳经过回热器(10)预热后再循环进入燃烧器(8)中，作为燃气透平(9)的冷却气，通过改变再循环二氧化碳工质的流量，进而调节燃气透平(9)的进口温度。
5.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，其特征在于：所述燃气透平(9)的进口温度为1000℃-1600℃，进口压力为1.5MPa-3MPa。
6.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，其特征在于：所述高压透平(17)的排气压力为7.6MPa-8.5MPa。
7.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，其特征在于：所述预冷器(14)出口工质的温度为31℃-38℃。
8.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统，其特征在于：所述压缩机(15)出口的超临界二氧化碳工质分流成两路：第一路先进入低温回热器(16)中进行预热，再进入一号加热器(6)中回收合成气的余热；第二路进入二号加热器(11)中回收透平的排气余热；通过对压缩机(15)出口工质的合理分流，使得低温回热器(16)、一号加热器(6)和二号加热器(11)的最小换热温差为5℃-15℃。
9.权利要求1至8任一项所述的耦合超临界二氧化碳循环的煤炭超临界水气化发电系统的运行方法，其特征在于：气化给水经过给水泵(1)后，依次通过低温预热器(2)、中温预热器(3)和高温预热器(4)的冷端进行预热；预热后的气化给水与煤炭和氧气进入超临界水气化炉(5)中，发生部分氧化的超临界水气化反应；灰分从超临界水气化炉(5)出口通过排灰管道排出；超临界水气化炉(5)出口的合成气依次通过高温预热器(4)、中温预热器(3)和低温预热器(2)的热端以预热气化给水，高温预热器(4)热端出口的部分合成气进入一号加热器(6)的热端入口，一号加热器(6)的热端出口与中温预热器(3)的热端出口合成气混合进入低温预热器(2)的热端入口，低温预热器(2)热端出口的合成气进入一号气液分离器(7)中进行气液分离；氧气和一号气液分离器(7)出口的合成气进入燃烧器(8)中，系统分离后的部分二氧化碳经过回热器(10)冷端的预热后进入燃烧器(8)中；燃烧器(8)的出口产物进入燃气透平(9)中做功发电，燃气透平(9)出口的透平排气进入回热器(10)的热端入口，对循环的二氧化碳工质进行预热；回热器(10)热端出口工质进入二号加热器(11)的热端入口，进一步回收透平排气余热；二号加热器(11)热端出口工质进入排气冷却器(12)中进行冷却，再进入二号气液分离器(13)中，分离获得气相的二氧化碳和液相的水；二号气液分离器(13)气相出口的部分二氧化碳经过回热器(10)预热后循环进入至燃烧器(8)中，剩余二氧化碳实现完全碳捕集；
在集成的超临界二氧化碳发电循环中，预冷器(14)出口的二氧化碳工质进入压缩机(15)中进行加压；加压后的超临界二氧化碳工质分流成两路：第一路先进入低温回热器(16)中进行预热，再进入一号加热器(6)中回收合成气的余热，第二路进入二号加热器(11)中回收透平排气的余热，一号加热器(6)出口和二号加热器(11)出口的工质混合进入高压透平(17)中做功发电；高压透平(17)出口工质进入低温回热器(16)的热端入口，再进入预冷器(14)中进行冷却，完成一个闭合循环。
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